국내 대다수의 건축물은 콘크리트 구조로 이루어져 있으며 그중 콘크리트 기둥은 건물의 수직하중인 중력하중과 함께 지진하중, 풍하중을 포함한 횡하중을 지반으로 전달하는 중요한 역할을 수행한다. 콘크리트 기둥의 손상은 건축물의 전체 거동에 큰 영향을 미치며 특히, 구조적 손상이 클 경우 전체 구조시스템의 붕괴를 야기한다. 이를 방지하기 위해서 콘크리트 기둥 단면에 충분한 양의 횡방향 철근을 배근하여 심부 콘크리트에 구속력을 제공하고 변형능력 향상을 도모하는 것이 중요하다. 하지만 이미 시공이 완료된 불충분한 횡방향 철근이 배치된 콘크리트 기둥은 내부 철근을 추가 배근하는 것은 불가능하므로 외부 보강에 의한 구속을 통해 콘크리트 기둥의 횡방향 저항력 및 연성적인 거동을 유도하는 방법이 널리 사용되고 있다.
현재까지 콘크리트 기둥 보강을 위한 구속기법은 크게 수동구속과 능동구속으로 나뉜다. 수동구속은 압축력이 작용하여 포아송비에 의해 콘크리트가 팽창할 때, 콘크리트 기둥을 감싼 외부의 구속재에 인장력을 발생시킨다. 이 인장력에 저항하는 힘이 콘크리트 기둥에 압력을 가하는 메커니즘에 기반한다. 수동구속을 통한 구조적 성능 향상은 탁월하나, 콘크리트의 팽창이 선행되어야 한다는 단점이 있다. 이러한 콘크리트 팽창은 콘크리트에 손상이 발생하는 것으로 콘크리트 손상이 발생하면 추후 보수에 큰 어려움이 있다. 이를 방지하기 위하여 프리스트레싱을 통해 미리 콘크리트에 구속력을 적용하는 능동구속이 제안되었다. 특히 형상기억 합금을 사용한 능동구속은 형상기억합금의 특수한 재료적 성질에 기인하며 재사용 및 신속한 적용이 가능한 장점이 있다. 기존의 형상기억합금을 사용한 능동구속에 관한 연구는 니켈-티타늄 계열의 형상기억합금이 주로 사용되었으나, 높은 가격으로 인해 대규모의 건설현장으로의 도입에 한계가 있다. 이를 보완하기 위해 본 연구에서는 경제적으로 효율적인 철계 형상기억합금을 사용한 콘크리트 보강공법에 주목하여 구조적 성능을 평가하고자 하였다.
기존의 수동구속의 구속재료 사용되는 탄소섬유보강시트를 비교대상으로 채택하여 철계 형상기억합금과 내진성능 차이를 비교하고자 하였다. 이를 위해 실규모 기둥을 제작하여 수평반복가력 실험을 수행하였으며, 이에 앞서 재료적 성능 파악을 위해 회복응력 평가 및 콘크리트 공시체 실험을 실시하였다. 실험의 결과는 다음과 같다.
1) 철계 형상기억합금의 재료적 성질 파악을 위해 직접인장실험과 회복응력 실험을 실시하였다. 사전변형률과 가열온도에 따른 회복응력 발현정도에 대해 높은 가열온도가 주된 변수가 됨을 확인하였다.
2) 보강정도에 따른 철계 형상기억합금과 탄소섬유보강시트로 구속된 콘크리트 공시체의 압축거동을 확인하였고, 압축거동에 따른 극한강도 및 연성도를 정의하는 제원을 제시하였다. 각 철계 형상기억합금으로 구속된 공시체는 우수한 연성능력을 보였으며 에너지 소산정도는 탄소섬유보강시트로 구속된 콘크리트 공시체에 비해 약 30배 증가하였음을 보여주었다.
3) 소성힌지 부분을 탄소섬유보강시트와 철계 형상기억합금으로 보강한 콘크리트 기둥을 제작하여 반복하중 실험을 수행한 결과 무보강 기둥에 비해 구조적 성능이 향상되어 보강효과를 입증하였다. 하지만, 보강재료에 따른 뚜렷한 구조적 거동차이는 확인되지 않았으며 이는 단면성능의 15%에 해당하는 높은 축력으로 인해 소성힌지 내 기둥의 단면이 완전히 휨파괴에 도달하지 못한 채, 최대하중 도달 이후 하중이 저하되는 양상을 보였기 때문이라고 판단된다. 그러나 초음파 펄스법으로 측정한 내부 콘크리트 손상정도 평가에 따르면 철계 형상기억합금으로 보강된 콘크리트 기둥이 내부 손상 저감에 훨씬 효과적임을 확인하여 철계 형상기억합금으로 보강된 기둥은 추가적인 휨 변형에 저항할 수 있을 것이라고 판단된다.