GFRP 평가

콘크리트 교량 데크를 강화하는 강철 철근에 대한 비금속 대안은 미네소타의 혹독한 기후에서 교량을 유지하는 데 더 오래 지속되고 비용 효율성이 더 높을 가능성이 있습니다. 초기 연구에 따르면 유리섬유 강화 폴리머(GFRP)로 제작된 교량 데크의 성능은 기존 방식으로 제작된 데크와 비슷하거나 더 나은 것으로 나타났습니다.

콘크리트에 매설된 철근의 부식은 교량 데크 열화의 주요 원인입니다. 도로 염분의 습기와 염화물이 교량 상부 구조에 침투하여 강철을 부식시키면 손상이 발생합니다. 미네소타의 혹독한 겨울 동안 동결과 해빙이 반복되면 영향이 확대되어 콘크리트 균열이 발생하고 내장된 보강재가 더욱 노출될 수 있습니다.

GFRP 철근은 산화되거나 녹슬지 않아 부식에 대한 저항력이 뛰어난 기존 강철 철근을 대체하는 비금속 철근입니다. GFRP는 캐나다 일부 지역에서 교량 데크 보강재로 사용되어 왔지만 미국에서는 제한적으로만 사용되었습니다. 이 대체 보강재를 사용하는 미네소타 최초이자 유일한 교량에 대한 이전 연구에서는 GFRP가 기존 강철 보강근보다 부식에 훨씬 더 잘 견디는 것으로 나타났습니다. 구조적인 문제는 없었습니다.

"이것은 GFRP와 에폭시 코팅 보강재로 보강된 인접한 교량 데크를 직접 비교할 수 있는 좋은 기회였습니다. 각 교량 데크의 응력, 변형 및 처짐은 매우 유사하며 초기 성능이 뛰어났습니다."라고 교량 표준 담당자인 Paul Rowekamp는 말했습니다. 연구 엔지니어, MnDOT Bridge Office.

2018년에 MnDOT는 트렁크 고속도로 169에 GFRP 데크 보강재를 사용하는 교량과 기존의 에폭시 코팅 강철 보강재를 사용하는 교량 한 쌍을 건설했습니다. 이 건설 프로젝트는 두 교량의 성능을 비교할 수 있는 독특한 기회를 제공했습니다. 교량은 동일한 환경 스트레스 요인에 노출되었고 매우 유사한 교통 조건을 겪었기 때문에 보강 유형은 매우 유사했습니다.

이 프로젝트의 목표는 사용 중인 두 교량 상판의 구조적 성능과 내구성을 비교하고 기존 강철 보강재의 대안으로 GFRP의 잠재력을 평가하는 것이었습니다.

교량 건설 당시 시작된 다각적인 노력을 통해 교량 데크의 철근 보강재와 비교하여 GFRP의 성능을 철저하게 평가할 수 있었습니다. 먼저, 교량 설계에 따라 연구원들은 콘크리트가 타설되기 전에 데크 내부에 센서를 설치했습니다. 이는 시간 경과에 따른 교량 데크의 변형 및 온도 변화를 측정하는 데 도움이 되었습니다.

거의 4년에 걸친 모니터링에는 센서에서 온도 및 변형률 데이터를 수집하고, 관련 응력을 평가하고, 성능을 설계 지침과 비교하는 작업이 포함되었습니다. 측정 결과는 일반적인 데크 반응과 극단적인 데크 반응을 모두 포착했습니다.

대들보와 교량 데크에 부착된 추가 장비는 건설 직후, 1년 후, 2년 후에 활하중 테스트 중에 응력과 변형을 측정했습니다. 활하중 테스트는 교통하중 효과를 재현했으며 활하중이 적용 지점에서 교량 상판 및 개별 거더까지 어떻게 분산되는지 이해하는 데 사용되었습니다.

프로젝트 전반에 걸쳐 6개월마다 시각적 교량 데크 검사를 통해 조사관은 두 교량 상부 구조의 상태를 평가하고 균열을 문서화하며 수집된 센서 데이터를 기반으로 잠재적인 원인을 설명할 수 있었습니다.

실험실에서 MnDOT가 공급한 GFRP 샘플은 파손될 때까지 인장 하중을 받았고, 이를 통해 연구자들은 재료의 기계적 특성을 확인하기 위한 응력-변형 곡선을 개발할 수 있었습니다. 마지막으로 건설, 자재, 인건비, 운영 및 장기 유지관리 비용을 포함한 두 교량 상판의 수명주기 비용 분석을 통해 기존 강철과 비교하여 GFRP 철근의 경제적 잠재력을 평가했습니다.

교량 데크 간의 단기 및 장기 성능 비교에서는 어느 쪽에서도 큰 차이나 비정상적인 동작이 나타나지 않았습니다.