1. 서론
2. 토목섬유 보강재의 크리프특성 평가 방법
3. 크리프시험
3.1 띠형 섬유보강재 시료
3.2 시험 장비 및 방법
4. 크리프시험 결과 및 고찰
4.1 크리프하중에 따른 크리프변형 특성 분석
4.2 크리프 감소계수 평가
5. 결론
1. 서론
보강토옹벽은 성토재료와 그 사이에 설치된 보강재(reinforcement)로 구성된 보강토체가 흙과 보강재 사이의 마찰특성에 의해 하나의 거대한 옹벽 구조체로서 역할을 하는 새로운 개념의 수직옹벽 구조물로 정의할 수 있다. 보강토옹벽에 사용되고 있는 보강재는 재료 특성에 따라 아연도강판, 돌기형 아연도강판 및 강그리드 보강재 등과 같은 비신장성 강 보강재와 지오그리드, 지오텍스타일 및 띠형 섬유보강재 등과 같은 신장성 토목섬유 보강재로 구분된다(Berg et al., 2009; Han et al., 2011; Hong, 2011).
국내에서는 1980년에 패널식 보강토옹벽이 도입되어 띠형 강보강재인 아연도강판이 적용되었으나, 아연도금 기술 부족에 따른 보강재의 장기적인 부식과 시공관리 등의 문제로 인해 크게 활성화되지 못하였으며, 1986년에 부식문제를 해결할 수 있는 띠형 섬유보강재가 사용되면서 보강토옹벽의 시공량이 증가하기 시작하였고, 1994년에 고강도 지오그리드를 보강재로 사용한 블록식 보강토옹벽이 도입되면서 본격적으로 활성화되기 시작하였다(Cho, 2018).
그러나, 띠형 섬유보강재나 지오그리드와 같은 토목섬유 보강재는 강 보강재와는 달리 산화작용이나 자외선, 가수분해(hydrolysis) 등의 화학작용, 화학적 및 기계적 하중, 미생물 등으로 인한 열화현상과 시공중 손상 및 장기 크리프특성 등에 의해 장기적으로 인장강도가 감소될 수 있으므로, 설계 시에는 이러한 다양한 영향인자들에 의한 인장강도 감소계수를 고려할 수 있도록 식 (1)과 같이 토목섬유 보강재의 장기설계인장강도(Td)를 산정하여 사용하고 있다.
| $${\mathrm T}_{\mathrm d}\;=\;{\mathrm T}_{\mathrm{ult}}\;/\;(\mathrm{RF}⋅{\mathrm{FS}}_{\mathrm{uc}})$$ | (1) |
식 (1)에서, Tult는 토목섬유 보강재의 최대(극한)인장강도 (kN/m) 이며, RF는 토목섬유 보강재의 총 인장강도 감소계수 (RF = RFCR⋅RFID⋅RFD), RFCR은 크리프 감소계수, RFID는 시공성 감소계수, RFD는 내구성 감소계수, FSuc는 구조물의 중요도와 불확실성 등을 고려한 안전율이다. 특히, 구조물의 내구연한동안 장기적으로 발생하는 크리프 감소계수(RFCR, 실내 크리프시험에서 얻은 토목섬유 보강재의 크리프 한계인장강도에 대한 최대인장강도의 비) 평가를 위해서는 1년 이상의 장기 크리프시험과 단기 가속 크리프시험을 병행하여 수행하도록 제안하고 있다(ISO, 2007).
그동안 국내에서 수행된 토목섬유 보강재의 크리프특성에 대한 연구를 살펴보면, 대부분 지오그리드와 띠형 섬유보강재, 직포, 부직포, 복합포 등의 토목섬유를 대상으로 시간-온도 중첩법(TTS; Time-Temperature Superposition)과 단계 등온법(SIM; Stepped Isothermal Method) 및 장기 크리프시험 등을 사용하여 토목섬유의 장단기 크리프특성을 평가하고, 설계인자로서 크리프 감소계수를 도출한 연구들이 주류를 이루고 있다(Koo et al., 2004; Cho et al., 2004; Jeon et al., 2001; Jeon et al., 2002; Jeon et al., 2003; Jeon et al., 2007; Cha et al., 2008; Lee et al., 2010; Jung et al., 2012; Jung et al., 2013).
최근 국내에서는 띠형 섬유보강재의 폭 중간에 접힘홈이 형성되어 있어 반폭으로 접어서 효율적으로 블록형 전면벽체에 체결시킬 수 있는 블록식 보강토옹벽이 시공성과 경제성이 입증되면서 활발히 현장에 사용되고 있다. 본 연구에서는 이와 같이 접힘홈이 형성된 띠형 섬유보강재의 장기적인 안정성 검토를 위하여 인장강도가 다른 6종류의 섬유보강재를 대상으로 단계 등온법에 의한 가속 크리프시험과 함께 장기 크리프시험을 수행하여, 접힘홈이 형성된 띠형 섬유보강재의 크리프특성을 분석하고 구조물의 설계수명에 따른 크리프 감소계수를 평가하였다.
2. 토목섬유 보강재의 크리프특성 평가 방법
일반적으로, 크리프시험은 일정한 온도조건에서 지속적인 인장하중이 작용할 때 토목섬유 보강재의 불구속 인장 크리프거동을 평가하고, 이를 토대로 장기설계인장강도 산정 시 필요한 크리프에 의한 인장강도 감소계수를 결정하기 위해 수행한다. 토목섬유 보강재의 크리프 변형 특성을 평가하기 위한 시험 방법은 크게 장기 크리프시험(CCT; Conventional Creep Test)과 가속 크리프시험(ACT; Accelerated Creep Test)으로 분류할 수 있다. 가속 크리프 시험으로 널리 사용되고 있는 방법은 시간-온도 중첩법(TTS)과 단계 등온법(SIM), 등시하중 고려법 등이 있다. Table 1에서는 이러한 크리프시험 방법들을 비교하여 보여준다. 본 연구에서는 장기 크리프시험과 단계 등온법을 적용하여 접힘홈이 형성된 띠형 섬유보강재의 크리프변형 특성을 평가하였다.
Table 1. Comparison of creep test methods for geosynthetic reinforcement
장기 크리프시험은 일반적인 크리프시험으로서, ASTM D 5262(ASTM, 2007) 및 KS K ISO 13431(KS, 2007b)에 규격화되어 있으며, 표준시험방법은 크리프 시험기에 장착되어 있는 상부 클램프와 하중 재하장치가 붙어 있는 하부 클램프 사이에 토목섬유 보강재 시료를 설치하고, 시료 중심부에 인장변형 측정장치(예; LVDT)를 설치한 후 하중을 재하하여 시간경과에 따른 인장변형을 측정하는 방법이다. 크리프특성 평가를 위한 재하하중으로는 토목섬유 보강재 시료의 최대인장강도에 대한 20%, 30%, 40%, 60%의 하중을 추천하고 있고, 인장변형 측정은 자동계측시스템을 사용하여 10,000시간 이상 측정하는 것을 추천하고 있다.
단계 등온법은 하나의 시료에 일정하중을 부여한 후, 온도를 단계적으로 올리면서 크리프 변형률을 측정하는 시험방법이다. 크리프 변형률 곡선을 탄성률 곡선으로 변환시킨 후, 온도별 크리프 탄성률 곡선의 기울기를 동일하게 맞추는 방법으로 크리프 탄성률 마스터 곡선을 구하며, 이 곡선을 로그시간-크리프 변형률 곡선으로 전환하여 크리프 변형률 마스터 곡선을 구한다(Fig. 1 참조).
또한, 단계 등온법은 하나의 시료를 사용하므로 시료 간 편차를 최소화할 수 있고, 경험적인 이동 인자를 적용하므로 이동 인자에 대한 불확실성을 최소화 할 수 있는 장점이 있으며, 가장 큰 장점은 시험시간이 혁신적으로 단축되어 100년 이상의 수명예측이 가능한 크리프 변형률 마스터 곡선을 산출하는데 걸리는 시간이 16～32시간 정도로 상업적인 시험이 가능하다는 점이다. 그러나, 장기 크리프 곡선과 유사한 크리프 시험결과를 얻으려면, PET 소재의 경우에는 단계 등온법의 시험조건으로 온도 간격을 14°C 이내, 등온유지시간을 10,000초 이상, 총 시험시간을 60,000초 이상 시험해야 하며, 폴리올레핀 소재의 경우에는 7°C이내의 온도 간격에서 PET와 동일한 등온유지시간 및 총 시험시간이 요구된다.
한편, ISO TR 20432(ISO, 2007)에서는 토목섬유 보강재의 크리프 감소계수 산정 방법을 제안하고 있는데, 한계상태 설계를 위해서 토목섬유 보강재의 크리프 파단 거동을 KS K ISO 13431에 따라 최소 12회 측정하여야 하며, 100시간∼1,000시간과 1,000시간∼10,000시간의 보강재 파단시간에 대해 각각 최소 4회의 시험을 하여야 하고, 추가적으로 약 10,000시간(1.14년)의 보강재 파단시간에 대해 최소 1회의 부가시험을 하도록 하고 있다.
또한, 가속 크리프시험을 통한 크리프 거동 예측이 장기 크리프시험과 일치한다면, 가속 크리프시험 결과를 토목섬유 보강재의 크리프 파단 데이터의 생성과 외삽에 사용할 수 있으므로, 기준 온도에 대해 시간축으로 이동된 최소 12개의 데이터 점들을 장기 크리프시험과 함께 가속 크리프시험(TTS, SIM 등)을 병행하여 구하는 것이 바람직하다. 이 때, 1,000시간∼100,000시간과 100,000시간∼ 10,000,000시간의 시간 이동 구간에서 각각 최소 3개의 데이터 점들을 구하여야 하며, 동시에 100시간∼10,000시간 구간에 4개의 장기 크리프 파단 데이터 점들과 10,000시간 이상 구간에 최소 하나의 장기 크리프 파단 데이터 점이 필요하다.
선형 회귀 분석은 장기 크리프시험 데이터와 가속 크리프시험 데이터에 대하여 독립적으로 수행하여야 하며, 기준 온도에서 2,000시간 및 10,000시간의 가속 크리프시험으로부터 얻은 크리프 감소계수(RFCR)와 동일한 조건의 장기 크리프시험으로 얻은 RFCR의 차이가 0.15를 초과하지 않으면 가속 크리프시험 데이터는 장기 크리프시험 데이터와 함께 사용하여 RFCR을 구하는 데 이용할 수 있다.
3. 크리프시험
3.1 띠형 섬유보강재 시료
본 연구에서 수행한 장기 크리프시험과 단계 등온법을 적용한 가속 크리프시험에 사용한 띠형 섬유보강재는 폴리에스테르(polyester, PET) 고강력사를 폴리에틸렌(polyethylene, PE) 고분자로 피복한 형태로서, 중앙에 접힘홈이 형성되어 있어 블록식 보강토옹벽의 전면벽체에 Fig. 2와 같이 체결할 수 있도록 제작되었으며, 후단부에는 지지영역을 형성할 수 있도록 하여 인발저항을 향상시켰다(Hong et al., 2011). 또한, 크리프시험에 사용한 띠형 섬유보강재는 폭이 약 70mm이고, 두께는 소요 인장강도에 따라 약 1.5∼4.0mm 범위이다. 본 연구에서는 인장강도 15kN, 25kN, 35kN, 50kN, 70kN, 90kN으로 제작된 띠형 섬유보강재에 대해 가속 크리프시험을 각각 수행하였으며, 인장강도 25kN인 띠형 섬유보강재에 대해서는 장기 크리프시험을 수행하여 가속 크리프시험과의 결과를 비교하였다.
Table 2에서는 크리프시험에 사용된 6종류의 띠형 섬유보강재(인장강도 15kN, 25kN, 35kN, 50kN, 70kN, 90kN)에 대한 중량, 두께 및 인장특성을 보여준다. 최대인장강도는 광폭인장강도시험규격인 KS K ISO 10319(KS, 2007a)에 따라 변형속도를 (20±5)%/min으로 하여 측정하였으며, 인장변형률을 측정하기 위해 기준점을 100mm 간격으로 하여 변위량을 측정하였다. Table 2의 최대인장강도 및 변형률 값은 5개 시료에 대한 시험결과의 평균값이다.
Table 2. Engineering properties of geosynthetic strip reinforcements used for creep tests
3.2 시험 장비 및 방법
장기 크리프시험 장비는 크게 레버형(Lever-arm type)과 실하중형(Direct dead-weight type)으로 분류된다. 본 연구에 사용된 실하중형 크리프시험 장비는 1,200kgf 까지, 레버형 크리프시험 장비는 레버비율 20 : 1로서 최대 4,000kgf 까지 재하가 가능하며, 두 장비 모두 최대 측정가능 변위량은 50mm이고, 시험편 최대 폭은 200mm, 그립 형태는 분할 원통형, 그립 감김 직경은 80mm이다(Fig. 3 참조).
단계 등온법에 의한 가속 크리프시험을 위해 본 연구에서 사용한 시험장비는 상/하부에 설치되어 있는 그립에 띠형 섬유보강재를 설치한 후 온도를 조절하면서 하중재하가 가능하도록 되어 있으며, 최대 가용하중은 100kN, 적용가능 온도범위는 최대 100°C, 시험편 최대 폭은 200mm, 그립 형태는 분할 원통형이다(Fig. 4 참조).
Table 3에서는 크리프시험 시 설정한 크리프하중 조건 및 시험 온도를 보여주는데, 장기 크리프시험 시에는 최대인장강도의 70%∼90%까지 크리프하중을 적용하였고, 가속 크리프시험의 경우에는 크리프 파단이 발생되기 시작하는 하중과 크리프 파단시간이 1,000시간 미만에서 발생되는 하중 등을 고려하여 최대인장강도의 64%∼82% 범위의 하중을 적용하였다. 장기 크리프시험은 내부 온도가 약 20°C인 실험실에서 수행하였으며, 단계 등온법에 의한 가속 크리프시험의 경우에는 20°C를 기준으로 하여 단계적으로 14°C씩 온도를 상승시켰다.
Table 3. Load and temperature conditions applied to creep test
| Conventional creep test | Accelerated creep test (SIM) | |
| Creep load | 70%∼90% of Ultimate tensile strength | 64%∼82% of Ultimate tensile strength |
| Testing temperature | about 20°C | Increase by 14°C based on 20°C |
4. 크리프시험 결과 및 고찰
본 연구에서는 접힘홈이 형성된 띠형 섬유보강재를 대상으로, 보강재 종류 및 크리프시험 방법에 따른 크리프특성을 분석하고 크리프 감소계수를 평가하기 위하여 인장강도가 다른 6종류의 띠형 섬유보강재(인장강도 15kN, 25kN, 35kN, 50kN, 70kN, 90kN)에 대한 단계 등온법(SIM)에 의한 가속 크리프시험을 수행하였으며, 특히 인장강도 25kN인 띠형 섬유보강재에 대해서는 장기 크리프시험을 동시에 수행하여 가속 크리프시험 결과와 비교, 분석하였다.
4.1 크리프하중에 따른 크리프변형 특성 분석
Fig. 5에서는 인장강도가 각각 15kN, 25kN, 35kN, 50kN, 70kN, 90kN인 띠형 섬유보강재를 대상으로 하여 수행한 가속 크리프시험(SIM) 결과로서, 최대인장강도의 64%∼ 82% 범위에 있는 크리프하중 별로 시간에 따른 크리프변형 거동을 보여주는데, 크리프하중이 클수록 보강재의 크리프 파단이 일찍 발생함을 알 수 있다. 또한, 동일한 소재와 제조방법을 사용한 띠형 섬유보강재는 인장강도가 서로 다르더라도 동일한 크리프하중비{크리프하중(Tcr)/최대인장강도(Tult), %}에서의 크리프 파단시간과 초기 인장변형률 및 총 인장변형률은 특별한 경향이 없고, 큰 차이가 없이 거의 유사한 값을 보여줌을 알 수 있다(Table 4 참조).
Table 4. Creep characteristic value range according to creep load of six reinforcements (SIM)
한편, Fig. 6에서는 FL 25kN 시료를 대상으로 하여 수행한 장기 크리프시험 결과로서, 최대인장강도의 70%∼ 90% 범위에 있는 크리프하중 별로 시간에 따른 크리프변형 거동을 보여주며, Table 5에서는 크리프하중별로 크리프 파단시간과 초기 인장변형률 및 총 인장변형률을 보여주는데, 크리프하중이 클수록 보강재의 크리프 파단이 일찍 발생함을 알 수 있다. 또한, Table 5에서 보듯이, 장기 크리프시험에 사용한 시험장비의 종류에 따라 크리프 파단시간에 차이가 발생하였는데, 전체적으로 동일한 크리프하중에서 레버형 장비를 사용하였을 때의 파단 시간이 실하중형 장비를 사용한 경우의 파단시간보다 작게 나타남을 알 수 있다. 이는 레버형 장비를 사용할 경우의 하중재하에 따른 충격이 실하중형 장비보다 상대적으로 크기 때문인 것으로 판단된다.
Table 5. Creep characteristic value according to creep load of FL 25kN reinforcement (CCT)
4.2 크리프 감소계수 평가
Fig. 7에서는 인장강도가 각각 15kN, 25kN, 35kN, 50kN, 70kN, 90kN인 띠형 섬유보강재를 대상으로 하여 수행한 가속 크리프시험(SIM) 결과인 Fig. 5의 보강재 파단 데이타를 토대로 하여 추출한 각 띠형 섬유보강재별 크리프하중비와 크리프 파단시간과의 관계곡선과 관계식을 보여준다. Table 6에서는 Fig. 7에 제시된 관계식을 이용하여 산정한, 보강재 종류별 설계수명에 따른 크리프하중비{크리프하중(Tcr)/최대인장강도(Tult), %}와 크리프 감소계수{최대인장강도(Tult)/크리프하중(Tcr)}를 보여주는데, 설계수명이 증가할수록 크리프 감소계수가 증가하며, 동일한 소재와 제조방법을 사용한 띠형 섬유보강재는 인장강도가 서로 다르더라도 설계수명에 따라 거의 유사한 크리프 감소계수값을 보여줌을 알 수 있다.
Table 6. Creep characteristic value according to creep load of FL 25kN reinforcement (CCT)
또한, Fig. 8에서는 FL 25kN 보강재를 대상으로 수행한 장기 크리프시험 및 가속 크리프시험(SIM) 결과를 토대로 작성된 크리프하중비와 크리프 파단시간과의 관계곡선을 보여준다. ISO TR 20432(ISO, 2007) 규격에 따라 크리프 감소계수 산정 시에 가속 크리프시험 데이터의 사용 가능 여부를 판단하기 위해 Fig. 8에서 장기 및 가속 크리프시험을 통해 산정한 각각의 크리프 파단곡선에 대해 2,000시간과 10,000시간에서의 크리프 감소계수를 산정하여 비교하였으며(Table 7 참조), 가속 크리프시험 및 장기 크리프시험 데이터를 사용하여 산정한 크리프 감소계수의 차이는 0.01∼0.02 정도로서 0.15 이하이므로 장기 크리프시험 및 가속 크리프시험을 통해 획득한 데이터를 통합하여 크리프 감소계수를 산정하는 것이 가능하다.
Table 7. Differences in creep reduction factors by long-term and accelerated creep tests (2,000 and 10,000 hours, FL 25kN)
| Elapsed time (hr) | Creep reduction factor | Differences in Creep reduction factor | |
| Conventional long-term creep test | Accelerated creep test | ||
| 2,000 | 1.27 | 1.29 | 0.02 |
| 10,000 | 1.33 | 1.32 | 0.01 |
Table 8에서는 Fig. 8에서 도출한 크리프하중비와 크리프 파단시간과의 관계곡선식을 이용하여 장기 크리프시험 데이터만 사용한 경우와 가속 크리프시험 데이터만 사용한 경우 및 장기/가속 크리프시험 데이터를 모두 사용한 경우에 대한 설계수명별 크리프 감소계수의 차이를 비교하여 보여준다. Table 8에서 보듯이 가속 크리프시험 데이터만 사용한 경우의 크리프 감소계수가 가장 작으며, 장기 및 가속 크리프시험 데이터를 모두 사용한 경우의 크리프 감소계수는 장기 크리프시험 데이터만 사용한 경우보다 설계수명 50년∼100년을 고려하면 크리프 감소계수가 5.9%∼7.1% 정도 작게 평가됨을 알 수 있다. 따라서 크리프 감소계수가 작을수록 장기설계인장강도는 크게 산정되기 때문에, 가속 크리프시험 결과만으로 크리프 감소계수를 평가할 때에는 보다 보수적인 접근이 필요할 것으로 판단된다.
Table 8. Creep reduction factors of FL 25kN reinforcement according to the design life
2) CCT : Use only conventional long-term creep test data
3) ACT+CCT : Use both conventional long-term and accelerated creep test data
5. 결론
본 연구에서는 접힘홈이 형성된 띠형 섬유보강재의 장기적인 안정성 검토를 위하여 인장강도가 다른 6종류의 섬유보강재를 대상으로 단계 등온법에 의한 가속 크리프시험과 함께 장기 크리프시험을 수행하여, 접힘홈이 형성된 띠형 섬유보강재의 크리프특성을 분석하고 구조물의 설계수명에 따른 크리프하중과 크리프 감소계수를 평가하였다. 연구결과를 분석, 요약하면 다음과 같다.
(1) 단계 등온법(SIM)을 사용한 가속 크리프시험 결과, 크리프하중이 클수록 보강재의 크리프 파단이 일찍 발생하며, 동일한 소재와 제조방법을 사용한 띠형 섬유보강재는 인장강도 크기에 상관 없이 동일한 크리프하중비에서의 크리프 파단시간과 초기 인장변형률 및 총 인장변형률은 큰 차이가 없이 거의 유사한 값을 보여줌을 알 수 있다.
(2) 장기 크리프시험에서 레버형 시험장비를 사용하였을 때의 동일한 크리프하중에서의 파단 시간이 실하중형 시험장비를 사용한 경우의 파단시간보다 작게 나타났으며, 이는 레버형 시험장비를 사용할 경우의 하중재하에 따른 충격이 실하중형 시험장비보다 상대적으로 크기 때문인 것으로 판단된다.
(3) 가속 크리프시험(SIM)에서의 보강재 파단 데이터를 토대로 6종류의 띠형 섬유보강재에 대한 크리프하중비와 크리프 파단시간과의 관계곡선식을 추출하여 크리프 감소계수를 평가한 결과, 보강재의 설계수명이 증가할수록 크리프 감소계수가 증가하며, 동일한 소재와 제조방법을 사용한 띠형 섬유보강재는 인장강도가 서로 다르더라도 설계수명에 따라 거의 유사한 크리프 감소계수 값을 보여줌을 알 수 있다.
(4) 활용 빈도가 높은 FL 25kN 보강재를 대상으로 한 장기 및 가속 크리프시험을 통해 획득한 데이터로부터 크리프 감소계수를 산정한 결과, 가속 크리프시험 데이터만 사용한 경우의 크리프 감소계수가 가장 작으며, 장기 및 가속 크리프시험 데이터를 모두 사용한 경우의 크리프 감소계수는 장기 크리프시험 데이터만 사용한 경우보다 설계수명 50년∼100년을 고려하면 크리프 감소계수가 5.9%∼7.1% 정도 작게 평가됨을 알 수 있다.
