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문제 정의
- 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결 하기 위하여 구조물 탄성거동에 있어서 변위-변형률 관계식을 사용하여 측정된 변위값을 이용하여 변형률을 계산 할 수 있는 알고리즘을 제시하고 그 결과를 실내ㆍ외 실험을 수행하여 검토하고자 한다.
- 본 연구에서는 이러한 이유로 지금까지 사용되어 온 전기 저항식 변형률 게이지를 사용한 변형률 측정 방법의 경직되고 획일화된 방법을 벗어나 창의적이고 유연성 있는 변형률 측정 개발에 그 목표를 두고자 한다.
제안 방법
- 본 실내 실험에서는 알루미늄과 강재로 된 단순보 21개를 제작하여 실험을 실시하였으며, 알루미늄 재료 보에서는 직사각형(80×30)과 정사각형(45×45) 단면이 사용되었고, 각각의 보에 있어서 길이는 200㎝, 250㎝ 및 300㎝ 3종류가 되며, 강재보에서는 직사각형(50×30) 단면이 선택되었다. 강재보의 길이는 400㎝ 로 선택되었으며 보의 중앙점에 집중하중 3kg, 5kg 및 7kg의 3종류의 하중을 재하하여 중앙점에서 변위와 변형률을 측정 하였으며, 측정된 변형률과 변위로부터 계산되는 변형률을 비교 검토 하도록 하였다. 하중 재하시 충격의 영향을 최소화 하기 위하여 감속 도르레를 사용한 재하 장치를 제작하여 아주 서서히 재하 하도록 하였다.
- 0m 떨어진 곳에 차량의 왼쪽바퀴가 위치 하도록 선정 하였다. 계측 위치는 균열이 발달되지 않은 보를 선택하도록 하였으며, 작업의 편리성과 하중 작용 효과 등을 고려 하여 제 1경간 두 번째 거더(G2), 3/8L지점에서 계측 하도록 하였다.
- 실내 실험으로부터 본 연구의 타당성을 확인 할 수 있었으나, 현장 적용성을 검토하기 위해서 실 교량을 대상으로 현장 실험을 수행 하도록 하였다. 현장 실험 대상으로 선정된 교량은 PSC I형교로서 연장 150.
- 앞의 2장에서 유도된 이론적 변형률 해석을 위하여 실내 실험을 수행하였다. 본 실내 실험에서는 알루미늄과 강재로 된 단순보 21개를 제작하여 실험을 실시하였으며, 알루미늄 재료 보에서는 직사각형(80×30)과 정사각형(45×45) 단면이 사용되었고, 각각의 보에 있어서 길이는 200㎝, 250㎝ 및 300㎝ 3종류가 되며, 강재보에서는 직사각형(50×30) 단면이 선택되었다.
- 교량 안전 진단에 있어서 고 교각의 장지간 교량에서는 게이지 부착에 위험이 따르며, 많은 시간과 숙련된 기술이 필요하고 또한 균열이 많이 발생된 부위에서는 전기 저항식 변형률 게이지에 의한 변형률 계측이 무의미한 경우도 있을 수 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해서 본 연구에서는 탄성거동에 있어서 변위-변형률 관계식을 사용하여 측정된 변위값을 사용하여 변형률을 해석 할 수 있는 알고리즘을 제시 하고 실내ㆍ외 실험을 수행 하였으며, 그 결과 다음과 같은 결론을 정리 할 수 있었다.
- 6에 나타내었다. 정적 실험은 4회에 걸쳐 수행 하였으며, 이때 트럭 하중을 서서히 진행 시켜서, 측정 위치에 도달하면 시동을 끄고 15초 가량 정지 시킨 후 다시 앞으로 진행시켜 나가도록 하였다.
- 강재보의 길이는 400㎝ 로 선택되었으며 보의 중앙점에 집중하중 3kg, 5kg 및 7kg의 3종류의 하중을 재하하여 중앙점에서 변위와 변형률을 측정 하였으며, 측정된 변형률과 변위로부터 계산되는 변형률을 비교 검토 하도록 하였다. 하중 재하시 충격의 영향을 최소화 하기 위하여 감속 도르레를 사용한 재하 장치를 제작하여 아주 서서히 재하 하도록 하였다. 정적 변형률 측정기로 측정 된 변위 및 게이지 변형률 값은 일정시간 간격으로 10개의 자료를 측정하여 평균값을 계산하여 사용 하였으며, 여러 가지 단순보에 대한 실험 결과는 Table 1과 같이 정리 할 수 있었다.
대상 데이터
- 앞의 2장에서 유도된 이론적 변형률 해석을 위하여 실내 실험을 수행하였다. 본 실내 실험에서는 알루미늄과 강재로 된 단순보 21개를 제작하여 실험을 실시하였으며, 알루미늄 재료 보에서는 직사각형(80×30)과 정사각형(45×45) 단면이 사용되었고, 각각의 보에 있어서 길이는 200㎝, 250㎝ 및 300㎝ 3종류가 되며, 강재보에서는 직사각형(50×30) 단면이 선택되었다. 강재보의 길이는 400㎝ 로 선택되었으며 보의 중앙점에 집중하중 3kg, 5kg 및 7kg의 3종류의 하중을 재하하여 중앙점에서 변위와 변형률을 측정 하였으며, 측정된 변형률과 변위로부터 계산되는 변형률을 비교 검토 하도록 하였다.
- 정ㆍ동적 실험에 사용된 트럭의 총중량은 25.43( t )되며, 트럭 하중의 재하 위치는 외측차선에서 1.0m 떨어진 곳에 차량의 왼쪽바퀴가 위치 하도록 선정 하였다. 계측 위치는 균열이 발달되지 않은 보를 선택하도록 하였으며, 작업의 편리성과 하중 작용 효과 등을 고려 하여 제 1경간 두 번째 거더(G2), 3/8L지점에서 계측 하도록 하였다.
- 실내 실험으로부터 본 연구의 타당성을 확인 할 수 있었으나, 현장 적용성을 검토하기 위해서 실 교량을 대상으로 현장 실험을 수행 하도록 하였다. 현장 실험 대상으로 선정된 교량은 PSC I형교로서 연장 150.0m의 5경간 교량이 되며, 일반 현황은 Table 3과 같다. 상부 슬래브는 차량의 주행성을 위해 2경간 연속 슬래브와 3경간 연속 슬래브화 되어 있으며, 대상 교량의 횡단면도 및 종단면도는 Fig.
데이터처리
- 하중 재하시 충격의 영향을 최소화 하기 위하여 감속 도르레를 사용한 재하 장치를 제작하여 아주 서서히 재하 하도록 하였다. 정적 변형률 측정기로 측정 된 변위 및 게이지 변형률 값은 일정시간 간격으로 10개의 자료를 측정하여 평균값을 계산하여 사용 하였으며, 여러 가지 단순보에 대한 실험 결과는 Table 1과 같이 정리 할 수 있었다. Fig.
성능/효과
- 1) 본 연구에서 제시한 변형률 해석 알고리즘을 사용하면 탄성거동에 대한 변형률 해석이 가능함을 확인 할 수 있었다.
- 변형률 값이 상당히 작은 값을 갖는다는 점을 고려해 볼때, 변위로 부터 계산되는 이론적 변형률 값은 게이지로 부터 측정된 변형률 값과 대체적으로 일치하고 있음을 알 수 있었다. 일부 다소 오차가 크게 계산되는 경우도 있었으나(15%이상의 경우 3개) 이 경우는 실험 수행에 따른 작업오차가 작용한 것으로 판단되며, 따라서 본 연구에서 제시한 이론적 변형률 해석이 공학적으로 타당함을 알 수 있었다.
- 변형률 계산을 위해서는 보의 중립축 위치가 우선 결정 되어야 하는데 본 연구에서는 슬래브와 보의 합성작용을 고려 하고 탄성계수비 및 강선 배치를 고려 하였을 때 보 하단에서 1.411m로 계산 되었다.
- 실내ㆍ외 실험을 수행한 결과 본 연구에서 제시한 내용에 따라 변위값을 이용하여 변형률 해석은 타당함을 알 수 있었다. 그러나 오래된 교량의 경우 설계도면이 보존되어 있지 않은 경우에는 실측에 의해서 단면과 사용철근이 추정되어야 하므로 중립축 결정에 어려움이 있는 경우에는 계산식에 의한 변형률 해석이 제한적으로 사용될수 있다는 점을 지적할 수 있다.
- 동적 실험 4, 5, 6에서 처짐 변위 값이 비교적 작게 계측 되었는데 그 이유로는 주행 트럭이 표시된 위치를 벗어난 것으로 판단된다. 실제 주행 속도가 커짐에 따라 표시된 위치를 정확하게 맞추지 못하고 주행하는 것을 확인 할 수 있었다. 또 동적 실험 3, 4에서 전기 저항식 변형률 게이지의 계측 자료는 노이즈가 심해서 자료 취득이 어려워 제외 시키도록 하였다.
- 변형률 값이 상당히 작은 값을 갖는다는 점을 고려해 볼때, 변위로 부터 계산되는 이론적 변형률 값은 게이지로 부터 측정된 변형률 값과 대체적으로 일치하고 있음을 알 수 있었다. 일부 다소 오차가 크게 계산되는 경우도 있었으나(15%이상의 경우 3개) 이 경우는 실험 수행에 따른 작업오차가 작용한 것으로 판단되며, 따라서 본 연구에서 제시한 이론적 변형률 해석이 공학적으로 타당함을 알 수 있었다. 오차 값은 게이지 측정 변형률 값을 정확한 값으로 생각하고 이 값에 대한 계산된 변형률 값의 상대오차를 계산한 것이 된다.
후속연구
- 2) 변형률 해석 알고리즘에 의할 경우 보의 중립축 계산이 우선 요구되고 있는바, 오래된 교량에 있어서 설계도면이 없는 경우에는 정확한 중립축 결정에 어려움이 있을 수 있으므로 그 사용에 제한이 있을 수 있다.
- 3) 본 연구에서의 실ㆍ내외 실험은 비교적 양호한 조건하에서 검토가 이루어 졌으며, 다양한 구조형식과 지점조건을 갖는 교량에서의 적용성은 좀더 깊이 있는 연구와 실험이 필요할 것으로 판단된다.
- 또한 본 연구는 하중 재하에 의해서 발생되는 처짐을 이용하여 변형률을 계산 하는 것으로 구조물 사하중에 의한 처짐은 고려하지 못하고 있으며, 본 연구에서의 실내. 외 실험은 상부 구조형식 및 지점 조건이 단순보 형태로서 비교적 간단한 경우가 되며, 그외 다양한 구조 형식에 대한 적용성은 좀더 많은 실험과 연구가 필요할 것으로 생각된다.
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