2.1 실험 변수

CFRP 시트로 휨 보강된 철근콘크리트 슬래브에서 CFRP 시트의 부착 상태 및 CFRP 시트의 변형률 분포를 확인하기 위하여 분포형 광섬유 센서를 활용하였다. 계측된 결과의 정확성을 검증하기 위하여 CFRP 시트의 부착형태가 실험변수로써 고려되었다. Tables 1 and 2는 각 실험체별 CFRP 시트의 부착 수준 및 위치에 관한 상세를 나타낸 것이다.

2.2 사용 재료

철근콘크리트 슬래브 제작에는 SD400 등급의 D10 및 D16 이형철근을 사용하였다. 최대용량 2,000 kN의 UTM (Universal Testing Machine)을 사용하여 ^{ASTM A370(2013)}에 따른 직접 인장 실험을 수행한 결과, 사용 철근의 역학적 특성은 Table 3에 나타낸 것과 같다.

실험체 제작에 사용된 콘크리트는 굵은 골재의 최대치수 25 mm의 레드믹스트 콘크리트를 사용하였으며, 배합 특성은 Table 4에 나타낸 것과 같다. 콘크리트 압축강도를 확인하기 위하여 ^{ASTM C39/C39M(2018)}에 따라 Φ100 mm × 200 mm의 크기를 갖는 원주형 공시체를 제작하고 시험을 수행하였다. 콘크리트 압축강도 시험결과, 재령 28일에서 평균 27.0 MPa의 압축강도를 확인하였다.

실험체 휨 보강에 사용된 CFRP 시트 및 접착제의 재료적 특성은 Tables 5 and 6에 나타낸 것과 같다. 제시된 재료적 특성은 공인시험기관에서 수행한 결과로써, CFRP 시트는 ^{ASTM D3039/D3039M (2017)}에 따라 인장강도, 인장탄성율, 그리고 파단신율에 대해 시험을 수행하였으며, 접착제는 ^{KS M 3015(2018)} 및 ^{KS M 3734(2015)}에 따라 인장강도, 굽힘강도, 압축강도, 그리고 인장전단접착강도에 대해 시험을 수행하였다.

2.3 실험체 제작

실험체의 단면 제원 및 철근 배근은 Fig. 1에 나타낸 것과 같다. 실험체의 단면은 폭 500 mm, 높이 200 mm의 크기를 가지는 직사각형 단면이고 실험체의 길이와 순 경간은 각각 3,400 mm, 3,000 mm이다. 인장철근으로 SD400 등급의 D16(공칭 단면적 = 198.6 ㎟) 이형철근 5가닥을 사용하였고 조립 및 전단철근으로 SD400 등급의 D10(공칭 단면적 = 71.33 ㎟) 이형철근을 사용하였다. 콘크리트의 피복 두께는 30 mm이고 보의 유효 높이(d)는 170 mm이다. 보의 전단 경간(a)은 1,200 mm로써 전단 경간 비(a/d)는 7.06이고 순 경간은 보 유효 높이의 약 17.65로써 전형적인 휨 파괴가 발생하도록 제작하였다.

실험체 보강은 Fig. 2에 나타낸 것과 같이, 실험체 보강면의 레이턴스를 제거한 뒤, 프라이머를 도포하였다. 이 때, 실험변수에 따른 비부착을 모사하기 위해 비부착 부분에 대해서는 비닐을 덮어 프라이머를 도포하고 비닐을 제거하였다. 에폭시 수지를 도포하고 CFRP시트를 부착하였으며 기포 제거를 위해 스파이크 롤러로 표면을 정리하였다. 동일한 과정을 반복하여 2겹의 CFRP 시트를 부착하였으며, 마지막으로 광섬유와 전기저항식 변형률 게이지를 부착하였다. 광섬유는 9/125 ㎛ 규격의 single mode bare fiber를 사용하였고, CFRP 시트 크기와 동일한 크기의 나일론 소재의 섬유망으로 센서보호망을 제작, 에폭시 수지 도포시 롤러 사용에 의한 광섬유 단선을 최대한 배재할 수 있도록 하였다. 광섬유의 배치 형상은 Fig. 3에 나타내었다. 광섬유는 50 mm의 간격으로 실험체와 평행하게 배치하였는데, 이는 광섬유센서 회전이 되는 부분에서 광섬유의 손상없이 회전반경을 만들기 위하여 간격을 조정하였다. 한 쪽 끝에는 광섬유 계측 장비와의 연결을 위해 커넥터를 연결하였다.

Fig. 1. Specimen Geometry and Reinforcement Layout

Fig. 2. Stages in the Reinforcement Process

Fig. 3. Geometry of Optic Fiber Placement

2.4 계측 계획 및 실험 수행

하중 재하 시, 실험체의 변형률을 계측하기 위하여 Fig. 4에 나타낸 것과 같이 내부 철근 및 콘크리트 압축부에 대해 변형률 게이지를 부착하였으며 경간 중앙에 2개, 양단부에서 450 mm 떨어진 지점에 각 1개씩 총 4개의 변위계를 설치하였다. CFRP 시트의 변형률 계측을 위해 Fig. 5에 나타낸 것과 같이 변형률 게이지를 부착하였다.

4점 휨 실험은 Fig. 6에 나타낸 것과 같이, 2,000 kN 용량의 엑츄에이터를 사용하여 1.5 mm/min의 속도로 하중을 가력하였다. 하중 재하 시에 로드셀로 부터의 하중 값, 데이터로거에 의한 각 재료의 변형률 및 변위계 계측 결과를 수집하였으며, 하중 재하 전 및 하중 값이 20 kN, 60 kN, 80 kN, 95 kN, 110 kN, 125 kN, 140 kN에 도달 시마다 각 1회씩 광섬유 계측 값을 수집하였다.

Fig. 4. Location of Strain Gauges and LVDTs

Fig. 5. Location of Strain Gauges

Fig. 6. Test Setup

3.1 CFRP 보강된 철근 콘크리트 보 성능 평가

CFRP 보강된 철근 콘크리트 구조물에서의 하중-처짐 곡선을 Fig. 7과 같이 크게 3개의 구간으로 나눌 수 있다. 구간(I)은 하중 재하시점부터 하중 재하에 의한 최초 휨 균열이 발생되는 시점까지로 균열이 발생되기 이전의 구간으로 구조물이 선형 탄성 거동을 한다. 구간(II)에서는 최초 균열 발생 시점부터 철근 항복이 발생되는 시점으로 이 구간에서는 재하 하중이 증가함에 따라 구조물의 균열 또한 증가하게 되는 구간이다. 발생된 균열은 구조물의 휨 강성도를 저하시키게 된다. 마지막 구간(III)은 철근의 항복 시점에서 구조물의 파괴 시점으로 재하 하중이 CFRP 보강재로 집중되는 구간이다^{(Kim et al., 2020)}.

Fig. 7. Schematics of Load–Deflection Curve for Reinforced Concrete Beam with CFRP

Table 7에서는 실험결과를 바탕으로 실험체별 초기 균열 강도, 항복 강도, 최대 강도, 강성, 파괴시점, 파괴양상을 요약하였으며, Fig. 8에는 실험체의 중앙부에서 측정된 하중-처짐 곡선을 나타내었다. 무보강 철근콘크리트 슬래브의 파괴시점은 최대 강도 발생 이후 최대값의 90 % 이하가 되는 시점으로 하였다. 한편 CFRP 보강된 철근콘크리트 슬래브에서는 CFRP 부착에 따른 취성 파괴가 발생하기 때문에 최대하중을 파괴시점으로 정하였다. 대부분 실험체의 초기 균열 하중은 무보강 실험체(C0)의 초기 균열 하중과 CFRP 시트가 완전 부착된 실험체(C100)의 초기 균열 하중 사이에 분포하였다. 한편, 실험체 중앙부에 CFRP 시트 부착이 완전하게 이루어지지 않은 실험체들은 상대적으로 초기 균열 하중이 낮게 나타났으며, Series A의 실험체에서는 중앙부의 측면 보강 여부에 따라 초기 균열 하중이 크게 차이가 났다. 일반적으로, 철근콘크리트의 휨 재하 실험에서 하중이 증가함에 따라 휨 균열이 실험체의 중앙부에서 시작하기 때문에, 중앙부를 완전하게 보강하지 않을 경우에는 CFRP 보강에 의한 콘크리트 초기 균열을 제어하는데 한계가 있는 것으로 판단된다.

Fig. 8. Load–Deflection Curvesfor Reinforced Concrete Beams with/without CFRP

C0와 CS50 실험체를 제외한 실험체의 철근 항복강도가 112.62 kN – 121.64 kN으로 C0 실험체의 항복강도 95.72 kN 보다 높은 값을 보였다. 특히, 초기 균열과 대조적으로 실험체의 중앙부에 CFRP 시트가 보강되지 않는 실험체(E50)에서 철근 항복 강도가 높게 나타나는 것은 철근 항복 이전 구간에서도 CRFP 시트의 보강 효과가 발휘하는 것으로 판단된다. 일반적인 철근콘크리트 슬래브에서는 압축부의 콘크리트 파괴에 따른 휨 파괴(Flexural failure)가 발생하게 되는 반면에 CFRP로 보강된 철근콘크리트 슬래브에서는 CFRP와 콘크리트의 접착면에서 취성 파괴가 발생한다^{(Alagusundaramoorthy et al., 2003)}. 본 실험체에서는 CFRP 시트의 부착력 부족으로 인한 계면 박리(Interface debonding)와 CFRP 시트 단부 부근의 콘크리트에서부터 사인장 균열이 진전되어 인장 철근 아래의 콘크리트 피복이 박리되는 박리 파괴(Cover delamination)가 확인되었으며, 이에 대한 내용은 3.3에 제시하였다.

하중-처짐 곡선(Fig. 8)에서는 CFRP 보강된 철근콘크리트 슬래브들은 대부분 취성 파괴가 발생하면서 최대 하중이 무보강 철근콘크리트 슬래브에 비해서 높게 나타나는 것을 확인할 수 있으며, 이는 이전 연구와 유사한 형태 결과를 얻을 수 있었다^{(Wenwei and Guo, 2006)}. CFRP 시트 부착 형태에 따른 보강 효과를 살펴보면 Series C > Series B > Series A로 나타나는 것을 확인 할 수 있는데, CFRP 시트의 부착 면적이 동일하더라도 부착된 형태에 따라 보강 효과가 다르게 나타나는 것을 알 수 있다. 즉 CFRP 시트 부착 단부에서는 재하된 하중이 집중적으로 분포하게 되는데 실험체 횡방향으로의 CFRP와 콘크리트의 총 경계 길이가 길어질수록 하중이 재분배가 가능한 구간이 많아지므로 동일한 부착강도에서도 더 높은 보강 효과를 발휘할 수 있다. 예를 들어, Series A (Fig. 8(a))는 다른 비교군에 비해서 철근 항복강도 이후 CFRP에 의한 강성의 변화가 적게 나타났다. 이는 CFRP 단부에서 실험체의 횡방향 총 부착 길이가 다른 실험체 비해 짧기 때문으로 판단된다. M50 실험체의 경우에는 CFRP 단부에서 실험체의 횡방향 부착길이가 확보되었지만, CFRP단부에서 응력 집중으로 콘크리트 인장균열에 의한 피복 콘크리트 탈락이 발생했기 때문에 상대적으로 최대 강도가 낮게 나타나는 것으로 판단된다.

3.2 BOTDR 센서 계측에 의한 CFRP 보강된 철근 콘크리트의 변형률 평가

BOTDR (Brillouin Optical Time Domain Reflectometer) 센서 계측은 분포형 광섬유를 이용하여 구조물의 상태를 효율적으로 관리하는데 주목적을 두고 있다. Fig. 9에서는 C100, CS50, E50 실험체에 대해서 BOTDR 센서로 CFRP 시트의 변형률을 계측하여 하중 단계별로 도시하였다. BOTDR 센서 계측 결과에서는 광섬유가 실험체 종방향으로 10줄이 배치되어 있기 때문에 최대 변형률을 가지는 구간이 총 10개가 확인되었다. 그리고 철근 콘크리트의 휨 거동을 고려한다면 각 구간의 최대값은 중앙부 위치에 해당된다. 한편, CS50 실험체에서는 각 구간의 최대값에 대한 차이가 분명하게 나타났다. 이는 CFRP 시트 부착 여부에 의한 것으로 CFRP 시트 부착 구간에서는 계측된 변형률이 높게 나타나는 반면에 비부착 구간에서는 그 값이 상대적으로 나타났다. E50 실험체에서는 최대 변형률이 8개만 나타나는데 이는 마지막 두 구간 이전에서 광섬유 센서가 단락되어 변형률이 측정되지 않았기 때문이다.

BOTDR 센서로 계측된 변형률 데이터를 이용하여 하중별 실험체 바닥면에 부착된 CFRP 시트의 변형률 분포를 분석하였다. 분석은 상용 프로그램인 Surfer 13을 사용하여 2D-Contour로 도시화하였고, 변형률 분포도는 0 - 4000 까지 100 마다 분류하여 등치선(Contour line)을 작성하였다. 측정된 데이터는 변동도 모델을 사용하는 Kriging 법으로 보간을 실시하였다. 실험체 바닥면에서의 절점 간격을 10 mm로 하여 총 13,821(=271×51)개의 절점을 생성하였다. 우선, BOTDR 센서에서 계측된 변형률에 대한 신뢰성을 확인하기 위해 CFRP 시트에 부착된 전기식 변형률 게이지 결과와 비교하였다. Figs. 10 and 11에서는 CFRP 시트 부착여부에 따라 계측된 변형률 차이를 확인하기 위하여 CFRP가 완전 부착된 실험체(C100)와 비부착 구간이 다수 존재하는 실험체(R50)에 대해서 평가하였다. 각 하중별 BOTDR 센서로 계측된 데이터는 선으로 나타내었고, 전기식 변형률 게이지에 계측된 데이터는 점으로 나타내었다. 이전 연구 결과와 유사하게 BOTDR 센서의 변형률이 전기식 변형률 게이지에서 계측된 값과 상당히 유사하며, 하중이 증가할수록 측정된 값들이 증가하는 것을 확인 할 수 있다^{(Broth and Hoult, 2020)}. C100 실험체에서는 전기식 변형률 게이지로 측정된 값이 분석된 BOTDR 센서의 변형률과 상당히 일치하는 것을 확인하였다. 하지만 BOTDR 센서 측정에서 최대 하중인 140 kN에서는 전기식 변형률 게이지에서 계측된 값이 BOTDR 센서에서 분석값에 비해 높은 것을 확인하였다. CFRP 시트의 박리가 발생되는 시점에서 전기식 변형률 게이지는 CFRP 시트의 국부 박리에 의한 변형률이 측정된 반면에 BOTDR 센서는 CFRP 시트의 전반적인 변형률이 반영된 값이 측정되어 변형률이 더 작게 나타난 것으로 판단된다. 한편 비부착 구간이 다수 포함된 R50 실험체에서는 C100 실험체 결과와 달리 대부분의 계측위치에서 변형률 차이가 많이 발생하였다. CFRP 시트에 전기식 변형률 게이지가 부착된 위치가 표시된 그림을 참고하면, 중앙에 부착된 전기식 변형률 게이지를 제외한 나머지는 CFRP 시트 비부착 부분이거나 콘크리트와 CFRP 시트 경계에 게이지가 부착된 것을 확인할 수 있다. 이를 바탕으로 변형률의 차이가 발생될 수 있는 요인들을 정리해보면, 1) 부착되지 않은 CFRP 시트에 처짐이 발생한 경우, 2) 비부착된 CFRP시트가 콘크리트에 부착된 상태와 동일한 상태인 경우 그리고 3) 비부착된 CFRP시트가 부착된 상태보다 인장을 많이 받는 상태인 경우와 같이 다양한 형태로 존재하기 때문에 발생되는 문제로 판단된다. 특히 이러한 경우 국부적 변형률을 측정하는 전기식 변형률 게이지로 계측을 하면 계측 오차는 상당할 수 있는 반면에, 분포형으로 측정되는 BOTDR 센서는 이러한 문제를 줄일 수 있는 대안으로 판단된다.

Fig. 12에서는 C100과 R50 실험체에 대하여 하중별 변형률 분포를 2D Contour로 나타내었다. 전반적으로 두 실험체의 부착 형태와 관계없이 하중별 변형률 분포는 유사하게 발생되는 것을 확인할 수 있다. 초기 균열 하중은 C100에서는 35.4 kN이고, R50에서는 20.32 kN이었으며, 분석된 BOTDR 센서 측정에서는 재하 하중 60 kN부터 실험체 중심부에서 C100은 1352.22μ와 R50에서는 1109.55μ로 증가된 변형률이 측정되었다. 이후 하중이 증가함에 따라 변형률은 중앙부에서 지속적으로 증가와 함께 양 지점으로 퍼져나가는 경향을 확인 할 수 있다. 한편 C100에서는 철근 항복 이후에도 CFRP 시트가 콘크리트에 완전하게 부착되어 충분히 하중에 저항하기 때문에 하중이 증가함에 따라 CFRP 시트의 변형률이 증가한 후, 계면 박리가 일어났다. R50 실험체에서는 CFRP 시트의 비부착 구간의 존재로 상대적으로 낮은 하중에서 계면 박리가 발생하였다.

Fig. 9. Measured Strain from a BOTDR Sensor for (a) C100, (b) CS50, and (c) E50

Fig. 10. Comparison of Strain between from Strain Gauge and from BOTDR Sensor for C100 at (a) Mid-span and (b) 50 mm from Mid-span

Fig. 11. Comparison of Strain between from Strain Gauge and from BOTDR Sensor for R50 at (a) Mid-span and (b) 50 mm from Mid-span

Fig. 12. Strain Distributions of (a) C100 and (b) R50 with Applied Loads

3.3 BOTDR 센서 변형률 결과 분석 및 CFRP 시트 박리

Fig. 13에서는 철근 항복 이전 하중(95 kN)에서의 변형률 분포도와 각 실험체마다 BOTDR 센서로 측정된 최대 하중에서의 변형률 분포도를 나타내었다. 우선, 철근 항복 이전 하중에서 변형률 분포도에서는 모든 실험체가 하중이 집중적으로 분포되는 중앙부에서 높은 변형률을 보였다. 그리고 실험체 중앙부에 비부착 구간이 존재하는 E50 실험체의 경우는 중앙부에서 가장 많은 변형률이 발생하므로 CFRP 시트의 비부착구간을 확인할 수는 없지만, 실험체의 일부분에 CFRP 시트를 부착시킨 CS50과 M50 실험체의 철근 항복 이전 변형률 분포에서는 비부착 구간에서 낮은 변형률을 보였다. 그러므로 철근 항복 이전 변형률 분포도 결과에서는 CFRP 시트의 부착 상태를 평가할 수도 있을 것이다. BOTDR 센서 계측 최대하중에서는 CFRP 시트가 종방향으로 완전 부착되어 있는 실험체(Series A와 C100)는 중앙부에서 높은 변형률을 보이는 반면에, CFRP 시트가 종방향 양쪽 끝에 부착되어 있거나 비부착 구간이 다수 존재하는 실험체(Series C와 E50)는 중앙부에서 변형률이 집중되기 보다는 중앙부에서 CFRP 시트의 양단부로 퍼져나가는 양상을 보였다. 이는 콘크리트와 CFRP 시트 사이의 부착력에 의해 부착구간에서 하중 전달이 비부착 구간에서보다 빠르게 전달되는 것으로 판단된다.

Fig. 14에서는 중간 경간에서 하중별 최대 변형률을 이용하여 하중-변형률 곡선을 나타내었다. C100실험체에서는 변형률 3,500 μ부터 기울기가 휨 탄성 구간에 비해서 낮아졌는데, 이 구간에서는 철근 항복 이후 CFRP 시트에 응력이 집중되면서 나타나는 것으로 볼 수 있다. 비부착 구간이 존재하는 실험체(CM50, Series C)에서도 철근 항복 이후 CFRP 시트에 응력이 집중되는 현상이 나타났다. 하지만 그 구간이 상대적으로 짧고, 최대 하중이 작은데, 이는 부착 정도가 CFRP 시트의 보강효과에 미치는 것으로 판단된다.

한편 CS50이나 E50 실험체에서는 철근 항복 이후 CFRP 보강 효과를 확인할 수 없었다. 실험체의 최대 하중과 철근 항복 강도를 고려한다면(Table 7 참조), 초기 균열 이후부터 CFRP 시트 보강 효과는 나타나지만, 철근 항복 이후에는 그 효과도 미비한 것으로 판단된다. M50 실험체에서는 하중-변형률 곡선에서 기울기가 증가하는 구간이 발생하는 것을 확인할 수 있다. M50은 파괴양상이 다른 실험체와 다르게 철근이 항복하기 이전에 사인장 균열에 의한 콘크리트 박리가 발생하였다. 이는 균열부로 응력이 제대로 전달되지 않아 CFRP 시트 변형률의 변화도 줄어들어 강성도가 증가한 것이며, 결과적으로 철근 콘크리트 구조물에서 CFRP 보강 효과를 부착정도 뿐만 아니라 부착 형태도 고려되어야 할 것으로 판단된다. 다시 말해서, 부착 정도(=부착 면적)가 동일한 실험체 일지라도 실험결과에서 보듯이 부착 형태(M50, CS50, E50)에 따라 구조적 거동이 상이하게 나타나는 것을 결과로 알 수 있다. CFRP 보강 효과를 높이 위해서는 우선적으로 최대 휨을 받는 구간에 대해서 CFRP와 모체사이의 부착이 잘 이루어져야 할 것이다.

Fig. 13. Strain Distribution of CFRP Concrete Beams at (a) 95 kN and (b) Max Load

Fig. 14. Load–Strain of CFRP Concrete Beams

Fig. 15는 CFRP의 박리위치를 결정하기 위하여 중앙 경간부에서 BOTDR 센서로 계측된 최대하중에서의 변형률을 분석한 결과이다. 우선 BOTDR 센서를 통해 얻은 전체적인 결과를 살펴보면, 이전 연구결과에서와 같이 CFRP 시트의 탈락 지점에서 BOTRD 변형률이 높게 나타나는 것을 확인할 수 있다^{(Park et al., 2018)}. C100 실험체에서는 최대 변형률은 4406.33 μ이고, 1180 mm 지점으로 중앙부에서 왼쪽으로 치우친 부분에서 계측 되었다. CFRP 시트 박리 사진을 보면, 중앙부로부터 왼쪽부분에서 계면 박리가 발생되었음을 알 수 있으며, C100 실험체에서는 중앙부에서 왼쪽으로 치우친 부분에서 계면박리가 시작하였음을 확인할 수 있다. Series A 실험체에서는 변형률이 구간마다 갑자기 증가하는 것을 확인할 수 있다. 특히, CS50 실험체의 경우에는 CFRP 시트와 콘크리트의 경계를 따라 분석된 결과로 그 현상이 더 분명하게 나타나는 것을 알 수 있다. 파괴 양상이 계면 박리인 점을 고려한다면, 실험체의 종방향으로 계면 박리가 다수의 지점에서 발생하였을 가능성이 높은 것으로 판단된다. CFRP 시트 박리 사진과 비교하였을 때, 상대적으로 변형률이 높은 지점에서 계면 박리가 시작되어 CFRP 시트 단부로 이어지는 것으로 판단된다. Series C 실험체에서는 일부 구간에서 변형률이 급격히 증가하는 부분이 발생하게 되는데 이 위치를 각각의 CFRP 시트에 표시하면, 콘크리트와 CFRP 사이 경계에서 주로 발생되는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 응력 집중이 콘크리트와 CFRP 시트 경계에 주로 발생하게 되고 이로 인해 계면 박리가 발생되는 것을 추정할 수 있다. 그리고 R50 실험체의 경우에는 계면 박리가 발생되는 위치가 CFRP 부착 면적이 적은 부분에서 발생될 가능성이 높음을 알 수 있다. Series C에서는 CFRP의 보강 효과를 증대시키기 위해서는 일정한 부착 구간이 확보되어야 할 것으로 판단된다. 마지막으로 Series B 실험체를 살펴보면, E50 실험체에서는 변형률 증가가 발생하는 위치가 CFRP 시트와 콘크리트의 경계인 것을 알 수 있으며, 응력 집중이 이러한 경계부분에서 발생되어 계면 박리를 유도한다는 것을 알 수 있다. 한편 M50 실험체에서는 다른 실험체 결과들과 달리 콘크리트 박리에 의한 파괴가 발생하였는데, 이때 CFRP 시트가 콘크리트로부터 탈락에 의한 변형률의 변화는 발생되지 않은 것으로 판단된다. 박리 파괴가 발생되는 경우에는 CFRP의 박리 파괴 위치를 확인하는데 어려울 것으로 판단된다.

Fig. 15. Strain of Concrete Beam at Mid-span for Detection Location of De-bonding CFRP