2.1 사용 재료

실험체는 실험이 계획되기 전에 텍사스에 있는 공장에서 제작되어 보관되어 있던 것이었다. 사용된 콘크리트의 설계 압축강도는 75MPa이었다. 콘크리트 공시체는 실험 전에 제 작되어있지 않았기 때문에, 실험을 마치고 실험체의 하중이 가해지지 않은 부분의 코어를 뚫어 압축 강도 실험을 진행하 였다. 공시체의 압축강도 실험 결과 콘크리트의 평균 압축 강 도는 78.4MPa이었다. 전단 철근의 재료 성질은 Table 1에 나 타나 있다.

Table 1

Mechanical properties of transverse reinforcement

실험에 사용된 탄소섬유는 미국 F사에서 제작된 SCH-11UP 이었으며, 두께는 0.51mm, 폭은 600mm로 제작이 되었다. 동 일 회사에서 제작된 Typo S 에폭시를 사용하여 보수 및 보강 공 법이 이루어졌다. 탄소섬유와 에폭시의 역학적 특성은 Table 2 와 Table 3에 나타나 있다. 탄소섬유의 충분한 부착 강도 발현 을 위하여 72시간 이상의 경화시간을 확보하였다.

Table 2

Mechanical properties of CFRP

Table 3

Mechanical properties of epoxy material

2.2 실험체 제작

이 방향 탄소섬유의 전단보강 효과를 규명하기 위하여 사 용된 보는 Fig. 1에 나타나 있다. Tx 46 I형 보의 길이는 30.5m 였으며 총 64가닥의 강연선을 통하여 긴장력이 작용되었다. 실험체는 실험 환경을 고려하여 반으로 잘렸으며 전단 철근 의 간격과 종류는 Fig. 2에 표시되어있다. 전단 철근은 실험체 전체 경간에 걸쳐 총 5구간으로 배근 되었다. 그림에서 확인 할 수 있듯이, 절단 전 실험체의 중간 부분(절단면)은 지름이 13mm인 전단 철근이 457mm 간격으로 배근 되었으며, 단부 는 긴장재로 인한 정착 파괴를 방지하기 위하여 전단 철근이 76mm 간격으로 배근 되었다. Fig. 3(a)는 실험체의 단면 치수 를 나타내고 Fig. 3(b)는 단부와 중앙부에서의 긴장재 위치를 나타내고 있다. 탄소섬유 보강재의 부착파괴를 방지하기 위 하여 사용된 탄소섬유 앵커는 Fig. 3(a)에서 확인할 수 있다. 단면에서 붉은색으로 표현된 것은 전단 보강에 사용된 탄소 섬유를 나타내며, 파란색으로 표시된 것은 탄소섬유 양 끝단 에 설치된 탄소섬유 앵커를 나타낸다. 탄소섬유앵커는 길이 250mm로 이루어져있으며, 보 실험체에 삽입되는 부분은 100mm 이고 탄소섬유와 겹침으로 이어지는 부분은 150mm이다. 겹 침으로 이어지는 부분은 부채꼴 형태로 탄소섬유 앵커가 탄 소섬유 스트립을 모두 감쌀 수 있도록 설치하였다.

Fig. 1

Test specimen

Fig. 2

Transverse reinforcement of the specimen

Fig. 3

Cross section and tendon profile (^{Jirsa et al., 2017})

2.3 실험 방법 및 장치

절단된 길이가 15m인 두 I형 PSC 보를 통하여 총 6번의 전단 실험을 계획하였다. 첫 번째 실험체를 사용하여 기준 실험 및 일 방향 탄소섬유 전단 보강 실험을 진행하였으며, 두 번째 실 험체를 사용하여 이 방향 탄소섬유 보강 실험을 진행하였다. 보 강된 일 방향과 이 방향 탄소섬유 스트립의 상세는 Table 4에 나와 있다. Fig. 4는 실험체에 보강된 탄소섬유 레이아웃과 실 험 구간을 나타낸다. 실험체명은 탄소섬유의 레이아웃과 전단 철근의 간격으로 구성되어있다. C는 기준 실험체를 의미하며, U와 B는 각각 일 방향과 이 방향 탄소섬유 레이아웃을 의미한 다. 460, 300, 200은 실험구간에 배근 된 전단 철근의 간격을 나 타내고 있다. U-460R에서 R은 보강된 실험체를 의미하며, 기 준 실험체의 실험이 완료된 후 보강 작업이 이루어졌다.

Table 4

Test matrix of I beam

Fig. 4

CFRP strengthening layout

Fig. 4에서 실험체 왼쪽 단부는 절단된 부분이며, 오른쪽 단 부는 절단되지 않았던 단부이다. 실험은 반력점과 가력점의 위치가 변경되어 가며 진행되었다. 전단 내력이 낮은 부분을 먼저 실험하고 전단 내력이 높은 부분은 나중에 실험되었다. 그림에서 실선 사각형으로 표시된 구간이 실험 구간이며, 실 험 구간의 반대편은 미리 탄소섬유를 사용하여 보강작업을 하였기 때문에 실험이 진행되는 동안 발생하는 균열을 최대 한 방지하고자 하였다.

Fig. 5(a)와 (b)는 일 방향과 이 방향 탄소섬유 보강 작업에 사용된 시간과 탄소섬유 재료의 양을 나타낸다. 탄소섬유 보 강 작업 시간은 에폭시의 혼합 시작부터 모든 작업의 마무리 까지 걸린 총 시간이며, 인원은 두 명이 작업하였다. 탄소 섬 유의 양은 일 방향 및 이 방향 탄소섬유 스트립과 탄소섬유 앵 커 제작에 필요한 양을 나타내고 있다. 그림에서 확인할 수 있 듯이, 일 방향과 이 방향 탄소섬유 보강에 필요한 시간과 재료 의 양은 거의 유사한 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 5

CFRP strengthening time and amount of CFRP material

실험체의 가력 프레임은 Fig. 6에 도식화되어있다. 가력점 과 반력점에는 모두 램과 로드셀이 설치되어 실험이 진행되 는 동안의 하중 변화를 측정하였다. 실험이 진행되는 동안 실 험구간 외부의 내민 보 부분에 의하여 발생하는 부모멘트를 방지하기 위하여 계산된 하중이 추가로 설치된 램을 통하여 작용할 수 있도록 하였다.

Fig. 6

Test setup

Ferguson Structural Engineering Laboratory에서 개발된 Digital Image Correlation (DIC) 방법을 사용하여 보 실험체의 표면에 부착된 타겟의 움직임을 측정하였다. 타겟의 간격을 일 정하게 배치하여 실험체 실험 구간에 부착하였다. 이 시스템을 활용하여 실험체에 부착된 타겟의 움직임을 50με의 정확도 측 정할 수 있다. 두 대의 카메라를 사용하여 1초 간격으로 타겟의 좌표를 측정하여 기록되었으며, 실험 후 결과 분석을 통하여 변형률 데이터를 얻을 수 있었다. 실험이 진행되는 동안 타겟 의 좌표와 데이터 수집 장치(Data Acquisition System)는 동기 화가 되기 때문에 하중 변형률 관계를 얻을 수 있었다.

3.1 파괴 모드와 처짐

첫 번째 I형 보를 사용하여 네 번의 실험이 진행되었고, 두 번째 I형 보를 사용하여 두 번의 실험이 진행되었다. 실험 결 과는 Table 5에 요약되어 있다.

Table 5

Test results

전단 구속 철근이 없었던 절단된 단부에서 발생한 긴장재 의 정착 파괴 때문에 몇몇 실험체의 최대 전단 내력을 얻을 수 없었다. 긴장재의 정착 파괴는 보강되었던 탄소섬유가 최대 변형률에 도달하기 전에 발생하였다. Fig. 7은 절단 단면으로 부터 시작된 긴장재에 의한 정착 파괴를 나타내고 있다. 정착 파괴는 실험 구간의 바깥쪽까지 영향을 미쳤으며, 휨 내력의 감소를 일으켰다. 따라서 탄소섬유의 보강 효과는 파괴 이전 웹에 발생한 변형률 분포를 비교하여 이루어졌다.

Fig. 7

CFRP strengthening time and amount of CFRP material

460mm 스터럽 간격 실험체의 결과를 통하여 가력 하중의 증가 경향을 확인하였다. 작용한 최대 하중의 비교를 통해 일 방향과 이 방향 전단 보강으로 각각 10.5와 11.5퍼센트의 하중 증가를 확인하였다. 일 방향과 이 방향의 하중 차이는 16 kN으 로써 거의 유사하였다. Fig. 8은 기준 실험체와 일 방향과 이 방 향 탄소섬유로 보강된 실험체의 가력점 처짐변화를 나타내고 있다. 최대 하중 도달 전의 실험체 거동은 유사하였다. 탄소섬 유로 보강된 실험체의 경우 1,860kN 지점에서 뚜렷한 사인장 균열이 발생함과 동시에 하중이 급격히 떨어지는 것을 확인하 였다. 사인장 균열이 발생하며 하부 플랜지에 실험체의 길이 방향으로 정착 균열이 발생하여 콘크리트가 떨어져 나가는 것 을 확인하였다. 파괴 모드와 하중 처짐 관계에서는 예측하지 못했었던 긴장재의 정착파괴로 인하여 일 방향과 이 방향 전단 보강에 관한 뚜렷한 차이점을 확인하지 못하였다.

Fig. 8

Load vs. deflection response

3.2 하중-변형률 관계

DIC 시스템을 사용하여 실험체의 표면에 부착된 타겟들의 위치 변화를 추적하여 실험체의 변형을 계산하였다. 보 실험 체의 동일한 구간의 변형률을 측정하였고 식 (1)을 사용하여 평균 전단 변형률을 계산할 수 있었다.

여기서, γ는 전단변형률, ε_x는 x방향의 변형률, ε_y는 y방향 의 변형률, ε_θ는 θ방향의 변형률, θ는 전단변형률 계산 각도를 나타낸다.

전단에 의한 파괴 모드를 나타낸 실험체의 전단 변형률 변 화는 Fig. 9에 나타냈다. 전단 변형률의 계산은 세 군데의 지점 을 기준으로 하여 계산된 값의 평균값을 적용하였다. C-460은 전단력이 783 kN이었을 때 균열이 발생하였으며 최대 전단 강도는 1,677 kN으로 측정되었다. U-460R의 경우 C-460의 실험 이후 일 방향 탄소섬유 레이아웃을 사용하여 보강되었 기 때문에 균열 하중은 확인할 수 없었다. C-460에 비교하였 을 때, 일 방향 전단 보강을 통하여 전단 강도는 약 10.5퍼센트 증가하였다. 하지만 보강 작업이 이루어지기 전에 균열이 발 생하였었기 때문에 실험체의 초기 강성은 기준 실험체보다 낮은 것을 알 수 있었다. Fig. 5에서 언급되었다시피, B-460은 U-460R과 유사한 양의 탄소섬유를 사용하여 보강되었다. 이 방향 보강을 통하여 균열 하중은 기준 실험체보다 약 16퍼센 트 증가한 것을 확인할 수 있었다. B-460에 작용하였던 최대 하중은 U-460R에 작용하였던 최대 하중과 거의 유사하였다. 더 높은 하중을 예상하였지만, 콘크리트 부착 파괴로 인하여 하중 증가를 확보할 수 없었다. 하지만, 이 방향 탄소섬유 레 이아웃은 일 방향 레이아웃에 비하여 확연하게 더 작은 전단 변형률을 나타냈다. 이 방향 레이아웃에 의한 전단 구속 효과 는 일 방향에 비교하여 더 효율적인 것으로 판단된다.

Fig. 9

Load vs. shear strain response (^{Jirsa et al., 2017})

Fig. 10(a)는 C-460의 최대 하중에서 C-460, U-460R, B-460 실험체의 주인장 변형률 분포를 나타내고 있다. 그림의 오른 쪽에는 변형률의 스케일이 표시되어 있다. 붉은색으로 표시 될수록 더 높은 주인장 변형률이 발생한 것을 나타낸다. 측정 된 변형률의 감소는 탄소섬유 레이아웃의 효과적인 전단 균 열과 균열 폭 구속을 나타낸다. C-460의 경우 전단 파괴를 일 으켰던 하나의 전단 균열이 뚜렷하게 발생하였다. U-460R은 C-460과 유사한 균열 형태를 나타냈지만, 주인장 변형률의 값 과 균열의 폭은 줄어들었다. 일 방향 전단 보강에 사용된 탄소 섬유는 파단되지 않았지만, 탄소섬유의 최대 변형률은 0.01에 가까운 값을 나타냈다.

Fig. 10

Strain contour of the test spans (^{Jirsa et al., 2017})

이 방향 레이아웃으로 보강된 실험체는 나머지 두 실험체 에 비교하여 더 작고 더 균일하게 분포된 변형률을 나타냈다. 대부분의 전단 균열 각도는 40~45도 사이의 값을 가졌다. 일 방향과 이 방향 레이아웃의 차이를 명확히 확인하고자 1,860 kN에서의 변형률 분포 그림을 Fig. 10(b)에 나타냈다. U-460R 과 B-460의 하중 상태는 동일하였으며, 명확하게 이 방향 보 강 실험체의 변형률이 일 방향 보강 실험체의 변형률보다 낮 은 것을 확인할 수 있었다.