2.1 실험체 형상

시험체는 현재 일반적으로 사용되는 핑거형 신축이음장치의 축소형인 2,000mm × 1,000mm 크기의 부재(기존 신축이음 실험 체)와, 가변형 핑거 조인트를 가지는 신축이음장치의 축소형인 2,000mm × 2,000mm 크기의 부재(내진 신축이음 실험체)를 각 각 1개씩 실제 교량의 단부 모양과 같게 제작하였다.

현장에서 철근 조립, 콘크리트 타설 및 양생 후 실험실로 운 반하였으며, 콘크리트 외부는 가력 실험 시 콘크리트의 변형 을 억제하기 위해서 10mm 강판으로 측면을 보강하였다(^{Yoo and Yang, 2016}). 구조 성능 평가용 실물 실험체 2개에 대한 형상은 Fig. 1에 나타내었다.

Fig. 1

Shape of test members

2.2 사용 재료

실물 실험체 제작에 사용된 콘크리트는 실제 교량 바닥판 강 도와 유사하게 설계기준강도 27 MPa의 레미콘을 이용하여 제 작하였으며, 신축이음장치와 콘크리트 외측면을 감싸는 강재 는 실제 신축이음장치에 사용되는 SWS41 재질을 사용하였다.

2.3 실험 장치 및 계측

실험장치 및 센서 설치 내용은 Fig. 2에 나타내었다. 실험장 치의 특이사항은 실험체 한쪽 단부를 고정단 처리하였으며, 반대 측면에서 400 kN 용량의 유압잭을 이용하여 수평방향 하중을 가력하였다. 특히 실험체 하부에 직각방향으로만 이 동할 수 있는 지그를 용접하여 설치하였다(^{Park et. al, 2012}).

Fig. 2

Test setup and measuring system

한편 시험체 표면 핑거부에 전단 및 휨 변형률을 측정하기 위 한 변형률게이지를 각 2개씩 부착하였으며, 실험체 측면 하중 가력부 근처에 변형량을 측정할 수 있는 LVDT를 설치하였다. Fig. 3

Fig. 3

Photo of strain gauge attachment

2.4 실험 합격 판단기준

수평하중에 의한 실물 신축이음 실험체의 성능 만족 여부 를 다음의 두 가지 조건으로 평가하였다(^{AASHTO, 2004}).

3.1 파괴 및 변형 형상

기존 신축이음 실험체의 변형 형상은 실험체 1/2 전체가 이 동하여 인접 핑거와 접촉한 후, 하중이 증가함에 따라 핑거부 에 상당한 응력이 발생된 후, 실험체 1/2 부위가 수직으로 상 승하는 형태의 변형이 발생되었으며, 최대 상승 변위는 약 16.5mm 로 나타났는데 이러한 수직 상승 현상은 앞서 기술한 2.4절의 판정기준에 의하면 내진 성능을 확보하지 못하는 것 으로 판정된다.

한편 내진 신축이음 실험체의 변형 형상은 시험체 1/2 전체 가 이동하여 인접 핑거와 접촉한 후, 하중이 증가함에 따라 핑 거부의 힌지작용으로 핑거가 회전하는 형태의 변형이 발생되 었으며, 최대 회전 변위는 약 11.6 도(41mm)로 나타났다. 즉, 수직 상승현상이 발생되지 않아 앞서 기술한 2.4절의 판정기 준에 의하면 내진 성능을 확보하는 것으로 판정된다. 또한 핑 거 내의 힌지의 거동은 설치 목적에 적합하도록 거동하는 것 으로 나타났다. 상기 기술한 결과는 다음 Fig. 4와 Fig. 5에서 확인할 수 있다.

Fig. 4

Deformed shape of existing test members

Fig. 5

Deformed shape of seismic test members

3.2 하중-수평변위 관계

하중 가력부에 설치한 LVDT를 이용하여 각 실험체의 수평 변위를 획득하였으며, 그 결과를 Fig. 6에 나타내었다. 실험체 가 저항하는 단위길이당 최대 수평력은 기존 신축이음 실험 체의 경우, 150.5 kN/m, 내진 신축이음 실험체의 경우, 152.5 kN/m로 나타났으며, 최대 수평변위는 기존 신축이음 실험체 의 경우 약 21.1mm, 내진 신축이음 실험체의 경우 51.00mm 로 나타났다.

Fig. 6

Load - horizontal displacement relationship

저항 하중의 크기는 내진 성능 유무와 관계없이 거의 유사 하게 나타났으나, 수평변위는 내진 성능이 인지 힌지 핑거에 서 142 % 크게 나타나, 핑거 내의 힌지의 회전으로 더 큰 수평 변위를 유발하였다. 한편 Fig. 6의 그래프 형상으로 판단하면, 두 실험체 모두 탄성거동 범위 내에 있는 것으로 나타났다.

3.3 하중-변형률 관계

핑거 단부에 설치한 변형률게이지들로부터 각 실험체들의 변형률을 획득하였으며, 그 결과를 Fig. 7과 Fig. 8에 나타내었 다. 이때 교축직각방향으로 부착한 변형률게이지는 전단변형 률을, 교축방향으로 부착한 변형률게이지는 휨변형률 계측에 이용하였다.

Fig. 7

Load – shear strain of finger relationship

Fig. 8

Load – flexural strain of finger relationship

최대 전단변형률은 기존 신축이음 실험체의 경우 약 44 × 10^-6, 내진 신축이음 실험체의 경우 55× 10^-6으로 나타났다. 이 값을 응력으로 환산하면, 각각 9.2 MPa, 11.4 MPa으로 핑거부 에 발생된 응력 자체는 매우 작은 것으로 나타났다.

최대 휨변형률은 기존 신축이음 실험체의 경우 약 137 × 10^-6, 내진 신축이음 실험체의 경우 40 × 10^-6으로 나타났다. 이 값을 응력으로 환산하면, 각각 27.4 MPa, 8.0 MPa으로 핑거부 에 발생된 응력 역시 그 자체는 매우 작은 것으로 나타났다.

그러나, 작은 값이 발생된 원인을 고찰하면 매우 다른 원인 에 의해서 발생된 것으로 평가된다. 즉, 아래 그림에서 알 수 있듯이 기존 신축이음 실험체의 경우 하중이 증가함에 따라 응력이 꾸준히 증가하다가 시험체가 더 이상 수평방향으로 이동할 수 없는 상태에 이르면 시험체 1/2가 수직방향으로 상 승하는 형태의 변형이 발생되며, 더 이상의 응력이 증가되지 않는 현상을 보이고 있는 것으로 나타났다.

반면, 내진 신축이음 실험체의 경우, 전단응력이 11.4 MPa, 휨응력이 8.0 MPa에 도달할 때까지는 핑거의 힌지부 마찰력 에 의하여 응력을 발생시킨 후, 이 이상의 응력이 발생되면, 힌지부가 회전하면서 발생된 응력을 흡수면서 응력이 감소되 는 현상을 보이고 있다.

이러한 실험결과를 종합해보면, 기존 신축이음 실험체는 어느 정도의 교축직각 방향의 하중에 대하여 저항한 후, 하중 이 단면의 도심에 정확히 일치하게 작용하면 핑거의 휨 및 전 단 변형이 과도하게 발생되며 파단 현상이 발생할 가능성이 있을 것으로 추정된다. 한편 하중이 단면 도심에 일치하지 않 게 작용하면 교량 상부구조물의 솟음 등의 별도 변형을 야기 할 가능성이 클 것으로 추정된다.

내진 신축이음 실험체의 경우, 교축 직각방향의 하중에 대 하여 하중에 대한 변형을 핑거의 힌지가 흡수하여 신축이음 장치 및 상부구조에 응력을 발생시키지 않고 다만 하중 작용 방향으로의 수평 변형만 발생시킬 것으로 예상된다.