1. 서 론
2. GFRP 보강근의 기본 이론 및 적용 현황
2.1 개요
2.2 기본 이론
2.3 해외 주요 설계기준 현황
3. 구조 부재 적용 거동 분석
3.1 3차원 수치해석 모델링
3.2 해석결과 및 분석
4. 요약 및 결론
1. 서 론
최근 탄소중립 정책의 확산과 더불어 콘크리트 구조물의 내구성 저하 및 유지관리 비용 증가 문제가 사회적·기술적 이슈로 부각되고 있다. 특히 철근콘크리트 구조물에서 철근의 부식은 구조 성능 저하와 수명 단축의 주요 원인으로 작용하며, 이에 대한 대체 재료의 필요성이 지속적으로 제기되고 있다. 이러한 배경에서 유리섬유강화폴리머(Glass Fiber Reinforced Polymer, GFRP) 보강근은 우수한 내부식성, 높은 비강도 및 경량성 등의 장점을 바탕으로 특히 극한 하중을 받는 구조물에 대하여 기존 철근을 대체할 수 있는 유력한 대안으로 주목받고 있다.
GFRP 보강근은 유리섬유와 수지(matrix)로 구성된 복합재료로, 섬유의 부피함유율 및 재료 조합에 따라 기계적 특성이 결정된다. 특히 선형탄성 거동과 높은 인장강도를 특징으로 하며, 강재 대비 약 1/4 수준의 밀도를 갖기 때문에 운반 및 시공성 측면에서도 유리하다. 그러나 항복 없이 파괴에 이르는 취성적 특성으로 인해 기존 철근과는 다른 설계 접근이 요구되며, 이에 대한 구조적 거동 분석과 설계 기준 정립이 필수적이다. 국외에서는 미국 ACI 440 시리즈 기준(ACI Committee, 2015; ACI Committee, 2022)과 AASHTO LRFD GFRP(2018), 캐나다 CSA S806 기준 등을 중심으로 GFRP 보강 콘크리트 구조물의 설계 체계가 지속적으로 발전해 왔다. 이러한 기준들은 휨, 전단, 압축 등 다양한 구조 부재에 대한 설계 방법을 제시하고 있으며, 실제 교량 바닥판, 방호시설 및 해양구조물 등에 폭넓게 적용되고 있다. 다만, GFRP의 선형탄성 특성으로 인해 소성거동 기반의 연성 설계가 제한된다는 점은 여전히 주요 고려사항으로 남아 있다(ACI Committee, 2015; AASHTO, 2018).
본 연구에서는 이러한 배경을 바탕으로 인프라 구조물에 적용되는 주요 부재에 대하여 GFRP 보강근을 적용하고, 기존 철근 보강 구조물과의 구조적 거동 차이를 3차원 수치해석을 통해 비교·분석하고자 한다. 특히 보 및 기둥 부재를 대상으로 하중-변위 관계, 응력 분포 및 균열 거동을 종합적으로 평가함으로써, GFRP 보강근의 방호시설 등의 극한 하중하에서의 구조적 적용 가능성과 실무적 활용성을 검증하는 것을 목적으로 한다.
2. GFRP 보강근의 기본 이론 및 적용 현황
2.1 개요
유리 섬유(glass fiber)는 수 마이크로미터 직경의 연속 필라멘트로 구성된 재료로서, 높은 인장강도와 우수한 내구성, 그리고 비교적 경제적인 생산 비용을 동시에 만족하는 대표적인 복합재 보강재이다. 이러한 특성으로 인해 유리 섬유는 다양한 구조용 및 비구조용 복합재 제품의 제조에 광범위하게 활용되고 있다(Hollaway, 2010; Bank, 2006).
유리 섬유의 개념적 기원은 18세기 말, 프랑스의 과학자 René Ferchault de Réaumur에 의해 처음 보고된 것으로 알려져 있다. 이후 19세기 후반에 이르러 유리 제조 기술이 비약적으로 발전하면서, 연속적인 형태의 얇고 유연한 글라스 필라멘트를 생산할 수 있는 기반이 마련되었다. 특히 1930년대에는 Owens-Corning에서 최초로 상업적으로 활용 가능한 유리 섬유 단열재를 개발하고 ‘Fiberglas’라는 상표를 등록함으로써, 유리 섬유의 산업적 활용이 본격화되었다. 오늘날 유리 섬유는 탄소 섬유에 비해 상대적으로 비용 효율성이 우수하고 취성이 낮아 취급이 용이하다는 장점을 바탕으로, Fig. 1과 같이 복합재 보강재로서 널리 사용되고 있다.
유리 섬유는 실리카 모래(SiO2)를 주성분으로 하여 석회석, 형석, 카올린 점토, 돌로마이트, 콜레마나이트 등 다양한 광물 원료를 혼합·용융하여 제조된다. 고온에서 용융된 유리는 다수의 미세한 구멍을 가진 금속 노즐(부시, bushing)을 통과하면서 인출(drawing)되어, 일반적으로 직경 5~25 μm 범위의 연속 섬유 필라멘트로 형성된다. 이후 개별 필라멘트는 ‘사이징(sizing)’이라 불리는 화학적 처리 공정을 통해 표면에 보호 코팅이 부여되며, 이는 섬유 간 마찰 저감, 외부 환경으로부터의 보호, 그리고 수지와의 계면 접착 성능 향상에 중요한 역할을 한다. 최종적으로 처리된 필라멘트들은 다발 형태로 집합되어 로빙(rovings)으로 구성되며, 이는 이후 다양한 복합재 제조 공정(예: 인발성형, 적층, 필라멘트 와인딩 등)에 활용된다.
2.2 기본 이론
콘크리트 구조물에 대한 FRP 보강근의 적용은 FRP 보강근의 물리적 및 기계적 특성에 의해 크게 영향을 받는다. FRP 보강근은 특정한 적용과 요건을 충족하도록 설계 및 제조될 수 있다. FRP 특성 평가의 핵심적 요소는 FRP를 구성하는 미시역학적 관점에서의 보강섬유와 모재(수지)의 상대적 부피 또는 질량 함유량 특성이다. 부피 함유율은 복합재의 미시역학적 이론을 적용하여 산정할 수 있다. 또한, 질량 함유율은 실험적 방법을 통하여 적용하여 도출하거나 이론적인 미시역학적 방법으로 얻을 수 있다. 복합재에 공극이 없다고 가정하는 경우 부피 및 질량에 대한 함유율은 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다(Gibson, 2016).
식 (1), (2), (3), (4), (5)에서 는 섬유의 부피, 는 모재의 부피이며, 는 구성된 복합재료의 부피를 각각 의미한다. 또한, c, f, 그리고 m은 복합재, 보강섬유 및 모재를 각각 의미한다. 또한 , 및 의 복합재료, 보강섬유 및 모재의 질량을 각각 의미한다. 식에서 V는 부피비를 M는 질량비로 각각 표시하였다.
FRP의 밀도는 에 대한 혼합 규칙을 사용하여 밀도와 부피 함유율로부터 산정하게 되며 미시역학적 관점에서 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Table 1은 식 (1), (2), (3), (4), (5), (6)으로부터 계산된 섬유의 부피 함유율에 대한 Vf =0.5~0.75에서의 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer), AFRP(Aramid Fiber Reinforced Polymer), GFRP에 대한 밀도 특성값을 나타낸다. Table 1에서 보는 바와 같이 FRP는 강재의 밀도에 비하여 매우 작으므로 경량으로 인한 공사 현장의 취급이 쉽고 운송비 절감 효과가 있다. 또한, FRP 보강근은 취성적 특성을 갖기 때문에 일반적인 철근과는 달리 항복 거동을 보이지 않으며, 파괴까지 선형적인 응력-변형률 거동을 보인다(Mistretta et al., 2023; Nouri et al., 2025).
Table 1
Typical density of FRP reinforcing bars and steel reinforcement (Unit : kg/m3)
FRP Matrix | CFRP | AFRP | GFRP | Steel |
| Polyster | 1,430–1,650 | 1,310–1,430 | 1,750–2,170 | 7,850 |
| Epoxy | 1,440–1,670 | 1,320–1,450 | 1,760–2,180 | |
| Vinyl ester | 1,440–1,630 | 1,300–1,410 | 1,730–2,150 |
특히 GFRP 보강근의 부착 및 전단 거동은 구조 성능을 지배하는 주요 인자이며, 최근 연구에서는 균열 형상, 전단 전달 메커니즘 및 철근 직경 등의 영향에 따라 전단 저항 메커니즘이 복합적으로 작용하는 것으로 나타났다(Resende et al., 2025). 또한 보강근 배치 및 스터럽 간격에 따라 균열 폭, 파괴 모드 및 연성 거동이 변화하는 것으로 보고되어 설계 시 중요한 변수로 고려되어야 한다(Issa et al., 2024).
2.3 해외 주요 설계기준 현황
GFRP 보강근은 우수한 내식성과 경량성, 높은 비강도 등의 장점을 바탕으로 북미 지역을 중심으로 구조물에 적용되어 왔으며, 이에 따라 관련 설계기준 역시 미국과 캐나다를 중심으로 체계적으로 발전해 왔다. 특히 미국에서는 American Concrete Institute(ACI) 440 위원회를 중심으로 GFRP 보강 콘크리트 구조물에 대한 설계 지침이 지속적으로 정립되어 왔다. 2006년에는 ACI 440.1R-06이 최초로 제시되었으며, 이후 2015년 개정판인 ACI 440.1R-15가 발간되어 설계 개념과 적용 범위가 보완되었다. 가장 최근에는 ACI 318-19를 기반으로 한 ACI 440.11-22(ACI Committee, 2022)가 제정됨에 따라, 기존 권고기준 수준에서 벗어나 휨, 압축, 전단 및 비틀림 부재 등 주요 구조부재에 대한 설계 적용이 가능한 코드 형식으로 발전하였으며, 건축 구조물 전반으로의 적용성이 크게 확대되었다.
한편, 미국의 도로 및 교량 설계기준을 관장하는 American Association of State Highway and Transportation Officials(AASHTO)에서는 2009년 LRFD 설계법에 기반한 GFRP 보강근 설계기준을 제시하였다. 이 기준은 ACI 440.1R-06을 기초로 개발되었으며, 이후 2018년에 개정판이 발간되어 설계 체계의 신뢰성과 적용 범위가 개선되었다. 해당 기준은 휨, 압축, 전단 및 비틀림 부재뿐만 아니라 교량 바닥판, 방호울타리 및 하부구조 등 다양한 토목 구조물에 적용 가능하도록 구성되어 있다. 그러나 GFRP 보강근의 선형탄성 거동 특성으로 인해 소성 힌지 형성 및 모멘트 재분배와 같은 연성 거동을 기대하기 어려우므로, 내진설계와 관련된 적용에는 일정한 제약이 존재한다. 예를 들어, AASHTO LRFD GFRP(2018)에서는 GFRP 보강 휨 부재가 소성 거동에 기반한 에너지 소산 메커니즘을 충분히 확보하기 어렵다는 점을 명시하고, 설계 시 이에 대한 신중한 고려를 요구하고 있다. 캐나다의 경우, GFRP 보강근 관련 연구 및 실용화가 가장 선도적으로 이루어진 국가 중 하나로 평가된다. 2006년 Canadian Highway Bridge Design Code(CHBDC, CAN/CSA-S6-06)와 2007년 ISIS Design Manual이 제시되었으며, 이후 GFRP 보강 콘크리트 구조물에 특화된 기준인 CSA S806:12(CSA, 2022)가 정립되었다. 캐나다 기준은 GFRP와 철근을 병용하는 하이브리드 설계 개념을 포함하고 있으며, 깊은 보(deep beam)에 대한 스트럿-타이 모델 적용 등 다양한 구조 형식에 대한 설계 접근을 포괄적으로 제시하고 있어, 토목 및 건축 구조물 전반에 걸친 적용성이 높은 특징을 가진다.
유럽에서는 fib Model Code 2010에 GFRP 보강근에 대한 설계 개념이 일부 도입되었으며, 현재 Eurocode 개정 작업을 통해 관련 설계 기준이 점진적으로 반영되고 있다. 특히 향후 2027년 개정 예정인 Eurocode 2 제2판에서는 GFRP 보강근에 대한 연구 성과와 설계 방법론이 보다 체계적으로 수록될 것으로 기대된다. 이와 같이 미국, 캐나다 및 유럽을 중심으로 다양한 국제 기준이 지속적으로 개발·보완되고 있으며, 이는 GFRP 보강근의 구조적 신뢰성 확보와 실무 적용 확대를 위한 중요한 기반을 제공하고 있다.
3. 구조 부재 적용 거동 분석
3.1 3차원 수치해석 모델링
본 연구에서는 인프라구조물에 적용되는 주요 부재에 대하여 GFRP 보강근을 적용하여 3차원 수치해석을 수행하였다. 수치해석에 사용한 프로그램은 ANSYS이다. 보와 기둥 부재를 해석대상으로 하였으며, 3차원 모델링 및 해석을 수행하여 기존 철근과의 거동을 비교 분석하였다. 먼저 보의 길이 5.4 m, 단면 폭 0.25 m, 높이 0.4 m로 가정하였으며, 수치해석적으로는 1/2 대칭 모델링으로 구현하였다. 비교용 모델링에서 철근은 19 mm 적용하였으며, 피복두께 50 mm이며, 솔리드 요소를 사용하였다. GFRP 보강근의 경우는 탄성계수 46 GPa, 항복강도 1,000 MPa로 적용하였다. 기둥부재의 경우는 높이 2.5 m, 단면은 300×300 mm이며 외력은 900 kN으로 가정하였다. 보와 기둥 부재의 3차원 해석모델링은 Fig. 2와 같다.
3.2 해석결과 및 분석
전술한 3차원 모델링을 기반으로 보와 기둥 부재에 대하여 수치해석 및 결과 분석을 수행하였다. 수치해석결과는 기존 철근과 본 연구에서 제안하는 GFRP 로 보강된 경우를 각각 비교하여 GFRP로 보강된 경우 철근을 대체할 수 있는 구조적 성능을 보유하고 있는지 검증하는 것을 목적으로 한다. 먼저 보 부재에 대하여 수치해석을 수행하였다. Fig. 3에서 450 kN의 하중이 작용하였을 때 최대 변위의 경우 이형철근은 36.9 mm, GFRP 보강근은 약 42.9 mm 발생하였다. 이는 보 부재와 유사하게 GFRP의 중량이 철근의 1/4이고 강성이 낮아 변위가 상대적으로 크게 발생하기 때문이다. 보강근에서 발생한 최대 발생 인장응력은 철근은 약 400.3 MPa로 항복이 발생하기 시작하였으나 GFRP는 약 606.9 MPa로 미항복 상태임을 알 수 있다. 첫 균열이 발생하기 시작하는 하중은 약 49 kN으로 두 가지 경우 모두 유사하게 나타났다. Fig. 4에서 파란색은 Crushing 영역, 빨간색은 Cracking 영역을 각각 의미한다.
다음으로 기둥 부재에 대하여 수치해석을 수행하였다. Fig. 5에서 900 kN의 압축 하중이 작용하였을 때 최대 변위의 경우 이형철근은 15.7 mm, GFRP 보강근은 약 17.3 mm 발생하였다. 이는 보부재와 유사하게 GFRP의 중량이 철근의 1/4이고 강성이 낮아 변위가 상대적으로 크게 발생하기 때문이다. 보강근에서 발생한 최대 압축 응력은 철근은 약 269.9 MPa, GFRP는 약 254.2 MPa로 두 가지 상태 모두 미항복 상태임을 알 수 있다. 첫 균열이 발생하기 시작하는 하중은 약 315 kN으로 두 가지 경우 모두 유사하게 나타났다. Fig. 6에서 파란색은 Crushing 영역, 빨간색은 Cracking 영역을 각각 의미한다. 이러한 결과로부터 GFRP 보강근은 기존 이형철근에 비해 낮은 탄성계수 및 중량으로 인하여 최대 변위는 다소 크게 발생하였으나, 고강도로 인하여 철근보다 항복점이 높고 파괴에 이르기까지의 하중점이 높아 폭파하중 등과 같은 극한 하중에 대하여 기존 철근보다 유리한 특성을 갖는다. 따라서 이러한 장점을 활용한다면 각종 콘크리트 방호시설에 대하여 기존 철근 대체하여 GFRP를 적용하였을 때 구조적 안전성 향상 측면에서 우수할 것으로 예측된다.
4. 요약 및 결론
본 연구에서는 고강도 내부식 특성을 갖는 GFRP 보강근을 적용한 인프라 구조부재의 구조적 거동을 평가하기 위하여, 보 및 기둥 부재를 대상으로 3차원 수치해석을 수행하고 기존 철근 보강 구조물과의 성능을 비교·분석하였다. 해석 결과, GFRP 보강근은 철근 대비 낮은 탄성계수로 인해 동일 하중 조건에서 다소 큰 변위를 나타내었으나, 첫 균열 발생 하중은 유사하게 나타나 초기 균열 저항 성능은 동등 수준임을 확인하였다. 특히 보 부재의 경우 최대 변위는 약 42.9 mm로 철근 대비 증가하였으나, 보강근 응력은 항복 없이 높은 수준의 인장응력을 유지하여 구조적 안전성을 확보하는 것으로 나타났다. 기둥 부재에서도 유사한 경향이 확인되었으며, 압축 하중 조건에서 철근과 GFRP 모두 항복에 도달하지 않고 안정적인 거동을 나타냈다.
또한 콘크리트 및 보강근 응력 분포와 균열 영역 분석 결과, GFRP 보강근을 적용한 경우에도 전반적인 응력 전달 메커니즘과 균열 발생 양상은 철근 보강 구조와 유사하게 나타나 구조 시스템의 일관성이 유지됨을 확인하였다. 특히 GFRP 보강근은 높은 인장강도와 내부식성으로 인해 극한 하중 조건(예: 폭발하중, 충격하중 등)에서 기존 철근 대비 유리한 성능을 발휘할 수 있는 것으로 판단된다. 이는 GFRP 보강근이 방호시설 및 내구성이 요구되는 인프라 구조물에 효과적으로 적용될 수 있음을 시사한다. 한편, GFRP 보강근은 선형탄성 거동 및 취성 파괴 특성으로 인해 소성거동 기반의 에너지 소산 능력이 제한되므로, 설계 시 연성 확보 및 파괴 모드 제어에 대한 추가적인 고려가 필요하다. 또한 장기 거동, 부착 성능 및 피로 특성 등에 대한 추가 연구가 병행되어야 실무 적용성이 더욱 확대될 수 있을 것으로 판단된다.
종합하면, 본 연구를 통해 GFRP 보강근은 기존 철근을 대체할 수 있는 충분한 구조적 성능을 보유하고 있으며, 특히 내구성 및 극한 하중 저항 측면에서 우수한 대안 재료로 활용 가능함을 확인하였다. 향후에는 다양한 하중 조건 및 실제 구조물 적용을 고려한 실험적 검증과 설계기준 정립이 필요할 것으로 판단된다.
