구조검사와 재하실험: 확인할 수 있는 시점은 다시 오지 않는다

계산으로 확인할 수 없는 것이 남으면, 기준은 실물을 시험하게 한다. 재료가 도면대로 들어왔는지, 접합부가 도면대로 만들어졌는지, 이미 지어진 구조물이 하중을 견디는지 — 이 세 가지는 해석으로 답이 나오지 않는다. KDS 41 10 10은 그 확인 절차를 일반검사·특별검사·현장재하실험·대안실험으로 나누어 규정한다.

세 가지 상황에서 쓴다. ① 강구조 제작공장과 설치현장 — 용접과 고력볼트는 만들어진 뒤에는 볼 수 없다. ② 콘크리트 타설 — 배근과 배합은 묻히고 나면 확인할 수 없다. ③ 준공 후 안전성 의심 — 시공이 도면과 다르거나 품질이 낮을 때 실제 내하력을 재는 방법이다.

이 글은 KDS 41 10 10 건축구조기준 구조검사 및 실험의 조문을 인용한다. 재하실험의 처짐 판정식은 옮기지 않았다.

1. 검사와 검증은 다른 절차다

1.4의 용어 정의가 이 기준의 구조를 그대로 보여 준다.

용어정의

검사재료나 조립된 부재의 품질과 시공상태를 일정한 기준에 따라 조사하고 확인하는 절차

검증구조해석, 설계 및 공법 중 이 기준에서 지정하지 않은 해석·설계·공법의 구조안전을 검토하여 확인하는 절차

일반검사기초나 주요구조부 등 안전상·방화상·위생상의 주요 부위에 사용하는 구조재료의 성능을 확인하는 검사

특별검사부품이나 연결 부위의 제작·가설·설치 시 적절성을 확보하기 위하여 전문가의 확인이 필요한 검사

지속적인 특별검사자격이 부여된 자가 현장에 상주하며 지속적으로 실시하는 특별검사

정기적인 특별검사자격이 부여된 자가 현장에서 정기적으로 실시하는 특별검사

검사는 물건을 보고, 검증은 방법을 본다. 그래서 재료 규격이 기준에 없으면 검증 절차로 넘어간다. 기준은 재료를 세 가지로 분류한다 — 기준지정재료(KS 규격이 있고 이 기준이 지정한 것), 기준지정 외 재료(KS 인증되었으나 이 기준이 지정하지 않은 것), 신재료(KS나 단체표준에 규격이 없는 것).

신재료에는 서류가 요구된다 — 재료성능실험보고서는 "해당 분야의 연구성과를 보유한 책임구조기술자가 작성한 재료품질에 관한 기술기준과 … 실험 및 조사자료가 포함된 보고서"이고, 구조성능검증보고서도 같은 요건을 요구한다(1.4). 작성자의 자격까지 정의에 들어 있다.

2. 특별검사는 상주냐 정기냐로 갈린다

특별검사의 핵심은 지속적과 정기적의 구분이다. 사람이 상주해야 하는 작업과 가끔 확인해도 되는 작업이 다르기 때문이다. 콘크리트구조에서는 표 4.3-1이 아홉 항목을 두 종류로 나눈다.

보강철근과 배근 위치에 대한 검사 (예인장텐돈 포함)

보강철근의 용접검사 — 용접시험방법에 따라 용접되지 않는 철근 / 모멘트 골조와 경계요소를 갖는 전단벽의 휨·축력 저항 철근과 전단보강근

배합설계와 일치하는 배합을 사용하는지에 대한 검사

슬럼프치와 공기량 측정 시료의 적합성, 강도실험용 굳지 않은 콘크리트의 온도

콘크리트 타설 및 설치 방법의 기술적 적합성

양생온도와 양생방법의 적절성

프리스트레스 콘크리트 — 적용된 예인장력 / 내진구조시스템에 정착된 예인장텐돈의 그라우팅

프리캐스트 콘크리트 부재의 설치

포스트텐션을 가하기 전, 그리고 동바리와 거푸집을 제거하기 전 현장타설 콘크리트의 강도검사

목록의 성격이 분명하다. 전부 되돌릴 수 없는 시점이다. 배근은 타설하면 보이지 않고, 슬럼프와 공기량은 굳으면 못 잰다. 9번은 특히 그렇다 — 동바리를 떼기 전이 마지막 확인 기회다. 프리스트레스트 콘크리트의 그라우팅도 같은 이유로 목록에 있다. 덕트를 채운 뒤에는 확인할 방법이 없다.

강구조는 제작검사와 현장검사로 나뉜다(4.2).

제작검사 (4.2.1)현장검사 (4.2.2)

제작능력 검사 — 철강구조물공장의 등급별 인증기준에 따름주각부 검사 — 앵커볼트·베이스 모르타르·너트 조임

용접부 검사 — 강구조 용접부 비파괴검사기준에 따름설치계획의 적정성 — 설치 도중의 부분가구와 설치 후 전체가구의 안전 검토

접합상세 검사 — 브레이스·스티프너·접합부 상세와 부재 위치접합부 검사 — 고력볼트 시공 요령서 승인, 지시하지 않은 용접방법의 승인

고력볼트 검사 — 마찰면 처리와 체결 부위데크플레이트와 스터드의 용접방법 승인

평가와 사후검사 · 서면승인 · 승인기록

제작능력 자체가 검사 항목이라는 점이 특징이다. 공장이 그 규모의 구조물을 만들 등급인지를 먼저 확인하고, 인증서가 있으면 예외로 한다. 강구조 접합부의 성능은 도면이 아니라 공장에서 결정되기 때문이다.

설치계획의 적정성 검사도 눈에 띈다. 시공자는 반입방법·설치순서·설치기계·양중방법을 세우고, 설치 도중의 부분가구가 고정·활·풍·지진·적설하중과 설치기계의 충격하중에 안전한지 검토해 보고서를 낸다. 완성된 골조가 아니라 만들어지는 도중의 골조가 검사 대상이다.

지진하중과 풍하중에 대해서는 별도의 특별검사 장이 있고, 구조부재·비구조요소·면진장치 및 감쇠장치가 각각의 절로 나뉜다(5장·6장). 면진·감쇠장치가 검사 조문에 따로 등장하는 것은, 그 성능이 계산이 아니라 제품에 있기 때문이다.

3. 현장재하실험은 의심에서 시작한다

담당원은 공사시공자가 해당 구조물 전체 또는 일부를 설계도서대로 시공하지 않았거나 시공품질의 저하로 인하여 예상하중에 대한 구조물의 안전성이 의심스러울 경우 이에 대한 구조적 평가를 건축주에 요청할 수 있다. 구조적 평가 결과, 구조물의 보유내력이 기준에서 정한 내력에 미달할 경우에 건축주는 … 현장재하실험을 실시하여 … 확인하여야 하며 해당 건축물이 시공중인 경우 건축주는 즉시 시공을 중단하고 이를 시정하여야 한다. — KDS 41 10 10, 9.1 (1)

담당원은 공사시공자가 해당 구조물 전체 또는 일부를 설계도서대로 시공하지 않았거나 시공품질의 저하로 인하여 예상하중에 대한 구조물의 안전성이 의심스러울 경우 이에 대한 구조적 평가를 건축주에 요청할 수 있다. 구조적 평가 결과, 구조물의 보유내력이 기준에서 정한 내력에 미달할 경우에 건축주는 … 현장재하실험을 실시하여 … 확인하여야 하며 해당 건축물이 시공중인 경우 건축주는 즉시 시공을 중단하고 이를 시정하여야 한다. — KDS 41 10 10, 9.1 (1)

절차의 순서가 정해져 있다 — 의심 → 구조적 평가 → 미달 시 재하실험. 그리고 시공 중이면 즉시 중단이다. 실험 결과를 기다리며 계속 올리는 선택지는 없다.

다른 용도도 열려 있다 — "사용중인 건축물의 실제 내하력을 정량화하여 안전성을 평가하기 위한 경우에도" 쓸 수 있다(9.1 (2)). 리모델링에서 용도를 바꿀 때 실제 내하력을 확인하는 수단이다.

실험 자체에도 안전 요구가 붙는다 — 계획은 "실험기간 중 과도한 영구변형이나 붕괴가 발생하지 않도록 계획"해야 하고, 안전 조치는 "실험결과에 영향을 주지 않도록" 해야 한다(9.1 (3)(4)). 받침을 대 두면 안전하지만 그만큼 하중이 덜 실린다.

4. 재하실험은 하중과 시간이 조문으로 정해져 있다

항목규정

재하실험하중고정하중을 포함하여 설계하중의 85%, 즉 0.85(1.2D + 1.6L) 이상

영점 확인실험하중 재하 직전 1시간 이내에 최초 읽기

재하 단계4회 이상 균등하게 나누어 증가

유지 시간실험하중이 최소 24시간 작용한 후 읽기

잔류값 측정하중 제거 후 24시간 경과 시 최종잔류측정값

반복실험처음 실험하중 제거 후 72시간 경과 후 시행 가능

85%라는 값이 이 절차의 성격을 보여 준다. 설계하중을 전부 걸면 실험 중에 파괴될 수 있으므로 조금 낮춰 걸고, 대신 오래 걸어 둔다. 24시간은 크리프와 균열 진전이 나타나기에 충분한 시간이다.

4회 이상 분할도 안전 장치다. 한 번에 다 걸면 파괴 직전 징후를 관찰할 기회가 없다. 그리고 등분포하중은 "아치현상은 피하여야 한다"(9.3 ② 나) — 모래주머니나 물탱크를 쌓으면 하중이 서로 기대며 아치를 이루어 부재에 실제로 전달되는 양이 줄어든다.

판정은 처짐만 보지 않는다. 조문은 균열의 종류를 판정 기준으로 삼는다.

파괴의 징후인 균열·박리나 과대한 처짐이 없어야 한다. "압축된 콘크리트의 박리나 파쇄는 파괴의 징후로 볼 수 있다"(9.3 ③ 가).

스터럽 항복이나 정착손실을 예시하는 균열, 즉 갑작스러운 전단파괴의 가능성을 보이는 균열이 없어야 한다(다).

횡방향 철근이 없는 부분에서 균열의 수평투영길이가 부재의 깊이보다 긴 사인장균열이 예상되면 취성파괴 위험을 반드시 검토한다(라).

정착영역과 겹침이음영역에서 철근축을 따라 짧은 경사균열과 수평균열이 발생하면 반드시 검토한다(마).

이 넷은 모두 연성 없이 무너지는 파괴를 겨냥한다. 처짐이 한계 안이어도 사인장균열이 부재 깊이보다 길게 뻗었다면 그것은 경고다.

판정에 실패해도 끝은 아니다 — "실험 대상 구조물이 판정기준을 만족하지 않는 경우 책임구조기술자는 재하실험 또는 해석의 결과에 따라서 제한된 내하력 범위 내에서 구조물을 사용하도록 제한할 수 있다"(9.3 ④). 철거가 아니라 용도 제한이 남는다.

5. 강구조와 말뚝은 다른 방식으로 판정한다

강구조의 재하실험은 콘크리트와 판정 방식이 다르다.

구조물의 실험강도는 최대재하하중에 현장에서 확인된 고정하중을 더한 값으로 한다. 바닥구조물의 활하중에 대한 내하력은 실험강도를 1.2D + 1.6L에 등치시켜 산정한다. — KDS 41 10 10, 9.4 ②

구조물의 실험강도는 최대재하하중에 현장에서 확인된 고정하중을 더한 값으로 한다. 바닥구조물의 활하중에 대한 내하력은 실험강도를 1.2D + 1.6L에 등치시켜 산정한다. — KDS 41 10 10, 9.4 ②

즉 실험 결과를 역산해 활하중 값을 구한다. 다만 "적용 가능한 하중기준을 기초로 계산된 값을 초과해서는 안 된다" — 실험이 좋게 나와도 기준값 이상으로 올릴 수는 없다.

시간 조건은 짧고 명확하다 — "최대 실험하중이 1시간 유지되는 동안, 변형은 가력의 초기값보다 10% 이상 증가되지 않음이 입증되어야 한다"(9.4 ③). 하중을 유지했는데 변형이 계속 자라면 그것이 불안정의 신호다.

영구변형에 대해서는 기준을 정하지 않는다 — "허용 가능한 영구변형의 크기는 구조형식에 따라 변동하므로 … 제한값을 이 조항에서는 적시하지 않는다"(9.4 ④). 대신 하중 제거 후 24시간 동안의 변형을 기록하게 한다. 전체 구조물 실험이 부적절하면 적어도 1개 스팬 이상의 가장 불리한 부분구조를 고른다.

말뚝은 수량이 규정된다.

실험수량

압축정재하실험전체 말뚝개수의 1% 이상(말뚝이 100개 미만이어도 최소 1개) 또는 구조물별로 1회 이상

시공 중 동재하실험전체 말뚝개수의 1% 이상(100개 미만이어도 최소 1개)

재항타동재하실험위와 같은 수량. 시간경과효과 확인용과 시공 완료 후 품질 확인용을 각각 실시

말뚝재하실험의 목적이 일곱 가지로 열거된 것도 특징이다 — 지지력 확인, 변위량 추정, 건전도 확인, 시공방법과 장비의 적합성, 시간경과에 따른 지지력 변화, 부주면 마찰력, 하중전이 특성(9.5 ②). 지지력만 재는 시험이 아니라 장비와 공법이 맞는지까지 보는 절차다. 그래서 "지형 및 지반조건, 시공장비, 말뚝종류 등 제반 시공조건이 변경될 때에는 실험횟수를 추가"한다(9.5 ⑤).

6. 기준 밖의 재료는 대안실험으로 들어온다

새 재료와 새 공법에는 별도의 통로가 있다.

공사시공자는 인증된 기준이 없는 새로운 재료나 조립품을 적용할 경우에 필요한 실험과 조사의 기준을 제시하고, 그 품질과 사용법에 대한 공인시험 검사기관의 시험결과와 관련 전문학술단체가 승인한 구조성능검증보고서를 구비하여야 한다. — KDS 41 10 10, 10.1 (1)

공사시공자는 인증된 기준이 없는 새로운 재료나 조립품을 적용할 경우에 필요한 실험과 조사의 기준을 제시하고, 그 품질과 사용법에 대한 공인시험 검사기관의 시험결과와 관련 전문학술단체가 승인한 구조성능검증보고서를 구비하여야 한다. — KDS 41 10 10, 10.1 (1)

두 개의 독립된 확인이 요구된다는 점이 핵심이다. 공인시험기관은 값을 재고, 전문학술단체는 그 값이 구조적으로 타당한지를 판단한다. 시험 성적서만으로는 부족하고, 학회 검토만으로도 부족하다.

7. 정리

검사는 물건을, 검증은 방법을 확인한다. 재료는 기준지정재료·기준지정 외 재료·신재료로 나뉜다.

특별검사는 지속적(상주)과 정기적으로 나뉜다. 콘크리트의 아홉 항목은 모두 되돌릴 수 없는 시점을 겨냥한다.

강구조는 제작검사와 현장검사로 나뉘며, 제작능력 자체가 검사 항목이고 설치 도중의 부분가구도 검토 대상이다.

현장재하실험은 의심 → 구조적 평가 → 미달 시 실험 순서이며, 시공 중이면 즉시 중단한다.

재하실험하중은 0.85(1.2D + 1.6L) 이상이고, 4회 이상 분할해 24시간 유지, 제거 후 24시간 뒤 잔류값, 반복은 72시간 후다.

판정은 처짐과 균열의 종류를 함께 본다 — 박리·파쇄, 전단파괴 징후, 부재 깊이보다 긴 사인장균열, 정착·겹침이음부 균열.

강구조는 최대하중 1시간 유지 중 변형 증가 10% 이내가 기준이고, 영구변형의 제한값은 정하지 않는다.

말뚝재하실험은 전체 말뚝의 1% 이상(100개 미만이어도 최소 1개)이며, 시공조건이 바뀌면 횟수를 추가한다.

이 기준을 관통하는 것은 확인할 수 있는 시점이 지나가면 다시 오지 않는다는 사실이다. 그래서 조문은 무엇을 검사할지보다 언제 검사할지를 더 정확히 정한다 — 타설 전, 그라우팅 전, 동바리를 떼기 전, 포스트텐션을 가하기 전. 그리고 그 시점을 놓쳐 안전성이 의심스러워졌을 때 남는 방법이 실물에 하중을 걸어 24시간 지켜보는 것이다.