성수대교 붕괴

[조영환]

모든 기계부재에는 노치(혹은 미세 균열) 또는 비금속 개재물 등의 재료결함이 반드시 존재하고 이러한 노치부분에는 응력집중현상에 의해 국부岵막?높은 응력이 발생하게 된다. 교량의 경우 이러한 균열은 대부분 용접 불량에 의해 발생하며 응력 반복수(시간)의 증가와 함께 내부로 전진하는데 이로 인하여 실제적으로 줄어든 단면적에 의해 설계보다 작은 하중에도 부재는 파괴된다. 다시 말해 위의 그림에서 볼 수 있듯이 피로균열의 진전거동 모식도에서 제 3영역에 이르러서는 정적 파괴에 가까운 거동을 나타낸다.

성수대교의 용접상황을 살펴보면

1)맨 먼저 파괴된 트러스구조물의 상현재 핀 플레이트와 수직재의 용접이X자형기계식 용접이 아닌 I자형(맞대기 방식) 수동용접으로 이루어져 접합단면의 전부분이 용접되지 않고 가장자리 부분에서만 용접이 이루어져 이 부분에 허용치(평방㎝당 1천4백㎏)이상의 응력(사고당시 평방㎝당 4천3백㎏추정)이 집중됨. 이로 인하여 교량하중이 아래로 내려가지 못하고 용접부위에 몰리면서 수직재가 균열되기 시작했고 보수 관리 소홀로 균열이 계속 진행돼 붕괴에 이른 것.

이러한 용접 부분의 강도와 관련된 파괴이유를 뒷받침 하는 것으로 강재와 강재를 용접할 경우 용접부위는 용접전보다 훨씬 더 단단해지므로 하중으로 인한 균열이 붕괴의 원인이 됐다면 용접부위 바로 위 또는 아래쪽이 절단됐어야 한다는 것을 생각해 볼 수 있다.

2)교량과 원자력발전소등은 용접부위의 결함이 가장적은 1등급으로 용접하도록 지정돼 있으나 서울시는 성수대교 용접등급을 건축물이나 단순 철골 구조물중 하중과 관계없는 곳 등에규정되는 3등급으로 지정하고 이 기준에 따라 비파괴검사도 수직재 등 일부에만 실시하고 나머지는 육안검사를 실시함.

3)설계상으로는 핀플레이트의 절삭경사도를 용접부분의 응력집중을 막기 위해 1대10으로 해야 하나 철 구조물 제작과정에서 2.5대1 또는 3대1로 해 결과적으로 반복 하중을 받는 용접부위의 피로파괴를 앞당겼음

핀강판 두께(52㎜)가 수직재인 H빔 플랜지 부분의 두께(18㎜)와 달라 핀강판 아랫부분을 가파르게 절삭한 뒤 용접하면 교량 상판의 하중이 수직재로 자연스레 전달될 수 있지만 경사도가 뭉뚝해지면 하중이 아래로 내려오지 못하고 용접부 분에 집중돼 균열이 일어난다.

4)유지관리상의 잘못으로는 과적차량의 통제가 없어 설계하중인 DB18(32.4t)을 초과하는 중차량의 통행으로 이번에 떨어져 나간 게르버(GERBER)를 이루는 31개의 철골부 가운데 14개가 초과응력을 지속적으로 감당하고 있었던 것으로 드러났다. 특히, 용접 등 취약한 철구조물 접합부위가 많은 트러스교의 경우20년이 경과하지 않았더라고 수시로 비파괴시험등 정밀검사를통해 상태를 점검해야함에도 이 같은 관리가 거의 이루어지지 않았던 것으로 나타났다.

  단적인 예로 무너진 성수대교 5,6번 교각사이의 H빔 용접부분과 교각과 상판을 연결해주는 힌지(Hinge 이음새)부분의 H빔 가운데 길이5㎝ 가량의 균열을 발견했으며 이 균열은 오랫동안 보수되지 않은 채 방치 되었다. 또한 상판 밑 트러스(철구조물)의 상현재(가로빔)와 수직재를 연결하는 역할을 하는 아이바(Eye Bar.구멍이 뚫려볼트가 들어가게 돼 있는 일종의 너트)도 허용치 이상으로 기울어져 있어 시공당시 설계된 하중을 견뎌내기가 어 려웠으며 이 아이바의 처짐 현상도 보수되지 않은 채 방치되었다.

5)트러스트교는 한부분이 파괴도면 전체가 무너지는 구조여서 매우 정밀한 시공을 요하는 교량공법임에도 당시 국내기술진의 시공능력을 감안하지 않고 도입했고 설계 및 시방서 등에서도 용접부위의 취약성을 보완할 수 있는 방안 등이 전혀 고려되지 않음.

2.부식에 의한 강도 저하

  매년 겨울 제설작업을 위해 무려 8t씩의 염화칼슘이 뿌려져 이로 인한 부식도 다리붕괴의 원인이 된 것으로 추측됨. (93년11월22일부터 94년2월23일까지 석 달 동안 성수대교 등 98㎞구간에 25㎏짜리 1만3천9백부대의 염화칼슘을 살포한 것으로 드러났다. 이를 구간별로 환산하면 1㎞마다 3.5t이 살포된 것으로 통상 교량구간은 일반도로보다 약 2배정도 더 많이 살포하는 것을 감안하면 성수대교구간(1.16㎞)에는 겨울마다 약 8t의 염화칼슘이 뿌려진 것으로 볼 수 있다.)

  산업과학기술연구소가 93년11월 무도장내후성 교량용 강재의 개발을 위해 실시한 「교량용 강(鋼.SMA50BW)의 용접특성」테스트 결과에 따르면 강재의 부식속도는

▲염분이 투입됐을 때는 일반대기상태에서보다 20 배나 빠르다.

▲이때 용접부위는 일반강재에 비해 2배 더 빠르다.

따라서 염화칼슘과 같은 염분이 집중적으로 뿌려지면 용접부위는 맑은 대기상태에서의 일반강재보다 40배나 빨리 녹이 슨다는 것이다.

  이러한 이론적인 실험결과와 함께 부식에 의한 강도저하를 뒷받침하는 요인들로서 다음과 같은 것들이 있다.

▲만약 용접불량이 직접적인 원인이라면 붕괴는 건설 직 후 일어나게 된다.

▲문제의 수직재 파단부분 주위가 녹물로 뻘겋게 물들어 있다.

▲절단면(용접부위) 내부까지 완전히 녹이 슬어있다.

  위의 사실로 볼 때 용접부위의 페인트가 벗겨지면서 이를 통해 부식이 서서히 진행돼 용접부분이 절단되면서 붕괴가 일어난 것으로 분석할 수 있다. 용접부위는 그 특성상 미세한 구멍이 생길 수 있는데 도장(塗裝)이 손상되면 이 구멍을 통해 물이 스며들어 부식속도가 가속화되면서 미세균열이 발생하게 되며 이 물의 성분이 염화칼슘과 같은 강염(强鹽)성분일 경우에는 다리의 안전에 치명적인 손상을 주게 된다.

4. 고찰

  물론 성수대교 붕괴의 가장 큰 요인은 무단 설계 변경 및 관리 소홀로 볼 수 있다. 그러나 제대로 설계된 교량에도 균열 성장이 존재할 것이며 성수대교의 경우 이러한 균열성장이 단기간에 그리고 순식간에 일어난 것으로 판단할 수 있다. 따라서 이러한 균열 성장을 일으키는 요인과 개선 방법에 대해 좀 더 생각해 볼 필요가 있다.

우선 교량파괴의 과정을 보면,

  교량 부재의 모든 부분에 미세 균열을 갖고 있지만 용접부의 초기 균열은 가장 먼저, 그리고 가장 많이 성장할 정도로 다른 부분들 보다 큰 형태로 존재(균열 발생)한다. 교량 부재의 위치마다 각기 다른 하중상태를 겪는데 이는 교량 자체의 하중을 받고 있을 뿐만 아니라 차량 통과로 인해 교량의 가장 상판에서 발생한 반복응력이 아래로 전파된다. 이러한 다양한 반복하중 상태 속에서 결국 가장 큰 초기균열을 갖고 있던 용접부에서 균열의 성장이 두드러진다. 이곳의 균열은 계속되는 반복하중 속에 점점 진전하여 교량부재의 주요부분으로 성장한다. 이렇게 성장하는 동안 교량 부재의 유효단면적은 점점 감소하게 되고, 어느 순간 큰 하중이 작용하거나 어떠한 경위로 증폭된 응력은 유효단면적이 가장 작은 부분에서 파괴된다.

  성수대교의 주요 붕괴원인으로 용접 불량, 부식에 의한 강도저하, 사후 관리 소홀 등을 찾을 수 있었다. 그렇다면 위의 교량파괴 과정에서 미세균열의 시작점이라고 할 수 있는 용접이음 작업 시 고려해야 될 사항은 어떤 것 들이 있는지 고려해 볼 필요가 있다. 우선 용접이음의 특징을 살펴보면,

(1) 장점

 ① 용접구조물은 균질하고 강도가 높으며 절삭칩이 적으므로 재료의 중량을 절약할 수 있다. 

 ② 이음의 형상을 자유롭게 선택할 수 있으며 구조를 간단하게 하고 재료의 두께에 제한이 없다.

 ③ 기밀과 수밀성이 우수하다.

 ④ 주물에 비하여 신뢰도가 높으며, 이음의 효율을 100%까지 높일수 있다.

 ⑤ 주물제작과정과 같이 주형이 필요하지 않으므로 적은수의 제품이라도 그 제작에 있어 능률적이다.

 ⑥ 용접준비와 용접작업이 비교적 간단하며 작업의 자동화가 용이하다.

(2) 단점

 ① 용접부가 단시간에 금속적 변화를 겪음으로서 취성 등의 영향을 발생하므로 적당한 열처리로 취성의 성질을 여리게 하여야 한다.

 ② 용접부는 열영향에 의해 변형 수축되므로 용접한 재료내부에 내부응력이 생겨 균열 등의 위험이 발생 하게 된다. 그러므로 용접부의 변형수축은 풀림처리를 하여 잔류응력을 제거하도록 하여야 한다.

 ③ 용접구조에서 구조물은 한덩어리로 되어 있으므로 균열이 발생하였을 때에는 균열이 퍼져나가 전체가 파손될 우려가 있다. 한 예로 용접선박이 해상에서 반으로 쪼개진 사례도 있다고 한다. 그러므로 균열 전파의 방지를 위한 설계가 필요하다.

 ④ 용접공의 기술에 의하여 결합부의 강도가 좌우되므로 숙련된 기술이 필요하다.

 ⑤ 기공, 균열 등의 여러 가지 용접결함이 발생하기 쉬우므로 이들의 검사를 하여야 한다.

 ⑥ 용접부는 응력집중에 민감하고 구조용 강재는 저온에서 취성파괴의 위험성이 발생하기 쉬우므로 각별 한 주의가 필요하다.

  위의 용접이음의 장단점을 보면 용접이음은 숙련된 기술자에 의해 세심한 주의가 요구되는 작업임을 알 수 있다. 그리고 반드시 풀림처리를 하여 잔류응력을 제거해야 된다는 것도 알 수 있다. 용접이음은 제작비용, 효율성, 작업의 편의성 등에 있어서 가장 적절한 작업방법이므로 폭넓게 이용되고 있다. 그러나 100% 완벽한 방법이 아니므로 이를 보완하기 위하여 덮게판이나 적절한 리벳이음을 통해 강도나 안정성을 증가시키는 방법을 사용한다.

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re: 영작 좀 긴데....사례하겠습니다....

drrmx2 (2007-02-23 01:48 작성)

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질문자 평

Re-to all mechanical vice- the notch (or minute crack) or the material defect of the nonmetal intervension water back exists certainly and to the notch part in compliance with a stress concentration actual condition section just? The high stress was under occurring. Case of the bridge like this crack occurred and the most welding in compliance with non quantity stress repetitive possibility (time) increase with about the place reasoning lower which advances the internal furnace in compliance with the cross section which decreases actual plan compared to re-kip load Edo vice- was destroyed all. It will talk again and the possibility which it will see from the dignity picture it is and from development conduct typical degree of this fatigue crack to reach in a 3rd territory a near conduct in the static destruction which stands it shows.

When it tries to observe the welding situation of the number of stars grand bridge

1) the very the truss infrastructure which is destroyed first first quarter I form of letter where the re-pin plate and the vertical reconsideration welding are not X form of letter mechanical welding (matching method) it becomes accomplished with the manual welding and the total minute of junction section is not welded not to be, only edge part the welding becomes accomplished and permission (per square ㎝ stress of 1 thousand 4 hundred ㎏) above (per accident time square ㎝ 4 thousand 3 hundred ㎏ presumptions) intensively becomes in this part. About reasoning lower the bridge load not be able to descend with a lower part and cannot be pursued vertical authorizaton crack and the crack continuously was advanced with the conservative civil official negligence start and to the welding region and it had to reach to a collapse. If and the case welding region which will weld the steel and the steel with the fact that it supports the destructive reason which relates with the burglar of like this welding part is welding telegram and far compared to the single stage comes to do the crack which is caused by by load becomes cause of collapse the welding region rightly the up or down is cut and it does there is a possibility of trying to think the thing.

2) the bridge and atomic generation putting out lights the welding department dignity defect is designated the head of a family enemy in order to weld at 1 grade, Seoul the building or with load in the simple iron frame infrastructure at 3 grade which is provided in the place back which is not relationship to designate a number of stars grand bridge welding grade, it follows in this standard and also the Korean mandolin lump prosecuting attorney executes in only vertical re-back part and the remainder executes visual inspection. 3) at planning with the hazard 1 large 10 which closes the stress concentration of welding part the sun from one season infrastructure production process it did the cut gradient of the pin plate at 2.5 large 1 and or 3 large 1 welding department dignity fatigue fracture resultantly it receives repeated load it advanced

3) at planning with the hazard 1 large 10 which closes the stress concentration of welding part the sun from one season infrastructure production process it did the cut gradient of the pin plate at 2.5 large 1 and or 3 large 1 welding department dignity fatigue fracture resultantly it receives repeated load it advanced

When H where the pin grater thickness (52㎜) re-is vertical with thickness (18㎜) of empty flange part different the pin grater Oh [lays] after cutting a part precipitously, it welds, load of the petal at the bridge re-with vertical nature [su] [ley] it could be delivered only the gradient [mwung] intensively at welding department minute the load which comes to be blunt cannot descend in lower part and it becomes and the crack happens.

4) there is not control of the overcharge vehicle with maintenance civil official coat mistake and while exceeding DB18 (32.4t) where it is a design load it fell to this time with transit of the vehicle and it went out to with the fact that it is competent 31 iron frame vice- middle 14 triumph excess stresses which accomplish [lu] [pe] (GERBER) continuously. The truss friendship case where specially, the welding back the season infrastructure junction region which is weak is many 20 do not elapse [anh] [ass] compared to as at any time the Korean mandolin lump tentative back precise prosecuting attorney to lead, with the fact that the civil official where the Edo must inspect a condition is same almost did not become accomplished. H between the number of stars grand bridge 5,6 pier which collapses in direct example the empty welding department section pier and the upper petal connection H of the hinge (Hinge sound bird) part which it does as a favor this crack to discover the crack of middle length 5㎝ about it is empty as it is not repaired for a long time it was let alone. Also at first quarter with re-(width of the lower part truss (season infrastructure) which it sells being empty,) connects re-vertical eyebar (Eye Bar. holes were pierced and volt entered and a kind of nut above permission and) role it was tilting spatial-temporal time it subsisted bet [e] [lye] [wess] the [u] as neither the actual condition which this eyebar deflects is repaired it was let alone the load which is planned and.

5) trust [kyo] one part is the structure where the destructive plan whole collapses and very it does not consider the Edo time domestic technical true meaning spatial-temporal ability which is a bridge public law which needs the space-time when it is precise not to be, the plan back it will be able to complement a welding department dignity vulnerability even from the plan to introduce and the specifications back is not entirely considered.

Hazard 8t ammonium calciums come to sprinkle the burglar decrease every year winter snow removal work in compliance with 2. side foods as many as, reasoning the side food which is caused by they are guessed with the fact that the cause of leg collapse becomes. (From 93 November 22nd until 94 February 23rd three months with the fact that it scatters 25㎏ 1 ten thousand 3 thousand 9 uncle righteousness ammonium calciums to the period number of stars grand bridge back 98㎞ segment. When it changes with the segment star which will reach the normal bridge segment when the public compared to also about 2 assignments scatter there is a possibility which with the position thing the fact that compared to back plentifully, to the number of stars grand bridge segment (every 1.16㎞) winters about 8t ammonium calciums will sprinkle with the fact that 3.5t where they are 1㎞ E is scattered and they will see.) When the industrial scientific technical laboratory hazard executed the development of 93 November martial art inside of the hall epigenetic bridge steel 'the bridge river (.SMA50BW) follows in welding quality' test result, side food speed of the steel

* When the salinity is committed, 20 where it sees from general hold status it conceives but. * This time the welding region compares in the general steel and it is quicker 2 boats than. The welding region which the consequently with the ammonium calcium same salinity comes to sprinkle intensively the general steel from clear hold status compared to 40 it conceives but is that the stipend wears out [sun] quickly. Like this theoretical experimental result with as the VIPs who support the burglar decrease in compliance with the side food with afterwords there are same things. * The if welding defectiveness happened and direct cause ramyon collapse after constructive [cik]. * The vertical re-rupture partial surroundings of problem [ppel] to [keh] is dyeing with the rust stain. * If cutting (the welding region) until the inside completely the stipend [sul] is [e]. When seeing with dignity fact, when the welding department dignity paint will reach from the friend chaff ground to lead and the side food is slowly advanced and the welding part is cut, from it will be able to analyze with the fact that the collapse happens.

When the welding region led when at the quality the place personal seal which is the possibility the hole which is minute getting (coating with paint) this it was damaged, this hole and the water soaked into and the side food speed became accelerative anger and from the minute crack was under occurring and this scandal ingredient with the ammonium calcium the same river sal (to) ingredient one cases gave a fatal damage to safety of the leg and.

4. Investigation of course number of stars grand bridge collapse the biggest VIP no permission plan fringe land and is a possibility of seeing with civil official negligence. It means the bridge Edo crack growth which is planned but well will exist case of the number of stars grand bridge like this crack growth and it will be able to judge with the fact that it happens in brief instant to short duration. Against the VIP who gets up consequently like this crack growth and an improvement method petty compared to there is a necessity which which it tries to think.

When it sees the process of destruction of bridge first of all, in bridge vice- reconsideration all part only does not have a minute crack initially the crack of the welding department most first, and will grow most existence (crack occurrence) does in the form which is bigger different parts than at the degree which plentifully. Every bridge vice- reconsideration location beriberi the place where it undergoes a different load condition not only it will receive the load of bridge one elf with vehicle passage to be caused by and repeated stress from the petal at the head of a family of the bridge it occurs was propagated in lower part all. The growth of crack is prominent from the welding department where the finally it has biggest initial crack from the repeated load condition inside which is like this various all. The crack of this place in the repeated load inside which is continued about under developing grows little by little in bridge vice- reconsideration principal part. While growing like this, the bridge vice- reconsideration effective sectional area was under diminishing little by little, which moment the big load operated and the stress which is amplified with what kind of right and wrong the effective sectional area was destroyed from head of a family kip part all. Welding defectiveness, the burglar decrease in compliance with the side food, the possibility of seeking the time after death civil official negligent back it was with important collapse cause of the number of stars grand bridge. It is if like that it tries to consider as the start point of minute crack the welded joint which is the possibility of doing work hour must consider from dignity destruction of bridge process and the fact there probably are what kind of things, the necessity which which. When the welding tries to observe the feature of sound first of all,

(1) strong point ① welding infrastructures are homogeneous and the burglar is high and the cut chip is few it will be able to economize the weight of the material.

② will be able to select the form of sound freely and structure it does to be a break, there is not limit to thickness of the material.

 ③ secrecy and water tight characteristic are excellent. It will compare in and

④ cast-iron wares the reliability will be high, there is a possibility which until 100% it will raise the efficiency of this sound. With

⑤ cast-iron ware production processes pouring into a mold is not together and necessary the enemy the veterinarian product to be to that production it is efficiency.

⑥ welding preparation and welding work are comparison break and the automation of work is easy.

 

2) weak points

 

① welding departments at grade time undergo a metal change with from the effect of the brittle back occur nature a brittleness with heat treatment it is suitable to be tender about under Oh!. ② welding departments in compliance with ten effects variation contracts on the material inside which it is welded the internal stress to get, it was under dangerous this occurring of the crack back. Is like that the variation contraction of the welding department about under in order to remove a residual stress, about under Oh! does a grass rim control. The infrastructure when is becoming the crack occurs one lump to, the crack will spread out from ③ welding structures and it will go out and there is worry where the whole will be damaged. In one example the welding vessel anti- with splits from the sea and it says that there is also a position instance. Is like that the plan for the prevention of the crack electric wave is necessary.  ④ in compliance with the technique of the welding worker combination bringing up for discussion burglars are controlled the technique which has become skill are necessary. ⑤ perforations, various branch weld defects of the crack back occurs, about under Oh! it does these prosecuting attorney. ⑥ welding departments are sensitive to a stress concentration and the structural steel the dangerous characteristic brittle fracture occurs from low temperature, each star one attention is necessary.

 

When the dignity welding sees the merit and demerit of sound and the welding sound in compliance with the technical expert who becomes skill is the work where the attention which is prudent is demanded is a possibility of knowing. And certainly grass rim control, about under it must remove a residual stress and there is a possibility also the thing knowing. The welding sound is to a biased characteristic back of production expense, effectiveness and work and from the work method which is most appropriate is width it is widely used. But 100% the method which is perfect will reach and is not in order to complement it covers and it sells and or it uses the method which the burglar or a stability the rivet which is appropriate leads and sound increases