1. 연구개요

 

현재 도로교의 공용 후 유지관리에서는 목시에 의한 점검이 주체로 되어 있다. 이것은 외관상 명확하게 나타나는 변형을 경험한 기술자가 시인하는 것이 현재 종합적으로는 가장 효율적, 경제적인 수법으로 생각되고 있기 때문이다. 그러나 외관 목시만으로는 부재의 내부에서 발생하는 변형 및 응력상태의 이상에 관해서 파악할 수 없다. 때문에 강부재의 경우, 도막 밑 및 용접내부에서 생기는 균열손상 및 알칼리 골재반응에 의한 손상이 발생된 부재의 철근파단의 유무 등 구조물의 건전성과 밀접한 관계가 있는 변형에 관해서는 종래 목시주체의 점검에 의존하지 않고 적절하게 평가할 수 있는 기술의 확립이 강하게 요구되고 있으며, 비파괴 검사기술의 개발도 활발하게 이루어지고 있다.

 

이러한 배경에서 본 연구는 도로교 시방서에 준거하여 설계된 PC도로교의 유지관리단계에서의 건전성 평가 기술의 향상을 목표로 기설 다리의 프리스트레스 상태의 파악수법의 확립을 위해 연구를 수행하였다.

 

2. PC 도로교의 프리스트레스 평가의 현황과 과제

 

프리스트레스의 도입량, 특히, 잔존하고 있는 프리스트레스량은 교각의 내하성능, 내구성능에 직접 영향을 미치기 때문에 그 잔존량의 정도를 정확하게 파악하는 것은 PC구조물의 유지관리 상 가장 중요한 항목이다.

 

일반적으로 PC구조는 균열을 허용하지 않는 설계이기 때문에 프리스트레스량이 부족하면 다음과 같은 부조화가 발생할 위험이 있다.

 

- 프리스트레스량의 부족에 의해 균열 발생저항 모멘트가 작게 되기 때문에 균열이 발생한다. - 균열의 발생에 의해 주형 강성이 뚜렷하게 저하되기 때문에 상정한 것을 초과한 휨 및 진동이 발생한다.

- 균열부의 PC강재에서, 응력변동이 크게 되기 때문에 피로파단이 발생할 위험이 있다.

- 균열에서 염화물이온 등의 노화인자가 침입하여 구조물 내의 철근 및 PC강재를 부식시킨다. 최악의 경우, 철근 및 PC강재가 파단되어 교각붕괴의 위험이 있다.

 

(그림) PC 강재의 부식, 파단

 

- 절단 내력이 감소하기 때문에 파괴모드가 휨 파괴선행형에서 파단 파괴선행형으로 이행할 가능성이 있어 절단파괴 모드가 된 경우에는 파괴가 취성적으로 된다.

 

유지관리의 현황으로서 PC도로교의 손상상황 및 정기점검에 관하여 개관하고 현재 건전도 평가를 위한 기술에 관하여 조사를 수행하였다.

 

현재, PC교의 유지관리를 위한 점검의 체계는 점검요령에 의해 정비되어 있다. 그러나, 점검결과로부터의 건전함의 평가 및 대책구분의 판정에서는 손상 그 자체의 평가는 이루어졌지만, 구조물로서의 PC교 자체의 상태 및 성능에 대한 공학적인 판단을 실시하고 있는 것은 아니다. 경험적(감각적)인 평가에 의존하고 있는 부분도 많이 있어, 점검 목적인 보전행위의 필요성 판단 및 유지관리계획을 위한 정보취득이 반드시 충분하게 이루어지지 않았다.

 

3. 프리스트레스 상태와 부재성능의 관계

 

이번 계산을 수행한 일반적인 PC도로교의 경우, 유지관리의 단계에서 프리스트레서력의 이상검지기술에 대한 요구성능은 초기 도입력의 20% 정도 이상의 저하 유무가 검지될 수 있을 뿐으로 그 이하의 저하 검지능력 및 수% 단위에서의 정도 높은 감소량의 검지능력은 필수적이지 않은 것으로 생각된다.

 

잔존 프리스트레서가 80%까지는 사(死)하중 상태에서 항하(桁下) 가장자리의 응력은 균열 발생에는 어느 정도 여유가 확보되어 있지만, 60% 정도가 되면 사하중 상태에서도 균열이 발생할 위험성이 높은 수준으로 되어 있을 가능성이 높다. 반대로 이러한 가교형식에서 사하중 상태의 경우 명확한 휨 균열이 확인되는 경우 및 그 균열이 닫혀있어도 경미한 하중에 의해 균열이 넓어지는 경우에는 20~40% 정도의 프리스트레스 감소가 발생해 있을 가능성이 있다. 또한, 동일한 하중 상태에 대해 초기상태에서의 항하 가장자리의 응력변화가 4N/mm² 정도 발생하면, 균열 발생의 위험성이 높은 단계까지 프리스트레스가 저하되어 있을 가능성이 높다.

 

동일한 설계기준 등의 설계방법에 의한 경우에는 가교형식별로 대표적인 가교에 관하여 상태수준별 균열 폭 및 균열 발생하중을 구함으로써 기설교의 균열 폭 및 재하시험에 의한 균열 발생하중을 실측하는 등에 의해 상태수준이 어느 정도 추정될 수 있다. 단 현재로서는 계산으로 산출된 균열 폭과 실제 다리에 생긴 균열 폭 및 실제 균열이 발생하는 확실성에 관한 지식은 충분하지 않다. 또한, 재하시험에 의해 균열을 새롭게 발생시키는 것은 가교의 건전성에 악영향을 미치기 때문에 병용중가교에는 적용 상 문제가 있다고 생각된다.

 

4. 프리스트레스 도입상태의 추정방법

 

재하시험의 결과, 단면의 변형 분포, 하중변위 관계, 균열 성상, PC강재의 휨 거동, 휨 각도, 스터럽 휨 거동에 관하여 프리스트레스 평가의 지표가 되는 것을 알았다. 다음에 기설 가교의 건전도 평가를 실시할 경우 평가지표를 균열 발생의 유무로 각각 정리하였다.

 

(1) 균열이 발생하지 않은 경우

 

- 재하시험에 의해 균열이 발생하기까지의 콘크리트 표면의 휨을 계측함으로써 단면의 평면유지 가정을 기본으로 프리스트레스 도입량을 추정할 수 있는 가능성이 있다. 또한, 균열이 발생한 콘크리트 부재일지라도 균열이 경미하거나 사하중 작용시에 균열이 닫힌 상태로 있으면 하중에 의해 균열이 열리기 시작하기까지 콘크리트 표면의 변형에서 프리스트레스 도입량을 추정할 수 있을 것이다.

 

- PC강재의 변형 증가와 재하하중의 선형관계가 소요의 프리스트레스가 도입되어 있는 경우에 추정된 것보다 작은 재하하중 및 증가 변형치에서 잃어버린 경우에는 그 변형치 및 재하하중의 크기에 의해 프리스트레스 도입량을 추정할 수 있다.

 

- 프리스트레스 도입량이 저하하면 균열 발생하중은 저하되고, 보다 작은 하중으로 콘크리트의 최대 주응력과 재하하중의 선형성이 잃어버려 불안정한 거동을 나타내게 된다. 또한, 재하점에 가까운 위치의 최대 주응력이 지지점에 가까운 위치의 최대 주응력에 비해 선행하여 선형성을 잃어버리는 경향이 있다.

 

- 단면도심 위치에서 콘크리트의 최대 주 변형각도는 각각의 프리스트레스 도입량에 대응하여 균열 발생하중에서 안정되어 45^o가 되는 경향이 있다.

 

(2) 균열이 발생하고 있는 경우

 

- 이미 균열이 발생하고 있는 부재에 관하여 재하시험 등에 의해 하중과 휨의 관계로부터 단면강성을 확인하고 프리스트레스 도입량을 100%로 한 해석과 비교함으로써 프리스트레스 도입량을 추정할 수 있다.

 

- 프리스트레스 도입량이 저하될수록 연직방향의 균열이 발생하는 범위가 넓어지며, 균열 간격은 보다 넓어지고, 동일한 재하하중에 대한 균열 폭 및 하중의 증가에 대한 개구량은 보다 크게 되는 경향이 있다.

 

- 이미 균열이 발생되어 있는 기설교에서는 균열의 발생영역 및 균열 간격으로부터 중위축 위치를 산출함으로써 프리스트레스 도입량의 추정이 가능할 수 있다.

 

- 전단면 영역에 균열이 발생하고 있는 경우는 균열 발생 후 스터럽 변형의 계산치와의 비교로부터 상대적으로 프리스트레스 도입량의 저하를 평가할 수 있다.

 

5. 비파괴검사기술의 적용성 검증실험

 

실제 실험 및 모형 공시체 실험에서 얻어진 결과는 다음과 같다.

 

- 콘크리트를 매체로 한 초음파 및 충격탄성파의 전파특성이 프리스트레스에 의한 내부 응력상태의 차이에 대응하여 다른 경향이 있는 것과 그것이 실용성 있는 비파괴 검사방법을 이용하여 검출 가능성이 높다는 것 및 실제 다리에 한정하지 않고 유사한 조건의 실재 공시체에 의해 확인하는 것이 가능하였다. 

 

- 탄성파의 전파특성(전파속도, 주파수 분포 특성)이 콘크리트의 응력상태와 관련되어 평가하는 지표가 될 가능성이 있는 것을 알았다.

 

- 전파시간, 주파수 성분에 착안한 해석방법을 이용함으로써 응력상태의 차이를 시각적으로 보다 명확하게 검지할 수 있는 가능성이 있다는 것을 알았다.

 

(그림) 공시체

 

6. 마무리

 

PC도로교의 건전도에 관한 품질관리, 유지관리 단계에서 현재의 기술적인 과제로서 시공단계에서 도입한 프리스트레스의 형태를 구조물 완성 후에 간단하게 확인할 수 없다는 것이다.

 

기설 PC도로교의 건전성을 적절하게 평가하고, PC구조물의 프리스트레스 상태를 정량적으로 평가할 수 있는 방법을 확립하기 위한 조건과 기술개발의 방향성을 명확하게 할 목적으로 본 연구에서 얻어진 결과는 다음과 같다.

 

(1) 프리스트레스량의 이상이 콘크리트의 응력상태 및 균열 성상 등 구조물의 변형에 미치는 영향을 평가하기 위해 실시한 시설계에 의해 교각의 구조형식이 다르더라도 이상으로 검지하는 프리스트레스 저하수준에 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.

 

(2) 프리스트레스량을 파라미터로 한 공시체가 파괴 시까지 생성되는 변위, 균열발생 하중 및 성상, 내하기구(耐荷機溝), 내력, 파괴모드 등의 물리적인 변동현상을 비교함으로써 PC도로교의 모든 단계에서 프리스트레스량의 추정을 실시하였다. 그 결과, 프리스트레서 도입량이 다르면 균열 발생상황에 차이가 나타났으며, 균열 발생까지의 거동에 관해서도 프리스트레서 도입량에 의해 달라진다는 것이 추측되었다.

 

(3) 콘크리트 부재 중이 PC강재를 전파하는 초음파 및 탄성파에 의한 전반특성과 응력상태의 기초적인 관계를 파악하기 위해 정착그립의 타격에 의한 콘크리트 부재 중의 PC강재에 전반되는 파형자료를 분석하였다. 그 결과, 프리스트레스 도입도와 스펙트럼 피크주파수 사이에는 어느 정도의 상관이 있는 것으로 나타났다.

 

(4) 콘크리트 부재 중의 철근을 전반하는 초음파 및 탄성파에 의한 전반특성과 철근 축력상태의 기초적인 관계 파악을 수행하였다. 그 결과, 철근을 콘크리트 또는 몰타르에 매립하지 않은 모재만의 상태에서는 초음파 초진파의 도달시간에서 추정한 탄성파 속도와 철근 변형과의 사이에 상관성이 나타났다.

 

(5) 콘크리트 내부 응력상태와 초음파법에 의한 탄성파의 전반속도에는 상관성이 나타났다. 또한, 그 경향은 표면법을 이용한 경우가 투과법을 이용한 경우에 비해 보다 명확하게 나타났다.

 

(6) 콘크리트를 매체로 한 초음파 및 충격탄성파의 전반특성이 프리스트레스에 의한 내부응력상태의 차이에 대응하여 다르게 나타나는 경향이 있으며, 이러한 전반특성이 실용성 있는 비파괴검사방법을 이용하여 검출할 수 있는 가능성이 높다는 것을 밝혀내었다.

 

▣ 원문제목 : PC道路橋の健全度評価の高度化に関する共同研究

      

▣ 원문의 주요목차*******************************************************************

1. 연구개요

2. PC 도로교의 프리스트레스 평가의 현황과 과제

3. 프리스트레스 상태와 부재성능의 관계

4. 프리스트레스 도입상태의 추정방법

5. 비파괴검사기술의 적용성 검증실험

6. 공동연구의 성과와 유지관리에의 활용

7. 마무리