콘크리트구조물 결함의 조사 6

콘크리트 構造物 缺陷의 調査

F. PRE-STRESS 不足과 構造物 耐力 부족

Ⅰ. Pre-Stress 부족

1. 재하시험

PC구조물에서 프리스트레싱의 관리불량, 케이블정착부의 시공불량, PC강재의 이완 또는 파단등이 있고, 프리스트레스가 부족한 사태가 발생한다. 프리스트레스가 부족한 PC구조물에는 活荷重 제하시 또는 사하중만 재하한 경우에도 균열이 발생한는 경우가 있고, 장기게 걸친 변형량등도 이상을 나타내고, 구조적으로 가장 위험한 상태를 나타낸다.

PC Girder에서 프리스트레스 부족에 의해 발생하는 균열로서 휨 균열이 생각되는데 이 휨 균열의 상태에 대해서는 균열이 항상 개구되어 있는 것과 활하중재하시에만 개구되는 것으로 나눌수 있다.

또한 시간의 경과에 따라 상태가 진행하는 것과 진행하지 않는 것이 있다. Girder에서의 휨 균열은 구조의 주요부에 발생한 결함이라고 말해지는 것으로, Girder의 내력 및 내구성에 미치는 영향은 크다. 이와 같은 Girder의 내력을 확인할 경우, Girder에 활하중 또는 靜的인 하중을 재하하여, 이때의 부재의 변형, 처짐등을 측정하고 동시에 균열의 거동을 관찰하여, 그 측정치를 근거로 하여 내력추정을 하는 것이 보통이다. 정하중재하의 상태에서 균열의 개구가 보이는 경우는 프리스트레스의 손실이 크다고 생각되며, 이와 같은 Girder 는 활하중재하에 의한 PC강재의 응력변동이 과대해지면, 강재의 파노내력에서 생각하여도 위험한 상태에 있다. 활하중재하에 의해 균열이 개구되는 경우는 균열개구의 시기, 균열개구전후에서의 부재거동을 확인하고, 프리스트레스가 어느 정도까지 유효하게 작용하고 있는지를 확인할 필요가 있다.

PC구조물의 내력을 확인하는 주요한 사항의 한가지는 유효프리스트레스량을 아는 것인데, 부채에 작용하고 있는 유효프리스트레스 값은 그 구조물 시공시의 제조건 및 시공후의 콘크리트의 건조수축이나 Creep에 의하여 변화되므로 이것을 정확히 구하기는 곤란하며, 유효프리스트레스량을 직접적으로 측정하는 방법은 실시되지 않는다. 단, 하중의 증대에 의해 부재인장부의 콘크리트에 균열이 발생하여 하중이 없어지면 그것이 폐합되는 상태인 경우에 균열부 및 그 주변의 변형의 거동을 동시에 부재의 변형상태를 측정하여 이러한 측정결과에서 그 부재에 작용하고 있는 프리스트레스의 개략치를 추정할 수는 있다.

PC(단순) Girder에 하중을 걸어 이것을 서서히 증대시켜 가면 재하에 의한 휨 모멘트에 의해 Girder하단에 발생한 인장응력도, 하단 작용되어 있는 프스트레스와 Grider 하단에 발생한 인장응력도, 하단 작용되어 있는 프스트레스와 Girder에는 휨균열이 발생한다. 다음에 이 균열 발생상태에서 하중을 감소키고하중에 의한 하단응력이 이 위치에 프리스트레스와 같아지면 균열은 닫혀진다. 이때부터 하단의 프리스트레스는 비로서 유효하게 작용하기 시작하여, 균열이 벌어지지 않는 하중범위에서는 이 Girder는 다시 균열 발생전의 상태와 같게 작용한다. 반복 재하를 받는 PC Girer의 처짐 및 변형의 상태를 <그림1>에 나타냈다. 그림에 나타낸 것처럼 PC Grider에는 균열이 발생하여도 그 개구전의 상태는 等質材料로 된 탄성상태를 나타내고, 변형 처짐 모두 각회의 측정치에 큰 차는 나타나지 않는다. 따라서 재하시험의 과정에서 균열재개까지의 변형을 균열부 및 그 부근에서 측정하고, 한편 이때의 단면력을 확인하여 Grider에 작용할 유효 프리스트레스량을 추정할 수 있다.

2. PC강재 표출-절단에 의한 인장응력의 측정

프리스트레스 콘크리트에서 PC강재에 작용하고 있는 인장응력을 직접확인하는 방법으로서, 콘크리트를 떼어내고 PC강재를 노출시켜서 여기에 Wire - Strain Gauge를 붙여서 강재의 일부를 절단하여 응력을 개방하고, 개방시의 변형을 측정하여 그 측정치에서 유효인장응력도를 구하는 방법이 실시되는 경우가 있다. 이와 같은 방법에 의해 시공 후 20여년간 공용된 Girder에 이용된 PC강선(Φ5)의 유효인장응력도를 조사한 시험예가 있다. 이것에 의하면 응력개방에 의해 실측된 변형에서 구한 PC강재인장응력도는 개방직후에 직선상케이블에서 68.0kg/㎟, 곡선상케이블에서 59, 28, 70, 42, 74, 27,76, 06kg/㎟이었다.

이 Girder의 시공시에 있어서 프리스트레스 도입시의 케이블 인장단의 강선인장응력도는 직선상 케이블에서 102 kg/㎟, 곡선상케이블에서 110kg/㎟ 편측인발에 의해 나타났다. 긴장작업시의 PC강선과 Sheeth 사이의 마찰, 콘크리트의 탄성변형, PC강선의 리락세이션 및 정착시의 Set량등을 가정하여 계산하면 직선상케이블에서 σpt= 87.2KG/㎟, 곡선상케이블에서 σpt= 91.1KG/㎟로 되며, 각각의 측정결과에 대한 비율은 68.04/87.2=0.78, 59.28/91.1=0.65, 70.42/91.1=0.77, 74.27/91.1=9.82, 76.06/91.1=0.83으로 된다.

이러한 값은 일반적인 설계계산에서 얻어진 값에 가까운 것이라고 생각되는데, 응력개방시의 작업에 의해 상당한 차이가 나타나 점에 주의해야 한다.

Ⅱ. 구조물의 내력 부족

1. 설계계산에 의한 조사

(1) 개요

콘크리트 구조물에 과도한 균열이 발생한다든지, 균열의 진행이 확인된는 경우나 콘크리트의 박락등 단면의 훼손도가 큰 경우, 철근의 부식도가 큰 경우, 설계하중보다 큰 하중이 재하되는 경우, 처짐이 설계치에 대하여 큰 경우 등에는 단면의 상태를 파악하여 응력을 CHECK할 필요가 있다.

구조물의 설계도면이 없는 경우나, 시공상의 이유등에서 실단면과 설계단면에 차이가 있을 염려가 있는 경우, 콘크리트나 철근 PC강재의 단면결손이 큰 경우 등에는 실구조물의 주요단면에 대하여 측정을 하여 실단면, 유효단면을 구한다.

(2) 방법, 수단

①설계도에 의해 부재구조치수, 단면치수, 철근종류, 직경, 개수, 피복두께등을 조사하고 설계계산서에 의해 중립축이 위치, 휨, 전단, 부착응력도등을 조사한다.

②재하중의 조사

재하중의 실하중중량을 조사하고 설계하중과 비교한다. 또한 하중이 열차하중이나 자동차하중인 경우, 큰 충격을 발생시키는, 요인, 예를 들어, 철도교의 경우, Girder위의 레일이음의 유무나 그 상태등에 대해서는 조사한다.

③유효단면의 측정

(가) 부재치수의 실측

부재의 외형치수를 Sted Tape로 측정한다. 기둥·보 양부재등은 쉽게 측정할 수 있는데, 벽·Slab부재등에 대해서는 필요에 따라 구멍을 뚫어 측정한다. 콘크리트가 박락되어 있는 경우는 그 깊이, 면적을 구한다. 또 콘크리트 표면의 기지가 있는 경우는, 햄머로 두들겨서 음을 듣고 탁음인 범위를 조사하여 그 면적을 구하고 2-3개소 콘크리트를 떼어내서 그 깊이를 잰다. 피복두께는 균열이 커서 철근이 보이는 경우는 얇은 철판등을 삽입하여 측정하는 데, 일반적으로는 철근심지기를 써서 간접적으로 측정하거나 부재의 응력이 작은 곳에서 콘크리트를 제거하고 직접 측정한다.

철근심지기는 깊이 10cm정도까지 재는데, 철근경을 모르고 피복 두께를 구할 수는 없다.

(나) 배근 및 철근의 단면 측정

콘크리트내의 배근을 조사하는 데는 철근심지기의 사용이 편리한데, 배근상태의 부정, 철근의 이음, 배근교차등이 잇으면 정도는 나빠진다. 따라서 부분적으로 콘크리트를 절취하여 배근상태를 확인하고, 전체적으로 추정한다.

부재두께가 작은 개소의 강재위치 상태는 X선 사진에 의해 검사할 수 있다.

철근의 노출되어 부식되어 잇는 경우에는 녹을 떨어뜨려 그 실단면을 측정한다. 철근의 노출되어 있지 않고 사용되어지는 철근종류등의 불분명한 경우에는, 부분적으로 콘크리트를 떼어내고 철근을 노출시켜 부식상태를 조사하고 녹을 떼어내서 실단면을 측정한다. 또한 콘크리트와 철근의 부착상태를 잘 관찰한다.

PC부재에서 콘크리트 떼어내는 경우에는 응력상태에 대해서 충분히 검토하고, 영향이 적은 개소를 작은 부분으로 한정시켜서 실시한다.

(3) 내력의 판정

①RC 부재

부재단면치수, 철근의 단면적, 개수, 배근위치, 부착상태에서 부재의 내력을 철근콘크리트 계산식에 의해 계산하고 외력에 의한 단면력이하로 되지 않는가를 확인한다.

내력의 계산은 다음 사항에 대하여 검토한다.

(가) 휨 모멘트에 대한 탄성계산에 의한 내력

콘크리트와 철근의 각각으로부터 정한 저항모멘트를 계산하고, 작은 값을 휨모멘트에 대한 내력으로 한다.

(나) 전단력에 대한 탄성계산에 의한 내력

콘크리트의 허용전단력에서 구해진 전단내력, 비틀림 내력 및 절곡철근, 스터럽에서 구해진 전단 내력, 스터럽, 축방향철근에서 구해진 비틀림 내력을 계산한다.

(다) 부착응력도에 대한 내력 콘크리트와 철근이 부착상태에서 추정되는 부착응력도에서 구해진 전단내력을 계산한다.

(라) 기둥부재에서의 허용중심 축방향 내력

②PC부재

PC부재에서는 현재부재에서 작용하고 있는 유효프리스트레스의 량이 문제로 된다. 프리스트레스는 도입후 콘크리트의 Creep, 건조수축, 강재의 리락세이션, 정착구의 Set등에 의해 감소되는데, 작용하고 잇는 프리스트레스를 측정하는 것은 곤란하다.

따라서 PC강재게 건전하지만 콘크리트 단면에 결손이나 공동등이 있는 경우에는 그 실단면에 대하여, 프리스트레스를 설계 계산서의 값을 써서 내력을 계산한다.

정착부시공불량이나 Sheeth내의 Grout주입 불안전등에 의해 PC강재에 파단 혹은 늘어짐이 잇는 겨우는 재하시험등에 의해 내력을 추정할 필요가 잇다. 강재가 늘어진 경우에는 그 상태에 따라서는 철근콘크리트와 같은 구조상태로 되는 경우도 있으므로, PC 강재를 철근으로 置擴시킨 철근콘크리트로서의 내력도 검토한다.

2. 재하시험

(1) 개요

콘크리트 구조물에 변형이 발생하여 그 내력이 문제시되는 경우에는 재하시험을 실시하여, 부재의 변형 및 처짐을 측정하고, 응력상태, 변위량, 강성, 하중분포, 콘크리트의 영계수등을 구해 구조물의 안전성을 판정한다.

재하시험의 장점은 작업하중에 대한 구조물의 안전성을 직접 판단할 수 잇는 점인데, 일반적으로 그 규모가 커지며, 또한 구조물의 사용상황이나 지형조건, 계측기구의 설계조건등에 따라서 시험개소가 제약되는 경우도 있으므로 당초의 계획을 충분히 검토하여 실시하여야 한다.

재하시험은 시험장치 및 시험의 안전성 면에서 Girder부재, Slab부재에서의 연직방향재하시험이 일반적인데, 고가교의 기둥부재등을 대상으로 하는 수평방향재하시험도 실시된다

(2) 방법·수단

①시험개소의 선정

계산상응력도 및 처짐의 큰 개소계산치와 실측치의 비교하기 쉬운 개소를 원칙으로 선정하는데 구조물의 사용상황, 변형상태, 측정의 난이 등을 검토하여 결정한다.

②재하방법

재하는 일반적으로 구조물에 작용하는 활하중에 의하는데, 필요한 경우에는 구조물위에 활하중을 정지시켜 정하중의 상태에서 재하한다. 또한 수평력을 작용시키기 위해 구조물 위에서 활하중을 급정지시키는 경우도 있다.

고가교에 정적으로 수평하중을 작용시키는 경우등에도 Jack하중을 쓴다.

이와같은 겨우, Jack은 기둥두부등에 수평으로 설치하기 위한 지지대를 설치한다. Jack반력은 인접 구조물의 안정을 검토하여 거기에 작용시킬 수 있다.

구조물의 하중작용점에는 침목을 끼워 그곳에서 끊고, 원좌 및 LoadCell를 끼워서 Jack을 설치하고, 각각의 축선을 일직선상으로 하여 편심을 받지 않도록 한다. 하중은 최초 예비하중(작용하중의 1/10정도)를 가하여 각 접속부를 점검한다. Jack 하중은 Load Cell에서 읽고, 유압계의 읽음값은 참고로 하는 것이 좋다.

③측정용기기

(가) 응력측정용

Strain Gauge : 콘크리트용, 철근용

변형계기 : 동적측정인 경우 : 동변형계, 증폭기 및 기록장치

정적측정인 겨우 : 정변형계, 측점이 많은 경우는 Switch BoX

(나) 변위측정용

변위계 : 동적측정인 경우 : 기계적, 전기적변위계 및 측정계기, 피아노선, 스프링

정적측정인 경우 : 다이알게이지 또는 기구적 전기적 변위계

④ 변형의 측정 <그림2>

(가) RC구조물

압축부는 콘크리트에 인장부는 주철근을 노출시켜서 거기에 Strain Gauge를 붙이는데, 콘크리트는 Young 계수가 불명확한 경우가 많으므로 압축부도 철근에 붙이는 것이 바람직하다.

노출된 철근의 Strain Gauge를 붙인 부분은 평활하게 마무리한다.

구조물의 변형은 일반적으로 재하중에 의한 것만의 측정이 가능한데, 특히 사하중에 의한 변형을 구하는 경우에는, 철근에 Starin Gauge를 붙인 후 철근을 절단하여 그 줄어든 양을 측정한다. 이때, 철근을 가스에 의해 절단하여 그 줄어든 량을 측정한다. 이때, 철근을 가스에 의해 절단하는 경우등, 그 열이 Strain Gague에 영향을 미치지 않도록 주의한다. 또한 이 방법은 철근에 약점을 발생케하고, 내력을 감소시키므로 사후처리를 충분히 하여야 한다.

(나) PC구조물

PC구조물은 일반적으로 콘크리트에 Strain Gauge를 붙여서 변형을 구하는데, Young계수가 불명확한 경우에는 콘크리트를 떼어내고 철근을 노출시켜, 여기에 Strain Gauge를 붙여서 철근의 변형을 구하며, 이 응력을 산출하고 콘크리트의 추정 young계수를 충당하여 철근의 콘크리트 응력도를 산출하는 경우도 있다.

⑤변위측정 <그림3>

동하중에 의한 Girder의 연직변위는 통산 Span중앙점에서 측정하는데, 지점의 침하가 따르는 경우에는 그 침하량도 측정한다.

변위는 기계적 또는 전기적인 변위계를 써서 측정하는데, 측점에 플러그를 설치하여 거기에서 피아노선을 내리고 스프링을 끼워 부동점에 설치하고 그 사이에 계기를 설치한다.

부동점이 동하중에 의한 지반진동의 영향을 받을 염려가 있을 때는 보링공을 지지층까지 뚫고, 철관을 매입하고, 그 속에 직경이 큰 철근을 타입하고 그 두부를 부동점으로 한다.

(3) 판정

① 응력도에 대한 판정

재하시험에 의한 콘크리트 및 철근등의 변형 측정치에 각각의 YOUNG계수를 곱함으로서 응력도가 얻어진다. 그러나 이 값은 재하중에 의한 응력도이므로 사하중에 의한 값은 포함되지 않는다.

따라서 응력도의 검토에는 사하중에 의한 응력도를 계산으로 구하고, 이것을 측정치에 더하여 종합적으로 판단하여야 한다.

콘크리트의 강도는 코아채취에 의한 강도시험 또는 비파괴강도시험에 의한 결과를 사용하는데, 강도의 변동을 고려하여 측정치의 80%정도를 한계치(σcu)로 하는 것이 좋다.

콘크리트 허용응력도는 이 한계치를 안정율로 나눠서 구하는데, 안전율은 일반적으로 3으로 해도 좋다. 철근의 허용응력도는 철근의 종류에 따라 판정하는데, 그 값은 콘크리트 표준시방서에 나타난 값을 사용한다. 또한 철근이 絳狀點응력도는 KS규격치를 사용한다.

(가) RC구조물

a. 재하시험 및 사하중계산에 의한 콘크리트 및 철근의 응력도가 각각의 허용응력도를 넘지 않는 경우는 건전하다고 판정해도 좋다.

b. 콘크리트의 응력도가 허용응력도를 넘거나 降伏點응력도를 넘지 않는 경우에는 변형에 의한 파괴는 없다고 생각되는데, 구조물은 내력부족이며, 보강등의 수단을 강구해야 한다. 또한 한계치의 75%값은 안전율 1.3정도의 값이며, 이 경우의 콘크리트의 변형은 파괴시에서 변형의 대략 1/2정도로 되고, 변형의 의한 파괴가 발생하는 경우는 없다고 생각된다.

c. 콘크리트의 응력도가 강도한 계치 бcu의 75%정도를 넘거나 철근의 응력도가 降伏點응력도 한계인 경우에는 균열의 진행이나 변위의 증가등 변형이 커지며 파괴될 염려가 있으므로 빨리 보강, 대체 등을 할 필요가 있다.

(나) 무근 콘크리트 구조물

콘크리트의 압축응력도는(가)의 RC구조물에 준한다. 콘크리트의 인장응력도가 3kg/㎠정도 이하인 경우는 일반적으로 건전하다고 보아도 좋으나 이것을 넘는 경우에는 주의할 필요가 있다.

(다) RC구조물

PC구조물의 내력을 판정하는 경우에는 유효 프리스트레스량을 알 필요가 있다. 그러나 구조물에 작용하고 있는 유효 프리스트레스량은 콘크리트의 재질이나 프리스트레스의 도입량등 시공상의 조건에 따라 차이가 있고., 또 콘크리트의 Creep나 건조수축등에 의해 변화하는데, 그 값을 직접적으로 측정하는 적절한 방법은 없다. 이 때문에 유효 프리스트레스량은 콘크리트의 품질, 시공과 프리스트레스의 도입의 긴장관리 설계시방서와 같은 양호한 상태이면 설계 계산서에 나타낸 유효프리스트레스량을 사용해도 좋으나, 재하시험시에 균열의 발생 유무를 잘 관찰하여 그 상태에 따라 검토한다.

a. 균열이 발생하지 않는 경우 주요구조물의 부재는 일반적으로 설계하중에 따라 휨인장부애 인장응력이 발생하지 않는다. 즉 Full-Prestressing방식으로 설계되어 있다. 따라서 재하중시에 균열이 발견되지 않는 경우는 프리스트레스가 유효하게 작용학도 있고 휨응력에 대하여 안전하다고 판정된다. 콘크리트의 응력은 재하중에 의한 응력외에 유효프리스트레스 및 사하중에 의한 응력을 더하여 검토한다.

b. 재하중시에 균열이 없고, 재하시에 인장부에 균열이 발생하는 경우는 재하시험에 의해 균열부 및 그 부근의 균열발생 및 균열 개구시의 변형을 구하고, 콘크리트의 Young계수를 판정하고 유효프리스트레스를 추정할 수 있다.

이 추정유효유효프리스트레스를 사용해서 재하시의 변형으로부터 인장응력을 추정할 수 있고, 또 전체적인 응력상태를 추정할 수 있다. 일반적으로 PC부재에서는 재하시의 인장응력의 변동은 유효프리스트레스량에 따라 차가 있는데 0-80kg/㎠정도의 범위가 보통이며, 측정결과가 이것을 상회하는 경우에는 도입프리스트레스의 부족, 정착부불량, 강재의 이완이나 파괴등에 대하여 충분히 조사하고 적절한 처치를 취할 필요가 있다.

c. 사하중시에 균열이 발생되어 있는 경우

사하중에 의해 인자부에 균열이 발생되어 있는 경우에는 유효프리스트레스량은 소실되어 있으므로 철근 콘크리트라고 생각되어야 한다. PC부재가 휨응력에 의해 균열이 발생되지 않는 경우에는, 부재 전단면이 유효하게 작용하므로 PC강재의 재하시의 응력변돈은 일반적으로 5kg/㎠정도 이하인데, 균열이 발생한 경우, 균열이 발생되어 있는 범위의 인장응력은 전부 강재에서 받게 되어, 재하중시의 응력변형은 수배로 된다. 이것은 바로 부재의 파괴에 이른다고는 할 수 없으나, 균열도 진행되고, 강재의 부식도 발생하여 위험한 상태이기 때문에 바로 조치를 강구하여야 한다.

②변위에 대한 판정

재하중에 의한 부재의 지점침하등이 있는 경우는, 그것들을 제외하고 변위량을 구해, 계산치와 비교하여 그것보다 작거나 또는 그 값이 허용 변위량 이하인 경우에는 그 구조물을 건전하다고 볼 수 있는데 변위로부터 부재의 강성 및 콘크리트의 Young계수의 저하나 하중분배의 상태등에 대하여 검토한다.

일반적인 경우, 변위의 실측치와 계산치는 상당히 달라서 실측치가 계산치 보다도 작다.

이것은 예를 들어 Girder의 경우 변위의 계산치, 유효단면으로 고려하지 않은 Girder위의 배수구배 콘크리트, 보도, 난간등이 Girder와 일체로 되어서 움직이기 때문이며, 변위의 계산에는 이러한 영향을 고려한 Girder의 단면 2차 모멘트를 사용할 필요가 있다. <그림4>참조

Girder변위의 실측치가 계산치와 비교하여 이상하게 작은 경우에는 Girder 지승부의 작동불량이나 교대의 전방경사에 의해 파라페트가 Girder를 누르고 있는 상태 등, Girder에 구속력을 가하고 있는 경우가 있으므로 그것들에 대하여 검토가 필요하다. RC Girder에서의 설계시의 변위계산은 전단면유효로 하여 계산을 하는 경우가 많은데, Girder에 균열이 발생하면 강성이 저하하므로 변위량은 증가한다. 일반적으로 균열 발생상태에 있어서는 Girder의 유효단면에 대하여 단면 2차 모멘트를 80-60%로 감소시킨 값을 써서 계산한 변위량과 실측치가 일치되는 예가 많다. 따라서 실측변위량이 이 계산치를 넘는 경우에는 균열등에 의한 강성저하에 주의하여야 한다.

Girder에 있어서의 허용변위량은 일반적으로 l/1000(l은 Span)정도로 주어진다.(일본 신간선 dl/1800) 일본의 예는 다음과 같다.

철도교에 있어서의 PC Girder의 변위 실측치는 활하중의 종류, 주 Girder에 따라 달라지는데

으로 나타내면, u는 재래선에서 50-400, 신간선에서 0-200의 범위이며, 그 평균치는 재래선에서 130-180정도, 신간선에서 Span에 따라 일반적인 변위는

를 목표로 할 수 있다.

PC Girder에서 재하시험과 다르지만, 프리스트레스를 도입하면 반발상승이 발생한다.

이 반발상승은 콘크리트의 Creep에 의해 진행되고, 대략 최초 1년간에서 80%정도 진행하면, 3-5년에서 종료된다고 한다. 반발상승량은 프리스트레스량, 콘크리트의 young계수, 건습의 환경조건등에 따라 달라지는데 철도교에서의 실측치는

으로 나타나고 μ는 재래선에서 50-450의 범위이며, 평균치는 대략 150-200정도이다.

따라서 반발상승량이 이상한 경우에는 프리스트레스의 과대, 사하중중량의 과소, 콘크리트 재질에 열화등에 중의를 기울여야 한다.

3. 진동시험

(1)개요

교량의 하부구조는 건설된 후부터 년수가 경과함에 따라 활하중의 증가, 구체의 열화, 기초의 약화 등에 의해 건전도가 저하된다. 구체의 열화, 기초부의 약화는 벽돌조나 석조인 것의 동해나 침식등에 의한 줄눈끊김, 유수의 충격이나 지진, 지반침하등에 의한 구체의 균열이나 줄눈끊김, 홍수시의 세굴아나 유심의 이동에 랝나 하상저하의 의한 근입부족, 지반침하, Footing의 시공불량, 변형에 의한 지지력부족등이 있다.

이러한 하부구조의 건전도를 판정하는 방법으로서 진동시험, 동적침하량측정, 경사도측정, 구체의 강도시험 등으로 판단하는 것이 좋다.

진동시험은 주행하중이나 기진기에 의한 구조물의 진동특성(진폭, 주기, 진동파형등)을 측정하고 표준치와 비교하고 또 경시적인 진동파형의 상위를 검토하여 건전도의 판정에 도움이 되는 것이다. 또한 진동시험과 동적침하량 측정은 병행하여 실시하는 것이 좋다.

(2) 대상 구조물

벽돌조, 석조, 무근 및 RC조교대, 교각

(3) 진동시험

①주행활하중(열차하중)에 의한 진동시험

(가) 진동계는 일반적으로 교대, 교각의 천단에 설치하는데, 천단과 지반면 또는 수면 사이에 2-3개소 설치하면 더욱 좋다.

(나) 교각의 진동에는 Girder의 진동영향이 있으므로 Girder의 진동도 측정한다. 특히 긴 Span Girder인 경우에는 영향이 크다.

(다) 진동은 일반적으로 교축방향의 진동보다도 교축직각방향의 진동이 크므로 주로 교축지각방향의 진동을 측정한다. 단, Girder가 불건전한 경우나 교각이 Slender한 경우에는 교축방향의 진동이 크다.

(라) 주행하중은 저속도와 고속도의 사이를 3단계정도로 나누고 각 단계마다 3회 측정한다.

②기진기에 의한 진동시험

(가) 측정할 교대, 교각의 천단에 기진기를 고정하고 또 진동계를 설치한다.

(나) 측정은 저회전부터 10-20rmp정도로 단계적으로 회전수를 높여 일정하게 유지하고, 그때의 진동을 기록한다. 일반교대, 교각은 Rocking진동의 성상을 나타내는 경우가 많고, 공진점은 100-300rmp부근에 있으므로 일반적으로 500rmp정도까지 측정하면 충분하다.

(다) 교대, 교각의 진동이 배선형인 경우에는 회전수를 서서히 증가시킨 경우의 진폭과 서서히 감소시킨 경우의 진폭이 다르므로 공진점부근에서는 주의한다.

(라) 기진기는 교대, 교각의 천단에 설치시키므로 대형의 것은 그다지 사용되지 않으나, 기진력이 작으면 진폭을 읽기가 곤란하게 되므로 출력 500-600kg회전수 600rmp 정도의 것이 적당하다.

③동적침하량 측정

(가) 교대, 교각의 하천위 및 하천아래의 2개소에 측점을 설치하고 <그림5>에 나타낸 것처럼 피아노선 변위계등에 의해 주행하중에 의한 연직침하량을 측정한다. 부동점의 위치는 교각의 주변에서 1.5m이상 떨어진 곳으로 한다.

<그림5> 침하계의 설치

(나) 구체에 균열이나 이음등이 있는 경우에, 구체의 변위를 대상으로 하는 경우에는 그 문제개소를 사이에 두고 상하로 측점을 설치한다.

(다) 주행하중의 교대, 교각에 대한 최대반력을 계산에 의해 구해둔다.

(4) 기록의 정리

①주행활하중에 의한 진동시험

(가) 진동기록의 읽기

측정된 각각의 기록에 대하여 하중이 측정하는 교각의 전방교각에서 다음 교각에 이르는 사이의 진동부분을 취한다. 단, 교량의 연속수가 많을 때에는 다른 Span위에 재하되어 있는 경우에도 큰 진동을 일으키는 경우등도 있으므로 기록 전체에 대하여 검토하고, 정의의 범위를 정하는 것이 좋다.

(나) 주기 0.05초(반주기0.25초)이하인 진동의 소거

<그림6> 진동측정의 정리

<그림6(a)>에 나타낸 것처럼 주기 0.05초 이하의 진동을 소거한다.

(다) 최대진폭 및 주기의 읽기 각 측정기록에 대하여 진폭이 가장 큰 곳의 진폭을 읽는다.

이 기록진폭 A에서 실진폭 a를 구한다. V를 배율로 하면 실진폭은 다음식으로 구해진다.

a=A/V, V=K_c/K₀·N

K_c : 검정시의 기록 진폭(mm)

K₀ : 검정시의 상당진폭(지시계표시 mm)

N : 진폭측정의 감도

주기는 최대진폭개소의 파장(λ)을 읽는데 진동파형의 주기가 긴 것과 짧은 것이 중복이 되어 있는 경우에는 <그림6(b)>에 나타낸 것처럼 파형의 요철 중심을 취하여 결합하면 장주기인 것을 구할 수 있다.

또, 파형이 기록중심선과 교차하는 점에서 수선을 내력, 각각의 시간(반주기)을 단위 0.01초로 측정하고, 인접 반주기와 한 개씩 중합시켜 주기를 구하고, 그 값을 2사3입하여 소수점 이하2위를 5로 정리하여 각각의 주기가 나타나는 회수 중 가장 많은 것을 교각진동 주기로 한다.

만약 같은 회수의 주기가 있으면 긴 쪽을 이용한다. <그림6(c)>

기록파형에서 읽은 주기에서 구조물의 주기 T는 다음식으로 구할 수 있다.

T=λ/v(s)

여기서, v : 기록지의 속도(mm/s)

(나) 기진기에 의한 진동시험

<그림7> 공진곡선

진동기록에서 <그림7>과 같이 기진기의 회전수와 , 진폭의 관계도를 그리고, 여기에서 공진주기, 공진진폭, 대수감쇠율을 구한다.

공진진동수 = n₀, 공진주기, 공진진폭 A=a, 대수감쇠율

(다) 동적침하시험

측정된 침하량에서 단위침하량 δp를 다음식으로 구한다.

여기에서 δ: 침하량(mm) , p : 주행하중에 의한 교각최대반력(t)

상류측, 하류측 침하량을 측정하고 그 침하량을 각각 δ₁,δ₂로 하면

단위침하량    

단위침하량의 차    

구체중간부의 균열이 상, 하의 침하량 δ₁,δ₂를 측정한 경우     

(5)판정

①주행활하중에 의한 진동시험

진동파형은 교대, 교각기초의 상태, 구체의 상태, 하중등에 의해 달라지며 파형의 물리량도 그것에 따라 달라지는데, 교대, 교각의 건전도는 주로 물리량으로부터 추정되는 경우가 많고, 파형은 국부적인 결함을 나타내는 경우가 많다. 따라서 건전도는 우선 물리량에 의해 개략적으로 판단하고, 파형의 특징으로부터 국부적 결함을 읽는 것으로 한다.

(가) 물리량과 건전도

a. 높이가 15m 이하인 경우 : 높이가 15m 이하인 보통의 교대, 교각의 교축직각방향의 구체진동은 탄성변위가 거의 없고, 강체운동이라고 볼 수 있다. 이 경우 물리량과 건전도의 관계는 <표1>과 같다.

<표1> 진동의 물리량과 기초의 상태

b. 높이가 15m이하인 경우 : 다음식에 의해 교각계수를 계산하고, 진폭이 <표2> 의 한계치를 넘지않는 경우 건전하다고 판정한다. <그림7참고>

<표2>진폭의 한계치

<그림7> 공진곡선

<그림8>

 
식중 는 기초 저면의 교축방향에 관한 단면 2차 모멘트이다.

(나) 진동파형과 교각의 상태

<표3>은 대표적인 파형과 추정된 교각의 상태를 나타낸 것이다.

<표3>진동파형과 하부구조의 상태

②기진기에 의한 진동시험

진동시험에 의해 구해진 진동특성치가 다음 경우에는 건전하다고 볼수 잇다.

공진주기 T₀ < 0.35s

공진진폭 A₀ < 0.3mm

대상감쇠율 δ<0.5

③동적침하량

교대,교각이 건전하고, 그 높이가 10m정도 이하인 경우에는, 구체변형량이 작으므로 단위변형량은 주로 기초지반의 종류에 따라 정하며, 표준치는<표4>와 같다.

<표4> 단위침하량의 표준치