KR20010004815A - 적층고무받침과 포트받침을 사용한 교량의 지진격리 시공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 포트받침을 마찰감쇠기로 이용하여 내진성능을 개선하는 지진격리를 위한 교량의 내진시공방법을 제공하려는 것으로서, 교량의 교각 또는 교대 상단에 적층고무받침(1)을 설치하여 복원강성을 제공하게 하고 포트받침(2,3)을 설치하여 상부하중 지지 및 마찰감쇠를 통한 감쇠성능을 향상시킴에 있어서, 상기 포트받침(2,3)은 윤활유를 사용한 포트받침(2)과 윤활유를 사용하지 않은 포트받침(3)을 동시에 사용하되 이들의 평균마찰계수가 3∼8%가 되도록 배치하는 것이다.

Description

적층고무받침과 포트받침을 사용한 교량의 지진격리 시공방법{The building method of bridge excluding earthquake effect by means of utilizing laminated rubber bearing and port supporter}

본 발명은 포트받침을 마찰감쇠기로 이용하여 내진성능을 개선하는 지진격리를 위한 교량의 내진시공방법에 관한 것이다.

교량은 지진에 매우 취약한 구조물의 하나이다. 지진이 발생하면 교대와 교각 및 기초 구조에 손상이 발생하거나 상부 구조가 그 지지부로부터 이탈하여 전체가 붕괴되는 수가 있다. 지진으로 인한 교량의 피해는 중·소형 지진인 경우에도 발생한 사례도 있다.

내진설계가 반영되지 아니한 교량은 수평방향으로 작용하는 지진력이 교량받침에 집중되기 때문에 지진시 교량받침의 파괴, 상판의 이탈 및 이에 따른 상판의 붕괴 등이 초래될 수 있으며, 막대한 인명 및 재산적 피해를 당할 가능성이 높다. 따라서, 중·소형 지진이 예상되는 지역임에도 내진설계가 반영되지 아니한 교량은 지진피해에 대한 우려가 그만치 높으므로 내진안전성을 확보하기 위한 설계시 면밀한 검토와 함께 적절한 내진보강작업이 이루어져야 할 것이다.

그러나 기존 교량의 내진성능을 보완하는데는 막대한 예산과 긴 공사기간 및 공사기간동안 차량통행에 막대한 지장을 초래하게 되어 기존교량에 대한 내진성능을 개선하기 위한 보강공사는 많은 어려움이 따른다.

지진격리시스템이 적용되지 않은 일반 교량의 경우, 교축방향 지진하중은 고정단으로 된 교각에 집중된다. 특히 교각수가 많은 다경간 교량의 경우에는 지진하중의 집중현상이 문제되어 STU(Shock Transmission Unit : 충격전달장치)를 설치는 사례가 있다. 이러한 STU는 지진시 각 교각과 상판을 힌지상태로 만들어 교축방향의 지진하중을 각 교각으로 분산시키는 역할을 한다. 그러나 STU는 효과에 비해 고비용이고 성능에도 한계가 있다. 그리고 STU는 지진시 교량의 고유주기가 짧아져서 응답 스펙트럼 상에서 구조물에 불히한 주기영역으로 이동시키는 단점때문에 호응도가 낮다.

지진이 발생했을 때 구조물의 고유주기와 지반가속도의 탁월주기가 일치하게 되면 공진이 발생하며, 공진의 영향을 받은 구조물은 심한 피해를 입게 된다. 이같은 불측의 피해를 줄이기 위해서는 응답가속도에 의한 설계전단력, 설계모멘트 등에 저항할 수 있도록 구조부재 등에 대하여 내진설계를 수행하던가, 지진격리스템을 적용하여 구조물의 고유주기와 지반가속도의 탁월주기가 일치하지 않도록 구조물의 주기를 증가시키는 것이 중요하다. 하지만 구조부재 등에 대한 내진설계는 막대한 공사비가 투입되므로 비경제적이다.

구조물에 지진격리장치를 설치하면 건물이나 교량에서 발생하는 지진 또는 풍하중을 지진격리시스템의 하부구조로 전달되는 것을 차단하는데 아주 효과적이다. 이는 지진격리장치의 설치에 의하여 구조물의 고유주기변화와 추가적인 감쇠에 의해 나타나는 현상이다. 지진격리시스템을 적용하면 구조물의 고유주기와 감쇠가 증가한다. 고유주기와 감쇠가 증가하면 응답가속도는 감소하며, 구조물의 내진설계시 설계지진하중 자체를 감소시킴으로써 구조부재를 경제적으로 설계할 수가 있다. 또, 구조물의 고유주기가 증가함에 따라서 지진격리시스템 상부의 응답변위가 증가하지만 응답변위는 지진격리시스템의 감쇠를 향상시킴으로서 줄일 수 있다.

지진격리장치로는 적층고무받침(Laminated Rubber Bearing)이 많이 사용되고 있으나 고무 자체의 이력감쇠증대에 한계가 있다. 따라서 감쇠성능의 증대 및 초기강성 제공을 위하여 납을 삽입한 납 면진받침(Lead Rubber Bearing)이 이용되기도 한다. 그러나 이들 지진격리장치는 상부하중 지진능력의 한계로 인하여 중·소형 구조물에 주로 적용되고 있다. 따라서 장대교량 및 자중이 큰 고층빌딩 등의 구조물에 적용할 지진격리장치가 필요한 실정이다.

포트받침은 교량의 상부구조에 작용하는 하중을 하부구조에 전달하는 목적을 가진 장치로서 교량의 내구성, 안정성에 관련된 중요한 관련 부재이다. 포트받침은 수평방향으로 자유로운 변위를 할 수 있으며 회전자유도를 제공할 뿐만 아니라 우수한 상부하중 지지능력을 가지고 있다. 교량의 지진격리시 포트받침을 마찰 감쇠기로 사용할 수 있다.

포트받침의 마찰감쇠는 PTFE와 스테인레스간의 마찰에 의해 발생하여 마찰력을 줄이기 위하여 일반적으로 윤활유를 사용한다. 포트받침에 윤활유 사용시 윤활유의 소진을 방지하기 위하여 PTFE에 윤활유 저장홈을 둔다. PTFE에 윤활유를 사용하면 마찰계수가 2% 이하의 과소한 값으로 나타나며, 윤활유을 제거하면 10% 이상의 높은 마찰계수를 나타낸다. 윤활유를 사용한 포트받침을 마찰 감쇠기로 사용하면 낮은 마찰감쇠로 인하여 지진시 감쇠기로서의 성능을 제대로 발휘할 수 없으며 윤활유를 제거하여 사용하면 과도한 마찰력으로 인하여 지진격리성능을 제대로 발휘할 수 없다.

본 발명은 상기한 종래 지진격리시스템의 문제점을 고려하여 받침을 효과적으로 배치함으로서 종전보다도 훨씬 저렴한 공사비로 내진성능을 대폭 향상시킬 수 있는 교량의 지진격리 시공방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 지진격리장치로 사용중인 적층고무받침을 복원장치로 사용하고 교량의 가동받침으로 사용되는 포트받침을 마찰감쇠기로 사용한다.

상기한 두 받침은 각각 단점을 지니고 있는데, 포트받침의 마찰계수를 조절하여 적층고무받침과 함께 사용하면 우수한 지진격리시스템을 구성할 수가 있다.

포트받침의 마찰계수는 윤활유 사용시 2% 이하이며, 윤활유 제거시 10% 이상을 보인다. 지진의 크기에 따라 변하지만 국내의 인공지진 및 국외의 계기지진을 토대로 본 발명에 앞서 연구한 결과에 따르면 3∼8% 의 마찰계수가 지진격리성능을 효과적으로 발휘하는 것으로 나타났다.

따라서 기존의 포트받침을 그대로 사용하지 않고 윤활유를 사용한 포트받침과 윤활유를 사용하지 않은 포트받침의 수를 적절히 조절하여 사용하면 지진시 우수한 감쇠성능을 발휘할 수가 있다. 또한 이러한 포트받침은 우수한 상부하중 지지능력을 갖고 있기 때문에 상부하중 지지능력에 한계를 지니고 있는 적층고무받침의 단점을 보완할 수도 있다. 따라서 본 발명에 의하면 자중이 큰 구조물에도 지진격리를 할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 교량의 지진격리시스템 평면배치도

도 2는 적층고무받침의 구조도

도 3은 윤활유를 사용한 포트받침의 구성도

도 4는 윤활유를 사용하지 않은 포트받침의 구성도

도 5는 국내 인공지진에 대한 최적 마찰계수도

도 6은 국외 계기지진(El Centro S00E)에 대한 최적 마찰계수도

도 7은 국외 계기지진(El Centro S00E) 작용시 교각의 밑면전단력 비교도

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 적층고무받침

2 : (윤활유를 사용한) 포트받침

3 : (윤활유를 사용하지 않은) 포트받침

본 발명의 실시예로 6경간 연속교에 본 발명을 적용하여 설명하면 다음과 같다. 도 1의 연속교에 있어서, 교량의 양단에 위치하는 끝교각(P1,P5)을 제외한 중간교각 (P2∼P4)의 상단 중앙에 지진시 복원장치의 역할을 수행하는 적층고무받침(1)을 배치한다. 적층고무받침의 총 수평강성은 교량 상판 전체에 대한 질량에 대하여 내진설계에 의해 산정된다. 중간교각 (P2∼P4)에 적층고무받침을 집중시키는 이유는 평상시 온도에 의한 상판의 신축 팽창시 교각에 전달되는 온도하중을 가급적 줄이기 위해서이다.

그리고 마찰 감쇠기로 사용할 포트받침의 경우에 전 교각과 교대에 설치한다. 포트받침은 적층고무받침의 상부지지능력을 무시하고 상판의 자중을 지지할 수 있는 크기의 것을 사용한다. 이때 전체 포트받침의 마찰계수가 3∼8%가 되도록 윤활유를 사용한 포트받침(2)과 윤활유를 사용하지 않은 포트받침(3)을 적정 비율로 나누어 배치한다.

도 1는 윤활유를 사용한 포트받침(2)과 윤활유를 사용하지 않은 포트받침(3)을 2:1의 비율로 배치한 것이다. 이때, 교대에 작용하는 상판의 자중은 교각에 비해 월등히 작기 때문에 교각에 사용되는 포트받침에 비해 상대적으로 작은 포트받침을 사용하며, 마찰에 의한 상판의 응력발생을 감소시키기 위하여 윤활유가 사용되는 포트받침을 사용하므로 교각에 설치되는 포트받침에 비해 마찰감쇠가 아주 적다. 따라서 교각에 설치되는 포트받침은 비율 산정시 무시한다.

중앙에 위치한 교각(P3)에는 온도하중에 의한 상판의 신축팽창에 의한 교각의 전단력 발생을 최소화하기 위하여 윤활유를 사용하지 않은 포트받침(3)을 양측에 2개 설치한다. 그 외의 교각 및 교대 양측에는 윤활유를 사용한 포트받침(2)을 각각 설치하며 교량 양단에 위치하는 끝교각(P1,P5)의 중앙에는 윤활유를 사용하지 않은 포트받침(3)을 설치한다.

상기한 방법으로 고무받침(1)과 포트받침(2,3)을 교량에 설치하면 상시 및 지진시 적층고무받침(1)은 복원력을 제공하여 교량 상판의 과도 변위를 억제하고 포트받침(2,3)의 경우에 교량 상판자중을 지지하며 상시에는 온도 등에 의해 상판의 신축팽창시 가동단의 역할을 수행하며 지진시에는 마찰감쇠기로서 작용하게 된다.

본 발명의 지진격리방법은 지진력을 격감시킴으로써 경제적인 부재의 단면 설계를 할 수 있도록 한다.

도 2에서, 통상의 적층고무받침(1)은 고무판(a)과 강판(b)이 층층이 접한 다층구조를 가진 것으로서, 고무의 전단변형이 구조물의 수평방향에 대한 유연성을 제공하고 강판에 의해 연직강성이 수평강성에 비해 월등히 크도록 만든 고무제품이다.

본 발명은 적층고무받침 외에 순수 고무를 사용할 수 있지만 교량의 안전성 증대를 위하여 적층고무받침을 사용한다. 이런 구조의 적층고무받침은 고감쇠 고무를 사용하여 감쇠를 증대시키거나 원통형 납을 받침 중앙에 설치하여 초기 강성과 감쇠능력을 증대시키기도 한다. 그러나 본 발명에 의한 지진격리방법은 감쇠를 포트받침의 마찰감쇠를 이용하므로 고감쇠고무를 사용하거나 원통형 납을 사용하는 등의 제작상 수고를 들일 필요가 없다.

포트받침은 교량의 상부구조에 작용하는 하중을 하부구조에 전달하는 목적을 가진 장치로 회전자유도를 제공한다. 포트받침의 회전부재는 포트, 피스톤, 고무판 그리고 봉함링으로 구성되며, 회전만 수용하며 수평방향에 대하여 고정되어 있는 고정 포트받침, 회전과 일방향 수평으로 변위를 허용하는 일방향 가동 포트받침, 그리고 회전과 수평 등 전방향으로 변위를 허용하는 전방향 가동 포트받침이 있다. 그 중에서 가동 포트받침의 마찰면은 PTFE와 스테인레스판으로 구성되어 있으며 마찰계수를 줄이기 위하여 통상적으로 윤활유를 사용한다. 본 발명에서는 전방향 가동 포트받침만을 사용하거나 전방향 포트받침과 일방향 포트받침을 동시에 사용할 수가 있다.

도 3은 윤활유를 사용한 전방향 가동 포트받침(2)을 예시한 것이다. PTFE판(21)과 스테인레스판(22)간에 발생하는 마찰력을 줄이기 위하여 윤활유를 사용하며, PTFE와 스테인레스판간에 윤활유의 소진을 방지하기 위하여 PTFE 면에 지압면적의 10∼30% 정도의 표면적의 합을 가지는 반구형 윤활유 저장홈(4)을 PTFE판(21)에 둔 것이다.

도 4는 마찰계수 증대를 위해서 윤활유를 사용하지 않은 전방향 가동 포트받침(3)을 예시한 것이다. 도 3과 비교하면, PTFE판(31)판에 윤활유 저장홈(4)이 없고 윤활유를 사용하지 않은 것 외에는 동일하다. (32)는 스테인레스강판이다.

도 5는 최대지반가속도가 0.14g인 국내 인공지진에 대해 포트받침의 마찰계수에 따른 교각의 최대 밑면전단력을 도시한 것이다. 이 그림은 구조해석 프로그램(ABAQUS)를 이용하여 해석 수행한 결과를 나타낸 것으로 국내 인공지진의 경우 약 3%의 마찰계수가 가장 효율적으로 나타나고 있다.

도 6은 최대지반가속도가 0.34g인 미국의 계기지진(El Centro SOOE)에 대한 포트받침의 마찰계수에 따른 교각의 밑면전단력을 도시한 것이다. 도 5의 국내 인공지진에 비하여 지진의 크기가 증가되어 효율적인 포트받침의 마찰계수는 약 6∼7%로 나타나고 있다.

도 7은 교량의 축소모형에 대하여 미국의 계기지진(El Centro S00E)을 입력하중으로 사용하여 진동대 실험을 수행하여 본 발명에 의해 지진격리된 경우와 STU가 사용된 기존의 경우와의 시간에 따른 밑면전단력 이력곡선을 비교하여 나타낸 그림이다. 이 그림에서 알 수 있듯이 본 발명으로 교량을 지진격리시켰을 경우, 교각의 밑면전단력이 크게 감소하는 것으로 나타나고 있다.

표 1은 도 1에 나타난 실제교량을 지진격리시 기존 방법과의 교각의 밑면전단력을 비교하여 나타낸 것이다. STU를 장착한 기존의 내진방법의 경우, 교각의 최대 밑면전단력이 끝교각(P5)에서 발생하고 그 값은 1,154톤으로 나타나고 있으나, 본 발명에 의한 지진격리시 교각의 최대전단력은 같은 위치의 교각(P5)에서 발생하고, 그 값은 580.4톤으로서 약 50% 가량 현저하게 줄어든 것으로 나타나고 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 교량의 지진격리 시스템은 힌지 또는 고정단이 설치된 교각에 가해질 수평지진력을 지진격리 및 타 교각의 분산을 통해 크게 줄여줌으로서 교각에 대해 추가적인 내진보강없이 지진에 대한 안전성을 확보할 수가 있다. 또, 평상시에는 교량의 고정 및 가동받침으로 역할을 수행 할 뿐만 아니라 지진시 우수한 지진격리장치로 작용한다.

그리고 설계지진강도에 따라서 윤활유를 사용한 포트받침과 윤활유를 사용하지 않은 포트받침의 사용 비율을 조절함으로써 경제적 비용으로 내진설계의 효과를 극대화시킬 수가 있다. 이러한 우수한 지진격리 성능을 통해 야기되는 재산 및 인명보호 효과를 통한 그 가치는 크다고 말할 수 있다.

Claims (1)

1. 교량의 교각 또는 교대 상단에 적층고무받침(1)을 설치하여 복원강성을 제공하게 하고 포트받침(2,3)을 설치하여 상부하중 지지 및 마찰감쇠를 통한 감쇠성능을 향상시킴에 있어서, 상기 포트받침(2,3)은 윤활유를 사용한 포트받침(2)과 윤활유를 사용하지 않은 포트받침(3)을 동시에 사용하되 이들의 평균마찰계수가 3∼8%가 되도록 배치하는 지진격리 시공방법.