1. 개요
1) 32명의 귀중한 생명을 앗아간 성수대교 붕괴사고는 우리사회의 부실관행에 경종을 울린 비극적인 사건이었으며 건설기술인에게는 반성의 계기가 되었다.
2) 성수대교 붕괴의 원인이 된 "피로균열"은 성수대교를 건설할 당시 개념조차 없었으며 붕괴될 당시에도 실무에 적용되지 않았다. 용접불량이 1차적인 원인이겠지만 가장 큰 원인은 유지관리 불량이라고 생각된다.
2. 붕괴 개요
1) 일시 : 1994년 10월 21일 07:40
2) 소재지
- 서울 성동구 성수동과 강남구 압구정동을 연결하는 교량
3) 구조 형식 : 게르버 트러스 (GERBER TURSS)
① 주경간부의 36m 두 앵커 트러스와 핀으로 연결된 48m의 중앙 현수 트러스를 갖는 지간장 120m의 장대교량(Gerber Truss교)
② 교각10번과 교각11번 사이의 내부 힌지부 상현재 핀플레이트와 수직재의 용접불량(용접면적 부족)에 의한 "피로균열"로 내부힌지 사이 48m가 붕괴
4) 상부구조는 강재로 구성되어 있고 하부구조는 콘크리트로 구성
- 기초는 하상구간에 우물통, 기타 고수부지 구간에는 말뚝기초를 사용하였으며 교각은 π형과 T형을 사용
5) 규모/제원 : L=1,160m/B =19.4m(4차선)
6) 인명 피해 : 차량 6대가 한강으로 추락
- 사망 32명, 중경상 17명
7) 재산 피해 : 교량 상판 1구간, 차량 6대
8) 설계 : 대산콘설턴트
9) 시공 : 동아건설(주)
10) 관리주체 : 서울특별시
11) 공사 기간 : 1977.04.09 ∼ 1979. 10. 15
3. 상판구조 특성
캐나다 퀘벡교
(1) 구조형식에 따른 분류
1) 거더교
2) 단순교
3) 연속교
4) 트러스교
5) 라아멘교
6) 현수교
7) 사장교
8) 게르버교(gerber bridge) : 게르버형교와 게르버트러스교
① 게르버트러스교 : 특히 지간(支間)이 긴 경우에 사용
② 게르버교의 지간수는 3개의 경간
- 좌우대칭으로 하기 위하여 가능한 한 홀수를 택하기 때문임.
(2) 게르버교의 특성
1) 연속교 지점이외의 적당한곳에 힌지를 넣어 부정정구조를 만든 교량
① 연속교의 휨모멘트 M=0이 되는 단면 근처에 힌지(hinge)를 넣어 정정구조(靜定構造)로 만든 다리.
② "내부힌지의수 - 2 = 지점의수" 를 만족하게 하여 정정구조물로 만든 연속보
2) 지반이 불량한 경우 효과적이지만 내부힌지 부분을 적절하게 연결시켜야 처짐의 문제가 없게 됨.
3) 작은 지간에서 사하중이 작은 경우 힌지부에 활하중이 통과할 때 큰 충격을 받음
① 연속교에 내부힌지를 둠으로써 정정구조물로 만들어 해석이 쉽지만 내부힌지사이의 보(Suspeded span)가 과다하게 처지게 되어 내부힌지가 매우 취약하게 됨
② 고속도로교나 철도교용으로는 좋지 않다.
5) 연속교로서의 이점
6) 지점침하의 영향이 적다
7) 계산이나 가설이 간단하다.
8) 성수대교, 캐나다의 퀘벡교, 영국의 포스교 : 게르버트러스교
4. 붕괴과정 및 원인
(1) 설계
1)수직재 판단시 사고예고가 불가능한 여유응력이 없는 구조로 계획
2)수직재와 핀플레이트 용접의 시공성을 충분히 고려하지 않은 구조로 설계
3)현수 트러스와 앵커트러스가 접속되는 핀 연결부 하단에서 횡방향 브레싱이 완전히 분리되어 있어 횡력 전달기구가 불합리하게 설계
4) 시공당시 기술축적이 부족한 상태에서 무리하게 신공법 도입
(2) 시공
1)상현재 핀플레이트와 수직재플렌지 사이의 용접은 X형 맞대기 용접으로 설계되었으나 모재 전단면에 걸쳐 용입되지 않은 상태임.
① 수직재의 용접이 X자형 기계식 용접이 아닌 맞대기 방식(I자형) 수동용접으로 이루어짐
② 찢어져 나간 수직재와 핀플레이트 용접부위
- 시공당시 용접봉을 SW41을 써 설계서상에는 기계용접을 해야 할 부분에 수동용접을 했으며 용접시공후 검사도 미흡
③ 이 부분에 허용치(평방㎝당 1천4백㎏)이상의 응력(사고당시 평방㎝당 4천3백㎏추정)이 집중돼 강재의 피로균열이 가속화
2)용입깊이 조사결과 수직재플렌지 두께가 18mm인데 반해 미용입 길이가 최대 16mm(유효용입 두께 2mm)까지 발생된 부재도 있음.
- 접합단면의 전부분이 용접되지 않고 가장자리 부분에서만 용접이 이루어짐
3)수직재 플레이트와 연결되는 핀플레이트의 테이피링 경사도가 1/10로 설계되어 있으나 1/2.5-1/3정도로 제작되어 40% 이상 용력집중 유발가능성 내포
- 반복하중을 받는 용접부위의 피로파괴를 유발
(3) 유지관리
1) 균열방치
①장기간에 걸친 균열이 그대로 방치되었음이 확인
- 무너진 성수대교 5,6번 교각사이의 H빔 용접부분과 교각과 상판을 연결해주는 힌지(Hi nge.이음새)부분의 H빔가운데 길이5㎝ 가량의 균열은 오랫동안 보수되지 않은채 방치
②적절한 점검 및 유지관리 미비로 균열상태 사전예방조치를 못하였음
- 용접 등 취약한 철구조물 접합부위가 많은 트러스교의 경우20년이 경과하지 않았더라고 수시로 비파괴시험 등 정밀검사 미실시
③교량붕괴의 직접적인 원인 중 2차적 요인으로 판단됨.
2) 신축이음장치
①빗물과 염화칼슘 등의 용해우수가 유입되었으나 수직재 용접연결부는 연결핀으로 보호되고 있어 부식이 크게 일어나지 않음.
②수직재 붕괴의 직접적 원인으로는 판단되지 않음.
3) 까치발
①핀회전을 다소 방해하여 유발되는 추가응력이 불량용접부의 피로균열을 촉진시켰을 가능성을 배제할 수 없다고 판단됨.
②수직재에 미치는 영향이 크지 않으므로 교량붕괴의 원인으로는 볼 수 없음.
4) 과적차량 통제 미실시
① 설계하중 DB18(32.4t)을 초과하는 중차량 통행
② 떨어져 나간 게르버(GERBER)를 이루는 31개의 철골부 가운데 14개가 초과응력을 지속적으로 감당
5) 교량부식에 치명적인 염화칼슘의 살포
① 용접부위의 페인트가 벗겨지면서 이를 통해 부식이 서서히 진행돼 용접부분이 절단되면서 붕괴 발생
② 용접부위는 그 특성상 미세한 구멍이 생길 수 있는데 도장이 손상되면 이 구멍을 통해 물이 스며들어 부식속도가 가속화되면서 미세균열이 발생
③ 물이 아니고 염화칼슘과 같은 강염성분일 경우에는 다리의 안전에 치명적인 손상을 주게 됨
④ 염화칼슘을 뿌릴 때는 그에 앞서 용접부위의 도장관리가 철저해야 하고 뿌린 뒤에는 즉시 세척을 미실시
(4) 붕괴의 근본적인 배경
1) 제도적 원인
① 당시의 저가 입찰제도는 60~70%의 덤핑수주로 이로 인한 부실원인 제공
② 당시 표준품셈 및 노임단가는 시장가에 비해 너무 낮아 부실공사로 보충할 수 밖에 없었음
③ 기술적인 감리제도가 없었고 공무원이 감독하는 무감리 제도로 부실공사를 방지할 수 없었고 공사 완공시 구조물의 건전도를 진단하는 제도가 없었음.
④ 선진국의 경우 유지관리비는 건설비의 1~2%정도로 예산을 확보하는데 비해 예산이나 조직이 형편없는 수준임
2) 시방 규정상의 원인
- 도로교량 유지관리 지침이나 시방규정이 없었으며 특히 피로파괴에 취약한 용접상세에 대한 피로 설계 규정도 없었음
3) 환경적 원인
- 정치, 사회, 건설환경에 따라 대국민 전시용, 홍보용, 또는 짧은 공기내에 공사완공을 무조건 밀어 부치는 시기였음
5. 파괴형태의 분석
(1) 인장 과하중
1) 외부에서 가해주는 응력이 그 재료의 최대 인장강도보다 클 때 인장 과하중이 작용
2) 파괴형태는 재료의 연성에 따라 다르다. 그
3) 파단면의 모양은 뭉툭하다.
4) 강도가 낮고 무른 재료의 경우 소성변형이 일어난 흔적이 관찰
(2) 취성균열의 전파
1) 취성균열은 이미 존재하고 있던 결함에서 시작되어 부품전체로 빠르게 전파되어 파괴를 일으킨다.
2) 많은 재료에서 균열이 빠르게 전파하고 나면 파단면에 독특한 자국이 남는다.
3) 이런 자국을 이용해 파괴의 시작점을 찾을 수 있다.
(e) 판을 파괴시키는 여러 가지 파괴 방식의 조합
(e) 판을 파괴시키는 여러 가지 파괴 방식의 조합
여러 가지 파괴 형태의 특징
(3) 피로
1) 피로균열은 일반적으로 응력축에 수직인 방향으로 전파한다.
2) 전단입술(shear lips)은 나타나지 않는다.
- 전단입술은 파괴의 가장자리 부위에 있는 기울어진 봉우리를 말한다.
3) 조개껍질(clam shell) 또는 해변선자국(beach mark)이라고 이름 붙여진 여러개의 동심원을 표면에서 발견할 수 있다
4) 이러한 무늬는 사용도중에 피로하중에 갑작스런 변화가 있었음을 의미하는 것이고 이를 이용해 균열이 어디에서 시작되었는지 정확하게 알아낼 수 있다.
5) 마지막에 파괴가 일어난 부위에서 빨리 파괴가 진행된 것이 관찰 : 이 부위는 대개 밝게 빛나는 결정체로 이루어져 있다.
(4) 응력부식
1) 어떤 재료에서는 분기가 일어나거나 다중 균열이 생기기도 한다. 파괴경로는 입계파괴와 벽계파괴가 있다
2) 균열이 전파되고 최종적으로 잔파속도가 빨라지면서 파괴
6. 피로균열
(1) 지연파괴 : 피로와 응력부식균열
1) 관계식에 따라 표준응력을 설계하더라도 어느 정도의 시간동안 사용하고 나서 부품이 갑작스런 파괴를 일으키는 경우가 있다.
2) 대부분의 경우 주기적인 응력 또는 부식 분위기가 이러한 파괴를 일으킨다.
3) 두 경우 모두 작은 결함이 생성되어 임계 크기까지 성장하면 파괴가 빠르게 일어난다.
4) 이런 경우에는 파괴가 일어나기 전에 사용자들이 일정시간 동안 사용하면서 그 부분의 안정성에 대하여 잘못된 확신을 갖기 때문에 사용 초기에 일어나는 파괴보다 더욱 위험하다.
(2) 피로균열의 생성
1) 흔희 피로 현상은 임의의 재료에 대하여 응력의 크기와 주기와의 관계를 나타내는 S-N 곡선을 이용하여 이해한다.
2) 균열과 파괴인성 사이의 관계에 관한 새로운 고찰로 피로파괴에 대한 좀더 자세한 분석이 가능해졌다.
3) SEM을 이용하여 실험적으로 관찰한 대로 S-N곡선에서 파괴가 일어나기 전 영역을 두 부분으로 나눌 수 있다.
4) 균열의 생성과 균열의 성장이 그것이다.
5) 균열은 결함이 없는 영역에서 생길 수도 있고 개재물처럼 이미 존재하는 결함에서 생성될 수도 있다.
6) 이와같이 다양한 방법으로 균열이 생성되기 때문에 파괴에 대한 자료가 산발적이다.
7) 균열생성과 균열성장으로 이루어진 전체 피로수명을 나타내는 S-N곡선.
① 응력이 클 때는 NI < NP
② 응력이 작을 때는 NI > Np
8) 결함이 없는 영역에서는 특정한 슬립 띠에서 국부적으로 소성변형이 일어나 작은 응력집중이 발생하고 균열이 생성된다.
7. 결론
1) 성수대교의 붕괴는 용접불량등 공사부실과 유지관리 부실, 규정이상의 과적 차량통행단속 소홀등이 직접적 원인이므로 이에 대한 단속과 관리를 강화하여야 한다.
2) 성수대교 건설당시의 유사 취약 교량시설에 대한 일제 점검을 실시하고 중앙정부 및 지자제에 안전관리 전담기구 신설 및 예산확보 시설물 안전관리에 관한 특별법 제정, 시설물 관리 책임 제도를 운영하여야 한다.
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