1. 서 론
지진격리 받침은 교량의 주기(natural period)를 길 게하여 지진력을 줄이고, 지진거동 시 감쇠(damping) 를 크게 하여 지진에너지를 소산시키며, 지진하중에 의한 반력을 분산시킴으로써 지진발생 시 응답을 감 소시켜 지진안전성을 확보하고, 경제적인 설계를 하 기 위한 장치이다. 요컨대, 지진격리의 주요기능은 장주기화를 통한 지진가속도 저감, 감쇠기능을 통한 지진에너지 소산, 다수의 받침에 의한 반력분산이라 할 수 있다. 받침의 형식은 고무형식, 마찰형식, 조합 형식으로 구분된다.
지진격리 받침의 품질기준은「도로교설계기준 제6 장 내진설계」에 명시된〔유효강성(Keff) 및 이력곡선
의 면적(EDC)〕이 적용되어 왔다.
그러나, 2011년 9월「건설자재 관리실태 성과검 사」를 통해서 강재 또는 고무계열에 대한 구체적인 시험법의 부재와 이로 인한 시험속도, 변위량, 반복 횟수 등에 대한 제조사별 상이한 기준적용 실태의 문 제가 드러나게 되었다. 또한 지진격리 받침의 내진성 능은 도로교설계기준에 따라 완제품(원형시험)으로 조립한 상태에서 시험하도록 규정하고 있으나, 관련 기준이 없는 강재계열 받침 결합핀(PIN) 등 연결장 치에 대해서는 개별시험을 실시하고 있어 연결부위 조기 파손과 이로 인한 내진기능 발휘 실패가능성에 노출되어 있었다.
실제로 이와 같이 강재계열 면진 받침을 설치하면 서 완제품으로 시험을 실시하지 않고 받침과 지진격 리시스템을 분리하여 개별적으로 시험을 실시한 일 부 현장에서 급기야 연결부위가 먼저 파손되는 사례 가 발생하였다.
따라서 본 사례 연구에서는 고규격 지진격리 받침 에 대한 원형 완제품 시험 사례 분석을 통한 국내에 오 용 권 |한국도로공사 수도권사업단 품질팀장
김 기 윤 |한국도로공사 수도권사업단 책임감독
이 종 호 |한국도로공사 수도권사업단 품질과장
고규격 지진격리 받침 국내 완제품 시험 사례 연구
표 1. 지진격리 받침 유효강성과 EDC 품질기준(도로교설계기준)
keff EDC
개체차 ±20% -25%
평균값 ±10% -15%
서 가능한 시험방법을 모색하였으며 이를 통하여 제 품의 품질신뢰성을 확보하고자 한다.
2. 지진격리 받침 국내 완제품 시험 사례
2.1 운중교 공사현황
상부형식`:`PSC Box Girder교 (FCM) 연 장`:`300m (85+130+85m)
2.2 운중교 지진격리 받침 설계현황
서울외곽선 125.6km 운중교 개량공사의 운중교는 강재댐퍼인 C-Shaped Damper(CSD)를 사용하여 위에서 언급한 완제품 시험이 적용되는 첫 번째 교량 이 되었다.
C형 강재댐퍼는 스페리컬 받침에 C형 강재댐퍼를 방사형으로 장착하여 상시하중전달 및 회전, 변위를 수용하는 받침으로서 지진 시에 C형 강재댐퍼의 비 선형 소성거동으로 지진에너지를 소산시키고 변위를 제어하여 잔여 수평력을 교각에 전달한다.
주요 부재로서 C형 댐퍼, 특수 마찰판(SY Friction Element), 잠김장치(Lock Up Device), 이동유도
장치(Guide Bar), 스페리컬(Spherical) 등이 있으 며 각각의 기능은 아래와 같다.
C형 댐퍼`:`연성이 우수한 특수강재로 탄₩소성 휨 변형에 의한 에너지 소산으로 지진력 저감 및 변위 감소
특수 마찰판`:`고지압 강도와 내마모성이 우수하며 낮은 마찰계수를 갖는 마찰판으로 스테인레스 판 (Stainless Steel)과의 미끄러짐(Sliding) 기능을 수행
그림 2. C-Shaped Steel Damper(CSD)
그림 1. 운중교 공사현황
잠김장치`:`온도하중과 같은 저속하중에 대하여 큰 저항 없이 변위를 수용하고 지진하중과 같은 고속 하중에 대해서는 내부충진재(Silicon Putty)의 고 형화(유체→탄성고체)로 변위를 제어하여 C-형 댐 퍼의 변형을 유도
이동유도장치`:`잠김장치와 평행하게 설치하여 온 도 등의 상시변위에 대하여 이동을 유도하고 지진 하중에 대하여 교축직각방향으로 저항하여 C-형 댐퍼의 변형을 유도
스페리컬`:`중간판과의 접촉면이 곡면으로 높은 회 전변위를 수용하며, 마찰저항을 최소화하기 위하 여 특수 마찰판과 실리콘 윤활유로 구성
2.3 지진격리 받침 완제품 시험기준
지진격리장치 완제품 품질시험 시험기준 상의 고 무형식의 제품에 대한 압축특성 시험은 최대설계압 축력 Pmax 재하 후 하중을 제거하는 것을 하나의 사 이클로 하여 3회 반복하나, 강재 등의 기타형식의 경 우는 최대설계압력(고정하중+활하중)의 1.5배를 재
하한 상태에서 5분간 지속한 후 외관상의 결함이나 손상의 유무를 판단하게 된다.
전단특성시험의 경우, 고무형식 제품에 대하여
±5%의 오차범위내로 고정하중을 재하한 상태에서
±5%의 오차범위내로 설계전단변형률에 해당하는 전단변위를 3~11회까지 반복재하하되, 그 사이클 의 횟수는 구조설계 기술자가 정할 수 있도록 한다.
2.4 운중교 지진격리 받침 시험항목
운중교에 사용되는 지진격리 받침은 6가지 종류로 서 각각의 제품에 대한 시험항목은 아래와 같다.
그러나 안타깝게도 운중교에 사용되는 수직하중 3,000ton 이상의 지진격리 받침 완제품에 대한 전단
표 2. C형 지진격리 장치 주요 특성
장점
지진 시 변위 수용량이 크고 감쇄율이 높아 장경간 연속이나 고교각에서 적용성 우수.
강재댐퍼의 비선형 거동에 의한 변위 수용량이 커 대 용량 장대교량 및 특수교에 적합.
양방향 Spherical 받침과 혼합배치가 가능하여 경제 적인 설계 가능.
장경간 장대교량에 적합.
단점
감쇄효과는 우수하나, 강재댐퍼의 소성변형에 의해 하중이 흡수되므로 자체복원능력이 없음.
지진 시 강재댐퍼의 반복되는 소성변형으로 내구성 이 약함.
강재댐퍼의 영구적인 소성변형으로 지진 후 전체 교체
시공성 교량 형식 및 연장에 관계없이 적용 가능(장경간 또 는 특수교량에 적합)
지진 후
부재교체 강재댐퍼의 영구적인 소성변형으로 지진 후 전체교체
표 3. 지진격리장치 완제품 품질관리 시험기준 시험
항목 시험
빈도 시험방법 성능기준
압축 특성 시험
제품 규격별
각1회
ISO 22762-1:2010, 6.2.1 최대설계압력 (고정하중+활하중)의 1.5배를
5분간 지속 재하
손상이 없어야 함
전단 특성 시험
ISO 22762-1:2010, 6.2.2 고정하중 재하상태에서 설계 전단 변형률에 해당하는 변위 만큼 ±방향으로 3회 변위 재하
Keff (유효강성)
EDC (이력곡선의
면적) 설계값의
±10% 이내
설계값의 -15%이상
표 4. 운중교 지진격리받침 시험항목 1
규 격 기 능 시험항목
교축일방향 CSDL 3,500ton
·상시에 교축방향(종방향)거동(하부)
·지진 시 교축방향은 LUD에 의해 잠 기고 C형강이 체결된 상부가 이동 하면서 에너지 소산
압축, 전단
고정단 CSDF 3,000ton
·상시는 고정, 지진 시 C형강이 체결 된 상부가 이동하면서 에너지 소산 전단 양방향
CSDM 3,000ton
·상시 교축방향(종방향) 및 교축직각 방향(횡방향) 거동(상₩하부) 압축
특성시험을 실시하기 위한 시험기를 보유한 국내 업 체 또는 공인기관이 없는 실정이었다. 수평하중 용량 자체로는 문제가 없었으나 C형 댐퍼의 사이즈가 커 서 시험기 내에 거치가 곤란하거나 거치가 가능하더 라도 시험상의 전단변위량(150mm)이 시험기의 최 대 변위량을 초과하여 사실상 국내에서는 시험이 불 가한 실정이었다.
3. 고규격 지진격리 받침 국내 완제품 시험 사례
3.1 지진격리 받침 완제품 시험방법 모색
기존의 국내 완제품 시험 사례를 고려 시 C형 댐 퍼를 사용하기 위해서는 국외로 눈을 돌릴 수밖에 없 었다. 하지만 해외시험의 경우도, 비용은 차치하더라 도 시험기관이 USCD(University of California, San Diego)로 유일하며, 많은 대기시험으로 인하여 순번을 기다리기에는 너무 많은 시간(최소 15개월) 이 소요될 예정이었다. 이 경우 공사기간 내에 후속 공정을 진행하는 것은 사실상 불가능하였다.
최악의 상황을 맞이한 가운데, 조치계획을 강구하 기 위한 회의가 이어졌다. 국내 축소모형시험 실시 후 설치 그리고 해외 시험 후 제품이 불합격할 경우 재시공 등을 전제로 하는 조건부 승인으로 공정추진
표 5. 운중교 지진격리받침 시험항목 2
규격 기능 시험항목
교축직각 일방향 CSDT 650ton
·상시에 교축직각방향(횡방향) 거동(상부)
·지진 시 C형강이 체결된 하부 에서 교축방향으로 이동하면서 에너지 소산
압축, 전단 교축직각 일방향
CSDT 500ton
압축, 전단 LUD
(Lock Up Device)
·지진 시 CSDL 제품의 Lock- up(잠김) 발생
저속, 고속
표 6. 지진격리 받침 시험기 현황 (국내)
구 분 운중교 CSD 제원
시험기 용량 삼영엠텍(주)
(2,000×1,350×600)
(주)에스코RTS (2,000×2,000×450)
SGS (1,500×1,500×400)
용량 가능여부 용량 가능여부 용량 가능여부
수직 하중
3,000ton (2,800×2,800×584)
2,800ton 불가 5,200ton 가능 3,000ton 불가 3,500ton
(2,860×2,860×594) 수평
하중 362.3ton 500ton 불가 900ton 불가 200ton 불가
표 7. 지진격리 받침 시험기 현황 (해외)
구 분 운중교 CSD 제원
시험기 용량 일본주조(일본)
(1,800×1,800×600)
PILLAR(대만) (2,000×2,000)
UCSD(미국) (3,000 이상×3,000 이상)
용량 가능여부 용량 가능여부 용량 가능여부
수직 하중
3,000ton (2,800×2,800×584)
2,000ton 불가 6,000ton 불가 5,340ton 가능 3,500ton
(2,860×2,860×594) 수평
하중 362.3ton 800ton 불가 300ton 불가 890ton 가능
을 하자는 의견까지 개진되었으나, 이는 품질시험기 준에 역행하는 것으로 현실적으로 수용되기 어려운 안이었다. 수형하중을 견뎌내는 C형 강재로 인해 교 량받침 전체 사이즈를 크게 하여 제품 자체의 전단특 성시험을 불가능하게 만드는 꼴이 되었다.
적절한 대안의 도출이 어려운 가운데, 제조사로부 터 제품을 분해하여 시험기상에서 재조립하여 시험 을 수행해 보자는 제안이 들어왔다. 품질시험인증기 관인 한국건설생활환경시험연구원(KCL)에서도 기
본적으로 시험기가 전단특성시험을 위한 용량 (362.3ton)은 만족하므로 시험기 상에서 재조립만 가능하다면 충분히 가능하다는 의견을 내놓았다. 이 렇게 하여 제조사를 비롯한 유관기관의 각고의 노력 끝에 국내 최초로 3,000ton 이상의 수직하중을 지지 하는 지진격리 받침에 대한 전단특성시험을 실시할 수 있는 방안이 마련되었다.
3.2 고규격 지진격리 받침 완제품 시험방법
지진격리 받침 시험기 내 재조립 개념도 및 재조립 광경은 그림 4 및 그림 5와 같다.
표 8. 지진격리받침 해외시험 비용
시험수행 기간
시험비용(백만 원) 계 자재비 시험비 JIG
제작비 운송비 최소
15개월 113.95 72.8 12.65 20 8.5
※ 성적서 발급비용은 시험비에 포함
※ 시험기 거치를 위한 용접으로 제품은 시험 후 폐기조건 및 JIG 제작 인원 현지 상주비용 포함
그림 3. 시험기 및 지진격리 받침 사이즈
단계 내 용
1
2
3
3.3 완제품 시험의 의의
이번 운중교 현장에서의 3,000ton 이상 지진격리 받침에 대한 전단특성시험의 성공은 많은 성과를 가 져왔다. 먼저 경제(비용)적 측면에서 약 110백만 원 을 절감할 수 있었으며, 보다 더 중요하게 자칫 지연 이 불가피할 수 있었던 후속공정을 원활하게 진행할 수 있게 되었다.
5
6
단계 내 용
1
2
4
5
표 9. 지진격리 받침 국내시험 비용
시험수행 기간
시험비용(백만 원) 계 자재비 시험비 JIG
제작비 운송비
10일 5.6 5.6 - - -
그림 4. 지진격리 받침 시험기 내 재조립 개념도 그림 5. 지진격리 받침 시험기 내 실제 재조립 광경
표 10. 국내시험 성공의 효과
구 분 절감내용
시험비용 108.35 백만 원
시험수행기간 최소 14개월 단축
4. 결 론
본 연구에서 수행된 지진격리 받침에 대한 완제품 시험방법은 그간 불가피하게 외국의 시험기관에 의 존하던 관행을 탈피할 수 있는 계기가 되었고, 시험 기간 단축 및 시험비용 절감으로 납품업체가 부담을 덜 수 있게 되었다. 또한 국내 시험으로 품질시험에 직접 참관함으로써 제품의 품질에 대한 신뢰성을 높 일 수 있었다.
이에 향후 지진격리 받침에 대한 축소모형 시험 등 국내시험기관을 활용한 시험이 가능하도록 지속적인 연구가 이어져야할 것으로 판단된다.
참고 문헌
1. 한국도로공사(2012) “지진격리장치의 품질 관리 시험기준”.
2. 국토해양부(2010) “도로교설계기준, 제5장 내진설계”.
3. 국토해양부(2012) “도로교 설계기준(한계상 태설계법)”.
4. ISO 227622(2010) “Elastomeric Seismic- Protection isolators”.
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심의 후 게재
기술기사
도로 및 도로포장과 관련된 기술보고서로서 A4 10쪽 이내 분량으로 작성 : 사례연구, 공사지, 성공 및 실패사례, 지역별 도로특성, 국내 산학연 합동 연구, 국내외 관련연구소 소개 등
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세미나 주요내용
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컬럼 기술위원회 제공
해외기술동향 도로 및 도로포장관련 해외의 최신 연구내용 및 결과로 A4 4쪽 이내
국내외 학술회의 도로 및 도로포장과 관련된 학술 및 기술강좌, 세미나 등의 내용 소개 E-mail 이용 가능 문화산책(교양) 교양과 관련된 내용으로 A4 4쪽 이내 : 수필, 취미생활(등산,낚시 등),
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