고객이 직면한 과제
철근은 교량 접합부, 도로 차선 장벽, 육교 및 건물 기둥과 같은 대형 콘크리트 구조물의 필수 구성요소입니다. 오랜 동안 부식에 취약한 강철은 강도 때문에 보강 철근의 재료로 선택되어 왔습니다. 지난 20년 동안 기술이 발전하면서 합성 철근이 기존의 강철 보강재에 사용 가능한 대안이 되었습니다. 염분 공기, 염수, 도로 염분 및 부식성 토양은 모두 철근의 품질 저하에 영향을 주어 해안 지역 및 북부 기후의 도로, 교량, 건물의 구조적 완전성을 취약하게 합니다. GFRP(유리 섬유 강화 폴리머), BFRP(현무암 섬유 강화 폴리머) 또는 탄소 섬유 강화 폴리머 복합 재료로 만든 새로운 철근은 강도, 자기 투명도, 가벼움 및 가장 중요한 내식성 측면에서 뚜렷한 이점을 제공합니다.
이러한 이점에도 불구하고 FRP(섬유 강화 폴리머) 철근은 강도, 내구성, 신뢰성 확인이 어려워 아직 널리 사용되지 못하고 있습니다. 국제 건축법은 FRP 철근 사용을 허용하지만 현재 문제는 이 재료가 표준화되지 않았다는 것입니다.
플로리다 주립 대학의 토목 및 환경 공학과 부교수인 Raphael Kampmann 박사는 이 문제에 대해 “엔지니어는 합성 철근을 일반적으로 콘크리트 내부에 들어가는 구조용 강철과 비교하기를 원합니다. 현재 강철은 표준화되어 있으며 중국, 독일 또는 미국에서 구매하든 상관없이 항상 표준화된 제품을 얻을 수 있습니다.”라고 설명합니다. 그는 “토목 공학 구조물과 건축 산업 전반에 FRP 철근 기술을 구현하려면 이러한 새 재료를 적절하게 활용하기 위해 많은 재료 테스트를 수행해야 합니다. 다시 설명하자면 모든 재료가 다르기 때문에 각 재료에는 특별한 승인이 필요합니다.”라고 덧붙였습니다.
테스트 과제
기반 시설에서 확인을 갖고 사용할 수 있도록 복합 철근의 실제 성능을 정확하게 평가하는 작업은 다음과 같은 여러 과제를 수반하는 복잡한 프로세스입니다.
표준화 부족
표준은 성능 기준을 규정하지만 재료 구성을 지정하지 않기 때문에 각 철근은 제조 공급자, 재료 유형 및 재료 공급원에 따라 다를 수 있습니다. 따라서 검증은 완제품의 특정 부분에 적용됩니다.
크기 및 매개변수 수
철근은 6mm(0.25인치)에서 57mm(2.26인치) 범위의 공칭 직경을 가진 여러 표준 크기로 제공됩니다. 강철과 달리 FRP 철근의 인장 강도는 직경에 따라 다르므로 제조업체가 시장에 출시하기 전에 각 크기를 테스트해야 합니다.
U S T O M E R C A S E S T U D Y
플로리다 주립 대학 팀은 초기 인장 강도를 테스트하는 것 외에도 실제 환경에서 볼 수 있는 극한의 환경을 복제한 노화 과정을 진행한 후, 철근을 테스트하여 환경 조건에 노출된 후 잔류 강도가 얼마나 남았는지 확인합니다. 그런 다음 새 철근의 기준 값을 노화된 철근과 비교하여 성능 저하를 확인합니다. 또한 FRP의 기본 동작을 연구하기 위해 여러 비구조 테스트를 수행합니다.
노화 과정에 필요한 시간
Kampmann 박사와 그의 연구팀은 다양한 간격으로 철근을 노후화합니다. 즉, 다음 철근 세트로 이동하기 전에 제한된 시간 내에 테스트를 완료해야 합니다. 그는 이를 위해서는 "특정 시간 제한 내에 여러 테스트를 수행하도록 공구 장착 시간을 줄이고 빠른 회전을 보장하는 안정적인 설정이 필요"하다고 강조합니다.
총 테스트 수
성능을 검증하는 데 필요한 테스트 양은 놀라울 정도로 많습니다. Kampmann 박사는 "한 연구 프로젝트에서 모든 매개변수를 테스트하고 다양한 철근 크기와 유형을 평가하기 위해 700개 이상의 인장 테스트를 수행하고 있습니다."라고 설명합니다.
그리핑 문제
FRP 철근을 테스트할 때 가장 큰 문제 중 하나는 시편을 그리핑하는 것입니다. 시편에 함유된 섬유질로 인해 결국에는 비뚤어지기 때문에 철근의 경우와 같이 시편의 끝 부분을 그리핑할 수 없습니다. FRP 끝단에서 기존의 그리핑을 수행하면 철근에 적절한 인장 강도가 적용되기 전에 복합 재료가 변형되고 부서지는 횡력이 발생합니다.
ASTM D7205는 마찰을 통해 테스트 기계에서 철근으로 하중을 전달하기 위해 팽창성 그라우트 또는 수지로 채워진 강철관으로 FRP 철근의 양쪽 끝을 고정하는 그립 문제를 해결하는 방법을 설명합니다. 간단한 솔루션 같지만 두 가지 주요 과제가 있습니다. 첫째, 테스트 공간 내에서 앵커를 수용할 수 있어야 하며 앵커 크기는 시편을 잡고 충분한 마찰을 제공할 수 있을 정도로 커야 합니다. 종종 결과적으로 요구되는 앵커 크기는 시편을 적절하게 평가하기에 충분한 테스트 이동 공간을 남기지 않습니다. 둘째, 앵커는 그립 지점에서 시편의 직경을 크게 증가시키며 표준 그리핑 턱은 필요한 용량을 제공하지 않는 경우가 많습니다.
테스트 솔루션
플로리다 주립 팀은 그리핑 과제를 해결하고 모든 크기의 철근을 수용할 수 있는 새로운 고정 장치를 개발했습니다. 이 새로운 고정 장치는 앵커에 하중을 가하고 FRP 시편으로 전달하며, 적절한 정렬을 보장하는 시편 잠금 플레이트를 포함합니다.
시편 잠금 기능은 테스트 속도와 정확도를 향상시킵니다. Kampmann 박사는 “700개의 시편을 테스트하려면 속도가 빨라야 합니다. 보통은 철근을 클램핑할 때 일반 철근과 마찬가지로 항상 정렬해야 합니다. 그러나 이 테스트는 삽입만 하면 되는 원스톱 솔루션입니다. 그런 다음, 테스트를 반복하면 다시 설정할 필요가 없습니다."라고 말하면서 "시간을 절약하는 것뿐만 아니라 테스트를 더욱 신뢰할 수 있습니다. 이 고정 장치를 사용하면 테스트 절차를 누가 수행하든 사용자가 무엇을 하든 일반적으로 동일하게 나타납니다. 설치된 후에는 철근이 다른 곳으로 이동되지 않기 때문입니다.”라고 덧붙였습니다.
MTS Landmark® 테스트 시스템은 고정 장치를 쉽게 수용하여 다양한 철근 크기를 평가하는 데 필요한 강성과 조정 가능한 테스트 공간을 제공합니다. 새로운 고정 장치는 시편 설치를 단순화하고 개별적인 시편 정렬이 필요하지 않으며 정확한 측정 결과를 제공합니다. 간소화된 이 프로세스는 필요한 모든 테스트를 완료할 수 있는 충분한 시간을 제공합니다.
고객 혜택
플로리다주에서는 FRP 철근 테스트 프로그램에서 MTS Landmark 테스트 시스템, MTS TestSuite™ 응용 분야 소프트웨어 및 MTS 신율계를 사용합니다. Kampmann 박사는 MTS와 함께 일한 경험을 “저희가 가진 모든 질문이 즉시 해결되었습니다. 많은 엔지니어들이 저희가 무언가를 요청하면 즉시 처리해주셨습니다. 고객 서비스는 MTS의 최우선 순위로 보였고 엔지니어들은 해결책을 찾을 때까지 포기하지 않았습니다.”라고 설명했습니다.
FRP 철근의 미래에 대해 Kampmann 박사는 다음과 같이 말합니다. "향후 10년은 모든 FRP 재료를 폭발적으로 테스트하는 시기가 될 것입니다. 왜냐하면 지금 우리는 처음으로 FRP 철근 사용을 허용하는 건축 법규가 있는 업계의 전환점에 있기 때문입니다. 그러나 모든 재료가 표준화되거나 제대로 테스트되거나 검증된 것은 아닙니다.” Kampmann 박사와 그의 팀은 유리, 현무암 및 탄소 FRP 철근을 테스트했으며 향후 사용할 준비가 되어 있습니다. "이 고정 장치의 좋은 점은 테스트된 재료와는 무관하다는 것입니다. 이 고정 장치를 사용하여 시장에 출시하고 테스트할 다른 재료로 프로젝트를 확장할 수 있습니다. 결론은 이러한 재료가 사용될 때마다 이유가 무엇이든 테스트를 거쳐야 한다는 것입니다.”
