2.2.1 내구성 검증 시험체

HRS 신축이음장치 시험체는 신축량 800 mm의 저소음형 신축이음장치로 도로교설계기준(2015, 이하 KHBDC^{(Korea highway bridge design code)})에 따라 설계되었으며, 시험체 제원 및 도면은 Table 1과 Fig. 2에 나타내었다.

KS F 4425 및 SPS-F KOCED 0020-7486 규정에서는 신축이음장치의 내구성 평가를 위해 수축신장 시험 및 피로반복 시험을 하도록 규정하고 있다. 수축신장 시험은 설정된 설계 신축량의 정도와 변형 여부를 평가하기 위한 방법이며, 피로반복 시험은 소정의 하중을 연속적으로 재하 및 제거를 반복한 후 상태를 관찰하여 내구성의 정도를 평가하기 위한 방법이다.

Fig. 2 Hybrid replacement system(DBHRS800)

2.2.2 윤하중 검증 시험체

HRS 신축이음장치는 교체의 용이성을 확보하기 위해 개방형 서포트박스가 설치되어 마감을 위한 덮개판이 추가된 구조이다. 개방형 서포트박스 마감을 위한 덮개판은 신축이음장치 본체와 연결하기 위해 볼트이음을 사용하고 있다. 본 검증실험에서는 개방형 서포트박스 덮개판에 차륜에 의한 반복하중이 적용되었을 때 발생할 수 있는 문제점을 파악하기 위해 윤하중 성능검증 실험을 계획하였다.

윤하중 성능검증 실험은 덤프트럭 후륜을 사용하여 차륜하중을 모사하므로 시험체 폭은 1.0 m, 길이는 차륜하중이 ±1.0 m (전체 이동거리 2.0 m)를 왕복주행하기 위해 콘크리트 블록을 포함하여 3.457 m로 설계하였다(Fig. 3, Table 2).

Fig. 3 Wheel load a test specimen(DBHRS 400)

3.1.1 작동성능평가 시험방법

HRS 신축이음장치 작동성능평가를 위한 시험방법은 KS F 4425에 설계신축량의 1/3에 해당하는 신축량 만큼의 변위를 갖도록 하여 최소(수축) 및 최대(신장)에 대하여 각각 2,500회씩 반복 실행하도록 규정하고 있으며, 이때 이동속도는 100 mm/min 이하이다. 그러나 단체표준 “모듈러 신축이음장치 성능평가 시험방법[SPS-F KOCED 0020-7486]”에서는 중립축 상태에서 설계신축량을 5,000회 수행하도록 제안하고 있다. 본 논문에서는 HRS 신축이음장치에 더 가혹한 조건을 적용하기 위해 단체표준에서 제안하는 방법을 적용하여 작동성능시험을 수행하였다(Photo 1).

Photo 1 View of contraction-expansion performance evaluation test

3.1.2 작동성능평가 시험결과

Fig. 4는 HRS 신축이음장치의 중립축 상태에서 설계신축량의 80%인 650 mm를 이동한 결과를 나타낸 것이다. 작동성능시험에서 설계신축량을 이동량으로 적용하고자 하였지만 간격유지재의 저항에 의한 하중 증가로 이동량을 축소하여 실험을 수행하였다. Fig. 4에 나타난 바와 같이 작동성능 반복회수와 상관없이 일정한 값을 유지하고 있음을 알 수 있다. 이는 신축이음장치에 작용하는 마찰저항 하중의 크기가 변하지 않고 일정하게 유지하고 있는 것으로 판단된다. 이와 같이 마찰저항에 따른 하중의 크기가 반복회수와 관계없이 일정한 값을 보여주는 것은 HRS 신축이음장치의 작동성능에 대하여 충분한 능력을 확보하고 있는 것을 의미한다. 작동성능시험 완료 후 HRS 신축이음장치 하부 및 베어링을 육안으로 확인한 결과(Photo 2) 간격유지기 및 봉함재의 탈락 등 문제점은 발견되지 않았고, 반복회수 증가에 따라 베어링의 마모가 발생되었다. 베어링에 발생된 마모는 마찰저항에 의한 윤활제의 산화에 의해 발생한 것으로 제품의 성능에는 영향을 미치지 않는 수준이다. 따라서 HRS 신축이음장치는 KS F 4425 규정에 따른 작동성능에 있어 충분한 성능을 확보하고 있다고 판단된다.

Fig. 4 Load hysteresis according to the number of contraction- expansion cycles

Photo 2 State of moving bearing

Photo 3 View of fatigue test

3.2.1 수직하중 피로시험 방법

HRS 신축이음장치의 수직하중 피로시험 성능평가는 ^{KS F 4425(2001)} [교량 신축이음장치 시험방법]에 따라 실시하였다. 여기에서 강재형 신축이음장치인 경우 신장 수축과 관계없이 1개의 중간보 즉, 레일에 대하여 최소 22.54 kN, 최대 116.62 kN의 하중을 가감하는 조작을 1사이클로 하여 3 Hz 이하의 주파수로 200만회 반복 재하한 후 실험체의 내구성의 정도를 평가하기 위한 방법이다. 이때 재하하중의 접촉 면적은 길이 방향으로 510±10 mm 이내로 하여야 한다.

수직하중 피로시험에서 하중재하는 설계위험단면에서의 피로응력이 설계 시 충격을 포함한 활하중 모멘트에 의해 발생하는 변동 응력보다 크게 되도록 재하위치와 하중 진폭을 결정하여야 한다. ^KHBDC(2015)에서는 차륜의 접지면은 표준트럭하중의 각 차륜에 대해 면적이 $\dfrac{12500}{9}{P}({mm}^{2})$인 하나의 직사각형으로 간주하며, 이 직사각형의 폭과 길이의 비는 2.5 : 1 로 하고 있다. 여기서 P는 차륜의 중량(kN)이다. 따라서 하중 재하판의 크기와 하중진폭은 차륜 접지면적과 충격계수에 관한 규정에 의해 다음과 같이 결정하였다(Fig. 5).

- 하중 재하판 크기 설정

접지면적(A) = $\dfrac{12500}{9}{P}({mm}^{2})$, 차륜중량(P) = 96 kN

${A}=\dfrac{125}{9}\times 96=1333.33 {cm}^{2}$

폭(a) : 길이(b) = 2.5 : 1

${b}=\sqrt{\dfrac{{A}}{2.5}}=\sqrt{\dfrac{1333.33}{2.5}}=23.094{cm}$,

${a}=2.5\times{b}= 2.5\times 23.094=57.74{cm}$

- 수직하중 피로시험 하중진폭 설정

: ^KHBDC(2015)에 따르면 레일형 신축이음장치의 충격계수는 0.3을 적용하고 있으므로 충격을 포함한 레일형 신축이음장치의 최대설계활하중과 하중진폭을 설정하였다.

${P}_{\max}={P}_{24}\times(1+{i})=96\times(1+0.3)= 124.8{k N}$

$\Delta{P}=0.75{P}_{\max}=0.75\times 124.8= 93.6{k N}$

${P}_{\min}={P}_{\max}-\Delta{P}= 124.8 - 93.6 = 31.2{k N}$

Fig. 5 Loading plate specimen

3.2.2 수직하중 피로시험 성능평가 결과

HRS 신축이음장치에 피로반복하중을 소정 회수만큼 재하한 후 변형률과 변위를 계측하였다. 계측단계는 초기, 100회, 1000회, 5000회, 1만회, 5만회, 10만회, 50만회, 100만회, 150만회, 200만회로 하였다. 정적으로 충격계수를 고려한 반복 최대하중인 124.8 kN 까지 정적으로 재하하고 계측을 수행하였다.

HRS 신축이음장치의 200만회 피로시험 성능평가 결과 신축이음장치를 구성하고 있는 부품의 이상 변형은 발생되지 않았다. Fig. 6에 나타난 바와 같이 초기와 200만회 완료 후에도 중앙부 레일이 가장 크게 측정되고 있다. 이는 ^{KHBDC (2015)}에서 규정하고 있는 윤하중 분담율(Table 3)에 따라 적절하게 하중이 분담되고 있음을 알 수 있다. HRS 신축이음장치는 중간보(레일 중앙부)에서 약 53%를 부담하고 있어 설계기준에도 잘 부합하고 있음을 알 수 있다.

Fig. 7, Table 4는 피로반복 회수에 따른 하중-변형률 관계를 나타낸 것으로 중간보의 하중 분담율은 하중-변위 관계와 마찬가지로 약 60%를 부담하고 있다. 또한 200만회 피로반복하중 재하 완료 후의 최대 변형률은 849 με으로 응력으로 환산하면 약 169.8 MPa 정도로 환산이 가능하다. 이는 HRS 신축이음장치 레일의 항복강도 355 MPa의 47.8% 수준이다. 따라서 HRS 신축이음장치는 200만회 피로반복하중 재하에 있어서 이상거동 및 파괴거동을 나타내지 않았으며, 피로하중에 대하여 충분한 내구성을 확보하고 있음을 알 수 있다.

Fig. 6 Load-displacement history

Fig. 7 Load-strain history

3.3.1 방수성능시험 방법

신축이음장치 방수성능시험은 단체표준 모듈러 신축이음장치 성능평가 시험방법[SPS-F KOCED 0020-7486]에 따라 수행하였다. 방수성능시험은 노면으로부터 우수가 신축이음장치로 유입되는 것을 방지하는 봉함재와 신축이음장치의 연결부 방수성능을 평가하기 위한 방법으로 신축이음장치 중립축 상태에서 상면 50 mm 이상 높이로 거푸집을 설치하고 30 mm 이상 물을 채운 후 6시간 동안 지속하여 누수발생 여부를 확인하여야 한다. 또한 신축이음장치의 방수성능평가는 작동성능 평가시험 및 강도성능시험을 수행한 후 각 부위에 이상 변형이 없는 것을 확인한 동일 시험체로 수행하여야 한다.

3.3.2 방수성능시험 결과

Photo 4에 나타낸 바와 같이 신축이음 상면 50 mm 거푸집을 설치하여 30 mm 까지 물을 주입하였다.

방수성능시험 규정에는 6시간 동안 방수성능시험을 수행하도록 제시하고 있지만 본 시험에서는 약 15시간 동안 방수성능시험을 수행하였다. 시험결과 Photo 5에 나타난 바와 같이 시험체 하부 및 개방형 서포트박스 내부에도 누수는 발생하지 않은 것으로 확인하였다. 이는 신축이음장치 누수로 인해 발생할 수 있는 교좌장치 등의 손상을 방지하기 위한 요구조건을 충분히 확보하고 있는 것이다.

Photo 4 State of waterproof

Photo 5 State of waterproof