1. 서 론

최근, FRP(fiber reinforced polymer)를 이용한 철근콘크리 트 부재의 보강방법으로서, 표면에 일정한 깊이로 홈을 성형 하고 FRP바를 표면에 매입한 후 에폭시를 이용하여 마감하는 표면매입 보강공법(NSMR, near surface-mounted retrofit)이 사용되고 있다. 표면매입 보강공법은 보강재를 콘크리트 표 면에 매입함으로써 부착공법에 비하여 높은 보강효율을 보일 뿐만 아니라 보강재가 부재 내부에 위치하게 됨으로써 상대 적으로 외부 환경에 민감하지 않은 장점이 있다. 최근 콘크리 트 부재에 폭이 좁고 깊이가 긴 홈을 형성하고 이 내부에 FRP 판을 세로로 세워서 매입하여 보강하는 비교적 시공이 용이 한 방안이 개발되어 이에 대한 연구가 진행되고 있다.

현재까지의 기존 연구 결과는 FRP판을 매입하여 보강하는 방법이 기존 방법에 비하여 홈 작업이 용이하고, 홈 내에 삽입 된 FRP 판의 부착력이 높아 보강효율이 높은 것으로 보고하 고 있다. 또한 실험과 이론적인 연구를 통하여 FRP 판을 이용 한 표면매입 보강시 보강내력을 평가할 수 있는 방안이 제시 되어 실제 실용적인 방법으로 적용되고 있다.

NSM FRP판의 부착성능에 대해서는 ^{Ali et al.(2008)}이 표 면매입 보강된 FRP판에 대한 부착실험을 실시하고, 부착강도 를 FRP판과 두께 그리고 콘크리트 강도와 상관관계로 단순화 하여 계면파괴시 부착강도 산정식을 제시하였다. 또한 ^{Seracino et al.(2007)}은 콘크리트 강도, 부착길이, FRP의 형태 등을 변 수로 부착실험을 실시하고 그 결과를 토대로 Ali 식을 다시 비 선형회귀분석하여 FRP의 강성과 형태계수 등을 고려한 수정 식을 제시하였다.

최근 ^{Seo et al.(2013(a))}은 부착실험을 통하여 동일 보강량 으로 보강한 표면매입 보강이 표면부착보강에 비하여 1.5배 이상 부착강도를 상승시킬 수 있음을 밝혔고 또한 부착실험 결과 분석을 통하여 FRP판의 부착강도 산정 식을 제시하고 휨부재의 강도평가에 적용하여 제안된 식의 적합성을 평가하 였다(^{Seo et al., 2012}). 또한 FRP판의 설치간격이 조밀할 경 우, 무리효과에 의하여 실제 콘크리트의 할렬파괴강도가 낮 아지게 됨을 밝히고 이를 고려한 강도산정식을 제시하였다 (^{Seo and Kim, 2013(b)}).

FRP의 부착강도를 증진시키기 위한 추가적인 방안으로서 전단키를 형성하는 방법이 고려될 수 있다. 특히 에폭시의 부 착성능이 우수하고 부착면적이 상대적으로 넓은 경우에 전단 키를 적절하게 배치함으로써 부분적으로 부착강도를 향상시 킬 수 있다면, 단부에서의 FRP 정착성능을 높일 수 있기 때문 이다.

FRP보강재의 정착부에 전단키를 두는 방법과 관련하여, ^{Seo et al.(2013(a))}은 표면매입된 FRP 판의 부착거동과 관련 하여 전단키 효과를 검증하기 위한 부분적인 실험을 실시하 였으나, 콘크리트 블록이 할렬파괴됨으로 인하여 전단키의 효과를 충분히 관찰하지 못하였다.

이에 따라 본 연구에서는 표면매입된 FRP에 대하여 보다 다양한 조건에서의 전단키 효과를 관찰하기 위한 부착실험을 실시하였다. 특히 부착파괴를 유도하는 실험을 통하여 전단 키의 형태 및 위치에 따른 보강효과를 연구하였다.

2. 부착강도 평가식

표면매임 보강된 FRP의 부착강도와 관련한 기존 식을 살 펴보면, ^{Blaschko(2013)}는 에폭시의 전단강도에 따라 변하는 것으로 간주하고 식 (1)을 제시하였다.

여기서, a′_c는 부착면적, τ_af는 에폭시의 전단강도임.

^{Ceroni et al.(2010)}은 여러 연구자들의 실험결과를 회귀분 석하여, 표면매입 보강된 FRP판에 대하여 식 (2)와 같은 최대 전단강도 산정식을 제시하였다. 또한 ^{Ali et al.(2008)}은 실험 을 통하여 최대전단강도 산정식으로 식 (3)을 제시하였다.

여기서, ω=E_pA_f/(f′_c p_f), b_p는 FRP의 폭이며 t_p는 FRP의 두께임.

^{Seo et al.(2011)}은 표면매입 보강된 FRP 판의 부착강도를 파괴기구에 따라 다음과 구분하여 산정할 수 있도록 제시하 였다.

여기서, λ는 유효부착감소계수로서 1.0을 사용, τ_f는 충전 에폭시 부착전단강도, p_f는 FRP 판의 단면 둘레길이, l_e는 매 입된 FRP의 유효부착길이, A_fr은 콘크리트 할렬파괴선으로 형성된 표면적임.

3. 실 험

3.1 실험체 계획 및 제작

Table 1은 변수별 실험체를 나타내며 Fig. 1은 실험체 상세 를 나타낸다.

Table 1

Test specimen

Name	Shear key location (mm)	Shear key shape	Shear key size (mm×mm)	Edge length (mm)
N150-1	-	-	-	100
N150-P40	40	Round	φ20×20
N150-P60	60
N150-P80	80
N150-SK30	40		φ30×20
N150-SK50			φ50×20
N150-SKL		Square	20×300×20
N150-U50	-	-	-	50
N150-U150				150
N150-U200				200

[i] N : Near-Surface-Mounted Retrofit. P : Position of Shear Key.

[ii] SK : Size of Shear Key, U : Length of Unbonded Area

Fig. 1

Detail of specimen(unit: mm)

콘크리트 내에 매입된 FRP 판의 부착강도를 파악하기 위 하여 400 mm×200(300) mm×400 mm의 무근콘크리트 블록을 제 작한 뒤, 폭이 좁고 길이가 긴 홈을 성형하여 FRP판을 매입하 였다. N150-1 실험체와 U시리즈 실험체 블록의 폭은 200이고 그 나머지 실험체는 300이다. 이 두 가지 형태의 블록의 생산 일자는 서로 다르지만 실험시 콘크리트강도는 모두 21 Mpa 로 나타났다. 매입을 위한 홈의 폭과 깊이는 각각 5 mm와 20 mm 이다. 전단키가 있는 실험체의 전단키 깊이는 홈의 깊이와 동 일한 20 mm로 하였다.

실험에 사용된 FRP와 에폭시의 재료적 특성은 각각 Table 2 와 3에 나타낸 바와 같다. FRP의 인장특성은 직접 실험을 통 하여 얻은 값이고, 에폭시의 경우에는 제조사에서 제공한 값 을 정리한 것이다. Table 3

Table 2

Material properties of FRP

Model	Thickness(mm)	Width(mm)	Tensile strength(MPa)	Elastic modulus(MPa)
Cabodur plates S512/80	1.2	17	3336	160000

Table 3

Material properties of epoxy

Model	Compressive strength(MPa)	Tensile strength(MPa)	Elastic modulus(MPa)	Shearing strength(MPa)
Sikadur 30	70	28	128000	18

3.2 실험방법

실험 방법은 ACI 440R에 기술되어있는 실험 방법 중에서 bean-end test method에 의거하였으며 실험의 편의를 위하여 수평이 아닌 수직으로 FRP를 인발하는 직접인장 실험을 계획 하였다. 50 kN 용량의 액츄에이터를 이용하여 변위 제어방식 으로 FRP를 인발하여 실험을 진행하였다. FRP판과 가력장치 는 정착판 장치로 연결하였으며, 정착판 장치는 마찰력을 높 이기 위해 특별히 면처리된 두 개의 강판사이에 FRP 판을 밀 착시킨 뒤 볼트로 충분히 조임으로서 FRP판을 고정할 수 있 도록 하였다. 각각의 FRP판에 대하여 1개의 정착판이 연결될 수 있도록 하였다. Fig. 2는 실험체 설치상황과 가력상황을 나 타낸다.

Fig. 2

Setup of specimen

실험체의 부분적인 거동특성을 관찰하기 위하여, 변위계를 Fig. 2(d)와 같이 설치하였다. 가력장치인 Actuator의 변위 (Lo), FRP의 미끄러짐변위(L1), 그리고 FRP 신장을 포함한 블록에서부터 전체적으로 늘어난 길이(L2)를 측정하기 위하 여 3개의 변위계를 설치하였다. 또한 실험도중 FRP의 변형도 변화를 관찰하기 위하여 콘크리트내 매입정착구간 시작위치 에서 부터 최초 15 mm 위치, 그리고 30 mm 간격으로 FRP에 부 착한 변형률게이지 데이터를 측정하였다.

3.3 실험결과 및 분석

3.3.1 파괴양상

실험체의 파괴 양상은 콘크리트 블록이 할렬파괴된 기준 실험체 N150-1을 제외하고 나머지 모든 실험체가 FRP판과 에폭시간의 미끄러짐파괴양상을 보였다.

Fig. 3은 실험체의 파괴양상을 나타낸 것으로서, 블록이 할 렬파괴된 실험체에는 최종 파괴된 이후에도 FRP주변에 콘크 리트조각이 붙어있지만, 미끄러짐 파괴된 실험체의 경우에는 FRP면에 콘크리트가 모두 탈락되어 있음을 알 수 있다.

Fig. 3

Failure shape of specimens

3.3.2 변형특성

실험결과, 작용 인장력에 대한 FRP의 미끄러짐변형(L1)을 Fig. 4에 나타내었다. N150-1 실험체의 FRP 미끄러짐 변형이 높게 나타났고 나머지 실험체는 비슷한 미끄러짐 강성을 가 지는 것으로 나타났다. 콘크리트 블록에서부터의 실험체 변 형을 측정하기 위하여 설치한 변위계(L2)는 대부분 실험체에 서 실험도중 측정점이 이동하는 바람에 측정값의 신뢰도가 낮아, 분석에는 제외하였다.

Fig. 4

Load-slip curves of specimens

각 실험체내 매립된 FRP에 부착한 변형도 게이지의 변형 도형태는 Fig. 5와 같이 하중이 작용하는 FRP 외단에서 가장 높은 변형도를 보이고 거리가 멀어질수록 변형도 값이 감소 하는 양상을 나타내었다. 이와 같이 측정된 변형도로 부터, FRP의 응력-변형도관계가 선형적이기 때문에 Fig. 6과 같이 변형도게이지를 부착한 경우, 식 (7)을 이용하여 FRP의 인장 변형량을 구할 수 있다.

Fig. 5

Strain distribution on FRP(N150-1 specimen)

Fig. 6

Strains at each location

(7)

△ i , i + 1 = ∑ k = 0 i ∈ k + 1 + ∈ k 2 x k + 1 − x k

여기서, x_k와 x_k+1은 각각 변형도게이지 k와 k+1의 위치 이며, є_k와 є_k+1은 해당위치에서 측정된 변형도 값임.

Fig. 7은 콘크리트에 매립된 구간에서 FRP의 변형도를 길 이에 대하여 적분하여 구한 FRP의 변형된 길이 변화를 나타 낸다. 매립부에서 FRP의 인장변형형태는 모든 실험체에서 양 상이 유사함을 알 수 있다. 표면매립된 FRP의 부착변형은 Fig. 4의 미끄러짐 변형과 Fig. 7의 FRP인장변형량의 합이 된 다. 두 그림을 비교해 보면, 대부분의 변형은 미끄러짐 변형으 로 나타남을 알 수 있다. 이와 같이 높은 미끄러짐변형은 FRP 로 보강된 휨부재의 처짐을 증가시키기 때문에 표면매입 보 강에서 미끄러짐 변형을 제어하기 위한 방안의 강구가 필요 한 것으로 사료된다.

Fig. 7

Elongation of FRP in bonded region

3.3.3 강도변화

각 실험체의 최대내력을 Table 4에 정리하여 나타내었다. 직경 20 mm인 전단키의 위치는 가력부에서 멀리 떨어질수록 효과가 있는 것으로 나타났다. 가력부의 FRP 부착시작위치 먼곳에 전단키기 있을 때 가장 높은 내력인 94.59 kN로서 전 단키가 없는 N150-1실험체의 내력인 69.19 kN보다 높지만, 그보다 가까이 위치한 두 경우(N150-P60과 N150-P60)에서 는 오히려 전단키가 없는 경우에 비하여도 낮은 값을 보였다. 즉 전단키의 효과가 나타나지 않고 부착파괴를 가속화시키는 것으로 생각할 수 있다.

Table 4

Test result

Specimen name	Pm (kN)	τm (Mpa)	Failure pattern*	Pm/Tf2
				τf= 9.27 Mpa	τf= 11.02 Mpa	τf= 11.2 Mpa
N150-1	69.19	11.77	CF & FF	1.27	1.07	1.05
N150-P40	94.59	16.09	BF	1.74	1.46	1.44
N150-P60	67.63	11.50	BF	1.24	1.04	1.03
N150-P80	60.48	10.29	BF	1.11	0.93	0.92
N150-SK30	64.64	10.99	BF	1.19	1.00	0.98
N150-SK50	51.84	8.82	BF	0.95	0.80	0.79
N150-SKL	69.06	11.74	BF	1.27	1.07	1.05
N150-U50	65.29	11.10	BF	1.20	1.01	0.99
N150-U150	65.29	11.10	BF	1.20	1.01	0.99
N150-U200	53.92	9.17	BF	0.99	0.83	0.82
Average				1.21	1.02	1.01
Std.				0.21	0.18	0.17

* CF: Concrete tension split failure, FF: FRP tensile failure, BF: Bond slip failure

전단키의 직경을 변수로 한 실험체들에서는 전단키의 직경 이 커질수록 내력이 저하되는 것으로 나타났으며, 이 경우에 도 직경이 20 mm인 N150-P40실험체를 제외하고는 전단키가 없는 N150-1실험체보다 내력이 낮게 나타났다. 이는 전단키 가 일정 이상의 규격이 되면 오히려 부착강도에 부정적인 영 향을 미칠 수 있음을 의미한다.

인장력이 작용하는 부분의 연단거리를 변수로 한 실험체에 서는 연단거리가 길어짐에 따라 내력이 증가하는 것으로 나타 남을 알 수 있다. 다만 연단거리가 200 mm로서 가장 긴 N150- U200실험체의 경우에는 더 높은 내력이 예상되지만 다른 실 험체들에 비하여 조기에 부착파괴됨으로써 내력이 충분히 발 휘되지 않은 것으로 사료된다.

N150-1실험체를 제외한 대부분의 실험체들이 에폭시와 FRP의 계면 미끄러짐 파괴로 내력이 결정되었고 일부 실험체 들에서는 조기에 미끄러짐 파괴되는 것으로 나타났다. 즉 매 끄러운 표면의 FRP재와 에폭시의 접촉부 부착특성에 의하여 시공경우별로 부착강도의 편차가 높게 나타날 가능성이 있 다. 따라서 전술한 변수별 영향이외에도 접촉부에서의 일관 성 있는 부착강도가 발현될 수 있도록 하기 위해서는 FRP 부 착길이를 충분히 길게 하거나 FRP표면의 면처리를 통하여 최 소한의 부착강도를 확보할 필요가 있는 것으로 사료된다.

4. 부착강도의 평가

각 실험체들에 최대내력을 이용하여 식 (8)로서 최대부착 강도를 산정할 수 있으며 계산된 값은 Table 4에 나타내었다.

여기서, P_m은 실험결과 나타난 최대내력, p_f는 FRP 판의 단면 둘레길이임.

조기에 부착파괴된 N150-SKL과 N150- U200 실험체를 제 외하면 모두 10 Mpa이상을 확보하고 있으며 전체적으로 ^{Seo (2014)}에 의한 기존 실험결과와 근사한 범주의 값을 보이고 있다.

전술한 기존 연구자들에 의한 제안식으로 Table 1의 실험 체들에 대하여 최대전단강도를 계산하고 또한 Table 4에 나타 낸 실험결과 최대부착응력도의 평균값을 비교하여 나타내면 Fig. 8과 같다. Fig. 8의 실험결과 평균값은 미끄러짐 파괴되지 않은 N150-1실험체는 제외한 나머지 실험체의 평균값이다. 전체적인 평균값에 근접한 결과를 예측하는 것은 식 (3)이고 비교적 안전측으로 묘사하는 것은 식 (2)임을 알 수 있다.

Fig. 8

Comparison of bond strengths by previous equations

전술한 부착강도산정 식들을 활용하여, 표면매립된 FRP의 정착부 내력은 파괴기구를 고려하여 부착강도를 산정하고 이 중 가장 작은 값에 의해 내력을 결정할 수 있다.

이상의 프로세스에 따라 본 연구의 실험체 부착전단내력인 T_f2를 계산함에 있어서, τ_f는 충전에폭시의 전단강도인 18 Mpa 대신에 식 (2), 식 (3) 그리고 실험체의 평균전단강도인 11.2 Mpa를 각각 사용하였다. 그리고 유효부착길이 l_e는 실제 부착길이인 150 mm를 사용하여 실험체의 내력을 계산하였다.

계산결과, 전단키와 연단길이를 제외하고 모든 실험체의 규격이 동일하기 때문에 식 (4)~식 (6)로 산정한 계산내력은 모두 동일하며 T_f1과 T_f3은 각각 161.28 kN과 89.67 kN으로 나타났다. T_f2값은 Fig. 8의 τ_f값 9.27 Mpa, 11.02 Mpa, 11.2 Mpa에 대하여 각각 54.48 kN, 64.78 kN 그리고 65.86 kN으로 서, 실험결과와 유사하게 식 (5)에 의한 에폭시의 전단파괴내 력이 지배하는 것으로 나타났다.

각 실험체의 최대내력을 각각의 T_f2로 나누어 비교한 값을 Table 2에 나타내었으며, 평균값에 가장 근사한 것은 역시 실 험결과로부터 τ_f값을 사용한 경우이지만, 가장 안전측으로 평 가할 수 있는 값은 식 (2)에 의해 산정한 경우임을 알 수 있다.

5. 결 론

콘크리트에 표면매입된 FRP판의 부착거동에서, 전단키와 연단거리의 효과를 관찰하기 위하여 전단키의 위치, 형태 그 리고 연단길이를 변수로하여 부착실험을 실시하고, 기존 연 구자들의 부착강도 산정식을 평가한 결과 다음과 같은 결론 을 얻었다.