1. 서 론
2. 앵커볼트 결함 검사를 위한 비파괴 검사 방법(Ultrasonic)
3. 앵커볼트 결함 검사 성능 검증을 위한 실험체 제작
4. 앵커볼트 결함 검사 성능 검증 실험
5. 결 론
1. 서 론
교량은 지리상으로 멀리 떨어져 있거나 하천, 계곡, 바다, 강 등의 자연 지형으로 인하여 이동에 어려움이 있는 경우 차량이나, 보행자에게 편리한 이동성을 제공하기 위해 설치하는 시설물이다. 우리나라의 경우 2021년 기준으로 전국에 대략 37,000개 이상의 교량이 설치되어 있으며 교량 시공 기술의 발달로 인하여 교량의 장대화와 통행 교통량의 폭발적인 증가로 인하여 교량의 건설수요는 매년 증가하고 있는 추세이다(MOLIT, 2022a, 2022b).
도로시설물의 경우 1970년대 집중적으로 건설되기 시작하였고 40년 이상 사용되면서 시설물의 노후화가 진행되고 있으며, 이에 따른 체계적인 유지관리가 필요한 실정이다. 1995년 성수대교의 붕괴 이후 노후 교량에 대한 대규모 개축과 2000년을 전후하여 도로망이 확충되어 국내 도로 교량의 평균 수명은 높지 않은 편이며, 교량의 건설현황에서 알 수 있듯이 공용수명이 20~30년 이상 되는 노후 교량의 수가 조만간 급격히 증가할 것이다.
교량은 외부 환경의 변화에 따른 구조물의 변형이 발생하게 되는데, 온도의 변화에 따른 교량 상부구조의 수축과 팽창, 콘크리트 재료의 재령에 따른 크리프, 건조수축 및 활하중에 의한 이동과 회전등의 변위 및 변형이 발생하게 된다. 이러한 구조물의 변형 시 발생하는 신축량을 흡수하기 위해 장치가 필요하다. 신축이음장치는 구조물과 구조물 사이에 전달되는 응력을 차단하고, 교량 표면의 평탄성을 유지 시키며, 차량의 주행성과 구조물의 안전성을 향상 시키는 장치이다(No and Lee, 2014). 이러한 신축이음장치는 교량의 표면에 노출되어 해안가 등의 염해 등의 외부 환경요인과 교통의 발달로 인한 통행량의 증가, 과속차량 혹은 과적 차량의 통행 등의 운행요인으로 인하여 훼손과 파손이 발생하게 된다.
2020년 1월부터 “지속 가능한 기반 시설 관리 기본법”이 시행되는 등 국내 노후 기반 시설의 성능개선을 위한 체계적인 유지관리의 중요성이 더욱 강조되고 있고, 교량의 부재별 평균 수명을 조사한 보고서에 의하면 강교도장이 18.51년으로 가장 길고, 배수시설과 교량받침의 경우 평균 수명이 각각 12.27, 12.57년으로 가장 짧았으며, 그다음으로 신축이음은 13.32년으로 노후화된 교량의 사고를 근본적으로 방지하기 위한 구조건전성 향상 기술 개발의 필요성이 대두되고 있다.
지난 2018년 6월 부산울산고속도로 만화교 내 신축이음장치 돌출로 인하여 차량 수십 대의 타이어 파손 사고가 발생하였고, 2020년 1월 부산 광안대교 상판 도로의 신축이음장치 일부가 탈락하는 사고가 발생하는 등 도로시설물 중 교량의 강핑거형 신축이음장치의 앵커볼트 파손사례가 다수 보고되고 있고, 교량 신축이음장치의 앵커볼트가 파손될 경우, 주행 중인 차량으로 인해 대형 사고로 이어질 가능성이 크므로 이를 관리할 수 있는 선제적/능동적 유지관리 기술 확보를 위한 비파괴 검사 기술 개발이 필요하다(Yonhap News, 2018; The Korea Economic Daily, 2020).
국내의 앵커볼트 일반 비파괴 검사법은 육안검사와 타음검사를 적용하고 있다. 육안검사의 경우 기초에 포함된 부분이나 너트 및 베이스플레이트가 설치된 부분에서 앵커볼트의 부식이나 피로균열 등을 확인하는 것이 어렵고, 타음검사의 경우 주변 환경과 개인차에 의한 영향을 받기 때문에 객관적인 조사가 어려운 것이 현실이므로 이러한 결함을 정량적으로 추정할 수 있는 비파괴 검사 기술의 개발이 필요하다. 또한, 앵커볼트는 도로시설물뿐만 아니라, 건축구조물 및 기계설비, 플랜트 시설물 등의 고정장치로 앵커볼트가 가장 많이 사용되고 있으므로 시장성 및 확장성이 매우 높다(Jun et al., 2003; Park et al., 2005; Park, 2014).
2. 앵커볼트 결함 검사를 위한 비파괴 검사 방법(Ultrasonic)
유도초음파(Guided Ultrasonic Wave)는 구조물의 기하학적인 구조를 따라 길이 방향으로 전파하는 초음파로서 종파와 횡파가 구조물의 벽면 사이에서 수없이 반사되고 중첩되어 형성된다(Fig. 1 참조). 이때 유도 초음파는 일반적으로 무한매질을 진행하는 벌크파(Bulk Wave)와 달리 모드가 넓은 진동수 영역에 존재하며 대부분의 모드는 진동수와 벽면의 두께에 따라 전파속도가 변화하는 분산 특성을 갖는다. 유도 초음파는 각각의 파동 모드들이 서로 간섭을 일으키며 진행하므로 무한대의 파동모드가 존재하며, 대상물(배관, 앵커볼트, 강봉 등)의 길이 방향으로 진행하는 경우 원주 방향과 두께 방향으로 간섭이 일어난다. 유도 초음파로 가진된 구간에서 부식에 의한 앵커볼트 나 강연선의 균열 및 부식 부분이 있을때 초음파 전파속도의 변화를 탐지하여 앵커볼트나 강연선의 부식 상태에 대한 정보를 획득할 수 있을 것으로 판단된다(Kim, 2008; Ann et al., 2005; Ditri et al., 1992; Gazis, 1959; Graff, 1995; Park et al., 2005, Park et al., 2006, Rose, 1999).
미국의 경우 1983년 6월 Mianus River Bridge의 행거 핀 파손으로 인한 붕괴 사고 후, 교량의 행거 핀의 점검 및 상태 평가에 대한 관심이 높아졌고, 도로의 표지판, 신호기, 조명구조물, 방음벽과 토목, 건축구조물의 콘크리트 기초에 부착을 위해 사용되는 앵커볼트의 파손사례가 다수 발생하여 앵커볼트의 건전성 평가 기술의 대두 되었다.
미국 연방 도로관리국(FHWA)에서는 교량의 행거 핀과 도로시설물의 앵커볼트에 대한 비파괴 검사(UT) 시 앵커볼트의 매입 깊이, 균열, 기타결함의 조사하도록 규정하고 있다. 또한, AASHTO Bridge Element Inspection Guide Manual에서 앵커볼트의 깊이에 대한 균열 또는 손상정도를 평가하도록 규정하고 있다(AASHTO, 2010; FHWA, 2004).
일본의 경우 국토교통성에서 초음파 펄스반사법에 의한 앵커볼트 길이 측정요령(2003년 11월)을 재정하여 기설치된 교대 및 교각에 낙교방지장치 등을 고정하기 위해 설치된 앵커볼트의 길이(전체길이 1 m 이하)를 초음파 펄스 반사법의 직접접촉법으로 측정하는 경우에 적용하도록 하고 있다. 전력중앙연구소에서는 노후화가 진행 중인 원자력 · 화력 발전소에서는 피로균열이 발생한 앵커볼트의 사례가 보고되고 있고, 구조물이나 설비 앵커볼트의 나사산부는 지진하중에 의해 균열이 발생할 가능성이 있어 “기초볼트에 대한 초음파탐상법의 개발(2015년 4월)”을 통하여 원자력 · 화력 발전소의 구조물이나 설비 앵커볼트의 비파괴검사를 수행하고 있다.
본 연구에서 적용하고자 하는 펄스반사법과 위상배열초음파법의 경우, 펄스반사법적용시 인공 결함의 종류를 구별하는 방법은 부식 결함의 경우 굴절파나 난반사파에 의해 Echo의 형상이 복잡한 반면에, 균열의 경우 굴절파나 난반사파가 부식에 비해 적어 Echo의 형상이 단순한 경향을 가진다. 이와 같은 Echo의 형상은 시험체를 통해 확인한 내용이므로, 현장 적용성을 고려하기 위해 실내 실험 및 현장 실험을 통하여 성능 검증이 필요하다. 위상배열초음파법의 경우 검측을 위한 Probe 및 데이터 기록을 위한 Encoder가 추가로 필요하며, 본 연구에서는 10 MHz (가로 16 mm, 세로 23 mm, 높이 20 mm), 5 MHz (가로 23 mm, 세로 25 mm, 높이 20 mm) Probe를 사용하였다.
3. 앵커볼트 결함 검사 성능 검증을 위한 실험체 제작
비파괴 검사(UT) 적용 앵커볼트 결함 검출 성능 검증을 위하여 도로시설물에 많이 적용하는 M24를 선정하였다. Nut의 경우 KS 및 JIS 기준을 적용하였고, Washer는 원형이 아닌 사각형 와셔로 KS 및 JIS기준을 적용하였다. 시험체로 I형 앵커볼트를 적용하였는데, 해외에서 부식 및 피로균열이 많이 발생하는 구간을 앵커볼트 상단에서 50~150 mm 구간이며, 이 영역에 대하여 비파괴검사를 통한 앵커볼트의 결함 검출 성능 실험은 앵커볼트의 형상(I, L, J형)과 상관이 없으므로 Table 1과 같이 I형으로 선정하였다. 앵커볼트의 결함은 종류 및 크기, 위치에 따라 Fig. 2 및 Fig. 3과 같이 인공적으로 인가하여 제작하였다.
Table 1.
Experiment specimen for anchor bolt damage detection
| Diameter | Shape | Length | Damage type | Qt. | Note | ||
| No | Corrosion | Crack | |||||
| M24 | I-type | 300 mm | 2 | 9 | 8 | 19 |
Corrosion : 3 types Crack : 4 types |
인공 결함을 인가한 앵커볼트 결함 실험편은 현장 조건과 유사하게 묘사하기 위하여 Fig. 4와 같이 콘크리트에 결함 부위를 매립시켜 제작하였다. 인공부식 및 인공결함을 부여한 앵커볼트가 매립된 콘크리트 실험체를 대상으로 펄스반사법(이하 UT)과 위상배열초음파검사법(이하 PAUT)을 사용하여 성능 검증을 수행하였다.
4. 앵커볼트 결함 검사 성능 검증 실험
콘크리트 매립 앵커볼트 손상 실험체를 UT와 PAUT로 결할 검출 성능 검증 실험을 수행하였다. 상세 실험체 리스트 및 결과는 Table 2와 같다. 나사산 전체 부식의 경우 PAUT는 결함의 시점과 종점 및 부식이 전체인지 부분인지를 확인할 수 있었다. UT는 결함의 신호는 검출되나, 부식의 단면방향 깊이가 깊어질수록 비교적 정확한 결함의 위치를 확인할 수 있었다. 그러므로 나사산 전체 부식의 경우 UT 보다는 B Scan을 이용한 PAUT가 좀더 정확하게 부식된 위치 및 크기를 확인할 수 있으므로 신뢰성이 높다.
Table 2.
Blind test results
본체 전체 부식의 경우 UT와 PAUT 모두 부식의 깊이가 2.0 mm에 대해서는 검출 능력이 떨어지는 것을 확인하였으며, 부식깊이가 3.0, 5.0, 8.0 mm인 시험편에 대해서는 두 방법 모두 결함 신호를 확인하였다. 두 비파괴 검사방법 모두 결함의 신호는 검출되며, 부식의 단면방향 깊이가 깊어질수록 비교적 정확한 결함의 위치를 확인할 수 있었다.
나사산 및 본체 부분 부식(복합 결함)의 경우 UT와 PAUT 모두 나사산 부식은 확인할 수 있으나, 본체 부식은 8.0 mm만 확인할 수 있었다. 두 비파괴 검사방법 모두 결함의 신호는 검출되며, 부식의 단면방향 깊이가 깊어질수록 비교적 정확한 결함의 위치를 확인할 수 있다.
앵커볼트 부식 결함 검사 결과 중 부식 깊이 3.0 mm 실험체에 대하여 Fig. 5와 Fig. 6에 제시하였다. 부식의 경우 UT 및 PAUT 모두 부식 위치와 관계없이 검출할 수 있는 것을 알 수 있다. 실무에서는 UT와 PAUT 모두 다 결함의 유무를 확인할 수 있으나, 좀더 활용이 간편한 UT를 활용하여 결함 여부 판단에 활용하고, 확인된 결함의 경우에 대하여 PAUT를 활용하여 결함 크기 등을 확인하는 데 활용하는 것이 적합할 것으로 판단된다.
앵커볼트 균열 결함 검사 결과 중 부식 깊이 2.0 mm 및 7.0 mm 실험체에 대하여 Fig. 7와 Fig. 8에 제시하였다. 앵커볼트 균열 검사 결과 중 결함 깊이 2.0 mm 미만 실험체(Fig. 7(a) 및 Fig. 8(a))에서는 UT와 PAUT 모두 검출하지 못하였으며, 3.0 mm 이상(Fig. 7(b) 및 Fig. 8(b))에서는 검출이 정확한 것을 알 수 있다. 두 방법 모두 균열의 위치는 검출할 수 있지만 크기(깊이)는 검출할 수 없었다. 실무에서는 UT을 적용하고, 균열이 발견되면 보다 정량적으로 균열 검출할 수 있는 추가 기법을 보완해야 할 것으로 판단된다.
5. 결 론
본 연구에서는 도로시설물에 적용되는 앵커볼트의 결함 검출을 위하여 비파괴 검사 방법 중 초음파 탐상법(Ultrasonic Test)을 적용하여 검출 여부를 확인하였다. 앵커볼트의 결함은 부식과 균열을 고려하였으며, 실재 조건을 모사하기 위하여 콘크리트에 매립하여 초음파 탐상법 중 펄스 반사법(UT)과 위상배열초음파법(PAUT)을 적용하여 결함 여부를 확인하였다. 앵커볼트의 결함 검출 성능 검증 결과에 따라 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1) 나사산 전체 부식의 경우 PAUT는 결함의 시점과 종점 및 부식이 전체인지 부분인지를 확인할 수 있다. UT으로는 결함의 신호는 검출되나, 부식의 단면방향 깊이가 깊어질수록 비교적 정확한 결함의 위치를 확인할 수 있다. 그러므로 나사산 전체 부식의 경우 UT 보다는 B Scan을 이용한 PAUT의 결과는 부식된 위치 및 크기를 확인할 수 있으므로 신뢰성이 높다.
(2) 본체 전체 부식의 경우 UT과 PAUT 모두 부식의 깊이가 2.0 mm에 대해서는 검출능력이 떨어지는 것을 확인하였으며, 부식깊이가 3.0, 5.0, 8.0 mm인 시험편에 대해서는 두 방법 모두 결함 신호를 확인하였다. 두 비파괴검사방법 모두 결함의 신호는 검출되나, 부식의 단면방향 깊이가 깊어질수록 비교적 정확한 결함의 위치를 확인할 수 있었다.
(3) 나사산 및 본체 부분 부식(복합 결함)의 경우 UT과 PAUT 모두 나사산 부식은 확인할 수 있으나, 본체 부식은 8.0 mm만 확인 가능하였다. 두 비파괴검사방법 모두 결함의 신호는 검출되나, 부식의 단면방향 깊이가 깊어질수록 비교적 정확한 결함의 위치를 확인할 수 있었다.
(4) 나사산 균열의 경우 UT 및 PAUT로 균열결함을 측정한 결과, 균열깊이 2.0 mm를 제외하고 3.0, 5.0, 7.0 mm 균열결함의 위치를 정확하게 측정되었다. 균열의 경우 UT 보다는 B Scan을 이용한 PAUT의 결과는 균열의 위치 및 크기를 확실히 확인할 수 있으므로 신뢰성이 높다.
(5) 본체 균열의 경우 UT 및 PAUT로 균열결함을 측정한 결과, 균열깊이 2.0 mm를 제외하고 3.0, 5.0, 7.0 mm 균열 결함 위치를 정확하게 측정되었다. 균열의 경우 UT 보다는 B Scan을 이용한 PAUT의 결과는 균열의 위치 및 크기를 확인할 수 있으므로 신뢰성이 높다.
(6) 나사산과 본체에서 2.0 mm 미만의 균열깊이의 경우 탐지를 못하였는데, 본 연구에서 PAUT에 사용된 Probe는 10 MHz와 5 MHz이며, 다양한 대역(0.5 MHz ~ 18 MHz)의 Probe를 활용하는 추가연구가 필요할 것으로 판단된다.
