고압축 폴리우레탄을 이용한 교량받침의 국산화 개발
Development of Bridge Bearing Using High-load Polyurethane
글/오주 - 유니슨기술연구소 선임연구원,
박건록 - 유니슨기술연구소 책임연구원,
이윤희 - 유니슨이앤씨(주) 대표이사
출처: 대한토목학회지, 2009. 6, 제57권 제6호, 통권 350호, pp. 84-90
I. 개요
우리나라는 지진활동이 활발한 판 경계로부터 떨어져 있어서 지진으로부터 비교적 안전지대라고 인식되어 왔으나 2007년에 강원도 평창에서 발생한 규모 4.8 지진을 비롯하여 최근에 여러 차례 지진이 발생하였다. 이에 따라 지진에 대비하여 피해를 최소화하고 생명과 재산을 보호할 수 있도록 내진 관련 기술 및 방안들을 개발하여 왔다. 이러한 내진기술의 방안으로 교량이 지진격리장치를 설치하여 지진력을 감소시키고 지진피해를 최소화 하고자 하는 연구가 지속적으로 수행되고 있다. 최근 국내에서도 해상장대교량 및 대형 구조물의 건설이 많이 계획되고 시공됨에 따라서 지진격리 구조물의 설계와 적용이 증가하고 있다. 이에 따라 내진설계의 일환으로 교량 구조물에 지진격리설계를 적용하는 경우가 꾸준히 증가해 왔지만, 체계적인 기준과 지침이 없어 그동안 교량의 지진격리설계와 지진격리받침의 특성 및 성능평가 과정에서 많은 혼란이 있었다. 국내에서는 2005년에 도로설계기준이 개정에 이르러서야 내진설계편에 교량지진격리설계편이 추가되었고 여기에는 지진격리장치의 품질에 관한 최소한의 요구사항만 제시되었다.
그러나 아직까지 교량부속장치에 대하여 설계자와 시공자의 이해도가 낮아 국내 독자개발보다는 해외 선진국에 대한 기술의존도가 높아 외국 선진기술 도입의 대가지급액도 매년 급격히 증가하고 있는 실정이다(그림 1). 교량부속장치의 경우 초창기에는 외국 선진 제품을 수입하여 적용하였으나, 1980년 후반에 들어 국외 선진국과 기술제휴를 통하여 국내 생산하였다(그림 2). 최근에는 몇몇 기관을 중심으로 독자적으로 교량부속장치에 대한 연구가 진행되고 있으나 개발기간이 길고 막대한 개발투자비용 문제로 아직까지도 외국기술에 대한 의존성이 높다.
본 연구에서 소개하고자 하는 폴리우레탄 디스크를 이용한 교량받침장치(Bridge Bearing Systems)는 1960년 후반에 미국에서 최초 개발되어 해외에서 많이 시공되어진 받침장치로서 국내에서도 최근에 기술이 도입되어 설계 및 시공되고 있다. 상기 받침장치 기술의 핵심은 고압축 고탄성의 특성을 가진 폴리우레탄 소재가 중요 핵심이다. 이에 따라 본 연구에서는 중요핵심기술의 국산화 개발에 대하여 소개하고자 한다.
II. 교량받침 개발 현황
1. 개발 목표
폴리우레탄 디스크를 이용한 교량받침의 개발목표는 우선 전량 수입에 의존하고 있는 고압축, 고탄성 성질의 폴리우레탄 디스크를 국산화 개발함에 있다. 그리고 독자적인 받침설계 기술을 개발하고 받침장치의 고유특성 및 성능시험의 방법과 평가기준을 제시하였다. 또한 기존 받침에 비하여 성능은 뛰어나고 크기를 최소화하여 신규 교량뿐만 아니라 기존 노후교량에 교체시공이 용이하도록 하여 경쟁력을 갖추도록 하였다. 이는 기존 외국 받침장치의 높은 가격과 성능에 대한 검증이 불충분한 단점이 있기 때문이다. 따라서 본 연구에서 개발한 고압축 고탄성 폴리우레탄을 이용한 교량받침은 기존 받침에 비하여 보다 가혹한 시험조건에서 그 평가기준을 만족하도록 개발하였고, 다축방향 회전이 용이하도록 하였다.
2. 국산화 기술개발 현황
본 기술 분야는 기술도입초기에는 전량 수입에 의존하였으나 국내에서도 받침장치의 중요성에 대한 인식과 국산제품의 개발에 따라 생산 및 시공업체를 중심으로 관련 규정에 대한 정비가 이루어져 왔다. 그러나 원천기술 도입국가의 기준을 원용하다보니 국외 여러 국가의 기준이 뒤섞여 상충되거나 합리성이 결여되고 국내 여건을 제대로 반영하지 못하는 실정이다. 또한 이번에 소개할 신기술과 유사한 받침은 전적으로 국외기술에 의존하고 있어 국내에서는 이에 대한 연구가 전무한 실정이다.
이에 본 연구는 2001년 초부터 건설시장 및 사용자에 대한 요구사항 등을 조사, 분석하고 핵심기술이라 할 수 있는 폴리우레탄 소재개발을 시작하여 약 4년간 기초연구를 완료하였다. 그 후 폴리우레탄 소재에 대한 성능개선과 이를 바탕으로 독자적인 교량받침 설계기술과 시험방법 및 평가기준을 정립하였으며, 최근에는 실용화 연구를 완료하여 약 8년 동안의 개발기간을 거쳐 시제품(내진디스크받침, 면진디스크받침)이 국산화 개발에 성공하였다(그림 3), 현재는 특허등록과 신기술(NET)을 취득하고 상용화 단계에 있다.
III. 국산화 개발 교량받침의 특징 및 파급효과
고압축, 고탄성 폴리우레탄을 이용한 교량받침장치는 크게 내진 디스크받침(Seismic Disc Bearing)과 면진 디스크받침(Isolation Disc Bearing)으로 구분된다(사진 1)
1. 내진 디스크받침(Seismic Disc Bearing)
내진 디스크 받침은 상부구조물에서 발생하는 모든 수직 및 수평하중과 회전을 안정하게 수용할 수 있다. 디스크받침의 주요 구성요소는 구조물의 상부하중은 물론 바람, 지진 등과 같은 외부 수평하중에 의한 다축회전을 안전하게 수용할 수 있는 폴리우레탄 디스크(Polyurethane Disc)와 수평구속장치(Shear Restriction Mechanism)를 공통 구성요소로 하고 있으며, PTFE와 스테인레스(Stainless) 판을 이용하여 상부 구조물에 신축 거동을 원활하게 하는 가동받침의 구성요소로 하고 있다. 특히 폴리우레탄 디스크는 구조물의 상부하중을 지지하고 회전변형을 수용하는 장치로서, 허용 지압응력은 35MPa로 일반 교량받침에 비해 약 2배 정도 크다. 폴리우레탄 디스크는 고압축, 고탄성 특성이 있어 받침 크기의 최소화가 가능하다. 또한 오존(O3)과 각종 화학물질 등의 부식인자에 의한 환경적 영향이 작은 장점이 있다.
2. 면진 디스크받침(Isolation Disc Bearing)
면진 디스크받침은 지진시 수평력이 어느 방향으로 작용되더라도 교량 상부와 하부구조물 사이에서 상호 기초분리(Base Isolation)가 원활히 이루어질 수 있도록 설계된 디스크받침과 상시 및 지진시 작용되는 수평하중을 적절한 압축변형에 의한 강성으로 저항하여 구조적 안정성을 확보하는 매스에너지 조절장치(Mass Energy Regulator, MER)가 서로 조합되어 대부분의 지진력을 흡수소산시키는 면진 받침장치이다. 면진 디스크받침은 매스에너지 조절장치가 내진 디스크받침의 중간판에 설치되고 가이드박스(Guide Box)와 베어링 블록(Bearing Block) 사이에서 지속적인 복원력을 제공하여 상하부 구조물 사이에서 지나친 변위가 발생되지 않도록 하며 지진 후 상부구조물의 원위치 복원이 이루어지도록 하는 기능을 수행한다. 그림 5는 면진 디스크받침의 구성요소를 나타낸 것이다.
3. 중요 핵심요소 기술
1) 폴리우레탄 디스크 소재개발
내진 및 면진 디스크받침에서 가장 중요한 요인인 폴리우레탄 혼합물을 성형하여 일체로 제작한다. 폴리우레탄의 물리적 성질은 AASHTO(2007)과 도로교표준시방서(2005)에 표 1과 같이 명시되어 있으며, 이 두 기준을 모두 만족하여야 한다. 본 연구에서는 수차례의 시행착오를 거쳐 최종적으로 3종류 7개 시험편을 제작하여 국외 시험편과 동일한 시험방법으로 시험을 실시하였다. 그리고 각 시험편에 대하여 유한요소 해석을 수행하여 시험결과와 해석결과를 비교분석하였다. 소재시험과 해석결과를 분석한 결과 기존 제품에 비하여 처짐량 및 압축응력이 매우 뛰어난 것으로 나타났다(그림 6, 그림 7).
2) 디스크 구조설계기술
폴리우레탄 디스크는 구조물의 상부하중을 지지하고 다축회전변형을 원활히 수용하여야 한다. 그러나 과대하중이 디스크에 가해진 디스크는 체적팽창을 유발하는데, 이때 수평팽출에 의하여 디스크 외부에 손상 또는 영구변형이 발생할 우려가 있다. 이에 따라 디스크 형상에 따른 형상계수를 산정하였고, 디스크 측면 형상에 따른 응력분포를 해석을 통하여 검증하였다. 기존의 V 형상은 하중이 가해지면 V형 끝단에 응력이 집중되어 변형이 발생하고, 심할 경우 균열이 발생할 것으로 예측되었다. 이에 본 연구에서는 수평변형이 쉽고, 응력분산 능력이 우수한 형상으로 개선하였다.
3) 특성 및 성능시험기법 및 평가기술
폴리우레탄을 이용한 교량받침에 대한 특성 및 성능시험은 국내외 기준이 서로 상이하다. 이에 따라 본 연구에서 개발된 받침은 기존 시방기준은 물론 독자적으로 특성 및 성능시험기법을 개발하고 이에 따른 성능평가기준을 강화하였다. 시험방법과 성능평가기준은 IV절에서 상세히 기술하였다.
4. 국산화 개발 기술의 활용 및 파급효과
1) 개발기술의 활용
고압축, 고탄성 폴리우레탄을 이용한 교량받침의 국산화 개발의 성공에 따라 시제품이 제작 완료되었고, 교량뿐만 아니라 플랜트 시설물에 적용되어 시험 시공되고 있다. 이에 따라 미진한 부분의 보완을 거쳐 실제 현장에 시공하여 상용화할 계획이다. 그리고 설계 및 제작기술을 대외 홍보하여 기술자립을 꾀하고, 국내의 받침장치 수요를 충족시키고 외국 받침장치 시장에도 진출할 수 있도록 하고 있다.
2) 개발기술의 파급효과
교량 받침의 중요핵심요소인 폴리우레탄의 독자 기술개발로 원천기술을 획득함에 따라 받침장치의 설계 및 제작기술의 발전으로 인하여 교량의 설계기술 및 시공기술의 발전을 가져올 수 있다. 또한 기존 수입제품에 대한 대체가 가능하여 해외기술의존도 저감을 통한 수입 감소효과를 기대할 수 있다. 기존 동종받침 중 최소크기로 제품 가격이 저렴하고 제작 공정이 단순하여 공사기간 단축에 의한 건설공사비 절감효과가 있다. 그리고 기존 받침 교체시 연단거리 확보를 위한 별도의 코핑부 증대가 불필요하여 공기단축 및 공사비가 절감 가능하다. 산업적 측면으로는 기술수입의존적인 산업구조를 개선하고, 특허등록과 신기술(NET) 인증으로 원천기술을 선점이 가능하다. 또한 고압축, 고탄성 성질의 폴리우레탄을 이용하여 산업일반에 광범위하게 적용 가능하다.
IV. 성능시험법 및 국내외 평가기준
1. 특성 및 성능실험장비
폴리우레탄 디스크를 사용한 시제품 특성실험을 수행하기 위하여 사진 2와 같은 실험장비를 사용하였으며, 2,000kN 피로시험기와 30,000kN 용량의 교량받침 실험장비를 사용하여 수행하였다.
디스크 받침의 주요 영향인자에 대한 특성을 파악하기 위하여 500kN 용량의 디스크 받침을 제작하여 피로시험기(2,000kN)에서 실험하였다. 그리고 실제 교량에 적용 가능한 4,500kN, 8,000kN, 10,000kN, 16,000kN 용량의 시제품을 각각 제작하여 30,000kN 받침시험기로 실험을 실시하였다. 상기의 용량은 수직하중 용량이며 수평하중은 수직하중의 50%가 작용한 경우로 가정하여 설계제작하였다.
2. 현행 국내외 시험기준 현황
국내 적용 중인 폴리우레탄을 이용한 교량받침은 국외 완제품을 그대로 들여와 시공하고 있어, 그 받침의 특성 및 시방서 또한 국내 실정에 적합하지 않은 경우가 많다. 국내외 설계 및 시방기준을 비교하여 보면 확연한 차이를 알 수 있다. 국외 시험 평가기준은 폴리우레탄 디스크의 압축 처짐량을 규정하여 정량적인 평가기준을 제시하였다. 반면에 국내 시험평가 기준은 시험 후 육안조사를 통하여 외관의 변형만 평가기준으로 정하고 있어 정성적이고 국외 기준에 비하여 사용자에게 충분한 자료를 제시하지 못하고 있다. 각 시험법에 대해 기술하면 다음과 같다.
1) 국외 기준
AASHTO(참1)에서는 총 설계하중에 의한 초기 처짐은 무응력상태 디스크 두께의 10%를 넘지 않고, 크리프에 의한 추가 처짐은 무응력상태 디스크 두께의 8%를 넘지 않아야 한다. 그리고 받침의 부재들은 어느 위치에서도 부상되지 않아야 한다. 디스크의 평균 압축응력은 35MPa을 넘지 않아야 하고, 만약 디스크의 외부면이 수직이 아닌 경우 응력은 디스크의 가장 작은 평면적을 사용하여 구하도록 하고 있다.
2) 국내 기준
2005년에 개정된 도로교 표준시방서(참2)에서 성능시험은 다음과 같다. 시험용 받침은 1시간 동안 설계 용량의 150%까지 하중과 0.02rad의 회전 및 설계회전용량 중에서 큰 회전을 함께 가해서 실시한다. 받침은 성능시험동안 그리고 시험 후에 분해하여 육안으로 검사한다. 돌출되거나 변형된 폴리우레탄 또는 PTFE, 균열이 발생한 강재 등이 육안으로 관찰되는 결함은 불합격 원인이 된다고 명시되어 있다. 이와 같이 국내 시방서에는 시험 전후 시험체의 육안변화 및 외관상태 변형 여부만 점검하도록 되어 있다.
3. 시험방법 및 평가기준의 제안
본 연구에서는 폴리우레탄을 이용한 교량받침에 대한 시험법과 시험평가 기준은 AASHTO(2007)과 도로교표준시방서(2005)를 모두 만족하도록 하였다. 또한 기존 시험법에 준하여 보다 합리적인 시험법이 다음과 같이 5가지 시험법을 제안하였다. (1)과 (2) 시험법은 기존 국내외 시험기준을 적용한 것이고, 그 외 3가지 시험법은 기존 시험을 변형하거나 새로이 추가 제안한 시험법이다(참3).
(1) 최대 수직하중 시험
(2) 최대 수직하중의 150% 하중과 설계회전 시험
(3) 하중별 변형 시험
(4) 최대 수직하중의 150% 하중 시험
(5) 장기 크리프 시험
하중별 변형시험은 최대수직하중을 등간격으로 하중을 구분하여 재하하는 방법으로 시험을 실시하는 시험법이다. 이 시험은 차량운행에 따른 하중재하단계를 구현한 시험법으로 시험 결과 예는 그림 10과 같다.
장기 크리프 시험은 폴리우레탄 디스크에 설계하중이 장시간 재하되는 경우에 발생하는 순간처짐과 추가적인 크리프(creep) 처짐을 고려하기 위한 시험법이다. 장기 크리프 시험은 최대설계하중으로 수직재하 후 6시간동안 하중을 유지시키고, 이때 발생한 최대 수직 처짐량과 추가 크리프 처짐량에 대하여 고려한다(그림 11).
V. 맺음말
본 연구진은 고압축, 고탄성 폴리우레탄을 이용한 교량받침장치에 대한 원천기술을 확보하고 독자적인 설계 및 제작기술을 통하여 국산화 개발에 성공하였다. 국산화 개발된 교량받침장치는 국내외 설계기준 및 시험평가기준을 모두 만족할 뿐만 아니라 국내 실정에 적합하도록 최적화하였다. 또한 성능시험방법 및 평가기준에 대하여 독자개발 및 재정립하고 그 기준을 제안하였다.
현재 급격한 경제침체로 인하여 건설경기의 불안으로 연구개발에 대한 투자가 위축되고 있는 어려운 시기에 연구개발을 위하여 투자한다는 것은 쉬운 일이 아니다. 그러나 중요 핵심기술에 대한 연구개발에 대한 지속적인 투자를 통하여 해외기술의존도가 높은 기술분야에 대한 국산화 개발이 절실하게 필요하다.
참고문헌
1. AASHTO, "AASHTO LRFD Beidge Design Specifications," 2007.
2. 건설교통부, "도로교표준시방서", 2005, 한국도로교통협회
3. 유니슨주식회사, "폴리우레탄 디스크를 이용한 교량받침 장치 개발에 관한 연구보고서", 유니슨기술연구소, 2007.
