< PreviousMagazine of the Korea Concrete Institute 48 기술기사 1 | TECHNOLOGY ARTICLES 또한, 필터 양단 흡입구와 배기구에는 필터의 성능 상 태를 파악하기 위해 센서를 부착하여 적정 교체 시기를 인지하는 것이 가능하도록 설계하였다. 4. 맺음말 원자력 발전소 콘크리트 구조물 해체 및 포집 기술 개 발 중 포집 시스템 설계에 관한 내용으로서 그 과정을 요 약하면 다음과 같다. 1) 국외 사례조사를 통하여 필터의 경우 HEPA Filter 를 사용하였으며, 각 원전 환경에 맞는 포집기 및 제염 방법을 사용한 것으로 조사되었다. 특히, 미국 에서 해체한 Satox 및 Big Rock Point가 우리나라의 원전과 유사한 사례로 판단되었다. 2) 포집 시스템 설계는 국외 사례조사와 원전 해체의 기술들을 바탕으로 진행하였으며, 미세분진 포집 효율성 증대와 고효율 필터의 교체 주기를 최소화 하기 위해 1차는 중력식 포집 장치, 2차는 원심식 포집 장치, 3차는 여과식 포집 장치로 총 3단계의 포집 시스템을 설계하였다. 본 기술 기사는 원자력 발전소 콘크리트 구조물 해체 및 포집 기술 개발에 기초적인 자료이며, 추후 포집 시스 템 설계를 통하여 각 포집 시스템 단계에서 CFD 시뮬레 이션을 통하여 더욱 효율적인 최적의 포집 시스템을 개 발할 예정이다. 박용준 연구원은 청 주대학교 건 축공학과에서 복합 섬유 조합 사용 섬 유보강콘크리트의 기초적 특성 및 현 장적용에 관한 연구로 석사학위를 취 득한 후 ㈜옥당산업 연구소에서 연구 원으로 근무하고 있다. 주 관심 연구 분야는 구조물 해체, 원전해체, 보수/ 보강재료이며, 우리 학회 정회원으로 활동하고 있다. pyjungo@naver.com 신재경 대표이사 는 청주대학교 건축공학과에서 인공경량골재의 개 발 및 활용에 관한 연구로 박사학위를 취득하였고, ㈜삼표산업에서 10년간 근무한 후, 현재 ㈜선공 대표이사로 근무하고 있으며, 우리 학회 보수보강 위원회 간사로 활동하고 있다. rapperjsa@hanmail.net 김은영 대표이사 는 원광대학교 에서 콘크리트 균열 보수를 위한 라텍 스 탄성저장관을 활용한 포트식 주입 시스템 개발에 관한 연구로 박사학위 를 취득한 후 ㈜옥당산업 대표이사로 근무하고 있다. 주 관심 연구 분야는 구조물 해체, 원전해체, 보수/보강재 료이며, 우리 학회의 정회원으로 활동 하고 있다. od7904@empas.com 담당 편집위원 : 김정수(한화건설) jskim96@hanwha.com 1. 문주현, “국내 발전용 원자로 시설에 대한 해체계획서 작 성지침 수립을 위한 연구”, 동국대학교 대학원 석사학위 논문, 2014 2. 서하나, “원자력 발전소 해체 시 발생하는 콘크리트 폐기 물의 재사용 방안 제안”, 경희대학교 대학원 석사학위 논 문, 2014 3. 김동민, “원전 해체 방사성 금속폐기물 처분량 감소를 위 한 자체처분 평가 연구”, 조선대학교 대학원 석사학위 논 문, 2016 4. 조인석, “한국 원자력 체제의 형성과 전환에 관한 연구”, 고려대학교 대학원 석사학위 논문, 2016 5. 박동규, 김동환, “원전 해체의 경제적 파급효과 연구 : 고 리 1호기를 중심으로”, 지역사회 연구, Vol. 24, No. 3, 2016 참고문헌기술기사 2 | TECHNOLOGY ARTICLES 제 32권 1호 2020. 01 49 음향방출(AE) 기반 프리스트레스트 콘크리트(PSC) 교량 내부 긴장재 점검 및 모니터링 기술 Development of Inspection and Monitoring Technique for Prestressed Concrete Bridge using Acoustic Emission Method 김동현 Dong-Hyun Kim ㈜렉터슨 기술연구소 소장 서동우 Dong-Woo Seo 한국건설기술연구원 노후인프라센터 수석연구원 1. 머리말 프리스트레스트 콘크리트(Pre-Stressed Concrete : PSC)는 강연선으로 되어 있는 긴장재를 활용하여 콘크리트에 미 리 응력을 인가하여 상부 구조물을 받치는 형태로 고가도로와 같은 구조물 건설에 많이 적용되었다. 1960년대 후반부 터 긴장재의 부식과 끊김이 유럽과 북미 국가들에서 많이 발생하였고 이후 지속해서 PSC 공법으로 시공된 구조물에 대한 유지관리를 해오고 있다. 국내에서는 2016년 서울시 내부순환도로 상 정릉천 고가의 외부 텐던이 부식으로 끊기는 사고가 발생하여 극심한 차량 정체, 시민 불안감, 불편, 막대한 경제적 손실이 발생한 바 있다. 정릉천 고가교와 같은 PSC 형식 교량은 도로교 전 체 신설시장 연간 4조 원 규모 중 50 %인 2조 원에 이를 것으로 추산되며, PCS 교량 텐던의 긴장력을 감시하는 효율적 이고 경제적인 점검 및 모니터링 기술을 개발하면 구조물의 붕괴를 예방할 수 있고, 구조물의 건전성을 크게 향상할 수 있다. 2016년 정릉천고가교 사고 이후 서울시는 관내 보는 PSC 형식의 교량을 전수조사하였으나, 현재 콘크리트 내부에 매립되된 내부 텐던의 경우 손상 여부를 확인할 수 있는 기술이 부재하여 안전관리에 대한 우려가 커지고 있는 상황이 다. 국내에서 PSC 시설물 외부 텐던의 경우 끊김 및 손상 검출을 위한 다양한 비파괴 검사 방법(EM 센서, 초음파, GPR 등)을 활용한 연구 과제가 수행되었으나 주로 외부 텐던에 국한되어 있다. 내부 텐던의 경우는 기술적 한계 등으로 인 하여 손상 여부를 판단하고 있지 못하는 상황이며, 해외의 경우에도 노후 PSC 시설물의 외부 텐던에만 AE기술을 이용 하여 온라인 원격감시를 통하여 모니터링하고 있다. 한편, 한국건설기술연구원 노후인프라센터는 국내 AE 시스템 개발 전문기업인 ㈜렉터슨과의 공동연구를 통하여 신 호 처리 및 해석 관련 원천 기술을 확보하고 있으며, 현재 확인 불가한 PSC 시설물 내부 텐던 끊김 및 손상 검출에 적용 하기 위하여 현재 서울시 소재 시설물을 대상으로 현장적용을 검토 중이다. 본 기술 개발을 통하여 PSC 텐던 건전성 평 가의 적용 가능성에 기대가 크다.기술기사 2 | TECHNOLOGY ARTICLES Magazine of the Korea Concrete Institute 50 2. PSC 구조물 적용을 위한 음향방출 분석 기법 2.1 음향방출 주파수 파라미터 해석 음향방출(AE) 신호 분석을 위해서는 다양한 AE Feature에 대한 상세 분석이 필요하다. 음향방출 신호의 평균 주파수(Average Frequency)는 식 (1)과 같이 Count(한 개의 AE Hit 동안 Threshold를 초과한 횟수)를 전제 신호 지속시간(Duration)으로 나 눈 값으로 근사 된다. (1) 또한, 이와 같은 주파수 변수를 음향방출 신호의 최대 값(Peak)을 기준으로 신호를 양분하여 근사할 경우 식 (2), (3)과 같이 각각 초기 주파수(Initiation Frequency) 와 잔향 주파수(Reverberation Frequency)로 정의된다. (2) (3) 주파수 변수는 AE 신호원의 특징 즉, 재료의 성질, 발 생하는 파괴의 양태나 속도 등과 밀접한 관계가 있다. 2.2 음향방출 파라미터 해석 음향방출 방법을 이용한 구조물의 시험을 시행할 경 우, 시간, 하중, 스트레인 등에 대한 AE Activity를 표시 하고, 균열의 발생이나 그 규모 또는 손상의 정도와 관 련지어 해석하는 것이 일반적이다. 더욱 상세한 분석을 위해서는 음향방출 파라미터 간 의 상관관계 해석을 수행한다. 파라미터 간의 상관관계 해석을 통해 구조물 시험 중 발생한 신호의 특징을 보다 명확하게 정의함으로써 AE Activity만으로는 구분하기 어려운 결함 사례 또는 결함의 특성을 확인할 수 있다. Average Frequency와 RA Value 간의 상관관계는 콘 크리트 구조물의 손상 탐지에서 가장 널리 사용되는 방 법의 하나이다. 두 변수는 기본적인 음향방출 변수를 바 탕으로 다음 식 (4), (5)와 같이 도출된다. (4) (5) 두 변수의 상관관계는 <그림 2>와 같이 그래프를 좌 하단에서 우상단으로 가로지르는 대각선을 기준으 로 구분 지어 해석한다. 어떤 영역에 속하는가에 따라 인장 파괴(Tensile Crack)와 그 외의 손상(Other-type Crack)-일반적으로는 전단 파괴(Shear Crack)로 정의 하기도 함-으로 구분할 수 있으며, 이를 통해 육안을 확 인하기 어려운 손상 발생 시의 물리적 거동을 추정할 수 있다. 그림 1. 음향방출 주파수 파라미터 개념그림 2. Average Frequency와 RA Value 간의 상관관계제 32권 1호 2020. 01 51 2.3 Improve b-value 해석 b-value는 지진동의 최대 진폭과 그 도수분포를 나 타내는 유용한 지표로 많은 지진학에서 “지진학적 선 행 현상을 구하는 것”으로 소개되어 있다. Improve b-value(이하 Ib value)는 이를 음향방출 신호에 적용하 기 위해 개량한 변수이다. 지진과 AE와의 차이는 다양한데, AE를 대상으로 하 는 파괴 현상은 지진보다 찰나로 생각할 수 있는 단시 간에 집약된다는 점이다. 계측시간과 함께 시시각각 얻 어지는 AE 데이터에 기초하여 바로 b value를 산출하여 파괴의 정량화를 실시하는 것이 필요하다. 이러한 이유로 AE 계측에 기초한 진폭 빈도분포에서 산출 진폭 모수와 산출 진폭 범위를 어느 정도 보편화시 킬 필요가 있으며, 진폭분포의 모든 통계량에 착안한 Ib value가 다음 식(6)과 같이 정의된다. (6) 2.4 하중 부하 제거 시의 AE Activity 구조물 손상의 진행에 수반되는 AE Activity는 하중 제거 시 증가한다는 특징이 있다. 철근콘크리트 구조물 에서는 파괴가 끝으로 향함에 따라 크랙이 Mode-I(인 장형)에서 Mode-II(전단형)로 변하므로 하중 제거 시 의 AE Activity는 주로 어긋남 변형(마찰)의 AE 거동을 포함한다. 대상 구조물 중에서는 대규모 전단 규열이 포 함되는 중도 손상 상태라고 생각할 수 있다<그림 3>. 3. PSC 내부 텐선 손상 모니터링 실험 및 결과 3.1 실험체 준비 및 실험 개요 PSC 구조물 실험체의 상세는 <그림 4 ~ 6>과 같다. 총 손상 유형은 부식, 끊김 및 단면결손(기계적 손상), 무손상 총 3개의 시편을 제작하였고, 이중 끊김 및 단면 결손 시편에 대하여 하중 재하 실험을 수행하였다. 150 kHz 공진형 AE 센서 총 8채널을 사용하여, 콘크 리트 표면에 부착하여 AE 신호를 취득하였다. 구조실험을 통하여 PSC 실험체 내부 텐던이 하중 증 감에 따른 탄성파 방출 특성을 확인해 보고자 하였고, 텐던의 끊김 순간에 발생하는 특징 신호를 계측하기 위 하여 실험체 파괴 실험을 수행하였다. PSC 실험체에 대한 반복 하중과 인장 파괴 실험으로 구분하여 200톤 UTM를 활용하여 수행하고, 하중 변화에 따른 PSC 구 조물의 물리적 거동을 관측하였다. 본 시험은 PSC 구조 물의 텐던(긴장재)의 파단의 발생 여부를 AE 센서를 통 그림 3. 구조물 손상 진행과 AE Activity 그림 4. PSC 보 실험체 그림 6. AE 센서 설치 전경 그림 5. AE 센서 설치 레이아웃기술기사 2 | TECHNOLOGY ARTICLES Magazine of the Korea Concrete Institute 52 하여 계측, 진단하는 것을 목적으로 한다. 3.2 실험 절차 PSC 실험체 내부 텐던 손상 모니터링 실험을 위하여 내부 텐던이 특정 응력을 받을 때 발생하는 AE 신호를 계측하고, 파 재하 하중을 5톤 → 6톤 → 6.5톤(설계 파괴 하중 13톤의 50 %) 순으로 하중 증가시키고, 각 하중 구 간에서는 5분간 상태 유지하여 신호를 계측하였다. 6.5 톤에서 콘크리트의 첫 번째 균열이 발생하여 6.5톤을 최 대하중으로 설정하고 2 사이클 반복실험을 수행하였다. 하중 재하 사이클은 <그림 8>과 같다. PSC 실험체에 대한 반복 하중과 인장 파괴 실험의 경 우 강연선 끊김 또는 콘크리트 파괴가 발생할 때까지 하 중 증가시켰고, 설계 파괴 하중인 13톤에서 텐던 및 콘 크리트 파괴가 발생하였다. 반복 하중 시험 중 최대 하중(6.5톤) 도달 시 2차례에 걸쳐 콘크리트 표면 균열이 확인되었고, 해당 시점에서 노이즈 레벨 대비 1,000aJ 이상 큰 AE Energy가 계측되 었다. 인장 파괴 시험 시 약 8톤 하중에서부터 콘크리트 균열이 급격하게 성장하기 시작하였고, AE Energy는 10,000aJ 이상의 매우 큰 값이 계측되었으며, 하중이 13 톤에 도달했을 때, Tendon 내부 강연선이 끊어지면서 약 50,000aJ의 AE Energy가 돌발적으로 계측되었다. 이후 한 차례 더 강연선이 끊어진 시점과 최종적으로 콘크리트 파괴가 발생한 시점에서도 유사하게 큰 AE Energy를 확인할 수 있었다. 인장 파괴 시험에서는 하중이 인가되기 시작하면서 Ib value가 지속해서 감소하는 경향을 보이며, 콘크리 트 균열이 눈에 띄기 성장하기 시작하는 시점까지 최대 0.15 가량 감소하였다. 이후 대체로 일정한 값이 유지되 다가 다시 최종 콘크리트 파괴 시점 직전에 약 0.06 정 도 감소하는 경향이 확인되었다. 본 시험에서는 Tendon 내 강연선이 끊어지는 순간에 는 특별한 변동을 보이지 않았다. Ib value는 콘크리트 균열 발생에 대해서는 진단 가능할 것으로 판단되나, 강 연선 끊김과는 무관하다고 판단되나 반복시험을 통해 확인할 필요가 있다. 그림 9. 인장 파괴 실험 계획그림 11. 인장 파괴 시험 - AE Energy Trend vs Ib value (3ch) 그림 8. 반복 하중 실험 계획 그림 7. 구조 실험 전경 그림 10. 콘크리트 균열 발생 경향제 32권 1호 2020. 01 53 4. 맺음말 콘크리트 균열 또는 강연선 파단 발생 시 정상 상 태 대비 확연하게 큰 AE(Acoustic Emission, 음향방출) Energy가 발생함을 확인하였다. 실제 현장 적용 시, 어 느 정도 주변 노이즈(일반적으로 AE Energy 1,000 미 만)가 발생하더라도 구분이 가능할 정도(AE Energy 25,000 이상)로 판단된다. 콘크리트 균열 발생 시점에서는 주로 100 kHz의 영 역에서 주파수 Peak가 확인되었으나, 60 kHz와 80 kHz 에서의 추가적인 Peak 또한 확인되었으므로 콘크리트 균열 주파수를 특정 짓기는 어렵다. 다만, 강연선 끊김 시점의 주된 주파수 성분이 60 kHz이고, 콘크리트 균열 시점에 텐던(과 내부의 강연선) 또한 스트레스를 받고 있었을 것으로 추정되므로, 콘크리트 균열 시점에서 다 른 주파수 성분이 함께 발생했을 것이라 미루어 짐작할 수 있다. 본 연구를 통하여 음향방출 기술을 활용하여 PSC 시 설물 내부 텐던 끊김 및 손상 검출에 적용하기 위한 기 초 AE 신호 DB를 확보하였다. 서동우 박사는 충북대학교 토목 공학과 학부 과정을 졸업하고, 미국 벅넬 대학에서 석사과정, 노스이스턴 대학에서 박사학위를 취득하였다. 이 후, 한국건설기술연구원 노후인프라 센터에서 수석연구원으로 재직하고 있다. 주 연구 분야는 토목구조물(교 량) 점검 및 모니터링 기술이다. dwseo@kict.re.kr 김동현 연구소장 은 울산대학교 항공우주공학과를 졸업하고, 경남대 학교에서 신호처리 석사 이후, 부경대 학교에서 음향진동공학 박사학위를 취득하였다. 이후 ㈜렉터슨 기술연구 소에서 연구소장으로 재직하고 있다. 주 연구 분야는 음향방출(AE)기술을 이용한 대형 구조물/회전기기 조기결 함 탐지 및 모니터링 기술이다. dhkim@rectuson.com 1. Laura, A., Antonio, B., Giuseppe, D., “Damage and Collapse Mode of Existing Post Tensioned Precast Concrete Bridge: The case of Petrulla viaduct,” Engineering Structure, Vol. 162, 2018, pp. 226- 244. 2. Hu W., Tang, D., Teng, J., Said, S., Rohrmann, R. G., “Structural Health Monitoring of a Prestressed Concrete Bridge Based on Statistical Pattern R ec ognition of C ontinuous Dynamic Measurements over 14 years,” MDPI/Sensors, Vol. 18(12) 4117, 2018. 참고문헌 담당 편집위원 : 이남곤(한국건설기술연구원) nklee@kict.re.kr 4. Shiotani, T., Li, Z., Yuyama, S., Ohtsu, M., “Application of the AE Improved b-value to Quantitative Evaluation of Fracture Process in Concrete-Materials,” Acoustic Emission Group, Journal of Acoustic Emission, Vol. 19, No. 5 ~ 6, 2001, pp. 235-246. 5. Ohtsu, M. “ISO Standards of AE Measurements in Concrete,” 24th International Acoustic Emission Symposium, Sapporo, Japan, 2018, pp. 11-16. 6. Kim, D. H., Hong, Y. K., Seo, D. W., Park, K. T., “Integrity Evaluation Technology of PSC Bridge Tendons using Acoustic Emission Technique,” Journal of the Koran Society for Nondestructive Testing, Vol. 39, No. 1, 2019, pp. 37-44.기술기사 3 | TECHNOLOGY ARTICLES Magazine of the Korea Concrete Institute 54 천성철 Sung-Chul Chun 인천대학교 도시건축학부 건축공학전공 교수 하상수 Sang-Su Ha 강남대학교 부동산건설학부 도시건축융합공학 전공 교수 김길희 Kil-Hee Kim 공주대학교 건축학부 건축공학전공 교수 철근 기계적이음의 적용 및 설계기준과 시방서의 이해 Application of Mechanical Splice of Reinforcing Bars and Interpretation of Design Provisions and Specifications 이재훈 Jae-Hoon Lee 영남대학교 건설시스템공학과 교수 1. 머리말 철근 이음부 파괴는 취성이며 전체 부재의 파괴를 유발할 수 있다. 따라서 철근 이음은 피하는 것이 좋지만, 직선 철 근은 최대 12m로 납품되어 이음이 필연적이다. 코일철근을 사용하면 이음을 없앨 수 있지만, 생산되는 최대지름이 16 mm라는 한계가 있다. 근래에는 구조물이 복잡해지고 공기 단축과 공사비 절검을 위해 새로운 공법이 개발됨에 따 라 철근 이음이 점점 중요해지고 있다. 이음 방법 중 기계적이음은 겹침이음에 비해 이음 길이가 짧고 용접이음과 달 리 고도의 숙련공 작업이 불필요하여 자주 사용되고 있다. 콘크리트구조 학회기준(KCI 2017)과 콘크리트표준시방서 (2009)에서는 ‘이음’ 또는 ‘철근이음’을 정의하지 않고 있다. 이것은 아마도 건설공학자들에게는 너무나 당연한 용어이 기에 굳이 정의할 필요성을 느끼지 못하기 때문일 것이다. ‘이음’은 2개를 이어서 ‘하나의 긴 것’을 만드는 것으로, ‘이어 진 것’은 ‘잇기 전 것’과 동등한 ‘성능’을 가져야 한다는 것이 기본 개념이다. 일부 공공기관과 민간기업은 기계적이음에 대한 효율적인 관리와 하자 방지를 위해 현행 국가건설기준 및 시방서보 다 엄격한 자체 품질 기준과 적용 상세 시방서를 마련하여 적용하고 있다. 이 기사에서는 안전한 기계적이음 설계와 시 공에 도움이 되도록 기계적이음에 대한 기준과 시방서 내용, 해설, 제정 배경을 설명한다. 기준과 시방서는 국가건설기 준의 번호체계를 따랐으며, 해설은 콘크리트구조 학회기준(KCI 2017)과 콘크리트표준시방서(2009)를 인용하였다. 철 근의 정착 이음에 대한 자세한 내용은 한국콘크리크학회 ‘철근의 정착이음 상세 매뉴얼’(2020)을 참조하기 바란다. 2. 요구 성능 기계적이음의 요구 성능은 <표 1>과 같이 이음되는 철근의 설계기준항복강도 의 125 %로 규정하고 있다. 여기 서, 125 %는 직선정착 및 겹침이음(Orangun et al. 1977, Jirsa et al. 1979)에서 사용한 안전율 0.8의 역수로 기계적이 음이 겹침이음과 동등한 강도 성능을 갖기 위한 값이다. 내진설계 또는 KS D3504의 인장강도/항복강도 비율에 사 용되는 1.25와는 관련이 없다. 이음은 이음 없는 부분보다 충분히 강해야 하는데 겹침이음에서 전통적으로 125 %를 ‘충분한’비율로 판단하였다(Jirsa et al. 1979). 2012년 콘크리트구조기준 개정에서 SD600 철근이 도입되었는데, KS D3504:2009에서 SD600 철근의 인장강도를 710 MPa 이상으로 개정하였다. 이 때문에 때에 따라서는 KS 철근을 기계제 32권 1호 2020. 01 55 적이음하여 인장실험 할 때 의 125 %인 750 MPa 발 현 전에 철근이 파괴될 수 있다. 기준과 시방서의 기본 취지는 ‘이음은 이음 없는 부 분보다 강하다’이므로 1.25 발현 전에 철근에서 파단 된 경우는 기준에 적합하다. 따라서 콘크리트구조 학 회기준(KCI 2017) 해설 8.6.1(3)②에 관련 설명이 추가 되었다. 한편 2016년 KS D3504에서 인장강도가 항복 강도의 비율로 개정되어 SD500과 SD600 철근은 1.08 배로 가장 낮은 비율이 정해졌다. 이 비율은 실제 항복 강도에 대한 비율로 대부분 철근의 실제 인장강도는 의 125%를 넘는다. 만일 실제 인장강도가 의 125 % 보다 낮아 인장실험에서 1.25 발현 전에 철근이 파단 되어도 해설 8.6.1(3)②에 따라 적절한 기계적이음으로 평가된다. 구조재료의 성능은 강도 외에 강성과 연성도 중요하 다. 강성은 사용성, 즉 처짐과 균열에 영향을 주므로 이 음의 강성은 이음 없는 부분과 동등해야한다. 따라서 콘 크리트표준시방서(2009) 해설 3.3.3(2)는 이음 장치의 재질과 성능이 철근의 성능보다 우수해야 한다고 규정 하고 있다. 한편 이음부가 더 강해야 한다는 기본 취지 에 따랐다면 철근이 먼저 항복하므로, 기계적이음의 연 성은 고려할 필요가 없다. 기준과 시방서는 이음의 기 본 취지에 따라 강성에 관해 정량적인 값을 제시하지는 않고 있다. 그러나 이음 장치의 선정에서는 사용하중에 서 구조물에 과도한 균열과 처짐이 발생하지 않을 정도 의 강성을 지니고 있는지 확인하여야 한다. 즉, 인장시 험 또는 육안검사에서 철근 항복 이전에 철근보다 큰 변 형이 발생하거나 이음 장치와 철근 사이에 유격( 裕隔) 이 있으면 사용하중에서 콘크리트에 과도한 균열이 발 생하므로 사용해서는 안 된다. 특히 체결 이후 소정의 인장력이 작용하여 미끄럼(slip)이 발생한 후에 인장력 이 전달되는 기계적 이음 장치는 철근콘크리트 구조에 서 이음 하지 않은 경우와 동등한 구조성능을 발휘할지 검토하고 사용 여부를 판단해야 한다. 3. 이음 위치 콘크리트구조 학회기준(KCI 2017) 해설 8.6.1은 <표 2>와 같이 모든 이음을 최대 인장응력점부터 먼 곳에 위치하도록 규정하는데 이것은 건설전공 수업이나 기 사시험 준비과정에서 기본적으로 다룬다. 특히 기계적 이음 장치는 제품 시험을 통과하더라도 현장에서 특기 시방서에 따라 정확히 시공하지 않으면 시험성적서의 성능이 발현되지 않으므로, 제품 불량과 시공 오류 가능 성을 고려하여 최대 인장응력점을 피하도록 한 것이다. 그러나 ‘가능한 한’이라는 단서를 둔 것은 완벽한 성 능의 기계적이음 장치 개발 여지를 열어두려는 것이다. 즉 어떤 조건에서도 이음 하지 않은 경우와 동등한 성능 을 보인다는 것이 입증된 이음 장치라면 최대 인장응력 점에서의 이음을 허용할 수 있다는 것이다. 이것은 설계 기준과 시방서가 당시의 수준으로 제한을 하지 않고 기 술발전의 가능성을 열어두는 역할도 해야 하기 때문이 며, 책임기술자의 판단이 중요하다는 것을 의미한다. 그런데 최대 인장응력점부터 얼마나 먼 위치인지 정 량적으로 규정하지 않고 있다. 이것은 철근 응력의 크기 가 부재별로, 또 설계자가 채택한 안전율에 따라 매우 다양하므로 일률적으로 정하는 것이 바람직하지 않기 표 1. 요구 성능 KDS 14 20 52 콘크리트구조 정착 및 이음 설계기준 4.5.1 이음 일반 (1) 철근은 설계도 또는 시방서에서 요구하거나 허용한 경우 또는 책임구조기술자가 승인하는 경우에만 이음을 할 수 있다. (3) 용접이음과 기계적이음은 다음 규정에 따라야 한다. ② 기계적이음은 철근의 설계기준항복강도 의 125 % 이상을 발휘할 수 있는 완전 기계적이음이어야 한다. 콘크리트구조 학회기준(2017) 해설 8.6.1(3) ② 용접이음과 동일하게 KS D 3504를 만족하는 철근의 실제 인 장강도가 설계기준항복강도 의 125 % 이하이고, 기계적이음 한 철근의 인장시험에서 철근이 파단되는 경우 이 기계적이음 은 8.6.1(3)②를 만족한 것으로 본다. KCS 14 20 11 철근공사 3.1.3.3 기계적 이음 (1) 기계적 이음을 시공하는 작업자는 기계적 이음에 대하여 충분한 경험과 지식을 가진 자로 책임기술자의 승인을 받아야 한다. 콘크리트표준시방서(2009) 해설 3.3.3(2) 기계적 이음 장치의 재질과 성능은 철근의 성능보다 우수한 것을 사 용하여야 한다. 표 2. 이음 위치 콘크리트구조 학회기준 (KCI 2017) 해설 8.6.1 이음 일반 이음은 가능한 한 최대 인장응력점부터 떨어진 곳에 두어야 한다.기술기사 3 | TECHNOLOGY ARTICLES Magazine of the Korea Concrete Institute 56 때문이다. 즉 구조물의 중요도와 특성, 설계자의 설계 철학, 공법의 특성, 기계적이음의 성능을 종합적으로 검 토하여 이음의 효율적인 위치를 선정하여야 하는데, 일 률적으로 이음 위치를 규정하는 것이 오히려 비효율적 인 결과를 줄 수 있기 때문이다. 따라서 이 판단도 역시 구조물의 특성과 현장 상황을 고려하여 책임기술자가 판단하여야 한다. 4. 엇갈림 이음 이음 위치와 같은 이유로 이음 종류와 무관하게 엇갈 림 이음을 권장한다. 겹침이음도 동일 위치에서 50 % 이하 철근 이음(이하 반수이음)을 기본으로 하며, 50 % 초과 철근이 이음되면(이하 전수이음) 이음길이를 1.3 배 증가시킨다. 기준의 겹침이음길이 설계식은 모든 철 근이 한 곳에서 이음된 실험을 통해 개발되었지만, 이 음파괴의 취성적 특성을 고려하여 엇갈림 이음을 권장 한다. 기계적이음은 (1) 강도가 설계기준항복강도의 125 %를 만족하지 못한 경우와 (2) 인장연결부재인 경우, 반드시 엇갈려 이음 해야 한다. 강도가 설계기준 항복강도의 125 %를 만족하지 못하더라도 이음 중심이 600 mm 이상 엇갈리면 소요철근량의 2배 이상 배치된 D16 이하 철근에 한하여 허용된다. 인장연결부재는 전 체 단면에 축 인장력이 작용하는 부재로 겹침이음을 사 용할 수 없고 반드시 750 mm 엇갈린 기계적이음을 사 용해야 한다. 위 두 가지 외에는 기계적이음으로 전수이음할 수 있 다. 그러나 전수이음이 허용된다는 것이 균열 등 사용성 과 파괴 안전성의 문제 야기가 용인됨을 의미하지는 않 으므로, 품질 불량이나 시공 오류 없는 완벽한 이음이 어야 한다. 또한, 최대 인장응력점에서는 철근이 연속된 경우와 동등한 성능을 발휘하는 기계적 이음, 즉 강도 유지와 미끄럼(slip) 방지 성능이 완벽한 기계적 이음이 라는 것이 입증되지 않는 한 연결을 피해야 한다. 5. KS D0249의 기계적이음 장치 검사 방법 KS D 0249는 철근 기계식이음의 검사 방법으로 7가 지 가력 시험법과 판정기준을 규정하고, 해설에서 적용 예를 제시하고 있다. KS D 0249의 판정기준은 매우 엄 격한 편으로, 이에 부합하는 기계적이음 장치를 사용하 면 일반적으로 문제가 없을 것이다. 그러나 이 표준으로 인증을 받은 제품이라도 때에 따라서는 철근콘크리트 구조물에서 문제를 유발할 수도 있다. 즉, 체결 이후 소 정의 인장력이 작용하여 미끄럼(slip)이 발생한 후에 인 장력이 전달되는 기계적이음 장치는 미끄럼(slip)이 발 생하게 한 후 시험하여 좋은 성능이 발휘되는 것으로 판 정받을 수 있을 것이다. 그러나 건설현장에 이 장치를 표 3. 엇갈림 이음 KDS 14 20 52 콘크리트구조 정착 및 이음 설계기준 4.5.2 인장 이형철근 및 이형철선의 이음 (5) 4.5.1(3)① 또는 4.5.1(3)②를 만족하지 않더라도 이음부에 배치된 철근량이 해석결과 요구되는 소요철근량의 2배 이상이 고, 다음의 ①과 ②의 요구 조건을 따르는 경우 D16 이하의 철 근에 대해서 용접이음 또는 기계적이음을 할 수 있다. ① 각 철근의 이음부는 서로 600 mm 이상 엇갈려야 하고, 이음 부에서 계산된 인장응력의 2배 이상을 발휘할 수 있도록 이어 야 한다. 또한 배치된 전체 철근이 140 MPa 이상의 응력을 발 휘할 수 있어야 한다. ② 각 단면에서 발휘하는 인장력을 계산할 때 이어진 철근은 규정 된 이음강도를 발휘하는 것으로 보아야 하나 보다 크지 않 아야 한다. 이어지지 않은 연속철근의 인장응력은 설계기준항 복강도 를 발휘할 수 있도록 계산된 정착길이 에 대한 짧게 배치된 정착길이의 비에 를 곱하여 사용하여야 하나 보다 크지 않아야 한다. KDS 14 20 52 콘크리트구조 정착 및 이음 설계기준 4.5.2 인장 이형철근 및 이형철선의 이음 (6) 인장연결재의 철근이음은 4.5.1(3)① 또는 4.5.1(3)②에 따 라 완전용접이나 기계적이음으로 이루어져야 한다. 이때 인접 철근의 이음은 750 mm 이상 떨어져서 서로 엇갈리게 하여야 한다. 콘크리트구조 학회기준(KCI 2017) 해설 8.6.2 (6) 인장연결부재는 다음과 같은 특징을 갖는 부재, 즉 단면 전체가 인장력을 발휘하기에 충분한 축인장력을 받는 부재, 모든 철근 이 전부 유효할 정도의 응력을 받는 부재, 모든 면에서 규정된 콘크리트 피복두께를 갖는 부재로 되어 있다. 인장연결부재로 분류되는 부재로는 아치, 타이, 위에 있는 지지구조물에 하중 을 전달하는 행거, 트러스의 주인장부재 등이다. 부재가 인장연결부재인지의 여부를 결정할 때에는 부재의 중 요성, 기능, 크기 및 위의 특성과 연관된 응력상태 등을 고려하 여야 한다. 예로서 철근량이 많으며, 그 이음부가 잘 엇갈려 있 으므로 이음부가 넓은 간격으로 배치된 큰 원형탱크는 인장연 결부재로 분류되지 않아 철근을 겹침이음할 때 B급 이음을 적 용할 수 있다.제 32권 1호 2020. 01 57 적용할 때 체결만 한 상태로 콘크리트를 타설하면 적합 판정 시험과 다른 상황이 되며, 철근에 인장력이 작용하 여 미끄럼(slip)이 발생하면 콘크리트에 균열이 발생하 기 때문에 철근콘크리트 구조에서 이음 하지 않은 경우 와 동등한 구조성능을 발휘한다고 할 수가 없다. 한편 기준과 시방서에서는 KS D0249를 인용하고 있 지는 않다. 그 이유는 KS D0249의 시험 방법 및 판정기 준과 철근콘크리트 구조성능의 연관성이 연구되거나 보고된 바 없어서, 그 관계가 명확하게 밝혀진 상태가 아니기 때문이다. 6. 기계적이음에 대한 기준과 시방서 적용 2장에서 소개한 바와 같이 우리나라의 설계기준에 서는 기계적이음에 대하여 철근 설계기준항복강도의 125 % 이상을 발휘할 것을 요구 성능으로 규정하고 있 다. 즉 강도 성능만을 규정하고 미끄럼(slip) 등의 변형 성능을 특별히 규정하고 있지는 않다. 이것은 1.25의 강도 성능을 만족하는 기계적 이음 장치를 가능한 한 최 대 인장응력점부터 떨어진 곳에 두면 변형 성능이 큰 문 제가 되지 않았던 경험적 지식에 의한 것이다. 또 변형 이 다소 발생하는 경우라도 연결 장치가 파괴되지 않고 1.25 의 강도 성능을 유지한다면 구조물의 붕괴에 대 한 안전성은 유지된다는 암묵적인 공학적 판단에 따른 것이다. 그러나 근래에 들어 다양한 기계적 이음 장치가 개발되고 있으므로, 철근 이음 방법을 결정하고 승인해 야 하는 책임기술자는 <표 4>의 고려사항과 판단기준 에 따라 이음 하지 않은 경우와 동등한 구조성능을 발휘 할 수 있는 기계적 이음 장치를 선정하여야 한다. 한편 산업현장에서 건설표준과 매뉴얼의 역할을 혼동하는 경우가 종종 있다. 건설표준(construction standards)인 기준과 시방서는 전문교육을 받지 않은 작 업자에게 “이런 경우는 이렇게, 저런 경우는 저렇게 하 라”고 행동지침을 주는 작업지시서와 같은 매뉴얼이 아 니라, 전문교육을 받은 공학자가 현장 상황을 반영하 여 공학적 판단을 내릴 때 참고하는 최소한의 요구조건 을 기술한 문건이다. 즉, 콘크리트구조 학회기준(KCI 2017)과 국가건설기준 KDS 14 20 01 콘크리트구조 설 계(강도설계법)는 일반사항에서 기준의 적용 범위를 ‘구 조물의 설계, 시공 및 유지관리 단계에서 필요한 일반적 이고 기본적인 요구사항’으로 규정하고 있다. 또한, 해설 에서는 ‘이 기준은 설계, 시공 및 유지관리 단계에서 일 어날 수 있는 모든 사항에 대하여 규정하고 있는 것이 아니라 가장 기본적인 사항에 관해서만 규정하고 있다. 따라서 이 구조기준에 규정되어 있지 않은 사항은 현재 적용 가능한 이론, 실험 결과 및 경험 등에 따라 책임구 조기술자가 판단하여 설계한다.’라고 설명하고 있다. 기 준과 시방서는 이러한 대원칙에 근거하여 집필의 상세 수준을 정한다. 일부 영역이 과도하게 상세할 경우, 새로 운 재료나 공법의 적용에 걸림돌이 될 수 있고 상세하지 않은 다른 영역에 오해를 유발할 수 있기 때문이다. 7. 맺음말 철근의 기계적이음은 30년 이상 국내에서 큰 문제 없 이 적용되어 왔으나, 무분별하게 적용된다면 문제가 발 생할 수 있다. 이음의 기본 원칙과 기계적이음 요구성능 에 대한 이해를 통해 안전하고 효율적인 콘크리트구조 의 설계와 시공이 이뤄지길 기대한다. 표 4. 책임기술자가 기계적이음에 대하여 고려해야 할 사항 고려 사항구분 및 검토 사항 부재 종류- 인장부재 - 휨부재 - 휨압축부재 - 압축부재 철근 종류- 인장철근 - 압축철근 - 교번철근(인장 압축 반복) 이음 위치 - 최대 응력 위치 - 철근이 소요량의 2배 미만인 위치 - 철근이 소요량의 2배 이상인 위치 이음 비율- 전수이음(100 %) - 반수이음(50 %) - 기타 비율 커플러 종류 - 나사식 - 편체식 - 원터치식 - 용융금속식-슬리브 압착식 -기타 커플러 성능 - 강도성능 - 변형성능(미끄럼 - slip 발생 여부) 힘 전달 특성 - 체결 후 소정의 힘이 작용하여 미끄럼이 발생한 후에 힘이 전달되는 특성이 있는지 검토 판단 기준- 이음 되지 않은 철근과 동등한 구조성능 발휘 여부 담당 편집위원 : 이남곤(한국건설기술연구원) nklee@kict.re.krNext >