스크랩 신축이음장치 소개

[전채만]

	신축이음장치(I)

신축이음장치(Expansion Joint)라 함은 “Expansion”교량의 신축과 “Joint”라는 연결, 연속성의 합성어로써, 교량의 불연속부에 위치하여 교량의 신축을 흡수하고 동시에 차량의 주행성을 확보하는 교량요소를 말합니다.
여기서 신축흡수는 신축이음장치의 기계적 또는 재료적인 특성을 이용하는 것이며, 차량의 주행성 확보는 차량을 통행시켜야 하는 신축이음장치의 구조적인 안정성 확보를 의미합니다. 그러나 지금까지의 경험에 비추어 보면, 국내의 대다수 토목기술자들은 신축이음장치를 교량의 신축흡수라는 단편적인 측면, 즉 “신축장치”로만 간주하고 있어 정작 중요한 “이음장치”의 측면, 즉 차륜의 주행성을 확보해야하는 점에 대해 등한시 해 왔었던 것이 사실입니다.
신축이음장치에는 차륜하중이 반복적으로 작용하며, 더구나 massive한 상부구조의 불연속부에 위치하므로 일반 상부구조에 비해 충격이 증폭되는 구간입니다. 이와 같은 충격증가는 여러가지 문제점을 야기시키고 있으며 이에 대해 지속적인 연구가 이루어지고 있지만 아직까지 신축이음장치는 소모품의 한계를 벗어나지 못하고 있는 실정입니다. 사실, 동일한 차량이 통과하는 상부구조의 단면과 신축이음장치의 단면을 비교할 때 신축이음장치의 수명을 상부구조와 동일하게 기대하는 것은 상당한 무리가 아닐 수 없습니다. 따라서 신축이음장치는 증폭된 충격하중에 직접 노출되어 교량수명동안 수차례에 걸쳐 파손될 수밖에 없는 교량의 요소라는 점을 인정하여야 하며, 다만 공사관계자는 무엇보다도 중요한 경제성 측면에서 초기 설치비용만을 고려할 것이 아니라 파손빈도, 파손시 유지보수에 따른 직·간접비용 등을 고려할 수 있어야 하며 이는 신축이음장치 형식선정의 경제성 검토에 있어 우리토목기술자가 갖추어야할 기본개념이라 봅니다. 신축이음장치의 파손은 제품자체의 비용손실은 물론이거니와 차량통행이라는 교량의 1차원적인 기능을 마비시키는 결과를 초래하게 됩니다. 교통량이 많은 곳일수록 신축이음장치의 파손이 더욱 두드러진다는 점은 우리 토목기술자들이 심각하게 받아 들여야 합니다. 차량의 홍수속에서 살고 있는 점을 고려할 때, 특히 도심지 교량의 마비는 엄청난 교통대란을 야기할 것이며, 또한 신축이음장치의 보수를 위한 교통 차단 역시 상당한 부담이 아닐 수 없습니다. 따라서 신축이음장치는 신축을 흡수하는 역할 못지 않게 상부구조 일부분으로써의 구조적인 역할에 주목하여야 하며, 여기에 불연속으로 발생되는 방수기능까지 갖추어야 하는 복합적인 기능이 요구되는 부분이라는 점을 반드시 인식하여야 할 것입니다.

신축이음장치는 크게 고무계열과 강재계열로 구분할 수 있습니다. 고무계열로는 트랜스 플렉스(T/F), 엔비(NB), 모노셀(Monocell) 등이 있으며, 강재계열로는 레일형(Rail, Modular), 핑거형(Finger), 롤러셔터(Roller shutter) 등이 있습니다.
고무계열과 강재계열의 가장 큰 차이점으로는 신축이음장치의 내구수명에 있습니다. 신축이음장치의 내구수명은 여러 가지 요인으로 결정되며, 우선 고무와 강재라는 재료적인 특성에서 가장 큰 차이가 있으며, 다음으로는 신축을 흡수하는 방법, 교량의 신축방향(사교, 곡선교..), 시공성, 제품의 방수성, 제작방법 등에서 나타나는 차이로 인해 제품의 내구수명이 결정됩니다.

그림 1,2,3은 각각 트랜스 플랙스, 엔비, 모노셀 형식이며 이와 같은 고무계열은 그림에서 보는 바와 같이 1.8m의 단위길이(세그먼트)로 금형을 이용하여 제작합니다. 차륜이 닿는 부분이 고무이며 고무의 처짐을 방지하기 위해 고무내부에 각각 분리된 보강철판을 삽입(그림 4)한 형태이며, 제품의 길이방향으로 “V”자형의 홈을 두어 이 홈에서 교량의 신축을 흡수하도록 되어 있습니다.

금형제작으로 제작 및 설치가 용이한 반면, 현장여건에 따른 형상변경이 불가능하고, 각 세그먼트의 이음부에서는 누수현상과 처짐현상이 불가피한 단점이 있습니다. 또한 사교 또는 곡선교의 경우 받침 배치에 따라 교량의 신축이 “V”자 홈 방향과 어긋나게 발생될 수 있으며, 이 경우 제품에서는 전단변형이 발생되어 고무와 보강철판이 분리되는 현상이 발생되기도 합니다. 고무형식의 경우 설치시 프리세팅(설치전 제품을 미리 압축 혹은 신장시켜는 작업)이 불가능하여 동절기 혹은 하절기에 설치할 경우 제품의 용량을 증가시켜야 하는 경우도 발생됩니다. 이상과 같은 고무제품의 불합리한 점들로 인하여 90년대 중반이후에는 그 적용추세가 급격히 감소하고 있으며, 다만 신축이 없는 고정단부 혹은 신축량 80mm 미만의 소규모 교량에서는 NB, Monocell 형식이 가끔 쓰이고 있는 추세입니다.

그림 5는 레일형 신축이음장치로서 각각의 프로파일사이 유간에서 최대 80mm(±40mm)의 신축량을 수용할 수 있도록 되어 있습니다. 레일형 신축이음장치는 교량 전 폭에 걸쳐 일체형이며, 신축을 흡수하는 각 프로파일사이에는 고무씰이 연속으로 설치되어 우수한 방수기능을 갖추고 있습니다. 또한 각 프로파일 사이에는 일정한 수평강성을 갖는 스프링이 설치되어 교량의 신축량에 따라 프로파일의 간격을 분배 시켜줍니다. 이와 같은 레일형 신축이음장치는 복잡한 구조로 되어 유지보수가 다소 까다롭고, 정밀시공이 요구되는 형식이지만 신축량에 제한이 없고, 자유거동이 가능하며 어떠한 교량 형식에서도 적용 가능한 형식으로 전 세계적으로 가장 널리 사용되고 있는 신축이음장치형식입니다.

그림 6은 핑거형 신축이음장치로 핑거판, 프리스트레스 타이볼트, 방수장치로 구성되며, 교량 신축은 각각의 핑거사이의 유간을 통해 흡수됩니다. 핑거형 신축이음장치의 가장 큰 특징으로는 단순한 구조로 하자요소가 적다는 점과 각 핑거판이 1m내외로 분리되어 상부구조에 볼트에 의해 정착되므로 신속한 유지보수가 가능하다는 점, 주행성이 우수하고 소음이 적다는 점을 들 수 있습니다. 이와 같은 이점은 교통통행량이 많은 도심지 교량에서 더욱 효과적이라 볼 수 있습니다. 핑거형 신축이음장치에서 가장 취약점은 방수장치에 있어 왔습니다. 기존 방수방법으로 주로 고무씨트를 이용한 형식으로 고무씨트에 이물질이 적체되어 원활한 배수가 이루어지지 못하였고, 염화칼슘, 자동차의 배출 오염물질 등으로 인하여 고무의 내구수명이 아주 짧아졌습니다. 최근에는 이와 같은 문제해결을 위해 내구수명이 우수한 타이어 코드사로 보강된 고무씨트를 사용하거나 내화학성, 신축성, 내구성이 우수한 탄성봉함재를 적용하여 핑거형의 방수기능을 상당히 개선시키고 있습니다. 특히 핑거형 신축이음장치는 유지보수성이 우수하여 앞으로의 그 활용도는 점차 증가될 것으로 전망되고 있습니다.

이상의 대표적인 형식이외에도 가이탑, 뉴핑거형, 에이엘(AL), 철도교용 등 다양한 신축이음장치 형식이 있습니다.

	신축이음장치(II)

지난 호의 「신축이음장치(Ⅰ)」에서는
신축이음장치의 개념과 신축이음장치의 형식에 이어
이번 호에는 이렇게 다양한 신축이음장치 형식 중에서
과연 어떠한 형식을 선정할 것인가에 대한 설명을 드리고자 합니다.

형식선정의 개요
신축이음장치는 형식에 따라 제품 자체의 신축기능 및 수명에 큰 차이가 있으며, 교량의 기능성 및 구조적인 안정성에 미치는 영향이 많이 달라지게 됩니다. 예컨대 제품의 주요 부재에 따라 그 수명의 차이가 크며, 제작방법 및 신축수용방법에 따라 신축수용능력이 달라지게 됩니다. 그리고 신축이음장치의 파손은 차량통행을 마비시켜 교량기능손실로 이어지게 되므로 결과적으로 제품의 수명은 교량의 기능상에 직접적인 영향을 미친다고 볼 수 있습니다. 또한 형식에 따라 차륜하중의 전달경로에 차이가 있어 상부구조에 발생되는 충격 및 응력형태가 달라지게 되며 이에 따른 상부구조의 구조적인 영향도 서로 다르게 나타납니다. 이렇게 신축이음장치의 형식선정은 신축이음장치를 단순히 독립적인 요소로 판단할 것이 아니라 신축이음장치가 교량전체에 미치는 영향까지 연계되어 이루어져야 합니다. 따라서 신축이음장치의 형식선정에서는 다음과 같은 제반사항들을 충분히 검토하여 합리적인 설계가 되도록 해야 합니다.

신축수용능력
신축이음장치의 용량은 기본적으로 교축방향설계신축량을 만족하도록 선정되어야 하지만, 교량의 형식 및 종단면상의 형태, 받침의 배치방법, 교량의 지리적인 기후특성 등에 따라 교축 직각ㆍ수직방향 등 다양한 방향으로 교량신축이 발생되므로 설계신축량 산정시 이에 대해 충분한 검토가 이루어져야 합니다. 현방향 받침이 배치된 곡선램프교량의 경우 신축이음장치에서는 교축직각방향의 신축이 발생되며, 곡선반경이 작을수록 상대적으로 교축직각방향의 신축량은 커지게 됩니다. 마찬가지로 사교에서도 사각에 따라 교축직각방향 신축이 발생됩니다. 사장교 혹은 현수교에서도 풍하중의 영향이 커 교축직각방향의 신축이 비교적 크게 발생됩니다. 그 외에 종단구배가 큰 교량의 경우 가동받침이 수평방향으로만 움직이므로 교축의 신축에 따라 수직단차가 발생됩니다. 이와 같이 교축직각방향 이어져 신축 또는 수직단차는 교량의 2차 응력이나 충격증가로 이어져 상부구조에 균열 및 받침부의 파손을 야기 시킬 수 있으므로 이를 수용할 수 있는 신축이음장치 형식이 선정되어야 합니다.

유지보수성
신축이음장치는 교량의 전체 수명 중 몇 차례의 보수가 불가피한 교량요소입니다. 실제 교량 전체의 유지보수비용 중에서 신축이음장치가 차지하는 비율이 35%이상으로 나타나고 있습니다. 여기서 35%는 순수하게 신축이음장치를 보수하는데 소요되는 직접비용이며 교통통제로 인한 간접비용까지 고려하면 경제적인 손실이 막대하다고 할 수 있습니다. 이렇게 신축이음장치의 유지보수성은 앞으로 제품의 형식선정에 있어 가장 중요한 사안으로 부각될 것으로 전망됩니다.
신축이음장치의 유지보수성은 일차적으로 제품의 내구수명에 바탕을 두며, 다음으로는 파손시 교체작업의 신속성에 달려있습니다. 이런 관점에서 내구수명이 짧은 고무계열의 신축이음장치는 점점 적용이 줄어드는 추세에 있으며, 실제 2002년 배포된 도로공사의 설계 지침에 따르면 고무형 신축이음장치의 사용을 지양하고, 내구수명이 우수한 레일형 또는 핑거형 강재계열의 신축이음장치를 권장하고 있어 내구수명의 중요성을 잘 반영하고 있습니다. 이는 일차적으로 내구수명을 높여 유지보수의 빈도를 최소화하려는데 목적이 있다고 볼 수 있습니다. 레일형의 경우 교량 전 폭에 걸쳐 일체로 제작ㆍ시공되고, 앵커루프를 통해 교량상부구조와 일체로 정착되어 있어, 교체시 후타 콘크리트를 해체 및 양생시켜야 하므로 교체비용과 시간이 많이 걸리는 반면, 핑거형의 경우 핑거판이 1m내외로 분리 설치되어 있고 상부구조와 앵커볼트로 연결되므로 후타 콘크리트의 해체가 필요 없어 신속한 보수와 보수비용의 최소화가 가능하여 서울시를 비롯한 도심지 교량 특히 소음민원이 예상되는교량에서 주로 사용되고 있습니다.

경제성
신축이음장치의 경제성은 주로 신축이음장치의 신설비용을 기준으로 삼고 있으며, 신설비용이 적을수록 경제성이 있는 것으로 판단되는 것이 관례이나, 신축이음장치는 교량수명동안 몇 차례의 교체가 불가피하고 일반적으로 교체비용은 신설비용의 150∼200% 정도가 소요되며, 초기비용이 저렴할수록 이와 같은 교체는 더욱 빈번히 이루어져야 하므로 결국 초기비용이 다소 많더라도 내구성이 우수한 강재형 신축이음장치를 설치하는 것이 장기적인 측면 또는 유지 관리측면에서 훨씬 경제적이라 할 수 있겠습니다.

소음 및 주행성
도심지교량에서 자주 발생되는 민원 중에는 신축이음장치의 소음을 들 수 있습니다. 신축이음장치의 소음발생은 차량의 주행성과 직접적으로 연계되며, 첫째로는 차량이 신축이음장치를 통과할 때 차륜과 신축이음장치가 부딪혀 발생되는 파열음이며, 이는 주로 신축이음장치 직하부에서 측정됩니다. 파열음은 노면에 노출된 신축이음장치의 형태에 따라 달라지며, 고무계열과 레일형과 같이 신축을 흡수하는 불연속면 또는 일정한 갭이 교축직각방향으로 형성되어 교축방향으로는 불연속면이 발생되는 경우에는 파열소음과 함께 충격이 증폭됩니다. 특히 동절기에는 불연속부가 넓어져 소음이 더욱 크게 발생합니다. 핑거형의 경우 암수 핑거판이 서로 교차되어 있으므로 차량의 통과면에 불연속부가 없어 파열음의 소음이 아주 작고 주행성이 양호합니다.
다음으로는 신축이음장치에 발생되는 하중이 교량으로 전달되면서 발생되는 상부구조의 울림 현상이 있으며, 상부구조가 강박스인 경우 울림 소음이 크게 나타나며 멀리까지 전달되는 저주파로 민원을 야기하는 주소음입니다. 이와같은 강박스울링 소음은 신축이음장치의 하중전달 경로와 밀접한 관련이 있으며, 레일형과 같이 지지대를 통해 하중집중현상이 발생되는 경우 강박스울링소음은 더욱 증가합니다. 반면 핑거형의 경우 넓은 지압면을 통해 하중전달이 되므로 강박스울링 소음은 현저히 줄어들게 됩니다.

방수성
신축이음장치부는 상부구조의 불연속부에 위치하므로 방수에 가장 취약한 부분이 될 수밖에 없습니다. 과거 신축이음장치는 주로 교량상부의 신축량을 수용하는 장치로만 여겨졌지만, 신축이음부의 누수가 강교, 받침 및 하부구조 등의 부식현상을 일으키는 주원인으로 규명되면서 신축이음장치의 방수기능은 신축기능 못지 않게 중요한 기능으로 부각되고 있습니다.
고무형의 경우 신축 및 방수기능을 하는 몸체가 1.8m 단위로 제작ㆍ설치되므로 각 단위의 이음부에서는 누수가 불가피한 형식이지만, 레일형이나 핑거형의 경우 방수장치가 별도로 분리되어 있고 교폭에 걸쳐 일체로 설치되므로 비교적 완벽한 방수이 우수합니다.

시공성
신축이음장치의 설치는 전문성을 요하는 작업으로 충분한 경험과 축적된 기술을 갖춰야 합니다. 실제 신축이음장치는 설치과정에서 누수, 단차, 후타재 균열 등의 하자들이 나타납니다.
레일형의 경우 일체형으로 레벨조정이 용이한 반면 중량이 커 취급이 어렵고 복잡한 부품으로 구성되어 시공정밀도에 따라 신축이음장치의 수명에 적잖은 영향을 미치게 됩니다. 핑거형이나 고무계열은 단위 길이로 분할 설치되므로 취급이 용이한 반면 단차가 자주 발생하므로 설치시 레벨조정에 주의하여야 합니다.
국내와 같이 연중 온도분포폭이 큰 지역에서는 설치시점에 따라 프리셋팅 작업이 요구되며, 제품에 따라 프리셋팅의 작업난이도가 차이가 있습니다. 특히 트랜스 플렉스, 엔비, 모노셀과 같은 고무제품은 프리셋팅 작업이 불가능하므로 설치시점에서 추후 발생되는 극한 신축량을 산정하여 제품이 신축량 수용이 가능한지 검토하여야 합니다. 반면, 레일형 또는 핑거형의 경우 현장 프리셋팅이 가능한 형식으로 용량증가 없이 설치시점의 온도에 따라 프리셋팅을 실시하면 됩니다.

	신축이음장치(III)

설계 신축량산정에 고려되는 일반적인 사항으로는 「온도신축」, 「크리프 및 건조수축」, 「활하중에 의한 이동」, 「여유량」이 있으며 경우에 따라서는 「지진변위」, 「풍하중에 의한 변위」등이 신축량에 추가되기도 합니다.

1. 온도신축(ΔLt)의 산정
온도변화에 의한 신축량 계산은 다음의 식을 따릅니다.

1) 신축장(L)
신축장이란 신축시점으로부터 신축량을 구하고자하는 위치까지의 거리를 이르며, 받침의 위치 및 형식에 따라 다음과 같이 구합니다.

 

받침위치 및 형식에 따른 신축장은 다음과 같습니다.

※ 면진받침의 경우 평상시 고정단 가동단 개념이 없으므로 평상시 신축거동은 상부구조의 도심에서부터 발생하는 것으로 간주합니다.




2) 선팽창계수(α) 및 온도변화(ΔT)
선팽창계수(α)는 교량 상부구조의 재료적인 고유 특성치로서 온도 1℃변화당 재료의 신축율로 정의되며, 온도변화는 지역별 연중 온도 분포폭으로 아래와 같습니다.

2. 크리프에 의한 신축량(ΔLc)
크리프란 콘크리트가 장기간 지속하중(pre-tension 또는 post-tension)으로 인하여 수축되는 현상을 말하며, 이와 같은 크리프는 긴장력 도입시점에서 콘크리트 재령에 따라 발생 양이 달라지게 됩니다. 실제 신축이음장치에 영향을 미치는 크리프는 신축이음장치 설치 이후에 발생되는 크리프량이며, 크리프 신축량은 아래식으로부터 계산됩니다.

여기서, P는 유효 긴장력, l은 신축장, A는 유효단면적, E는 콘크리트의 탄성계수로 PSC 구조물의 경우 압축강도 350㎏/㎠이상이 적용되므로 탄성계수는 대략 300,000㎏/㎠정도입니다. ø는 크리프 계수로서 2.0을 적용하고 있으며, β는 크리프 저감계수로써 신축이음장치의 설치시점을 긴장력 재하후 대략 2∼3개월정도 경과한 것으로 간주하여 0.5를 적용하는 것이 통상적입니다. 또한 PSC 구조물에서 긴장력에 의한 축방향응력은 대략 60㎏/㎠정도로 발생되고 있으므로, 이상의 내용을 상기의 식에 적용하면 크리프는 간단하게 정리됩니다.

3. 건조수축(ΔLs)에 의한 신축

건조수축이란 하중이나 온도와는 상관없이 콘크리트의 재령이 경과함에 따라 부피가 수축하는 현상을 말하여 크리프와 마찬가지로 재령 초기에 변화율이 크며 시간이 지남에 따라 변화율은 점차 줄어들게 됩니다. 건조수축량 산정에서는 건조수축 최대 변형율(εsh)에 건조수축 저감계수(β)를 적용하고 있으며, 일반적으로 건조수축 최대 변형율은 온도변화 20℃의 선팽창계수와 유사하게 나타나고 있어 이상의 내용을 상기의 식에 적용하면 아래와 같이 간단히 정리됩니다.

4. 활하중에 의한 지점 회전 및 이동(ΔLr)
활하중에 의한 이동량이란 교량단부의 회전각으로 인한 단부의 이동량을 일컫는 것입니다. 일반적으로 교량의 거동은 탄성거동 범위내 있으며, 활하중에 의한 거동 역시 탄성영역내에 있다는 조건(중립축은 변형후에도 평면상태를 유지함)이 부여되게 됩니다. 즉, 활하중에 의한 이동량은 중립축을 기준으로 교량상면은 압축변형, 교량하면은 인장변형이 발생되므로 받침부에서는 상부구조가 신장하는 방향으로 계산되고 신축이음장치가 설치되는 상면에서는 상부구조가 압축되는 방향으로 계산되어야 합니다.
현재 도로교 시방서에서는 신축이음장치의 신축량 산정은 별도 명시 없이 받침의 이동량 산정방법을 적용토록 되어 있으나, 활하중 회전에 의한 이동량 산정은 다소 불합리한 점이 있는 것으로 판단됩니다. 시방서에 제시된 활하중에 의한 이동량 산정은 형고의 2/3에 회전각을 곱하도록 하고 있으며, 이는 상부구조의 중립으로부터 받침의 위치가 계략적으로 형고의 2/3지점에 위치하게 되기 때문입니다. 이와 같은 조건이라면 중립축에서부터 신축이음장치까지의 거리는 형고의 1/3을 적용하여야 한다는 결론 도달하게 되므로 실제 신축이음장치의 신축량 산정에서 활하중에 의한 이동량은 아래와 같은 식을 적용하는 것이 타당한 것으로 사료됩니다.

다음의 표는 교량의 휨 강성에 따른 단부에서의 회전각을 나타내고 있습니다. 표에서는 휨강성을 교량 길이와 수직처짐의 비로 나타내었습니다.
도로교 시방서에서는 상기의 표를 단순화하여 아래와 같은 내용을 제시하고 있습니다.

연속교 구간의 경우 회전량이 미미함으로 그 값을 무시할 수 있도록 규정하고 있습니다. 특히, 단순교의 경우 보 중앙부의 처짐에 의한 고정단부의 이동 영향이 가동단에 가산되므로 가동단의 이동량은 상기 식에서 구한 이동량의 2배를 취하도록 되어있습니다.






5. 지진변위(ΔLeq)
신축이음장치에서 지진변위는 구조물 사이에 발생되는 상대변위를 일컬으며, 신축이음장치 설계시 지진변위의 고려 여부는 크게 지진의 발생 빈도와 교량의 중요도라는 두 가지 요인에 따라 결정되어 진다고 볼 수 있습니다.
먼저 지진의 발생 빈도라는 과거 지진의 발생 이력을 근거로 장래의 지진 주기를 예측하고 교량의 수명동안에 재현확률을 고려하여 지진변위의 고려여부를 판단하게 되므로 이는 지역적인 특성을 고려한 인자로 볼 수 있으며, 다음으로 교량의 중요도로서 지역적인 특성과는 관계없이 교량의 중요성 때문에 지진시 교량 전체의 파손은 허용하지 않으면서 교량의 내구성에 미치는 영향을 바탕으로 부분적인 파손은 허용하는 개념입니다. 즉, 신축이음장치의 파손이 교량전체에 미치는 영향을 평가하여 지진변위의 고려 여부를 결정하는 개념으로, 이 경우에는 한 교량내에서 신축이음장치의 위치에 따라 지진변위 고려여부가 달라질 수 있습니다. 예컨대, 교량의 주 경간부가 현수교 혹은 사장교 형식이고 접속교가 box형으로 이루어진 교량에 있어, 접속부에서는 지진변위를 고려하고 시·종점부에서는 지진변위를 고려하지 않는 경우가 있습니다. 이는 지진시 접속부에서 인접 상부구조가 서로 부딪힘으로써 교량전체의 붕괴가 발생될 수 있으므로 접속부 신축이음장치에서는 지진변위를 수용할 수 있도록 하고, 반면 지점부에서는 상부구조가 교대부에 부딪히게 되므로 교대부에서 지진수평력에 저항할 수 있도록 설계함으로써 비록 신축이음장치는 파손되더라도 교량 전체의 붕괴는 없도록 하겠다는 개념입니다.
우리나라의 경우 지진 발생 빈도가 적고 아직까지 신축이음장치가 파손될 정도의 강진 발생이 없어 현재 국내 시방서상에는 신축이음장치 설계시 지진변위 고려항목은 없습니다. 다만 교량의 중요성에 따라 신축이음장치의 위치별로 지진변위를 고려하는 경우는 있으며, 여기서 고려되는 지진변위은 내진해석으로부터 산출된 결과를 사용하도록 하고있습니다.

	신축이음장치(IV)

여유량

여유량은 상부구조의 제작 및 시공오차와 교각 혹은 교대의 지점 침하 및 활동 등 예기치 못한 추가 이동량에 대처하기 위한 것으로써, 현재 국내에서는 다음에 표에서 보는 바와 같이 설계적용기준에 따라 상이한 여유량을 적용하고 있고 그 결과 설계신축량이 다르게 나타납니다.
통상적으로 볼 때 도로교시방서의 경우가 도로교 설계요령에 비해 설계신축량이 다소 크게 나타나고 있으며, 특히 소규모 교량에서는 설계신축량에서 여유량이 차지하는 비율이 커지는 불합리한 점이 인정되어 1999년부터 도로공사에서는 신축장 100M를 기준으로 100M이상인 경우 도로교 시방서, 100M이하인 교량에서는 도로교 설계요령을 따르도록 하고 있습니다.

기타신축량(지진 및 풍하중 이동량)

설계신축량 산정시 이상의 신축량 이외에 교량의 형식 및 기후, 지리적인 특성에 따라 풍하중에 의한 신축량을 고려하는 경우도 있습니다.
예를 들면, 태풍이 자주 발생하는 해안지역에 풍하중의 영향이 큰 현수교나 사장교의 경우 실제 풍하중으로 인한 교축뿐만 아니라 교축직각방향으로 이동량이 크게 발생되며 특히, 현수교의 앵커리지부와 현수교 사이에는 교축직각방향 이동과 회전이 동시에 발생되므로 신축이음장치의 선정시 이에 대한 검토의 필요성이 대두되고 있습니다.
현재 국내의 설계신축량 산정기준에는 평상시 발생되는 신축량에 대해서만 규정되어 있고, 지진 혹은 태풍에 대해서는 별도 규정항목이 없으나, 최근 지진에 대한 인식의 고조와 연도교 및 연육교의 설계 및 시공이 활발해지면서 국내의 몇몇 특수교량(광안대교, 영흥대교 등)에서는 일본의 신축량 산정기준을 도입하여 지진 및 태풍에 대한 신축량을 적용하고 있습니다.
다음의 표는 일본에서 적용하는 설계신축량 산정방법으로 평상시, 태풍시, 지진시에 대해 각각 산출하고 표와 같이 조합하여 설계신축량을 산정하며 그 중에서 가장 큰 값을 설계신축량으로 선정하고 있습니다.
한반도는 태풍의 길목인 지리적인 특성으로 볼 때 현수교 또는 사장교 형태의 교량에서는 반드시 태풍시에 대한 신축량을 고려할 필요가 있으며, 이에 대한 별도의 규정이 추가되어야 될 것으로 판단됩니다.

유의사항

신축이음장치를 설계하는 과정에서 발생되는 오류사항으로는 여러 가지 있습니다만 가장 자주 발생되는 문제점으로는 다음과 같은 것들이 있습니다.

·신축이음장치의 용량과 유간의 표기 오류
·구조물 유간의 최소화
·교량의 평면 및 종구배에 따른 형식선정의 오류

ㅇ신축이음장치의 용량(규격)과 유간

전화상으로 가끔 받는 질문중에 하나는 대충 이렇습니다 “구조물 유간이 200mm인데 신축량 얼마짜리를 적용하면 됩니까?” 이런 경우는 본인이 판단컨데 질문자의 신축이음장치에 대한 이해도가 아주 심각한 상태입니다. 이 질문자는 신축이음장치의 용량(규격)이 구조물의 유간에 의해서 결정되는 것으로 생각하고 있다는 점입니다. 따라서 제대로된 질문은 “설계신축량이?200mm인데 구조물 유간은 얼마를 적용하면 됩니까?”입니다.

신축이음장치의 설계절차를 살펴보면 먼저 교량의 길이 및 받침의 배치로부터 설계신축량의 산정되고 신축이음장치 형식 및 용량선정 그리고 구조물의 유간 결정의 순서로 이루어져야 합니다. 따라서 구조물의 유간은 신축이음장치의 형식과 용량이 선정된 이후에 결정되는 사항이라는 점을 명심하여야 합니다. 구조물의 유간은 여러 요인 고려하여 결정된 치수로서 제품의 형식과 형상에 따라 달라질 수 있습니다. 동일한 형식이라도 제작사에 따라 달라지게 됩니다.
상기의 표에서 보면 같은 레일형이라도 각 제작사에 따라 유간 값이 다소 상이하긴 하지만 특정사의 제품으로 설계하더라도 실제 타사 제품을 설치하는데는 큰 문제가 없습니다.


ㅇ구조물 유간의 최소화

최근 도로공사의 지침서에 따르면 구조물의 유간이 작을수록 유리한 것으로 판단하여 제품의 형식과는 상관없이 일률적으로 구조물의 유간을 최소화하도록 하고 있으나 이는 불합리한 것으로 판단됩니다.
구조물의 유간이 교량 전체에서 불연속구간이라는 점에서 볼 때 교량의 내구성상 불연속구간이 작을수록 유리하다는 단편적인 판단은 가능하겠지만 실제 파손의 형태를 살펴보면 교량 상부구조가 파손되는 사례는 거의 없고 대부분 신축이음장치와 이를 연결하는 후타재의 파손이 대부분을 차지하고 있다는 점을 주목하여야 합니다.
또한 신축이음장치의 파손율은 구조물의 유간이 적정 유간보다 지나치게 큰 경우를 제외하고 구조물의 유간과는 상관이 없는 것으로 조사되고 있습니다. 따라서 신축이음장치의 파손은 구조물의 유간이 크기 때문이 아니라 신축이음장치가 교량의 상부구조에 비해 현저히 짧은 내구수명을 갖을 수밖에 없는 근본적인 한계, 시공상의 오류 그리고 부적절한 유지관리 때문이라는 점을 인식하여야 합니다.
여기서 신축이음장치의 근본적인 한계는 제품 자체에 대한 문제이며, 시공오류 및 유지관리는 현장에서 이루어지는 사항이므로 제품의 내구수명 향상을 위해서 정밀한 시공과 용이한 유지보수성 확보는 상당히 중요하다고 할 수 있습니다.
현재 각 신축이음장치에서 제시하고 있는 적정 유간은 이와 같은 시공성 및 유지보수성 등이 고려되어 결정된 치수이며 따라서 이를 무시하고 일률적으로 구조물의 유간을 최소화하는 것은 시공성 불량과 유지보수성을 확보하지 못하여 오히려 신축이음장치의 내구수명을 단축시키는 결과를 초래할 것으로 판단됩니다.


ㅇ사교 및 곡선교의 조인트 형식선정

일반적으로 교량이 사교 또는 곡선교의 신축이음장치 형식선정에서 핑거형이 불리한 것으로 인식되고 있으나 이 또한 잘못된 인식에서 비롯된 것으로 판단됩니다.
고무형식(NB, MONOCELL)의 경우 금형제작으로 어떠한 경우라도 신축의 형태에 따른 제품자체의 변경이 불가능합니다. 우선 고무형식의 경우 사거동은 제품자체의 변형을 통해 신축이 흡수되는 개념으로 비정상적인 거동으로 제품의 내구수명이 저하시키는 원인이 됩니다.
반면 핑거형의 경우 원 철판을 가공 제작하게 되므로 사교 및 곡선교의 경우는 아래의 그림과 같이 신축방향에 맞추어 핑거의 형상을 변경함으로써 신축수용이 가능하게 됩니다.








ㅇ 종구배 교량의 조인트 형식선정

교량 받침은 레벨 상태로 설치되므로 신축 시 종단경사에 따라 인접구조물 사이에 수직단차(Δv)가 발생됩니다. 교량의 수직단차는 조인트 제품자체의 내구성뿐만 아니라 차량의 주행성에도 악형향을 미치게 됩니다. 고무형식(NB, MONO-CELL)이나 레일형의 경우 수직단차에 대한 별도의 조치가 불가능하며 따라서 수직단차를 제품에서 그대로 수용하여 조인트 및 교량으로 전달시키도록 되어있으며 특히 레일형의 경우 레일사이의 불연속구간이 수직단차와 중첩되면서 충격량이 더욱 증폭 됩니다. 반면 핑거형의 경우 예상되는 수직단차량을 고려하여 핑거판의 상면을 테이퍼가공함으로써 차량의 주행면을 곡선으로 처리가 가능하므로 교량 및 제품에 미치는 충격을 완화시킬 수 있습니다.
따라서 수직단차가 발생되는 교량에서 핑거형이 타형식에 비해 불리하다는 점은 잘못된 인식이고 볼 수 있으며, 더욱이 핑거형의 경우 유지보수가 가장 용이한 형식으로 적용이 급격히 증가하는 추세입니다. 다만 주의 해야할 사항으로는 여기서 언급되고 있는 핑거형은 상부구조와 볼트로 조립되는 형식이며, 최근 “H" 또는 ”T"형강을 절단가공하여 제작하고 있는 유사 핑거형식이 보수공사에서 자주 사용되고 있으나 이는 핑거의 처짐과 같은 구조적인 취약점과 유지보수가 불가능한 제품으로 반드시 볼트조립식 핑거형식과는 구분되어야 합니다.

 

출처: 유니슨 기술회보 2002,2003년호 기술기사