충격분산장치와 감쇠장치 — 속도로 갈리는 두 장치의 시험과 설치

충격분산장치와 감쇠장치는 교량의 상부구조와 하부구조 사이에 끼워 넣어, 평상시에는 상부구조가 자유롭게 늘고 줄게 두고 지진이 왔을 때만 힘을 나누거나 삼키는 장치다. 둘 다 실린더 안에 피스톤이 들어 있고 그 안이 점성 유체로 차 있다. 겉모습은 거의 같다. 두 장치를 가르는 것은 속도다.

세 가지 상황에서 만난다. ① 연속교에서 상부구조의 신축은 그대로 두면서 지진 시 수평력을 여러 교각에 나눠 지고 싶을 때 — 충격분산장치를 넣는다. ② 기존 교량의 내진보강에서 교각을 키우기 어려울 때 — 점성감쇠장치로 에너지를 소산시킨다. ③ 두 경우 모두 설치가 끝난 뒤 장치가 제 성능을 내는지를 시공 단계에서 증명해야 할 때.

이 글은 KCS 24 41 30 충격분산장치(한계상태설계법)와 KCS 24 41 35 감쇠장치(한계상태설계법)의 조문을 인용한다. 건축물의 면진·제진 설계 조문은 면진·제진 구조에서 다뤘고, 여기서는 교량 장치의 자재·시험·설치를 본다.

1. 충격분산장치는 느린 변위를 통과시키고 빠른 변위를 잠근다

용어 정의가 장치의 동작을 그대로 서술한다.

충격분산장치:교량받침의 상판과 하판 또는 상부구조와 하부구조 사이에 연결 설치하여 평상시 상부 구조물의 온도변화, 건조수축 및 크리프에 의한 저속(0.01 mm/sec)의 변위에 대해서는 적은 반력(보통 10% 이하)의 발생으로 수용하고 지진 시, 제동 하중 등 충격하중에 대하여 급격한 변위의 발생을 억제하는 장치 — KCS 24 41 30, 1.3

충격분산장치:교량받침의 상판과 하판 또는 상부구조와 하부구조 사이에 연결 설치하여 평상시 상부 구조물의 온도변화, 건조수축 및 크리프에 의한 저속(0.01 mm/sec)의 변위에 대해서는 적은 반력(보통 10% 이하)의 발생으로 수용하고 지진 시, 제동 하중 등 충격하중에 대하여 급격한 변위의 발생을 억제하는 장치 — KCS 24 41 30, 1.3

속도가 문턱이다. 온도변화로 하루에 몇 밀리미터씩 움직이는 변위는 거의 저항 없이 지나가고, 지진처럼 순간적으로 들어오는 변위는 장치가 잠겨서 힘을 하부구조로 전달한다. 그래서 연속교에서 신축 이음의 자유도를 유지하면서도 지진 수평력을 여러 교각이 나눠 지게 만들 수 있다.

나머지 용어는 이 동작을 재는 눈금이다 — 최대 가동량은 장치가 수용할 수 있는 최대 변위량으로 "피스톤의 길이 및 실린더 길이에 따라 결정"되고, 저항력은 저속 변위 중 피스톤 헤드부에 발생하는 반력이며, 밀림 변위량은 "충격하중을 받아 잠긴 후 발생하는 변위량"이다.

장치를 쓰겠다는 결정 자체에 조건이 붙는다 — "충격분산장치를 사용하기 위해서는 내진 해석을 통한 구조물의 거동특성과 장치의 거동 특성을 확인하고 사용 적합성 여부에 대하여 감독관의 승인을 얻어야 한다"(1.1 (2)). 카탈로그에서 용량만 골라 넣을 수 있는 부재가 아니다.

2. 감쇠장치는 각도와 위치에 상관없이 속도로만 힘을 낸다

감쇠장치 기준은 적용 대상을 좁게 잡는다 — "이 기준은 내진보강의 목적으로 설치되는 점성감쇠장치에 관한 일반적인 사항에 적용한다"(KCS 24 41 35, 1.1 (1)). 다른 종류의 감쇠장치는 3장 시공 규정을 준용한다.

일반조건에 이 장치의 성격이 압축되어 있다.

(2) 스트로크의 위치나 설치각도에 관계없이 단지 속도에 의해서 감쇠력이 좌우되어야 한다.(4) 동적인 누출이나 작동하지 않는 정적인 상태에서의 누출이 없어야 한다.(5) 전체 스트로크 범위 내에서 동등한 성능을 유지하여야 한다. — KCS 24 41 35, 1.6

(2) 스트로크의 위치나 설치각도에 관계없이 단지 속도에 의해서 감쇠력이 좌우되어야 한다.(4) 동적인 누출이나 작동하지 않는 정적인 상태에서의 누출이 없어야 한다.(5) 전체 스트로크 범위 내에서 동등한 성능을 유지하여야 한다. — KCS 24 41 35, 1.6

피스톤이 실린더의 어디쯤 있든 같은 속도에는 같은 힘이 나와야 한다는 요구다. 스트로크 끝에서 힘이 달라지면 설계에서 가정한 이력곡선이 성립하지 않는다.

유지관리 조문은 설계에서 손댈 수 있는 것을 미리 잘라낸다 — 장치는 "사용수명 기간 동안 도장 등의 유지관리가 불필요한 것"이어야 하고, "외부의 유체저장탱크, 외부의 배관이나 유체수준 측정기 등은 유체의 누출을 방지하기 위해 허용되지 않는다"(1.7 (1)(3)). 유체를 보충하거나 눈으로 확인하는 구조를 금지하고, 대신 밀봉 자체를 시험으로 증명하게 한다. 동시에 "인력에 의한 설치, 제거 및 교체가 가능한 구조"여야 한다.

설치 길이에는 별도의 용어가 있다 — 프리셋팅량은 "감쇠장치 설치시의 온도와 상부구조의 잔여 크리프와 건조수축량을 고려하여 감쇠장치의 설치길이를 사전에 설정하는 값"이다(1.3). 설치 시점 이후에도 상부구조는 계속 줄어들므로, 그만큼을 미리 빼서 세워 둔다. 수급자가 프리셋팅량을 결정해 승인을 받은 뒤 설치한다(3.2 (2)).

3. 성능시험이 정의를 그대로 검사한다

두 기준 모두 모든 장치에 대해 시험을 요구한다. 충격분산장치는 "이러한 시험은 모든 충격분산장치에 대하여 시행하여야 한다. 단, 공사감독자가 승인하는 경우에 규격별로 1개 장치에 대하여 시험을 시행할 수 있다"(2.7 (1)). 감쇠장치도 같은 구조이고, 내구성시험만 유사용량의 시험성적서로 대체할 수 있다(2.3 (3)).

충격분산장치의 시험은 저속과 고속으로 분리된다(2.7 (2)).

저속 시험 — 실린더를 고정한 상태에서 피스톤에 0.01 mm/sec 이하의 속도로 최대 평상시 변위량을 가하고 변위와 반력을 연속 기록한다. 판정은 "발생 저항력은 충격분산장치 최대 공칭 축력의 10% 이하 혹은 하부 구조물의 허용 수평력 중 작은 값을 초과하지 않아야" 하는 것이다(2.7 (3)).

고속 시험 — 저속 시험이 끝난 같은 장치에 최대 공칭 축력의 1배 하중을 25 mm/s 이상의 속도와 0.4~0.8 Hz 사이의 주파수 가력 중 빠른 속도로 최소 20회 가한다. 판정은 "최대 밀림 변위량이 ±12 mm를 초과하지 않아야" 하는 것이다(2.7 (4)).

시험체의 확인 — 두 시험이 끝난 뒤 육안 검사하여 "피스톤 주위로 내부 충진재의 누출이 없어야" 한다(2.7 (5)).

저속 판정의 "둘 중 작은 값"이 핵심이다. 장치 자체가 10% 안에 들어와도 하부구조가 그만한 수평력을 못 받으면 그 값이 상한이 된다. 판정 기준이 장치가 아니라 장치가 붙는 구조물에서 나온다.

점성감쇠장치는 표 2.3-1에 다섯 가지 시험이 규정되어 있고, "KDS 24 12 21(4.11.1.1)의 온도범위 내에서" 그 성능기준을 만족해야 한다(2.3 (2)). EN 15129의 해당 규정도 준용할 수 있다.

시험조건판정

정압시험시험압력 설계하중의 1.25배, 유지시간 120초유체누출·성능저하 없을 것

저속시험시험속도 0.1 mm/sec 이하, 시험변위 설계값, 1회발생 저항력 설계감쇠력의 10% 미만

구성공식시험최대속도의 10 · 25 · 50 · 75 · 100%, 각 3회최대속도·최대감쇠력이 설계값 이내

감쇠효율시험최대속도, 설계지진변위, 5회이력곡선면적(EDC)을 설계값과 대조

실링마모시험전체 스트로크, 10,000회유체누출·실의 손상 없음

실링마모시험의 10,000회가 이 표에서 성격이 다르다. 나머지 넷은 지진 한 번을 흉내 내지만, 이 시험은 수십 년 동안의 온도 신축을 흉내 낸다. 지진에 견디는 장치가 아니라 지진이 올 때까지 살아 있는 장치를 검사하는 항목이다.

4. 재료는 강종으로, 밀봉은 시험으로 지정된다

두 기준의 자재 조문은 거의 같은 목록을 쓴다.

부품지정

실린더KS D 3517 STKM 13C와 동등 이상

피스톤KS D 3867 SCM 440과 동등 이상

밀봉판KS D 3515 SM 490B와 동등 이상

교량받침KS F 4424 또는 동등 이상 (충격분산장치)

앵커볼트KS B ISO 898-1 또는 설계도·특별 규정의 요구사항

마모방지 링 · 봉함 링 · 유출방지 링제작사의 시방에 준하되 완제품 성능시험으로 밀봉성능을 입증

내부 충진재제작사의 시방에 준하되 완제품 성능시험으로 잠김 성능을 입증

강재는 강종으로 지정하고, 링과 유체는 시험으로 지정한다. 실린더와 피스톤은 규격 강재로 못 박을 수 있지만, 밀봉 성능은 재질만으로 정해지지 않으므로 제작사 시방을 허용하되 완제품 상태의 시험으로 증명하게 한다.

실린더에는 가공 제한이 붙는다 — "내부에 발생되는 압력 및 하중작용 조건들을 충분히 견디도록 충분한 강도를 갖는 재료를 사용하여야 하며 성능에 영향을 줄 수 있는 용접 및 주조는 금지된다"(KCS 24 41 30, 2.2 (2)). 피스톤 로드는 "좌굴 및 인장/압축 응력에 저항하여야 하며, 스테인레스강 또는 동등 이상의 물리적 특성과 부식저항 능력이 있는 재질"을 쓰고, 유체는 "독성이 없으며 불연성인 재료"여야 한다.

제작허용오차는 연결판 쪽이 엄격하다 — 강판 연결판의 표면은 0.8 mm/m 이하로 평평하게 마무리하고, 산소용접기 절단면의 조도는 250×10⁻⁶ mm를 초과하지 않으며, 규격의 허용오차는 0~+3 mm 이내다(2.6).

5. 설치의 첫 조건은 교축방향과 평행

두 기준의 시공 1절이 같은 문장을 쓴다 — 장치는 "교축방향과 평행을 유지하도록 시공하여 교축직각방향의 분력이나 상하방향의 분력이 교량의 상하부 구조에 작용하지 않도록 하여야 한다". 비스듬히 앉은 장치는 설계에 없는 방향으로 힘을 만들어 낸다.

앵커볼트는 구멍을 먼저 만든다(KCS 24 41 30, 3.3).

"구멍은 볼트직경보다 50 mm 이상 큰 목편 또는 금속파이프 등에 기름을 칠해 매입하여 두고 콘크리트가 적절히 경화한 후에 제거하여 만든다. 앵커볼트 구멍의 직경은 100 mm 이상이어야 한다."

구멍을 만들 때 "교대 및 교각의 주철근을 절단하지 않아야" 한다. 승인을 받아 타설 후 천공하는 경우에는 "볼트직경 보다 25 mm 이상 크게" 한다.

"교대, 교각에 설치한 앵커볼트 구멍은 동절기에 파손되지 않도록 봉인하여야 한다." 빈 구멍에 물이 고여 얼면 콘크리트가 터진다.

"연결판 앵커볼트의 너트는 구조물이 자유롭게 팽창, 수축할 수 있도록 조절하여야 한다." 조여 버리면 장치가 통과시켜야 할 변위를 볼트가 막는다.

인장력을 받는 연결판은 앵커볼트를 먼저 설치한 후 콘크리트를 타설해 일체화를 도모하고, 앵커볼트 설치를 위해 보강철근을 절단했으면 절단 부위를 보강한다. 정착성능 검증을 요구받으면 수급자의 부담으로 인장·인발 시험을 한다.

연결판 밑은 무수축 모르타르로 채우고 "최소 7일 동안 습윤 양생"하며, "무수축 모르타르가 소요강도를 얻을 때까지는 연결판에 어떠한 하중도 가해져서는 안 된다"(3.4). 압축강도는 구조물의 강도 이상이어야 한다.

완성된 자리의 허용오차는 다음과 같다.

대상허용오차

충격분산장치 연결판 — 평평도수평이고 ±1/300 이내

충격분산장치 연결판 — 높이±5 mm 이하, 마무리면은 직선자로 측정해 어느 지점에서도 요철이 없을 것

감쇠장치 중심위치±5 mm

감쇠장치 이동가능량설계이동량 + 10 mm 이상

감쇠장치 설치 높이±5 mm

감쇠장치 수평도 (연직 및 수평)1/300

앵커볼트 연직도1/100

이동가능량 "설계이동량 + 10 mm 이상"이 다른 항목과 성격이 다르다. 나머지는 위치 오차의 상한이지만 이것은 여유의 하한이다. 시공 오차와 프리셋팅 오차가 겹쳐도 장치가 끝에 닿지 않도록 스트로크를 남겨 두라는 요구다.

설치가 끝나면 정규검사를 하고 결과를 제출한다(각 기준 3.7 / 3.4). 항목은 충분한 이동량, 육안손상, 균열·잘못된 위치·예상치 못한 이동이나 변형, 고정과 안치상태, 부식상태 및 불순물 침투상태, 그리고 장치별로 봉함 링과 유출방지 링의 상태(충격분산장치) 또는 피스톤과 실린더의 상태(감쇠장치), 마지막으로 장치로 인한 인접구조물의 손상이다. 마지막 항목은 장치가 아니라 장치가 붙은 콘크리트를 본다.

6. 정리

충격분산장치는 저속 0.01 mm/sec의 변위를 적은 반력으로 통과시키고, 충격하중에는 잠긴다. 감쇠장치는 상시에도 지진 시에도 속도에 비례해 힘을 낸다.

충격분산장치 사용에는 내진 해석을 통한 구조물·장치 거동 확인과 감독관 승인이 선행한다.

감쇠력은 스트로크 위치나 설치각도가 아니라 속도로만 결정되어야 한다. 외부 유체탱크·배관·유체수준 측정기는 허용되지 않는다.

저속 시험 판정은 최대 공칭 축력의 10%와 하부구조 허용 수평력 중 작은 값이다. 고속 시험은 25 mm/s 이상, 0.4~0.8 Hz, 최소 20회, 밀림 ±12 mm 이내.

점성감쇠장치는 정압·저속·구성공식·감쇠효율·실링마모 다섯 시험을 받는다. 실링마모는 전체 스트로크 10,000회다.

실린더 STKM 13C, 피스톤 SCM 440, 밀봉판 SM 490B는 강종으로, 링과 내부 충진재는 완제품 성능시험으로 지정된다. 실린더에는 성능에 영향을 줄 용접·주조가 금지된다.

교축방향과 평행이 설치의 첫 조건이고, 앵커볼트 구멍은 볼트직경 + 50 mm 이상이자 100 mm 이상, 타설 후 천공은 볼트직경 + 25 mm 이상이다.

무수축 모르타르는 최소 7일 습윤 양생하고 소요강도 전에는 연결판에 하중을 걸지 않는다.

감쇠장치의 이동가능량은 설계이동량 + 10 mm 이상으로, 유일하게 하한으로 규정된 허용오차다.

두 기준을 겹쳐 읽으면, 장치를 고르는 일과 장치를 앉히는 일이 같은 정밀도를 요구한다는 것이 드러난다. 저속 저항력을 10% 아래로 맞춘 장치라도 연결판이 1/300보다 기울어 있으면 교축직각방향 분력이 생기고, 스트로크 여유가 10 mm 없으면 프리셋팅 오차 하나로 장치가 끝에 닿는다. 성능은 공장에서 시험으로 확인하지만, 그 성능이 유지되는지는 앉힌 자리가 결정한다.