2.1 시험체 제작 상세

본 연구에서 전자파 차폐와 충격 저항 성능 평가를 위해 Table 1과 같이 재령 28일에 압축 강도 45 MPa급 콘크리트를 사용하여 시험체를 제작하였다. 시험체 제작에 사용된 재료는 Table 2와 같이 1종 포틀랜드 시멘트(비표면적 3,413 ㎠/g, 밀도 3.15 g/㎤), 5 mm 이하의 잔골재와 최대 크기 18 mm 이하의 굵은 골재를 사용하였다. 본 연구에서 전자파 차폐 보강을 위해서 강섬유, 그리드와 메쉬를 변수로 시험체 내 혼입하였는데, Table 3은 혼입된 Hook-end 강섬유의 제원이며 Table 4와 5는 시험체 내 배근 된 메쉬와 그리드의 화학적 특성을 나타낸 것이다. 사용된 강섬유의 혼입률은 0.0, 0.75, 1.5 vol%으로 시험체 내 철근의 사용 여부에 따른 강섬유의 전자파 차폐 성능에 대해서 평가하였다. 시험체 내 철근은 지름 10 mm 철근(SD400, $A_{S}$=71.3 ㎟, $d_{b}$=9.53 mm)으로 100 mm 간격으로 격자 배근하며, 피복 두께 20 mm로 배근하였다. 그리드의 경우 격자 간격에 따른 전자파 차폐 성능의 평가를 위해서 간격 30 mm×30 mm, 50 mm×50 mm의 두 종류의 그리드를 철근 위에 배근하였다. 보강된 메쉬는 격자 간격이 5 mm 이내로 굵은 골재가 투과될 수 없기에 표면에서 5 mm 이내로 보강하였다. 마지막으로, 제작된 시험체의 길이와 폭은 500 mm×500 mm이며 두께는 100, 200, 300 mm이다. 따라서, 본 연구에서 제작된 전자파 차폐 시험체는 24가지로 Table 6과 시험체 보강 상세는 Fig. 1과 같다.

Fig. 1 Details of the specimen

위와 같이 제작된 24가지의 전자파 차폐 시험체의 실험 결과를 통해서 3가지 변수를 도출하여 충격 시험을 시행하였다. 제작된 충격 시험체는 1,600 mm×1,600 mm에 두께 140 mm이며 D10 철근을 2단 보강하여 상온(20±1 °C)과 습도(60±5 %)에서 양생하였다. 보강 방법에 대한 상세는 Fig. 1과 같다.

2.2 전자파 차폐 시험 상세

전자파 차폐 시험을 위해 제작된 장비는 극초단파(UHF) 주파수 대역(300 MHz~3 GHz)을 측정할 수 있는 출력 신호 세기 20 dbm, 측정 가능 신호 세기 20~-80 dB의 성능을 가진 안테나를 사용하여 Fig. 2와 같이 수신부와 발신 부로 제작된 안테나와 동축 케이블(RFOA1, RS-232) 통해 50 MHz 간격으로 측정할 수 있다.

해당 장비는 근역장(near-field)에서의 값 측정이 가능하다. 이는 기존 연구에서 진행된 MIL-STD-285 기준에 근거하여 진행된 전자파 차폐 시험에서 원역장(far-field) 상태의 결괏값과 유사하다^{(Micheli et al. 2015; Micheli et al. 2017a, 2017b; Yoo et al. 2020)}. 전자파 차폐 시험의 상세 과정은 두 수신부와 발신부의 log-spiral 안테나는 측정 시험체의 중앙부에 각 20 mm 떨어진 거리에서 수직 방향으로 설치하고 동축 케이블은 컴퓨터에 연결하여 측정한다. 전자파 차폐 시험은 각 시험체에 5회 실시하여 평균값을 이용하였다.

Fig. 2 Shielding effectiveness test setup

2.3 충격 시험 상세

충격 시험은 전자파 차폐 시험에서 진행된 변수 중 3가지를 도출하여 충격 시험을 진행하였다. Fig. 3은 충격시험 장치로 1,600 mm×1,600 mm×140 mm의 support frame의 순 간격은 1,500 mm이며 충격 하중은 부재의 정중앙에 가력하였다. 가력된 무게추는 300 kg이며 tub의 지름 150 mm의 열처리된 반구형을 사용하여 높이 2,000 mm에서 낙하하였다. 낙하 시 측정된 속도와 충격 에너지는 6.3 m/s와 5.9 kJ이며, COAL Electronic사 포텐시오미터(potentiometer)와 레이저 LVDT(KL4- 120NV)를 부재의 가력되는 면의 후면부에 설치하여 충격 시험 시 최대 처짐과 잔류 처짐을 측정하였다. 반력은 각 4개의 지점(support)에 로드 셀(load cell)을 설치하여 측정하며, 측정된 데이터는 동적 데이터 로거(DEWE-43V) 장비를 통해 수집하였다.

Fig. 3 Details of the drop weight impact test

3.1 시험체 두께 및 보강에 따른 차폐 효과

본 연구에서 진행된 전자파 차폐 시험 결과는 Fig. 4와 같다. Fig. 4(a)는 철근의 유무와 시험체의 두께에 따른 차폐 시험 결괏값을 나타낸 것으로 시험체 두께 100 mm의 경우 5.1 dB로 200 mm, 300 mm 시험체의 차폐 성능은 100 mm 시험체보다 0.9~4.9배와 2.0~6.5배 더 높은 차폐 성능을 보였다.

Fig. 4 Shielding effectiveness of specimens reinforced by steel rebar and steel fibers

또한, 철근을 배근함에 따라 콘크리트 내 연속적인 전도망이 형성되어 같은 두께에서 철근을 배근할 때 배근하지 않은 시험체에 비해 1.8~8.3 dB 더 높은 차폐 성능을 나타냈다. 따라서, 시험체의 두께에 따라 비례하여 차폐 성능이 향상하는 것과 철근 배근에 의한 차폐 성능 결과는 기존 연구^{(Hyun et al. 2014; Choi et al. 2020; Yuan et al. 2020)}와 유사한 결과가 나타나며, 600 MHz에서 차폐 성능이 감소하는 것은 주파수에 따른 공명현상에 의한 것으로 판단된다. 철근을 배근할 때 1.0~20.4 dB의 차폐 성능을 나타낸 것을 토대로, 구조물 두께가 증가하는 것은 차폐 성능을 향상할 수 있지만, 두께를 무한히 증가하는 것은 어렵고, 철근 배근을 통해서 일정 차폐 성능을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 4(b)는 강섬유를 혼입한 시험체의 차폐 시험 결과로 400~900 MHz 주파수 대역에서 콘크리트 내 강섬유가 고르게 분산되어 차폐 성능이 향상하는 것으로 나타났다. 이는 강섬유 간의 Capacitive coupling 현상으로 주파수 대역에 비례하여 전도성이 증가하는 것으로 판단된다^{(Wen and Chung 2004; Frenzel et al. 2007; Mazzoli et al. 2018)}. 또한, 콘크리트 내 균일하게 섬유가 분산될수록 고주파 대역에서 높은 차폐 성능을 나타내며, 섬유의 혼입량이 증가할수록 차폐 효과도 향상된다^{(Quintana et al. 2018)}. 섬유 보강 콘크리트의 차폐 효과는 섬유의 형상과 크기, 길이(형상비), 재료, 유동성과 콘크리트 내 섬유의 분산 정도 등에 따라 달라진다. 하지만, 본 연구의 실험 결과는 기존 연구와 다른데, 0.75 vol%의 강섬유(형상비 65)를 혼입할 때 1.5 vol%를 혼입한 시험체와 유사한 차폐 성능을 보였다. 이는 0.75 vol%에서 임계값(percolation threshold)에 의한 영향을 받은 것으로 판단된다^{(Chung 2002; Jung et al. 2020; Yao et al. 2017; Yuan et al. 2021)}. Fig. 4(c)는 강섬유와 철근을 배근한 시험체의 전자파 차폐 시험 결과로 강섬유 혼입 시 철근의 배근 여부에 따른 결과는 큰 차이가 없어 강섬유에 의한 전자파 차폐 효과가 지배적인 것으로 판단된다^{(Chung 2002; Wen and Chung 2004)}.

3.2 그리드와 메쉬 보강에 따른 차폐 효과

Fig. 5는 철근콘크리트 시험체 내 그리드와 메쉬를 보강하여 차폐 시험 결과를 나타낸 그래프이다. 격자 간격 30 mm 그리드를 사용한 시험체(T2-S10-G3D)와 50 mm를 사용한 시험체(T2-S10-G5D)는 11.5~35.9 dB에 8.2~22.4 dB의 차폐 효과를 나타냈다. 특히 T2-S10-G3D는 50 mm 그리드를 보강한 것과 보강하지 않은 시험체에 비해 0.2~1.3배와 0.5~5.4배 더 높은 차폐 성능을 나타냈다. 반면에 강섬유 1.5 vol% 혼입한 변수(T2-NN-F1.50과 T2-S10-F1.50)에 비해 11.3~57.0 % 낮은 차폐 성능을 보였다. 따라서, 그리드의 격자 간격이 좁을수록 그리드로 보강된 시험체의 차폐 성능이 향상되는 것을 알 수 있다. 위 결과를 통해서 같은 격자 간격을 사용 시 지름이 크고, 시험체의 두께가 증가할수록 차폐 성능이 향상하는 것은 기존 연구 결과와 유사하다^{(Bihua et al. 2000; Yuan et al. 2021)}. 따라서, 같은 양의 철근과 그리드를 사용 시 간격이 좁을수록 전자파 차폐 성능이 향상되는 것을 알 수 있다.

Fig. 5 Comparison of shielding effectiveness of different grid and mesh

메쉬를 보강한 시험체(T2-S10-M5D)는 700~1,200 MHz에서 33.0~42.3 dB의 성능을 나타내며, 400~700 MHz의 저주파 대역에서 T2-S10-G3D와 유사한 결과를 보이지만 700~1,200 MHz에서 8.1~15.3 dB 더 높은 차폐 성능을 나타냈다. 위 결과를 통해서 400~700 MHz에서 차폐 성능은 주파수에 비례하여 증가하지만, 800~1,200 MHz에서는 약간 감소하여 400~700 MHz의 저주파 대역에서는 그리드와 메쉬에 의한 차폐 효과가 지배적인 것으로 판단된다^{(Metwally et al. 2004; See 2017; Sneh et al. 2020)}. 또한, T2-S10-M5D의 차폐 시험 결과는 강섬유 1.5 vol%를 혼입한 시험체의 차폐 성능에 63.1~92.3 %의 높은 차폐 효과를 나타냈다.

3.3 Hybrid 보강 시험체의 차폐 효과

Fig. 4와 5에서 강섬유 혼입 변수의 경우 측정 주파수 대역에 차폐 성능 향상이 크지만, 기존 구조물의 차폐 성능 향상을 위한 보강 재료로 사용하기 어려우므로 그리드와 함께 hybrid 혼입하여 시험체를 제작하여 전자파 차폐 실험을 하였다. Fig. 6은 200 mm 두께의 시험체와 다양한 hybrid 보강 시험체의 차폐 시험 결과를 비교한 그래프이다. Hybrid 보강 시험체 중 격자 간격 50 mm 그리드와 메쉬를 혼입한 시험체(T2-S10-G5D-M5D)는 10.3~48.3 dB의 차폐 성능으로 가장 낮은 차폐 효과를 나타내지만, 단일 보강된 T2-S10-M5D와 T2-S10-G5D에 비해 8.2 dB와 34.3 dB 더 높은 결과를 보였다. 또한, hybrid 보강된 T2-S10-G3D-M5D는 강섬유로 보강된 시험체의 차폐 효과가 유사한 높은 차폐 성능을 나타냈다. 따라서, 모든 hybrid 보강 시험체는 300 mm 시험체보다 최소 0.5에서 최대 25.9배 높은 차폐 성능을 나타내며, 단일 보강(single-type reinforcement)에 비해 0.5~2.4배 높은 차폐 성능 나타냈다. 위 결과를 토대로 그리드, 메쉬, 강섬유와 같은 전도성 물질을 활용한 hybrid 보강은 구조물의 두께를 증가하거나 단일 보강 방식과 비교해 더 높은 차폐 성능을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 6 Comparison of shielding effectiveness of different hybrid reinforcement

본 연구에서는 메쉬 또는 그리드 보강을 통한 차폐 성능을 정량적으로 나타내기 위해서 free space area ratio로 나타내었다. Free space area ratio는 그리드로 보강된 구조물의 면적에서 빈 공간의 면적과 그리드 면적의 비로 Fig. 7(a)와 같다^{(Hyun et al. 2014; Quintana et al. 2018)}. Fig. 7(a)는 격자 간격 5 mm의 메쉬를 사용하여 보강하게 되면 빈 공간의 면적 51,840 ㎟과 보강된 그리드의 면적 38,160 ㎟으로 free space area ratio 150 % 이하에 30 dB 이상의 차폐 성능을 확보할 수 있다. 게다가, 메쉬와 그리드를 hybrid로 보강할 때 free space area ratio 100 % 이하에 40 dB의 차폐 성능을 나타냈다. 따라서, 30 dB 이상의 차폐 성능을 확보하기 위해서 구조물의 두께만 증가하는 것이 아닌 메쉬를 사용하는 것이 효과적이다. Fig. 7(b)에서 그리드와 철근 간격이 100 mm, 130 mm, 240 mm로 증가할 때 차폐 성능은 모두 유사한 것으로 나타났는데, 이는 T2-S10-M5D, T2-S10-G3D, T2-S10-G5D은 각각 138 %, 180 %와 260 %의 free space area ratio를 나타냈기 때문이다. 따라서, 철근 간격 50 mm 이상 배근 시(free space area ratio가 250 % 더 같거나 큰) 차폐 성능에 큰 향상을 보기 어렵고 이는 기존 연구 결과와 유사하다^{(Sneh et al. 2020; Yuan et al. 2021)}.

Fig. 7 Comparison of shielding effectiveness of free space area ratios

3.4 충격 실험 후 시험체의 차폐 효과

3.4.1 Hybrid 보강 시험체 충격 실험 결과

본 연구에서는 구조물의 손상 여부에 따른 차폐 성능을 비교하기 위해서 전자파 차폐 시험 결과에서 차폐 성능이 우수한 강섬유와 그리드 hybrid 변수와 메쉬와 그리드 hybrid 변수 및 비교 변수로 30 mm 그리드 보강 시험체를 도출하여 시험을 진행하였다. 먼저, 충격 시험을 통해서 hybrid 보강된 시험체의 지점 반력, 최대 처짐과 잔류 처짐을 평가하였다.

Fig. 8은 충격 시험 후 파괴 형상을 나타낸 그림이다. S24- G3D-NN, S24-G5D-F0.75와 S24-G5D-MD의 충격 시험 후 후면부의 파괴 형상을 통해 균열 발생과 정도를 비교해보면, 강섬유 또는 메쉬를 보강한 시험체의 경우 충격에 따라 균열 발생 수가 증가하며 후면부의 파편 발생이 감소하는 것을 알 수 있다. S24-G5D-MD 시험체는 격자 간격 50 mm 그리드와 5 mm 메쉬를 사용한 것으로 보강된 메쉬는 충격에 의한 구조물의 펀칭-전단 파괴에 따른 배면 파괴를 방지할 수 있다. 이는 기존 연구 결과와 유사한 것으로 나타났다^{(Sadraie et al. 2019; Mahmoud et al. 2020; Yuan et al. 2020)}. 그리드, 메쉬와 강섬유를 통한 보강, 콘크리트 강도와 두께의 증가는 펀칭 파괴와 파편 발생을 줄이는 데 효과적이다. 반면, 강섬유와 메쉬가 아닌 그리드만으로 보강된 S24-G3D-NN의 충격 시험 결과 가장 높은 손상 면적과 무게 손실을 나타냈다.

Fig. 8 Damaged specimens after impact test

Fig. 9는 시간에 따른 최대 처짐을 나타낸 것으로 포텐시오미터(potentiometer)와 Laser-type LVDT의 값을 평균하여 결과를 도출하였다. 30 mm 그리드로 보강된 시험체의 1회 타격 시 최대 처짐(잔류 처짐)은 S24-G5D-F0.75와 S24-G5D- MD 보다 41.5 %(1.7배)와 35.3 %(3.1배) 더 높았다. 보강된 철근의 간격이 좁을수록 최대 처짐과 잔류 처짐이 감소하게 되는데^{(Yilmaz et al. 2020)}, 강섬유의 경우 콘크리트 내 혼입 시 균열의 발생과 처짐은 섬유의 가교 효과로 균열의 수와 폭이 제어되어 균열과 처짐이 감소하는 것을 알 수 있다. 따라서 강섬유 또는 메쉬로 hybrid 보강 시 처짐을 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 강섬유 혼입 시험체의 경우 메쉬를 혼입한 것이 비해 1, 2회 타격에서 최대 처짐과 잔류 처짐이 더 작았는데, 이는 콘크리트 내 강섬유가 발생하는 균열의 폭을 줄이고 부재에 고르게 균열이 발생하도록 유도했기 때문으로 판단된다. Fig. 10은 각 시험체의 충격 시험에 따른 반력을 나타낸 것이다. S24-G3D-NN, S24-G5D-F0.75와 S24- G5D-MD의 최대 반력은 1회 타격 시 764.8 kN, 861.9 kN와 923.6 kN이며 2회 타격 시 S24-G5D-F0.75와 S24-G5D-MD에서 650.0 kN과 529.9 kN이다. S24-G5D-F0.75는 1회 타격과 2회 타격에서 24.6 % 감소했으며, S24-G5D-MD는 35.8 % 감소하였다.

Fig. 9 Deflection-time history

Fig. 10 Reaction force in impact test

3.4.2 충격 시험 후 차폐 시험 결과

외부 하중 또는 환경에 의한 영향으로 구조물에 손상이 발생하면 콘크리트 구조물의 유효 폭과 전자파 차폐 성능이 저하한다. 대부분 문헌에서는 전자파 차폐 시험이 손상되지 않은 구조물에서 평가하였다^{(Bihua et al. 2000; Guan et al. 2006; Kwon and Lee 2009; Yoo et al. 2020)}. 그러나, 일부 연구에서는 2축 휨 실험을 통해 macro 균열을 유발하여 전자파 차폐 시험을 실시하였다^{(Hyun et al. 2014)}. 위 연구에서는 손상되지 않은 구조물에 비해 균열이 발생한 구조물의 손상 면적이 커질수록 차폐 효과는 떨어지는 것으로 보고하고 있다. 따라서, 본 연구에서는 충격 실험을 진행한 3개의 시험체의 손상 전후의 차폐 성능을 평가하고, 충격 시험 후 각 시험체의 균열 형상과 면적은 Fig. 11과 같고 Fig. 12는 손상 면적과 무게 손실을 그래프로 나타냈다.

Fig. 13에서 S24-G3D-NN은 충격 시험 전후로 33.9 %의 전자파 차폐 성능 저하를 보였는데, 400-700 MHz에서는 충격 시험 전의 전자파 차폐 결과와 유사하지만 700~1,200 MHz에서는 큰 저하를 나타냈다. 이는, 충격 시험에 의해 충격 부에는 50 mm×50 mm×30 mm와 후면부에는 500 mm×550 mm×25 mm의 손상 면적이 발생한 것이 주된 원인으로 판단된다. 따라서, 400~700 MHz의 저주파 대역에서는 보강된 그리드 또는 메쉬에 의한 영향 700~1,200 MHz의 고주파 대역에서는 콘크리트에 의해 전자파 차폐가 지배적인 것으로 판단된다. 반면, S24-G5D-F0.75는 충격 시험 후 가장 많은 균열이 발생하였지만, 섬유에 의해서 균열이 구조물에 고르게 발생하여 전도망을 일정 기능 유지하는 것으로 나타냈다. 이는, S24-G3D-NN에 비해 전자파 차폐 성능이 향상되기 때문이다. 따라서, 강섬유를 hybrid 보강한 시험체의 경우 콘크리트 내 고르게 분산되어 충격 전후로 높은 차폐 성능을 확보할 수 있을 것으로 판단된다. 게다가, 그리드와 메쉬가 hybrid 보강된 S24-G5D-MD의 충격 전후의 전자파 차폐성능은 24.8 % 감소하며 S24-G3D-NN과 유사하게 저주파 대역보다 고주파 대역에서의 차폐 성능 저하가 더 크다. Fig. 13(d)는 충격 시험 후 각 시험체의 무게 손실 또는 손상 면적과 전자파 차폐 성능의 관계를 나타낸 그래프이다. 이를 통해 위와 같이 섬유를 혼입한 시험체에 비해 그리드 또는 메쉬를 hybrid 보강한 시험체의 무게 손실과 전자파 차폐 저하가 더 큰 것을 알 수 있다.

Fig. 11 Damaged patterns after impact test

Fig. 12 Comparison of shielding effectiveness of different hybrid reinforcement

Fig. 13 Comparison of shielding effectiveness decreased ratio