2.1.1 BFRP 시트 및 복합섬유 패널

BFRP 시트와 복합섬유 패널은 청원화학(주)에서 제공한 재료를 사용하여 시공하였다. BFRP 시트는 현무암(basalt) 섬유 600g을 0˚, ±45˚, 90˚ 방향으로 함유하고 있으며 섬유함량, 각 방향별 인장강도 및 탄성계수는 Table 1과 같다. 탄성계수의 경우, 각 방향에 대하여 3번의 시험을 통해 측정하여 최소 및 최대 측정값의 범위로 나타내었다. 화재로부터 BFRP 시트를 보호하고 일정 정도 보강효과가 있을 것으로 기대하여 두 가지 종류의 복합섬유 패널로 BFRP시트를 감싸도록 설치하였다. 준불연패널은 523MPa 강도에 5mm두께를 가지며, 고강도난연패널은 727MPa 강도에 3mm 두께를 가진다.

2.1.2 철근

철근 D13, D22 모두 SD300을 사용하여 기존 구조물의 물성을 반영하였다. 실험체 제작에 사용한 철근과 동일한 철근을 시편으로 사용하여 인장시험을 수행하였다. 측정값에 따르면 D13의 평균 항복강도는 378.2MPa, 평균 인장강도는 531.9MPa였으며, D22의 평균 항복강도는 335.8MPa, 평균 인장강도는 521.0MPa로 나타났다.

2.1.3 콘크리트

기존 구조물의 시공 현황을 반영하여 콘크리트의 재령 28일 설계강도는 24 MPa로 설정하였고, 최대골재 크기는 25mm였다. 기둥 실험체 가력 시기에 3개의 공시체 압축강도를 측정하였고, 평균 압축강도는 23.4MPa였다.

2.2.1 실험체 설계

사용 중인 서울 지하철 일부 구간의 철근콘크리트 구조물을 참고하여 실험체를 설계하였다. 대상 구조물은 Fig. 1와 같은 단면의 박스 구조물이다. 중간의 수직부재는 단면 크기가 900mm×350mm(b×d)의 직사각형으로 벽체보다는 기둥에 가깝다. D29 철근이 22개 배치되어 주철근비는 1.8%이며, 횡철근은 D13 철근이 단부는 200mm, 그 외 부분은 250mm 간격으로 배치되었으며, 보강띠철근(cross-tie)이 설치되어 있다. 단부에서 단면적이 커지는 부분을 제외하면 기둥의 높이는 5,000mm 가량으로 단변의 14.3배이다. 철근은 SD300, 콘크리트의 설계강도는 24MPa로 2.1.2~2.1.3의 실험체 재료 물성과 유사하다.

Fig. 1. Dimensions of typical subway structure in Seoul

Fig. 2. Dimensions and reinforcement of specimen

실험체 단면은 대상 구조물 기둥과 동일하며, 실험 여건을 고려하여 높이를 조정하였다. 기둥부 전체 높이는 2,250mm, 기초 상부면부터 가력 중심점까지의 높이(h)는 2,000mm로 형상비(h/d)는 5.7이다. 일반적으로 상하부가 구속된 기둥에서 지진 거동 시 복곡률이 형성됨을 고려할 때, 단곡률이 유도되는 실험여건에서는 유사한 응답을 관찰할 수 있는 형상비로 판단된다. 주철근은 대상 기둥과 동일하도록 D22를 22개 배치하였고, 전체 단면적에 대한 주철근 단면적 합의 비율인 주철근비 역시 1.8%이다. 횡철근은 D13을 300mm 간격으로 배치하였으며, 횡철근의 간격과 구속(confinement)을 고려한 콘크리트 심부 단면적과 보강띠철근을 포함한 횡철근의 총 단면적의 비율인 횡철근비는 0.199%이다. 콘크리트 피복 두께는 25mm 가량이다.

2.2.2 실험체 제작

총 5개의 철근콘크리트 기둥 제작을 위한 철근 조립, 콘크리트 타설 및 양생을 수행하였다. Table 2에서 요약한 바와 같이, 4개의 기둥에 BFRP 시트와 두 종류의 복합섬유패널을 조합하여 설치하였다. 설치 작업은 ACI 440.2R-17(ACI Committee 440, 2017)⁽¹⁾에 따르며, 설치 순서는 다음과 같다. 콘크리트 표면 전처리 작업을 수행하고 프라이머를 도포한 후 BFRP 시트 1겹을 부착하였다. BFRP 시트 위로 패널을 1겹, 모서리는 2겹을 앵커로 고정하여 설치하고 에폭시를 주입한 후 양생하여 시공을 완료하였다.

3.1.1 하중-변위 곡선의 형상

모든 실험체에서 동일한 목표 수평변위비 수준의 첫 번째 사이클에서는 두 번째 사이클보다 높은 강성을 가지고 더 큰 횡하중에 대하여 저항하였다. 즉, 두 번째 사이클보다 첫 번째 사이클에서 하중-변위 곡선의 원점 부근 기울기가 크며 곡선이 둘러싸는 면적이 크다. 이는 가력이 반복되면서 기둥 실험체의 성능이 저하됨을 의미한다.

무보강 실험체(LR-NR)에서는 수평변위비 ±2.0% 수준까지는 횡하중이 증가하지만, 그 이상에서는 감소하는 추세를 보인다. 목표 수평변위비 ±4.0% 수준에서도 횡하중은 완만하게 낮아지며 안정적인 거동을 유지하였으나, 목표 수평변위비 ±6.0% 수준에서 횡하중에 대한 저항이 급격히 낮아졌고, 목표 수평변위비 ±8.0% 첫 번째 사이클에서 주철근의 좌굴이 발생하며 파괴에 이르렀다. 보강 실험체(LR-RLC 및 LR-RHS 그룹)에서는 수평변위비 ±2.0~4.0% 수준까지는 횡하중이 점차 증가하지만, 그 이상의 변위에서는 감소하는 추세를 보인다. 결국 준불연 패널 보강한 LR-RLC 그룹은 목표 수평변위비 ±8.0% 사이클에서, 고강도 난연 패널 보강한 LR-RHS 그룹은 목표 수평변위비 ±6.0% 사이클에서 보강 패널의 면이 만나는 모서리가 벌어지며 실험이 종료되었다. 심부 콘크리트의 상태나 주철근의 좌굴 발생 여부 등은 실험체 외부를 감싼 보강재로 인하여 육안으로 관찰하기 어려웠으나 보강 재료의 사용성이 한계에 이른 것으로 판단하였다. LR-RLC 그룹과 LR-RHS 그룹의 하중-변위 곡선은 +6.0%의 첫 번째 정가력(미는 방향) 구간까지는 매우 유사하였으나, 부가력(당기는 방향) 구간으로 진입하면서 상당한 차이를 관찰할 수 있었다. 결국, LR-RHS 그룹의 경우 목표 수평변위비 ±6.0% 수준의 첫 번째 사이클 부가력 구간에서 성능이 급격히 떨어지며 실험이 종료되었으나, LR-RLC 그룹의 경우 횡하중에 대한 보다 안정적인 저항을 보였으며 목표 수평변위비 ±8.0% 수준의 첫 번째 사이클까지 가력을 지속할 수 있었다.

Fig. 5. Lateral force-displacement relationship

3.1.2 최대 횡하중

무보강 실험체의 최대 횡하중은 부가력과 정가력으로 각각 -218.1kN, 253.1kN으로 나타났으며, 보강 실험체 4개의 최대 횡하중은 부가력에서는 1.12~1.16배, 정가력에서는 1.04~1.06배에 해당하는 값이다. 준불연 패널 보강 실험체와 고강도 난연 패널 보강 실험체의 차이는 미미하였다.무보강 실험체에서 최대 횡하중이 발생한 변위($d_{F_{\max}}$)는 당기는 방향과 미는 방향으로 각각 -38.3mm, 35.0mm로 나타났다. 보강 실험체에서 최대 횡하중이 발생한 변위는 부가력 하에서는 0.98~2.00배, 정가력 하에서는 1.12~2.03배에 해당하였으며, LR-RLC-2, LR-RHS-1에서 크게 나타났다.

무보강 실험체에서 최대 횡하중이 발생한 변위($d_{F_{\max}}$)는 당기는 방향과 미는 방향으로 각각 -38.3mm, 35.0mm로 나타났다. 보강 실험체에서 최대 횡하중이 발생한 변위는 부가력 하에서는 0.98~2.00배, 정가력 하에서는 1.12~2.03배에 해당하였으며, LR-RLC-2, LR-RHS-1에서 크게 나타났다.

3.1.3 최대 횡변위

5개의 실험체에서 대부분의 최대 횡변위($d_{\max}$)는 목표 수평변위비 중 하나에 해당하는 값으로 무보강 실험체는 ±8.0%, 고강도난연 패널 보강 실험체는 ±6.0%, 준불연 패널 보강 실험체는 ±8.0%로 나타났다. 무보강 실험체는 주철근의 좌굴이 발생하여 성능이 급격히 저하되는 시점까지 실험을 진행하였으나, 보강 실험체는 패널의 사용성이 한계에 이를 때까지 실험을 진행하였기 때문에 무보강 실험체의 최대 횡변위보다 작거나 같은 값을 보인 것으로 판단된다.

3.1.4 포락곡선

Fig. 6에서 5개 실험체의 포락곡선을 비교해보면, 초기 변위에서 무보강 실험체와 보강 실험체 사이에 성능 차이가 크지 않으며, LR-RLC, LR-RHS 그룹 사이에 거동 차이가 있음을 확인할 수 있다. 포락곡선을 활용하여 최대 횡하중의 0.85배에 해당하는 하중($0.85F_{\max}$)과 포락곡선이 만나는 점의 변위($d_{0.85F_{\max}}$)를 도출하였다. 하중-변위 곡선 상에서 해당 변위가 정의되지 않는 경우, Table 3에 공란으로 표시하였다.

Fig. 6. Lateral force-displacement envelope