이완시험 (Relaxation and Ship Test)
강 교량용 고장력 볼트 이음부의 이완 및 미끄럼 시험 (1998. 7 )

1.서론

고장력 볼트 마찰 이음 공법에서 모재와 이음판의 마찰면 상태는 이음부의 미끄러짐 내력 및 피로강도에 미치는 영양이 크다.
마찰면에 흑피,뜬녹,기름,도료 및 용접 스파크등이 부착되면 마찰력이 현저히 저하되기 때문에 구조물 조립이전에 반드시 제거되어야 한다.
도로교 표준시방서(1996)에서는 접합된 부재의 마찰면은 마찰계수 0.4 이상을 얻기 위하여 흑피를 제거하고 면을 거칠게 하여야 하며,소정의 미끄럼계수를 얻기 위;하여 모재 및 이음판에 도장을 실시하지 않는 것을 원칙으로 규정하고 있습니다. 그러나,장대교량과 같은 일반적으로 제작 및 가설과정이 길어지면 무도장의 이음부는 부식에 의해 판 두께가 감소하고, 가설 후에도 이음부에 우수등이 침투하여 부식의 진행을 가속화할 우려가 있다.
또한 연육교(인천공항) 및 연도교와 같이 가설위치의 특성상 부식의 발생이 훨씬 높다.
또한 고장력 볼트의 경우에도 응력부식균열에 의한 지연파괴 발생 가능성이 커지게 되며, 실제로 이러한 사례가 다수 보고되고 있다. 이러한 문제해결방법으로서 외국에서는 모재와 이음판의 마찰면과 고장력 볼트에 방청처리를 하고 있다. 즉, 마찰면에 프라이머를 실시하고 고장력 볼트에 방청처리를 실시하면 현장에서 이음부의 청소가 불 필요하게 되어 도장작업이 간단하고 방청효과도 커지게 된다.
따라서, 본 연구에서는 모재와 이음판에 징크리치 프라이머,IC531도장을 실시하고, 고장력 볼트에는 다크로를 실시한 고장력 볼트 이음부에 대한 릴렉세이션 측정시험과 정적 인장시험을 실시하여 방청처리 고장력 볼트 이음부의 역학적 특성을 검토하였다.
2. 이완실험(Relaxation)
시험목적 : 시간 경과에 따른 축력 감소율 비교,평가
               미끄럼짐 계수의 비교,평가
               방청처리 고장력 볼트 이음부의 역학적 특성 및 사용평가
시험장소 : 한양대하교 구조실험실
시험기기 : 변형률 게이지 /변위 변환기 / Data Logger / Scanning Block / 토오크 렌지 / Personal Computer
시험편 제작 및 표면처리 :
               이  음  재    : 징크리치 프라이머 / IC531
               고장력 볼트 : 무처리 . 다크로 처리( M22, M30 )
결과 분석 및 고찰 (시간 경과에 따른 축력 감소율)
시험편
종류
볼트처리
시험편
번호
볼트번호 시간경과에 따른 축력 감소율(릴렉세이션 %)
1시간 12시간 1일 2일 10일
M 22 무처리 P-1 Bolt-1 3.5 4.7 4.7 5.0 5.9
Bolt-2 - - - - -
Bolt-3 2.3 3.9 4.1 4.6 5.7
Bolt-4 2.5 4.1 4.4 4.6 5.7
P-2 Bolt-1 1.8 2.9 3.0 3.6 4.4
Bolt-2 2.4 3.5 3.6 4.0 4.5
Bolt-3 - - - - -
Bolt-4 2.2 2.7 2.9 3.2 3.7
P-3 Bolt-1 2.2 3.3 3.5 4.2 5.0
Bolt-2 2.4 3.9 4.6 4.7 5.4
Bolt-3 - - - - -
Bolt-4 2.7 3.7 3.9 4.4 5.0
다크로
처리
D-1 Bolt-1 0.1 0.3 0.5 0.8 1.2
Bolt-2 1.6 2.6 3.2 3.4 4.2
Bolt-3 2.6 3.8 4.0 4.5 5.1
Bolt-4 - - - - -
D-2 Bolt-1 1.4 2.8 3.3 3.3 3.5
Bolt-2 1.0 2.4 2.6 3.5 5.3
Bolt-3 2.5 2.8 2.9 3.1 3.6
Bolt-4 - - - - -
D-3 Bolt-1 3.3 5.0 5.2 5.7 6.7
Bolt-2 2.3 3.4 3.5 3.9 4.8
Bolt-3 2.9 5.2 5.3 6.0 7.4
Bolt-4 - - - - -
모든 시험편에서 기간경과에 따른 축력의 감소는 체결 직후부터 대략 2일 동안 급격하게 발생하며, 그 이후부터는 감소율이 크게 줄어 듬을 알 수 있다.
한편, 체결 직후부터 10일 경과 시점에서의 축력 감소율을 살펴 보면 M22 고장력 볼트 이음부의 경우 무처리는 평균 5.0%(표준편차 0.70),다크로의 경우 평균4.6 %(표준편차1.84)임을 알 수 있다.  다크로처리와 무처리의 경우를 비교한 시산경과 축력 감소율은 두 경우 모두 큰 차이가 없는 것을 알 수 있으나, 단 다크로 처리의 경우가 무처리에 비해 편차가 다소 크다. 그러나, 다크로처리와 무처리한 경우, 모든 시편에서 시간 경과에 따른 축력 감소율은 10%를 초과하지 않아, 도로교 시방서상에서 설계 볼트 축력에 10%를 할증하여 표준 볼트 축력으로 체결하도록 되어있는 규정을 감안하면 두 경우 모두 안전 결과가 나타나고 있다. 따라서, 방청을 위하여 고장력 볼트에 다크로처리를 실시하여도 시간 경과에 따른 축력감소율은 시방기준을 만족하는 것으로 나타났으며, 사용 측면에서 문제가 없는 것으로 판단된다.
3. 미끄짐 계수( Slip Test )
다크로 처리를 실시한 경우와 무처리한 경우의 M22 및 M30 고장력 볼트를 이음부에 대한 정적 인장시험을 실시하여 하중-변위선도를 모든 시험편에 대해 조사하였다.
볼트의
종류
볼트 처리 시험편 번호 도입축력
(tonf)
미끄럼하중
(tonf)
미끄럼계수 평균
미끄럼계수
M22 무처리 P-1 22.6 36.0 0.40 0.44
P-2 41.7 0.46
P-3 42.0 0.46
다크로처리 D-1 47.0 0.52 0.50
D-2 48.0 0.53
D-3 43.4 0.48
M30 무처리 P-1 37.9 61.2 0.40 0.41
P-2 66.0 0.44
P-3 59.0 0.39
다크로처리 D-1 70.7 0.47 0.46
D-2 69.0 0.46
D-3 69.0 0.46

다크로 처리와 무처리 경우의 하중-변위선도의 비교

4. 결론

방청을 위하여 고장력 볼트에 다크로처리를 실시한 마찰 이음부의 역학적 특성을 평가하고 사용성을 검토하기 위하여 실험적 연구로 릴렉세이션 측정과 정적 인장시험을 실시하여 시간 경과에 따른 축력의 감소율(릴렉세이션)과 미끄럼계수를 분석하였다. 그 결과 얻어진 결론을 요약하면 다음과 같다.
1) 릴렉세이션 측정결과, 시간경과에 따른 축력감소는 체결 직후부터 대략 2일 동안에 급격하게 발생하며, 그 이후부터는 감소율이 크게 줄어듬을 알 수 있었다.
2) 고장력 볼트의 방청을 위해 다크로 처리한 경우와 무처리한 경우의 시간 경과에 따른 축력 감소율은 두 겨웅 모두 큰 차이가 없었다.
3) 다크로처리와 무처리한 경우 모든 시험편에서 시간경과에 따른 축력감소율이 10 %를 초과하지 않으며, 설계 볼트 축력에 10 %를 할증하여 표준 볼트축력으로 체결하도록 되어 있는 도로교 시방서 규정을 감안하면 두 경우 모두 만족하므로 사용상 문제가 없는 것으로 판단된다.
4) 정적 인장시험 결과 , M22 고장력 볼트의 경우 다크로처리와 무처리 모두 미끄러짐 하중이 명확하게 나타남을 알 수 있으나, M30의 경우 미끄럼 하중이 명확히 나타나지 않고 미소 미끄러짐이 수회 발생하면서 지압상태에 이르는 것을 알 수 있었다.
5) 미끄럼 하중은 M22 및 M30 고장력 볼트 모두 다크로 처리한 경우가 무처리 보다 크게 나타났다.
6) M22 고장력 볼트의 평균 미끄럼 계수는 무처리의 경우 0.44, 다크로처리 0.50 이며, M30 의 경우 무처리는 0.41, 다크로 처리는 0.45로 나타나, 모든 경우에서 미끄러짐 계수는 도로교 표준시방서의 기준치인 0.4를 초과하는 만족스러운 결과를 나타내고 있다. 따라서, 고장력 볼트에 다크로 처리를 실시하여도 미끄러짐 내력은 무처리한 경우와 비교하여 동등 이상의 성능을 발휘하는 것으로 판단된다. 이러한 원인은 다크로 처리에 의해 와셔와 이음판 사이의 마찰 저항이 증가하는 것에 기인하는 것으로 사료된다.
한양 대학교 건설 연구소