Abstract
As well known, dowel bars are used to transfer traffic load acting on one edge to another edge of concrete slab in concrete pavement system. The dowel bars widely used in South Korea are round shape steel bar and they shows satisfactory performance under bending stress which is developed by repetitive traffic loading and environment loading. However, they are not invulnerable to erosion that may be caused by moisture from masonry joint or bottom of the pavement system. Especially, the erosion could rapidly progress with saline to prevent frost of snow in winter time. The problem under this circumstance is that the erosion not only drops strength of the steel dower bar but also comes with volume expansion of the steel dowel bar which can reduce load transferring efficiency of the steel dowel bar. To avoid this erosion problem in reasonable expenses, dowers bars with various materials are being developed. Fiber reinforced plastic(FRP) dower that is presented in this paper is suggested as an alternative of the steel dowel bar and it shows competitive resistance against erosion and tensile stress. The FRP dowel bar is developed in tube shape and is filled with high strength no shrinkage. Several slab thickness designs with the FRP dowel bars are performed by evaluating bearing stress between the dowel bar and concrete slab. To calculated the bearing stresses, theoretical formulation and finite element method(FEM) are utilized with material properties measured from laboratory tests. The results show that both FRP tube dowel bars with diameters of 32mm and 40mm satisfy bearing stress requirement for dowel bars. Also, with consideration that lean concrete is typical material to support concrete slab in South Korea, which means low load transfer efficiency and, therefore, low bearing stress, the FRP tube dowel bar can be used as a replacement of round shape steel bar.
콘크리트 포장의 다웰바는 교통하중을 줄눈 넘어 인접한 슬래브로 전달하는 하중전달장치이다. 현재 국내에서 사용되는 다웰바는 원형봉강으로 교통하중과 환경하중으로 인해 반복적으로 발생하는 전단응력과 휨응력에 대해 높은 내구성을 갖고 있다. 그러나, 강재 다웰바는 장기간 공용시 줄눈틈, 포장 하부 등으로 침투한 수분으로 인해 부식이 발생한다. 특히, 겨울철에 사용되는 제설용 염수와 접촉할 경우 부식은 급격히 진행된다. 다웰바에 부식이 발생하면 부피가 증가하여 줄눈의 거동을 방해하며 유효단면적의 감소로 하중전달효과가 떨어질 수 있다. 이와 함께 지속적인 원자재 가격의 상승으로 강재 다웰바의 가격 경쟁력이 크게 낮아지고 있다. 이러한 강재 다웰바의 문제점은 새로운 재료를 사용한 대체 다웰바의 개발로 이어지고 있다. 본 연구에서는 높은 인장강도, 높은 내부식성을 갖춘 FRP(fiber reinforced plastic)를 튜브 형태로 제작하고 그 속을 고강도 무수축 모르타르로 충진한 FRP 튜브 다웰바에 대한 역학적 두께 설계를 실시하였다. 역학적 두께 설계의 기준으로 다웰바와 콘크리트 면 사이에 발생하는 지압응력을 사용하였다. 지압응력의 산정을 위하여 다웰바에 전달되는 교통하중을 이론식과 유한요소해석을 통해 산출하고 실내시험을 통해 FRP 튜브 다웰바의 물성을 측정하였다. 그 결과, 직경 32mm, 40mm FRP 튜브 다웰바 모두 지압응력 기준을 만족하는 것으로 나타났다. 국내 콘크리트 포장은 콘크리트 슬래브 하부에 강성이 큰 린 콘크리트층을 사용하기 때문에 다웰바에 전달되는 교통하중이 적고 이로 인해 지압응력도 낮아져 상대적으로 적은 직경의 FRP 튜브 다웰바의 사용이 가능한 것으로 판단된다.