교량받침과 신축이음: 설치한 날의 온도가 완성된 교량의 유간을 정한다

교량받침과 신축이음은 상부구조가 움직이는 것을 전제로 두는 장치다. 받침은 "상부구조의 하중을 하부구조로 전달시키고, 하중·회전·크리프·건조수축·온도수축 등에 의한 상부구조의 이동을 가능하게 하는 부속시설"이고, 신축이음장치는 그 신축량을 수용하면서 "이음부의 평탄성을 유지"하는 장치다.

그래서 이 두 장치의 시공기준에는 다른 부재에 없는 조건이 붙는다 — 설치할 때의 온도다. 같은 도면으로 만든 신축이음이라도 여름에 설치한 것과 겨울에 설치한 것은 유간을 다르게 잡아야 한다.

세 가지 상황에서 확인한다. ① 신설 교량의 상부구조 거치와 포장 — 받침 위치와 유간이 이때 결정된다. ② 장대교량의 단계별 시공 — 유간을 잡은 시점과 설치를 끝낸 시점 사이에 상부구조가 움직인다. ③ 유지관리 — 받침 이동량 초과와 신축이음 누수는 점검에서 가장 자주 나오는 항목이다.

이 글은 KCS 24 41 05 교량받침(한계상태설계법)과 KCS 24 41 10 신축이음(한계상태설계법)의 조문을 인용한다. 유간 산정식과 재료 규격표는 옮기지 않았다.

1. 받침의 종류는 무엇을 허용하느냐로 갈린다

KCS 24 41 05의 용어 정의는 받침을 구속과 허용으로 구분한다.

용어정의

받침상부구조의 하중을 하부구조로 전달시키고, 하중·회전·크리프·건조수축·온도수축 등에 의한 상부구조의 이동을 가능하게 하는 부속시설

가동받침일방향 혹은 양방향으로 이동이 가능한 받침

고정받침양방향 모두 이동이 제한된 받침

스페리컬받침한쪽 접촉면은 평면, 다른 쪽을 구면으로 하여 평면접촉부는 신축기능, 곡면접촉부는 회전기능을 갖게 한 받침

탄성받침탄성체의 변형에 의해 변위나 회전이 가능한 교량 받침

정의에 열거된 이동의 원인이 다섯 가지라는 점이 중요하다 — 하중, 회전, 크리프, 건조수축, 온도수축. 온도만이 아니라 프리스트레스트 콘크리트에서 다룬 크리프와 건조수축도 상부구조를 줄인다. 이 변형은 시간이 지나면서 한 방향으로 누적되므로, 설치 시점의 온도만 보고 유간을 잡으면 몇 년 뒤 유간이 사라진다.

스페리컬받침의 정의는 한 장치가 두 기능을 어떻게 나누는지를 그대로 보여 준다. 평면끼리 닿는 면에서 미끄러져 신축을 받고, 구면끼리 닿는 면에서 돌아 회전을 받는다. 기능을 면으로 분리했기 때문에 서로 간섭하지 않는다.

2. 설치 시 유간은 설치 전 며칠간의 그늘 온도로 정한다

신축이음의 유간은 설계 도면에 적힌 값을 그대로 쓰지 않는다. 기준은 설치 시 유간을 따로 정의한다 — "신축이음장치의 설치 시의 온도 및 건조수축 등 환경조건을 고려하여 조정된 유간"(1.3).

신뢰할 만한 자료가 없는 경우, 설치 시 온도는 콘크리트 구조물에서는 신축이음 설치 전 48시간 동안 구조물 아래 그늘의 평균온도를 취해야 하고, 주부재가 강재인 구조물에 대해서는 신축이음 설치 전 24시간 동안의 평균온도를 취하여야 한다. — KCS 24 41 10, 3.3.1 (1)

신뢰할 만한 자료가 없는 경우, 설치 시 온도는 콘크리트 구조물에서는 신축이음 설치 전 48시간 동안 구조물 아래 그늘의 평균온도를 취해야 하고, 주부재가 강재인 구조물에 대해서는 신축이음 설치 전 24시간 동안의 평균온도를 취하여야 한다. — KCS 24 41 10, 3.3.1 (1)

콘크리트는 48시간, 강재는 24시간이다. 콘크리트가 두껍고 열용량이 커서 기온을 따라가는 데 더 오래 걸리기 때문이다. 그리고 그늘을, 그것도 구조물 아래의 온도를 본다. 직사광선을 받는 상면 온도가 아니라 부재 전체의 평균 상태에 가까운 값을 쓰겠다는 것이다.

현장에 들어온 제품의 유간은 이 값에 맞춰 다시 조정한다. 기준은 제품의 유간 조정량 = 설치 시 유간 − 반입 시 제품의 유간으로 계산하도록 규정한다(3.3.2 (2)). 공장에서 어떤 유간으로 조립되어 왔든, 현장에서 그 차이만큼 벌리거나 좁혀서 설치한다.

장대교량에는 조건이 하나 더 붙는다 — "설치 시 온도의 부정확성과 신축이음 유간 설정 시기와 신축이음 설치 완료 시기 사이에 발생할 수 있는 상부구조의 이동에 대응하도록 규정된 신축이음 유간에 허용오차를 포함시켜야 한다"(3.3.1 (2)). 그래서 같은 조문이 "최단 시간 내에 신축이음 조정과 설치가 가능한 장치, 세목 및 절차를 우선적으로 고려"하라고 요구한다(3.3.1 (3)). 조정에서 설치까지 걸리는 시간 자체가 오차의 원인이다.

그리고 방향이 정해진 요구가 있다.

신축이음은 설치 시 온도를 고려하여 유간을 결정하여야 하며 어떠한 경우에도 유간이 축소되지 않도록 시공하여야 한다. — KCS 24 41 10, 3.5.1 (2)

신축이음은 설치 시 온도를 고려하여 유간을 결정하여야 하며 어떠한 경우에도 유간이 축소되지 않도록 시공하여야 한다. — KCS 24 41 10, 3.5.1 (2)

유간이 좁아지면 상부구조가 팽창할 자리가 없어지고, 그때는 신축이음이 아니라 거더와 교대가 서로를 미는 상태가 된다.

3. 검사기준은 밀리미터로 쓰여 있다

받침은 설치 정밀도가 곧 성능이므로, 검사기준이 수치로 규정되어 있다.

검사항목콘크리트교강교

받침 중심간격 (교축직각방향)±5 mm4 + 0.5(B−2) mm

가동받침의 이동가능량설계이동량 + 10 mm 이상

가동받침의 교축방향 이동편차 · 동일 받침선 상의 상대오차5 mm

설치 높이±5 mm

교량 전체 받침의 상대높이 오차6 mm

단일 box를 지지하는 인접 받침의 상대높이 오차3 mm

받침의 수평도 · 포트받침1/300

받침의 수평도 · 기타 받침1/100

앵커볼트의 연직도1/100

표 3.1-1의 값이다(B는 받침 중심간격, 단위 m). 세 항목이 특히 눈에 띈다.

가동받침의 이동가능량은 설계이동량 + 10 mm 이상이다. 설계에서 계산한 이동량을 그대로 쓰지 않고 10 mm를 더한다. 설치 오차와 온도 예측의 오차를 흡수할 여유이고, 이 값이 부족하면 받침이 스트로크 끝에 닿아 가동받침이 고정받침처럼 거동한다.

단일 box를 지지하는 인접 받침의 상대높이 오차 3 mm는 교량 전체 기준 6 mm의 절반이다. 하나의 상자형 거더를 두 받침이 받칠 때 높이가 어긋나면 반력이 한쪽으로 몰리고 거더에 비틀림이 생긴다. 전체 높이는 조금 어긋나도 되지만 한 부재를 받치는 두 점은 어긋나면 안 된다.

포트받침의 수평도만 1/300으로 다른 받침(1/100)의 3배 엄격하다. 포트받침은 밀폐된 고무를 유체처럼 써서 회전을 받는 구조라, 기울어지면 내부 고무의 압력 분포가 한쪽으로 몰린다.

측량 조문에도 실무 조건이 들어 있다 — "교량의 경우 시준거리가 길기 때문에 오차를 줄이기 위하여 전후를 교차로 시준하여 수준측량을 하여야 한다"(3.1.2 (6)). 지간 측량에서 오차가 나면 감독자의 승인을 얻어 오차를 배분해 받침 중심위치를 정한다(3.1.2 (4)).

4. 탄성받침은 200만 회를 견뎌야 한다

탄성받침은 완제품 성능시험을 통과해야 한다. 표 3.2-2의 항목 중 조건이 구체적인 것들이다.

시험항목기준조건

압축반복 재하 (피로시험)압축계수 증가율이 시험 전의 +12% 이내, 접착흠·균열 등의 결점이 없을 것2,000,000회, 주파수 3 Hz 미만, 응력변화 7.5~25 MPa

전단계수0.7 · 0.9 · 1.15 MPa23℃±2℃ (형식시험)

저온전단계수 증가가 규정값 이내−25℃±2℃에서 7일간 냉각

노화 후전단계수 증가 +0.15 MPa 이하70℃에서 3일간

전단부착최대 변형률에서 고무의 균열이 없을 것대기온도 및 노화 후

복원모멘트시험설계값 이내압축하중 7 MPa, 회전 0.03 Hz 이하로 10회 반복재하

오존저항시험균열이나 부착결함이 없을 것—

시험 조건이 온도와 시간으로 짜여 있다는 점이 특징이다. 저온에서 7일, 고온에서 3일. 고무는 강재와 달리 온도와 시간에 따라 성질이 변하므로, 상온에서 한 번 측정한 값만으로는 30년 뒤의 거동을 보장하지 못한다.

피로시험의 주파수 3 Hz 미만과 복원모멘트시험의 0.03 Hz 이하도 목적이 다르다. 고무는 재하 속도에 따라 강성이 달라지므로, 빠르게 시험하면 실제보다 뻣뻣한 값이 나온다. 느리게 재하해서 실제 교량이 겪는 속도에 가깝게 맞춘 조건이다.

5. 신축이음은 물을 막는 장치이기도 하다

신축이음의 조문 중 상당수는 이동이 아니라 물을 다룬다. 이음부는 상부구조에서 유일하게 열려 있는 곳이고, 그 아래에 받침과 교대 코핑이 있다.

설치 후 최종 승인 전에 감독자의 입회하에 누수시험을 실시한다(3.1.1 (5)).

노면수가 하부구조로 유입되지 않도록 필요시 신축이음 단부를 적절한 높이까지 연장하거나 단부에 배수장치를 설치한다(3.1.3).

봉함재는 중간에 현장이음이 없이 반입되어야 한다(3.2.2 (3)). 신축이음과 봉함재는 완전히 조립된 상태로 현장에 들어온다.

18 m보다 긴 봉함재를 쓰거나 단계별 시공을 하면 현장이음 설계상세를 따르고, 현장이음은 차량 바퀴가 지나가는 곳을 피한다(3.4.1).

고무 신축이음에서 현장이음이 불가피하면 이음부를 가황처리한다(3.4.1 (5)).

융빙제에 노출되는 신축이음은 고장력볼트를 제외한 나머지를 도장 처리하거나 스테인리스 등 내부식성 재료로 만든다(2.2 (2)).

봉함재를 이어 붙이지 못하게 하는 것이 이 규정들의 핵심이다. 이음부가 곧 누수 지점이므로, 길이 18 m까지는 한 부재로 만들고 그보다 길면 이음 위치를 설계에서 정한다. 그리고 그 위치는 차륜 아래를 피한다 — 반복 충격이 실리는 자리에 이음을 두면 피로로 먼저 벌어진다.

블록아웃부 시공에도 순서가 있다. 포장 시공 중에는 모래 등으로 임시로 채워 노면 평탄성을 유지하고, 포장이 끝나면 커팅해서 포장체 균열을 막고 모래와 이물질을 제거한다(3.5.1 (4)(5)). 타설하는 콘크리트는 바닥판보다 강도가 높고 유동성이 우수한 무수축콘크리트이며, 타설 온도는 5℃ 이상이어야 한다(3.5.1 (7)).

제출물에도 문턱이 있다 — 계산된 총 이동량이 45 mm 이상인 신축이음은 제작도면을 감독자에게 제출해 사전 승인을 받아야 한다(1.4 ⑤). 이동량이 커지면 모듈러형처럼 부품이 늘어나므로, 제작 단계에서 확인 절차가 하나 더 붙는다.

6. 정리

받침은 이동을 허용하기 위한 장치다 — 하중·회전·크리프·건조수축·온도수축의 다섯 가지 원인을 정의가 명시한다.

설치 시 온도는 그날 기온이 아니다 — 콘크리트 구조물은 설치 전 48시간, 강구조물은 24시간의 구조물 아래 그늘 평균온도.

유간은 어떤 경우에도 축소되면 안 된다. 현장 제품은 설치 시 유간에서 반입 시 유간을 뺀 만큼 조정해 설치한다.

가동받침의 이동가능량은 설계이동량 + 10 mm 이상이다.

단일 box를 받치는 인접 받침의 상대높이 오차는 3 mm로 전체 기준 6 mm의 절반이고, 포트받침의 수평도는 1/300으로 다른 받침의 3배 엄격하다.

탄성받침은 200만 회 압축반복 재하를 견디고 압축계수 증가율이 +12% 이내여야 한다. 저온은 −25℃ 7일, 노화는 70℃ 3일.

신축이음 봉함재는 현장이음 없이 반입한다. 18 m를 넘거나 단계별 시공이면 현장이음 상세를 따르고, 위치는 차륜 아래를 피한다.

설치 후 누수시험을 감독자 입회하에 실시하고, 총 이동량 45 mm 이상이면 제작도면 사전 승인을 받는다.

이 두 기준이 보여 주는 것은, 움직이도록 만든 장치일수록 설치가 설계를 대신할 수 없다는 점이다. 받침의 이동가능량과 신축이음의 유간은 도면에 적힌 숫자가 아니라 설치한 날의 온도와 밀리미터 단위의 정밀도로 결정되고, 한 번 잘못 잡으면 상부구조 전체가 그 오차를 안고 30년을 간다. 그래서 조문의 상당 부분이 강도가 아니라 측량·온도·검사·시험에 배정되어 있다.