2.1 실험 부재

본 연구에서는 높이 1,000 mm, 단면 200 mm×200 mm의 철근콘크리트 기둥 18개를 제작하여 실험하였다. 콘크리트 28일 압축강도는 35 MPa가 되도록 배합설계(Table 1)를 하였다. 본 실험에서는 탄소섬유판을 보강하지 않은 RC 기둥(Cont), 표면부착탄소섬유판으로 보강된 RC 기둥(EB Series), 표면매입탄소섬유판으로 보강된 RC 기둥(NSM Series), 탄소섬유시트 부착 기둥 및 표면매입탄소섬유판과 탄소섬유시트를 혼용하여 보강한(NSM+Sheet) 실험 부재를 제작하였고, 이들에 대한 기둥 보강 효용성과 역학적 성능을 검증하고자 하였다. EB Series 기둥은 축방향과 직교방향(횡방향)으로 탄소섬유판을 콘크리트 표면부에 부착하였으며, 부착 간격은 100 mm(EB100), 150 mm(EB150), 200 mm(EB200)로 결정하였다. NSM Series 기둥에서는 매입탄소섬유판의 깊이를 10 mm(NSM10 series) 및 15 mm(NSM15 series) 두 종류로 달리하여, 매입 깊이에 따른 섬유판 보강 효과를 분석하고자 하였다. 매입탄소섬유판은 표면부착탄소섬유판과 동일하게 100, 150, 200 mm의 간격으로 보강되었다. 본 연구에서는 기둥 보강용으로 현재 널리 쓰이고 있는 탄소섬유시트를 3겹으로 기둥 표면에 부착하였으며, 15 mm 깊이로 표면매입한 탄소섬유판과 탄소섬유시트를 혼용하여 보강한 기둥(NSM15-100, 150, 200+Sheet)을 제작하여 실험을 수행하였다. 실험에서 사용된 기둥의 주 철근은 D13이며, 띠철근은 D10을 사용하고, 140 mm 간격을 유지하였다. Fig. 1은 본 실험에서 사용된 콘크리트 기둥의 배근 상태를 나타낸 것이며, Fig. 2는 NSM, EBR 보강 기둥 및 탄소섬유시트로 보강된 기둥 시험체의 형상 및 센서 부착 형상을 도시한 것이다. Table 2는 실험에서 채택한 실험 시편의 종류와 변수를 나타낸 것이다. 실험에서 사용된 탄소섬유판은 유럽 등지에서 널리 사용되고 있는 두께 1.2 mm 폭 50 mm의 S사 탄소섬유판이며, 또한 탄소섬유시트는 국내에서 제조되고 있는 HR Carbo Plates를 사용하였다. Table 3은 실험에 사용된 탄소섬유판 및 탄소섬유시트의 재료물성 및 인장강도를 나타낸 것이다.

2.2 표면매입(NSM) 및 외부부착(EBR) 탄소섬유판의 설치

탄소섬유판을 표면에 매입하기 위하여, 콘크리트 표면을 그라인더를 사용하여 기둥 부재 길이 직각 방향으로 깊이 10 mm 및 15 mm의 홈(groove)을 절취하였다. 수동 에폭시건(epoxy gun)을 이용하여 에폭시레진을 홈에 충진 하였으며, 탄소섬유판을 홈에 매입하였다. 탄소섬유판은 폭 10 mm 및 15 mm 그라인더를 사용하여 절취하고 표면을 알콜로 청결히 한 뒤, 스트레인 게이지를 섬유판 길이 방향으로 부착하여 홈 속에 매입하였다. 사용된 에폭시레진은 스위스 Sika 사의 Sika30-normal이며, 에폭시와 경화제를 2:1로 배합하여 사용하였다. 사용 에폭시레진의 압축강도는 71.7 MPa, 인장강도 48 MPa 그리고 탄성계수는 1,200 MPa 이다. 또한, 탄소섬유판 및 탄소섬유시트를 부착하기 위하여 표면을 그라인더로 갈고 표면처리를 수행하였으며, 부착 탄소탄소섬유판 폭은 15 mm이다.

2.3 실험방법

본 기둥 실험에서는 2,000 kN 용량의 만능시험기를 사용하여 1축 압축 실험이 수행되었다. 스트레인 게이지를 탄소섬유판 및 압축 철근에 부착하였으며, 기둥 부재가 파괴가 일어날 때까지 단계적으로 하중을 가하며 실험을 수행하였다. 또한, 기둥의 체적 변화를 측정하기 위하여 재하 방향 수직 방향으로 다이얼게이지를 부착하였다. 매입 및 부착된 탄소섬유판에 스트레인게이지를 섬유판 길이 방향으로 부착하여 각 하중 단계에 따른 탄소섬유판 변형률을 측정하였다(Fig. 2). 측정값은 Data Aquisition Software를 통해 처리 분석되었다.

3.1 극한 강도

Table 4는 본 실험에서 사용된 부재의 1축 압축 극한 강도 및 증진율을 나타낸 것으로서, 탄소섬유의 보강 방식 및 보강량에 따라 강도는 매우 다른 양상을 나타내고 있다. 매입탄소섬유판(NSM CFRP)으로 보강된 기둥 부재는 부착탄소섬유판(EB CFRP)으로 보강된 콘크리트 기둥보다 보강 효과가 매우 탁월한 것으로 나타났다. 또한, 콘크리트 기둥을 감싸며 보강하는 탄소섬유시트의 보강 형태도 보강 효율이 다소 높은 것으로 나타났다. 그러나 이 공법은 전술한 바와 같이 섬유시트 부착 시 부착하는 인부의 숙련도에 따라 보강 효과가 다르게 나타나는 단점이 있다.

본 실험 결과, 탄소섬유로 보강이 되지 않은 기둥(Cont)의 경우, 극한강도는 1,235 kN으로 나타났으나, 탄소섬유시트로 보강된 기둥(SHEET)은 강도가 1,430 kN으로 나타나 보강하지 않은 보에 비해 약 116%의 강도 증진이 있는 것으로 나타났다. 그러나 탄소섬유판으로 외부 부착(EB) 보강된 철근콘크리트 기둥(EB 100, 150, 200)은 극한강도가 1,270~1,350 kN 범주에 있었으며, 강도 증진폭은 크게 개선되지 않은 것으로 나타났다. 그러나 매입탄소섬유판(NSM CFRP)으로 보강된 기둥(NSM Series)은 1,460~1,580 kN으로 높게 나타났으며, 최대 보강하지 않은 기둥보다 128%의 보강 효과를 보였다. 이는 보강 기둥의 파괴 거동 관찰 시 명확히 알 수 있는 바와 같이, 외부 부착(EB) 보강된 철근콘크리트 기둥(EB 100, 150, 200)은 축방향으로 발생하고 있는 균열을 충분히 저항하지 못해 탄소섬유판이 콘크리트 표면에서 부풀어 오르며, 섬유판이 콘크리트 표면에서 분리되는 파괴 거동을 일으켰다. 그러나 매입탄소섬유판(NSM CFRP)으로 보강된 기둥(NSM Series)은 연직 방향으로 발생하는 균열을 충분히 제어하여 균열이 확산 및 발전되지 못하며, 극한상태에서 지압파괴가 발생하여 취성파괴가 유도되는 것으로 나타났다. 이는 매입탄소섬유판(NSM CFRP)이 충분히 기둥의 균열과 파괴를 제어하고 있으며, 따라서 기둥의 저항 능력을 현저하게 향상하는 것으로 나타났다. 이는 탄소섬유판을 콘크리트 기둥 표면에 매입하여 보강한 경우, 매우 적은 면적의 탄소섬유판으로도 기둥 내력을 크게 향상할 수 있음을 시사하고 있다.

또한 매입탄소섬유판(NSM CFRP)과 탄소섬유시트를 혼용(NSM+SH Series)하여 사용하였을 경우, 기둥의 극한강도는 현저하게 증가(1,580~1,650 kN)하는 것으로 나타났으며, 이를 혼용하는 보강 방식은 매우 유용한 보강 형태가 될 수 있다.

3.2 하중-변위 관계 특성

탄소섬유판 혹은 탄소섬유시트로 보강된 철근콘크리트 기둥은 보강되지 않은 철근콘크리트 부재보다 더 높은 하중에 이르기까지 선형구간이 확대되며, 극한강도가 크게 증진되는 것으로 나타났다. Fig. 3은 보강이 되지 않은 기둥 부재(Cont)와 외부에 탄소섬유판을 부착하여 보강한 기둥(EB Series)의 하중-변위 관계 특성을 나타낸 것이다. 그림에서 알 수 있듯이, 탄소섬유판으로 외부 부착(EB) 보강된 철근콘크리트 기둥(EB 100, 150, 200)은 보강 간격에 따라 다소 차이는 있으나, 극한하중은 1,270~1,350 kN 범주에 있었으며, 그 증진폭은 기준 부재와 비교해 크게 개선되지 않은 것으로 나타났다. 이는 전술한 바와 같이 외부 부착(EB) 보강된 철근콘크리트 기둥(EB 100, 150, 200)은 축방향으로 발생하고 있는 균열을 충분히 제어하지 못하며, 따라서 탄소섬유판이 콘크리트 표면에서 부풀어 오르며 분리되는 파괴 거동을 일으키게 된다.

Fig. 4는 보강이 되지 않은 기둥 부재(Cont) 부재와 외부에 탄소섬유시트를 부착하여 보강한 기둥(SHEET) 부재의 하중-변위 관계 특성을 나타낸 것이다. 그림에서 알 수 있듯이, 탄소섬유시트로 보강된 기둥(SHEET)은 극한하중이 1,430 kN로 나타나 보강하지 않은 보에 비해 115.8% 이상의 강도 증진이 있는 것으로 나타났다. 또한, 탄소섬유시트는 표면부에 탄소섬유판을 부착한 기둥(EB Series)보다 횡방향 구속 응력을 충분히 제어하고 있음을 알 수 있으며, 탄소섬유시트가 부분적으로 표면에서 분리되며 파괴되는 양상을 보인다.

Figs. 5~6은 보강이 되지 않은 기둥 부재(Control)와 탄소섬유판을 표면부에 매입하여 보강한 기둥(NSM Series)의 하중-변위 관계 특성을 나타낸 것이다. 매입탄소섬유판(NSM CFRP)으로 보강된 기둥(NSM Series)은 압축강도가 보강하지 않은 기둥보다 약 128%의 높은 보강 효율을 보인다. 이는 매입탄소섬유판으로 보강된 기둥(NSM Series)은 연직 방향으로 발생하는 균열을 충분히 제어하여 균열이 확산을 방지하는 것으로 나타났다. 이는 탄소섬유판을 콘크리트 기둥 표면에 매입하여 보강한 경우, 매우 적은 면적의 탄소섬유판으로도 기둥 내력을 크게 향상할 수 있음을 시사하고 있다.

Fig. 7은 탄소섬유판을 표면부에 매입 보강하고 탄소섬유시트를 혼용 보강한 기둥(NSM+Sheet Series)의 하중-변위 관계 특성 나타낸 것이다. 위 부재는 압축강도가 최대 41.3 MPa로 높게 나타나고 있으며, 보강하지 않은 기둥보다 약 134%의 높은 보강 효율을 보인다. 위 보강 기둥 부재는 연직 방향으로 발생하는 균열을 충분히 제어할 뿐 아니라 극한 내력이 증진하는 것으로 나타났다.

3.3 탄소섬유판 보강기둥의 파괴거동

Fig. 8은 보강이 전혀 되지 않은 철근콘크리트 기둥(Cont)의 파괴형상을 나타낸 것으로서, 철근콘크리트 기둥의 전형적인 취성파괴 형상을 보인다.

Figs. 9~11은 탄소섬유판이 표면에 부착 보강된 기둥(EB 100, 150, 200)의 파괴 거동을 나타내고 있다. 그림에서 알수 있듯이, EB 100, 150, 200 기둥의 파괴는 하중 재하 방향으로 발생하는 수직균열로 시작되며, 하중이 점점 증가할수록 확대되면서 취성적으로 파괴되는 것으로 나타났다. 그러나 보강 효과가 Cont 보에 비하여 미미하게 나타나고 있다.

Figs. 12~13은 탄소섬유시트로 보강된 기둥(SHEET)과 탄소섬유판을 표면에 부착하고 시트로 혼용 보강한 기둥(EB150+Sheet)의 파괴 거동을 나타내고 있다. 탄소섬유 시트는 표면부에 탄소섬유판을 부착한 기둥(EB Series)보다 횡방향 구속 응력을 충분히 제어하고 있음을 알 수 있으며, 탄소섬유시트가 부분적으로 표면에서 분리되며 파괴되는 양상을 보인다. Figs. 14~19는 매입탄소섬유판(NSM CFRP)으로 보강된 기둥(NSM Series)의 파괴 거동을 나타내고 있다. 전술한 바와 같이 매입탄소섬유판으로 보강된 기둥(NSM Series)의 압축강도는 보강하지 않은 기둥보다 최대 약 128% 정도의 보강 효과를 보인다. NSM Series 기둥은 연직 방향으로 발생하는 균열을 충분히 제어하여 균열이 확산 및 발전되지 못하며, 지압파괴가 발생하여 취성파괴가 유도되는 것으로 나타났다. 이는 매입탄소섬유판(NSM CFRP)이 기둥의 균열과 파괴를 적절히 제어하고 있으며, 따라서 기둥 극한내력을 현저하게 향상하는 효과를 나타내고 있다.

Figs. 20~21은 매입탄소섬유판과 탄소섬유시트를 혼용(NSM+SH Series)하여 보강한 기둥의 파괴 거동을 나타내고 있다. 전술한 바와 같이 위 부재는 압축강도가 매우 증진되며, 연직 방향으로 발생하는 균열을 충분히 제어할 뿐 아니라 내력 또한 크게 증진하는 것으로 나타났다.