2.1. 시험체 형상 및 실험 조건

실험을 수행하기 위하여 폭 15 cm, 높이 20 cm 및 길이 152 cm의 철근콘크리트 보를 Fig. 2와 같이 제작하였다.

Fig 2.

Cross section of RC beam (a) and Reenforcement of RC beam (b)

실험 중 전단파괴를 방지하기 위하여 개방형의 스터럽을 9cm 간격으로 배치하였다. 철근콘크리트 보는 MF-FRP시스 템에 의해 보강되어질 것을 고려하여 미국 콘크리트학회 318-05기준에 따라 저보강보의 형태로 설계되었으며 보강이 되기 전 인위적인 균열 (Precracked)을 가하였다. 균열을 발 생시키기 위해서 사용한 하중은 철근의 항복모멘트의 45% 이다. 이후 MF-FRP 공법에 따라 RC보에 FRP 스트립을 부 착시켰다. Fig. 1과 같이 못총을 사용하였으며 못총을 사용 하기 전 ^{Lamanna et al. (2001)}의 방법에 따라 드릴로 못이 들어갈 위치에 미리 구멍 (predrilled hole)을 만들어 못이 관 입되는 순간의 콘크리트의 충격을 최소화 하였다. 미리 구멍 을 만들지 않을 경우 못으로부터의 충격과 관입되는 못이 부 분적으로 높은 인장력을 콘크리트에 전달하게 된다. 이는 추 가 균열을 발생시킴으로서 콘크리트의 건전성을 크게 저해 할 수 있으며 보의 피복이 탈락될 수 있으므로 미리 구멍을 뚫어 놓는 과정이 반드시 필요하다. 총 28개의 못과 2개의 앵커를 사용하여 다음 Fig. 3과 같이 RC보 밑면에 FRP 스트 립을 부착하였다. 못의 길이 및 지름은 32 mm 및 3.66 mm 이며 양쪽 끝에 사용된 앵커는 길이 51 mm, 지름 6.35 mm 이다.

Fig 3.

Anchor and nail locations on reinforced concrete beam

Fig. 3과 같이 MF-FRP로 보강된 보는 모두 20개로 지속 하중 조건과 서중온도, 외기조건 및 실내조건 등의 환경조건 에 따라서 다음 Table 1과 같이 분류하였다.

시험체에는 외부조건-지속하중의 순서로 영문 초성을 이용 하여 명칭을 부여하였다. 예를 들어 서중온도에서 지속하중 이 없는 시험체는 H-NS이다. 환경 조건을 부여하기 전 사전 실험용으로 사용된 시험체는 5개이며 사전연구의 결과로 Fig. 3과 같은 못과 앵커의 배치가 결정되었다.

2.1.1. 지속하중 조건

지속하중을 인위적으로 발생시키기 위하여 스프링을 이용 한 지지대 프레임를 제작하였다. 지속하중은 못과 FRP의 접 촉면의 최대 지압응력 (Maximum Bearing stress)의 20%가 발생 될 수 있도록 스프링을 사용하여 Fig. 4와 같이 가력 하였다. 사용 FRP의 지압응력-변형률곡선을 검토해 보면 약 최대 지압응력의 40%까지 선형적인 관계를 보이는 것으로 확인되었다. 본 연구에서는 이에 50%수준인 20% 지압응력 을 지속하중 조건으로 선정하였다. 이는 스프링 하중으로는 23 kN에 해당한다. 또한 최종 파괴되는 보의 휨강도의 27% 수준으로서 지속하중으로는 충분한 하중조건이다.

Fig 4.

Sustained load set-up for strengthened beam

스프링으로부터 발생하는 하중에 저항하는 프레임을 제작 하기 위하여 L형강 (50×50×5)과 13 mm의 나사선이 들어간 강봉을 Fig. 4와 같이 활용하였으며 외부에 노출되어 부식이 일어나는 경우에 대비하여 방청제를 도포하였다. MF-FRP로 보강된 보는 서로 반대방향으로 윗면끼리 마주보도록 배치 하여 4개의 일렬 배치된 스프링이 2개의 MF-FRP 보에 지속 하중을 줄 수 있도록 하였다. 실험 종료 이후 지속하중을 제 거하고 스프링을 재 실험하여 응력이완의 영향이 없는 것을 확인하였다.

2.1.2. 서중 온도 조건 (High temperature condition)

FRP는 Fiber Reinforced Polymer의 약자로 폴리머 매트 릭스에 섬유가 보강된 재료로 인장에 매우 강하다. 그러나 FRP를 구성하는 Polymer는 온도에 영향을 많이 받는 것으 로 확인되었다 (^{Sullivan et al., 1995}). 따라서 FRP 스트립을 구성하는 Vinylester matrix (Polymer)는 못 주변의 서중 온 도에 영향을 받아 지압에 대한 강성이 감소 될 수 있다. MF-FRP의 경우도 높은 온도에 대한 FRP의 강성이 감소하 여 못과 FRP사이의 지압강도를 감소시켜 최종적으로 보강 효과가 저하될 수 있으므로 서중온도을 실험 조건으로 추가 하였다. 본 연구에서는 하절기 가장 높은 온도라고 볼 수 있 는 40°C를 서중 조건으로 정하였으며 제작된 챔버 내에서 40°C의 온도를 6개월동안 지속적으로 발생시켜 MF-FRP 보 의 휨에 대한 구조성능 감소 여부를 확인하였다. 제조사에 따르면 사용된 FRP 스트립의 유리전이온도 (glass transition temperature)는 123°C에서 128°C이다. 따라서 40°C에서 사 용된 FRP 스트립 자체의 응력이완이나 크리프와 같은 효과 는 없었던 것으로 판단된다. Fig. 5는 40°C를 지속적으로 유 지할 수 있도록 고안된 챔버의 모습이다. 내부의 온도센서가 40°C가 유지되도록 내부 발열기를 작동시키고 끔으로써 온 도가 지속적으로 유지될 수 있도록 하였다.

Fig 5.

Developed High temperature chamber

2.1.3. 외기환경 조건 (Outdoor condition)

외기 환경에 대한 MF-FRP 보강보의 내구성 및 구조성능 의 감소를 확인하기 위하여 5개의 보를 외부 조건에 노출시 켰다. Fig. 6에서와 같이 외부 보관 장소에 보강보를 6개월 간 보관하였으며 주로 외기 온도 변화에 따른 동결융해의 작 용이 MF-FRP 보에 어떠한 영향을 미치는지 확인하였다.

Fig 6.

Outdoor condition

다음 Fig. 7은 실험 기간 동안 온도의 변화를 보여주는 자 료이다. 온도측정은 1시간 간격으로 이루어졌으며 동결융해 가 발생할 수 있는 동절기 기간을 택하여 온도변화의 추이를 관찰하였으며 이를 통해 동결융해가 보에 미치는 영향을 조 사하였다.

Fig 7.

Hourly temperature data

자료의 분석결과 동결이 지속되는 시간은 평균 23시간 정 도였으며 100시간 이상 지속되는 경우도 실험기간 동안 총 3회 확인되었다. 동절기 기간 최대 온도는 21°C이며 0°C에 서 4°C 사이의 온도가 가장 많이 관측되었다. 영상 온도의 평균값은 1.14°C이며 영하 온도의 평균값은 -4.88°C로 관측 되었다. 최대 관측 영하 온도는 -24°C이다. 관찰된 기간 동 안 사용된 MF-FRP 보는 총 60회의 동결융해 작용을 받은 것으로 확인되었다.

3.1. 환경 조건에 따른 휨강도의 편차

서중온도와 외기 조건 및 지속하중에 노출시킨 MF-FRP 보를 4점 휨실험을 통해 휨강도를 측정하였다.

Fig. 13은 실내 조건 (Room)을 포함한 3가지 외기 조건을 지속하중 여부에 따라 비교 할 수 있도록 막대그래프로 실험 을 통해 얻은 휨강도의 평균값을 비교한 것이다. 보의 철근 항복 휨강도 및 최대 휨강도에 대한 각 외기조건 별 편차는 작았다. 반면 철근 항복시 관찰된 항복 모멘트는 외기 조건 (Outdoor)일 경우 다른 환경조건 보다 낮은 값을 나타내었 다. 그러나 외기 조건의 경우 지속하중의 영향은 항복 강도 에 영향을 주지 않는 것으로 확인되었다. 외기 조건에서 균 열을 통해 수분이 전달되어 철근에 부식을 발생시켰을 것으 로 추정되며 부식으로 인해 감소된 강성이 빠른 항복을 일으 켜 결과에 영향을 준 것으로 판단된다. 그러나 그래프에서 보이는 시험체 종류별 편차는 매우 낮은 수준으로 이는 시편 을 제작하는 중 발생하는 작업 편차나 콘크리트의 강도 편차 의 영향 등으로도 충분히 발생할 수 있는 것이다. 따라서 6 개월간의 외기조건 (60회의 동결융해) 및 서중온도 (40°C) 그리고 휨강도의 27% 수준의 지속하중은 MF-FRP보의 휨 강도를 저해하지 않은 것으로 판단된다. MF-FRP 보강법은 특성상 빠르게 구조물을 복구하려는 목적으로 사용되며 장 기적인 내구성을 목적으로 하기 보다는 임시적인 보강을 목 적으로 사용된다. 따라서 6개월의 짧은 기간에는 휨강도 측 면에서 보의 내구성이 저해되지 않아 MF-FRP 보강 구조물 의 내구성은 우수한 것이라 할 수 있다. 다만 6개월간 외기 조건에서 실내조건 대비 약 5% 이상의 강도 감소가 60회의 동결 융해 및 부식을 유발한 1회의 동절기에 발생하였으므 로 장기적인 관점에서 지속적으로 관찰을 유지할 필요가 있 는 것으로 판단된다. 보의 최대 휨강도를 비교한 경우 여전 히 외기조건 (Outdoor)의 시험체가 실내조건 (Room)이나 서 중온도 조건 (High temperature)의 시험체에 비하여 휨강도 가 낮은 것으로 확인되었으나 이 값의 차이는 Fig. 13b와 같이 매우 적다.

Fig 13.

Comparison of steel yielding moment and concrete crushing moment

3.2. 환경 조건에 따른 변위의 편차

서중온도와 외기 조건 및 지속하중에 노출시킨 MF-FRP 보를 4점 휨실험을 통해 시험체의 항복 변위와 최대모멘트 에서의 변위를 비교평가 하였다. 변위는 구조물의 연성을 평 가할 수 있는 자료가 될 수 있어 구조물의 건전성을 평가하 는데 중요한 자료가 된다. 본 연구에서는 2개의 LVDTs를 이용하여 보의 양쪽 죄우 변위를 동시에 측정한 후 평균값을 이용함으로서 보의 비틀림에 따른 변위의 편차에 대해서도 고려하였다. 또한 String pot을 이용하여 최종 데이터를 검증 하였다. Fig. 14a는 모든 환경 조건에 대한 항복 모멘트에 서 LVDTs로 측정된 변위값을 비교한 그래프이다. 외기조건 (Outdoor)에서 항복모멘트가 감소한 것과 유사하게 항복 모 멘트에서의 변위도 다른 조건에 비해서 감소한 것을 확인 할 수 있다. 항복 변위는 외기조건 (Outdoor)에서 지속하중을 고 려하지 않은 시험체에서 약 25% 감소하였으며 지속하중을 고려한 경우에도 약 25% 감소하는 것으로 확인되었다. 또한 모든 환경 조건에 대하서 지속하중을 고려한 시험체가 지속 하중을 받지 않은 시험체보다 변위가 약 11% 감소하였다. Fig. 14b 는 최대모멘트에서의 변위값을 비교한 그래프이다. 최대모멘트에서의 변위는 전반적으로 지속하중의 영향에 따 라 감소하는 경향을 보였다. 그러나 외기 조건과 지속하중을 받은 시험체 (O-S)의 경우에는 오히려 변위가 증가하였다. 시험체 O-S의 경우 항복 변위의 값 (Fig. 14a)은 다른 시험 체에 비하여 낮은 값을 나타내었다. 이는 외기조건과 지속하 중에 의해 콘크리트의 강도가 증가하면서 보의 강성을 증가 시켜 철근의 항복시기를 앞당기고 동시에 콘크리트의 파쇄 시점을 늦췄기 때문인 것으로 판단된다. 그러나 보의 휨실험 에 앞서 콘크리트 실린더의 압축강도 평가를 실시한 결과 콘 크리트 압축강도는 실내조건 (Room), 외기조건 (Outdoor) 및 서중온도 (High temperature)에서 각각 35.8 MPa, 35.2 MPa 및 32.2 MPa이었다. 본 연구에서 콘크리트 압축강도 평가시 지속하중은 제외되었다.

Fig 14.

Comparison of steel yielding and concrete crushing displacement

외기조건 콘크리트 실린더의 경우 콘크리트의 강도가 실 내조건에 비해 약간 낮았다. 그러나 외기조건 콘크리트 보에 서의 강도는 외기에서 공급되는 수분을 동반한 지속하중에 의한 크리프의 효과로 콘크리트 조직이 치밀해 지면서 다른 조건 콘크리트 보의 강도 보다 높은 것으로 판단된다. 실제 로 콘크리트의 변형률도 다른 환경 조건에 비해서 외기조건 (Outdoor)에서는 증가한 것으로 확인되었다. 최근 발표된 ^{Claisse and Dean (2012)}에 따르면 습윤 양생한 콘크리트의 28일 강도가 콘크리트 압축강도의 70%~90% 수준의 지속하 중에 의하여 0.9%~7.9% 증가하며 ^{Liu et al. (2002)}의 실험 결과에 따르면 크리프 하중이 2축방향으로 작용할 경우 압 축강도가 최대 96% 증가하는 것으로 확인되어 일정부분 본 연구결과를 뒷받침 한다고 판단된다. 그러나 6개월과 같은 장기적인 지속하중에 따른 콘크리트 압축강도의 변화에 대 해서는 추가적인 연구가 반드시 수행되어야 할 것이다. O-S 시험체의 변위를 제외한 다른 시험체의 변위는 지속하중의 영향에 따라 최대모멘트에서의 변위가 모두 감소하였다.

3.3. 환경 조건에 따른 연성도

외부 조건에 따른 변위값에 따른 각 시험체의 연성도를 Fig. 15에 비교하였다. 여기서 연성도는 최대모멘트에서의 변위를 철근의 항복 변위로 나눈 값으로 정의한다.

Fig 15.

Typical strain differences between strain gages

연성도는 다른 값들과 비교하여 차이가 큰 것으로 확인되 었다. 특히 외기 조건 (Outdoor)의 경우 오히려 연성도가 크 게 증가하는 것으로 나타났다. 또한 지속하중을 받은 외기조 건 시험체 (O-S)와 서중온도 시험체 (H-S)가 지속하중을 받 지 않은 시험체보다 연성도가 증가하였다. Fig. 13과 함께 비교한다면 높은 항복 모멘트와 높은 최대 모멘트는 낮은 연 성도와 연관이 있다는 결론을 내릴 수 있다. 또한 실내조건 에 비하여 외기조건과 서중온도조건에서 연성도가 감소되지 않았다. 결론적으로는 6개월의 기간 동안 동결융해를 동반한 동절기 환경조건과 서중온도 및 보의 휨강도의 27%에 해당 하는 지속하중에도 MF-FRP 보강보의 연성도는 영향을 받지 않는 것으로 나타났다.