현장 적용을 위한 GFRP 슬립폼의 역학적 특성 연구

Abstract

초장대 교량의 콘크리트주탑 시공방법인 슬립폼 공법은 이동식 슬립폼 시공 후 콘크리트의 경화속도에 따라 지속적으로 수직 상승하는 공법으로 공기 단축 효과가 탁월하다. 그러나 기존 슬립폼 공법에 사용되는 강재 슬립폼은 많은 체결장치로 인해 조립과정에서 공기지연의 원인이 되며 해체가 어려워 재사용이 불가능하다. 또한 콘크리트단면과 거푸집의 마찰에 의해 시공면의 처리 작업이 지속적으로 요구되며 부식과 변형에 따른 품질관리의 어려움이 발생된다. 재료적으로 열전도율이 높은 강재 슬립폼은 콘크리트의 초기경화를 방해하여 슬립업 상승속도를 저해하는 요인으로도 작용한다. 따라서 이 연구에서는 강재 슬립폼의 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 Glass Fiber Reinforced Polymer(GFRP)를 이용한 슬립폼 형상과 적용 방법을 제안하고 역학적 특성을 분석하였다.

이 연구에서는 GFRP 슬립폼 개발을 위해 결합장치를 최소화하여 조립과 해체가 간편한 블록식으로 이루어진 경량의 GFRP 슬립폼 형상을 3차원 유한요소 해석을 통해 제안하였다. 제안된 GFRP 슬립폼을 사용하기 위해 유럽에서 적용하고 있는 콘크리트의 측압 기준과 국내 측압 기준을 매개변수 해석을 통해 비교하여 가장 적합한 적용 방법을 제안하였다. 또한 GFRP 슬립폼의 연결부의 성능을 검증하기 위한 해석과 거푸집과 월러와의 결합을 위한 체결장치를 제안하였다.

GFRP 슬립폼의 성능을 평가하기 위한 시험으로 GFRP 슬립폼과 콘크리트와의 단면 마찰력 분석을 실시하였다. 이 같은 분석을 위해 슬립업이 가능한 축소형 모델을 제작하고 슬립폼 공법과 동일한 상승방법을 이용하여 마찰력을 비교 하였다. 또한 재료의 열전도율과 거푸집 형상에 따른 단열효과를 분석하기 위해 실제 슬립폼과 동일한 형태의 시험체를 각각 제작하여 콘크리트 양생에 따른 온도변화를 분석하였다. GFRP 슬립폼의 사용성을 검증하기 위한 시험으로 휨 시험을 실시하여 하중에 따른 초기 거동과 파괴 시 거동을 분석하고 콘크리트 타설에 의한 슬립폼의 연결부 상태와 형상 변형, 콘크리트와의 접착력을 시험을 통해 확인하였다. 최종적으로 실제 폭 700mm 높이 2,000mm 기둥을 강재 및 GFRP 슬립폼에 의해 시공하여 적용성을 검증하였다. 연구결과, 제안된 GFRP 슬립폼은 조립과 해체가 매우 편리한 구조로 슬립폼 설치시간을 크게 감소시킬 수 있는 것으로 나타났다. 또한 GFRP 재료 특성 중 콘크리트와의 접착력을 낮출 수 있는 효과로 인해 마찰력이 약 25% 감소함에 따라 콘크리트 단면 성형성이 매우 향상되는 결과를 보였다. 재료의 낮은 열전도율과 박스 형태의 형상은 콘크리트 양생온도를 약 2-6℃ 까지 상승시키는 단열 효과를 나타냄으로써 슬립폼 상승시기와 밀접한 관련이 있는 콘크리트의 초기경화속도를 다소 빠르게 진행실 수 있는 것으로 분석되었다. 거푸집의 휨 성능의 경우 강재 거푸집과 유사한 초기 처짐 거동을 확인하였으며 강재 거푸집에 비해 약 40%의 높은 휨 성능과 함께 단면파괴가 발생하지 않아 안전성이 높은 것으로 나타났다. 최종 mock-up test 결과, GFRP 슬립폼의 적용은 충분히 가능한 것으로 나타났으며 강재 슬립폼에 비해 사용성이 뛰어난 것으로 분석되었다.