1. 서 론
2. 숏크리트 응력계의 활용 및 종류
2.1 일체형 숏크리트 응력계
2.2 셀타입 숏크리트 응력계
2.3 숏크리트 응력계의 검·교정 필요성
3. 숏크리트 응력계의 성능검사 방법
3.1 일체형 숏크리트 응력계의 1차 성능검사 방법
3.2 셀타입 숏크리트 응력계의 1차 성능검사 방법
3.3 일체형 숏크리트 응력계의 2차 성능검사 방법
3.4 셀타입 숏크리트 응력계의 2차 성능검사 방
4. 숏크리트 응력계의 성능검사
4.1 일체형 숏크리트 응력계의 1차 성능검사
4.2 셀타입 숏트리트 응력계의 1차 성능검사
4.3 일체형 숏크리트 응력계의 2차 성능검사
4.4 셀타입 숏크리트 응력계의 2차 성능검사
5. 결 론
1. 서 론
건설계측기기 산업이 국내에 도입된 지 40여 년이 지났음에도 불구하고, 건설계측 관련 규정 및 제도의 미비로 인해 최저가의 가격경쟁이 심화하여 건설 현장에서는 검증되지 않은 저품질의 계측기기가 사용되고 있다. 특히, 터널 정밀계측기기 중 숏크리트 응력계의 경우 제대로 된 계측기 성능검사와 검·교정 관련 규정, 그리고 이를 점검하고 통제할 방법이 없음에 따라 성능 기준에 적합한지 확인되지 않은 계측기기가 현재까지 적용 및 설치되고 있다고 할 수 있다.
계측기기는 현장에 설치하기 전에 게이지(gauge) 상수값을 실내시험을 통하여 정확히 산정해야 하는 등 이를 위해서는 공신력있는 기관에 의한 게이지 검증 의무화를 포함한 제도적인 개선이 필요함을 제안한 바 있다(Kim et al., 2010). 국내 터널현장의 숏크리트 응력계에 사용되는 6.35cm(2.5인치) 진동현식 변형률 게이지의 신뢰성 검증 시험에서 터널계측의 신뢰성을 높이기 위해서는 게이지에 대한 검증실험이 가능한 공신력 있는 기관에 의한 게이지 검증절차를 거친 후 현장계측을 수행하는 제도적 장치가 정립되어야 할 것이다(Kim and Park, 2008).
계측기기의 성능검증에 대한 제도로 행정안전부는 ‘급경사지 재해 예방에 관한 법률’에서 “급경사지 계측기기 성능 검사성능검사 기준에 관한 규정”에 대한 성능 검사성능검사 대상, 범위, 기준 등을 제시하고, 성능검사 환경, 방법을 규정하였다(Public Notice of the Ministry of Public Administration and Security, 2024a). 국토교통부는 ‘건설기준 표준시방서(KCS 10 50 10)’에서 “모든 계측기기는 완제품 상태에서 검증절차를 통과한 KOLAS 인증제품 또는 공인기관으로부터 이와 동등 이상의 품질을 인증받은 제품 중에서 선정하는 것을 원칙”으로 하는 규정을 제시하고 있다(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2021).
그러나 기존의 기준 또는 규정은 계측기기의 검증에 대한 방안으로 기본적인 내용은 제시하고 있고, 건설계측기기의 세부적인 검증방법은 계측기기의 크기, 형식 및 특성이 다양하고 복잡하여 관련된 연구가 제대로 진행되지 않은 것으로 파악되었다.
본 연구에서는 터널 정밀계측 항목인 지중 변위계, 록볼트 축력계, 숏크리트 응력계 중에서 숏크리트 응력계에 대하여 문제점을 파악하고 개선 방안을 제시하는 연구를 진행하였다. 이를 위해서 행정안전부의 “계측기기 성능검사 기준에 관한 규정”을 근거로 하여 국내·외의 숏크리트 응력계에 대한 외관검사, 구조·기능검사, 1차, 2차 성능검사를 실시하여 숏크리트 응력계의 문제점과 그 신뢰도를 확인하였다. 또한 숏크리트 응력계의 성능검증을 위해 공인인증을 받은 검증장치를 개발하여 성능검사의 신뢰성을 높이고, 이를 토대로 숏크리트 응력계의 성능검사 절차를 마련하여 정확도 확보방안을 제시하였다.
2. 숏크리트 응력계의 활용 및 종류
터널에서 주요 지보재인 숏크리트의 응력측정은 터널계측에 사용하는 정밀계측기기인 지중변위계, 록볼트 축력계와 함께 중요한 역할을 한다. 숏크리트 응력계의 설치목적은 터널 주변 변위에 수반하여 발생하는 숏크리트 응력을 측정하여 허용응력과 비교함으로써 부재의 적정성을 확인하고, 숏크리트에 발생하는 응력과 배면 토압의 크기 및 분포 상황을 파악하기 위함이다(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2023a).
숏크리트 응력계는 숏크리트 라이닝에 의한 1차 복공의 안정성 및 콘크리트 라이닝의 2차 복공 두께와 시공 시기를 결정하는 자료로 활용되고, 한 단면에 대하여 두 방향으로 측정한다. Fig. 1(a)와 같이 터널의 반경 방향에 설치하는 응력계(Radial Pressure Cell)는 원지반과 숏크리트 경계면에 센서를 매설하여 숏크리트에 미치는 배면 토압을 측정하고, 터널 접선방향에 설치하는 응력계(Tangential Pressure Cell)는 숏크리트 두께 방향으로 센서를 매설하여 숏크리트 파괴를 감시할 목적으로 숏크리트 축방향의 응력을 측정한다. 특히, 터널 반경방향의 숏크리트 응력계는 숏크리트의 건조 수축에 관계없이 지반과 확실하게 접촉되어 응력이 전달될 수 있도록 설치하여야 한다. 숏크리트 응력계는 숏크리트 타설 시에 설치하고 다음 막장이 진행되기 전에 초기치를 측정하여 터널 굴진에 따른 축력변화를 최대한 측정할 수 있도록 하여야 한다(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2023b).
숏크리트 응력계는 Fig. 1(b)와 같이 한 단면마다 좌우 측벽부 및 천단부 등을 포함하는 3~5개소에 배치하여 계측을 수행하고, 최소 성능은 10kPa(0.1kg/cm2)이하의 오차범위를 가져야 하며 예상되는 최대 응력 이상을 측정할 수 있어야 한다(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2023c).
일반적으로 NATM에서 사용되는 진동현 방식의 숏크리트 응력계는 일체형과 셀타입으로 2가지로 나뉘는데, 국내에서는 게이지 설치를 간편하게 하려고 한 쌍이 수직으로 조립된 십자 (+)형태의 일체형을 주로 사용하고 있다(Kim et al., 2010). 진동현식 센서(Vibrating Wire Sensor)는 물리량의 변화에 따라 탄성체의 고유진동수가 변화하는 현상을 이용한 센서로써 그 원리는 진동현(Vibrating Wire: 경강선)을 센서 구조에 맞게 플랜지 등의 고정단에 일정한 장력을 가하여 고정하고, 전자력을 형성시킬 수 있는 마그네틱 코일(Magnetic Coil)을 진동현에 위치시켜 출력장치에서 마그네틱 코일에 신호를 입력하면 순간 강한 전자력이 형성되어 진동현의 진동이 발생하고 마그네틱 코일을 통하여 진동현의 진동은 공진주파수로 측정되어 출력장치에 초당 진동수(Frequency: Hz)로 표시된다(Ace Instrument, 2024a).
2.1 일체형 숏크리트 응력계
국내에 많이 사용되는 숏크리트 응력계는 Fig. 2(a) 구조도와 같이 길이 6.35cm의 진동현이 압력 감지 판의 양단 사이에 있어 변형률을 측정하며 터널 반경반향과 접선방향의 변형률을 동시에 측정하고, 간편하게 숏크리트 응력계를 설치하도록 Fig. 2(b)와 같이 한 쌍의 십자(+) 구조인 일체형으로 직교하여 조립되어 있다.
숏크리트 응력계측을 수행하는 경우 계측값은 진동수(Hz)나 주기로 측정하는 방법과 측정값이 변형률로 환산되는 장비를 이용하는 방법이 있다. 어느 방법을 사용하더라도 변형률 값을 구하기 위해서는 Table 1의 계산식에 의해 특정한 게이지 상수(Gauge Factor)가 사용되며 구해진 변형률에 숏크리트 변형계수(Esh)를 곱하여 숏크리트 응력을 환산한다.
Table 1.
Integrated type shotcrete stressmeter calculation formula
| A : Polynomial A Factor | K : Thermal Factor |
| B : Polynomial B Factor | T1 : Current Reading Temperature |
| C : Polynomial C Factor | T0 : Zero Reading Temperature |
| R0 : Reading Zero Data | R : Reading Data |
2.2 셀타입 숏크리트 응력계
셀타입 숏크리트 응력계는 Fig. 3(a)와 같이 외부 둘레가 용접된 직사각형 형태의 2개의 스테인레스 강판이 결합한 밀봉된 공간 형태이며 빈 공간은 오일로 채워져 있다. 셀의 한쪽 끝에는 고압력용 배관이 진동현식 압력 센서에 연결되어 있으며 압력 센서에는 숏크리트 타설 후 셀과 숏크리트의 접착 면을 증가시키기 위하여 핀치(Pinch) 튜브가 연결되어 있다. 셀타입 숏크리트 응력계의 설치는 Fig. 3(b)와 같이 터널 배면방향으로 설치하는 응력계(Radial Pressure Cell)와 접선방향으로 설치하는 응력계(Tangential Pressure Cell)가 있다.
Fig. 3
Cell type shotcrete stressmeter (a), field installation schematic (b) (Ace Instrument Co, 2024)
셀의 넓은 단면에 압력을 받으면 내부 유체 압력이 압력 센서에 전이되어 측정압력이 발생하고 압력 센서는 인장된 진동현과 진동판으로 전달된 유체 압력을 주파수 신호로 전환된다. 압력 센서는 다이어프램에 전해지는 유체 압력에 따라 진동현의 인장력이 변화되도록 설계되었으며, Table 2와 같이 출력장치로 전송된 주파수 신호는 공학단위로 표시되며 전환계수에 의해 응력으로 환산되는 구조이다(Ace Instrument, 2024b).
Table 2.
Cell type shotcrete stressmeter calculation formula
| A : Polynomial A Factor | Tc : Current Reading Temperature |
| B : Polynomial B Factor | Ti : Zero Reading Temperature |
| C : Polynomial C Factor | Tct : Thermal Factor |
| R : Reading Data | |
2.3 숏크리트 응력계의 검·교정 필요성
국내에서는 다양한 크기와 모양의 숏크리트 응력계가 계측기 제조업체에 의해 제작되고 있으며 터널에서 설치 편의를 위해서 주로 반경방향과 접선방향을 함께 측정할 수 있도록 일체형으로 제작되고 있다. 숏크리트와 게이지의 강성 차이가 있으므로 게이지가 커질수록 응력을 교란할 가능성이 크다(Kim et al., 2010). 즉 강성이 큰 게이지의 두께가 클수록 게이지의 바로 위쪽으로 응력 집중현상이 더 많이 발생하게 되고 응력계의 인접한 부분은 평균응력보다 작게 되는 응력 교란현상이 발생한다(Selig, 1964). 따라서 게이지에는 실제보다 큰 응력이 측정되므로 숏크리트의 응력 교란을 최소화하기 위해서는 토압계의 셀 두께와 직경의 비율을 1:10 이하로 할 것을 제안하였다(Dunnicliff, 1988).
숏크리트 응력계는 숏크리트와 강성이 매우 다르므로 Fig. 2(b)와 같이 돌출형 및 육면체 형태로 제작된 일체형 방식의 응력계는 게이지의 부피가 크고 모서리가 직각으로 되어 있어서 응력 교란이 더 심할 것이므로 사용하지 않는 것이 바람직하다(Kim et al., 2010). 그러나. 국내의 숏크리트 응력계를 조사한 결과, 일체형은 셀타입에 비해 가격이 최대 10배가량 저렴하고, 설치의 간편함을 위해 게이지의 구조가 배면방향과 접선방향으로 따로 구분하지 않고 제작됨에 따라 현장에서 많이 사용되고 있고 셀타입은 거의 사용되지 않는 것으로 파악되었다.
터널 표준시방서에서의 10kPa 이상의 정확도를 가진 숏크리트 응력계를 사용할 것을 규정하고 있으나, 성능검증에 관한 규정이나 절차가 없음에 따라 현장에서는 성능검증과정 없이 사용되고 있다. 또한, 국내에서는 숏크리트 응력계의 성능검사에 대한 세부 규정 및 이를 검증할 수 있는 공인검증기관이 없으므로 제조사 자체시험성적서나 민간인증인 큐(Q)마크를 인증받아 현장에 납품하고 있는 것으로 파악되었다.
3. 숏크리트 응력계의 성능검사 방법
본 연구에서는 일체형과 셀타입 숏크리트 응력계의 성능검증을 위해서 1차 검증으로 게이지 단면에 대해 직접 하중을 재하하는 방법으로 게이지 자체의 정확도 시험을 하고, 2차 검증으로 콘크리트 몰드에 숏크리트 응력계를 매설한 후 몰드체에 하중을 재하하는 방법으로 숏크리트에 매설되는 숏크리트 응력계의 구조적인 문제점을 파악하기 위한 성능검사를 실시하였다.
숏크리트 응력계의 정확한 성능검증을 위해서 성능검사에 지장이 없는 장소로 독립된 공간을 확보하고, 검증 장치들은 온도와 습도에 민감하므로 성능검사 공간은 정밀한 검증 시험을 위해 표준시험실에 항온 항습기를 설치하여 상시 온도 20℃±1℃, 습도 50%±2%를 유지하여야 한다(Public Notice of the Ministry of Public Administration and Security, 2024b). 성능검증 장소로는 성능검사의 공정성을 높이기 위해 공인기관의 성능검사 및 시험 환경조건을 갖춘 경기도 소재의 KOLAS(한국인정기구) 인정업체인 “한국건설계측검교정센터”에서 성능검증을 실시하였다(KOLAS, 2024).
성능검증은 기준인 10kPa 이하의 오차범위와 ±0.5% FS(Full scale) 이하의 정확도를 만족하는 조건으로 시험을 수행하였다(Seoul Metropolitan Government infrastructure Headquarters, 2015).
3.1 일체형 숏크리트 응력계의 1차 성능검사 방법
Fig. 2(b)의 한 쌍의 일체형(1set: 반경반향(R)+접선방향(T))의 시험을 위해 국내 계측기기 제조사 8개사의 2세트 총 16개의 일체형 숏크리트 응력계를 대상으로 하였다. 먼저 각 사의 1세트씩 총 8세트는 1차 직접 재하시험을 하고, 나머지 각 사의 각 1세트씩 총 8세트는 2차 콘크리트 몰드시험을 하였다.
Fig. 4와 같은 하중 재하장치(Model RC-101, Cylinder Capacity 101kn)를 이용(ENERPAC catalog, 2017)하여 제조사 제품의 최대 하중재하 크기(제조사 자체 성적서 10MPa)의 최대치의 80%인 8MPa의 하중으로 재하시험을 하였다. 검사방법은 임의의 Radial과 Tangential 방향을 1축 방향으로 각각 구분하여 수직방향으로 하중을 재하하고, 재하하중은 2, 4, 6, 8, 10MPa로 각 5단계로 구분하여 2회씩 성능검사를 실시하였다.
3.2 셀타입 숏크리트 응력계의 1차 성능검사 방법
셀타입 숏크리트 응력계의 정확도를 검증하기 위해 셀 단면적에 압력을 고르게 차례대로 제어할 수 있는 숏크리트 응력계 성능검사 장치를 국내 최초로 개발하였으며, 정확도 검증을 위해 공인기관의 검·교정을 받은 분해능 10kPa과 최대 23MPa의 압력 시험이 가능한 디지털 게이지압용 압력계를 사용하였다. 숏크리트 응력계의 성능기준에 의하면, 10kPa의 오차범위와 예상되는 최대 응력(8.24MPa: 설계기준강도의 40%) 이상을 측정할 수 있어야 하므로 이러한 기준조건에 부합하도록 설계하였다.
Fig. 5는 셀타입 숏크리트 응력계 성능검사 장치로서 ① 공기 압축장치 ② 유압 펌프 및 디지털 압력계 ③ 센서 고정장치 ④ 압력 실린더 ⑤ 자동제어 및 기록장치로 구성되어 있다. 성능검사 장치의 세부사양은 측정 가능 압력이 0~200bar, 최대 압력 350bar이고, 시험할 수 있는 셀의 크기는 100×200mm이다. 시험은 2개 셀까지 가능하고, 오차율은 ± 0.5% FS이고, 최소 측정 단위는 0.1Bar(10kPa)이다. 측정방식은 수압펌프 방식이고, 고정방식은 클램프 방식이며, 시험한 자료는 자동 저장하고 데이터 및 그래프를 출력할 수 있도록 제작하였다.
셀타입 숏크리트 응력계의 성능검증을 위한 성능검사 방법 및 절차는 Table 3과 같이 제안하였다.
Table 3.
Procedure of cell type shotcrete stressmeter performance test
Table 3에 제안한 셀타입 숏크리트 응력계의 성능검증 방법 및 절차는 신뢰성 확보를 위해 성능검증장치를 이용하여 시험을 수십 차례 실시하며 수정 및 보완한 결과이다. 하지만 한 번에 2개의 센서를 시험하는 시간이 약 50분 정도로 소요됨에 따라 신속한 시험을 위해 향후 보다 효율적인 성능검증 장치의 개발이 필요할 것으로 판단된다.
3.3 일체형 숏크리트 응력계의 2차 성능검사 방법
2차 검증시험은 터널에 매설되는 일체형 숏크리트 응력계의 구조적인 문제점을 파악하기 위해 센서 크기에 맞도록 제작된 콘크리트 몰드에 일체형 숏크리트 응력계를 매입한 후 콘크리트를 타설하였다. 별도의 강도 확인용 시험 공시체 3개를 제작하여 21일의 양생기간을 거친 후 평균 파괴강도 28.95MPa을 확인한 후 센서가 매입된 시험체에 하중을 재하하는 방법으로 2차 성능검사를 수행하였다.
1차 성능검사를 통과한 일체형 숏크리트 응력계 2개사(F, I사)와 부정확한 제품 4개사(A, E, G, H사) 총 6개사의 6세트에 대하여 Fig. 6과 같이 150×150×150(L×W×H)mm 크기로 제작한 콘크리트 몰드체의 중앙에 매입하여 콘크리트를 타설하였다.
기포 콘크리트 시험과 관련한 규정으로는 길이 변화율 시험을 위한 몰드 제작은 KS F 4039에 근거하여 40×40×160(L×W×H)mm의 규격을 일반적으로 많이 사용하지만, 숏크리트 응력계의 단계별 재하시험을 위한 몰드 규격의 경우에는 150×150×150(L×W×H)mm로 등방형으로 제작하였다. 등방형으로 제작한 이유로는 센서가 반경(R)방향과 접선(T)방향의 십자(+)형의 일체로 된 구조이기 때문에 각 양방향 시험 시 구조적인 문제로 인한 반대 센서의 응력 전달의 크기를 확인하기 위함이다.
압축시험 전에 숏크리트 응력계 매설된 시험체는 10MPa까지 단계별 하중 재하를 해야 하므로 시험 전에 10MPa 이상의 강도를 가져야 함에 따라 사전에 그 이상의 파괴강도(28.95MPa)를 가지는 것을 확인한 후 압축시험을 실시하였다. 정확한 시험을 위해서 하중 재하시험 장치는 Fig. 7과 같이 공인기관의 검·교정(최대 하중 1471kN, 분해능 0.1kN)을 받은 장비를 사용하였다.
일체형 6세트의 숏크리트 응력계가 매입된 몰드체를 Fig. 7의 하중 재하장치와 자동제어 및 기록장치를 이용하여 하중 재하의 크기(제조사 자체 성적서 10MPa)를 10단계로 나누어 단계별 하중시험을 각각 3회씩 실시하였다.
3.4 셀타입 숏크리트 응력계의 2차 성능검사 방법
셀타입의 콘크리트 몰드시험은 단계별 하중 재하시험을 통과한 B사 1개, J사 1개 총 2개의 센서를 Fig. 8과 같이 몰드시험체를 300×400×100(L×W×H)mm로 제작하여 일정 양생기간을 거친 후 Fig. 9의 하중 재하 시험장치를 이용하여 하중 재하의 최대 크기(제조사 자체 성적서 7MPa)를 7단계로 나누어 각각 3회에 걸쳐 시험을 수행하였다.
4. 숏크리트 응력계의 성능검사
4.1 일체형 숏크리트 응력계의 1차 성능검사
일체형 숏크리트 응력계의 1차 검증은 응력계 센서 단면에 직접 하중을 재하하는 방법으로 숏크리트 응력계 게이지 자체의 정확도를 확인하기 위한 시험이다. 당초 국내에서 제조하는 9개사의 일체형 숏크리트 응력계에 대한 1차 검증시험을 수행하고자 하였으나, 구매할 수 없었던 C사의 계측기를 제외하고 가능한 8개사에 시험을 수행하였다. 이중 B사는 센서가 민감하게 반응하여 하중 재하시험이 불가하였고, D사는 제조사 자체 시험성적서가 없어서 시험결과에서 제외하여 Table 4와 같이 총 6개사의 시험결과를 정리하였다.
Table 4.
Load test results (MPa) of integrated type shotcrete stressmeter
Table 4와 Fig. 9(a)와 같이 G사의 경우 하중 재하량 10MPa에서 14.24MPa를 보이며 +4.24MPa(42%)를 초과하고, H사의 경우 하중 재하량 10MPa에서 6.43MPa를 보이며 -3.58MPa(36%)이나 작은 결과를 보였다. G, H사 모두 정확도 기준(±1%) 대비 약 -36~42%의 결과를 보였으므로 신뢰도는 낮은 것으로 나타났다. A사는 단계별 하중시험에서 6MPa의 재하시 5.23MPa로 -0.77MPa의 결과를 보였고, E사는 8MPa의 재하시 9.21MPa로 +1.21MPa의 측정값이 결과로 나타났다. A, E사는 정확도 기준(±1%) 대비 약 ±7~12%로 정확도가 낮은 결과를 나타내었다.
F, I사는 Fig. 9(b)와 같이 성능시험 조건과 센서 제작 시 조건이 다를 수 있음을 감안하면 정확도 기준 대비 ±1% 내외로 거의 유사한 결과의 높은 정확도를 보였다.
결과적으로 일체형 숏크리트 응력계 센서 정확도를 알기 위해 실시한 1차 성능시험 즉 직접 재하시험에서 통과한 제품은 8개 사 중 2개 사의 제품으로 25%의 낮은 신뢰도를 보였다.
4.2 셀타입 숏트리트 응력계의 1차 성능검사
분리형인 셀타입 숏크리트 응력계의 성능검사를 위해 국내보다 해외로 수출을 많이 하는 국내 제조업체 B사 2개와 해외에서 많이 사용되는 외산 J사 1개, 총 3개에 대해 Fig. 10의 셀타입 숏크리트 응력계 성능검증장치를 이용하여 성능시험을 실시하였다.
3개의 셀타입 센서에 대해 Table 3의 성능검사 절차에 의해 단계별로 하중재하시험을 수행하였다. 하중 재하의 최대 크기는 제조사 자체 성적서상의 최대 7~7.65MPa내에서 최대치 71~78%인 5~6MPa의 하중으로 시험하였고 하중 재하는 5단계로 나누어 2차례 시험을 하였다.
Table 5는 셀타입 숏크리트 응력계 성능검증장치를 이용한 3개 셀타입의 성능검사 결과이고, Fig. 11은 셀타입 숏크리트 응력계의 작용하중과 응력과의 관계를 나타낸 그래프이다. B사의 경우 단계별 작용하중에 대한 응력은 선형성을 보이며 전체적으로 유사한 측정결과를 보였으며, 그 차이는 0.10~0.29MPa로 작게 나타났다. J사의 경우에도 단계별 작용하중에 대한 응력은 6MPa까지 유사한 측정 결과를 보였으며, 그 차이는 0.07~0.20MPa로 작게 나타났다. 따라서 셀타입 숏크리트 응력계가 일체형보다 전반적으로 더 정확한 결과를 보였다.
Table 5.
load test results (MPa) of cell type shotcrete stressmeter
1차 성능검증 즉, 일체형과 셀타입 숏크리트 응력계에 대해 단계별로 직접 하중을 재하한 결과, 국산 일체형은 25%, 셀 타입은 100%의 신뢰도를 보였다. 국산 일체형의 신뢰도가 낮은 원인은 성능검증 시험에 대한 관련 규정이 없음에 따라 계측기기 제조업체가 자체시험을 제대로 하지 않은 것으로 추정된다. 국·외산 셀타입의 성능검사 결과 그 신뢰도가 매우 높은 것은 검증장치를 제조사 자체적으로 보유하고 있고, 제품 수출 시 이의 제기 등을 대비해 성능검사를 정확하게 실시하고 있는 것으로 파악되었다.
4.3 일체형 숏크리트 응력계의 2차 성능검사
2차 검증으로 숏크리트 내부에 매설되는 숏크리트 응력계의 구조적인 문제점을 파악하기 위해 콘크리트 몰드에 숏크리트 응력계를 매설하여 시험체를 만들고 하중재하시험을 수행하였다. 하중재하는 콘트리트 몰드에 매설하여 제작한 시험체를 일정한 양생기간을 거친후 각각 반경반향(R)과 접선(T)방향으로 일축시험을 수행하였다.
시험결과는 Table 6과 같으며, 1차성능시험에 결과에서 일정한 경향성을 보여 통과한 2개사(F, I사)숏크리트 응력계 시험 결과 정확도 기준 ± 0.5% FS보다 -18~39%로 나타나므로 그 신뢰도는 매우 낮은 것으로 측정되었다. 또한 1차시험에서 일정한 경향성을 보이지 않아 기준에 부합하지 못한 4개사(E, B, G, H사) 시험 결과는 기준 ± 0.5% FS보다 -86~341%로 기준에서 매우 크게 벗어나 1차 성능시험을 통과한 제품과 마찬가지로 신뢰도가 매우 낮은 것으로 측정되었다.
Table 6.
Uniaxial compression test results (MPa) for integrated type shotcrete stressmeter mold
일체형 숏크리트 응력계의 1차 직접 재하시험 결과 신뢰도는 25%를 보였고, Table 6의 콘크리트 시험체 재하시험인 2차 성능시험 결과도 일체형 숏크리트 응력계의 신뢰도가 매우 낮은 것으로 평가되었다. 2차 성능시험에서의 신뢰도가 낮은 이유로는 불안정한 센서 조립상태, 한 쌍으로 조립된 구조 문제, 양생과정에서 콘크리트와 센서 사이에 발생한 공극 등이 주된 요인으로 판단된다.
다음은 일체형 숏크리트 응력계의 일축 압축시험시 직교되는 방향의 결과이다.
한 쌍으로 조립된 일체형 숏크리트 응력계는 터널의 반경방향(R)과 접선방향(T)의 응력을 측정하기 위해 2개 방향의 센서를 외부 고정용 하우징에 연결하여 계측할 수 있도록 설계되어 설치 편의성을 위해 사용하는 방식이나, 한 방향으로 응력이 작용할 때 직교방향 측정치는 변하지 않는 구조여야 한다.
일체형 구조의 문제점을 파악하기 위해 앞서 시험한 6개 사의 시험체에 대해서 일축압축시험을 진행하였을 때 나머지 직교방향으로 전달되는 응력을 측정하는 시험 결과는 Table 7과 같다.
Table 7.
Orthogonal uniaxial compression test results (MPa) for integrated type shotcrete stressmeter mold
Table 7의 측정 결과와 같이 비교적 양호한 결과를 보인 1개사(F 사)를 제외하고 나머지 5개사의 제품은 한 쌍으로 조립된 구조적인 문제로 인해 상부 하중 재하시 직교 방향에서도 응력이 측정되는 결과를 보였다. 특히, E사의 결과는 상부 하중의 작용 시 외부 하우징에 응력이 구속됨에 따라 반대 방향의 외력이 없는 상태에서도 평균 -4.57~3.52MPa까지 크게 작용되는 것으로 나타남에 따라 십자(+) 모양의 일체형은 구조적으로 문제가 있음을 알 수 있다. F사의 경우는 직교방향 응력시험에서는 양호한 결과를 보였으나 이미 일체형 몰드 하중재하시험(Table 6)에서 -18~30%의 낮은 신뢰도를 보였다. H사는 시험체를 접선방향(T)으로 최대 압축(10MPa)시까지 가압하였지만, 센서 반응이 없음에 따라 시험체에 파괴강도(약 28MPa)까지 재하를 계속하였고 결국에는 반응없이 파괴됨에 따라 센서 자체의 불량으로 파악된다.
따라서, 일체형 숏크리트 응력계는 응력을 받은 접지면적이 적고 십자 형태의 구조형식으로 숏크리트의 응력을 제대로 측정하기에는 문제가 많은 것으로 파악되며, 이를 터널 현장에 적용하기는 부적합한 것으로 판단된다.
4.4 셀타입 숏크리트 응력계의 2차 성능검사
셀타입의 콘크리트 몰드시험은 B사 1개, J사 1개 총 2개의 센서를 일정한 양생기간을 거친 후 Fig. 7의 하중 재하 시험장치를 이용하여 하중 재하의 최대 크기(제조사 자체 성적서 7MPa)를 7단계로 나누어 각각 3회에 걸쳐 시험하였으며, 그 결과는 Table 8, Fig. 12와 같다.
Table 8.
Load test results (MPa) of cell type shotcrete stressmeter
셀타입 숏크리트 응력계의 하중 재하시험 결과(Table 8, Fig. 12)에서와 같이 국산 B사의 시험 결과 정확도 기준인 ± 0.5%와 근접하여 전반적으로 97% 신뢰도의 양호한 시험 결과를 보였으며, J사의 정확도도 90%의 양호한 결과를 나타냈다. 셀타입의 1차 재하시험 결과(Table 5)와 몰드시험을 통한 2차 시험결과(Table 8)의 차이는 몰드시험체 양생과정에서 콘크리트와 센서 사이에 발생한 공극 등이 요인으로 것으로 추정되나 적은 수량의 센서에 대한 시험결과이므로 추가적인 시험이 필요할 것으로 판단된다.
셀타입 숏크리트 응력계의 1차 직접 재하시험과 2차 몰드시험을 통한 시험결과는 거의 유사한 양상을 보이므로 양호한 계측기로 판단된다. 이처럼 셀타입이 일체형보다 정확도가 높게 나타나는 이유로는 셀타입은 게이지의 접하는 면적이 넓은 형태의 구조로서 숏크리트의 응력 교란을 최소화하기 위하여 응력계의 셀 두께와 직경의 비율을 1:10 이하로 할 것을 제안(Dunnicliff, 1988)한 숏크리트 응력측정에 적합한 형태인 것으로 확인할 수 있었다. 따라서, 정확도를 가진 신뢰성 있는 숏크리트 응력계의 선택 시에는 구조적으로 문제점이 있는 일체형보다 셀타입 숏크리트 응력계를 적용하는 것이 타당한 것으로 판단된다.
5. 결 론
터널현장에서 숏크리트 응력계를 검증할 방법과 절차에 관한 연구 및 성능검사 규정이 없음에 따라 신뢰성이 낮은 계측기기가 주류를 이루었다. 본 연구에서는 숏크리트 응력계의 불량 원인 및 문제점을 파악하고, 성능검사를 실시하여 계측기기의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 방안을 제시한다. 본 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
(1) 국내에 사용되고 있는 일체형 숏크리트 응력계 8개 사를 조사하고, 국·외산 2개사의 셀타입 숏크리트 응력계를 조사하여 불량 원인 및 문제점을 외관검사, 구조·기능검사를 통해 파악한다. 또한 공인인증을 받은 셀타입 숏크리트 응력계 성능검사 장치를 개발하여 성능검사를 실시하고, 셀타입 숏크리트 응력계의 성능검사 절차를 제시하였다.
(2) 1차 검증으로 숏크리트 응력계에 직접 하중 재하시험을 실시한 결과, 국내 제조사 8개사의 일체형의 정확도 시험을 통과한 업체는 2개사로 낮은 신뢰도를 보였고, 셀타입 숏크리트 응력계는 별도의 성능검사 장치를 개발하여 성능검사를 실시한 결과 2개사 모두 높은 신뢰도를 보였다.
(3) 2차 검증은 일체형과 셀타입 숏크리트 응력계의 구조적인 문제점과 정확도를 알기 위해 응력 센서를 콘크리트 몰드 중앙에 매설하고 양생을 거친 후 일축압축시험을 하였다.
일체형의 2차 시험은 먼저 한 방향으로 압축시험을 실시한 다음, 한 방향 압축시험 시에 반대방향을 측정한 결과 신뢰도는 매우 낮은 것으로 나타났다. 일체형 숏크리트 응력계가 신뢰도가 낮은 원인은 단면적이 센서 두께보다 작은 한 쌍으로 된 일체형 구조, 불량한 센서 조립상태, 양생과정에서 콘크리트와 센서 사이에서 발생한 공극 등이 주요 요인으로 판단된다.
셀타입 숏크리트 응력계의 2차 검증 몰드 시험 결과 90% 이상의 높은 정확도를 보인다. 셀타입이 일체형보다 정확도가 높은 이유는 응력을 받기 쉬운 넓은 접지면적, 유압 방식의 센서 구조, 숏크리트의 접착력을 증가시키기 위한 핀치 튜브의 영향인 것으로 판단된다.
(4)1차, 2차 검증시험 결과 셀타입은 높은 정확도의 우수한 성능을 보이고 있으나, 국내 대부분의 터널현장에서 사용되는 일체형 숏크리트 응력계의 신뢰도는 구조적인 문제로 인해 매우 심각할 정도로 낮게 나타났다. 따라서, 터널의 숏크리트 응력측정을 위한 신뢰성높은 계측을 위해서는 셀타입 숏크리트 응력계가 적극적으로 권장되어야 할 것이다. 본 연구는 향후 숏크리트 응력계의 성능검증을 위한 규정마련과 현장에서 계측기를 선정하는 데 도움이 될 것으로 판단된다.
