2.1. 실험체 및 실험변수

실험체는 Fig. 1에 나타낸 것과 같이 한 변의 길이가 100 mm인 정사각형 단면에 높이가 200 mm인 각주형 실험체를 표준으로 사용하였으며, 각 변수별로 5개씩, 총 55개의 실험 체를 제작하여 일축압축시험을 수행하였다. 실험변수는 CFRP 쉬트의 보강겹수, 실험체의 크기, 형상비(H/B), 모따기 크기이며, 실험변수를 Table 1에 정리하였다. 보강량에 대한 영향을 검토하기 위하여 CFRP 쉬트를 1, 2, 3겹으로 보강하여 거동을 검토하였으며, 크기 효과를 확인하기 위하여 각 변의 길이가 75, 100, 125 mm로, 형상비(H/B)는 2.0, 3.0, 4.0로 변 화시켰고, 모따기의 경우 모따기 길이를 0, 15, 30, 45 mm로 변수를 두었다. 또한 Fig. 2에 나타낸 것과 같이 단면을 원형으 로 개량하여 부재의 내력증진 및 보강 효과를 비교, 평가하였다.

Fig. 1.

Standard test specimen

Fig. 2.

Circular specimen transformed from square column

2.2. 사용 재료

2.3. 시험 장치 및 측정 데이타

실험은 M사에서 제작한 압축강도시험기, MT-150AC(1,470 kN)를 사용하였으며, Photo 1에 나타낸 것과 같이 실험체를 설치하여 실험을 수행하였다. 실험시 측정한 데이터는 축방 향 하중과 변위, 실험체 중앙에서의 종,횡 변형률을 측정하였 으며, 데이터 수집은 M사의 동적변형률측정기(MDS16)를 사 용하였다.

Photo 1.

Overall view of test set-up

3.1. 보강 겹수에 따른 영향

CFRP 쉬트의 겹수에 따른 보강효과를 검토하기 위하여 쉬 트를 1겹(C1), 2겹(C2), 3겹(C3)으로 보강하여 압축강도시험 을 수행하고, 무보강 실험체(C0)와 비교하였다. Photo 2는 파 괴된 실험체의 변수별 사진을 나타내고 있는데, 심부 콘크리 트가 실험체의 상하단에서 심하게 으스러져 있고, 콘크리트 를 감싸던 CFRP 쉬트는 실험체의 모서리부분에서 인장파단 된 것을 확인할 수 있다.

Photo 2.

Failure modes of specimen C1, C2, and C3

Fig. 3은 변수별 응력-변형률 선도를 보여주고 있으며, 보 강 겹수가 증가함에 따라 1차 파괴응력(1st peak)과 변형률이 증가하고 있고, 쉬트로 보강된 실험체의 경우 1차 파괴 이후 큰 변형을 보이다 최종 파괴되었다. 이는 콘크리트의 변형한 계에서 심부 콘크리트의 파괴에 의한 1차 파괴를 보이고, 그 후 CFRP쉬트의 구속력에 의해 하중을 지지하다가 쉬트의 구 속한계에서 최종적으로 파괴되므로 이러한 경향을 나타내는 것이다. 쉬트 1겹으로 보강한 C1실험체의 경우에는 1차 파괴 응력보다 낮은 응력에서 파괴되었으나 2~3겹으로 보강한 C2, C3 실험체는 1차 파괴응력보다 큰 응력에서 파괴됨을 확인할 수 있다. 또한 C1실험체는 무보강실험체 대비 극한변형률이 약 10배 증가하여 부재의 연성이 매우 크게 증가하며, 보강겹 수의 증가에 따라 극한변형률 또한 함께 증가함을 확인할 수 있다.

Fig. 3.

Stress-strain curves for different number of layer

CFRP 쉬트의 보강 겹수에 대한 보강효과를 확인하기 위하 여 보강 겹수에 대한 강도비(Strengthening ratio, f′_cc/f′_co)를 Fig. 4에 나타내었다. CFRP 쉬트 보강 겹수의 증가에 따라 1 차 파괴응력(1st peak)은 증가폭이 크게 감소하지만, 극한응 력의 경우 선형적으로 증가하는 경향을 나타내고 있다. 이는 CFRP 쉬트의 고탄성적 특성으로 인해 보강 겹수가 증가함에 따라 횡구속압이 선형적으로 증가하며, 이로 인해 압축강도 가 증가하기 때문이다. 따라서 보강 겹수에 대한 1차 파괴강 도비와 극한강도비를 회귀분석한 결과를 식 (1)과 (2)에 나타 내었으며, 본 실험결과에서 결정계수(R²)가 0.93, 0.91로 높 은 상관성을 보이고 있다.

Fig. 4.

Strengthening effect of number of layer

여기서, n은 보강재의 겹수이다.

3.2. 실험체의 크기의 영향

실험체의 크기에 따른 보강효과를 검토하기 위해 실험체의 폭(B)을 75, 100, 125 mm로 변화하여 실험을 수행하였다. 형 상비(H/B)는 2.0으로 고정하였으며, CFRP 쉬트는 모두 1겹 으로 보강하여 결과를 비교하였다. Photo 3은 실험체의 파괴 형상을 보여주고 있으며, Fig. 5는 변수별 응력-변형률 선도를 보여주고 있다. 실험체 모두 1차 파괴 이후 연성 구간을 길게 나타내다 파괴되었으며, 실험체의 폭이 커질 수록 최대응력 은 작아졌고, 최대변형를 또한 감소하였다. Fig. 6은 폭에 대 한 강도비를 나타낸 것으로 본 실험 구간에서 실험체의 폭이 증가함에 따라 보강효과는 감소하였으며, 식(3)은 폭에 대한 강도비를 회귀분석한 결과로, 결정계수 R²이 0.99로 실험한 범위 내에서 매우 높은 상관성을 보이고 있다.

Photo 3.

Failure modes of specimen C4, C1, and C5

Fig. 5.

Stress-strain curves for different specimen size

Fig. 6.

Strengthening effect of specimen size

여기서, B는 실험체의 폭이며, 단위는 mm이다.

3.3. 형상비 영향

실험체의 형상비(H/B)에 따른 보강효과를 확인하기 위하 여 동일한 직경(75 mm)에서 형상비를 2, 3, 4로 변화시켜 보강 효과를 비교하였다. Fig. 7은 C4, C6, C7 실험체의 응력-변형 률 곡선을 나타낸 것으로, 형상비의 변화에 따라 최대 응력에 는 큰 차이가 없었으나 최대 변형률은 급격히 감소하여 연성 구간이 줄어든 것을 확인할 수 있다. 이는 실험체에 축하중 작 용시 단부에 응력이 집중되는데 실험체의 높이가 낮을 때에 는 그 영향범위가 실험체에 전체적으로 작용하게 되나 높이 가 높아짐에 따라 단부에 응력이 집중되면서 변형 구간이 짧 아지므로 실험체 전체적인 연성구간이 줄어든 것으로 판단된 다. Photo 4는 파괴된 실험체를 나타낸 것으로 C4 실험체의 경 우 실험체 절반 이상이 파괴되었으나 C6, C7 실험체는 단부 에서만 파괴된 것을 확인할 수 있다. Fig. 8은 형상비에 따른 보강비를 나타낸 것으로 형상비의 차이는 보강비에 큰 영향 을 미치지 않는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 7.

Stress-strain curves for defferent aspect ratio

Photo 4.

Failure modes of specimen C4, C6, and C7

Fig. 8.

Strengthening effect of aspect ratio

3.4. 모따기의 영향

모따기가 보강효과에 미치는 영향을 확인하기 위하여 모따 기 길이(C)를 0~4.5 mm 범위에서 1.5 mm간격으로 변화시켜 결과를 비교하였다. Fig. 9는 변수별 응력-변형률 곡선을 나타 낸 것으로 모따기를 하지 않은 C8실험체의 최대응력이 가장 낮은 값을 보이고 있으나 최대변형률은 가장 큰 값을 보이고 있다. 최대응력이 가장 낮고 변형률이 큰 것은 콘크리트를 쉬 트로 감쌀 때에 모따기가 되지 않은 모서리 부분에서 쉬트가 콘크리트에 완전히 밀착되지 않고 공간이 발생하여 쉬트의 구속효과가 충분히 나타나기 전에 콘크리트가 파괴되어 가장 낮은 응력값을 보이고 있으며, 콘크리트와 쉬트 사이의 공간 을 채우는 과정에서 축방향 변형이 더 크게 나타나는 것으로 판단된다. Fig. 10은 모따기의 크기에 따른 보강비를 나타낸 것으로 모따기가 된 C9, C1, C10 실험체의 보강비는 모따기 가 없는 C8 실험체보다 약간 크게 나타나지만 본 실험 범위에 서 모따기의 길이는 보강비에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. Photo 5는 변수별 실험체의 파괴형상을 나타낸 것 이며, 실험체의 모서리 부분에서 쉬트의 파단으로 인해 파괴 된 것을 확인할 수 있다.

Fig. 9.

Stress-strain curves for different chamfering length

Fig. 10.

Strengthening effect of the chamfering ratio

Photo 5.

Failure modes of specimen C8, C9, and C10

3.5. 형상 변경 효과

각주형 기둥을 원형 단면으로 변형한 후 보강효과를 확인 하기 위하여 실험체를 Fig. 2와 같이 단면형상을 변형시켜 실 험을 수행하였다. Fig.11은 기준 실험체와 단면형상 변형 실 험체의 응력-변형률 선도를 나타낸 것으로 단면을 변형한 경 우, 무보강실험체 대비 압축강도는 약 127%, 극한변형률은 약 280% 증가하였다. Fig. 12는 사각형 단면에 CFRP 쉬트로 보강한 경우(C1)와 원형으로 변형하여 보강한 경우(C11)의 보강효과를 비교한 것으로 원형으로 단면을 변형하였을 때 압축내력이 약 98% 더 향상됨을 확인할 수 있다.

Fig. 11.

Stress-strain curves for transformed circular shape

Fig. 12.

Strengthening effect of transformed circular shape