KR20080008750A

KR20080008750A - 기계식 댐퍼를 겸비한 면진받침장치 및 이를 이용한면진시공방법

Info

Publication number: KR20080008750A
Application number: KR1020060068397A
Authority: KR
Inventors: 김윤환; 조서연; 이재준; 홍사옥; 이관용; 엄영호
Original assignee: 주식회사 용마엔지니어링; 주식회사 오케이컨설턴트
Priority date: 2006-07-21
Filing date: 2006-07-21
Publication date: 2008-01-24

Abstract

본 교량받침은 하부구조물에 전달되는 지진력을 더욱 효과적으로 감소 시킬 수 있게 되고, 온도변화 및 차량하중에 의한 상부구조물의 수평방향 변위를 허용할 수 있도록 고정단 교각을 중심으로 지진하중 분산장치를 적절히 배열하면 면진받침으로서의 효과를 얻을 수 있게 된다. 또한 본 장치를 기존탄성패드에 적용시 상부하중을 감쇄시킬 수 있으며, 예측하지 못한 큰 변위가 발생시 이를 방지할 수 있는 이탈방지기능을 겸비할 수 있다.

면진받침, 상부해드, 탄성체, 가공장치, 강공

Description

기계식 댐퍼를 겸비한 면진받침장치 및 이를 이용한 면진시공방법{Device for bearing earthquake and method of using it}

본 발명은 설계하중을 지지하면서 지진시 수평하중의 재분배와 저항능력을 증진시킴으로 상부구조가 교량받침으로부터의 이탈방지와 지진하중에 대한 저항능력을 증대시킨 면진받침에 관한 발명이다.

본 발명은 지진하중으로 인한 교량받침의 기능을 유지할 수 있도록 하였고, 지진으로 인한 수평하중을 효과적으로 완화하면서 각각의 교각에 하중이 분담될 수 있도록 하는 면진개념을 적용시킨 발명이다.

기존에 시공된 대부분의 교량들은 지진하중을 고려한 내진설계가 되어 있지 않은 상태로 상부구조물의 수평방향의 변위에 의하여 발생되는 수평하중을 고정단 교각이 수평하중 모두를 부담하도록 시공되어 있다.

기존의 지진하중 분산장치는 상부구조물과 하부구조물을 강선으로 연결하였기에 지진 발생시 연결장치 및 상부구조물과 하부구조물에 충격을 유발하여 오히려 손상정도가 켜지게 됨은 물론 충격완화를 위하여 사용하는 유압 충격완화장치의 정상 작용여부를 점검하기가 매우 곤란하게 되는 등의 문제가 있었고,

아울러 지진 발생시 상부조물의 낙교를 방지하기 위하여 교각에 전단키를 설치하는 경우 상부구조물의 낙교는 어느 정도 방지할 수 있게 되지만 지진하중을 주변 가동단 교각에 분산하지는 못하게 되는 문제가 있었고,

탄성받침은 상판의 변위 및 하중을 감쇄 또는 상쇄시켜서 교각 및 교대측에 충격하중이 전달되지 않도록 하고 있으나, 이들은 지진하중에 의한 과도한 변형(전단변형)을 저항할 수 없는 문제점이 있다.

특히, 현재까지 우리나라에서는 교량이 파손될 정도로 큰 지진이 없었으므로 이에 대한 대비가 미흡한 점이 있다.

따라서, 기존교량의 받침을 적용할 경우 지진하중에 대한 수평하중의 저항증대와 초과변위에 대한 저항력을 유지할 수 있는 것으로 판단된다.

본 장치를 기존 포트받침, 오일레스 받침 등에 설치를 하면 지진 발생시 상부구조물의 수평변위에 의하여 발생되는 수평하중을 고정단과 가동단 교각으로 지진하중을 분산시킬 수 있게 되므로 내진설계가 되어 있지 않은 기존의 교량에 적용하는 경우에는 지진력에 의한 하부구조물에 작용하는 하중을 최소화 할 수 있게 되고,

신설되는 교량에 적용하는 경우에 고정단 교각의 단면을 감소시킬 수 있어 경제성을 확보 할수 있게 되며,

지진 발생시 수평하중의 분산으로 상부구조물의 수평변위를 수평변위를 감소시킬 수 있게 되므로 상부구조물의 종방향 낙교를 방지 할 수 있는 있음.

따라서, 본 교량받침은 하부구조물에 전달되는 지진력을 더욱 효과적으로 감 소 시킬 수 있게 되고, 온도변화 및 차량하중에 의한 상부구조물의 수평방향 변위를 허용할 수 있도록 고정단 교각을 중심으로 지진하중 분산장치를 적절히 배열하면 면진받침으로서의 효과를 얻을 수 있게 된다. 또한 본 장치를 기존탄성패드에 적용시 상부하중을 감쇄시킬 수 있으며, 예측하지 못한 큰 변위가 발생시 이를 방지할 수 있는 이탈방지기능을 겸비할 수 있다.

기존 공법을 설명하면 다음과 같다.

기존의 내진보강 차트

위의 차트를 보게 되면 내진보강은 크게 기초, 교각, 교좌장치(받침부) 세가지에 대하여 검토를 하게 되어있고, 우리가 주로 적용을 시키고 하는 방안은 교좌장치방안이다.

고정단의 기둥보강을 하여 지진에 저항하도록 하는 방안이 우선시 되고 있으나, 현장 여건상 또는 모든 지진력을 고정단 교각에서 다 버티게 하는 것은 무리가 있기 때문에 가동단의 교각도 같이 저항할 수 있게 하는 방법이 받침부의 내진설계 이다.

받침부는 교량상,하부구조의 접점이므로 지진시 받침부의 피해는 낙교라고 하는 큰 사고를 초래할 우려도 있다. 따라서 받침부의 내진설계는 상,하부 구조간의 지진력을 확실히 전달 할 뿐만 아니라 낙교를 방지하는 것을 전제로 해야 한다.

현재 낙교방지를 위해서는 교각 및 교대의 연단거리를 확보하는 방안, 가동받침의 이동제한장치를 설치하는 방안, 거더와 하부구조를 연결시키는 방안등 여러 가지가 나와있다.

하지만 이러한 방법들은 낙교는 막을 수 있을지 몰라도 지진하중을 여러 교각으로 분산시키거나 저감시키는 기능이 없기 때문에 별도의 장치가 필요하며, 다음에 언급되는 장치 등에는 낙교방지구조를 가지고 있어야 한다.

1) 지진영향을 여러교각으로 분산시키는 구조

a. 다각고정방식

- 다점고정으로 상부구조의 관성력을 분산시키는 것이 내진설계상 유리해진다.

문제점 : 온도변화, 건조수축, 크리프등에 의한 부정정응력이 증대하기 때문 에 충분히 검토가 필요하다.

b. 강연선의 탄성변형을 이용한 구조

- 연속거더를 일반적으로는 전부 가동받침으로 지지하고, 상부구조를 강연선 등에 의해 하부구조에 연결하여 탄성고정으로 한 것

- 강연선에 따라 상부구조의 온도변화 등에 의해 신축이 어느 정도 방해되지만 거더단면에 비해 강선의 단면이 훨씬 작기 때문에 거의 문제가 되지 않는다.

문제점 : 정착단 부위에서의 손상으로 인하여 오히려 하부구조에 더 큰 손상이 발생될 우려가 있음.

c. 고무받침을 이용한 구조

- 고무의 강성을 이용하여 상부구조의 관성력을 복수의 하부구조에 분산시키는 구조이다.

- 고무받침은 활동하지 않는다는 조건아래 관성력에 대해서 고무의 강성을 스프링으로 모델화하고, 고무의 전단변형량에 응한 수평력이 하부구조에 전달되는 것으로 생각한다.

문제점 : 수평력을 전단변형량으로 대응시키기 때문에 과도한 전단변형량 발생시 신축이음부에서 파손이 발생될 우려가 있고, 전단변형량을 충분히 발생시켜주기 위해서 고무패드의 높이가 두꺼워지는 단점이다.

- 이미 온도하중에 의해 전단변형이 발생되어 전단응력을 받고 있는 경우, 지진하중이 발생이 되면, (온도에의한 전단변형+지진력에 의한 전단변형)이 되어 허용변위를 초과를 할 우려가 있다.

- 포트슈를 탄성패드로 교체시 면적이 커지기 때문에 교각의 단면확대를 병행해야 하는 경우가 발생한다.

2) 지진영향을 감쇄시키는 구조

a. 오일댐퍼, 점성스토퍼

- 거더와 가동단 교각을 연결하여, 소요의 감쇠저항을 갖고 지진에 의한 수평력을 각 교각에 분산시키는 것이다.

- 온도변화, 크리트, 건조수축 등에 의한 거더의 신축과 같은 완만한 움직임에 대해서는 거의 저항하지 않으나, 지진동과 같은 급격한 운동에 대해서는 저항이 크기 때문에 지진력을 가동교각에도 전달 할 수 있다.

- 현재 포트슈나 오일레스슈로 시공되어져 있는 교량의 내진보강에 적합하다.

문제점 : 정상 작용여부를 점검하기가 매우 곤란하게 되어 있다.

내구성에 대한 부분이 검증이 어렵다.

자재비 및 시공비가 고가이다.

b. LRB ( Lead-Rubber Bearings)

- 탄성패드 중심에 납으로 된 바를 설치하여 지진하중등의 큰 하중이 발생되 었을 때 고무패드 사이의 납이 변형 또는 항복되어 에너지를 분산시켜 지진영향을 감쇄시켜 복수의 하부교각에 지진하중을 적게 작용되게 한다.

- 큰 하중에서도 대처 할수 있는 전단변형량을 확보하고 있다.

문제점 : - 기존 교좌장치를 교체시 LRB고무패드의 높이가 일반 탄성패드보다도 높기 때문에 기존 확보되어 있는 형하공간내에서는 설치가 어렵다.

( 135ton용 일반 탄성패드 높이 5- 8cm , LRB높이 15 - 20cm )

- 기존 교좌장치 교체시 LRB의 전단변형만큼의 신축이음의 공간이 확보되어 있지 않다.

본 발명은 탄성체의 마찰변동에 의한 지진에너지를 열에너지로 소산에 의한 하부구조 지진력을 감소시키는 기능과 헤드와 탄성체의 압축변형시 스프링작용에 의한 각각의 교각으로의 하중분산효과와 최종 이동장치의 변위제어를 할 수 있는 기계식댐퍼를 겸비한 면진장치 및 그 시공방법에 관한 내용으로서, 신설교량에 적용할 경우와 기존 교량의 교좌장치를 교체할 경우, 기존 교좌장치와 교좌장치 사이에 사용할 경우에 모두 적용이 가능하다.

장치의 구성은 크게 UPPER PLATE와 BASE PLATE, 상부헤드, 하부헤드, 탄성 체, 강봉쐐기, 가동장치, 강봉, 교좌장치등으로 구성이 되며,

UPPER PLATE에는 상부헤드와 강봉, 요철이 설치된 탄성체, 강봉등이 설치가 되고, BASE PLATE에는 요철이 있는 하부헤드가 설치가 된다.

그리고, UPPER PLATE와 BASE PLATE 사이에는 탄성패드나 포트교좌장치등이 설치 될 수 있다.

1. 탄성체와 하부헤드의 요철작용

온도변위를 넘어서 부턴 탄성체와 하부헤드의 요철 작용에 의해 탄성체의 요철부위에서는 지진에너지가 변형에너지 및 마찰에 의한 열에너지로 소산이 되어 하부구조무로 지진력을 감소시켜 전달시킬 수 있다.

2. 가동장치와 탄성체의 수평방향스프링계수의 증대

가동장치는 설계지진력의 이하수준(약 50%)에서 가동이 가능하게끔 설치를 하여 설계지진력 이상의 수평력이 작용되어 설계변위를 넘어선 변위발생시 탄성체가 압축변형을 일으켜 수평방향스피링계수값을 증대시킬 수 있게 함으로서 좀더 확실하게 지진력을 각각의 교각으로 하중분배를 원할히 할 수 있도록 유도시킬 수 있다.

3. 강봉쐐기 및 상,하부헤드의 접촉에 의한 이동제한기능

설계수평력에 약 1.5배이상의 수평력이 작용되어도 탈락되지 않도록 설계를 해 교좌장치에서 탈락에 의한 상부구조물의 낙교를 막을 수 있다.

(장점 )

위의 발명을 적용시킬 경우, 탄성체의 휨변형에 의한 에너지 소산에 의해, 지진하중을 감소시킬 수 있으며, 탄성체의 압축변형에 의해 하중 분배효과를 얻을 수 있고, 시공비를 대폭으로 절감시킬 수 있다.

(시공)

본 발명은 일반적인 탄성패드나 포트교좌장치의 기능에 면진기능을 추가하였기 때문에 같이 설치가 될 수 있지만, 기존 교좌장치와 교좌장치 사이의 공간에 교좌장치를 제외한 나머지 장치만 별도 설치하여 기능을 발휘 할 수 있다.

위 공법은 기존교량에 적용시는 상부주형의 측면에 장치가 설치된 UPPER PLATE를 고정을 시키고, BASE PLATE는 기존 교좌장치의 BASE PLATE 옆에 설치를 하여 사용할 수가 있고, 또는 가로보하단에 설치를 하여 시공을 할 수 있다.

장치의 구체적인 설명은 다음과 같다.

위의 그림은 양방향에 대하여 면진보강을 실시한 사례이다.

기존탄성패드의 설계변위는 60mm로 이고, 온도 및 활하중에 의한 변위는 28mm이다.

2.8cm 내에서는 큰 구속없이 신축이 발생되면, 28mm이상 변위부터는 탄성체 와 가동용헤드의 요철부분에서 마찰 및 탄성체의 변형에 의한 열에너지가 소산된다.

( 상세 A에서의 거동 )

탄성체는 우레탄 또는 탄성고무등을 사용할 수가 있고, 가동용 및 고정용 헤드는 강재를 사용하여 요철을 둔다.

지진에너지가 탄성체와 강재의 요철 작용에 의해 변형에너지 및 열에너지로 소산이 되어 감소가 되며, 이에 의해 하부구조물에는 최초 지진에너지가 아닌 감소된 에너지가 전달이 된다.

강봉쐐기는 볼트식도 가능하고, 압출에 의한 고정방식도 가능하다. 또한 탄성체는 상세 A에서와 같이 변형에 의하여 에너지를 소진시킬수 있다.

가동장치는 고정이 되지 않고 약 설계지진력의 50%수준에서 가동한다. 다음에 설명되는 상세 C에서 설계변위 6cm 가 넘어서는 변위에 대해서는 탄성체가 가동용헤드와의 요철작용에 의한 변형이 아닌 탄성체 자체의 탄성변형률에 의하여 스프링역활을 해줄 수 있다.

상세 B는 7cm 까지 변위 발생 후 상부헤드와 하부헤드가 접촉에 의해 낙교가 방지되는 역할에 대하여 설명한 그림이고, 상세 D는 6cm 변위발생후 7cm 변위까지 탄성체의 압축에 의한 스프링작용에 의해 하부구조로 하중을 전달 시켜 주는 그림이다.

위의 설명은 예시를 통하여 설명을 한 경우이고, 위 장치는 요철에 의한 탄성체의 휨변형에 의한 에너지 소산 및 탄성체의 압축변형에 의한 하중 분배효과, 상부헤드와 하부헤드의 접촉에 의한 낙교방지효과를 얻을 수 있는 장치이다.

이 장치는 다음과 같은 내진 보강에 적용 가능하다.

1) 기존에 포트받침으로 시공되어 있는 경우

대부분의 경우가 교축방향에 대해서는 교좌장치 및 고정단 교각에서 N.G가 발생되었다.

교축직각방향에서는 가동단의 교각도 같이 저항하기 때문에 교좌장치에서는 N.G이고, 교각에서는 O.K가 나왔다.

- 타공법 적용시 문제점

a. 탄성패드로 교체시 받침면적이 커지므로 교각의 단면확대공을 겸해야하는 경우가 발생한다.

b. 마찰형 포트받침으로 교체하는 경우, 하중 분담효과가 충분하지 않은 경우가 발생한다.

c. 유압식 댐퍼를 설치할 경우, 공사비가 고가이고, 유지관리가 어렵다.

(장점 )

이러할 경우 위의 발명을 적용시킬 경우, 탄성체의 휨변형에 의한 에너지 소산에 의해, 지진하중을 감소시킬 수 있으며, 탄성체의 압축변형에 의해 하중 분배효과를 얻을 수 있고, 시공비를 대폭으로 절감시킬 수 있다.

( 상부구조물 인상공, 무수축몰탈 깨기 및 타설공, 등이 제외되고, 자제비 원가가 타 공법에 비하여 상당히 저렴 )

설치는 교축방향에 대하여 설치 할 경우, 별도의 교각보강 없이도 하중분산효과에 의하여 충분할 것으로 판단되며, 필요에 따라서 내진보강이 필요한 축방향으로 설치가 가능하다.

2) 탄성받침에 적용시

기존의 탄성받침의 지진저항력을 향상시킬 수 있고, 하중분담률이 확실하며, 일반탄성패드 보다 면진기능을 향상시킬 수 있다.

- 양방향에 모두 설치 할 수 도 있지만 , 대부분의 교량에서 문제시 되는 부분은 교축방향에 대하여 문제시 되고 있으므로, 교축방향에 대해서만 시공을 하여도 내진 성능향상에는 큰 도움이 된다.

( 시공방법 - 기존 교좌장치 이용 )

위의 그림은 기존 교좌장치와 교좌장치 사이에 시공이 된 경우이다.

교좌장치만 제외시킨 기계식댐퍼를 별도로 설치하여 위의 기능을 그대로 겸비할 수 있다.

( 시공방법 - 기존 교좌장치 교체시 )

다음은 신설교량에 적용시 또는 기존교좌장치의 교체시 평상시 온도하중 및 활하중에 의해 고정단, 가동단으로서 거동을 할 수 있도록 설치한 예이다. 상기 표시된 전단키는 온도하중에는 저항을 하지만, 지진시에는 키가 탈락이 되도록 설계가 가능하다.

Claims

UPPER PLATE와 BASE PLATE, 상부헤드, 하부헤드, 탄성체, 강봉쐐기, 가동장치, 강봉, 교좌장치 등으로 구성이 되며, UPPER PLATE에는 상부헤드와 강봉, 요철이 설치된 탄성체, 강봉등이 설치가 되고, BASE PLATE에는 요철이 있는 하부헤드가 설치가 되고, UPPER PLATE와 BASE PLATE 사이에는 탄성패드나 포트교좌장치가 설치됨을 특징으로 하는 기계식 댐퍼를 겸비한 면진받침장치
UPPER PLATE와 BASE PLATE, 상부헤드, 하부헤드, 탄성체, 강봉쐐기, 가동장치, 강봉, 교좌장치 등으로 구성이 되며, UPPER PLATE에는 상부헤드와 강봉, 요철이 설치된 탄성체, 강봉등이 설치가 되고, BASE PLATE에는 요철이 있는 하부헤드가 설치가 되고, UPPER PLATE와 BASE PLATE 사이에는 탄성패드나 포트교좌장치가 설치됨을 특징으로 하는 기계식 댐퍼를 겸비한 면진받침 장치를 이용한 면진시공방법