A Study on the Proposal of Strength Presumption Equation of Concrete Using Rebound Test and Aging Effects of Underground Structures

한국재난관리표준악회 논문집 2009년 12월

찌12권 찌14호， pp. 59-65 L--치 맏극매 i二’ Ef 리표준획외

햇S~ Korean Society of Societal Security

지하구조물 공용년수를 고려한 반발경도법에 의한 강도추정식의 제안

나성옥* 윤태국** 이종우***

A Study on the Proposal of Strength Presumption Equation of Concrete Using Rebound Test and Aging Effects of Underground Structures

Sung Oak Na*

,

Tae Gook Yoon**

,

and Jong Woo Rhee***

접수일자 2009년 7월 3일/심사완료일 2009년 10월 30일

요 약 현재 대부분 사용되고 있는 반발경도법을 이용한 강도 추정식을 서울의 대표적인 지하구조물에 적용할 경우 준공 년도에 따른 재령계수의 적용이 부적합한 것으로 판단됨에 따라 본 연구에서는 최근 8년간 수행된 서울지하철 정밀안전진 단결과를 이용하여 코어의 일축압축강도와 통일위치에서 실시된 반발경도 시험결과와의 상관관계에 준공년도를 고려하여 공용중인 박스 및 터널구조물에 대한 합리적인 강도평가 추정식을 제시하였다.

액심용어 콘크리트 강도， 반발경도법， 재령계수

ABSTRACT The rebound test using Schmidt hammer is most popular method to estimate strength of concrete. However, this method is inappropriate for Seoul Metro underground structures due to unsuitable aging effects. Consequently, the strength presumption equation of underground structures is proposed according to the correlation of uniaxial compressive strength, rebound test results and age of concrete. To achieve this, the results of in-depth inspection of Seoul Metro under- ground structures performed annually for last 8 years was anlayed

KEYWORDS concrete strength, rebound test, aging effect

1.

서 ^료g

‘-

일반적으로 공용중인 구조물의 강도평가는 크게 두 가 지로 구분되는데， 첫째는 구조물로부터 코어를 채취하여 압축강도를 실시하는 국부 파괴 검사법과 둘째는 비파괴 시험장비를 이용하여 구조물에 손상을 주지 않고 소정의 값을 얻는 비파괴 검사법이다. 이 중 상대적으로 신뢰도 가 높은 시험은 코어압축강도시험이지만 보통 콘크리트 구조물은 재료 및 배합이 다르며， 타설과 양생의 조건이 다르기 때문에 샘플 선정이 어려우며， 코어채취에 의한 구조물의 국부적인 손상과 철근절단 및 채취부위의 열화 현상 등의 문제점으로 인하여 너무 많은 수의 코어채취는

*한국시설안전공단 직원， 공학사 (nso27@hanmail.net)

•• 한국시설안전공단 차장， 공학박사/토질 및 기초기술사

••• 한국시설안전공단 차장， 공학박사/토목구조기솔사

59

지양하고 있다.

따라서 정밀안전진단시 진단시설물의 규모와 중요도 등을 고려하여 최소한의 코어를 채취하여 비파괴시험에 의한 강도추정방법을 보정하여 구조물의 강도를 추정하 는 방법이 가장 유용하게 쓰이고 있다(한국시설안전공단，

2004; 안형준， 1991; 한국콘크리트학회， 1993; 홍성욱 및 조영상， 2008).

비파괴 시험을 통한 구조물의 강도평가의 방법으로는 반발경도법， 초음파법， 조합법 등이 사용되고 있다(한국표 준협회，2003; 일본건축학회， 1983; 안형준， 1991). 이 중 반발 경도법은 콘크리트 표면에 측정부위가 제한되고 동일개 소에 반복적용이 불가능하다. 또한 측정면의 상태， 부재 두께， 장기재령의 영향， 습윤상태， 옹도의 영향， 열화정도 등 재료 및 환경요인과 타격속도， 타격방향， 기술자의 숙 련도 등이 강도추정에 영향을 미치는 단점이 있으나， 측

60 나성옥·윤태국·이종우

정이 간편하고 측정구조물의 형상， 치수와 관계없이 적용 이 가능하고 짧은 시간안에 강도추정이 가능하여 매우 유 용하게 이용되고 있다. 지금까지의 반발경도법을 이용한 강도 추정식은 강도(a=1.0)에 대해 3，000일 이상의 범위에 대해서는 a=0.63의 보정계수를 적용하여 사용하고 있다.

반면 서울의 대표적 인 지하구조물인 서울지하철의 경우

준공년도가

1974-1985년임을

고려하면

이와

같은 재령계

수의 적용은 부적합한 것으로 추정되었다. 이에 본 연구 에서는 2000년-2007년 사이에 수행된 정밀안전진단결과를 이용하여 코어의 일축압축강도와 통일위치에서 실시된 반발경도 시험 결과와의 상관관계에 준공년도를 고려하여 공용중인 박스 및 터널 구조물에 대한 합리적인 강도평가 추정식을 제안하였다(서울메트로， 2000-2007).

2. 사용장비와 코어압축강도 시험

측정하고자 하는 대상 구조물의 강도에 따라 사용하는 반발경도 측정기의 종류가 다르며， 보통콘크리트용， 경량 콘크리트용， 저강도콘크리트용， 매스콘크리트용 등이 있 다. 따라서 측정대상 콘크리트 구조물에 따라 적절한 기

종을 선정하여 사용하여야 하며

「시설물안전관리에관한 특별법」 시행령 I에 반발경도측정기의 세부사항으로 기 록지부착형 및 교정장치를 포함하는 것으로 규정하고 있 다

위의 그림

l은

본 연구에 사용된 기종인

NR- lO형이며 사양은표 l과같다.

본 연구의 대상인 박스 및 터널구조물 측벽에서 채취한 코어로서 채취 후 압축강도시험은 KS F 2405, 2412, 2422 에 의하여 실시되었으며(호택표준협회， 2001; 한국표준협 회， 2003) 코어의 압축강도 시험에서 3 개의 평균값이 설 계기준강도의 85% 이상이고， 코어 각각의 강도가 설계기

그림 1. NR-10형 및 Test Anvil

한국재난관2/.표준학희: 논운증Uf/2권 제4호

그림 2 측벽부메서 채취된 코어

표 1. NR-10 형 장비의 사양

형식 E.Schmidt NR Type

타격에너지 2.207 Nm 측정범위 10-70 N/mm²

기록방법 펜에 의한그래프기록

표준엔빌값 ^80土2R

중량 약 2.9 kg

크기 W330 x H300 x LllO mm 기록지 타격횟수 4 ，000회 기록

준강도의 75%보다 작지 않으면 구조적으로 적합하다고 판정할 수 있으며， 시혐의 정확성을 위하여 불규칙한 코 어강도를 나타내는 위치에서는 재시험을 실시하여야 한

다고 규정되어있다. 현장에서

채취한

코어는 실내에서

제 작된 공시체와 다른 여러 가지 조건이 발생하는데 이에 따라서 @ 공시체 크기， @ 높이/직경비，@ 매립철근 지름，

@

코어 채취위치와 방향，

@

재령

，@

드렬링 등의

영향을

고려하여

보정해

주어야 한다(한국시 설안전공단， 2

004)

.

3. 자료의 정리 및 분석

3.1 코어압축강도 및 반발경도값의 분석

자료의 분석은 표 2와 같이 2000년-2007년까지 약 8년

간 수행된 정밀안전진단시

측

벽부에서

채취된 박스구조 물 코어 482개소， 터 널구조물 코어 270개소에 대한 압축 강도와 반발경도값을 대상으로 하였다.

3.2 콘크리트의 압축강도별 분포

콘크리트의 압축강도는

안전진단보고서 마다 정도의 차이는 있었으나， 국가인증기관에서 시험되었고， 동일한

지하구조물 공용년수를 고려한 반발경도법에 의한 강도추정식의 제안 61

계

482 270

35 이상

18 6.7

-갱

M

-M 25-30

62 23.0 20-25

75 27.8

표 4 콘크리트의 압축강도멸 분포 ( 터널구조물 )

압축장도(MPa) 18미만 18-20

코어개수 53 34

백분율(%) 19.6 12.5

측벽부에서 채취된 박스구조물 코어 482개소， 터 널구조 물 코어 2707fl 소에 대한 압축강도와 반발경도값을 준공 년도에 따라 정리하여 이들의 상관관계를 회귀분석하여 강도추정식을 제안하였다 이때 회귀분석 메뉴얼은 E- Views및 MfNlTAB을 사용하여 단순회귀분석을 하였으며，

l차， 2차식에 대하여 검토하였다.

박스구조물은 철근콘크리트 구조물로 지하구조물의 대 표적인 구조물이며 콘크리트의 정밀안전진단을 수행한 구조물은 정거장을 제외한 모든 구간에 설계기준강도 21 MPa.로 시공되어있다.

본 연구에서 분석한 코어압축강

도와 반발경도와의 상관관계는 그림 3과 같으며， X축은 보정반발경도값을 Y축은 묘어압축강도를 나타내고 있다.

코어압축강도와 보정반발경도값의 상관관계에 따라 Fα1p에

5. 구조물별 분석내용 및 제안식

5.1 박스구조물 방법 인 KS기준(한국표준협 회， 2003)에 의거 압축강도를

구하였기 때문에 신뢰할 수 있으므로 표 3과 같이 콘크리 트의 압축강도별 분포를 정리하였다. 박스구조물의 설계 기준강도는 정거장을 제외한 모든 구간에 21 MPa로 설계

/시공되어 있으며， 총 482개소의 코어압축강도 시험값 중

설계기준강도를 만족시키지 못한 코어압축강도는 6.6%

이

며， 50.6%는 25~35 MPa

구간에 집중되 어

나타났다.

터널구조물의 설계기준강도는 정거장을 제외한 모든 구간에 18MPa로 설계/시공되어 있으며， 총 2707fl 소의 묘

어압축강도 시험값 중 설계기준강도를 만족시키지 못한

코어 압축강도는 19.6%이 며， 50.8%는 20~30 MPa 구간에 집중되어 나타났다.

- - . .. _- ^.

45 ~I F(MPa)=O.2'5 Ro' 2앤뚜」

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1 • i 1

’ : ‘ •• :

3.3 기존에 제시된 압축강도추정식

보정반발경도

Ro로부터 압축강도(Fc)의 상관관계를 도

출한

여러 제안식

중

대표적인

제안식은

다음과

같다.

@

일본재료학회

(보통콘크리트): Fc=-I84 + 13Ro (kgf7crn²)

@ 일본건축학회 αDT

소위원회

: Fc = 7.3Ro

+

100 (kgf7crn²) 보정반발경도 Ro은 아래 식과 같이 측정경도 R에 보정

값

ðR" ðRZ, ðR

3 ^을

^{더한 값으로 한다.}

40

%

%

(떠 a}호)ι

Ro = R + ð.R 1 + ð.R₂ + ð.R₃

여기서

， M ， 타격방향에 따른 보정값， M

2

^{: 압축부재의}

사하중 응력에

따른

보정값， M3 : 콘크리트의 습윤상태에

따른보정값

25

- ^-

4. 연구내용 및 방법

60 45 50 55

Ro(Rebound-Nu mbe rs) 40

20

그림 3 압축강도 (F) 와 반발경도 (R

o

^{) 의 상관관계도}

‘bαnal of The Korean Society of Societal Sec，αity， VoI. 2, No. 4 2000년~2007년까지

약

8년간

수행된 정 밀안전진단시

나성옥· 윤태국·이종우

62

에서는 T통계값이 절대값 2를 넘으므로 귀무가설(주장하 는 가설이 진실할 확률이 극히 적어 신뢰성이 전혀 없다 고 예상되는 가설)을 기각할 수 있다.

P VALUE(획률)은 0.0001, 0.0185로서 유의성 T통계량이 절대값 2를 넘으면 P VALUE는 0.05 이하로 나오게 되며，

그림 4의 보정반발경도값(Ro)과 공용년수(Service life)의 상관관계는 95%의 신뢰성을 가지고 있는 것으로 분석되 었다.

@EF 6ω””@4 50

때

%

(@g호)ι

a

대표적인 지하구조물 방식인 터널은 정거장을 제외한 모든 구간에 설계기준강도 18MPa로 설계/시공되어있으 며， 본 연구에서 분석한 코어압축강도와 발발경도와의 상 관관계는 그림 5와 같으며， 표 7은 공용년수에 따른 시험 개소이다. 후기 지하철에 적용된 터널구조물은 박스구조 물보다 연장이 짧고， 경과년수가 적음에 따라서 코어압축 강도및 반발경도에 대한 자료가 박스구조물보다 적게 나 타났다.

코어압축강도와 보정반발경도값의 상관관계에 따라 F띠Pa)

=6.5957'Ro+0.386의 상관관계식을 도출했으며， 코어압축 5.2 터널구조물

60

Ro(Ret>ound-number)

그림 4 공용년수를 고려한 압축강도 (F)와 반발경도(Ro)의 상관 관계도

-

--

---

--

--

--

‘

·;··i

----:

;

-

---:

i

•

---‘.

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---

:

;

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i

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t ---

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: : gi

•

‘ ‘

; :

··

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;

i

•

:

·:

i

---

.

‘ . :

·;

-- F( lIPa) O.380+ü.5D57'Ro

=0.215'R

o

+20.817의 상관관계식을 도출하였다 박스구조 물 482개소의 코어압축강도와 NR-IO형 슈미트 햄머를 이 용한 반발경도의 자료는 공용년수에 따라 재정리한 표 5 와같다.

일반적으로 강도와 반발경도의 상관관계는 그림 3과 같이 표현되어 준공 후 공용년수에 대한 고려를 할 수 없

었다. 이에 코어압축강도와 반발경도의 상관식에 공용년 수를 고려하여 식 (1)과 같이 추정식을 제안하며 이에 대 한 상관관계도는 그림 4와 같다.

-

--

- 40

40 60

Ro(Rebound-number)

그림 5. 압축강도 (F) 와 반발경도(Ro^{) 의 상관관계도} m ----

30 35

15 20

(

"

뚱 30

) ι

25

20

n

”

l / l 、

여기서， Ro는 보정반발경도， T는 경과시간(년)이다.

표 6은 공용년수를 고려한 압축강도(F)와 반발경도(Ro)의 상관관계식에 대한 통계적 검토이며 분석프로그램으로 E-Views를 사용하였다.

T통계량 절대값이 2를 넘으면 통계적으로 유의미하다.

만일 T통계량의 절대값이 2를 넘지못하면 귀무가설(歸無

假說， null hypothesis)을 기각하지 못한다. 본 상관관계도

F(MPa) =23.817 + 0.219'Ro - 0.154'T

Prob 0.0000 0.0001 0.0185

t-Stat“is있tJC

7.808653 4.023293 -2.364736 Std. Error

3.050077 0.054391 0.064950

Coe에 CJent

23.81699 0.218830 -0.153591

표 6.통계적 분석검토

Variable C BOXRo T(Service life)

한국재f::!관21표준학희 논운즙/ 제2권 제4호

지하구조물 공용년수를 고려한 반발경도법에 의한 강도추정식의 제안 63

표 7. 공용년수에 따른 터널구조물의 시험개소 공용년수 15 년 16년

a。

훌

30

ι

~O 개소

50 ðO

Ro(Rebound-number)

그림 6. 공용년수틀 고려한 압축 강도(F) 와 반발경도 (Ro^)의

상관관계도

강도와 반발경도의 상관식에 공용년수를 고려하여 식 (2) 와 같이 추정식을 제안하며 이에 대한 상관관계도는 그림

6과같다.

F(MPa)

=

^-0.019 + 0.404 . Ro + 0.222 . T (2)

여기서， Ro는 보정반발경도， T는 경과시간(년)이다.

표 8은 터널구조물의 공용년수를 고려한 압축강도(F)와 반발경도(Ro)의 상관관계식에 대한 통계적 검토 결과이다.

터널구조물의 보정반발경도값은 t-통계량이 절대값 2 보다 크며， P VALUE는 95%이상의 신뢰도를 가지나， 공 용년수의 T통계량 절대값이 2보다 작으므로 공용년수에 대한 신뢰성 떨어지고 있다. 이는 앞에서 언급 하였듯이

후기 지하철에 적용된 터널구조물은 박스구조물보다 연

장이 짧고， 경과년수가 적음에 따라 코어압축강도 및 반 발경도에 대한 자료의 부족이 원인으로 판단된다. 그러나 추정식의 자료에 대한 신뢰도가 95%이상이 아닌 더 넓게

90%이상을 만족하여도 무관하다고 판단된다면

(2)

식을

적용할수있다.

현재 공용중인 박스과 터널의 공용년수를 고려한 상관

표 8.통계적 분석검토

Yariable Coefficient

C -0.018828

TUNNELRo 0.403665

T(Service life 0‘326758

관계식을 적용한 결과는 표 9와 같다

6. 결

^료르 ‘-

본 연구는 현재 실제 공용 중인 지하구조물에 대하여 비파괴시험을 통하여 얻은 추정강도와 비파괴시험의 동

일위치에서 채취한 코어압축강도를 이용하여 박스 및 터 널구조물에

대하여

경과년수를 고려한 강도 추정식을 제

안하였으며 결론은 다음과 같다

1) 박스구조물의 경우 제안식은 Fc(MPa) = 23.817

+

0.219'R_o - 0.154'T이며， 반발경도와 압축강도값이 특정구

간에 집중되며， 이는 일정 강도의 그룹들이 시간이 지나

도 예상가능한 범위안에 들어있다는 것을 나타내고 있다

즉，

이상치(불량)의

재료를 제거 한다면 시간이 지난다 해 도 신뢰있는 예측치로 보다 강도를 정확히 예상할 수 있 는 추정식을 만들 수 있는 것으로 분석되었다.

2) 터널구조물의 경우 제안식은 Fc(MPa) = -0.019

+

0.404'R_o + 0.222'T이 며， 시간에 따른 강도는 확연하게 줄 어드는 개소는 없으나， 전체적으로 시간이 경과할수록 낮

은 강도의 변수가 출연하는 횟수가 나타나고 있다. 또한

R。는 강도 추정값이므로 실제 강도인 압축강도보다 특 정 구간에 집중되어 있는 정도가 크게 나타나고 있어 터

널에 대한 제안식은 데이터를 축적하여 보완수정이 필

요하다.

본 연구결과는 단일기관에서 동일한 장비와 규격화된 시험을 통하여 얻은 8년간의 자료를 정리하고 분석한 결

과이다. 향후 시행되는 정밀안전진단시에 조사되는 자료 들로 보완·수정을 한다면 준공 후 30년이 지난 지하구조 물에 일반적인 추정식이 아닌 해당구조물만의 추정식을 적용하여 사용할 수 있을 것으로 판단된다.

Std. Error t-Statistic Prob.

4.963807 -0.003793 0.9970

0.067712 5.961525 0.0000

0.192679 1.695866 0.0911

‘Jouma/of The Korean Society of Societa/ Secw;κ VoI. 2, No. 4

64 나성옥 · 윤태국· 이종우

표 9. 강도추정식의 적용결과 ( 박스구조물 )

박스구조물 터널구조물

코어압축강도 Ro 공용 일본건축학회 일본재료학회 제안식 코어압축강도 Ro ^{공용 일본건축학회} 일본재료학회 제안식

(N/mm') 년수 (MPa) (MPa) (MPa) oνmm') 년수 (MPa) (MPa) (MPa)

33.9 42 26 25.1 22.3 28.9 19.8 42 15 25.1 22.3 21.6

39.3 50 26 28.7 28.7 30.7 22.4 46 15 26.9 25.5 23.2

42.8 50 26 28.7 28.7 30.7 21.2 45 15 26.5 24.7 22.8

22.1 49 26 28.3 27.9 30.4 18.3 44 15 26.0 23.9 22.4

30.8 53 26 30.1 31.1 31.3 17.6 43 15 25.6 23.1 22.0

33.6 57 26 31.9 34.3 32.2 17.3 46 15 26.9 25.5 23.2

29.6 58 26 32.3 35.1 32.4 18.3 48 15 27.8 27.1 24.0

32.3 49 26 28.3 27.9 30.4 27.5 59 15 32.8 35.9 28.4

33.2 51 26 29.2 29.5 30.9 26.9 47 15 27.4 26.3 23.6

33.4 52 26 29.6 30.3 31.1 18.5 43 15 25.6 23.1 22.0

32.1 56 26 31.4 33.5 32.0 22 42 15 25.1 22.3 21.6

33.2 59 26 32.8 35.9 32.6 30.6 41 15 24.7 21.5 21.2

40.3 50 26 28.7 28.7 30.7 24.7 50 15 28.7 28.7 24.8

41.7 51 26 29.2 29.5 30.9 25.2 48 17 27.8 27.1 24.6

23.2 45 26 26.5 24.7 29.6 27.3 52 17 29.6 30.3 26.2

30.1 47 26 27.4 26.3 30.0 25.2 40 17 24.2 20.7 21.4

34.9 44 26 26.0 23.9 29.3 21.9 47 17 27.4 26.3 24.2

34.8 51 26 29.2 29.5 30.9 28 59 17 32.8 35.9 29.0

38.1 51 26 29.2 29.5 30.9 35.1 46 17 26.9 25.5 23.8

35 51 26 29.2 29.5 30.9 2 \.9 52 17 29.6 30.3 26.2

30.1 49 26 28.3 27.9 30.4 40.3 44 17 26.0 23.9 23.0

38.9 50 26 28.7 28.7 30.7 37.7 38 17 23.3 19.1 20.6

27.3 46 26 26.9 25.5 29.8 38.1 40 17 24.2 20.7 21.4

27.1 46 26 26.9 25.5 29.8 25 48 17 27.8 27.1 24.6

36.5 54 26 30.5 3 \.9 31.5 19.5 39 17 23.8 19.9 21.0

30.6 48 26 27.8 27.1 30.2 21.2 42 17 25.1 22.3 22.2

29.9 58 26 32.3 35.1 32.4 32.17 48 18 27.8 27.1 24.9

27.7 58 26 32.3 35.1 32.4 18.14 37 18 22.8 18.3 20.5

22.8 52 26 29.6 30.3 31.1 21.48 57 18 31.9 34.3 28.5

27.1 46 15 26.9 25.5 31.5 29.32 43 18 25.6 23.1 22.9

25.2 48 15 27.8 27.1 32.0 19.81 46 18 26.9 25.5 24.1

40.6 54 15 30.5 3\.9 33.3 21.48 47 18 27.4 26.3 24.5

27.9 54 15 30.5 31.9 33.3 34.42 46 18 26.9 25.5 24.1

3\.8 52 15 29.6 30.3 32.9 2\.48 52 18 29.6 30.3 26.5

38.2 46 15 26.9 25.5 31.5 26.97 53 18 30.1 31.1 26.9

39.7 53 15 30.1 31.1 33.1 39.52 44 18 26.0 23.9 23.3

33.7 57 15 31.9 34.3 34.0 36.97 38 18 23.3 19.1 20.9

39.7 52 15 29.6 30.3 32.9 24.52 48 18 27.8 27.1 24.9

30.86 53 27 30.1 31.1 31.2 24.22 40 18 24.2 20.7 21.7

38.14 51 27 29.2 29.5 30.7 31.87 56 18 31.4 33.5 28.1

31.39 50 27 28.7 28.7 30.5 25.30 50 18 28.7 28.7 25.7

38.7 52 27 29.6 30.3 30.9 31.09 47 18 27.4 26.3 24.5

22.02 43 27 25.6 23.1 29.0 39.73 47 20 27.4 26.3 25.2

32.76 52 21 29.6 30.3 31.9 20.21 42 20 25^‘l 22.3 23.2

44.72 59 21 32.8 35.9 33.4 24.71 48 16 27.8 27.1 24.3

31.42 56 21 31.4 33.5 32.8 17.91 44 16 26.0 23.9 22.7

44.88 53 21 30.1 31.1 32.1 17.21 43 16 25.6 23.1 22.3

한국재난관èf표준학회 논문즙l 제'2i'! 제4호

지하구조물 공용년수를 고려한 반발경도법에 의한 강도추정식의 제안 65

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