미래 기반 시설을 위한 복합 철근

전 세계적으로 콘크리트 구조물은 전례 없는 공격을 받고 있습니다. 도로, 교량 및 고가도로의 교통량이 증가했을 뿐만 아니라 기후 변화로 인해 돌발 홍수 및 기타 파괴적인 사건을 초래하는 격렬한 폭풍과 집중호우를 포함한 극한 기상 현상이 증가했습니다. 이러한 스트레스를 받으면 콘크리트가 깨질 수 있습니다. 이는 철근을 부식시키는 염수와 같은 요소에 노출되어 공격적인 환경에서 급속한 열화를 허용합니다.

플로리다 교통부(FDOT, Tallahassee, Fla., U.S.) 구조 혁신 웹사이트는 "균열은 공격적인 환경의 에이전트가 강화 및/또는 프리스트레싱 강철에 도달하고 부식성 산화 과정을 시작하는 경로를 생성합니다."라고 설명합니다. "이 주요 문제를 해결하기 위한 혁신적인 접근 방식은 기존의 철근 및 스트랜드 보강재를 섬유 강화 폴리머(FRP)로 교체하는 것입니다." FDOT는 미국 콘크리트 연구소(ACI, Farmington Hills, Mich., U.S.)에서 발행한 것과 같은 FRP 철근 사용 및 테스트는 물론 설계 및 사용 표준 개발의 선두 주자였습니다. 합성 철근은 주로 유리 섬유(GFRP 또는 GRP)로 만들어지지만 현무암(BFRP) 또는 탄소 섬유(CFRP)를 사용하여 제품도 개발되었습니다.

GFRP 철근 제조업체인 Mateenbar(UAE 두바이 및 미국 노스캐롤라이나주 Concord)의 CEO인 Nick Crofts는 "전 세계적으로 길고 비용이 많이 드는 부식의 역사를 가진 강철은 공격적인 환경에서 더 이상 비용 효율적인 옵션으로 간주되지 않습니다."라고 말합니다. 세계에서 가장 큰 GFRP 철근 프로젝트의 공급업체입니다. 이 프로젝트는 사우디아라비아 지잔에 있는 길이 23km, 폭 최대 80m의 홍수 완화 수로입니다. Crofts는 GFRP 철근이 30-40년 동안 사용되었지만 이제 Jizan Flood Channel과 같은 주요 프로젝트가 이를 주류 인프라로 추진하고 있다고 말합니다. 이러한 성장은 이미 사우디아라비아와 미국에 있는 Matenbar의 새로운 공장을 정당화하고 있습니다.

GFRP 철근 기술의 개척

Mateenbar GFRP 보강 철근은 인발 기술 및 제품 혁신의 개척자이자 전문가인 Pultron Composites(뉴질랜드 기스본)에서 개발했습니다. Matenbar는 대량 및 저렴한 가격을 요구할 뿐만 아니라 철근 시장의 고유한 과제를 해결합니다. 또한 프로젝트 설계자 및/또는 엔지니어가 제품을 지정해야 합니다. 따라서 2008년 Mateenbar의 첫 번째 공장은 대규모 인프라 프로젝트와 건설에서 복합 재료의 선구적인 사용으로 알려진 지역인 아랍에미리트 두바이에 잠재 고객 및 프로젝트 엔지니어링 회사와 가깝게 지어졌습니다. Pultron은 Mateenbar의 전략적 파트너이자 맞춤형 기술 및 제품 개발의 핵심 공급업체로 남아 있습니다.

제조 단계

Mattenbar의 공장은 Pultron의 고급 기술을 사용하여 휘발성 유기 화합물(VOC) 배출 없이 높은 처리량으로 매우 일관된 인발 철근을 생산합니다. “우리는 수지를 주입하고 내부 엔지니어링 강철 인발 다이”라고 Crofts는 말합니다.

“이 철근은 치수 성능이 ±1% 이상인 엔지니어링 제품입니다.”라고 그는 덧붙입니다. “바닥에 수지가 묻어 있거나 공기 중에 먼지가 있는 것은 변명의 여지가 없습니다. 사용된 섬유는 Owens Corning(미국 오하이오주 톨레도)의 내부식성 ECR 유리이며 수지는 당사 고유의 에폭시 백본 비닐 에스테르 변형입니다. 인성, 강도 및 내구성을 극대화하며 에폭시 종단 처리가 있는 폴리에스터 백본보다 훨씬 우수합니다.”

그런 다음 인발된 원형 막대를 기계로 가공하여 콘크리트 내부의 하중 지지 접착을 가능하게 하는 나선형 프로파일을 만듭니다. Crofts는 “그것은 또한 Donaldson(미국 미네소타주 블루밍턴) 공기 여과 시스템이 장착된 가공 부스를 사용하는 폐쇄 작업입니다. 그런 다음 핸들링을 개선하기 위해 외부에 수지 필름을 적용합니다.” Mateenbar의 철근은 최대 80피트 길이로 생산되며 필요에 따라 절단됩니다. Crofts는 "대부분의 기반 시설 및 건설 프로젝트에서 일반적으로 40피트 길이를 사용합니다."라고 말합니다.

“우리의 평균 직선 철근은 직경이 0.75인치이고 인장 계수가 11,600ksi(80GPa) 유리 섬유로 만들어진 8,700ksi(60GPa)입니다. 따라서 섬유 함량은 80% 이상으로 매우 높습니다. 이것을 구부릴 방법이 없기 때문에 우리의 구부러진 GFRP 철근은 독점 기술과 함께 다른 공정과 수지를 사용하여 만들어집니다.”

세계 최대 GFRP 철근 프로젝트

Jizan(Jazan이라고도 함)은 예멘 국경 북쪽의 사우디 아라비아 남서쪽 모서리에 위치한 Jizan 지역의 수도입니다. 재난적 돌발 홍수는 인근 산으로부터의 유출로 인해 주기적인 호우 동안 발생합니다. 23km 길이의 철근 콘크리트 우수 배수로는 Saudi Aramco(사우디 아라비아 다란)의 정유 공장이 포함된 대규모 산업 지대를 보호하기 위해 건설되었습니다.

COVID-19 전염병이 발생하기 전까지 Saudi Aramco는 매출 면에서 세계 최대 기업이었습니다. 이 회사는 왕국의 모든 석유 및 파생 제품 사업을 처리하고 사우디 아라비아 전체 건설의 10%를 차지합니다. Crofts는 “Saudi Aramco는 연간 예산의 상당 부분이 콘크리트 구조물을 교체하는 데 사용된다는 사실을 깨달았습니다. “이 지역 모래의 높은 염분과 낮부터 밤까지 온도의 높은 삼각주는 콘크리트에 더 빠른 균열을 일으킵니다. Saudi Aramco는 대체 기술을 찾기 시작했고 ACI의 구성원으로서 개발된 FRP 철근 표준에서 전략을 가져와 이를 Saudi Aramco 표준으로 추가 조정 및 개선했습니다. 그 후 회사는 부식이 심한 특정 환경에서 GFRP 철근 사용을 의무화했습니다.”

Saudi Aramco는 Jizan 홍수 수로 프로젝트에 대한 입찰을 요청한 후 3개의 GFRP 철근 공급업체를 선택했습니다. Mateenbar는 계약의 50%를 수주했습니다. Crofts는 이렇게 회상합니다. “프로젝트가 준비되는 동안 몇 달을 기다렸다가 갑자기 모든 자재가 즉시 필요했습니다. 두바이 공장은 일주일 만에 평평하게 되어 7개월 동안 거의 6,000km에 달하는 GFRP 철근을 생산했습니다.”

배송된 철근은 프로젝트 계약자 Al Yamama Group(사우디아라비아 담맘)에 의해 설치되었습니다. Crofts는 "설치하는 동안 많은 도움을 제공해야 한다고 생각했지만 필요하지 않았습니다."라고 말합니다. "철근보다 설치가 훨씬 빠릅니다." 강철 철근의 무게가 25%인 GRFP 철근을 사용하면 더 적은 수의 사람으로 더 긴 길이를 처리할 수 있으며 이동 및 배치가 더 쉽습니다. "또한 필요한 위치 지정 파이프가 더 적습니다."라고 그는 덧붙입니다. "이 파이프의 둥근 부분은 콘크리트 내의 올바른 높이 위치에서 철근을 지지하는 데 사용됩니다."

철근을 놓고 스테인리스 와이어로 묶고 검사한 후 콘크리트를 얹을 준비가 된 것입니다. 철근 설치 팀은 너무 빨리 움직여 콘크리트 타설 작업이 따라갈 수 없다는 것을 깨닫기 전에 실제로 40~80미터 너비의 수로에서 1킬로미터 아래로 내려갔다고 Crofts는 말합니다. "그래서 그들은 멈춰서 콘크리트가 따라잡도록 내버려 두었습니다."라고 그는 덧붙입니다. “폭우가 오면 홍수로 수로가 모래로 가득 차기 때문에 이것은 중요합니다. 이러한 일이 몇 번 발생하여 지연이 발생했지만 이 배수로의 중요성을 강조하기도 했습니다.”

철근 위에 콘크리트를 부은 후 시공팀이 탬핑하고 압축하여 기포를 제거한 다음 며칠, 몇 주 동안 경화됩니다. Crofts는 "이 단계에서는 GFRP와 철근 사이에 차이가 없습니다. “2020년 1월 철근 공급을 마치고 이제 막 채널이 완성되었습니다.”

디자인, 비용 및 GFRP의 미래

Crofts는 GFRP 철근이 강철을 직접 대체할 수 없다고 지적합니다. “GFRP 철근은 철근과는 다른 성질을 가지고 있습니다. 이러한 차이점은 설계에 수용되어야 합니다. 따라서 강철로 보강된 콘크리트는 일반적으로 ACI 318에 따라 설계되지만 ACI 440 설계 가이드에 의존하는 GFRP 철근에는 적합하지 않습니다. 예를 들어, GFRP 철근은 강철보다 인장 강도가 높지만 인장 계수는 낮습니다. 또한 실패 지점까지 탄력적입니다.” Crofts는 강철 설계에서 철근의 양이 일반적으로 인장 강도에 의해 결정된다는 점에 주목합니다. 그러나 GFRP의 경우 모듈러스는 일반적으로 필요한 철근의 양을 결정하는 요소입니다. 이 요구 사항을 충족하면 일반적으로 극한 강도 요구 사항을 초과하는 구조가 생성됩니다. 또한 GFRP 보강 철근 구조에서 바람직한 파손 모드를 보장합니다.

또 다른 고려 사항은 굽힘 및 모양의 생산입니다. Crofts는 프로젝트에서 직선 철근 대비 구부러진 철근의 비율이 평균적으로 약 30%라고 말합니다. 철근을 사용하면 이 제작이 종종 현장에서 완료됩니다. "Mateenbar 벤트 바는 환경이 통제된 우리 공장에서 생산되며 중간 제조 단계 없이 현장으로 직접 배송됩니다."라고 그는 설명합니다. “이것은 수요가 일주일에서 다음 주까지 변화함에 따라 공급 관점에서 도전이 될 수 있습니다. 유연성과 같은 지역에 공장을 두는 것이 매우 중요하다는 것을 알게 되었습니다.”

Crofts는 "GFRP 보강 철근의 비용은 파운드당 달러로 계산할 경우 강철보다 3-4배 더 비쌉니다. 왜냐하면 우리 제품은 밀도가 1/4이기 때문입니다. 철근이 실제로 지정되고 콘크리트 부피의 일부로 구매되기 때문에 적절한 측정은 피트당 달러입니다. 부피로 비용을 측정할 때 GFRP 철근은 강철과 가격 경쟁력이 있습니다.”

"Jizan은 철강을 허용하지 않는 최초의 대규모 프로젝트였습니다."라고 Crofts는 말합니다. “100년 이상의 서비스 수명을 가진 필요한 구조를 설계하는 팀이 있었습니다. 수요가 증가함에 따라 여러 GFRP 철근 생산업체가 현재 사우디아라비아에 위치를 모색하고 있습니다.” 마틴바는 중동에 이어 두 번째로 큰 시장인 북미 시장을 겨냥해 미국 노스캐롤라이나 주 콩코드에도 공장을 새로 짓고 있다. 두 새 공장은 모두 Pultron의 고급 인발 기술을 사용하는 현대적인 100,000제곱미터 시설입니다. 두 제품 모두 2020년 10월에 장비가 인도되었으며 2021년 초에 생산이 시작될 예정입니다.

중동에서 GFRP 철근 수요가 증가함에 따라 북미 시장은 계속해서 성숙해지고 있다. Croft는 "현재 북미에서 가장 큰 GFRP 철근 적용 분야는 해안을 따라 있는 방파제와 교량이나 도로에 염분이 많은 곳입니다."라고 말합니다. “그러나 DOT와 자산 소유자는 이제 구조물의 수명 기간 동안 비용을 개선할 방법을 모색하고 있습니다. [CW "인프라에서 복합 재료의 역할 증가" 참조]에 동의합니다. 여기에는 유지 관리의 필요성 감소와 오래 지속되고 지속 가능한 인프라 구축이 포함됩니다. 컨설팅 엔지니어와 최종 사용자는 GFRP 철근 기술의 가치를 보고 있으며 GFRP 철근 생산자는 품질 및 성능 표준에 대해 협력하고 있습니다. 또한 기술을 홍보하고 지식 확산에 도움이 된 다른 DOT를 지원하는 FDOT와 같은 주요 사용자가 있습니다.”

Crofts는 FDOT가 최근 200명의 참석자와 함께 GFRP 강화 콘크리트 설계에 대한 웨비나를 주최했다고 말합니다. 또 다른 웨비나에서 FDOT와 함께 일하는 마이애미 대학(미국 플로리다 마이애미)의 핵심 연구원 중 한 명인 Dr. Antonio Nanni는 "FRP 철근이 프라임 타임에 준비되었습니다."라고 말했습니다. 그것이 입증되었다고 Crofts는 말합니다. "이제 할 일은 더 많은 회사가 이를 지정하고 계약자가 이를 사용하는 것입니다."