2.1 사용재료 및 배합

본 연구에서 사용된 시험체는 Table 1과 같이 물, 1종 포틀랜드 시멘트, 분쇄된 잔골재, 굵은 골재(최대 직경 18 mm)로 구성된 일반 콘크리트(NC, $f_{ck,\:28}$=45 MPa)로 제작되었다. 시험체 보강용 금속 그리드의 상세는 Table 2와 같다. 여기서, ^{KS D 7017(KATS 2021)}에 따라 인장강도를 측정하였다.

Fig. 1. Geometry of concrete specimen

2.2 시험체 제작

본 연구에서 사용된 보강 방법 및 변수 상세는 Table 3과 Fig. 1과 같다. 먼저 20 mm 두께의 콘크리트를 몰드 내에 타설하고 그리드를 평평하게 깔고 끝을 몰드에 고정시킨다. 그 후 콘크리트를 상부로부터 20 mm가 될 때까지 타설하고 마지막으로 앞서와 같이 그리드를 고정시키고 콘크리트를 타설 및 표면을 마감한다. 모든 시험체는 온도 20±1 °C, 습도 60±5 %에서 28일까지 양생하였다.

2.3 실험 방법

2.3.1 전자파 차폐 측정

콘크리트 시험체의 차폐효과를 13개의 주파수에서 측정하며, 총 16개의 콘크리트 시험체를 사용하였다. 측정된 주파수는 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1,000, 1,200, 1,300, 1,400, 1,500 MHz이다.

EMI 차폐 효과를 측정하기 위하여 다양한 표준과 규정이 존재한다. 측정 실험 방법으로는 플랜지 동축 방법, 동축 전송선 시험 방법, IEE Std 299 시험 방법, MIL-STD-285 시험 방법 등이 있다. 하지만 이러한 방법들은 시험체 크기가 실험실에서 제작이 어렵고 측정 과정에서의 시험체 고정 및 반복측정이 어렵다는 단점이 존재한다(^{Liu et al. 2014}; ^{Quintana et al. 2018}; ^{Choi et al. 2019}; ^{Yuan et al. 2021b}). 따라서 본 연구에서는 소형 시험체를 이용한 근거리 측정 방법을 적용하였으며, 송수신 장비는 주파수 범위가 300~1,500 MHz인 EMI 장비를 사용하였다(^{Micheli et al. 2015, 2017}; ^{Yuan et al. 2021b}). 극초단파(UHF) 주파수 대역인 300~3,000 GHz 중 일반적으로 회로 손상을 줄 수 있는 EMI 주파수는 1,500 MHz 이하로 위와 같이 측정 주파수 대역을 설정하였다. 해당 장비를 통한 EMI 차폐 시험 결과는 MIL-STD-285에 기초한 시험과 유사한 결과를 나타내고, 실험 세팅과 세부 사항은 Fig. 2와 같다. 차폐 측정은 시험체 별 6회 반복하였고, 이의 평균값을 사용하였다.

Fig. 2. Concept of shielding effectiveness test

Fig. 3. Concept of drop-weight impact test

3.1 보강콘크리트 시험체 두께에 따른 차폐 특성

Fig. 4는 두께 100, 300 mm 시험체 내 그리드 보강 여부에 따른 차폐 효과를 나타낸 것이다. 일반적으로 콘크리트 두께가 증가할수록 전자파의 반사 손실이 커지고 흡수량이 증가하여 구조물의 차폐 효과가 증가하게 된다(^{Liu et al. 2014}; ^{Yuan et al. 2021a}). 따라서, 차폐 성능을 확보하기 위하여 콘크리트 두께를 증가시키는 방법을 주로 사용된다. 기존 연구에 따르면 주파수가 증가할수록 콘크리트의 두께를 증가시키는 것이 차폐 효과 향상에 효과적인 것으로 보고되고 있다. 본 연구에서는 그리드 보강한 시험체의 경우 그리드 간격이 감소할수록 그리드 보강되지 않은 시험체 대비 0.2-7.9, 1.4-20.9, 4.0-22.7, 8.2-31.3 dB의 차폐 효과가 향상되었다. 차폐 성능 증진은 시험체 1단 및 2단 그리드 보강에서 모두 그리드 간격이 감소할수록 효과적으로 나타났다. 이는 콘크리트 내부의 그리드가 균일한 전도망이 형성되어 투과된 전자파의 반사 손실을 증가하였기 때문이다(^{Hyun et al. 2014}; ^{Choi et al. 2020}).

또한 2단 보강된 시험체들은 1단 보강된 시험체들에 비해 차폐 효과가 더 뛰어난 것으로 나타냈다. 이는 그리드를 2단 보강할 경우 그리드에 의한 반사 손실과 도파관 기능이 복합적으로 작용하였기 때문이다. 그러나 2단 보강된 시험체들의 차폐 효과는 1단 보강된 시험체의 차폐 효과 합보다는 작게 나타났다. 이는 첫 번째 보강된 그리드를 통과한 전자파가 그리드 사이의 콘크리트 공간에서 대부분 반사 손실되었으나 두 번째 그리드를 통과하는 전자파가 존재함으로써 2단 보강한 시험체의 차폐 효과가 감소하였다(^{You et al. 2009}; ^{Hyun et al. 2014}; ^{Lu et al. 2016}). 이러한 차폐 효과의 감소는 기존 연구와 유사하게 50 mm 그리드 보강 시험체에서는 나타나지 않았다(^{Yuan et al. 2021b}). 따라서 차폐 성능의 관점에서 단순히 보강 그리드의 층수를 증가시키는 것은 구조물의 차폐효과 증진에 비효율적인 것으로 알 수 있다. 효과적인 차폐 성능 증진을 위해서는 다양한 영향 인자들 및 불리하게 작용하는 인자들을 종합적으로 고려해야 한다. 또한, 2단 그리드 보강은 1단 보강보다 차폐 증진에 효과적이나, 이는 그리드 사이의 간격에 따라 영향을 받으며 간격이 부적절할 경우 콘크리트 내에 공진이 발생할 수 있다(^{You et al. 2009}; ^{Liu et al. 2012}). 그리드 간격과 보강된 층에 따라 특정 주파수 대역에서 전자파 차폐 성능이 증가/감소하는 현상을 공진현상이라고 한다. 2단 배근한 공진은 발생한 주파수(^{Lu et al. 2016})는 $f_{mnl}= 1/(2d\sqrt{\mu\varepsilon})$으로 계산될 수 있다. 여기서 $\mu$와 $\varepsilon$은 각각 콘크리트의 투과성(magnetic permeability)과 진공 상태에서의 투과성(permittivity)을 의미한다.

3.2 보강 그리드 종류에 따른 차폐 특성

Fig. 5는 그리드 보강에 따른 시험체의 차폐 성능을 나타낸 것이다. 실험 결과, 그리드의 간격이 작을수록 시험체의 차폐 성능이 증가하였다. 이는 그리드 간격이 감소할수록 그리드 보강된 면적이 증가하여 그리드 표면에서의 전자파 반사율이 증가하였기 때문이다. 즉 그리드 간격이 작을수록 EMI의 침투영역이 감소하게 되고 차폐 성능이 증가하게 된다(^{Giulio et al. 2003}; ^{Hyun et al. 2014}; ^{Shukla 2019}). 따라서 5 mm 간격의 금속 그리드가 보강된 시험체들(S1-M5S, S1-M5D, T3-M5S, T3-M5D)은 가장 높은 차폐 효과를 나타냈다. 이는 기존 연구결과(^{Zhou et al. 2000}; ^{Yuan et al. 2021b})와 동일하게 그리드 간격이 동일한 경우 그리드 직경이 클수록 높은 EMI 차폐 성능을 나타낸다. 300 mm 두께의 시험체에서 1단 혹은 2단의 그리드 보강한 변수들은 40 dB 이상의 차폐 성능을 확보하기 못하였다. 이는 첫 번째 보강된 그리드를 통과한 전자파가 그리드 사이의 콘크리트 공간에서 대부분 반사 손실되었으나 두 번째 그리드를 통과하는 전자파가 존재함으로써 2단 보강한 시험체의 차폐 효과가 감소하였기 때문이다(^{You et al. 2009}; ^{Hyun et al. 2014}; ^{Lu et al. 2016}).

Fig. 6. Comparison of shielding effectiveness in the free space area ratio

그리드 보강 시험체 혹은 철근콘크리트의 free area ratio와 EMI 차폐 효과 사이의 관계를 확인할 수 있다. Free space area ratio는 전자파의 투과가 가능한 free space area와 그리드로 보강된 면적비로 정의할 수 있으며, 이를 통해 보강 면적에 따른 차폐 성능을 정량적으로 판단할 수 있다. Fig. 6은 그리드 종류와 차폐 성능의 관계(지수함수 관계)를 나타낸 것이다. 2단 보강된 시험체들은 1단 보강된 시험체보다 우수한 차폐 성능을 알 수 있으며, 이는 기존 연구(^{Hyun et al. 2014}; ^{Quintana et al. 2018}; ^{Yuan et al. 2021b})와 동일한 것을 알 수 있다. 1단 그리드 보강할 경우 160 % 이하의 free space area ratio에서는 20 dB 이상의 차폐 성능을 나타냈고, 2단 보강할 경우 300 % 이하의 free space area ratio에서 20 dB 이상의 차폐 성능을 나타냈으며, 140 % 이하일 경우 30 dB 이상의 차폐 성능을 나타냈다. 2단 보강할 경우 100 % 이하의 free space area ratio에서는 40 dB 이상의 차폐 성능을 나타냈으며, 이는 하이브리드 그리드 보강한 결과와 비슷하게 나타냈다(^{Yuan et al. 2021b}). 그러나, 1단 그리드 보강할 경우 free space area ratio가 55 % 이하이여야 하며, 그리드의 두께를 단순히 증가시키는 것보다는 2단으로 보강하는 것이 차폐 성능 증진에 효과적임을 알 수 있다.

3.3 충격 하중 이후의 차폐 성능 평가

3.3.1 충격실험 결과

Fig. 7은 충격실험에 의한 낙하 횟수에 따른 최대 반력, 최대 변위, 균열 개수, 균열폭 등을 나타낸 것이다. 최대 반력 이후 특정 낙하 횟수에서 반력은 급격하게 감소하였고 이는 부재의 파괴 시점을 의미한다.

Fig. 7. Impact test results

실험 결과, 최대 반력과 균열 개수는 각 손상 정도와 보강된 그리드 종류의 관계를 나타낸다. 보강하지 않은 시험체는 1회 타격에서 파괴되었고, 5 mm 및 10 mm 보강한 시험체들은 4회 타격, 25 mm 및 50 mm 보강 시험체들은 5회 타격에서 파괴되었다. 그리드로 보강된 시험체는 보강되지 않은 시험체에 비해 반복 타격이 가능하며 약 4.1~4.6배 높은 반력을 나타냈다. 또한 타격 횟수에 따른 총 변위와 균열 진전 거동을 통하여 간격이 작은 그리드로 보강된 시험체일수록 충격에 의한 파편이 적게 발생하였다. 그러나 그리드 보강 비율이 0.094 %에서 0.068 %로 변화하여도 처짐은 크게 변화하지 않는 것으로 알 수 있고, 이는 작은 간격의 그리드로 보강하는 것은 중앙부 처짐 발생을 제한하는 효과를 나타내는 것으로 판단할 수 있다(^{Yilmaz et al. 2020}). 1회 타격 시 시험체 하부에서는 폭이 0.05~0.08 mm의 방사 형태의 육안으로 식별 가능한 균열 몇 개와 배면 파쇄(scabbing)가 나타났다. 이후 충격 하중에 의한 균열의 발생은 전단계 타격에 의해 발생된 균열을 따라 진전되었다. 시험체 하부에서는 큰 대각선 방향 균열이 나타났으나, 균열을 억제하는 그리드의 보강 효과에 의하여 시험체는 완전히 파괴되지 않고 일체적인 형상을 유지하였다. 또한 그리드의 간격이 감소할수록 시험체의 파괴모드는 배면 파쇄에서 크거나 순수한 대각선 방향의 균열로 변화하였다(Fig. 8). 이러한 파괴 모드의 변화는 그리드의 간격이 감소할수록 처짐, 균열 폭, 배면 파쇄 등을 효과적으로 억제할 수 있다(^{Trevor and Frank 2014}; ^{Hamid et al. 2019}).

Fig. 8. Observed damaged after final impact

Fig. 9. Shielding effectiveness after impact test