고감쇠 고무받침을 적용한 교량의 합리적 내진설계를 위한 연구

Abstract

본 연구에서는 보편적으로 국내 교량 시공분야에서 빈번히 시공되는 교량 형식인 Steel BOX 거더교, PC BOX 거더교에 대해 탄성받침과 고감쇠 고무 받침을 적용하여 지진시 거동에 대한 분석하였다. 고감쇠 고무 받침에 대한 역학적 거동 특성을 알아보고 또한 감쇠효과 및 이력특성에 대한 고찰을 하였다. 고감쇠 고무받침을 적용할 경우 지진시 변위를 감소시키고 교각 기둥에 작용하는 모멘트와 전단력을 감소시켜 경제적인 교량설계가 이루어지는데 기여하는 효과가 큰 것으로 분석되었고 연구내용을 요약하면 다음과 같다. 1) 지진격리장치의 설계 교량 받침의 재료로 사용되는 고무에 대한 거동특성을 조사하여 기술하고 기존의 내진설계시 많이 사용되는 탄성받침의 특성을 고찰하며 설계방법을 소개하였다. 탄성받침을 재료적으로 개선하여 감쇠효과를 갖도록 최근 국내에서 개발되어 상용화 준비중인 고감쇠 고무받침의 성능시험과정과 역학적 거동 특성을 고찰하였다. 또한, 교량분야에서 주로 연구된 지진격리장치에 대한 원리 및 거동 특성을 소개하고 지진격리설계에 대한 국내설계기준을 기술하였고 지진해석에 필요한 경계 비선형 해석 기법에 관한 이론적 배경을 설명하였다. 2) 수치해석 수치해석을 위해 대상교량에 대해 교량받침별(탄성받침, 10% 감쇠성능을 가진 HDRB, 15% 감쇠성능을 가진 HDRB, 20% 감쇠성능을 가진 HDRB), 교각 높이별(10m, 20m, 30m, 40m, 50m, 60m)로 지진해석 모델을 구축하고 비선형 시간이력해석을 수행하였다. 각각의 경우별로 교량 받침에 작용하는 수평전단력, 수평변위와 교각의 기둥에 작용하는 단면력을 비교 분석하였다. 지진격리장치인 고감쇠 고무받침을 적용한 경우 받침변위 제어 및 교각 기둥 단면력 감소에 매우 효과적인 것으로 분석되었다. 3) 지진해석결과를 반영한 교량설계 수치해석에서 구한 받침 전단력을 기초로 교량형식별, 받침 종류별로 용량검토를 수행하여 받침 규격을 재산정하였고, 받침변위 응답을 고려하여 지진시 거더간 충돌을 방지하기 위한 여유거리를 산정하고 이를 신축이음 규격 결정시 고려하였다. 교량별로 지진해석에서 구한 단면력과 상시 조건에서의 작용하중을 기초로 P-M상관 분석을 하여 교량 형식별, 교각 높이별로 적정한 교각 기둥의 직경을 재산정하였다. 결과적으로 고감쇠 고무받침을 적용한 경우 신축이음 장치의 규격을 현저히 줄일 수 있었다. 또한 기둥직경이 크게 줄어 탄성받침 적용시에 비해 소성설계 적용빈도 및 중공형 교각 적용빈도를 크게 줄일 수 있었다. 4) 경제성 분석 및 가치 평가 최근의 물가자료를 바탕으로 교량 형식별, 교각 높이별로 재산정한 교각제원과 지진시 받침 전단력 및 받침 변위를 고려하여 받침의 용량과 신축이음 규격을 재산정하였다. 또한, 교량하부 공사비를 산출하고 이를 근거로 교량형식별로 교각 높이를 고려한 생애주기비용을 구하는 경제성 분석을 실시하였다. 생애주기비용을 바탕으로 경제성, 하부 조망권에서의 경관성, 시공성, 유지관리 효율성, 구조안전성, 기능성 및 편의성을 고려한 가치분석을 수행하였다. 5) 연구결과 탄성받침을 고감쇠 고무받침으로 대체할 경우 신축이음의 규격이 작아져서 주행성 및 유지관리에서 유리하고, 교각 기둥의 직경이 축소되어 교량의 균형미가 우수하고 시공이 양호하며, 특히 하부 공간 활용성 측면에서 많은 이점을 제공한다. 결국 가치공학 측면에서 볼 때 비용은 절감하며 가치를 향상시키는 가치혁신형 유형이다.