2.1 의사 정적 재하시험

의사 정적 시험이란 축종을 알고 있는 시험 차량을 시험대상 경간에 저속(20㎞/h 이하)으로 주행시켜서 계측한 응력파 형상의 동적 효과를 제거하므로 이동하중에 의한 정적 거동을 구하는 방법이다.

의사 정적재하시험은 정ㆍ동적 특성시험을 연계하여 수행할 수 있으며, 일반적인 재하시험에서 주변 차량의 영향을 배제하기 위해서 차량 통행을 전면 통제하여야 하는 제약을 해결할 수 있다. 또한 작용 외력에 대한 대상 교량의 정적인 응답을 측정하는 정적재하시험은 공용내하력 평가 시 응력 보정을 위한 응답 비를 구하기 위하여 실시하며, 미리 선정된 지점에 측정하고자 하는 목적에 맞는 센서를 부착한 후, 시험 차량을 교량 내 임의의 지점에 재하 하여 교량의 처짐, 부재의 변형률 등을 측정하여, 교량의 종ㆍ횡방향 정적 거동을 파악하게 된다. 의사 정적 재하시험 측정체계는 Fig. 2 와 같다.

Fig. 1 Static and dynamic load testing measurement system

Fig. 2 Static load testing process

2.2 동적 주행시험

시험 차량(주행 차량)에 의한 교량의 동적 거동을 파악하는 것은 실제 교량이 가지고 있는 저항 능력, 강성 및 사용성의 한계 평가에 매우 중요하다. 이와 같은 목적을 위해 실시되는 동적 주행(재하)시험은 시험 차량의 주행 때문에 유발되는 동적 효과 및 제반 동특성을 추정하여 대상 교량의 안전성 및 사용성 평가를 위한 기초자료를 도출하고자 실시한다.

동적 주행(재하)시험은 동적 거동 특성을 파악하고자 하는 대상 부재에 측정항목(시험목적)에 따른 센서를 부탁하고 주행속도를 10㎞/h부터 80㎞/h까지, 그리고 최대 주행속도로 구분하여 주행하며, 이때 측정지점에 발생하는 처짐, 변형률 및 가속도 등을 측정하여 교량의 동적 거동 상태를 파악한다. 동적 주행(재하)시험 측정체계는 Fig. 3 와 같다.

Fig. 3 Dynamic load testing process

Fig. 4 Location for Load Testing

3.1 재하시험 계획

동호철교는 압구정동과 옥수동을 연결하는 지하철 3호선의 한강 횡단 교량으로 1984년 11월에 준공되었다. 상부구조는 경간장 30~50m의 단순하로판형교 800m와 경간당 80m의 3경간 연속 트러스교 480m로 구성되어 있고 하부구조는 T형 및 라멘 형식의 교각으로 시공되었다.

본 교량의 재하시험에 사용된 측정기기 및 센서의 종류는 Table 1과 같다.

Photo 1 Dongho railway bridge and bridge scenery

3.2 재하시험 열차 및 교량

본 재하시험에 사용되는 전동차는 현재 3호선에서 상시주행 중인 10량 편성 열차를 이용하였으며, 재하시험 전동차의 제원은 Table 2 와 같다. 또한 승객 미탑승 형태의 시험 열차에는 정적 시험과 동적 효과를 포함한 값을 구하기 위해 시행하며 이를 속도 구간별 10㎞/hr ~ 80㎞/hr 범위로 각각 상ㆍ하행선으로 나누어 비교 측정한다. 상시 열차의 경우 단선 재하만 시행하게 되는데 이는 승객이 탑승한 열차로 상행선 22회, 하행선 22회 시험을 진행하였다. 시험 열차는 주행 시 대체로 유사한 속도로 주행하였으며, 상시 열차의 경우 약 50㎞/hr ~ 80㎞/hr 범위 내에서 평균 70㎞/hr 수준으로 Table 3 와 같이 통과하였다.

Photo 2 Instrumentation Installation

본 재하시험의 대상 경간 선정은 대상 교량의 구조적 특성을 고려하여 구조적으로 가장 불리하고 주요부재의 손상상태, 보수ㆍ보강 이력, 계측기 부착 및 측정 장비의 설치, 시험 차량의 가속 거리 등 현장 여건을 종합적으로 고려하여 선정하였다. 또한 2022년 재하시험 대상 경간은 12년 정밀 안전 진단과 동일한 트러스 구간을 선정하였다.

3.3 계측기 설치

측정항목별 센서는 대상 교량의 측정 대상 구간 중에서 하중 재하에 따른 단면력이 최대인 단면을 선정한 후, 변형률 및 처짐이 최대로 발생하는 부위에 부착한다. 본 교량은 3경간 연속철교이므로 측경간 및 중앙경간의 정모멘트와 지점부의 부모멘트 발생 위치에 Table 5의 계측기를 Fig. 5, 6, 7의 위치와 같이 계측기를 부착하였다. 측경간의 가로보 및 세로보에도 연결부마다 정적 및 동적 계측을 위한 계측기를 부착하였다. 또한 계측기 부착 위치는 2012년 정밀 안전 진단과 동일한 위치 및 수량을 부착하였다.

Fig. 5 Attachment Locations of Instruments (P12 Span)

Fig. 6 Attachment Locations of Instruments (S12 Span)

Fig. 7 Attachment Locations of Instruments (S11 Span)

Table 5 Total Quantity of Instruments for Load Testing

Symbol	Instruments	Quantity
	Strain Gauge	36
	Deflection Gauge(PSM-R, VG)	4
	Accelerometer	4

3.4 의사 정적 및 동적 주행 재하시험

재하 목적은 트러스 부재 축 방향 변형률 측정(상·하현재, 수직재)과 가로 보, 세로보의 중앙부 휨 변형률 및 처짐 측정이 목적이며 의사 정적 재하시험과 동적 재하시험으로 나누어 시험하였다.

의사 정적 재하시험은 일반적인 재하시험에서 주변의 영향을 배제하기 위해서 차량 통행을 전면 통제하여야 하는 제약을 해결하고자 축 하중을 알고 있는 시험 차량을 시험대상 경간에 저속인 10㎞/hr 이하로 주행시켜서 계측한 응력파 형상의 동적 효과를 제거함으로써 정적 효과를 구하게 되며, 의사 정적 시험을 통하여 차량의 종 방향 위치에 따른 전반적인 교량의 거동 특성을 규명한 후 구조계산에서 산출된 이론값과 비교하여 내하력 평가를 수행할 수 있으므로 재하시험 결과 분석 오류를 최소화할 수 있다.

동적 재하시험의 응답 특성을 측정하기 위한 계측기는 의사 정적 재하시험의 경우와 동일하며, 재하차량은 운행하는 전동차를 이용하여 압구정역에서 옥수역(상행선)으로, 옥수역에서 압구정역(하행선)으로 각각 주행속도 20㎞/hr~80㎞/hr까지 10㎞/hr 씩 변화시키면서 실시하였으며, 최고 80㎞/hr까지 주행시험을 실시하였다. 또한 교량의 고유진동수 측정을 위하여 계측 시 시험 차량이 시험 구간을 통과한 이후에도 일정 시간 동안 여진의 측정을 계속하였다.

4.1 재하 열차 조건별 응답

시험 열차, 상시 열차 경향 비교를 통해 속도 변화에 따른 응답의 변화에 대하여 분석하였다. 시험 열차의 주행 속도별 변형률의 응답 차이는 전반적으로 세로보 부재에서 크게 나타났으며, S11 경간의 S32 센서에서 가장 크게 나타났다. 속도별 응답은 각각 80km/h와 10km/h의 주행속도에서 114.89μm/m와 104.18μm/m로 세로보 부재(센서 S9~S12, S31~S34)를 대상으로 한 최대 대비는 169%로 나타났다. 상시 열차(승객 탑승)와 시험 열차(승객 미탑승, 10㎞/hr)의 비교군 간 상시 열차속도 대비 시험 열차 응답은 (±) 최소 응답을 보이는 것으로 나타났다. Fig. 8에서 개략적인 중첩성 비교의 개념으로, 단선 재하(상행선+하행선) 값과 상시 열차 복선 재하 경우를 비교한 결과, 경향이 유사함을 확인하였다. 상시 열차는 속도 변화 변수가 적은 상태(평균 70㎞/hr, 50~80㎞/hr)에서 승객 탑승 정도에 따라 응답이 변화하는 것으로 판단한다.

Fig. 8 Dynamic Load Testing - Comparison of Test Train and Regular Train Behavior (Up Line & Down Line)

4.2 의사 정적 재하시험 응답

본 시험 경간에 대한 변형률과 처짐은 시험 차량이 10㎞/hr 수준의 서행으로 주행할 때 센서들의 응답을 수집한 후 프로그램 필터링 처리를 통해 동적 효과를 제거함으로써 정적 효과를 획득하는 방법을 적용하였다. 변형률의 인장은 양(+)의 값으로 나타내었으며 변위의 하향 처짐은 양(+) 값으로 나타났다. 또한 Fig. 8에서 센서별 변형률이 가장 크게 나타난 세로보 부재에 대하여 횡방향 거동 비교를 통해 대칭성 여부를 Table 8, 9에 나타내었다. 의사 정적 재하시험을 실시한 결과, 상행선 재하와 하행선 재하 경우 미미한 편차는 있으나, 전반적인 경향이 대칭성을 보였다. 본 교량은 기존 2012년 정밀안전진단의 횡방향 측정자료와의 비교에서도 큰 변화가 없는 것으로 분석되어 계측 결과의 신뢰성을 확인하였다.

교량의 횡방향 거동 특성은 대칭구조의 교량 부재에 하중을 재하 하면 측정 결과는 대칭성을 보여주게 된다. 측정값이 합리적이고 충분한 신뢰성을 가지고 있다면 교량의 대칭 거동은 교량이 선형탄성 범위에서 건전한 거동을 하는지 판단하는 자료로 활용될 수 있으며, 교량의 이상 거동 유무를 판단하는 자료가 될 수 있다. Table 12, 13 에는 하중을 대칭으로 재하 하여 측정경로의 거동 특성을 나타내었다.

트러스 구간에 대하여 통과 열차의 상ㆍ하행선 하중 재하 경우에 대한 대칭성 분석과 같이 측경간(S12) 및 지점부(P12)와 중앙경간(S11)의 대칭성과 하중의 횡 분배 효과가 양호한 것으로 나타났다.

4.3 동적 재하시험 응답

4.3.2 고유진동수 분석 결과

대상 교량의 고유진동수를 평가하기 위하여 측경간(S12) 및 중앙경간(S11)에 대한 연직방향 가속도계를 양측 하현재에 설치하여 동적 응답을 획득하였으며, 열차가 대상 경간을 벗어나 자유진동을 하는 구간을 대상으로 FFT 분석을 시행하여 고유진동수를 산출하였다.

고유진동수 분석 결과, 1차 모드 수준에서 2.344㎐, 2.393㎐, 2.441㎐의 3가지 진동수가 주로 검출되었다. 기존 2012년 정밀안전진단에서 검출된 고유진동수는 2.344㎐, 2.441㎐로서 2022년 측정과 유사함을 보였다. 2022년 측정 결과 2.393㎐, 2.344㎐는 2.441㎐의 대푯값이 도출되었다. 측정간 차이는 분석구간 범위 선정에 따른 차이이며, 자유진동 범위 내에서 분석구간을 길게 확보하였을 경우, 미소한 인접 진동수 간 대푯값이 도출되는 것으로 판단된다. 초반부에 검출되는 모드별 측정값 비교 결과, 2012년의 측정된 대푯값의 차이는 유효숫자에 따른 차이로 변화를 보이지 않았으며, 구조적인 동적 강성 변화는 없는 것으로 판단할 수 있다. Table 8, Fig. 10은 2022년 측정 결과이며, Fig. 13은 기존 측정 결과와의 비교자료이다.

구조물의 동적특성은 구조물의 질량과 강성에 관계되며 해석에 사용되는 이상화된 구조 모델과는 달리 실제 구조물은 기하학적 형상이나 부속장치 및 구속조건에 따라 매우 복잡한 거동을 나타낸다. 따라서 실측 및 이론 고유진동수의 비교만으로는 바람직하지 않다. 하지만 동적특성을 고려한 고유진동수의 원리에서 실제 구조물의 강성과 질량을 정확히 파악하면 구조물의 고유진동수를 계산할 수 있다. 또한 이론 고유진동수와 측정 고유진동수 간의 비교를 통해 아래의 수식과 같이 구조물의 강성 보유 정도를 확인할 수 있다. 구조물의 질량은 자중과 추가 사하중에 관련되므로 현장 조사에서 정확한 파악을 통해 소거될 수 있다. 따라서 실측과 이론 고유진동수의 비는 구조물의 실제 보유 강성과 이론적 강성의 비를 나타낸다. 실측 고유진동수가 이론 고유진동수보다 크다면 구조물의 보유 강성은 양호하며, 구조물 전체의 노후도나 결함 정도를 파악하는 방법이 될 수 있다.

$\dfrac{\omega_{실측}}{\omega_{이론}}=\dfrac{\sqrt{\dfrac{k_{구조물의 보유강성}}{m_{구조물의 보유질량}}}}{\sqrt{\dfrac{k_{구조물의 이론강성}}{m_{구조물의 이론질량}}}}$

본 시험대상 교량의 해석 고유진동수는 2.40Hz이며, 실측된 최저 고유진동수는 2.393Hz로 2012년 실측값보다 높게 측정되었다. 이론 고유진동수보다 낮게 측정되어 교량의 노후화에 따른 동적 강성저하로 볼 수 있으나, 차이가 미미하고 2012년보다 증가하여 강성저하는 없다고 판단된다.

Fig. 9 Displacement Response Curve

Fig. 10 Fast Fourier Transform (FFT) Analysis of Acceleration Response Curve - Current Study

Fig. 11 Natural Frequency Analysis Interval - Free Vibrational Period After Train Passage

Fig. 12 Fast Fourier Transform (FFT) Analysis of Acceleration Response Curve - 2012

Fig. 13 Comparison of FFT Analysis Results