2.1. 재료물성

실험체에 사용된 보강재료는 PET 섬유, CFS, GFS이며, 각 각의 재료적 물성을 파악하기 위해 인장시험을 실시하였다. 인장시험에서 얻은 결과를 Table 1에 정리하여 나타내었으며, 응력도-변형률 곡선을 비교하여 Fig. 1에 나타내었다. Table 1 에 나타난 바와 같이 PET의 인장강도 및 탄성계수는 CFS 비 해 약 34.4%, 3.8%로 매우 낮지만 최대변형률을 15.2%로 CFS 및 GFS에 비해 약 16.2배와 9.0배로 매우 우수하게 나타났다.

Fig. 1

Stress-strain relationship of fibers

또한 Fig. 1에서 보듯이 CFS와 GFS의 응력도-변형률 곡선 은 탄성선형인 반면, PET는 비선형 응력-변형률 곡선을 나타 내고 있어 PET의 탄성계수는 변형률 1%에 해당하는 할선탄 성계수로 나타내었다. 접착제로 사용된 에폭시의 인장강도와 탄성계수는 PET에 비해 각각 6.5%와 2.2% 수준으로 작은 값 을 보여 보강효과를 분석할 때에는 고려하지 않았다.

2.2. 횡구속 효과의 이론적 배경

콘크리트 외부를 FRP(fiber reinforced polymer)로 횡구속 한 콘크리트는 횡구속하지 않은 콘크리트에 비해 응력도와 변형률이 크게 향상된다. ^Mander(1988) 등은 기존 연구자들 에 의해 제안된 응력도-변형률 모델(식 (1)∼(2) 참조)을 바탕 으로 하여 원형기둥과 사각형 기둥 모두 적용할 수 있는 새로 운 모델식을 적용하였다(식 (3)∼(6) 참조). 식 (3)∼(6)을 이용 하여 그래프로 나타내면 Fig. 2와 같다. Fig. 2에서 빗금으로 표시된 부분이 횡구속 효과로 응력과 변형률이 향상된 부분 이다.(4)(5)

Fig. 2

Stress-strain model proposed for monotonic loading of confined and unconfined concrete

2.3. 실험체 제작

PET 섬유의 보강효과를 파악하고 CFS 및 GFS를 비교하기 위해 지름 100 mm, 높이 300 mm인 원형 실험체를 제작하였 다. 원형실험체 제작은 Photo 1에 보는바와 같이 P.V.C 관을 이용하였으며, 동일한 조건으로 콘크리트를 타설하고 양생을 거친 후 보강을 실시하였다. Table 2에 나타나듯이 보강재 종 류, 보강겹수, 콘크리트 강도 등을 주요변수로 하였으며, CFS 와 GFS는 1겹 또는 2겹 보강한 것에 비해 PET 섬유는 최대 20 겹까지 보강한 것을 알 수 있다. 이러한 이유는 서두에서 언급 했듯이 PET 섬유는 CFS 및 GFS에 비해 두께가 작을 뿐만 아 니라 탄성계수가 현저하게 낮기 때문에 작은 보강겹수 로는 보강효과가 나타나지 않기 때문이다.

Photo 1

Fabrication of specimens

Fig. 3은 보강하지 않은 실험체와 보강한 실험체의 형상 및 치수를 나타낸 것이며, 응력도 변형률 곡선 및 횡보강 효과를 파악하기 위해 중앙부분에는 수직 및 수평 변형게이지를 부 착하였다.

Fig. 3

Size and shape of specimens

3.1. 실험체 파괴상황

실험은 Fig. 4에 나타낸 바와 같이, 1000 kN U·T·M을 이용 하여 1초당 2 kN(0.25 MPa/초)의 속도로 하중을 가력하였고, 데이터로거(TDS 102)를 이용하여 변위 및 변형률을 실시간 으로 계측하였다. 하중은 보강재가 파단되어 급격한 내력저 하가 발생될 때까지 가력하였다. Photo 2는 실험체의 최종파 괴 상황을 나타낸 것이다. 사진에서 보듯이 보강하지 않은 실 험체는 콘크리트의 전형적인 압축파괴로 최종파괴 되었으며, CFS 및 GFS로 보강한 실험체는 보강재가 파단되면서 최종파 괴 되었다.

Fig. 4

Test set-up

Photo 2

Failure of specimens

그러나 PET 섬유로 보강한 실험체는 섬유파단이 발생되지 않기 때문에 급격한 내력저하는 발생하지 않고 최대강도 이 후 서서히 감소되는 경향을 보여주었다. 또한, 보강량이 클수 록 최대강도 이후 내력이 감소되는 폭이 작아 매우 우수한 연 성능력을 보여주었다.

3.2. 각 실험체별 응력도-변형률 곡선 비교

CFS 및 GFS로 보강한 실험체들은 모두 보강재가 파단되면 서 최종파괴 되었으며, 파단과 동시에 강도가 급격하게 저하 되었다. 그러나 PET 섬유로 보강한 모든 실험체들은 PET가 파단되는 경우는 나타나지 않았다. Fig. 5는 콘크리트 공칭압 축 강도를 20 MPa로 계획한 실험체들의 응력도-변형률 곡선 을 보강재료 별로 비교하여 나타낸 것이며, Fig. 5(a)에서 보듯 이, 보강하지 않은 실험체(Con-N-20)와 비교하여 CFS로 1겹 보강한 실험체(CFS-1-20) 및 2겹 보강한 실험체(CFS-2-20)의 강도증진은 각각 65%와 166% 높게 나타났다. 동일한 방법으 로 GFS로 1겹 보강한 실험체(GFS-1-20) 및 2겹 보강한 실험 체(GFS-2-20)의 강도증진은 각각 84%와 143% 높게 나타났 다. 그러나 PET로 보강한 실험체는 20겹으로 보강한 실험체 (PET-20-20)의 경우에만, 보강하지 않은 실험체에 비해 48% 증가하고 있음을 확인하였고, 나머지 5겹, 7겹, 10겹으로 보강 한 실험체들은 강도증진이 미미하였다(Fig. 5(c) 참조). 연성 증진 효과에 대해 CFS 보강한 실험체는 보강하지 않은 실험 체에 비해 약 3.84배 증가하였으며, GFS의 경우는 약 7.87배 증가하였다. 그러나 PET 5겹, 7겹, 10겹, 20겹으로 보강한 실 험체는 보강하지 않은 실험체에 비해 각각 21.7배, 33.4배, 66.6배, 34.8배로 CFS에 비해 최대 17.3배, GFS에 비해 약 8.5 배로 연성적인 측면에서는 매우 우수하게 나타났다(Table 2 참조). Fig. 6은 40 MPa로 계획한 실험체들의 응력도-변형률 곡선을 보강재료 별로 비교하여 나타낸 것이다. 보강하지 않 은 실험체(Con-N-40)에 비해 CFS로 1겹 및 2겹 보강한 실험 체의 강도증가는 각각 247%와 64%로 나타났으며(Fig. 6(a)참 조), GFS로 1겹 및 2겹 보강한 실험체의 강도증가는 20% 와 50%로 나타났다(Fig. 6(b)참조). 그러나 PET로 보강한 경우 에는 Fig. 6(c)에 나타난 바와 같이 강도 증진이 거의 나타나 지 않은 반면, 연성거동은 CFS 및 GFS로 보강한 실험체에 비 해 우수한 것을 확인할 수 있다. 각 실험체의 최대하중(P_max), 횡구속응력(f_l), 횡구속에 의한 응력 및 변형률 증분상수(k₁, k₂) 등을 정리하여 Table 3에 나타내었다. Table 3에서 음영으로 표시한 부분은 CFS, GFS 및 PET 섬유의 보강근 비가 1.4%로 모두 동일한 실험체로서, 강도증진은 CFS가 가장 높게 나타 났으며, GFS 및 PET에 비해 각각 1.4배와 2.4배 높게 나타났 다. 그러나 PET 섬유로 보강한 실험체의 변형률 증진효과는 CFS 및 GFS 에 비해 각각 8.2배, 4.4배로 월등히 우수하게 나 타났다.

Fig. 5

Comparison of stress-strain curves used 20 MPa

Fig. 6

Comparison of stress-strain curves used 40 MPa

3.3. PET 섬유의 k1 및 k2 산정

압축력을 받는 부재는 횡방향으로 팽창되고, 횡방향 팽창 을 구속하면, 구속하지 않은 부재에 비해 응력과 변형률이 동 시에 향상된다. 2.2에 설명했듯이 횡구속에 의해 증가된 강도 (응력) 및 변형률은 각각 식 (1)과 (2)에 의해 계산된다. 횡구속 상수 k₁및k₂에 대해 ^{Richart et al.(1928)}은 여러 실험을 통해 k₁ = 4.1, 그리고 k₂ = 5k₁을 제안하였다. 또한, ^{Mander et al.(1988)} 은 Balmer(1949)의 실험으로부터 k₁ 값이 4.5∼7.0 사이의 값 을 가지고 그 평균이 5.6임을 산정하였다. 본 연구에서 산정된 k₁ 값은 Table 2에 나타내었듯이, CFS와 GFS인 경우, 3.87∼ 6.62에 분포하고 있으며, 그 평균은 5.35로 나타나 기존 연구 결과와 유사하게 나타났다. 그러나 PET의 경우는 k₁ 평균값 이 2.62(2.04, 3.20)로 작게 나타나 강도 효과가 CFS 또는 GFS 에 비해 작다는 것을 확인하였다. k₂에 대해서는 CFS와 GFS 의 평균값은 22.23으로 나타나 k₂ = 4.2k₁(4.2 = 22.31/5.35) 값 을 보여 기존에 제안된 값과 크게 벗어나지 않았다. 그러나 PET의 경우는 k₂값이 128.7로 나타나 k₂ = 49.1k₁(49.1 = 128.7/ 2.62)나 연성증가는 CFS 또는 GFS 에 비해 매우 우수한 것을 확인하였다. 여기서 PET의 k₁과 k₂값을 산정할 때에는 보강 겹수가 20겹인 실험체(보강비 0.2%)를 대상으로 하였다. 그 이유는 보강겹수가 낮은 실험체의 경우에는 PET가 파단되 지 않지만, 최대강도 이후 내력저하의 폭이 크게 나타났기 때 문이다.