3.1.1 보-단부 시험체 실험 (Beam-end Specimen Test)

보-단부 시험체는 직육면체의 콘크리트 블록 하단에 보강근을 함께 매립하여 제작하며, 시험체의 크기는 Fig. 4에 나타낸 바와 같이 식 (1), (2), (3)을 이용하여 결정한다^{(ASTM, 2015)}.

이때 단위는 mm 이고 db는 실험에 사용된 보강근의 공칭 직경을, Cb는 콘크리트의 피복 두께, le 는 보강근의 매립 깊이를 뜻한다.

또한, 휨 및 전단파괴보다 부착에 지배적인 영향을 받을 수 있도록 시험체 내부에는 시험체 측면에 평행한 4개의 폐쇄 스터럽과 보강근에 평행한 2개의 휨철근으로 보강하여, 보강근에는 비부착 구간을 확보하고 콘크리트 표면에서의 콘 형태의 인발 파괴를 방지하도록 한다.

ASTM A 944에 의거하여 제작된 시험체는 Fig. 5에 나타낸 바와 같이 시험체에 설치된 보강근의 인장력을 가하여 콘크리트 하부 측면에는 압축력이 발생할 수 있도록 하중을 가력 해야 한다. 이때 시작 후 3분 이내에 시험체의 파손이 발생하지 않아야 하며, 분당 최대 부착강도의 10~33% 도달할 만큼의 속도로 가력하고 최소 10단계 이상의 반복 가력을 수행하여 변위 및 하중값을 취득해야 한다.

Fig. 4 Schematic of Beaㅌm-end test specimen(ASTM, 2015)

Fig. 5 Schematic of test apparatus(ASTM, 2015)

3.1.2 힌지가 있는 부재 실험(Hinged Beam test)

힌지가 있는 부재의 형상은 직육면체의 콘크리트 블록 2개에 하단부에는 보강근을, 상단부 중앙에는 힌지로 연결하며 Fig. 6과 같다. 시험체의 크기는 보강근의 공칭 직경에 영향을 받으며, 특히 보강근 공칭 직경이 16 mm를 전후하여 콘크리트 블록의 두께 및 길이, 보강근의 매립 길이, 하중 가력 지점의 간격 및 중앙부에 설치되는 힌지의 크기도 영향을 받는다^{(RILEM, 1973; BSI, 2005)}.

한편, 시험체에 가하는 하중은 시험체 중앙부에 발생하는 응력을 다음 식 (4), (5)를 이용하여 보강근에 발생하는 응력이 0 MPa, 80 MPa, 160 MPa, 240 MPa 등에 도달 할 수 있도록 계산된 하중으로 가력하며, 다음 하중 단계까지는 약 30분 내외에 도달할 수 있도록 해야 한다. 또한, 도달한 하중은 슬립의 안정화에 필요한 시간 혹은 최대 2분 동안 일정하게 유지하며, 본 실험은 시험체의 부착 파괴가 발생할 때까지 지속해야 한다.

식(4)의 경우는 보강근의 공칭 직경이 16 mm 미만일 때 적용할 수 있으며 식(5)의 경우는 보강근의 공칭 직경이 16 mm 이상일 때 적용한다. 이때, A는 보강근의 공칭 단면적을, $\sigma_{a}$는 보강근에 발생하는 응력이다.

Fig. 6 Schematic of hinged beam(RILEM, 1973;BSI, 2005)

3.1.3 아치가 있는 부재 실험 (Arched Beam Test )

아치가 있는 부재는 콘크리트 부재 중앙에 아치를 두어 콘크리트 부재의 응력 집중에 의한 급격한 파단을 방지하고자 하였다^{(BSI, 2000)}. 시험체의 크기는 Fig. 7에 나타낸 바와 같이, 높이 200mm이며 폭과 길이는 사용한 보강근 직경에 의해 변화한다.

부재 중앙에 있는 아치의 직경은 200~300 mm, 양 끝단 시험체 외부에 노출된 보강근의길이는 최소 150 mm이다. 지점에서의 구속 효과와 부착 길이에 대한 영향을 감소시키기 위하여 지점 부근에서의 보강근의 비부착구간은 100 mm를 포함하지만, 횡방향 보강근은 설치하지 않는다. 한편, 제작된 시험체의 양생 조건은 온도 20±2 °C와 습도 55±5%의 항온항습실에서 14일간 실시하며, 아치가 있는 부재를 이용한 실험 시, 부재 중앙의 처짐을 측정하여 일정한 처짐 비율에 도달하도록 하중을 가력하여 약 5분 내에 부재의 파단이 발생할 수 있도록 해야한다.

Fig. 7 Schematic of arched beam test specimen(BSI, 2000)

3.2.1 노치가 있는 부재 시험(Anchorage Beam Test)

노치가 있는 부재 시험체의 형상은 단순보의 형태와 매우 유사하나, 보강근의 비부착 구간과 노치가 존재한다. Fig. 8에 보인 바와 같이, 부재의 전단 경간에서는 부착 구간을 확보하고, 순수 휨구간 및 지점에서의 보강근의 구속효과를 최소화하기 위하여 지점에서 비부착 구간을 확보해야한다. 또한, 이 실험에서는 설계기준에 따라 결정된 보강근의 부착 길이를 충분히 확보할 수 있는 시험체의 크기를 확보해야하고 콘크리트 부재 인장단에 휨 쪼갬 파괴를 유도할 수 있도록 4점 재하 방식을 적용해야 한다^{(Mazin et al., 2018; Hamad et al., 2005)}.

Fig. 8 Schematic of beam anchorage test specimen(Noël and Parvizi, 2020)

3.2.2 겹침이음이 있는 부재 시험(Splice Beam Test)

겹침이음이 있는 부재 시험은 현재 보강근의 정착 및 이음길이 확보를 위해 일반적으로 설계하여 수행하는 실험 방법으로, 인장보강근의 겹침이음 구간이 콘크리트 부재의 순수 휨 구간내에 있도록 설계한 시험체이다.

앞서 3.2.1장에 기술한 바와 같이 노치가 있는 부재 시험체와 마찬가지로 시험체 크기에 대한 규격은 별도로 없으나, 하중 가력점 사이에서는 응력이 급변하는 구간이기 때문에 이음부 끝단과 하중 가력점 사이는 부재의 높이를 상회하는 간격을 확보해야 예상보다 낮은 하중에서의 이음부 파괴를 방지할 수 있다. 또한, 전단 경간의 길이가 짧을 경우, 이음부 파괴가 아닌 전단파괴가 발생할 우려가 있으므로 전단 경간의 길이는 부재의 높이의 2배 이상이어야 하며, 순수 휨구간은 전단 경간의 길이와 부재 높이의 2배를 합한 값보다 큰 구간을 확보할 수 있어야 한다.

한편, Fig. 9와 같이, 겹침이음이 있는 부재의 실험은 시험체의 급격한 파단으로 인한 안전사고 방지, 균열 관측의 편의성을 확보하기 위하여 부재의 인장연단을 상단에 압축연단을 하단에 두고 실험을 수행할 수 있다^{(Choi et al., 2012)}. 또한, 노치가 있는 부재 시험체의 실험 방법과 마찬가지로 하중 가력 속도 및 재하 방법, 시험체의 크기 등은 임의로 설정할 수 있다.

Fig. 9 Schematic of lap splice beam test specimen(Choi et al, 2012)

4.1.1 보-단부 시험체 실험 (Beam-end Specimen Test)

이 실험은 외부에 노출된 철근에 인장력을 가하여 콘크리트 단면에는 휨-모멘트에 의한 압축력이 발생할 수 있도록 설계되었으며, 시험체의 크기는 사용되는 보강근의 직경에 따라 변화하고, 이로인해 보강근의 사용량이 부착강도에 미치는 영향도 확인할 수 있다. 또한, 콘크리트가 휨을 받는 중에서의 보강근의 표면형태에 따른 부착 특성과 보강근의 부착강도를 직접 평가할 수 있는 장점이 있다^{(ACI, 2003)}. 따라서 새롭게 개발되는 보강근의 재료적인 특성에 따른 부착 상태를 직접 평가할 수 있다 ^{(Darwin and Graham, 1993)}.

한편, 실험 규격에도 기술된 바와 같이, 본 실험을 통해 얻어진 부착 강도는 보강근을 사용하는 콘크리트 부재의 설계에 직접적으로 적용할 수 없다. 이는 동일한 부착 구간을 가진 정착 및 겹침 이음 부재의 실험을 통해 얻은 값 보다 큰 값을 가지며, 실제 보강근의 부착 강도보다 높게 평가되기 때문이다. 따라서 보강근의 종류에 따른 특성 비교에만 적용하도록 제한되어 있다 ^{(ASTM, 2015)}. 또한, 시험체에 하중이 가해질 때 콘크리트 단면에서 발생하는 압축력에 대한 반력의 영향과 인장 영역에서의 프라이 거동에 의한 응력 발생을 반영하지 못하므로 실제 구조물 보다 높은 부착 강도를 제공할 우려가 있다^{(Chun et al., 2008)}.

4.1.2 힌지가 있는 부재 실험(Hinged Beam test)

이 실험 방법은 인장 보강근에 작용되는 응력을 쉽게 결정하기 위하여 내부 모멘트 팔길이를 미리 결정한 것으로, 가력하중에 의해 발생한 휨모멘트는 보강근의 인장력과 모멘트 팔길이의 곱으로 표현되는 평형방정식을 기반으로 한다. 그러나, 실제 구조물에서는 콘크리트에서 부담하는 압축력으로 인한 내부 모멘트 팔길이(j)를 반영하지 못하기 때문에 실제 구조물에서의 발현되는 부착강도를 결정하기에는 다소 무리가 있다.

Okelo은 힌지가 있는 부재와 직접 인발 시험체를 이용하여 FRP 보강근과 철근의 부착강도를 평가하는 연구를 수행하였다. 그 결과, FRP 보강근 종류의 관계없이 부착강도는 철근에 비해 낮으며 특히, CFRP의 경우 약 85% 수준으로 낮게 평가됨을 확인하였다. 또한, 파괴 패턴의 경우, 사용되는 콘크리트의 압축강도, 보강근의 직경 및 부착길이에 따라 영향을 받는 것을 확인하였으며, 힌지가 있는 부재의 경우, 부착길이가 길고 콘크리트의 압축강도가 높을 경우, 콘크리트의 파괴(휨), 쪼갬파괴 및 전단파괴가 수반되었다. FRP 보강근 직경이 증가함에 따라 평균 부착 강도는 감소하였으며, 전단 경간비(a/d)를 변화시킬 경우, 인발 실험에서 얻어진 부착 강도와 동등한 수준을 얻을 수 있음을 확인하였다. 따라서, 힌지가 있는 부재의 경우, 콘크리트의 압축파괴, 전단파괴 등 구조 거동에 따른 휨-부착 양상에 따라 영향을 받으므로 직접 인발 시험체보다 실제 구조물의 부착 거동을 잘 표현할 수 있음을 주장하였다^{(Okelo, 2007; Okelo and Yuan, 2005)}.

한편, CFRP와 같이 보강근의 인장강도가 매우 우수할 경우, 보강근의 항복 이전에 콘크리트의 압축연단에서의 압괴로 인한 부재의 파단이 발생할 가능성이 있으며, 이러한 경우, 보강근의 부착 강도를 측정할 수 없는 단점이 있다.

4.1.3 아치가 있는 부재 실험 (Arched Beam Test )

아치가 있는 부재를 이용한 휨-부착 실험은 힌지가 있는 부재 실험과 달리 모멘트 팔길이에 변화에 의한 콘크리트의 특성을 반영할 수 있다. 아치가 있는 부재를 이용한 휨 부착에 관한 연구 결과에 따르면, 보강근의 부착길이에 따라 시험체의 파괴 모드가 변화하였으며, 완전 부착에 의한 쪼갬파괴가 발생할 수 있도록 충분한 부착 길이를 확보해야 함을 확인하였다. 또한, ACI 440R-03에 의한 부착응력 산정식은 콘크리트의 영향을 배제한 평형방정식을 기반으로 하므로 아치가 있는 부재 실험 과정에서 측정한 보강근의 변형률을 이용하여 결정된 부착응력은 비부착 경계 구간에서는 균열 이전까지는 ACI 440R-03을 이용하여 계산된 부착 응력과 거의 유사하나, 균열 발생 이후에는 값의 차이가 발생함을 확인하였다. 이는 평형 방정식을 기반으로 하는 ACI 440R-03의 부착응력 계산식은 균열 이후 콘크리트의 영향을 고려하지 못하기 때문이므로, 휨을 받는 부재의 부착 거동은 보강근의 변형률을 이용하여 계산된 부착응력을 통해 평가해야 실제 구조물에서 발생하는 부착응력과 유사함을 주장하였다^{(Oh, et al 2014; Oh, et al 2011)}. 또한, 실험 규격과 달리 반복하중을 가력할 경우, 일정 응력수준에 의한 피로부착 수명과의 차이가 발생할 수 있으며, 파괴형태 또한 변화될 수 있기 때문에 반복하중에 의한 누적손상기법을 적용하여 휨 부착 및 피로에 의한 콘크리트 부재의 거동을 함께 평가할 수 있음을 확인하였다^{(Oh et al., 2014)}. 한편, 본 실험 규격에는 횡방향보강근(전단 철근)을 배근하지 않기 때문에 휨-부착에 의한 파괴 이전에 전단파괴가 발생할 수 있으므로 이를 주의해야 한다.

4.2.1 노치가 있는 부재 시험(Anchorage Beam Test)

노치가 있는 부재를 이용한 실험 방법은 앞서 기술한 바와 같이 하중 가력 조건, 시험체의 크기 및 보강근의 직경, 콘크리트의 압축강도 및 스터럽의 설치 여부를 연구자가 임의로 조정할 수 있기 때문에 콘크리트 부재의 구조 거동을 직관적으로 확인할 수 있는 장점이 있다. 그러나, 노치가 있는 부재는 휨 균열 및 기존 설계식을 통해 산정된 부착길이를 갖는 보강근을 이용하여 실험을 수행할 수 있으며, 반력으로 인해 보강근 표면에 증가된 응력 집중이 있으므로 겹침이음이 있는 부재의 실험에서 얻어진 부착강도에 비해 과대평가될 수 있는 단점이 있다^{(ACI, 2003;} Parvizi, 2019). 한편, 이 실험 방법에 따라 부재의 거동을 평가하게 되면, 상대적으로 낮은 인장강도 수준에서의 쪼갬파괴와 달리 높은 인장강도를 갖는 보강근을 사용할 경우 뽑힘파괴가 발생할 수 있으므로, 쪼갬 파괴를 유도하는 단면해석이 필요하다^{(Harajli and Abouniaj, 2010; Noël and Parvizi, 2020)}.

4.2.2 겹침이음이 있는 부재 시험(Splice Beam Test)

겹침이음이 있는 부재를 이용할 경우, 노치가 있는 부재를 이용한 실험 방법과 마찬가지로 실제 구조물의 휨-부착 거동을 가장 정확하게 재현할 수 있는 것으로 알려져 있다^{(ACI, 2003; ACI, 2007; Chun and Choi, 2010; Noël and Parvizi, 2020)}. 또한, 현재 FRP 보강근 구조설계 지침에 따라 겹침 이음 길이를 결정하면, FRP 보강근을 사용한 콘크리트 구조물의 휨 부착에 대한 안정성을 확보했다고 평가한다.

겹침이음이 있는 부재를 이용한 실험은 이음부 파괴를 유도할 수 있도록 단면설계가 진행되어야 하므로 휨 및 전단에 대한 안정성 확보가 필수적이며 새롭게 개발되는 FRP가 구조적 특성에 영향을 미치는 점을 고려하기 위해서는 콘크리트 부재의 휨 및 전단에 대한 검토가 선행되어야 한다. 그러나, 높은 인장응력을 갖는 FRP 보강근의 특성으로 인해 겹침이음이 있는 부재의 인장파괴가 발생할 수 있도록 단면 설계를 수행하고 겹침이음이 있는 부재의 보강근의 부착 거동은 보강근의 설치 위치(최외곽 혹은 부재 정중앙)에 영향을 받으므로 반드시 3가닥 이상의 겹침 이음이 필요하다. 따라서, 이를 고려한다면 겹침이음이 있는 부재의 단면 크기의 증가는 필수적이므로 제작 및 실험 비용과 실험의 난이도가 증가하는 단점이 있다^{(Chun and Choi, 2010)}. 또한, 겹침이음은 반드시 순수 휨구간 내에 실시해야 하고 이음구간에서 보강근의 파괴가 발생할 수 있도록 단면설계가 요구되며 실험 후 보강근의 인장력을 결정하여 평균 부착강도를 산정하고 비선형 단면해석 수행이 필요하다.