1. 서 론

교량받침은 상부구조의 신축을 수용하면서 하부구조로 하중을 전달하 는 역할을 가진다. 건설 재료 및 설계기술의 발달로 교량 상·하부 연결부를 줄이는 장경간 교량이 선호되면서 교량받침의 수평이동 수용 역할이 중요 하게 고려된다. 수평이동 수용을 위해 미끄러운 마찰요소를 1960년대부터 교량받침에 적용하기 시작하였으며, 포트받침, 스페리컬 받침 등 다양한 받 침에서 적용하고 있다. 마찰요소로는 낮은 마찰계수와 내후성 특징을 갖는 폴리테트라플루오로에틸렌 (Polytetrafluoroethylene, PTFE)이 일반적 이다.

마찰요소에서 마찰계수는 상부구조의 하중을 받침 본체 및 하부구조로 전달되는 힘을 제어하며, 마모율은 받침의 수명과 유지보수에 영향을 미친 다. 교량받침에 사용되는 마찰요소 관련 연구로는 Campbell and Kong[1] 은 PTFE의 마찰계수에 영향을 미치는 요인으로 PTFE 종류, 딤플/윤활, 접 촉 압력, 슬라이딩 속도와 슬라이딩 누적 거리, 표면 마감, 오염, 온도 등 14 가지 요소를 제시하였다. John Stanton[2]는 마찰계수에 영향을 미치는 다 양한 요인 중에서 접촉 압력, 슬라이딩 속도, 표면 마감, 슬라이딩 경로가 마 찰계수에 미치는 영향을 분석하기 위한 실험을 실시하고, 이들 실험 결과를 토대로 마찰계수 추정식을 제시하였다. Constantinou et al.[3]는 슬라이딩 속도가 빠를수록 마찰계수가 증가하는 것을 확인하였으며, 이러한 특징은 상시보다는 지진 시 거동에서 중요한 요소이다.

AASHTO LRFD는 PTFE 종류, 접촉응력, 대기온도에 따라 PTFE 마 찰계수를 제시하는데, 딤플이 있고 윤활 처리되었으면 0.02~0.04, 딤플이 있고 윤활 처리되지 않는 경우 0.03~0.08 범위이다[4]. Table 1은 국내 KDS 24 90 11 교량 기타시설설계기준(한계상태설계법)에서 규정하는 마 찰요소의 마찰계수로, AASHTO LRFD와 유사하게 일반적인 마찰요소 조합이라 할 수 있는 딤플 PTFE와 스테인리스강 조합에서 0.03~0.08 범위 이다[5].

포트받침은 강재받침의 대표 형식으로, 포트와 피스톤에 의한 밀폐된 두 꺼운 고무를 통해 다축 회전을 수용하고, PTFE와 미끄럼판의 조합으로 슬 라이딩을 수용한다(Fig. 1). 포트받침은 탄성받침과 비교하여 높은 수준의 수직하중을 전달하면서 회전을 수용하기에 유리하다. 교량받침이 설계 단 계에서 목적한 성능을 지속적으로 유지하기 위해서는 합리적인 설계·성능 평가·품질 기준 마련과 함께 공용 중 유지관리가 중요하다.

시설물의 안전 및 유지관리 실시 세부지침[6]에 따르면 교량받침은 정밀 안전진단과 안전점검 수행 시 주요 부재로 분류된다. Table 2는 교량받침의 상태평가기준을 보여준다. 포트받침은 도장탈락, 부식, 미끄럼판 부식, 받침 본체 부식, 받침 본체 파손 여부를 통해 상태평가 a~e 등급을 부여하며, 교량 받침의 상태평가 결과가 d 이하인 경우는 교량 시설물의 구조안전에 중대한 영향을 미치는 중대한 결함으로 분류된다. 현행 시설물의 안전 및 유지관리 실시 세부지침에서는 받침 본체의 부식으로 인한 신축거동 장애는 d등급으 로 분류하는 반면 마찰요소 돌출에 대해서는 다루고 있지 않다. Fig. 2와 같 이 최근 포트받침 등 마찰요소가 적용된 받침에서 공용 중의 마찰요소 노출 사례가 지속적으로 지적되고 있는데 돌출된 정도가 크지 않다고 판단하여 이를 방치할 경우 전체 탈락까지 이어질 우려가 있으며, 마찰요소 돌출로 인 한 받침의 실제 거동 평가 사례가 없기 때문에 정량적인 기준 제시가 필요한 상황이다.

본 논문에서는 마찰요소가 적용된 받침을 중심으로 받침부의 공용 중 이 상 거동 사례를 조사하고, 마찰요소의 이탈을 모사한 포트받침을 대상으로 실험을 수행하여 공용 중 받침의 실질적인 성능을 평가하고자 한다.

2. 공용 중 교량받침부 결함 사례 조사

본 절에서는 감사원의 내진 보강된 고속국도 교량의 내진성능 점검 보고 서[7] 및 다수의 정밀안전진단 보고서를 수집하여 포트받침 또는 마찰요소 가 적용된 받침을 중심으로 공용 중 결함 사례를 조사하였다.

2.1 포트받침 마찰요소 돌출

포트받침은 마찰요소와 상부미끄럼판의 슬라이딩으로 상부구조물의 이동을 수용하는데, 마찰요소로 PTFE 사용이 일반적이다. Fig. 3은 공용 중인 받침에서 마찰요소가 돌출된 사례이다. 이는 피스톤 내부의 홈에 밀착 되어 있는 PTFE가 상부구조의 신축, 들림 등 다양한 요인으로 밖으로 밀려 나오는 것으로, 이를 방치하는 경우에는 PTFE 전체가 돌출되어 마찰요소 의 기능을 상실하는 경우가 발생하게 된다.

2.2 마찰형 지진격리받침 특수 마찰요소 이탈·파손

마찰진자형 지진격리받침은 곡면의 중간판 상·하부에 특수 마찰요소를 두 고 상·하부 미끄럼판과의 슬라이딩으로 지진 발생 시 구조물의 수평 이동을 수 용하고, 이후에는 마찰 진자운동을 이용하여 원래의 위치로 복원하는 기능을 갖는다. 지진 시 마찰형 지진격리받침이 내진성능을 발휘하기 위해서는 상·하 부 미끄럼판의 표면 거칠기가 관리 기준치를 초과하지 않고, 중간판의 이탈·파 손이 방지되도록 유지관리 해야 한다. Figs. 4~6은 마찰형 지진격리받침 손상 사례를 보여준다[7]. Fig. 4는 부식으로 상부 마찰판의 거칠기 기준이 관리기 준치를 크게 벗어난 사례이며, Fig. 5는 특수 마찰요소 돌출, Fig. 6은 중간판 이 기울어져 원위치로 복원되는 못하는 사례를 보여주고 있다.

2.3 앵커볼트 설치 누락 및 파손

앵커볼트는 상부구조물과 하부구조물에 접합면에 위치하여 교량받침의 고정을 위한 것으로, 다양한 하중에 의한 인장력과 전단력, 휨 응력을 콘크리 트에 전달한다[8]. 앵커볼트 관련 결함 사례로는 Fig. 7과 같이 앵커볼트가 설치 누락된 채로 오랜 시간 공용되거나, 고정단 받침의 앵커볼트 파단으로 고정단 기능이 상실되어 주변 가동단의 이동량이 과다하게 발생한 사례를 들 수 있다. 앵커볼트의 체결 불량 사례는 대부분 천공 위치 불량과 이로 인 한 체결 시 조임 불량이 원인으로 분석되며, 고정단 볼트 파단의 경우는 가동 단의 원활하지 못한 신축으로 고정단에 응력이 집중된 것으로 분석된다.

3. 실험 계획 및 방법

3.1 실험체 구성

본 연구에서는 이동형 포트받침에서 마찰요소의 이탈을 모사한 실험체 를 대상으로 마찰요소의 이탈 정도에 따른 받침의 실질적인 성능을 평가하 고 자 한다. 실험체는 받침 용량, 마찰요소 이탈정도를 구분하여 계획하였다.

상기 항목들을 고려하여 실험체는 Table 3과 같이 구분하였다. 첫 번째 인덱스는 받침 용량을 의미하며, 두 번째 인덱스(FA)는 마찰요소 거치 정 도를 나타내는 것으로 FA1는 100% 거치, FA0.75는 75% 거치, FA0.5는 50% 거치, FA0.25는 25% 거치를 의미한다. 실험은 2,000 kN과 4,000 kN 용량의 실험체에 대해서는 1회씩 수행하고, 3,000 kN 용량의 실험체에 대 해서는 3회 반복하여 실험 결과에 대한 재현성을 확인하고자 하였다.

3.2 실험 방법

AASHTO LRFD Bridge Construction Specification[9]의 받침 마찰실 험 절차에 따라 을 수행하였다. 받침에 일정한 수직하중을 가력한 상태에서 실험체에 전단변위를 12번 반복하는 동안 실험체의 하중과 변위를 측정하고, 이를 이용하여 마찰계수를 계산하게 된다. 실험은 공인시험기관인 한국건설 생활환경시험연구원에서 Fig. 9의 압축-전단시험기를 이용하여 수행하였다.

압축-전단 실험에서는 받침 용량의 70%에 해당하는 수직하중을 재하한 상태에서 ±25.4 mm의 수평 변위를 12 cycle 반복하면서 실험체의 하중과 변위를 측정하였다. 받침 용량별로 FA를 1(100% 위치 유지), 0.75(75% 위 치 유지), 0.5(50% 위치 유지), 0.25(25% 위치 유지)로 변화시키면서 압축- 전단 실험을 수행하였다. FA 수준에 따른 실험 전경은 Fig. 10에 나타내었다.

4. 실험 결과

4.1 압축-전단 실험 결과

Figs. 11~13은 받침 용량별로 마찰요소 거치비율(FA)에 따른 하중-변 위 곡선을 나타낸 것이다. 하중-변위 곡선에서는 일반적으로 받침의 슬라이 딩이 시작하는 이탈점(breakaway point)을 보이고, 이후 슬라이딩 구간에 는 어느 정도 일정한 마찰하중을 유지한다. Table 4에는 FA 정도에 따른 압 축-전단 실험에서의 최대 수평하중을 나타내었다. 측정 결과에 따르면 FA 값이 낮아질수록 실험체에 슬라이딩 구간에 측정된 최대 수평하중이 커지 는 경향을 보인다. A2000 받침의 경우 마찰요소가 정 위치를 유지하는 FA1에서 최대 수평하중은 8.76 kN를 나타냈다. 반면, 마찰요소의 이탈을 모사한 FA0.75는 14.91 kN, FA0.5는 65.22 kN, FA0.25는 235.49 kN까 지 증가하였다. 즉, 마찰요소가 정위치를 유지하지 못하고 이탈하여 25% 만 위치를 유지하는 경우에는 건전한 상태(FA1, 8.76 kN)와 비교하였을 때 최대 수평하중이 약 27배까지 증가하는 것으로 나타났다.

4.2 마찰요소 돌출 정도에 따른 마찰계수

마찰계수는 실험체의 각 cycle마다 수직하중과 슬라이딩 구간의 최대수 평하중을 이용하여 식 (1)을 이용하여 계산하고 Table 5에 나타내었다. 여 기서, F_d,max, F_d,min 는 개별 cycle에서의 최대수평하중과 최소수평하중, P는 수직 재하하중 크기이다.

Table 5에는 cycle별 마찰계수와 함께 AASHTO LRFD Construction Specifications에 따라 6~12번째 cylce 평균을 함께 나타내었다. 결과에 따르면 동일 용량의 받침에서 마찰요소 돌출 정도가 증가하면 마찰계수가 증가한다. FA 값이 동일한 상태에서 받침 용량과 마찰계수 사이에는 의미 있는 상관관계는 찾을 수 없었다.

마찰요소가 적용된 받침의 검증을 위하여 KDS 24 90 11 교량 기타시설 설계기준(한계상태설계법)에서는 슬라이딩 마찰계수를 규정한다. PTFE와 스테인리스 접합인 경우에 마찰 계수는 접촉 응력에 따라 0.08~0.03 범위를 제안하고 있다. Fig. 14는 FA 수준에 따른 마찰계수와 함께 해당 받침들의 허 용 마찰계수(0.08)를 함께 나타내었다. 마찰요소가 정 위치를 유지하는 FA1 에서의 마찰계수는 허용치 대비 5~7% 수준으로 매우 낮았으나, 마찰요소의 이탈 정도가 증가할수록(즉, FA 값이 작아질수록) 마찰계수 값은 커지면서 FA0.5에서는 일부 실험체의 마찰계수가 허용치를 벗어나고 FA0.25에서는 모든 실험체가 마찰계수 허용치를 벗어나는 것을 확인할 수 있었다.

5. 결 론

이 연구에서는 마찰요소가 적용된 받침을 중심으로 받침부의 공용 중 이상 거동 사례를 조사하고, 일방향 포트받침 실험체를 대상으로 마찰요소 의 이탈 정도를 모사한 압축-전단 실험을 수행하여 다음의 결과를 얻을 수 있었다.