스마트 강연선을 활용한 마찰계수 측정에 관한 실험적 연구

Abstract

프리스트레스트콘크리트(PreStressed Concrete, 이하 PSC) 거더교나 원자력 발전소 격납건물 등 사회 기반 시설에 폭넓게 적용되는 PSC 구조물은 삽입된 긴장재(PS 강재, PreStressing tendon)의 긴장력이 감소되면 구조물의 성능이 크게 저하될 우려가 있다. 따라서 구조물에 도입된 정확한 긴장력의 확인 및 유지 관리를 위한 긴장력의 향상된 계측시스템이 요구되고 있다. 이에 한국건설기술연구원에서는 PSC 부재에 사용되는 강연선(7연선)의 심선을 FBG(Fiber Bragg Grating) 센서가 내장된 탄소소재의 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer)로 교체한 스마트 강연선을 개발하였다. 이 논문에서는 스마트 강연선의 실용화 노력의 일환으로 PSC 부재에 스마트 강연선을 적용하여 강연선의 변형률, 응력 및 긴장력 분포를 추정하고, 이로부터 긴장재의 마찰계수를 합리적으로 추정해 보고자 하였다. PSC 구조물에서 긴장재의 신장량 및 긴장력의 계산과 관리는 핵심적인 사항이며, 이 때 마찰계수는 계산결과에 큰 영향을 미치게 된다. 이러한 목적으로 20 m 경간의 실대형 PSC 부재를 제작하고 쉬스관의 곡률 및 직경, 쉬스관 내 강연선의 충전율 등을 변수로 스마트 강연선을 이용하여 마찰계수를 산정해 보았다. 또한 계측을 목적으로 긴장재의 일부를 스마트 강연선으로 대체하였을 경우 심선이 특수한 재질로 제작된 스마트 강연선이 일반 강연선과 유사하게 구조적인 역할도 수행할 수 있는지 고찰해 보았다. 실대형 부재를 이용한 마찰계수 측정 실험 결과 파상 마찰계수는 약 0.004 /m, 곡률 마찰계수는 약 0.20 /rad으로 산정되며, 이는 국내 설계기준에 제시한 마찰계수 범위의 중간 정도에 해당하는 것으로 나타났다. 또한 이 연구결과 기존 국내 설계기준에서 제시한 마찰계수의 범위를 약 30% 감소시켜 보다 높은 정밀도로 나타낼 수 있었다. 이처럼 스마트 강연선을 적용함으로써 PSC 구조물의 설계 및 해석 시 관건이 되는 다양한 문제들을 좀 더 효과적으로 해결하고 관련 규정들의 정밀도를 높일 수 있을 것으로 기대되며, 이 연구를 통해 그러한 가능성을 확인할 수 있었다. 한편, 쉬스관 직경 및 곡률, 충전율, 긴장재의 위치가 마찰계수에 미치는 영향을 분석하였으며 이는 국내외에서 수행 사례가 없는 선도적인 연구로서, 강연선에 부착 시 계측의 정확도가 현저히 저하되는 기존의 전기저항식 게이지의 단점을 획기적으로 개선할 수 있을 것으로 기대된다. 이 연구는 스마트 강연선의 폭넓은 활용성을 보여주고 있으며, 이에 따라 PSC 구조물의 효율적이고 경제적인 설계와 시공에 크게 기여할 수 있을 것으로 예상된다.