3.1 실험체 상세

광섬유 센서를 FRP 보강재에 결합시키기 위해서는 접착제를 이용하여 부착하게 되며, 본 연구에서는 선행연구^{(Song et al., 2019; Seo et al., 2020, 2021; Tran and Seo, 2023; Tran et al., 2024)}들과 마찬가지로 에폭시를 접착제로 이용한다.

광섬유 센서가 FRP에 결합된 FBG-FRP의 계측시 온도의 영향을 파악하기 위하여 Table 1과 같이 부착방식이 다른 3개의 실험체를 제작하였다. B-Sensor 실험체는 Fig. 3(a)와 같이 FRP에 부착하지 않은 순수 FBG-OF이다. FRP에 FBG-OF 센서를 완전부착한 FB 실험체와 센서부를 비부착한 DAF 실험체는 FBG-FRP를 제작할 때 길이 500 mm FRP 판 사이에 약 2 mm의 일정한 두께로 에폭시를 도포하여 중심에 FBG-OF 센서를 위치시킨 후 격자로부터 양쪽 100 mm까지만 부착하고 챔버 내부 온도를 측정하기 위하여 FBG-OF 센서와 동일한 위치에 열전대를 같이 삽입한 실험체이다. 이때 FRP 판 사이 브래그 격자 부분은 Fig. 3(d), (e)와 같이 각각 다른 방식으로 부착하였다. 완전 부착 방식은 에폭시가 FBG-OF 센서의 브래그 격자를 완전히 감싸는 방식이며 센서부 비부착 방식은 FBG 센서의 브래그 격자 부분을 코팅하여 에폭시와 비부착하는 방식이다.

Fig. 3 Detail of specimens for temperature test

3.2 사용 재료

본 연구에서의 FBG-FRP를 구성하는 재료는 FBG-OF 센서, FRP 그리고 FBG-OF 센서를 FRP에 부착하기 위한 에폭시이다. 광섬유는 ^{FBG Korea사(2003)}의 ITU-T G.657.B3 규격으로서, 코어의 공칭직경은 0.125 mm, 전체 지름은 0.25 mm, 인장강도는 690 MPa이다. 제조사에서 제공한 광섬유의 광탄성계수 ($P_{e}$)는 0.22, 온도 팽창계수 ($\alpha$)는 0.55($\times 10^{-6}/^{\circ}{C}$), 온도에 따른 굴절률계수 ($\xi$)는 8.6($\times 10^{-6}/^{\circ}{C}$)이다. FRP 보강재와 에폭시는 ^{SK Chemicals (2018)}제품으로서 탄소섬유계이며 에폭시는 SK-CPA10이고 압축강도는 90 MPa, 부착강도는 10 MPa, FRP 보강재는 SK-CPS0512이며 두께와 폭이 각각 1.2 mm와 50 mm이며, 인장강도는 2942 MPa, 탄성계수는 165 GPa이다.

3.3 실험 방법

온도변화에 따른 계측성능의 변화를 관찰하기 위하여 Fig. 4와 같이 실내 온도를 변환시킬 수 있는 챔버 내부에 세 가지 실험체를 적절한 간격을 유지하도록 위치시키고, 에폭시의 유리전이온도를 고려하여 -10℃에서 최대 50℃까지 온도를 증가시키고 광섬유의 응답을 관찰하였다. 이와 같은 온도변화 실험을 총 2회 실시하였다. 챔버 내부의 열전대를 두고 이를 이용하여 내부온도를 측정하였다.

Fig. 4 Test set up for temperature test

3.4 실험 결과

실험결과 -10℃에서 50℃까지의 온도 상승에 따른 굴절률변화를 그래프로 나타내면 Fig. 5와 같다. 1차와 2차 시험 모두에서 광섬유센서(B-Sensor)는 -10℃부터 0℃까지의 구간에서 온도증가에 따라 로그함수 형태로 굴절율이 증가하는 양상을 보이다가 그 이후에는 선형적으로 증가하였다. 반면에 두 개의 FRP 판과 FBG-OF가 결합된 두 시편은 전체 온도구간에 대하여 온도증가에 따라 선형적인 굴절율증가 양상을 보였다. 이는 광섬유가 FRP 판과 결합됨에 따라 강성이 큰 FRP의 온도팽창특성에 따라 변형하였기 때문으로 보여진다.

0℃이상의 온도에서 온도증가에 따른 실험체들의 2회 실험에서 나타난 굴절률 변화를 함께 나타내면 Fig. 6과 같다. 세 실험체 모두 선형에 가까운 양상을 보인다. 그래프내에 나타낸 수식들은 실험체들의 선형회귀식이다. B-Sensor는 기울기가 0.095인 반면에 FRP 보강재에 결합된 광섬유센서는 각각 0.084와 0.08로 다소 낮은 기울기를 보인다. 기울기가 낮다는 것은 온도변화에 따른 변형이 작다는 것으로 의미하고 이는 전술한 바와 같이 강성이 큰 FRP 보강재와 함께 거동함에 따른 것으로 보여진다. Fig. 6의 각 그래프에 나타낸 회귀식의 계수 값들은 Eq.(2)에서의 값으로 사용하면 실제 온도변화에 따른 영향을 반영할 수 있게 된다.

Fig. 5 Variation of wave length corresponding to the temperature change from -10℃ and 50℃

Fig. 6 Relationship between wave length and temperature from 0℃ and 50℃

4.1 실험체 계획 및 실험방법

에폭시를 이용하여 탄소섬유계 FRP판에 광섬유를 부착한 이후 FRP 판에 인장응력작용시 광섬유센서의 감지성능을 파악하기 위하여 인장실험을 실시하였다. 실험에서 고려한 주요변수는 광섬유를 FRP판에 결합하는 방식이다. 전체 부착구간 200 mm에 대하여, 실제 굴절율이 계측되는 레이저 격자부분은 길이가 10 mm정도이다. 이 격자부분이 FRP 판에 완전부착될 경우, 각 격자에서 나타나는 굴절율이 왜곡될 가능성이 있기 때문에, 세 가지의 부착방식 즉, 광섬유의 측정구간인 센서인 격자부분 10 mm구간을 FRP판에 완전부착(Full bonding; FB-T)하는 경우, 광섬유 외부 둘레를 비부착(Debonding only around FBG; DAF-T)하는 경우, 광섬유 격자부분길이 만큼 FRP 판과 광섬유 모두 비부착(Debonding at both FRP and FBG, DBF-T)하는 경우로 하여 각 경우별로 2개씩의 실험체를 제작하였다.

광섬유센서의 감지성능을 평가하기 위하여 전기식 변형률 게이지(Electric strain gauge)를 FRP 판 양 표면에 부착시켰다. 실험체 제작은 3장의 온도실험체와 동일한 방법으로 두 장의 탄소섬유판(CFRP, Carbon Fiber Reinforced Polymer) 사이에 광섬유 센서를 길이방향으로 배치시킨 에폭시 접착제로 부착시켜 제작하였다. FRP판의 두께는 1.2 mm, 폭은 16 mm이며 총 길이는 900 mm이다. 양단 각 200 mm는 인장응력을 작용시키기 위한 물림부로서 철판으로 보강하였다. 실험체 상세와 제작한 형상은 Fig. 7과 같고 실험체 일람은 Table 2와 같다.

사용된 FRP 판과 에폭시는 온도실험에서 사용한 재료와 동일하다. 인장실험은 Fig. 8과 같은 250 kN 용량의 인스트롱사의 UTM 상하부 지그부분에 제작된 FBG-FRP 실험체 양단부 물림부를 고정시킨 후 FRP판 인장강도의 약 15%에 해당하는 450 MPa의 응력에 도달할 때까지 점진적으로 인장응력을 증가시키면서 그에 따른 광섬유 센서의 응답을 계측하였다.

Fig. 7 Specimen dimension and shape for tensile test

Fig. 8 Tensile test setup

4.2 실험 결과

실험결과, 점진적으로 증가하는 인장응력에 대하여 FRP 판에 결합된 FBG 센서와 전기식 게이지의 변형률을 비교하여 나타내면 Fig. 9와 같다. 그림에서 기울기는 상관계수를 나타낸다. FBG 센서의 변형률과 전기식 게이지의 변형률이 전체적으로 유사함을 알 수 있다. 가장 높은 상관관계를 보이는 것은 전체를 완전부착한 FB-T이며 가장 낮은 상관관계를 보이는 것은 계측구간 전체를 비부착한 DBF-T이다. 이로부터, 광섬유 센서부를 에폭시로서 완전부착할 경우, 실제 CFRP 판의 변형률이 가장 정확하게 계측될 수 있는 것으로 판단된다.

Fig. 9 Comparison of strains between ESG and FBG sensor under tensile stress

5.1 실험체 계획

반복응력상황에서 FRP 판에 결합된 광섬유센서의 측정성능을 파악하기 위하여, 인장응력을 점진적으로 증대시키고 목표응력에 도달한 이후 하중을 점진적으로 제거한 후 다시 인장응력을 가력하는 실험을 30회씩 반복하여 실시하였다. 인장반복 실험에서 FBG 센서의 성능을 확인하기 위하여, 온도실험 및 인장실험에서 사용한 것과 동일한 두께 1.2 mm, 폭 16 mm, 길이 1000 mm인 CFRP 판에 광섬유센서를 완전부착방식(Full bonding, FB)으로 결합시켰다. Table 3은 실험체 일람을 나타내며 Fig. 10은 실험체 형상을 나타낸다. 시험체를 만능시험기에 고정시키기 위하여 시편의 양 끝단에 길이 200 mm의 각관을 에폭시로 채워 단부를 형성하였다.

Fig. 10 Specimen detail for repeated tensile test

5.2 실험 방법

실험은 Fig. 11과 같이 2000 kN 만능재료시험기에 실험체의 양단부를 고정한 뒤 LVDT를 설치하고 Fig. 12와 같이 FRP 판 인장강도의 30%와 60%인 1420 MPa와 2824 MPa의 두 가지 응력수준으로 가력한 후 하중을 제거하는 방식으로 각각 30회 가력하였다. 각 시험체 별로 동일한 시험을 3회씩 실시하였다.

Fig. 11 Test set up for repeated tensile test

Fig. 12 Loading history for repeat rest

5.3 실험 결과 및 분석

Fig. 13은 두 가지의 응력상태 즉, CFRP 판 인장강도의 30%와 60%에 해당하는 응력까지 반복재하시 작용응력에 따른 변형률변화를 나타낸 그래프이다. 검정색은 광섬유 센서, 붉은 색은 전기식 변형률게이지 값을 나타낸다. 그림으로부터, CFRP 판 인장강도의 30%와 60%에 해당하는 응력의 크기로 반복재하되더라도 광섬유센서의 손상없이 변형률정보를 제공할 수 있음을 확인할 수 있었다. 각 시험체별로 3회씩 실험을 실시하였지만 모두 거의 동일하였다. 이와 같은 결과는 또한 두 경우 모두에서 광섬유 센서의 변형률과 전기식게이지의 변형률이 거의 일치되는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 13 Stress-strain curves of sensors from repeat test