2.5.1. 실험방법

본 연구에서는 철근콘크리트 보의 구조성능 개선을 위하 여 표면요철 매입형 FRP봉과 CFRP시트를 복합 보강하여 평가하였다. 이를 위하여 구조실험용 프레임을 제작하여 설 치하였으며, 실험체의 설치상태 및 가력장치는 Fig. 3과 같 다. 실험체에 작용하는 하중제어를 위하여 2점 가력하였다. 하중은 인장철근이 항복할 때까지는 하중제어로 재하를 하 였고, 인장철근이 항복한 이후에는 보 중앙부의 처짐으로 변 위제어를 하여 실험체가 최종 파괴시까지 재하하였다.

Fig 3.

Test setup of test specimen

2.5.2. 측정장치의 부착위치

각 실험체에 작용하는 하중에 따라 표준 철근콘크리트 보 및 표면요철 매입형 FRP봉과 CFRP시트로 보강한 철근콘크 리트 보의 구조성능을 평가하기 위하여 스트레인게이지를 Fig. 4와 같이 부착하였고, 하중작용점에 작용하는 하중과 보의 중앙부 처짐을 측정하기 위하여 변위계 (L.V.D.T)를 Fig. 3과 같이 설치하였다.

Fig 4.

Location of strain gauges

3.1.1. 표준실험체

표면요철 매입형 FRP봉과 CFRP시트를 복합 보강한 효과 를 규명하기 위하여 표준 철근콘크리트 보 실험체 NBS가 최종 파괴될 때까지 재하하였으며, 표준실험체의 하중-변위 곡선은 Fig. 5와 같다. 초기균열은 하중 43kN, 처짐 0.81mm 에서 보 중앙부에 발생하였으며, 이후 순수 휨 구간에서 다 수 발생되었다. 그리고 하중 103.1kN, 처짐 3.3mm에서 인장 철근이 항복하였고, 전단균열은 135kN에서 발생하였다. 최 대하중 241.8kN에서 콘크리트 탈락이 진행되면서 변형이 크 게 증가하였고, 균열폭이 확장됨에 따라서 실험체는 전형적 인 휨파괴 거동을 하며 최종 파괴되었다.

Fig 5.

Load-displacement relationship of each specimen

3.1.2. 표면요철 매입형 FRP봉 보강 실험체 (NER 시리즈)

표면요철 매입형 FRP봉의 보강량 (봉의 본수)에 따른 실 험체의 하중-변위 곡선은 Fig. 6과 같으며, 실험 결과는 다음 과 같다.

Fig 6.

Load-displacement relationship of specimen (NER series)

부착효과를 증가시키기 위해 표면요철 매입형 FRP봉을 보 강한 실험체 NER 시리즈의 최대내력은 매입형 FRP봉 2본 을 보강한 실험체 NER2가 가장 높았고, 매입형 FRP봉 3본, 1본을 보강한 실험체 NER3, NER1의 순으로 나타났다. 매 입형 FRP봉 2본을 보강한 실험체 NER2와 매입형 FRP봉 3 본을 보강한 실험체 NER3는 매입형 FRP봉 1본을 보강한 실험체 NER1과 표준실험체 NBS에 비하여 내력이 큰 폭으 로 증가하였다. 이는 매입형 FRP봉의 표면요철로 인하여 모 재와의 부착성능이 증가한 것으로 판단된다. 그러나 매입형 FRP봉 3본을 보강한 실험체 NER3는 매입형 FRP봉 2본을 보강한 실험체 NER2에 비하여 내력이 감소하였다. 이는 매 입형 FRP봉 3본을 보강한 실험체 NER3의 경우, 매입형 FRP봉 사이의 순간격이 좁아 피복 콘크리트가 매입형 FRP 봉을 충분히 구속하지 못하고, 매입으로 인한 피복 콘크리트 의 단면결손이 상대적으로 크기 때문인 것으로 판단된다.

Fig. 6과 같이 매입형 FRP봉 1본을 보강한 실험체 NER1 이 가장 연성적으로 거동하였으며, 매입형 FRP봉 3본을 보 강한 실험체 NER3이 취성적으로 거동하였다. 특히, 매입형 FRP봉 1본을 보강한 실험체 NER1의 경우, 봉을 둘러 싼 피 복이 충분하여 피복 콘크리트에 집중되는 응력이 상대적으 로 낮으며, 중앙부에 휨균열로 계면 탈락이 일어나며 파괴가 발생하였다.

3.1.3. 표면요철 매입형 FRP봉과 CFRP시트를 복합 보강한 실험체 (NERL시리즈)

표면요철 매입형 FRP봉과 CFRP시트를 복합 보강한 실험 체의 하중-변위의 특성은 Fig. 7과 같이 나타났으며, 분석한 결과는 다음과 같다.

Fig 7.

Load-displacement relationship of specimen(NERL series)

표면요철 매입형 FRP봉과 CFRP시트를 복합 보강한 실험 체 NERL 시리즈는 표준실험체 NBS와 비교한 결과, 최대내 력이 큰 폭으로 증가하였다. 그리고 1차파괴 시점까지의 변 형능력과 1차 슬립 이후의 보강효과도 훨씬 증가함을 알 수 있다. 매입형 FRP봉 2본과 CFRP시트를 복합 보강한 실험 체 NER2L는 CFRP시트의 유무에 따른 내력이 증가하였고, 최종파괴될 때까지 변형능력이 향상되었다. 또한, CFRP시트 를 연속보강에 따른 피복 콘크리트 구속효과로 피복분리 현 상을 감소시키고 연성능력을 증가시켰다. 표면요철매입형 FRP봉과 CFRP시트를 복합 보강한 공법은 표면요철로 증대 된 부착성능과 피복 콘크리트를 충분하게 구속하고 파괴메 카니즘을 부착슬립으로 유도하기 때문에 연성능력 및 내력 이 증대된 것으로 판단된다.

3.2.1. 표준실험체

보강에 따른 각 실험체의 파괴형태를 파악하기 위하여 표 준실험체 NBS를 최종 파괴시까지 가력하여 각 하중 단계에 따른 균열 진전상황을 고찰한 결과, 순수 휨 구간에서 휨 균 열이 먼저 발생하였고 하중이 증가함에 따라 전단스팬 구간 에 휨 균열 및 휨전단 균열이 발생하여 진전된 다음 변형이 상당히 증가한 후 압축부 콘크리트가 파괴되는 전형적인 휨 인장파괴가 발생하였다.

3.2.2. 표면요철 매입형 FRP봉과 CFRP시트를 복합 보강한 실험체 (NER, NERL 시리즈)

표면요철 매입형 FRP봉의 보강효과를 규명하기 위하여, 표면요철 매입형 FRP봉을 보강한 실험체 NER 시리즈의 파 괴형태는 보강재와 접착재의 계면에서 부착균열이 발생하였 으나, 최대하중은 표면요철로 부착력이 증가되었다. 매입형 FRP봉 1본을 보강한 실험체 NER1은 부착성능의 증진으로 접착재와 콘크리트의 탈락 현상은 발생하지 않았다. 그리고 매입형 FRP봉 2본을 보강한 실험체 NER2 경우, 재하시 매 입형 FRP봉의 내력이 충분히 발휘된 이후 최종파괴시 피복 분리와 함께 파괴되었다. 매입형 FRP봉 3본을 보강한 실험 체 NER3는 재하시 순간격이 좁아 피복분리가 선행되고 최 종 파괴가 일어났다.

표면요철 매입형 FRP봉과 CFRP시트를 복합 보강한 실험 체 NERL 시리즈는 모두 CFRP시트를 보 측면 및 하부에 연 속보강을 하여 모재와 표면요철 매입형 FRP봉의 부착균열 과 부착슬립을 충분하게 구속함으로써 최대내력이 증가하고 실험체의 1차 파괴 후 2차 보강효과가 뛰어난 것으로 나타났다.

3.3.1. 표면요철 매입형 FRP봉 보강 실험체 (NER 시리즈)

표면요철 매입형 FRP봉을 보강한 실험체 NER 시리즈는 표준실험체 NBS 최대내력과 비교하면, 매입형 FRP봉 1본 을 보강한 실험체 NER1은 12%, 매입형 FRP봉 2본을 보강 한 실험체 NER2는 46%, 매입형 FRP봉 3본을 보강한 실험 체 NER3는 36%의 내력증진을 보여주었다.

그리고 표면요철 매입형 FRP봉 보강량 2본까지는 매입형 FRP봉 보강 본수가 증가함에 따라 내력이 선형적으로 증가 하였으나, 매입형 FRP봉 3본을 보강한 실험체 NER3는 실 험체 매입형 FRP봉 2본을 보강한 NER2보다 최대내력이 7% 감소하는 현상이 나타났다. 그 이유는 앞서 3.1.2에서 언 급한 바와 같이 표면요철 매입형 FRP봉사이의 순간격이 너 무 좁아 하중 증가시 매입형 FRP봉 사이의 콘크리트가 탈락 하면서 매입형 FRP봉의 내력이 충분히 발휘되지 못했기 때 문인 것으로 판단된다. 따라서, 표면요철 매입형 FRP봉의 적정 순간격을 유지하도록 하여야 효과적인 보강을 할 수 있 을 것으로 사료된다.

3.3.2. 표면요철 매입형 FRP봉과 CFRP시트 복합 보강한 실험체 (NERL 시리즈)

표면요철 매입형 FRP봉과 CFRP시트를 복합 보강한 실험체 NERL 시리즈는 표준실험체 NBS 최대내력을 비교하면, 매입 형 FRP봉 1본과 CFRP시트를 복합 보강한 실험체 NER1L의 내력 증가량은 52.4kN으로 매입형 FRP봉 1본을 보강한 실 험체 NER1보다 24.2kN, 매입형 FRP봉 2본과 CFRP시트를 복합 보강한 실험체 NER2L의 내력 증가량은 161.1kN으로 매입형 FRP봉 2본을 보강한 실험체 NER2보다 49.3kN, 매 입형 FRP봉 3본과 CFRP시트를 복합 보강한 실험체 NER3L 의 내력 증가량은 185.2kN으로 매입형 FRP봉 3본을 보강한 실험체 NER3보다 98.2kN으로 각각 9~58%의 내력증가량을 보였고, 최대내력은 매입형 FRP봉을 보강한 실험체 NER 시 리즈보다 9~30%, 표준실험체 NBS보다 22~77% 내력이 증 가되었다. 이는 표면요철로 인한 부착성능의 증진과 CFRP 시트를 보강함으로써 피복콘크리트가 구속되어 내력이 크게 증가하는 것으로 나타났다.

따라서, 표면요철 매입형 FRP봉의 순간격이 좁아 피복 콘 크리트의 조기 탈락이 예상되는 경우는 CFRP시트를 복합 보강하면 피복 콘크리트 부분을 구속하여 피복 콘크리트가 조기 탈락하는 현상을 막아주고, 표면요철의 마찰력에 의한 부착력이 충분히 발휘되어 내력증진 효과를 크게 얻을 수 있 을 것으로 판단된다.