구조물에 주로 발생되는 균열원인 및 대책

구조물에 주로 발생되는 균열원인 및 대책

(1) P.S.C BOX GIRDER

1) 건조수축에 의한 외부구속균열 (세그먼트 단부 종방향으로 발생)
 - 발생원인
콘크리트의 타설초기에 시멘트 페이스트는 습기의 손실이 발생하여 건조수축이 유발되고, 콘크리트는 최대로 체적의 0.05%까지 수축한다.

이러한 습윤의 감소로 콘크리트 체적의 변화가 일어나며, 이 경우 건조에 의한 콘크리트의 수축이 어떤 구속력도 없이 발생한다면 콘크리트에 균열은 발생하지 않는다. 연속 압출공법 특성상 각 세그멘트의 콘크리트 타설시차로 인하여 이미 양생 완료된 구콘크리트에 접한 신콘크리트는 양생시 수축하는 과정에서 구콘크리트에 의해 구속을 받게되어 세그멘트 단부에 종방향으로 외부 구속균열이 발생하게 된다

    

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연속압출공법 특성상 각 세그먼트의 콘크리트 타설시차로 인하여 이미 양생 완료된 구콘크리트에 신콘크리트 타설후 양생중 시멘트의 수화열에 의한 온도응력을 구콘크리트가 구속함으로서 발생되는 전형적인 건조수축 균열로서, 하중에 의해 발생되는 휨인장 균열이 아니므로 구조적으로 유해한 균열은 아니나 균열폭 및 균열깊이등의 형상에 따라 에폭시 주입공법 및 표면 도포공법을 적용하여 철근의 부식방지 및 내구성 증진을 강구하여야 함.

2) 휨인장균열 (상․하부슬래브 하면 중앙부 종방향으로 발생)
- 발생원인

P.S.C 상형교는 횡방향으로는 RC 구조이다. 균열이 주로 발생되는 위치는 정모멘트 최대부이며 대부분 종방향 균열은 활하중 재하시 주로 발생되는 휨인장 균열이나 사하중만 작용시에도 벽체에 바닥판이 구속되어 있으므로 사하중에 의한 휨인장과 함께 구속 수축 응력이 드물게 발생될 수 있다.
이때, 균열폭은 횡방향 철근의 응력에 비례한다. (콘크리트 구조설계기준)

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상․하부슬래브 하면 종방향으로 발생되는 균열은 하중에 의한 휨인장 균열이며, 이때 허용된 균열폭은 구조적 안정성 측면에서는 0.3mm이고, 강재부식에 대한 환경조건 측면에서는 0.005tc(여기서, tc는 덮개두께)임. 그러나, 주로 균열이 발생되는 위치는 대부분 정모멘트 최대부이므로 현장균열폭 조사결과 허용균열폭이내일 경우에는 구조적으로 유해한 균열은 아니나 주입이 가능한 균열은 내구성 증진을 위해 에폭시 주입보수를 하여야 하며 보수 후 반드시 임의 부위를 선정 확인 코아링을 하여 균열부위가 완전히 봉합 주입되었는가 확인하여야 하며, 정기적인 관찰 및 조사를 실시하여 균열이 추가로 발생되거나 보수된 균열부위가 진행성 균열인가를 확인하여 진행성 및 추가 발생시 추후 이에 대한 대책을 강구하여야 한다.

3) 세그먼트 압출시 발생되는 균열
- 발생원인
P.S.C 상형교가 2Cell Box일 경우에는 지점이 3개소로 구성되어 있다.
압출시 상부구조물의 3개 지점 중 좌우 지점이 교좌장치와 일정한 재하면을 확보하여 동일한 반력이 재하되어야 하나 이는 현장 여건상 불가능하다. 따라서 이를 보완하기 위하여 교좌장치에 회전변위를 두어 재하면을 일정하게 확보하여 반력을 균형있게 재하될 수 있도록 하여야 한다.
대부분의 연속압출공법 교좌장치의 경우 압출시 교좌장치의 손상을 방지하기 위하여 측면 고정용 Fixing Plate 설치로 상․하부 Plate가 고정되어 교좌장치의 주요 기능인 회전변위가 미소하여 압출시 교좌장치 양단과 하부슬래브 접촉면과의 이격거리가 상이하여 한쪽으로 편중될 경우 이를 균형있게 분산시킬 수 있는 허용 변위가 매우 적고 편구배가 낮은 쪽으로 편중되어 압출이 진행되므로 이로인한 반력의 증가로 인해 하부슬래브의 균열이 한쪽(편구배 낮은쪽)으로 집중되는 것으로 판단된다.

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주로 발생되는 균열은 압출시 상부구조물의 지점이 교좌장치와 일정한 재하면을 확보하여 동일한 반력이 재하되어 압출되어야 하나, 교좌장치 양단과 하부슬래브 접촉면과의 이격거리가 상이하여 한쪽으로 편중 압출진행시 반력의 증가로 인해 발생되는 일시적 현상에 따른 균열로서 구조적으로 유해하지는 않으나, 균열폭 및 균열깊이등의 형상에 따라 에폭시 주입공법 및 표면 도포공법을 적용하여 철근의 부식방지 및 내구성 증진을 강구하여야 한다.

4) 상부슬래브 헌치부 하면 종방향 균열 (내부)
- 발생원인
균열 발생위치는 주로 헌치부 상단에 발생되며 침하량차에 의해 발생되는 침하균열로서 압축영역이므로 구조적으로 큰 영향을 받지 않으나 도로교 표준시방서(1996) 제2편에 의하면 0.2mm정도의 균열은 콘크리트 구조물에 해가 없다고 보고되어 있다. 그러나 이러한 균열을 방지하기 위해서는 콘크리트 표준시방서 제2장 규정에 의거 콘크리트 타설시 벽체헌치 상단까지 타설하고 벽체 콘크리트 침하가 가라앉는 1～2시간을 기다린 후 상판을 타설해야 침하균열을 방지할 수 있다.

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구조적으로 이상이 없으나 철근부식 및 내구성 증진을 위해 에폭시 주입에 의한 보수를 요하고, 보수후 정기적인 관찰 및 조사를 실시하여 균열이 추가로 발생되거나, 보수된 균열부위가 진행성일 경우 추후 이에 대한 대책을 수립하여야 한다.

5) 다이아프램부에 발생한 균열
- 발생원인
JACK의 오동작으로 인한 세그먼트의 불균형적인 리프팅 과정에서 정상적인 리프팅시보다 과다한 비틀림 응력이 발생됨에 따른 원인과 종방향 텐던 인장시 격벽개구부 모서리에 인장응력이 유발되며 기타 양생시 수화열 및 건조수축에 의한 원인으로 판단된다. 이들중 비교적 균열폭이 큰 것들은 불균형적인 리프팅에 의한 것이 주된 원인으로 판단된다.

- 대    책
구조적으로 이상이 없으나 철근부식 및 내구성 증진을 위해 에폭시 주입에 의한 보수를 요하고, 보수후 정기적인 관찰 및 조사를 실시하여 균열이 추가로 발생되거나, 보수된 균열부위가 진행성일 경우 추후 이에 대한 대책을 수립하여야 함.

6) P.S.C BOX(I.L.M)교의 균열발생 사례
- 구조적 휨안장 균열
•형태: ㉮ 최대 인장 부위의 표면에서부터 중립측까지에 걸쳐 수직방향으로 발생

㉯ 가설종료후 지간 중앙의 하단이나 지점부 상단에서 아래와 같은 형태의 균열발생

㉰ 횡방향상의 단면에서 인장 부위의 표면에서부터 중립축까지 발생

•원인 : ㉮ Launching시 일시적으로 크게 발생되는 모멘트에 대해 일반적으로 Partial Prestressing으로 설계하므로 휨인장 균열이 발생될 수 있음.

㉯ 설계시 P.C량 부족등의 원인에 의해 휨인장 균열발생

㉰ 설계시 부주의로 인한 단면력의 부족으로 휨인장 균열 발생

•대책 : ㉮시공중 일시적으로 발생되는 균열로 최종적인 Continuity Tendon을 긴장하면 일반적으로 폐합되어 없어짐.

㉯ 정밀구조 검토후 추가적인 P.C강재 배치등의 대책을 수립하여야 함.

㉰ 정밀구조 검토후 철판 압착등으로 보수하여야 함.

 

- 구조적 전단균열

•형태 : 지점 부근에서 약 45°방향으로 바닥을부터 벽체 상단이내 구간에 발생

•원인 : 설계시 전단력에 대한 보강철근이 부족하였을시 발생

•대책 : 정밀구조 검토후 균열부위를 Stitching 하거나 철판압착을 하여야 함.

- P.C FORCE에 의한 균열

•형태 :                        ㉮                                                               ㉯

•원인 : ㉮ First Seg에서 고정 정착구로부터 상부슬래브 중앙으로 배치된 Tendon의 배치가 잘못되었거나 Tendon 아래 헌치부의 덮개부족등의 원인에 의해 Tendon 아래부분에 균열이 발생되거나 덮개가 떨어져 나감.

㉯ 정착구에서 Tendon 배치가 잘못되었거나 정착 보강철근의 부족등으로 Tendon위치에서 균열 발생

•대책 : P.C FORCE가 도입된 후 더이상의 추가적인 힘은 작용하지 않으므로 긴장시 완전 파손되지 않은 경미한 균열에 대해서는 EPOXY 주입등으로 보수하면 됨.

 

- 건조수축균열

•형태 : ㉮ Seg 접합부에서 New Seg쪽으로, 횡방향 지간 중앙에서 교량진행방향으로 발생

㉯ 각 Seg의 중앙부에 임의 방향으로 발생

㉰ 바닥슬래브와 벽체의 접합부에서 수직방향으로 벽체에 발생

•원인 : ㉮ 신․구 콘크리트의 재령차에 따른 신콘크리트의 수축을 구콘크리트가 구속하게 되어 발생

㉯ 콘크리트 경화과정에서의 수화열이 표면에서 급격히 식음에 따른 표면인장균열임.

㉰ ㉮와 같음.

•대책 : 건조수축에 의한 균열은 구조적인 안정성과는 무관하며 지속적인 원인을 제공하는 것이 아니므로 그대로 두어도 무방하나 철근 부식방지를 위해 EPOXY 주입을 보수함.

 

- 침하균열

•형태 : ㉮ 철근위치를 따라 균열이 발생되며 철근주변의 콘크리트는 약간 침하되어 있음.

㉯ 단면두께의 차에 따른 침하량 차이에 의해 균열발생

•원인 : ㉮ 콘크리트의 SLUMP 불량, 일시 타설등에 의해 콘크리트 침강량이 크게 되어 철근위치에서 갈라지게 됨.

㉯ 부재두께가 큰 쪽의 침강량이 커서 Diaphragm의 개구부, 우각부 상단에 균열이 발생되게 됨.

•대책 : 구조적인 원인이 아니므로 구조적인 안정성과는 무관하나 장기적인 철근 부식방지를 위해 EPOXY 주입으로 보수함.

- PUNCHING

•형태 : 교좌장치 위치에서의 바닥슬래브 하면이 Punching되어 함몰

•원인 : 평면곡선이 있는 경우 가설시 평면이탈될 가능성이 크고 이때 교좌장치 위치가 두께가 얇은 바닥슬래브 내측으로 들어와 Punching 발생

•대책 : Flat Jack을 이용 Jack up한후 철판압착, 무수축 콘크리트 충전등으로 보수

 

- 교좌장치 연결용 상부철판부위의 콘크리트 파손

•형태 : 압출방향의 요철부 뒤쪽으로 콘크리트면이 쪼개짐.

•원인 : 파손위치가 압출방향의 배면에 발생된 것으로 보아 Mould장에서의 Segment제작시 바닥슬래브에 매립된 교좌장치 연결용 철판과 콘크리트 사이의 요철(단차)가 발생된 것이 압출시 장애를 받아 파손된 것으로 판단됨.

•대책 : 파손원인이 구조적 응력에 의한 것이 아닌 시공중의 압출력에 의해 철판과의 접속부 단차가 깨어진 것으로서 교량의 기능 또는 내구성 과는 무관한 파손임. 상부 BOX GIRDER의 바닥슬래브에 매립된 철판은 ANCHOR BAR에 의해 지지되어 있는 것으로 주변의 사소한 파손은 교좌장치 기능에 전혀 지장이 없으나 구조물 외관은 원설계 상태로하여 미관을 해치지 않도록 파손부위를 깨끗이 청소한 후 EPOXY 접착제를 도포하고 무수축 몰탈로 면정리하는 것이 바람직함.

(2) STEEL BOX GIRDER

1) 침하균열 (슬래브상부 횡방향)

- 발생원인

콘크리트는 물, 시멘트, 골재의 혼합물이지만 이중의 물은 콘크리트에 소요되는 Workability를 주기위해 시멘트의 경화에 필요한 물보다 훨씬 많은 물이 사용되고 있다. 따라서, 타설된 콘크리트는 재료분리나 블리딩등의 현상을 수반해서 침하한다. 물론, 이 침하량은 콘크리트의 Workability나 품질에 따라서 차이가 나지만 철근직경의 크기가 클수록, 타설의 속도가 빠를수록, 또 스럼프가 큰 콘크리트일수록 크다. 이와같이 침하가 발생했을 때, 콘크리트 표면부근에 철근등 침하를 방해하는 것이 있을 경우 다음 그림과 같은 균열이 발생한다.

- 대 책

콘크리트 구조물에 균열이 발생하면 균열부위에 누수 및 기타 여러가지 요인으로 인하여 철근이 부식되어 구조물의 내구성이 저하될 위험성이 있으므로 상부 주철근 하단까지 제거하여 피복콘크리트 두께 정도로 재시공하거나 에폭시 주입보수를 요하며 양생후 정기적인 관찰 및 조사를 실시하여 균열이 추가로 발생되거나 발생된 균열부위가 진행성 균열인가를 확인하여 진행성 및 추가발생시 추후 이에 대한 특별한 정밀안전진단을 실시하여야 함.

 

2) 소성건조수축 균열 (슬래브상부 노출면에 주로 발생)

- 발생원인

균열의 여러가지 형태중 전형적인 소성수축 균열이며 바닥판이나 슬래브등의 노출면에 주로 발생되며 낮은 습도, 바람, 또는 고온에 의한 수분의 감소에 의해 발생되며 양생이 시작되기 전에 최종 마무리시 진행되는데 콘크리트의 슬럼프치가 높아 블리이딩 현상에 의한 수분 증발보다 콘크리트 표면에서의 수분증발이 더 빠른 속도로 일어날 때 콘크리트 표면이 수축하게 되며 인장응력이 발생해서 모든방향으로 균열을 생성시키며 특징은 균열폭이 일반균열보다 큰데 비하여 균열깊이는 깊지 않다. 결론적으로 마무리 시기를 적정한 시기에 하지 못할 때 발생되는 소성수축 균열이다.

- 대 책

균열부위 보수방법은 에폭시 주입 또는 균열면 제거후 재시공등이 있는데 미세한 소성수축 균열인 경우 에폭시 주입방법은 바람직 하지 못하며 철근 피복까지 콘크리트 제거후 제거면 요철치핑(0.7cm이상)을 하여 신․구 콘크리트 접착제를 도포하고 신콘크리트를 덮개정도만 포설하면 신․구 콘크리트 분리현상이 우려되므로 상부주철근 하단정도 두께의 신콘크리트를 포설하여 방수제를 도포하고 아스콘 포장으로 LEVELING을 두는 방법이 가장 바람직하다고 사료됨

- 보강도 및 시공순서

㉮ 콘크리트 제거 (주철근 하단)

㉯ 제거면 치핑 (요철 0.7cm이상)

㉰ 제거면 청소

㉱ 신․구 콘크리트 접착제 도포

㉲ 신 콘크리트 타설

㉳ 양생제 살포

㉴ 방수제 살포

㉵ 아스콘 LEVELING COURSE 설치

㉶ 아스콘 표층 포설