콘크리트구조물 결함의 조사 3

콘크리트 構造物 缺陷의 調査

Ｃ. 構造物의 變位·變形

Ⅰ.변위·변형의 측정

1. 개요

구조물에 나타나는 변위·변형의 현상으로는 동적재하중에 의해 변위 이외에도 침하, 경사, 이동, 인접구조물과의 비틀어지는 따위의 변형이 있다. 이러한 變狀을 발생케하는 원인은 여러 가지가 있지만 주된 것은 지반의 침하, 이동, 지지력의 저하, 재하중의 증대, 구조물의 내력부족, 지진의 영향 등이다.

구조물의 재질의 열화나 설계·시공의 부적절, 큰 말뚝의 부식등에 의한 지지력 부족등에 의해 변위·변형이 발생하지만 큰 변위·변형이 생기는 경우 구조물 자체의 조사만이 아니고, 지지지반 및 환경의 변화 따위에 관해서도 충분히 조사하고 變狀이 진행하고 있는 경우에는 원인을 추적하고 빨리 그 원인을 제거하는 것이 필요하다.

여기에서는 구조물의 동적변위·변형이 아니고 구조물의 부재 또는 전체적 변위·변형에 대한 측정을 대상으로 한다.

2. 방법·수단

(1) 구조물에 變狀을 주는 외적원인 조사

①지반침하

(가) 지질도, 토질시험 및 압밀 시험자료수집

지반이 점성토인 경우 구조물이나 성토등이 재하중에 의해 압밀침하를 생기게 하지만, 지질도에 의해 압밀침하발생의 가능성을 판정하고 토질시험, 압밀시험 데이터에 의해 압밀침하량 산정 및 침하량추정을 행한다.

(나) 부근의 지반침하, 지하수 저하의 상황 및 환경변화의 조사

지하수를 다량으로 퍼올리는 공장지에서는 지반침하가 생긴다. 근처가 공장 지대화되는 등 구조물 건설당시와 현저하게 환경변화가 변화하는 경우는 주의가 필요하다.

②구조물의 지형상태와 환경변화

(가) 斜面 슬라이딩 조사 : 구조물이 사면상에 구축되어 있는 경우 지반변위, 사면슬라이딩 따위에 의해 변상을 생기게 할 염려가 크기 때문에 주의가 필요하다.

또 낙석이나 雪崩 등 과대한 충격하중을 받아서 변위가 있는적도 있다. 사면상의이 구조물에 조금이라도 변위를 발견했다면 조사르 엄밀히하여 변위 상태를 파악해 두는 것이 필요하다.

(나) 환경변화조사 : 하천유심의 변위, 河宋低下, 洗掘 등, 재래의 상태가 변화하는 경우, 또 사면의 법면이 하천의 침식에 의해 안정이 침해된 경우등, 구조물의 변위에 영향을 주는 환경변화가 있는 경우에는 이것들에 관해서 조사한다.

③ 近接시공의 영향

구조물에 근접하여 공사가 시공되는 경우, 지반의 굴삭이나 항타등에 의한 편압, 하중의 증가따위에 의해 지지지반에 영향을 주고, 구조물에 변위를 주는 적이 많다. 특히, 연약지반, 사면등에는 영향이 크기 때문에 주의가 필요하다.

④ 지진

지진은 구조물의 변위·변형에 큰 영향을 준다. 특히 연약 지반상 및 사면상의 구조물은 지진에 의해 變狀을 받기 쉽기 때문에 주의해야 한다.

(2) 교량의 변위 측정

① 교대, 교각의 경사측정<그림1>

교대, 교각의 Girder 놓을 자리는 橋축방향 및 橋軸직각방향에 측점을 만들어두고 수준기에 의해 경사를 측정한다.

당초 Girder 놓을자리가 수평한 경우에는 이것에 의해 경사가 측정될 수 있지만, 경사후 측점을 설치한 경우는 그 후의 진행도가 측정될 수 있다. 또 경사를 측정하는데는 천장에 추를 매달든가 트랜시트에 의한 연직선부터의 구제의 이탈을 측정한다.

② 교대 뒷부분의 성토의 침하 측정<그림2>

지반이 압밀침하를 일으키는 경우, 교대가 경사진 경우등에는 교대 뒷부분의 성토가 침하하는 경우가 많아서 교대上 및 성토上에 측점을 만들어, 그의 고저차를 수준기 또는 레벨을 이용해서 經時的으로 측정한다.

③ Girder의 변위 측정<그림3>

Girder의 橋軸 및 橋軸直角方向 變位를 측정하고 교대 또는 교각의 경사, 이동 따위의 변위를 알려고 하는 것이다.

<그림3>에 나타난 것 같이 교량의 양측어프로치에 기준점을 설치하고, 그 일직선상에 Girder의 축방향양단에 측점을 설치해두고 트랜시트를 이용해서 일직선상에 측점의 변위를 경시적으로 측정한다.

Girder의 교축방향변위는 가동부의 Shoe측정점을 정하여 Shoe이동량을 Scale등으로 측정한다. Girder는 온도의 상승에 따라서 신축하므로 Girder의 온도 혹은 대기온도를 측정해서 온도에 의한 신축량을 계산하여 구하고 측정치와 이 값을 비교해서 측정치가 異常値식를 나타낼 경우에는 교대, 교각의 변위를 검토한다.

(3)RC라멘고가교의 변위·변형 측정

①라멘교가교에서는 블록내, 인접 블록간에 부등침하가 생기는 경우가 많다. 그 측정에는 <그림4>에 나타나 있는 것과 같이 각주 부재에 레벨을 이용해서 측점을 설치하여 경시적인 측정을 한다.

교축직각방향의 기둥수가 2개이상인 경우에, 직각방향에도 측점을 설치하여 측정한다. 또 견고한 지반상에 기준점을 설치하여 측점과의 고저차를 측정해 두고 절대 침하량을 측정한다.

② 고가교의 수평변위 측정<그림5>

연속한 고가교의 슬라브上에 트랜시트로 일직선을 긋고, 선상에 측점을 설치하여 경시적으로 일직선상에 대한 偏倚量을 측정한다.

또 고가교의 접속이 맞닿는 식의 경우 접속부의 상슬라브 닮음량을 측정한다.<그림6>

3. 판정

구조물에 변위·변형이 생기는 경우는 그 구조물의 종별, 특성에 의해 건전도에 미치는 영향이 다르기 때문에, 해당 구조물의 사용상 및 안전과 응력에 대한 변위·변형의 한도를 검토하는 것이 필요하다.

예를 들면 경사의 변형에 대해서 교대와 옹벽은 그 변위의 한도는 동일하지 않고 또 침하에 대해서 단순 Girder형식의 교량과 연속Girder형식의 교량은 그 한도가 다르다. 따라서 변위·변형에 대한 판정의 기준으로서 다음과 같이 고려한다.

①구조물의 사용을 정지할 필요가 있을 경우

(가) 구조물의 계산상의 안정이 확보되지 않은 경우

구조물 경사에 의해서 轉例에 대한 계산상의 안전율이 1.0이하가 되는 경우등이다.

(나) 구조물 사용상의 허용변위량을 초과하는 경우이지만 구조물의 형식에 의해서 평면 도는 입체적으로 <그림7>에 나타난 것과 같이 단락, 어긋남과 같이 깎이는 경우가 있고, 각각의 경우에 허용 변위량이 다르다.

철근교는 궤도간격변동 허용치가 변위량의 한도가 된다.

(다) 변위·변형이 진행하고 있는 경우

변위·변형의 진행이 증대하고 있는 경우와 그 원인이 확인되지 않는 경우에는 특히 주의가 필요하다.

(라) 변위·변형량이 구조물의 응력상의 한도를 초과하는 경우

지진에 대한 구조상이 응력도가 그 허용치를 넘는다고 인정되는 경우이다. 이와같은 경우에 콘크리트에 과대한 균열 및 박락이 수반되는 것이 보통이다.

② 구조물의 사용을 정지시키지 않고, 변위·변형의 측정을 계속할 필요가 있는 경우

(가) 구조물의 변위·변형량이 사용상의 허용치를 초과하지 않지만, 변위·변형의 정지가 확인되지 않은 경우

(나) 구조물에 미세한 변위·변형이 생겼지만, 구조물의 안전에 관한 안전율이 1.5정도이상 확보되어 있는 경우

③ 구조물의 안전에 영향이 없다고 판단되고, 구조물의 사용을 계속할 경우

(가) 구조물에 변위·변형이 확인되었지만, 구조물의 안전에 영향이 없고 변위·변형의 진행이 정지해 있는 경우

(나) 구조물에 미소한 변위·변형이 있어도, 사용상의 허용치 이하이고 그 진행이 완전히 정지한 경우

Ⅱ. 균열발생 개소의 조사

1. 개요

콘크리트 구조물에 변위·변형이 일어나면 일반적으로 구조물에는 균열이 발생이 수반된다. 그 경우 變狀구조물에 균열이 발생하는 것이 보통이지만 교대가 경사진 경우등, 교대자체에는 균열이 발생이 없어도, 그것에 가설된 Girder등, 그것에 관련된 구조물에 균열이 발생하는 것도 있다. 이 것들의 균열은 콘크리트의 시공중 혹은 시공후에 생긴 일반적인 균열상태가 다르고, 균열의 폭 및 길이의 커다란 것이 수없이 발생하는 것이 보통이다. 그러나 구조물에 그와같은 균열이 명확히 확인되는 것은, 그 변상이 상당히 진행되고 난 후이기 때문에 예측되는 변위·변형에 따라서 균열이 발생하기 쉬운 개소를 중점적으로 검사하고, 이상한 균열을 조기에 발견하는 것, 균열이 발견되었다면 그 원인을 추적하여 신속히 그 원인을 제거하는 것이 필요하다.

2. 대상

여기에서는 RC료 및 라멘구조를 대상으로 한다.

3. 변위·변형에 의한 구조물의 균열 예

(1) RC Girder

①지보공의 침하에 의한 Girder 의 균열<그림8>

특징 : Girder의 스판중앙부 부근에 균열이 발생하고 균열폭이 비교적 큼

원인 : 콘크리트의 경화과정에 있어서 거푸집 지보공이 침하

②Girder 의 동일방향의 경사균열<그림9>

특징:균열발생 위치가 중앙부보다 지점부에 많다. 반대측면의 균열방향이 반대, 저면에도 동일방향의 경사균열 발생

원인 : Girder에 비틀림이 작용, 교대, 교각이 교축직각방향에 기울어져서 Girder가 3점 지지의 상태가 된 경우

③ 支承 부근의 균열<그림10>

특징 : Shoe의 Slip Plate부에서부터 조금 큰 금이 발생한다.

원인 Shoe가 설치불량으로 작동하지 않고 Girder의 신축에 의한 수평력이 Girder의 지승부에 작용, 또는 교대, 교각이 경사지고, 그 수평력을 지승부로지지.

④연속 Girder의 균열<그림11>

특징 : Girder의 중간지점 양측의 아래 끝에 크랙이 발생한다. 또 인접지점의 Girder상단에 균열이 발생한다.

원인 : 지점의 부등침하에 의한다. Girder선에 균열이 발생한 지점의 침하

(2) 교대, 교각

①Girder 놓을 자리의 균열<그림12>

특징 : Shoe의 앵카볼트로부터 Girder 놓을자리의 사면에 경사진 아래쪽 방향으로 균열이 발생한다.

원인 : Girder 의 신축에 대한 Shoe의 작동불량, 교대, 교각이 경사진 경우, Girder가 Sturt의 작용을 하고 과대 수평력이 Shoe에 작용하는 등.

②구체의 균열<그림13>

특징 : 구체의 하부에 경사방향으로 발생

원인 : Footong지지의 부정, 나무말뚝의 지하수저하에 의한 부식 따위의 원인에

③Footing의 균열<그림14>

특징 : 말뚝기초 Footing에 발생

원인 : 말뚝기초의 지지력 부정에 의한 과대 반력의 발생(나무말뚝의 부식, 콘크리트 말뚝의 이음불량, 현장타설말뚝의 Slime 제거 불량에 의한 지지력의 부정)

(3) 라아맨

①문형라아멘 上슬라브 균열 <그림15>

특징 : Span 중앙부에 비교적 큰 균열발생

원인 : Footing부의 수평반력의 지지력 부족(Footing의 이동, 회전) 양측성토의 침하에 의한 흙을 덮어쓴 하중의 증가

②라아멘고가교의 균열<그림16, 17>

특징 : 기중 상부의 수평균열, 종보의 Punch부 균열

원인 : Footing의 부등침하, 과대수평력의 작용

4. 방법·수단

각 구조물에 관해서 3에 나타나것 같은 구조물을 변위·변형에 의해서 균열발생하기 쉬운 개소를 예상하고, 그것들의 부분을 중점적으로 조사한다.

변위·변형에 의하면 생각될 수 잇는 이상한 균열을 발견한 경우에는 곧 균열의 진행상태를 조사한다. 또 균열폭, 길이를 측정하고 균열개소에 있어서 철근의 부착이 끊어진 상태 및 콘크리트 박락의 상태를 조사한다.

5. 판정

구조물에 변위·변형에 의한 균열이 발생하고 그 균열에 진행성이 인정된 경우에는 그 원인을 추척하고 신속히 그 원인을 제거해서 균열의 진행을 막는 것이 필요하다.

발생한 균열이 크고, 구조물이 파괴상태를 나타낸 경우는, 교체등의 근본적인 대책이 필요하다.

균열폭이 0.3mm정도를 초과하는 경우는 그 균열의 발생시기가 콘크리트 경화후인 때에는, 철근에는 降伏應力度 程度의 응력이 발생되어 있을 우려가 있고, 약간의 증가하중에 의해서, 구조물의 변형 및 균열폭의 증가가 진행되기 때문에 주의가 필요하다.

균열의 발생이 콘크리트 경화과 정중, 예를들면 거푸집의 변형, 지보공침하의 원인에 의한 것 등으로 생각되는 경우에는 균열폭이 크더라도 철근에 발생되어 있는 응력이 크지 않을 경우가 있기 때문에, 재하시험에 의한 휨 측정, 철근의 응력측정을 하여 그의 상태를 판정한다.

Ⅲ. 철근의 절취에 의한 응력측정

1. 개요

변위·변형을 만드는 철근콘크리트 구조물에는 그 구조물 형식에 따라 다르지만, 부재에 비교적 큰 응력이 발생하는 것이 보통이고, 콘크리트에는 균열, 박락 혹은 좌굴등의 현상이 발생한다. 콘크리트에 큰 폭의 균열이 수없이 발생하고, 변형량이 크고, 또 외력의 작은 증가에 대해서 변형량이 증대가 큰 경우에는 철근에 발생된 응력은 항복점 응력을 초과해 있고, 부재는 파괴상태라고 생각된다. 변상이 이와 같은 상태가 아니고, 콘크리트이 균열은 발생해 있지만 그 폭도 적고 개수도 작고, 철근부착부가 떨어지는 현상이 없는 경우, 구조물에 대한 조치 판정하기 위해 철근이 작용한 응력의 추정이 필요하게 되는 것이 있다.

철근에 발생한 응력은 콘크리트 균열폭 및 균열사이로부터 철근의 연신량을 구하고, 계산에 의해서 대략 수치를 구할 수 있지만, 필요에 의해 철근을 절취하여 응력을 구한다. 그러나 일반적으로는 철근응력의 증가량 측정이 보통이고, 작용하고 있는 응력측정에는 철근을 절단할 필요가 있고, 구조물의 내력을 감소시키기 때문에 사후 조치를 충분히 하지 않으면 안된다.

2. 방법·수단

(1) 철근에 작용하는 응력측정<그림18>

콘크리트 균열이 발생한 부분의 철근 1개를 50cm이상의 길이를 깎아 내고, 균열부분의 철근표면을 문질러 닦고 스트레인게이지를 붙여 그 상태로 인디게타를 읽을수 있다.

다음에 철근을 가스 따위로 절단하고 그 변형량을 읽을 수 잇다.

이 경우 열이 스트레인게이지에 전해지지 않도록 철근을 젖은 천 따위로 감아서 충분히 냉각해야 한다. 단, 절단시 부재변위의 증대에 주의할 필요가 있다.

(2) 재하에 의한 증가응력의 측정

부재에서 가장 큰 응력이 발생하는 장소에 콘크리트를 깎아내고, 철근을 노출시켜 표면을 닦아 내고 스트레인게이지를 붙인다.

구조물에 작용하는 하중(설계하중)보다 작은 하중을 재하시켜 변화량을 측정하고 부재의 균열, 변위량을 측정하면서 점차적으로 재하중을 증가하고,

설계하중까지의 변형을 측정한다.

3.판정

(1) 철근을 절단한 경우

측정된 변형량에 철근의 탄성계수를 곱해서 응력도가 구해지지만, 철근을 절단한 경우, 작용하고 있던 사하중응력과 변위·변형에 의한 응력이 동시에 측정되기 때문에 설계계산보다 사하중에 의한 응력을 구하고 변위, 변형에 의한 응력을 판정한다. 그이 사하중 및 변위·변형에 의한 철근응력에 설계계산서에 의한 재하중의 응력을 가산한 수치가 철근의 하용응력도 이하가 되는 경우는 구조물의 사용이 가능하다. 단지 절단한 철근에 관해서는 충분히 보강의 조치가 필요하다.

(2) 재하중에 의한 응력을 측정한 경우

재하에 의한 증가응력의 측정을 행한 경우는 각 단계마다의 재하중에 의한 변형량의 측정과 동시에 균열폭, 길이, 개수 등 진행도의 측정 및 변위량의 측정을 행하고, 이것들에 이상이 인정되는 경우, 변위·변형을 받은 시기에 철근에는 상단히 큰 응력이 발생해 있고, 그 후 재하중에 의해서 철근의 降伏點응력도를 초과할 염려가 있으므로 재하 및 구조물의 사용을 중지하지 않으면 안된다.

재하중에 의해 균열의 진행이 인정되지 않고 철근의 변형이 탄성적이고 재하중을 제거했을 때에 잔류 변형이 없고, 또 부재의 변형량에도 잔류가 인정되지 않은 경우는 철근응력이 降伏點응력도 이하라고 판단되므로 구조물의 사용이 가능하다. 그러나, 이 경우 철근의 내력이 허용응력도를 상회하고 있는 것이 있고, 그 후 지진등의 큰 외력을 받은 경우 구조물에 큰 상태의 변화가 생길 염려가 있으므로 항상 주의깊게 관찰하여야 한다.