1. 서 론
현재까지 많은 교량에 사용되고 있는 PSC(prestressed concrete) 거더는 콘크리트 거더에 초기 응력을 도입함으로써 기존의 콘크리트 거더 보다 뛰어난 성능을 가지며 저비용으로 설계 및 제작이 가능한 거더이다(Rens et al., 1997). 하지만, 1985년의 Ynys-y-Gwas Bridge, 1992년의 Malle Bridge의 급작스런 붕괴 이후 PSC 교량에 대한 전반적인 검사가 이루어 졌고 검사 결과를 통해 PSC 교량이 노후하면서 물과 염소 이온의 침투로 인한 거더 내부 텐던이 부식이 됨에 따라 초기 도입 응력이 저하되어 PSC 거더의 성능이 저하됨이 확인되었다 (Youn and Kim, 2006). 따라서 거더 성능 관리에 있어서 PSC 내부 텐던의 긴장력 손실 관리가 매우 중요한 항목임을 알 수 있다. 하지만, 현재는 시공 시에만 설계 긴장력 도입 여부 만을 검증하고 있어 시공 후 공용 시에는 긴장력 손실 관리가 제대로 이루어지지 않고 있는 실정이다.
이에 초음파/탄성파 속도, 진동특성 및 자기장을 이용하여 PSC교량의 긴장력을 비파괴적으로 측정하고자 하는 연구가 진행되었다(Chen and Wissawapaisal, 2001; Saiidi et al., 1994; Kim et al., 2004; Baudendistel and Tunner, 2007; Calkins et al., 2007; Wang et al., 2005; Sumitro et al., 2002). 특히 PSC 거더의 긴장력을 추정하기 위해 EM 센서를 통하여 긴장력에 따른 PS 텐던의 비투자율의 변화를 계측하는 기법에 대한 연구가 진행되었다. 해당 연구결과를 통해 도입된 긴장력이 커질수록 자기이력곡선의 기울기인 비투자율이 낮아지는 것을 확인하였으며 이를 통해 EM 센서를 이용하여 PS 텐던의 긴장력 추정이 가능하다(Kim et al., 2015; Park et al., 2015; Shin et al., 2015).
따라서 본 연구에서는 EM 센서의 현장 적용성을 향상시키기 위하여 PS 텐던의 강종별 긴장력에 따른 자기이력변화를 모니 터링해 보고자 한다. 이를 위해 한국산업표준 KS D 7002 규격에 준수한 PS텐던 12종 중 PSC거더에 주로 쓰이는 7연선 B종 SWPC7BN 12.7mm, 7연선 C종 SWPC7CL 15.2mm, 7연선 D종 SWPC7DL 15.2mm를 대상으로 PS 텐던 강종별 긴장력 변화에 따른 자기이력을 모니터링하였다.
2. PS 텐던 긴장력변화에 따른 자기이력 모니터링
이 장에서는 본 연구에 사용되는 한국산업표준 KS D 7002 규격에 준수한 PS강연선에 관한 간략한 소개와 EM(elastomagnetic) 센서에 적용되며 비교적 간단한 비파괴 평가 기술인 탄성-자기 이론에 대하여 간략히 소개하고, 이를 통하여 자기 이력 모니터링을 통한 PS텐던의 긴장력 추정 기법에 대하여 말하고자 한다.
2.1. 한국산업표준 PC 강연선
한국산업표준 강연선의 종류는 12종류로 그 분류는 Table 1과 같다. Table 2-3
Table 1
Kind and mark of PS tendons according to KS D 7002
| Kind | Mark | |
|---|---|---|
| 2 wire strand | SWPC2N, SWPC2L | |
| 3 wire strand | SWPD3N, SWPD3L | |
| 7 wire strand | Class A | SWPC7AN, SWPC7AL |
| Class B | SWPC7BN, SWPC7BL | |
| Class C | SWPC7CL | |
| Class D | SWPC7DL | |
| 19 wire strand | SWPC19N, SWPC19L | |
Table 2
Mechanical properties of 7 wired strand
Table 3
Size and permissible tolerance of tendons
7연선 A종은 인장 강도 1720N/mm2급, B종은 1860 N/mm2급, C종은 2160N/mm2급, D종은 2400N/mm2급을 나타낸다. 릴랙세이션 표준값에 따라 보통선은 N, 낮은선은 L의 기호를 끝에 붙인다.
PS강연선의 인장하중은 시험 중의 최대 하중으로 하고 0.2% 영구 연신율에 대한 하중은 하중-연신율 곡선의 직선 부분에 대하여 연신율 0.2%의 간격을 가진 평행선을 긋고 원곡선과의 교점을 잡아 정한다.
선의 치수 측정은 임의 위치의 최대 지름과 최소 지름을 측정하여 구하며, 연선의 치수 측정은 임의 위치의 외접원의 최대 지름과 최소 지름을 측정하여 구한다. 7연선의 경우 표준 지름은 연선의 외접원의 지름으로 한다. 선 및 연선의 공칭 단 면적 및 단위 무게는 Table 4에 따른다.
2.2. 탄성-자기 효과를 이용한 긴장력 계측
강자성 재료는 자기장 내에 놓이면 길이가 변하는데, 이를 자기변형(magnetostriction)이라 하며, 이때 변형률(strain) λ는 식 1과 같다.(1)
식에서 Δl 은 자기 변형이다. 양의 자왜특성을 갖는 재료는 자화되면 길이가 늘어나고, 또 물질이 자화된 상태에서 인장력을 가하면 연신되어 자화를 증가시키게 된다.
Fig. 1에서와 같이 B-H곡선(자속밀도-자기장곡선)에서 인 장력이 없을 때 자기장 H1을 가하면 A만큼 자화되고 인장력 σ1을 이 재료에 가하면 일정한 자장 하에서 자화가 B로 증가 한다. 인장력이 없을 때 자기장을 H1에서 H2로 증가시킨 후 다시 0으로 내리면 잔류자속밀도는 BR1인데 반하여, σ1의 인 장력이 존재하는 경우 잔류자속밀도는 BR1로 증가한다.
그러나 자기 소거된 시료 즉 자기장 H=0 인 상태에서는 인 장력이 인가되어도 실선과 점선이 원점에서 교차하므로 어떤 자화의 변화도 일으키지 않는다. 외부인장력에 따라 자화곡선이 달라지는 이유는 투자율이 장력에 따라 변하기 때문이다. 즉 PS강재에 걸린 인장력에 따라 자속밀도의 변화가 발생된다는 것을 의미한다. 이러한 원리를 이용하면 EM 센서를 통해 자기 이력 곡선을 계측함으로써 긴장력의 비파괴 검사가 가능하다.
3. EM센서를 이용한 강종별 자기이력 모니터링
3.1 계측용 EM 센서의 제작
PSC 거더의 긴장력 계측을 위하여 PSC 거더 내부이 가능한 EM 센서 시작품을 제작하였다. EM 센서 시작품은 Fig. 2와 같이 한쪽 끝단은 정착구 내부 구멍으로 삽입되기 위하여 사선 가공을 실시하고 나머지 한 끝단은 쉬스관과의 연결을 위하여 쉬스관의 직경과 맞게 나사선 가공을 통하여 쉬스관-정착구 사 이에 조인트 형태로 삽입될 수 있도록 개발되었다.
제작된 EM 센서 시작품용 보빈에 1차 코일 및 2차 코일을 권선하여 EM 센서 시작품을 Fig. 3과 같이 완성하였다. 이때 1차코일은 PEW 1.2t 에나멜동선을 이용하여 300회 권선되 었으며 2차 코일은 PEW 0.3t 에나멜동선을 이용하여 100회 권선되었다. 제작된 EM 센서 시작품을 이용하여 긴장력 계측 성능 평가 및 적용성 검증 실험을 실시하였다.
3.2. 강종별 자기이력 계측
3.2.1. 실험 세팅
EM센서 시작품의 검증을 위하여 실험실 단계에서 1개의 텐던에 긴장력을 변화하면서 강종별 자기이력곡선을 계측하였다. Fig. 4
실험은 Fig. 4와 같이 1개의 텐던을 MTS를 이용하여 긴장 력을 변화시키면서 제작된 EM 센서 시작품을 이용하여 긴장 력에 따른 신호 변화를 계측하는 방법으로 진행되었다. 현재 사용되고 있는 여러 가지 종류의 텐던에 대한 적용성을 검증 하기 위하여 B종 12.7mm, C종 15.2mm, D종 15.2mm 세가지 종류의 텐던을 각각 3개의 시편을 이용하여 계측을 실시하였다. 각 텐던별로 50, 100, 150, 180kN의 긴장력을 도입하면서 긴장력에 따른 신호 변화를 관찰하였다.
3.2.2. 계측 결과
각 강종별 긴장력에 따른 자기이력곡선의 변화를 Figs. 5~7에 나타내었다.6
B, C, D종 모두 긴장력이 증가함에 따라 B-H loop의 기울 기가 줄어드는 것을 확연히 파악할 수 있었다. 이를 정량화 하기 위하여 B-H loop의 기울기인 투자율을 추출하여 Fig. 8에 나타내었다.
Fig. 8의 투자율 변화 결과를 보면 B, C, D종 모두 긴장력에 따라 투자율이 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 강연선의 직경에 따라 강연선이 자화되는 전체량이 감소하므로 12.7mm의 강연 선은 15.2mm의 강연선보다 투자율이 작게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 또한 같은 직경을 가진 C종과 D종의 경우에도 동일한 긴장력에서 종별로 나타내는 투자율 값이 다른 것을 확인할 수 있다. 계측된 긴장력과 투자율의 관계를 확인하기 위하여 Fig. 9와 같이 긴장력과 투자율의 관계를 회귀분석을 실시하였다. 각각의 강종별 선형회귀분석식은 다음과 같이 나타났다.(2)(3)(4)
여기서, T 는 도입된 긴장력이며 μB, μC , μD 는 각 강종별 계측된 투자율 값이다.
회귀분석 결과를 보면 강연선의 직경이 달라 상수값은 다르 지만 B종과 C종은 유사한 기울기를 가지고 변화하는 것을 확인할 수 있었으며 D종은 B, C종과 다른 기울기를 가지고 긴장력에 따라 변화하는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 B 종과 C종은 긴장력 변화에 따라 그 자기이력의 변화량은 유사 하게 변화하는 것을 확인할 수 있으며 D종은 다른 종과 다른 양상으로 긴장력에 따라 자기이력이 변화한다. 따라서 실제 현장에서 긴장력 변화를 계측하기 위해서는 사용되는 강종 및 단면적을 확인하고 해당 종의 Reference 값을 이용하여 긴장력 추정이 이루어져야 한다.
4. 결 론
본 논문은 PSC 교량의 긴장력 관리를 위하여 각 강종별 긴 장력에 따른 자기이력변화를 모니터링하는 기법에 대한 연구를 진행하였다. EM 센서는 응력에 의해 강자성체의 자기이력이 변화하는 탄성-자기(elasto-magnetic) 이론을 이용하여 강자 성체에 작용되는 응력을 추정할 수 있다. 이를 실제 현장에 적용하기 위하여 본 연구에서는 PSC 교량에 사용되는 다양한 종류의 긴장재에 대하여 EM 센서를 적용하기 위한 기초연구 로써 각 강종별 긴장력에 따른 자기이력변화에 대한 연구를 실시하였다.
각 강종별 긴장력에 따른 자기이력곡선의 변화를 계측하기 위하여 PSC 교량에 적용이 가능한 EM 센서를 제작하고 제작된 EM 센서를 이용하여 B종 12.7mm, C종 15.2mm, D종 15.2mm 긴장재에 대한 실험을 실시하였다. 기준 긴장력을 확인할 수 있는 MTS를 이용하여 상용화된 B, C, D종 PS 긴장재에 50, 100, 150, 180kN 의 긴장력을 도입하면서 EM 센서를 이용하여 각 긴장력 단계의 자기이력곡선을 계측하였다.
긴장력 단계에 따른 자기이력곡선의 변화를 분석한 결과 모든 강종에서 긴장력이 증가함에 따라 자기이력곡선의 기울기인 투자율이 감소하는 경향을 나타내는 것을 확인하였으며 긴장 재의 단면적이 증가함에 따라 자화되는 면적이 증가하여 투자 율의 절대값이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 각 강종별 긴장력에 따른 투자율의 변화를 회귀분석한 결과 B종과 C종의 강연선은 단면적이 달라 선형회귀분석식의 상수값은 상이하지만 같은 기울기를 가지고 변화하는 것을 확인할 수 있었으며 D종의 경우 다른 강종과는 다른 경향으로 긴장력에 따라 그 자기이력이 변화하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 PSC 거더의 긴장력을 계측하기 위해서는 사용되는 긴장재의 강종 및 단면적을 확인 하고 해당되는 기준식을 이용하여 긴장력 추정이 가능함을 확인하였다. 이를 바탕으로 실제 PSC 교량에 적용이 가능한 긴장력 추정 기법 개발이 가능할 것으로 판단된다.
