2.1 실험변수

ALC 프리즘의 압축강도를 평가하기 위하여 Fig. 2와 같이 유리섬유(glass fiber reinforced polymer, 이하 GFRP) 메쉬보강을 변수로 실험을 수행하였다. 비보강조적조는 횡력에 취약하기 때문에 FRP(fiber reinforced polymer) 공법이나 TRM (textile reinforced mortar) 공법을 활용하여 구조성능을 향상시킬 수 있다. GFRP 메쉬는 TRM 공법에 사용되는 재료 중 하나로, 모르타르를 사용하여 조적 프리즘에 부착하여 조적조의 횡력저항 성능을 향상시킨다. 기존 연구^{(Prota et al. 2006; Papanicolaou et al. 2007; Papanicolaou et al. 2011; Babaeidarabad et al. 2013; Borri et al. 2014; Gattesco and Boem. 2015; Shabdin et al. 2018)}를 살펴보면, 조적조에 FRP를 보강한 TRM 공법은 전단보강에 효과적인 것으로 나타났다. 본 연구에서는 Fig. 2와 같이 벽면과 줄눈에 보강된 GFRP가 ALC 프리즘 압축성능에 미치는 영향에 대해서도 함께 살펴보았다.

Fig. 2 Test variables and interfacial construction of ALC prisms

UU 실험체는 블록을 가로, 세로 줄눈 모르타르만으로 부착하였고, UF 실험체는 블록 사이를 줄눈 모르타르로 부착하였고 양쪽 벽면은 GFRP 메쉬 보강 모르타르를 사용하였다. FF 실험체는 줄눈과 벽면 모두 GFRP 메쉬 보강 모르타르를 사용하였다. 줄눈과 벽면에는 서로 다른 GFRP 메쉬를 사용하였는데, 줄눈에는 메쉬 크기가 9.5×8.5 mm인 C형 메쉬(247 g/㎡)를, 벽면에는 메쉬 크기가 4×4 mm이고 상대적으로 가벼운 A형 메쉬(188 g/㎡)를 사용하였다^{(Kim et al. 2020b)}.

다른 실험변수로는 Table 3과 같이 ALC 블록의 압축강도를 고려하였다. ALC 블록의 밀도에 따라 재료성능 차이를 보이기 때문에 밀도 350 kg/㎥인 0.35품과 밀도 500 kg/㎥인 0.5품 ALC 블록에 대해 각각 실험을 수행하였다.

Fig. 3 Test setup and GFRP meshes used in specimens

2.2 실험체 상세

ALC 프리즘 압축강도 실험을 위해 Fig. 3(a)와 같이 800× 800×300 mm 크기 조적 프리즘을 제작하였다^{(ASTM C1314)}. ALC 블록 접합면은 Fig. 2(d)와 같이 ALC 모르타르를 1~3 mm 두께로 가로줄눈(bed joint)과 세로줄눈(head joint) 모두 시공하였다. ALC 모르타르 두께는 한번 펴바르는 경우 약 1~2 mm 두께인데 시공 기술자에 따라 오차가 발생할 수 있다. 양쪽 벽면은 모르타르 초벌 이후 GFRP 메쉬를 보강하였고 외벽 모르타르는 메쉬 부착을 고려하여 3~5 mm 두께로 계획하였다.

2.3 실험방법

ALC 프리즘에 압축력을 작용시키기 위하여 Fig. 3(a)와 같이 실험체를 세팅하였다. ALC 프리즘 전면에 압축응력을 일정하게 분포시키기 위하여 프리즘 상부에 철물 지그를 설치하고 액추에이터를 사용하여 분당 1 mm 변위제어로 압축하중을 가하였다.

축방향 변형을 계측하기 위하여 철물 지그와 바닥면 사이 좌/우측면에 LVDT(GL, GR)을 설치하고 ALC 프리즘 최외각면에서 100 mm 떨어진 위치에 전산볼트를 매입하여 LVDT (L, R)을 설치하였다. 푸아송 비(Poisson’s ratio)를 평가하기 위하여 가력방향에 수직하도록 수평 방향으로 LVDT(T, B)를 설치하였다. 콘크리트 게이지도 벽면에 부착하여 변형률을 계측하였다.

3.1 재료시험

실험체에 사용한 ALC 블록의 평균 압축강도 $f_{ALC}$는 2.77 MPa(0.35품)과 4.35 MPa(0.5품)이었다. ALC 모르타르의 28일 평균 압축강도는 0.35품 ALC 프리즘의 경우 14.4 MPa이고 0.5품 ALC 프리즘의 경우 17.3 MPa이었다. 모르타르 압축강도 차이는 0.35품과 0.5품 ALC 프리즘이 서로 다른 조적공에 의해 다른 환경에서 제작되었기 때문이다. 재료시험에 사용된 ALC 블록은 100 mm 정육면체 블록^{(ASTM C1693-11 2017)}이고, ALC 모르타르 공시체는 50 mm 정육면체 블록^{(ASTM C1329 2016)}으로 계획하였다.

현행 설계기준을 살펴보면, ^{MOLIT (2019)}에서는 ALC 조적용 모르타르 압축강도는 15 MPa 이상(재령 28일)으로 한다. ^{ASTM C1329 (2016)}에서는 28일 강도 기준 6.2 MPa 이상은 N형, 14.5 MPa 이상은 S형, 20.0 MPa 이상은 M형 모르타르로 구분한다. ^{ASTM C270 (2014)}과 ^{MSJC (2013)}을 따르면 내력벽에는 N형 모르타르를 추천하고 횡력 저항시스템에는 S형과 M형 모르타를 사용하여야 한다.

GFRP 인장강도는 ^{ASTM D4595} 시험방법을 따라 수행하였다. 격자로 형성된 GFRP는 응력 단위로 재료강도를 표현하기 어렵기 때문에 일반적으로 GFRP 메쉬 폭 50 mm 당 하중(N)으로 나타낸다. 이에 인장시편은 길이 500 mm, 폭 50 mm 크기로 제작하였다. Fig. 3(b)와 같이 GFRP 메쉬 섬유 방향인 경사(warp) 및 위사(weft)에 따라 인장강도 차이를 보이기 때문에 각각 방향에 대해 3개씩 재료시험을 수행하였다. A형 메쉬의 평균 인장강도는 경사방향의 경우 1,267 N/50 mm이었고, 위사방향의 경우 1,976 N/50 mm이었다. C형 메쉬의 평균 인장강도는 경사방향의 경우 1,982 N/50 mm이었고, 위사방향의 경우 3,440 N/50 mm이었다.

3.2 ALC 프리즘의 응력-변형률 관계

ALC 프리즘의 압축응력과 축방향 변형률 관계를 Fig. 4에 나타냈다. 압축응력은 액추에이터 하중을 프리즘 면적으로 나눈 값이고, 축방향 변형률은 평균 축방향 변형(GL과 GR, Fig. 3(a))을 프리즘 높이로 나눈 값이다. 축방향 변형(L과 R)은 최대하중 이후 전산볼트 주변 균열에 의해 제대로 계측되지 않아서 GL과 GR 값을 사용하였다. 탄성계수 평가시에는 L과 R의 변형 계측값을 사용하였다. 최대응력 지점은 원형으로 표시하였고 실험체명과 최대응력값을 함께 표시하였다. 동일한 실험체인 UU1/UU2, FF1/ FF2는 실험결과를 함께 표시하였다.

Fig. 4 Stress - strain relations of ALC prisms in compression

ALC 블록 압축강도 $f_{ALC}$에 따라 ALC 프리즘 압축강도 $f_{m}^{'}$에 차이를 보였다. $f_{m}^{'}$은 0.35품 ALC 경우($f_{ALC}$=12.77 MPa) 1.63~1.94 MPa이었고 0.5품 ALC 경우($f_{ALC}$=4.35 MPa) 3.10~ 3.50 MPa이었다. $f_{ALC}$가 증가함에 따라 $f_{m}^{'}$가 증가하였다. ALC 블록보다 압축강도가 큰 ALC 모르타르($f_{mo}$=14.4~17.3 MPa)로 접합되었지만 ALC 프리즘은 ALC 블록에 비해 낮은 압축강도를 보였다($f_{m}^{'}$/$f_{ALC}$=0.59~0.8).

GFRP 보강에 따른 압축강도 증가는 크지 않았다. 0.35품 ALC 프리즘은 벽면 GFRP 보강(FU)에 의해 2 %, 벽면과 줄눈 GFRP 보강(FF)에 의해 15 % 증가하였다. 0.5품 ALC 프리즘은 GFRP 보강(UF, FF)에 의해 6 % 증가하였다. 동일한 실험체가 2개인 경우에는 평균값을 사용하여 비교하였다. 최대하중 이후 변형능력에도 큰 차이는 없었다. GFRP를 모르타르로 벽면에만 부착하였기 때문에 구속 효과는 발생하지 않았다.

3.3 ALC 프리즘의 파괴모드

GFRP 보강되지 않은 실험체 CS(0.35)UU2의 최대하중 이후 파괴양상은 Fig. 5와 같다. 최대하중 이전에는 외관으로 관찰되는 균열은 거의 없었고, 최대하중 직전에 ALC 블록 모서리에서 균열이 발생하기 시작하였다. 최대하중 이후에는 ALC 블록 모서리 균열과 블록을 관통하는 수직균열이 함께 발생하였고 최종적으로(최대하중 이후 0.6~0.7$P_{\max}$) ALC 블록이 압괴되었다.

Fig. 5 Failure patterns of ALC prisms after peak load under compression (CS(0.35)UU2)

실험체별 최대하중에서의 파괴양상을 Fig. 6에 나타냈다. GFRP 보강이 없는 UU 실험체는 ALC 블록 모서리균열과 블록을 관통하는 수직균열이 함께 발생하였다. UF와 FF 실험체는 GFRP와 모르타르로 벽면을 보강하였지만, ALC 블록 모서리에서 균열이 발생하면서 가로줄눈을 따라 수평균열이 발생하였다.

Fig. 6 Failure modes of ALC prisms at peak loads

4.1 ALC 프리즘의 압축강도

ALC 프리즘의 압축강도를 평가하기 위하여, ALC 블록의 압축강도에 따른 프리즘 압축강도의 변화를 Fig. 7에 나타냈다. 삼각형 표식은 0.35품 ALC 프리즘, 원형 표식은 0.5품 ALC 프리즘, 다이아몬드 표식은 ^{Ferretti et al. (2015)}의 실험결과를 나타낸다. ^{Ferretti et al. (2015)}에서 수행한 ALC 프리즘은 625×750×100 mm 크기(모르타르 두께 2~3 mm)이고 ALC 블록은 125×50×100 mm로 본 연구에서 수행한 ALC 블록보다는 작은 ALC 블록이다. 실험결과와의 비교를 위해 Eurocode 6^{(CEN 2005)}에서 제시하는 ALC 프리즘의 압축강도식 $f_{m,\: EC6}^{'}$을 파선으로 표시하였다.

Fig. 7 Compressive strength of ALC prisms

실험결과와 Eurocode 6^{(CEN 2005)}의 예상강도를 비교해보면, ALC 프리즘 압축강도비($f_{\max}^{'}$/$f_{m,\: EC6}^{'}$)는 0.85~1.45으로, 평균은 1.16이고 변동계수(coefficient of variation)는 17 %이다. Eurocode 6^{(CEN 2005)}의 ALC 프리즘 강도식 $f_{m,\: EC6}^{'}$은 두께가 얇은 모르타르의 영향은 무시하고 ALC 블록의 압축강도 $f_{ALC}$에 대한 식으로 제시하고 있는데, CS(0.35) 실험체에 대해서는 과대평가하였고, CS(0.5) 실험체에 대해서는 과소평가하는 경향을 보였다. ^{Ferretti et al. (2015)} 실험체에 대해서도 과소평가하였다. ACI 530-11에서는 ALC 프리즘의 압축강도식 $f_{m}^{'}$은 제시되어 있지 않고 ALC 블록의 강도 $f_{ALC}$에 의해서 결정된다고 언급되어 있다.

4.2 ALC 프리즘의 탄성계수

ALC 프리즘의 탄성계수 $E_{m}$는 탄성구간에서의 ALC 벽체의 휨강성과 전단강성을 평가하는데 중요한 값이다. 본 연구에서는 2가지 방법으로 축방향 변형률을 계측하여 탄성계수를 평가하였다(Fig. 3(a) 참고). 첫번째는 ALC 프리즘 최외각면에서 100 mm 떨어진 위치 사이의 수직변형(L, R)을 바탕으로 계산하였고, 두번째는 벽면에 콘크리트 변형률 게이지($V_{1},\: V_{2},\: V_{3}$)를 부착하여 평균 변형률을 직접 계측하였다. 탄성계수 $E_{m}$은 Fig. 8과 같이 ALC 프리즘의 응력-변형률 곡선에서 최대응력의 33 % 지점과 5 % 지점사이의 기울기로 평가하였다^{(ASTM C1314)}.

실험체별 탄성계수는 Table 3에 나타냈다. GFRP 보강없는 UU 실험체는 Fig. 8과 같이 LVDT 계측값(점선)으로 평가한 탄성계수 $E_{m,\: L}$와 콘크리트 게이지 변형률(실선)로 평가한 탄성계수 $E_{m,\: g}$이 거의 유사하였다($E_{m,\: L}$/$E_{m,\: g}$=1.06~1.28). 그에 반해, CS(0.5)UF의$E_{m,\: L}$/$E_{m,\: g}$는 9.0으로, GFRP가 보강된 경우 LVDT에 의한 변형률 계측이 잘 이뤄지지 않았다. 벽면 GFRP를 보강한 UF와 FF 실험체의 $E_{m,\: L}$는 실험체별로 큰 차이를 보여 신뢰성 문제가 있어 UU 실험체에 대해서만 Table 3에 나타냈다.

GFRP가 보강된 UF와 FF 실험체의 탄성계수 $E_{m,\: g}$는 UU 실험체의 0.96~1.06 수준으로 GFRP 보강 여부와 관계없이 거의 비슷한 탄성계수를 보였다. 이는 벽면과 줄눈 GFRP 보강이 ALC 프리즘의 탄성계수에는 영향을 주지 않았다는 것을 보여준다.

Fig. 8 Measurements of elastic modulus of ALC prisms

ALC 프리즘의 탄성계수를 평가하기 위하여 ALC 블록의 압축강도 $f_{ALC}$에 따른 탄성계수 $E_{m}$의 변화를 Fig. 9에 나타냈다. 탄성계수 실험값은 콘크리트 게이지 변형률로 평가한 $E_{m,\: g}$를 사용하였다. 삼각형 표식은 0.35품 ALC 프리즘, 원형 표식은 0.5품 ALC 프리즘, 다이아몬드 표식은 ^{Ferretti et al. (2015)}의 실험결과를 나타낸다. 실험결과와의 비교를 위해 Eurocode 6와 ACI 530-11에서 제시하는 ALC 프리즘의 탄성계수 $E_{m,\: EC6}$와 $E_{m,\: ACI}$를 각각 파선과 점선으로 표시하였다(Table 4 참고). ACI 530-11에 따르면, ALC 프리즘의 탄성계수는 주로 ALC 블록의 탄성계수에 영향을 받기 때문에 ALC 블록의 탄성계수식($E_{ALC}$)을 프리즘 탄성계수식($E_{m,\: ACI}$)으로 사용한다.

Fig. 9 Elastic modulus of ALC prisms

Eurocode 6^{(CEN 2005)}의 탄성계수비($E_{m}$/$E_{m,\: EC6}$)는 평균 0.93, 변동계수 16 %로 탄성계수를 과대평가하였다. 특히, 블록 압축강도가 작은 0.35품 ALC 프리즘과 ^{Ferretti et al. (2015)}의 탄성계수를 과대평가하였다. 반대로, ACI 530은 평균 1.14, 변동계수 21 %로 탄성계수를 과소평가하는 경향을 보였다.

본 연구에서는 실험결과를 바탕으로 ALC 프리즘의 탄성계수식을 아래 식 (1)과 같이 제안하였다.

제안한 탄성계수식은 ALC 블록의 압축강도 $f_{ALC}$에 선형적으로 비례하는 식으로 Table 2와 같이 기존 조적 프리즘의 탄성계수식과 비슷한 형식이다. ALC 프리즘 탄성계수 평가의 용이성을 위하여 ALC 프리즘 압축강도 $f_{m}^{'}$대신 $f_{ALC}$를 사용하였다. 제안식의 예측결과를 살펴보면, 평균 1.03, 변동 계수 13 %로 Eurocode 6^{(CEN 2005)}와 ACI 530에 비하여 더 정확하게 평가하였다. ALC 프리즘의 탄성계수에 대한 실험결과가 제한적이기 때문에 추가적인 실험을 통해 제안식 검증이 필요하다.

4.3 ALC 프리즘의 푸아송 비와 전단 탄성계수

ALC 프리즘의 압축강도 실험을 바탕으로 전단 탄성계수 $G_{m}$을 직접 산정하기 어렵기 때문에 Fig. 10과 같이 실험체의 푸아송 비($v$)를 계측하여 전단 탄성계수를 평가하였다. 콘크리트 변형률 게이지를 통해 계측한 수직방향 변형률 $ε_{v}$과 수평방향 변형률 $ε_{h}$을 바탕으로, 기울기 일정 구간에서 푸아송 비를 계산하였다. 실험체별 푸아송 비는 Table 4에 나타냈다.

선형 탄성체의 전단 탄성계수 $G$는 푸아송 비 $v$와 탄성계수 $E$로 계산할 수 있다(식 (2)).

Fig. 10 Measurements of vertical and horizontal strains to evaluate Poisson’s ratio of ALC prisms

ALC 프리즘의 전단 탄성계수를 평가하기 위하여 Fig. 11에 실험체에서 계측된 탄성계수 $E_{m}$ 대비 전단 탄성계수 $G_{m}$을 나타냈다. 전단 탄성계수는 식 (2)를 사용하여 계산하였다. 현행 설계기준^{(CEN 2005;MSJC 2013;MOE 2019)}에서는 조적조의 전단탄성계수 $G_{m}$를 탄성계수 $E_{m}$의 40 %로 제시하고 있으며, Fig. 11에 파선으로 표시하였다.

Fig. 11 Shear modulus of ALC prisms (Eq. (2))

현행 설계기준 예측결과는 평균 0.96, 변동계수 6 %로 ALC 프리즘의 전단 탄성계수를 적절히 평가하였다. ALC 프리즘의 전단 탄성계수 $G_{m}$를 탄성계수 $E_{m}$의 40 %로 산정하는 것은 적절한 것으로 판단된다.