제116회 토목시공기술사 1교시 기출문제&참고답안

 

제116회 토목시공기술사 1교시 참고답안

1. 가외철근

1. 개요

가외철근(Extra Rebar)은 구조물의 주철근(주요 응력에 저항하는 철근) 외에, 응력 집중이 예상되는 부위나 균열 제어가 필요한 부분에 추가적으로 배치하는 보조 철근을 말합니다. 이는 구조해석 상으로는 명확히 산출되지 않더라도 경험적으로나 구조 상세 규정에 따라 보강하여 구조물의 안전성과 내구성을 향상시키는 역할을 합니다.

2. 주요 설치 위치 및 목적

설치 위치	목적
구조물 모서리 (Corner)	박스 구조물 등의 모서리부에서 발생하는 응력집중에 저항하고 균열을 제어. (코너철근)
개구부 주변	슬래브나 벽체에 개구부(Opening)가 있을 경우, 그 주변에 발생하는 응력집중 및 사인장균열을 제어하기 위해 대각선 또는 평행하게 보강.
단차가 있는 부위	보나 슬래브의 춤이 변하는 부분 등 단차가 있는 부위의 응력집중에 저항.

3. 결론

가외철근은 구조물의 취약부가 될 수 있는 특정 부위의 안전성을 확보하기 위한 중요한 상세(Detail)입니다. 구조 설계 도면에 명시된 가외철근의 규격, 간격, 배치 위치를 정확히 준수하여 시공해야 구조물이 설계대로의 성능을 발휘하고 장기적인 내구성을 확보할 수 있습니다.

2. 슈미트해머를 이용한 콘크리트 압축강도 추정방법

1. 개요

슈미트해머(Schmidt Hammer) 시험은 경화된 콘크리트 표면의 경도(딱딱한 정도)를 측정하여, 그 경도와 압축강도 사이의 상관관계를 이용해 콘크리트의 압축강도를 비파괴적으로 '추정'하는 방법입니다. 시험이 간편하고 신속하여 품질관리, 구조물 안전진단 등에서 널리 사용됩니다.

2. 시험 원리 및 방법

• 원리: 해머 내부의 스프링에 의해 일정한 에너지로 플런저(Plunger)가 콘크리트 표면을 타격하고, 그 반발 경도(Rebound Value, R)를 측정. 표면이 단단할수록(강도가 높을수록) 반발 경도가 크게 나타남.
• 방법:
  1. 측정면의 이물질을 제거하고 평활하게 만듦 (그라인더 등).
  2. 측정할 부재에 20개의 타격점을 격자 형태로 표시.
  3. 슈미트해머를 측정면에 수직으로 대고 타격하여 반발 경도(R값)를 측정.
  4. 20개의 측정값 중 평균값에서 20% 이상 벗어나는 값들을 제외하고, 남은 값들의 평균을 구함.
  5. 평균 반발 경도와 보정계수(타격각도, 재령 등)를 이용하여 환산식 또는 환산표로부터 압축강도를 추정.

3. 유의사항

슈미트해머법은 표면 경도를 측정하는 것이므로, 콘크리트 내부 강도와는 차이가 있을 수 있습니다. 따라서 탄산화, 표면의 건조/습윤 상태, 골재의 종류 등 다양한 변수에 의해 오차가 발생할 수 있으므로, 정확한 강도 평가를 위해서는 반드시 코어 채취 시험 결과와 비교하여 보정(Calibration)하는 과정이 필요합니다.

3. 시설물의 성능 평가

1. 개요

시설물의 성능평가란 「시설물의 안전 및 유지관리에 관한 특별법」에 따라 시설물의 기능을 유지하고 효용을 증진시키기 위해, 안전성능, 내구성능, 사용성능을 종합적으로 평가하는 것을 말합니다. 이는 기존의 안전등급 중심 관리에서 벗어나, 시설물의 전반적인 성능을 기반으로 최적의 유지관리 전략(보수·보강 우선순위, 목표성능 등)을 수립하기 위한 것입니다.

2. 성능평가 항목

평가 항목	정의	주요 평가 내용
안전성능	시설물의 구조적 안전에 관한 성능.	- 정밀안전진단 결과를 바탕으로 한 구조물의 내하력, 안정성 등. - 최종적으로 산정되는 안전등급(A~E).
내구성능	시간 경과 및 외부 환경에 따른 재료의 성능 저하(열화)에 저항하는 성능.	- 콘크리트 탄산화, 염해, 강재 부식, 피로 누적 등 재료의 상태. - 향후 성능 저하 속도 예측.
사용성능	시설물 본래의 기능을 수행하며 사용자에게 제공하는 서비스 수준에 관한 성능.	- 기능성: (도로) 평탄성, 배수성능. (댐) 저수용량. - 편의성, 접근성, 쾌적성, 미관 등.

3. 결론

시설물 성능평가는 단순히 '안전한가'를 넘어 '얼마나 오래, 얼마나 편리하게 사용할 수 있는가'를 종합적으로 판단하는 선진화된 관리 기법입니다. 이를 통해 시설물의 자산 가치를 체계적으로 관리하고, 예방적 유지관리를 통해 최소의 비용으로 최대의 효용을 창출할 수 있습니다.

4. 콘크리트 폭열현상

1. 개요

폭열(Spalling) 현상은 화재 시 고온에 노출된 콘크리트의 표면이 폭발하듯이 떨어져 나가는 현상을 말합니다. 특히 고강도 콘크리트와 같이 내부 조직이 매우 치밀한 콘크리트에서 발생하기 쉬우며, 단면 결손으로 인한 내하력 저하 및 철근의 직접적인 화재 노출을 유발하여 구조물의 붕괴로 이어질 수 있는 매우 위험한 현상입니다.

2. 발생 메커니즘

콘크리트 내부의 자유수 및 수화물이 화재의 고열(300℃ 이상)로 인해 급격히 증발하여 수증기로 변하면서 내부 공극압이 급상승합니다. 이때 콘크리트 조직이 매우 치밀하여 수증기가 외부로 빠져나가지 못하면, 내부 압력이 콘크리트의 인장강도를 초과하여 폭발적으로 파괴됩니다.

3. 방지 대책

대책	방법 및 원리
유기섬유(PP섬유) 혼입	- 콘크리트 배합 시 융점이 낮은 폴리프로필렌(PP) 섬유를 소량 혼입. - 화재 시 PP섬유가 먼저 녹아 없어지면서 수증기가 빠져나갈 수 있는 미세한 통로(Escape Route)를 형성하여 내부 압력을 저감. (가장 효과적인 방법)
내화 피복	- 내화뿜칠, 내화보드 등 내화 성능이 우수한 재료로 콘크리트 표면을 피복하여 내부로의 열 전달을 차단.
메탈라스 매립	- 콘크리트 피복 내에 철망(메탈라스)을 배근하여 표면의 박리를 억제.

5. 확산이중층(Diffuse double layer)

1. 개요

확산이중층은 점토 입자 주변에 형성되는 이온층을 설명하는 이론입니다. 점토 입자의 표면은 일반적으로 음(-)전하를 띠고 있어, 주변의 물(H₂O) 분자 및 양(+)이온(양이온)을 끌어당깁니다. 이때 점토 표면에 강하게 부착된 이온층(고정층)과, 그 바깥쪽으로 농도가 점차 옅어지며 분포하는 이온층(확산층)이 형성되는데, 이 두 층을 합쳐 확산이중층이라고 합니다.

2. 특징 및 공학적 의미

• 이중층의 두께: 이중층이 두꺼울수록 입자 간의 반발력이 커져 흙이 분산(Dispersed) 구조를 이루고, 얇을수록 인력이 우세하여 면모(Flocculated) 구조를 이룸.
• 영향 인자: 이중층의 두께는 물 속 양이온의 농도, 종류(원자가), pH 등에 따라 변함. (예: 해수(염분) 속에서는 이중층이 얇아져 점토가 쉽게 침전함)
• 공학적 거동 지배: 확산이중층의 두께는 점성토의 팽창(Swell), 수축(Shrinkage), 압축성, 투수성, 강도 등 전반적인 공학적 거동을 지배하는 근본적인 원인이 됨.

6. 유동화제와 고성능감수제

1. 개요

유동화제와 고성능감수제(Superplasticizer)는 콘크리트의 작업성(Workability)을 크게 향상시키는 화학 혼화제입니다. 두 약제 모두 시멘트 입자를 분산시켜 적은 양의 물로도 높은 유동성을 얻게 하는 원리는 동일하나, 주된 사용 목적과 성능에서 차이가 있습니다.

2. 비교

구분	고성능감수제	유동화제
주된 사용 목적	일정한 워커빌리티 하에서 단위수량을 대폭 감소시켜 강도 및 내구성을 향상 (고강도 콘크리트)	일정한 단위수량 하에서 워커빌리티(슬럼프)를 대폭 증진시켜 타설 및 충전성을 향상 (유동화 콘크리트)
사용 방법	콘크리트 배합 시 물과 함께 투입	레미콘 현장 도착 후 타설 직전에 투입하여 유동성을 높임
효과	고강도, 고내구성, 고수밀성	고유동성, 자기충전성, 펌프압송성

3. 결론

고성능감수제는 '물을 줄여 강도를 높이는 것'에, 유동화제는 '유동성을 높여 시공성을 개선하는 것'에 각각의 주된 목적이 있습니다. 최근에는 두 가지 성능을 모두 갖춘 폴리카르본산계(PC계) 고성능 AE감수제가 개발되어 고강도 및 고유동 콘크리트에 널리 사용되고 있습니다.

7. 고장력볼트 조임검사

1. 개요

고장력볼트 마찰이음은 볼트에 강력한 인장력(축력)을 도입하여, 그 반작용으로 생기는 부재 간의 마찰력으로 하중을 전달하는 방식입니다. 따라서 규정된 축력이 정확하게 도입되었는지 확인하는 조임검사는 강구조물의 안전성 확보를 위해 매우 중요합니다.

2. 주요 조임검사 방법

검사 방법	원리 및 내용
토크관리법	- 너트를 회전시키는 힘(토크)과 도입되는 축력 사이의 상관관계를 이용. - 보정된 토크값을 낼 수 있는 토크렌치를 사용하여 조임과 동시에 검사.
너트회전법	- 1차 조임(Snug tight) 상태에서 너트를 규정된 각도(예: 120°)만큼 추가로 회전시켜 축력을 도입. - 시공 후 너트의 최종 회전 각도가 적절한지 확인.
DTI 와셔법 (직접인장측정)	- 볼록한 돌기(Indicator)가 있는 특수 와셔(DTI 와셔)를 사용. - 볼트를 조이면 돌기가 압축되어 와셔와 볼트머리 사이의 간격이 줄어듦. - 규정된 간격(게이지)이 들어가지 않으면 합격.

3. 유의사항

조임검사는 일반적으로 전체 볼트 수의 10% 정도를 샘플링하여 실시하며, 불합격률이 높을 경우 검사 수량을 늘리거나 전수검사를 실시해야 합니다. 검사가 완료된 볼트는 식별이 가능하도록 마킹합니다.

8. 하천의 하상계수

1. 개요

하상계수(River Regime Coefficient)는 하천의 연중 유량 변동 특성을 나타내는 지표로, 1년 동안의 최대유량을 최소유량으로 나눈 값입니다. 이 값이 클수록 가뭄과 홍수 때의 유량 차이가 극심하여 하천 관리가 어렵다는 것을 의미합니다.

하상계수 = (연중 최대유량) / (연중 최소유량)

2. 우리나라 하천의 특징

• 높은 하상계수: 우리나라는 여름철(홍수기)에 강수가 집중되고, 다른 계절(갈수기)은 건조한 계절적 특성으로 인해 하상계수가 300~400에 달할 정도로 매우 큼. (예: 라인강 14, 나일강 30)
• 문제점:
  • 홍수 관리의 어려움: 홍수기에는 막대한 유량이 짧은 시간에 집중되어 홍수 피해 위험이 큼.
  • 수자원 이용의 어려움: 갈수기에는 유량이 매우 적어 안정적인 용수 확보가 어려움.

3. 하상계수 안정화 대책

댐과 저수지는 높은 하상계수를 가진 우리나라 하천을 안정적으로 관리하기 위한 가장 효과적인 수단입니다.

• 다목적댐 건설: 홍수기에는 물을 저장하여 홍수 피해를 줄이고(홍수조절), 갈수기에는 저장된 물을 방류하여 안정적인 용수 공급 및 하천유지유량을 확보.
• 유역 관리: 산림을 잘 가꾸어 유역의 함양 능력을 높여 홍수 유출을 지연시키고 갈수기 유량을 증대.

9. 쉴드 터널의 테일 보이드(Tail void)

1. 개요

테일 보이드(Tail Void)는 쉴드 TBM 장비가 전진할 때, 쉴드 스킨(강재 외피)의 두께와 커터헤드의 초과절삭(Overcut)으로 인해, 조립된 세그먼트 라이닝 외측과 원지반 사이에 필연적으로 발생하는 고리 모양의 빈 공간(Annular Gap)을 말합니다. 이 공간을 즉시 채우지 않으면 지반 침하의 직접적인 원인이 됩니다.

2. 문제점

• 지반 침하: 테일 보이드를 방치하면 주변 지반이 이완되어 내부로 함몰되면서 지표면 침하를 유발.
• 세그먼트 거동 불안정: 세그먼트가 외부 지반에 의해 균등하게 지지되지 못하여 변위나 변형 발생.
• 지하수 유입: 지하수가 유입되어 주변 지반을 약화시키고 추가적인 토사 유실 유발.

3. 대책: 동시 뒤채움 그라우팅

대책	내용
동시 뒤채움 그라우팅 (Simultaneous Grouting)	- 쉴드 TBM 장비의 가장 뒷부분(Tail)에 설치된 주입구를 통해, 쉴드가 전진함과 동시에 테일 보이드에 그라우트재(주로 A액+B액의 2액형)를 즉시 주입하여 빈 공간을 채우는 공법. - 주입 압력과 주입량을 실시간으로 관리하여 과소 또는 과대 주입을 방지하는 것이 핵심.

10. ADR제도(대체적 분쟁해결제도)

1. 개요

ADR(Alternative Dispute Resolution)은 소송과 같은 전통적인 사법 절차를 통하지 않고, 당사자 간의 자율적인 의사를 바탕으로 분쟁을 해결하는 다양한 절차를 총칭합니다. 이는 소송에 비해 시간과 비용을 절약하고, 유연하고 창의적인 해결이 가능하여 건설 클레임 등 전문적인 분쟁 해결에 널리 활용됩니다.

2. 주요 ADR의 종류

종류	개념	특징 (효력)
협상 (Negotiation)	제3자의 개입 없이 분쟁 당사자들이 직접 대화와 타협을 통해 해결을 모색.	- 가장 비공식적이고 자율적. - 합의 시 계약과 동일한 효력.
조정 (Mediation)	중립적인 제3자(조정인)가 당사자들의 원활한 대화를 돕고, 상호 양보를 통해 합의에 이르도록 조력.	- 조정인이 해결책을 강제하지 않음. - 조정이 성립되면 재판상 화해와 동일한 효력.
중재 (Arbitration)	당사자들이 합의하여 선정한 제3자(중재인)에게 분쟁에 대한 판정을 맡기고, 그 판정에 복종하기로 약정.	- 중재 판정은 법원의 확정 판결과 동일한 효력을 가지며, 단심제로 불복할 수 없음.

11. 부잔교(浮棧橋)

1. 개요

부잔교(Floating Pier 또는 Pontoon)는 부력을 가진 상자 형태의 구조물(폰툰)을 물에 띄우고, 앵커나 파일 등으로 위치를 고정시켜 선박이 접안할 수 있도록 만든 계류시설입니다. 조위(수위) 변화에 따라 잔교 자체가 상하로 움직이기 때문에, 선박과 잔교의 높이가 항상 일정하게 유지되는 것이 가장 큰 특징입니다.

2. 구성 요소 및 적용

• 구성 요소:
  • 폰툰 (Pontoon): 주된 부력을 발생시키는 속이 빈 상자형 구조물.
  • 도교 (Access Bridge / Gangway): 육상과 폰툰을 연결하는 다리.
  • 계류(고정) 시설 (Mooring System): 폰툰을 정해진 위치에 고정시키는 장치 (체인, 파일 등).
• 주요 적용처: 조수간만의 차가 큰 서해안, 어선이나 요트 등이 접안하는 마리나항, 여객선 터미널, 수심이 깊은 호수나 댐 등.

3. 장단점

장점	단점
- 조위차에 관계없이 선박의 승하선 및 하역 작업이 용이.	- 파랑이 심한 해역에서는 흔들림이 커서 안정성이 불리.
- 수심이 매우 깊거나 연약지반이라 고정식 구조물 설치가 어려운 곳에 유리.	- 고정식 잔교에 비해 구조가 복잡하고 유지관리 비용이 더 들 수 있음.
- 필요에 따라 위치 이동이나 확장이 용이.	- 대형 선박의 접안에는 한계가 있을 수 있음.

12. 교량받침과 신축이음 Presetting

1. 개요

프리세팅(Presetting)은 교량의 받침장치나 신축이음장치를 설치할 때, 장래에 발생할 장기적인 변위(크리프, 건조수축)와 설치 시의 온도 영향을 미리 고려하여, 설계상의 중심 위치에서 의도적으로 벗어난 위치에 미리 설치하는 것을 말합니다. 이는 장치가 장기적으로 정상적인 가동 범위의 중앙에서 작동하도록 하기 위한 중요한 공정입니다.

2. Presetting 량 산정 시 고려요소

Presetting 량 = ① 장기 변위량 + ② 온도 변위량

• ① 장기 변위량:
  • 콘크리트 크리프(Creep): 고정하중에 의해 장기적으로 발생하는 처짐 및 변형.
  • 콘크리트 건조수축(Drying Shrinkage): 콘크리트가 건조되면서 발생하는 체적 감소.
• ② 온도 변위량:
  • 기준 온도와 설치 시 온도의 차이: 교량의 기준 온도(연평균기온)와 실제 장치를 설치하는 순간의 온도 차이로 인해 발생하는 신축량.

3. 시공 시 유의사항

• 설계도서에 명시된 Presetting 값을 정확히 계산하고 측량하여 설치 위치를 결정.
• 설치 시의 온도를 정확하게 측정하여 온도 변위량을 반영.
• 설치 후 고정을 위해 임시로 용접한 부재(Stopper 등)는 상부구조가 모두 연결된 후 정확한 시점에 제거.

13. 5D BIM

1. 개요

5D BIM은 3차원 형상 정보(3D)에 시간(공정) 정보(4D)와 비용(원가) 정보(5D)를 통합하여, 건설 프로젝트의 전 과정에 걸쳐 공정과 비용을 시각적으로 연동하여 관리하는 차세대 건설관리 기술입니다. 이는 프로젝트의 공정 및 비용 변화를 실시간으로 예측하고 시뮬레이션하는 것을 가능하게 합니다.

2. BIM의 차원별 정보

차원	정보	활용
3D	형상 정보	설계 간섭 검토, 시각화
4D	+ 시간(공정) 정보	공정 시뮬레이션, 공정 계획 최적화
5D	+ 비용(원가) 정보	자동 물량 산출, 실시간 공사비 예측, 기성 관리, 공정 연동 현금흐름 분석

3. 기대 효과

• 정확한 물량 및 공사비 산출: 3D 모델에서 직접 물량을 산출하므로 견적의 정확도가 획기적으로 향상.
• 신속한 의사결정 지원: 설계 변경 시 추가되는 공사비와 공사 기간을 즉시 시뮬레이션하여 최적의 대안을 선택.
• 공정-원가 통합관리: 특정 시점의 기성(Earned Value)을 시각적으로 명확하게 파악하고, 공정률과 비용 집행률을 연동하여 관리.
• 프로젝트 투명성 증대: 발주처, 시공사 등 모든 참여자가 동일한 정보를 기반으로 투명하게 프로젝트를 관리.