GFRP 록볼트의 인장 및 전단성능에 관한 연구

Abstract

록볼트는 주변 지반의 지보 기능을 유리하게 활용하기 위한 부재로서 일반적으로 강재로 된 소요의 강도 이상을 가진 이형봉강을 활용한다. 그러나 부식성 지하수 조건에서는 강재가 부식함으로써 록볼트의 파괴가 발생하며, 따라서 터널 및 사면안정의 보수 및 보강 등의 유지관리 문제가 발생하게 된다. 강재의 부식을 막기 위한 방법으로는 강재에 아연도금, 에폭시코팅을 하거나 스테인리스강재를 사용하는 것이 있으나, 이러한 방법은 염해환경에 불안하며 비경제적이라는 것으로 보고되고 있다. 강재의 부식을 막는 또 다른 방법으로 강재의 부식을 막기 위해 천공된 공간, 즉 볼트와 암반 사이의 공간에 시멘트 또는 레진그라우트를 사용하여 완전 충전을 하는 것이 있다. 연구결과 충전재료도 부식이 발생하며 충전이 완벽하게 되기가 사실상 불가능하여 강재의 부식을 방지하기 어려운 문제점이 나타났다. 따라서 이러한 문제점을 해결하기 위하여 강재를 GFRP 소재로 대체한 GFRP 록볼트가 개발되었다. GFRP 록볼트의 내부식성으로 인한 록볼트의 장기수명화를 기대할 수 있다는 장점외에도 강재에 비해 고강도이며, 경량하기 때문에 작업성이 우수하고, 비자성 및 부도체성으로서 지하구조물에서의 전류의 흐름을 방지하여 대형사고를 방지할 수 있는 장점이 있다. 이 연구에서는 GFRP 록볼트의 성능을 평가하기 위해 실내에서 인장성능평시험 및 전단성능평가시험을 하고, 인장성능평가시험 및 전단성능평가시험에서 도출된 GFRP 록볼트의 물성치를 바탕으로 프로그램을 이용한 사면안정해석을 하여 안전율을 평가하였다. 본 연구에서의 비교대상은 터널설계기준에서 록볼트의 표준으로 제시하고 있는 SD350재질의 강재 D25mm 이다. 인장성능결과 평균최대하중은 D20mm의 경우 227 kN, D25mm의 경우 358 kN이며, 평균인장응력은 D20mm의 경우 1,006 MPa, D25mm의 경우 1,036 MPa로 측정되었다. 전단성능평가시험 결과 D20mm의 경우 평균하중 231 kN에서 전단파괴되었고, D25mm의 경우 평균하중 260 kN에서 전단파괴되었다. 일반적으로 전단에 취약하다고 알려진 GFRP 볼트의 적용가능성에 대해 알아보기 위하여 인장 및 전단성능시험결과에서 도출한 GFRP 볼트의 재료특성을 이용하여 다양한 사면경사에서 사면안정해석을 한 결과 모든 경사에서의 안전율의 크기는 GFRP 볼트 D25mm, 강재 D25mm, GFRP 볼트 D20mm 의 순으로 나타났다. 본 연구는 GFRP 볼트의 인장 및 전단성능에 대한 평가와 그 적용 가능성에 대한 연구이며, 실내 실험을 통하여 재료적인 물성치를 파악하고 프로그램을 이용한 사면안정해석결과로 얻어진 안전율을 비교해 본 결과 GFRP 볼트는 현장 적용이 가능하다는 결론이 나왔다. GFRP 볼트가 강재의 대체재료로서 적극적으로 활용되기 위해서는 후행 연구로써 현장시험시공 및 인발 시험이 필요하며, 이와 더불어 이론적 접근과 수치해석적 접근 등을 통하여 GFRP 볼트의 설계에 관한 체계적이고 논리적인 제안이 필요하다고 판단된다.