철도교 내진성능 향상 방안
글/장재운 토목기술팀 사원, 우동인 토목기술팀 부장
출처: 건설기술 쌍용 2013 Summer, Vol.67, pp. 26-32
1. 머리말
20세기까지는 지진이라는 자연재해를 거의 경험할 수 없었던 우리나라는 구조물을 설계할 때 발생빈도가 희박한 지진하중을 고려하면 건설비가 상승되므로 이를 고려할 경제적인 여유가 없었으며 기술적으로도 어려운 점이 많았다. 그러나 고층건물 및 장대교량과 같은 대형구조물이 일반화되고, 원자력발전소와 같은 중요 구조물이 증가됨에 따라 만일의 경우에는 사회적으로 치명적인 타격을 입게 되므로 내진설계를 해야 한다는 사회적인 공감대가 형성되기 시작하였다. 1970년대 후반 원자력발전소의 건설을 통하여 내진설계란 새로운 개념이 도입되기 전만 하더라도 구조물의 설계에 있어서 풍하중을 제외한 지진력과 같은 수평력에 대한 고려는 전무하였다고 할 수 있다. 그 이후 급속한 경제발전과 더불어 1986년 12월에 건축물은 지진에 대하여 안전한 구조물을 가져야 한다고 건축법에서 제정한 이래로 교량구조물에 내진설계의 필요성이 인식되어 1991년 제정된 고속철도 콘크리트 구조물 설계표준시방서(안)에 최초로 설계하중으로 지진력이 정의되었으며, 1992년 12월에 개정된 도로교표준시방서에서 교량의 내진설계 개념이 도입되었고, 점진적으로 내진설계규정이 강화되어 적용되고 있다. 특히, 건축물과는 달리 지진피해의 복구측면에서 생명줄과 같은 역할을 담당하고 있는 교량의 내진설계는 안전성 및 경제성을 중요시해야 한다. 그 중에서도 교량받침을 이용한 교량구조물의 면진설계는 교량의 경제성 및 안전성이라는 양면을 동시에 만족할 수 있는 획기적인 설계기술로 평가받고 있으며, 최근 기존 내진설계 기준으로 설계, 시공한 경부고속철도의 기 시공된 교량을 대상으로, 현행 내진설계기준을 적용하기 위한 교량받침 교체 내진보강 공사가 진행되고 있다.
본고에서는 기 시공된 교량의 내진성능 향상방안에 대해 간략히 소개하고, 그 중 지진 저감장치에 의한 교량시스템의 내진보강 방법을 중심으로 교량받침 교체방법 및 시공순서에 대해 기술하여 현재 및 향후 적용되는 교량받침 교체공사의 수행에 도움이 되고자 한다.
2. 기존 교량의 내진성능 향상 방안
기존 교량의 내진성능 향상 방안은 크게 교량 구조요소의 개별적인 보강에 의한 구조적 보강 방법과 지진 저감장치에 의한 교량시스템의 내진보강 방법으로 나눌 수 있다.
기존 교량에 적합한 내진성능 향상 방법을 선택하기 위해서는 시공성, 경제성 및 보강효과 등을 종합적으로 검토하여 합리적으로 내진보강이 될 수 있도록 해야 한다. 이를 위해, 내진성능 평가에 의하여 내진보강이 필요한 구조요소와 보강항목이 결정되면 합리적인 방법을 선정하여야 한다. 방법 선정 시에는 작업의 용이성뿐만 아니라 내진성능 향상에 소요되는 비용, 내진성능 향상에 따른 효과 등의 종합적인 검토가 필요하다.
내진보강이 필요한 구조요소가 소수이고 일반화된 내진보강 방법으로 소요 내진성능을 확보하는 것이 가능하고, 내진성능이 향상된 구조요소에 의하여 다른 구조요소에 악영향을 미치지 않는다면 구조요소의 개별적인 보강방법이 바람직할 것이다. 만약, 개별 구조요소의 내진성능에 의하여 교량의 내진보강이 곤란하거나, 시공에 어려움이 있는 경우에는 지진 저감장치를 이용하여 내진성능을 향상시키는 것이 합리적일 수 있다. 경우에 따라서는 이들 내진보강 방법을 조합하여 보다 경제적이고 효과적인 내진성능의 향상을 이룰 수 있다.
2-1. 구조적 보강에 의한 방법
구조요소를 보강하는 경우에는 내하력 또는 내진성능의 향상을 위한 교각의 휨연성, 전단 및 휨강도 등 내진성능을 향상하게 되는데 내하력을 증가시킨 경우에는 내진성능의 재평가가 필요하다.
1) 휨연성 성능 향상 방법
철근콘크리트 교각이 소요 휨연성을 확보하고 있지 않은 경우에는 콘크리트에 횡방향 구속효과를 증대시켜서 소요 휨연성을 확보하도록 하여야 한다. 기존 교각의 내진성능 향상 방안으로 단면의 강도를 보강하기 보다는 콘크리트의 횡방향 구속에 의한 변형성능을 확보하는 방안을 채택하는 것이 효과적이다.
2) 전단 성능 향상 방법
교각의 공칭전단강도가 교각의 휨강도에 의하여 추정된 최대전단강도보다 작은 경우에는 전단강도를 보강하여야 한다. 전단보강의 범위는 콘크리트의 전단강도가 떨어지는 소성영역의 범위, 즉 교각의 바닥에서 2D(직사각형 단면 교각의 경우에는 2h)의 범위이다.
3) 휨내하력 향상 방법
교각의 휨강도가 소요 휨강도보다 작은 경우는 휨강도에 대한 보강을 하여야 한다. 극내 기존 교각들은 단면의 저항강도는 비교적 크게 확보되어 있는 반면에 변형성능에 대한 고려가 전혀 이루어지지 않아서 지진과 같이 큰 에너지를 갖고 있는 하중에 대하여는 매우 취약하다고 할 수 있다. 따라서, 기존 교각의 내진보강방안으로 단명의 강도를 보강하기 보다는 변형성능을 확보하기 위한 보강방안을 채택하는 것이 효과적이다.
교각의 휨강도가 소요 휨강도보다 작은 경우는 보강된 강판을 앵커 철근과 연결하고 앵커를 기초에 매입한다. [그림 2]와 같이 교각 하단부를 보강하는 경우에는 피복강판에 수직방향의 앵커를 기초에 매입하면 기초에 매입된 앵커의 면적을 주철근으로 하여 휨강도를 제어하는 것이 가능하다.
이 밖에도 휨강도에 대한 보강은 콘크리트 피복공법 및 프리캐스트 패널 부착공법 등의 다양한 공법이 있다. 특히 콘크리트 피복공법([그림 3] 참조)을 사용하는 경우에는 추가로 배근하는 철근을 교각 및 기초부의 기존 단면에 잘 정착하여 시공하여야 한다.
2-2. 지진 저감장치에 의한 방법
지진 저감장치를 이용하여 내진보강을 하는 경우에는 내진보강 설계과정에서 다양한 종류의 지진 저감장치에 대한 검토가 수행되어야 하며 소요 성능을 만족하면서 합리적인 방안을 선택하여야 한다. 구조적 보강에 의한 교량의 내진성능 향상이 불충분하거나 비경제적 및 비합리적인 경우에는 지진 저감장치를 도입하여 내진성능을 확보하여야 한다. 지진 저감장치로는 지진격리받침, 감쇠기, 충격전달장치 및 충격흡수장치 등이 있다.
[그림 4]와 같은 지진격리받침은 지진시 교량의 응답을 줄여 교량을 보호하는 장치로, 받침에서의 전단력과 교각에서의 전단력 및 휨모멘트를 저감시키기 위해 사용된다. [그림 5]와 같은 감쇠기는 진동시의 에너지 소산에 의해 구조물의 감쇠성능을 향상시키기 위하여 사용된다. 또한 지진에 의한 수평력을 가동단 교각으로 분산시키는 충격전달장치나 지진시의 과대변위응답에 의한 상부구조의 충격에 의한 손상을 방지하기 위한 충격흡수장치 등이 있다.
1) 지진격리받침
지진격리받침은 장주기화에 의하여 교량의 내진성능이 확보될 수 있을 때 적용할 수 있다. 단, 받침의 높이 및 면적이 확대되므로 기존 교량의 코핑부에 지진격리받침의 시공이 가능한지를 충분히 검토하여야 한다. 일반적으로 사용되는 지진격리받침의 종류는 다음과 같다.
(1) 지진소산장치(EQS, Eradi-Quake Syatem)
지진시 EQS에 수평력이 어느 방향으로 작용되더라도 교량 상부와 하부구조물 사이에서 기초분리(Base Isolation)가 원활히 이루어질 수 있도록 특수 설계된 디스크 베어링(Disk Bearing)과 상시 및 지진시 작용되는 수평하중을 적당한 압축변형에 의한 강성으로 저항하여 구조적 안정성을 확보하는 매스에너지조절장치(MER, Mass Energy Regulator)가 서로 조합되어 대부분의 지진력을 흡수 및 소산시키는 지진격리형 면진장치이다.
(2) 납고무받침(LRB, Lead Rubber Bearing)
납고무받침은 받침의 중앙에 실린더형의 납봉(Lead Core)을 추가하여 납의 소성변형에 의한 에너지 흡수를 향상시킨 지진격리 받침이다.
(3) 고감쇠고무받침(HDRB, High Damping Rubber Bearing)
고감쇠고무받침은 탄성고무받침과 동일한 구조이나 지진시의 에너지흡수능력을 증가시킨 고무를 이용한 지진격리받침이다.
(4) 마찰형 포트받침(Friction Bearing)
마찰형 포트받침은 기존의 포트받침의 성능을 개선하여 PTFE(Poly-Tetra-Fluor-Ethylene)의 마찰감쇠를 이용할 수 있도록 개발된 지진격리장치이다. 복원강성을 제공하기 위한 고무받침과 함께 사용되어 지진격리시스템의 역할을 수행한다. 마찰받침의 마찰특성은 상시의 온도에 의한 느린 변위에 대한 마찰계수가 작아 발생하는 마찰하중은 작고, 지진시에는 마찰계수가 증가하여 우수한 감쇠성능을 발휘하는 장치이다.
2) 감쇠기(Damper)
교량 자체의 주기가 길어서 지진격리받침의 적용에 의한 내진성능의 향상을 도모하기 어려운 경우에는 구조물의 감쇠비를 증가시켜 내진성능의 향상을 도모하여야 한다. 감쇠기는 구조물의 지진에너지 소산능력을 증가시켜 내진성능을 향상시킬 수 있는 구조이어야 한다.
일반적으로 감쇠기는 작동원리에 따라 크게 점성형 댐퍼와 이력형 댐퍼로 구분할 수 있다. 점성형 댐퍼는 변위속도에 비례하는 점성저항 등을 이용하는 것으로, 작은 진폭에서 큰 진폭까지 일정한 감쇠비를 구현할 수 있는 특징이 있다. 이러한 점성형 댐퍼로는 오일댐퍼 및 점성댐퍼 등이 있다. 이력형 댐퍼는 변형이력에 동반되는 에너지 흡수를 이용하는 것으로 강재댐퍼, 납댐퍼 및 마찰댐퍼 등이 있다.
(1) 점성댐퍼(Viscous Damper)
점성댐퍼는 실린더 내의 고점성 유체 사이를 피스톤이 움직이면서 에너지를 소산시키는 감쇠기이다. 넓은 주파수 영역에서 선형 점성 거동을 나타내며 아주 작은 미소변위에서도 감쇠능력을 발휘한다는 장점을 가지고 있으며 일반적인 구조는 아래의 [그림 10]과 같다.
(2) 강재댐퍼(Steel Damper)
강재댐퍼는 강재의 소성변형을 이용하여 구조물에 전달되는 지진에너지를 소산시키는 장치이다. 강재댐퍼는 변위에 대응하여 에너지를 흡수하므로 고정받침과 함께 사용하면 설치효과가 없으며, 반드시 변위가 발생하는 받침형식과 함께 사용해야 한다. 강재댐퍼는 금속으로 제작되어 장기간 외기에 노출되는 구조물에 적용할 경우 유지보수에 만전을 기해야 하며, 일단 지진을 경험하게 되면 강재가 비선형으로 거동한 후 복원되지 않으므로 교체하여야 한다.
3) 그 밖의 지진 저감장치
지진격리받침 및 감쇠기 등에 의하여 교량의 내진성능향상을 꾀하기 어려운 경우와 교대부의 변위가 문제가 되는 경우에는 충격전달장치 및 충격흡수장치 등의 적용을 고려하여야 한다.
(1) 충격전달장치(STU, Shock Transmission Unit)
충격전달장치는 상시에는 이동단으로 작동하다가 지진시에는 고정단으로 작동하여 고정단에 집중되는 지진력을 주위의 가동단 교각으로 전달시켜주는 장치이다. 그러므로 충격전달장치는 교량의 구조부재를 서로 연결하여 지진하중을 고르게 분산하도록 설계 및 시공되어야 한다.
(2) 충격흡수장치(Shock Absorber)
교각의 내진성능은 확보되었으나 지진시의 동적인 변위로 인하여 거더와 거더 혹은 거더와 교대가 충돌 가능성이 있는 경우에는 충격흡수장치의 적용을 고려한다. 충격흡수장치는 고정단이 설치된 교각에 집중되는 지진력을 다른 교각 및 교대에 분배하고 나아가서는 낙교방지 기능을 제공할 수 있다.
3. 지진격리장치의 시공
기존 교량의 내진보강은 전술한 바와 같이 구조적 보강에 의한 방법과 지진 저감장치인 지진격리받침, 감쇠기 및 충격전달장치 등의 방법을 적용할 수 있다. 이러한 방법들 중에서 내진보강방법을 선정하기 위해서는 기존 교량의 내진성능 평가가 수행되어야 하며, 경제성과 내진보강효과를 동시에 고려하여 보강방법을 적용하여야 한다.
국내의 내진보강 설계결과를 보면 국내 교량의 형식과 구조특성상 지진격리받침을 사용한 보강방법이 대안으로 많이 제시되는데, 이는 기초를 보강하는 경우에는 기초가 하상에 위치하고 많은 공사비가 요구되거나 보강이 불가능한 경우가 많아서이다. 장대교량 등의 특수한 경우를 제외한 일반적인 교량의 내진보강은 비용이 비교적 저렴한 지진 저감장치인 면진받침을 사용하고 있다. 또한 지진수평력에 의한 충격을 가동단 교각으로 분산시키는 충격전달장치 등이 사용되고 있다.
국내의 일점고정 연속교의 경우 동, 하절기의 구분이 명확한 기후적 특징으로 인하여 대부분 고정단 및 가동단 개념의 받침이 일반적으로 사용되어 왔다. 하지만, 지진하중을 고려함에 따라 상부구조의 관성력이 고정단 교각 및 고정단 받침에 집중되는 불합리한 경향이 있다. 따라서, 기존 교량의 받침들을 지진격리받침으로 교체하여 지진력 감소 및 교축방향 지진력 분산효과를 도모함으로써, 기존 교각 및 기초의 보강을 불필요하게 하는 방안이다. 특히, 교각의 높이가 낮은 경우에는 교각의 파괴모드는 전단파괴 또는 휨-전단파괴가 예상되므로, 이와 같은 경우는 교각의 강도증대 및 변형성능 향상을 통한 내진성능 향상 방안은 비경제적이다.
3-1. 상부구조물 인상 방안
교량받침을 교체하기 위해서는 유압잭을 이용한 상부구조물의 인상이 필요하다. 이때, 잭업 위치는 시공이 가능한 범위에서 지점부와 최대한 가깝게 하는 것이 좋으며, 잭업 위치에 대해서는 적절한 방법으로 상하부 구조물을 구조 검토하고 보강하여야 한다. 상부구조물의 인상 시 일반적으로 여러 개의 유압잭을 이용하여 동일한 높이 및 속도로 인상하여 편측으로 하중이 집중되는 것을 방지하는 것이 매우 중요하며, 일반적으로 컴퓨터 교량인상 공법을 이용하고 있다.
컴퓨터 교량 인상 공법이란, 교량의 인상 높이 및 속도 등을 컴퓨터 제어장치에 입력한 후, 유압잭의 인상상태를 실시간 자동계측 하면서 분산제어하여 고정밀(1mm 이하) 오차 내에서 교량 상부를 안전하고 정밀하게 인상하는 컴퓨터 인상시스템이다. 컴퓨터 교량 인상 공법을 이용한 시스템은 [그림 14]와 같이 구성된다.
3-2. 지진격리받침 시공
설치 작업에 관해서는 설계단계에서 고려한 지진격리받침 설치방법의 특징을 충분히 이해하여, 설치한 후에 상하부구조와 고무받침 본체에 과대한 수평력이 작용하지 않도록 충분히 검토하여 시공해야 한다. 특히, 가설오차에 따라 지진격리받침 본체에 과대한 전단변형, 하중의 불균형 등 세트볼트의 느슨함 등이 생기지 않도록 해야 한다. 지진격리받침 교체 시 시공순서는 다음과 같다.
1) 준비작업 및 유압잭 설치
(1) 잭의 제원을 정확히 숙지
(2) 잭은 수평상태를 유지
(3) 상재하중 하부에 수직 전달
(4) 잭의 상하부에는 집중하중이 발생되지 않도록 지압판 설치
2) 유압잭 인상 및 교량 상승
(1) 인상작업 시 감독원에게 보고하고 사무소 및 협력기관에 작업 협의 후 수행
(2) 열차가 주행하지 않을 때 인상
(3) 승상작업 완료 후 승상량을 측정하여 감독원에게 보고
3) 콘크리트 깨기 및 기존 교량받침 제거
(1) 기존 교량받침 철거 시 주철근이 손상되지 않도록 관리
(2) 교량받침은 중량물이므로 취급 시 크레인을 사용하여 취급
(3) 소음 민원 관리 철저
4) 교량받침 설치 및 무수축 몰탈 타설
(1) 무수축몰탈 사용강도 fck = 60MPa 이상
(2) 무수축몰탈 타설은 한번에 타설 완료
(3) 무수출몰탈은 최소 3일 이상 습윤양생을 실시(수분증발 유의)
5) 교량 상부 인하
(1) 열차가 주행하지 않을 때 인하
(2) 교량을 서서히 인하
(3) 컴퓨터로 좌-우 균등하게 인하
6) 유압잭 제거 및 주변 정리후 완료
(1) 양생은 40MPa 이상 강도 유지
(2) 유압잭 철거시 안전관리 철저
(3) 정리정돈 철저
4. 결론
본고에서는 기존 철도교량의 내진성능 향상을 위한 방안으로 구조적 보강방안 및 지진 저감장치에 의한 방법을 소개하였고, 교량 받침 교체방법 및 시공에 관하여 기술하였다.
기존 교량의 내진 성능 향상을 위해서는 내진성능평가를 수행하여 보강 수준을 결정하여야 하며, 이를 바탕으로 경제성 및 효율성을 고려하여 보강방법을 선정하여야 한다. 또한, 교량의 형식 및 위치 등을 고려하여 교체 및 보강방법을 선택하여 적용하여야 한다. 국내 철도교의 내진보강을 위한 교량받침 교체시 지진소산능력이 매우 우수하고 지진 후 교체가 불필요하여 유지관리 측면에서 우수한 지진소산장치(EQS)와 풍부한 시공실적과 우수한 면진성능이 입증된 납고무받침(LRB)을 사용한 보강방법이 대안으로 많이 제시되고 있고 시공사례 또한 증가하고 있다.
향후 기존 철도교를 대상으로 하는 내진보강 공사가 많이 이루어질 것으로 예상되므로 고속철도 교량의 내진보강 설계지침의 제정이 필요하며, 이를 바탕으로 내진성능평가 수행을 통한 합리적인 내진성능 보강방법이 선정되어야 할 것으로 판단된다.
참고문헌
1. 박정근(2001), “면진화에 의한 기설교량의 내진보강 기법”, 한국강구조학회 논문집, 한국강구조학회, Vol. 13, No. 4, pp. 87-91.
2. 장원락, 전규식, 김은겸(2009), “기설 교량의 내진보강 설계절차에 관한 고찰”, 한국지진공학회 추계워크샵, 한국지진공학회, pp. 1-4.
3. 강형택, 박찬민, 박종칠(2005), “고속도로 교량의 내진보강지침 작성(II)”, 한국도로공사, pp. 1-42.
4. 경부고속철도 시험선구간 산동3교 외 4개 교량 내진보강공사(2013).
