2.1 실험 목적

이 연구에서는 외부부착 탄소섬유 공법을 사용하여 콘크리 트 보의 전단보강 효과를 다음과 같은 세 가지 변수에 근거하 여 검증하였다.

2.2 실험체 상세

이 실험 연구의 주된 목적은 이 방향 탄소섬유의 보강 효과 와 보강 시점에 대한 검증이다. 이러한 변수를 검증하기 위하 여 10개의 콘크리트 보 실험체가 제작되어 전단 실험이 진행 되었다. Fig. 1은 이 연구에 사용된 실험체 표기법을 나타내고 있다. 첫 번째 글자는 탄소섬유의 레이아웃을 나타낸다. C는 무 보강 기준 실험체, U와 B는 각각 일 방향과 이 방향 탄소섬 유 레이아웃을 의미한다. 두 번째 글자는 스터럽의 간격과 보 수된 실험체를 의미한다. 100mm와 200mm의 스터럽 간격이 고려되었다. R 표시가 없는 실험체는 선 보강작업이 이루어 진 실험체이며, R 표시가 있는 실험체는 후 보강 작업이 이루 어진 실험체이다. 후 보강 실험체의 경우, 설계 하중의 60퍼센 트까지 가력이 진행되었고, 그 이후 탄소섬유를 사용하여 보 강작업이 이루어졌다.

Fig. 1

Nomenclature of test specimens

콘크리트 보 실험체의 단면은 300×500mm이며 길이는 3,000mm이었다. 하중은 실험체의 중앙부에 작용하였으며, 전단에 의한 파괴 모드를 나타내도록 설계되었다. 실험체의 주철근은 D25를 사용하였고, 스터럽은 D6 철근을 사용하였 다. 또한 실험체의 전단 경간 비율은 3.0으로 고정하였다. Table 1은 스터럽과 탄소섬유 스트립의 상세를 나타낸다.

Table 1

Test specimen details

콘크리트 보 실험체가 제작된 후 탄소섬유의 부착을 위하 여 실험체의 표면은 연마되었고, 모든 모서리는 반경 13mm 의 둥근 모서리처리가 되었다. 탄소섬유 스트립은 에폭시 프 라이머 작업 이후에 전단 실험 구간에 부착되었다. 수직 방향 탄소섬유는 보 실험체 상부에서 겹침 이음을 하였고, 수평 방 향 탄소섬유는 탄소섬유를 사용하여 탄소섬유 부착파괴를 방 지할 수 있도록 하였다. 탄소섬유 앵커와 스트립의 면적 비율 은 2.0이 되도록 탄소섬유 앵커의 양을 정하였다. 일 방향 보 강 실험체에 사용된 수직 방향 탄소섬유의 양은 스터럽의 전 단 강도와 거의 유사하게 정해서 전단 강도 기여도를 비교할 수 있도록 하였다.

Fig. 2는 이 연구에서 고려된 변수들의 차이를 나타내고 있 다. Fig. 2(a)에 나타난 것과 같이 동일한 탄소섬유 레이아웃과 두 개의 스터럽 간격을 가진 두 개의 실험체 그룹이 제작되었 다. 두 그룹에서 고려된 스터럽의 간격은 각각 200mm와 100mm이다. 이 실험체 그룹을 통하여 스터럽과 탄소섬유 재 료의 전단 기여도를 검증할 수 있다. Fig. 2(b)는 동일한 탄소 섬유의 양을 사용하고 두 개의 다른 탄소섬유 레이아웃을 사 용하여 보강된 실험체를 나타낸다. 이때 사용된 스터럽의 양 은 동일하며, 일 방향 레이아웃의 경우 탄소섬유의 폭과 간격 은 각각 100mm와 200mm이다. 일 방향 레이아웃과 이 방향 레이아웃에 사용된 탄소섬유의 양은 동일하도록 이 방향 레 이아웃에 사용된 수직과 수평 방향 탄소섬유의 폭은 50mm로 정하였다. 동일한 탄소섬유의 양이 사용되었을 때, 탄소섬유 의 레이아웃의 영향을 검증할 수 있다. Fig. 2(c)는 탄소섬유 보강 시점의 영향을 검증하기 위한 실험체를 나타낸다. 첫 번 째 그룹은 하중이 작용하기 전에 탄소섬유 보강작업이 이루 어졌다. 두 번째 그룹은 탄소섬유 보강 없이 사용 하중 상태까 지 먼저 가력되었고, 하중이 제거된 이후 탄소섬유를 사용하 여 전단보강이 이루어졌다. 이 그룹을 통하여 탄소섬유 보강 시점에 관한 영향력을 검증할 수 있다.

Fig. 2

Variables of test specimens

2.3 실험 방법 및 장치

Fig. 3은 Linear Voltage Displacement Transducers (LVDTs), 탄소섬유에 부착된 스트레인 게이지와 가력점의 위치를 나타 내고 있다. 가력점의 처짐을 측정하기 위해 두 개의 LVDT를 설 치하였다. 탄소섬유에 부착된 스트레인 게이지는 예상 사인장 균열의 위치에 부착되었다. 스터럽의 변형률은 스터럽에 부착 된 스트레인 게이지를 통해 계측하였다. 탄소섬유와 스터럽에 사용된 스트레인 게이지는 동일한 위치에 부착하여, 두 재료의 거동 비교를 할 수 있도록 하였다.

Fig. 3

Location of LVDTs and strain gages for CFRP strips

단조 가력 하중은 최대하중 이후 최대하중의 85퍼센트까지 가력되었다. 가력은 변위 제어로 이루어졌으며 속도는 0.01 mm/sec으로 진행되었다.

2.4 실험 재료

실험에 사용된 콘크리트의 설계 강도는 30MPa이었고 28 일 강도는 28MPa로 측정되었다. Table 2는 실험에 사용된 철 근의 재료실험 결과를 나타낸다. 스터럽과 주철근에 사용된 D6와 D25 철근의 항복강도는 각각 340과 660MPa이었다. Table 2에 표시된 재료 성질은 실험체의 전단과 휨강도 계산 에 사용되었다. 탄소섬유는 ASTM D 3039에 따라 인장실험 이 진행되었으며, 인장강도와 탄성계수는 각각 4,600MPa과 288,900MPa으로 측정되었다.

Table 2

Material properties

3.1 일반 사항

총 10개 실험체의 실험 결과는 Table 3에 나와 있다. ACI 318-14에 근거한 전단 강도와 측정된 최대 전단 내력을 정리 하였으며, 두 값의 비율을 함께 표기하였다. 스터럽과 탄소섬 유의 최대 변형률 값은 최대하중에서 측정된 것이다. 표에서 확인할 수 있듯이 탄소섬유 보강된 실험체는 탄소섬유 스트 립의 파단으로 인하여 파괴되었다. 전단 경간에 부착된 탄소 섬유는 최대 하중 도달 직전에 파단하기 시작하였다. Fig. 4는 실험에서 관측된 두 파괴 모드를 나타내고 있다. 탄소섬유 보 강 작업 시 충분한 길이의 겹침 길이를 확보하였고, 탄소섬유 앵커를 사용하였기 때문에 탄소섬유 스트립의 부착 파괴는 발생하지 않았다. 스트레인 게이지 값을 통하여 전단 경간에 위치한 모든 스터럽이 항복한 것을 알 수 있었다.

Table 3

Test results

Fig. 4

Failure modes

3.2 스터럽과 탄소섬유의 전단 기여도

Fig. 5는 콘크리트, 스터럽과 탄소섬유에 의한 전단 기여도 를 나타내고 있다. x-축과 y-축은 각각 전단 강도와 재료의 전 단 기여도를 의미한다. 그림에서 파선으로 표시된 수직선은 스터럽의 항복 시작점을 나타낸다. 제일 아래에 위치한 그래 프는 스터럽에 의한 전단 내력이고, 중간에 위치한 그래프는 탄소섬유에 의한 전단 내력이다. 콘크리트의 기여도는 실험 체에 작용한 하중에서 스터럽과 탄소섬유의 전단 내력을 제 거하여 계산하였다. 모든 실험체에서 전단 내력 기여도 경향 은 유사하였기 때문에 대표적인 실험체 U-200과 U-100의 결 과만 나타냈다. 콘크리트의 균열 이후 (약 200 kN)에는 스터 럽과 탄소섬유에 의한 전단 기여도가 높아지는 것을 알 수 있었다. 콘크리트의 균열 시작점은 스터럽 간격과 무관하게 발생하였다. 대부분의 스터럽은 최대 하중에 도달하기 전에 항복하였고, 탄소섬유 스트립의 전단 기여도는 스터럽의 항 복과 동시에 더 증가하는 것을 확인하였다. 콘크리트의 전단 기여도는 스터럽의 간격이 작을수록 감소하였다. 하지만 탄 소섬유의 전단 기여도는 스터럽의 간격이 작을수록 증가하 였다.

Fig. 5

Shear contribution of concrete, stirrup, and CFRP strip

각 재료의 전단 기여도는 Table 4에 나타냈다. U-200의 경 우, 탄소섬유의 양은 탄소섬유의 전단 기여도가 스터럽의 전 단 기여도 보다 약 18퍼센트 크게 설계되었다. 하지만 실험 결 과 스터럽에 의한 전단 기여도보다 탄소섬유에 의한 전단 기 여도가 약 35퍼센트 크게 측정되었다. 스터럽의 간격이 좁을 때는 V_f,test/V_s,test의 값이 V_f,ACI/V_s,ACI에 비교하여 큰 것을 알 수 있었다. 평균적으로 200mm 스터럽 간격이었을 때는 1.3배 차 이가 났지만, 100mm 간격이었을 때는 2.3배 차이가 발생하였 다. 이러한 결과는 탄소섬유에 의한 보강 효과가 전단보강근 의 양에 따라 변화하는 것을 의미한다. 탄소섬유의 보강 효과 는 전단보강근의 양이 더 많았을 때 큰 것을 확인하였다.

Table 4

Shear contribution of materials

3.3 일 방향과 이 방향 탄소섬유 레이아웃

일 방향과 이 방향 레이아웃을 사용한 실험체를 통하여 전 단보강에 대한 탄소섬유 레이아웃의 영향을 규명하였다. 스 터럽에 발생한 변형률을 비교하여 탄소섬유 레이아웃의 전단 보강 효과를 확인하였다. Fig. 6은 스터럽의 위치에 따른 스터 럽의 변형률을 나타낸다. 200 kN부터 50 kN 단위의 전단력이 작용하였을 때의 변형률 분포를 비교하였다. 200 kN 이하의 전단력에서는 변형률이 거의 발생하지 않았기 때문에 표시하 지 않았다. x-축과 y-축은 각각 스터럽의 위치와 변형률을 나 타낸다. Stirrup 1은 실험체 왼쪽 반력점 부근의 스터럽 위치를 나타내고, Stirrup 5는 실험체 가력점 부근의 위치를 나타낸다. 스터럽에 부착된 스트레인 게이지의 위치는 Fig. 3에서 확인 할 수 있다. 그림에 표시된 두꺼운 수평 실선은 스터럽의 항복 변형률을 나타낸다.

Fig. 6

Stirrup strains of the test specimens

일반적으로 전단력이 약 300 kN를 넘을 때 스터럽의 항복 은 시작하였으며, 모든 실험체의 스터럽은 항복하였다. 스터 럽의 변형률 분포는 일반적으로 모든 실험체에서 유사하게 나타났기 때문에 Fig. 6에는 스터럽 간격이 200mm인 실험체 를 나타냈다. 그림에서 확인할 수 있듯이, 일 방향 레이아웃으 로 보강되었을 때보다 이 방향 레이아웃으로 보강되었을 때 스터럽의 변형률이 더 작은 값을 나타내고 변형률이 고르게 분포한 것을 확인할 수 있었다. 예를 들어서 U-200 실험체의 경우, 전단력이 250 kN을 넘었을 때 항복하는 스터럽이 발생 하기 시작하였다. 하지만 B-200 실험체의 경우 전단력이 300 kN을 넘었을 때 스터럽이 항복하기 시작하였다. 또한 항복 이 전의 변형률 분포를 보면, 일 방향 레이아웃으로 보강된 실험 체에서는 특정 지점에서 변형률이 높은 것을 볼 수 있었지만, 이 방향 레이아웃을 사용한 실험체에서는 변형률의 분포가 고른 것을 알 수 있었다. 이와 같은 현상은 콘크리트 패널을 사 용하여 일 방향과 이 방향 레이아웃의 보강 효과에 관한 연구 에서도 확인할 수 있었다.

3.4 보강 시점

동일한 스터럽 간격과 탄소섬유 레이아웃을 사용하여 보강 시점 검증을 위한 실험을 진행하였다. 실험체 명에 R이 없는 실험체는 선 보강작업이 이루어진 후 실험체가 파괴될 때까 지 가력을 하였다. 실험체 명에 R이 표기된 실험체는 사용 하 중 상태까지 가력이 진행된 후, 하중을 제거하고 보강 작업을 진행하였다. 그 이후 실험체가 파괴될 때까지 가력이 진행되 었다.

Table 5에는 ACI 318-14 전단 설계식을 사용한 계산 결과 와 실험 결과의 비교가 정리되어 있다. ACI 318-14의 전단 내 력 평가식에는 보강 작업에 관한 변수가 고려되어 있지 않기 때문에 선 보강 실험체와 후 보강 실험체의 전단 강도가 동일 하게 계산되었다. 하지만 실험 결과에 따르면 보강 작업의 시 기에 따라 강도가 변화한 것을 알 수 있었다. 모든 실험체에서 최대 전단강도는 후 보강작업이 이루어졌을 때가 선 보강작 업이 이루어졌을 때보다 증가한 것을 확인하였다. 스터럽 간 격이 200mm일 경우에는 내력이 평균 10.2퍼센트 증가하였으 며, 간격이 100mm일 경우에는 평균 4.6 퍼센트 내력이 증가 하였다. 스터럽 간격이 넓을 경우 탄소섬유에 의한 보강 효과 가 더 큰 것을 확인하였다.

Table 5

Increase of maximum shear force according to repairing point

Fig. 7은 일 방향과 이 방향 실험체의 항복 강도와 최대 강도 를 나타낸다. 후 보강작업이 이루어졌을 때 최대 강도가 증가한 것을 확인할 수 있다. 하지만 보강 작업의 시점이 스터럽의 항 복 시점에 영향을 미치지는 않았다. 후 보강작업이 이루어졌을 때 거의 동일하거나 근소한 항복강도 증가를 확인하였다.

Fig. 7

Comparison of the yield and maximum strength