부속장치-교량 신축이음장치 설계

신축이음장치
1.1 개요신축이음장치는 상부구조의 신축 또는 이동량
을 흡수하고 교면 평탄성을 유지하여 차량의 주행성을 확보하기 위하여 상부구조에 설치하는 기계적 신축이음(조인트)와 연결장치로 구성된다.
신축이음은 교축방향으로의 온도변화, 콘크리트의 크리프 및 건조수축에 의한 이동량과 교량의 회전변위 및 처짐량, 그리고 구조적으로 필요한 여유량 등을 만족할 수 있도록 선정하여야 한다. 이에 따라 적합한 신축이음의 종류가 결정되어야 한다. 최근에는 교통량 증가에 따른 교량 신축이음부의 내구성, 주행성, 유지관리 편의성이 중요시되고 있다.
1.2 신축이음 종류
신축이음을 구조적인 측면으로 분류하면, 신축이음 자체가 차량하중을 지지하지 않는 맞댐식과 신축이음 자체가 차량하중을 지지하는 지지식으로 분류할 수 있다. <그림 511.1.1>에는 신축이음의 종류 전체를 맞댐식과 지지식으로 구분하여 도시하였으나, 현재 가장 일반적으로 적용되고 있는 신축이음은 모노셀, NB, 강핑거, 레일 조인트이다.
1.2.1 맞댐식 조인트
(1) 맹 조인트 형식
․ 맞댐구조의 신축부가 교량의 표면에 노출되지 않고, 연속 포장된 아스팔트의 변형에 의해 충격 및 신축을 흡수하는 구조이다.

ㆍ 이동량 : 0～10 mm
ㆍ 장점 : 구조가 간단하여 시공 용이하다.

① 맹 조인트

• 철재 이음과 신축이 가능한 0.8 mm 동판을 볼트로 바닥판 콘크리트에 고정하고 아스팔트콘크리트를 포장한다.
• 시공이 어렵고, 이음부 포장재가 분리 또는 탈락되는 경우가 있다.
• ② 절삭 조인트
• 바닥판 신축부를 방수줄눈 처리하고, 포장을 5 mm 정도 절단한 후 줄눈 채움재로 주입처리한다.
• 수명이 짧고, 절삭부 포장재 부위에 균열이 발생하는 단점이 있다.
  (2) 맞댐 시공 형식
  ㆍ포장의 시공전에 설치하는 맞댐 줄눈구조
  ㆍ바닥판 콘크리트 타설 전 시공해야 한다.
  ㆍ이동량 : 10～30 mm
  (3) 맞댐 후시공 형식
  ㆍ포장 시공후 설치 가능한 맞댐 조인트
  ㆍ포장부를 걷어내고 줄눈 우각부를 강재 및 수지재 등으로 보강하고, 줄눈부에는 채움 고무재를 삽입하여 접착하는 형식
  ㆍ평탄성이 양호
  ① Cut-Off 조인트
• 에폭시 몰탈부와의 접착부에 특수 고무접착제를 바르고 내후성의 고무 성형재를 끼워서 고정
• 평탄성이 양호하나, 접착제의 질에 따라 탈락우려가 있음
  ② Coupling 조인트
• 격자형 철판을 앵커볼트로 고정하고 고무씰을 격자 철판에 볼트로 고정
• 고무 씰의 이동량이 Cut-Off 형식보다 다소 적음
  ③ Mono Cell 조인트
  (동일유형 : Ace Joint – NC type)
• 측판에 앵커철근을 용접하여 단부에 설치하고 후타재 타설후 철판상단에 신축고무를 압축하여 삽입시킨 구조로서 가장 일반적으로 사용되는 조인트 중 하나임.

• 이동량이 적은 교량 상부구조에 적합
  ④ Rubber Top 조인트
• 앵커볼트 및 보강철근을 바닥판 상부철근에 용접․조립하고 후타재 타설후 고무조인트를 볼트로 고정
• 평탄성 양호
  (4) 고무 조인트
  ㆍ고무재와 강재를 조합시켜 바닥판 유간을 지지하는 구조
  ㆍ변형과 충격에 대한 저항능력이 큼
  ① 샌드위치 조인트
• 상ㆍ하판으로 구분되어 하부 강판 위에 네오프렌(Neoprene)을 샌드위치 스타일로 접착. 바닥판 상단은 강판을 부착하여 축하중에 저항함
  ② Transflex 조인트
• 네오프렌 안에 강철판을 삽입한 일체형식으로 특징은 <표 511.1.3>을 참조
• 충격하중 : 고무의 탄성과 강재의 강성으로 흡수, 분산
• 전단변형 : 고무의 변형
• 시공 간편, 주행성 양호, 경제적, 저소음
• 고무판의 절삭부분이 자주 파손되어 유지보수 및 관리 문제
• 기존 콘크리트와 접착부 방수 불량
  ③ NB 조인트
• 트랜스플랙스 조인트의 개량형으로 네오프렌 고무 안에 강철판을 삽입한 일체식으로서 가장 일반적으로 사용되는 조인트 중 하나임[<표 511.1.3> 참조].
• 고정앵커는 보강철판에 용접 고정된 너트에 현장 조립 후 콘크리트 매입되므로 유지보수시 콘크리트를 제거 후 교체 가능
• 충격하중 : 고무의 탄성과 강재의 강성으로 흡수, 분산
• 이동량 : 고무의 인장과 압축

• 전단변형 : 고무의 변형
• 시공 간편, 주행성 양호, 경제성 양호
• 차륜의 접촉면적을 최소화함
• 정착부분 파손시 심한 소음발생
• 고무판의 절삭부분이 자주 파손되어 유지보수 및 관리 문제
• 기존 콘크리트와 접착부 방수불량
  (5) 강재 조인트
  신축이동량이 큰 교량에 적합한 형식이며, 내구성과 방수성이 뛰어나므로, 장지간 교량 및 연속교에 적합하다. 강핑거 조인트와 레일 조인트의 특징은 <표 511.1.4>를 참조한다.
  ① 강핑거 조인트
• 주행성이 좋으며, 강재로 내구성이 우수
• 방수기능 우수
• 이동량 : 50～700 mm
• 부분통제만으로 보수 및 교체가 가능하므로 유지관리 용이, 교통이 혼잡한 도심 고가차도 등에 많이 사용
  ② 강겹침 조인트
• 강핑거 조인트 이전에 사용하였으며, 현재는 주로 보도교에 사용
  ③ 레일 조인트
• 상부의 강재빔을 고무 씰로 연결 설치하고 하부는 가로보를 설치하여 하중을 분산시킴
• 이동량 : 80～1,200 mm
• 완벽한 방수성, 내구성, 주행성이 좋음
• 구조가 다소 복잡하고 주행시 소음 발생
• 전체 교폭에 대해 일체형으로 설치되므로 보수공사 시 교체가 어려우나, 정밀시공하는 경우 내구성 및 유지관리에 문제없음
• 단지간에서부터 신축량이 큰 장지간의 콘크리트교, 강교등 모든 교량에 적용이 가능하며, 중교통하중과 회전변위가 큰 교량 단부에 적합

• 곡선교, 사교, 풍하중 등으로 인하여 구조상 횡방향 변위가 발생할 수 있는 교량이나,지진, 침하의 영향으로 수직방향 변위의 발생이 예상되는 교량에는 그 특성에 따라 X,Y 2축 이동가능 조인트나, X,Y,Z 3축으로 신축변위를 수용할 수 있는 레일조인트를 사용하는 것이 바람직함.
• 주행시 소음발생이 우려되는 구간에 대하여는 레일조인트 하부에 방음장치를 설치하거나 소음을 최소화 할 수 있는 단면의 레일을 적용
• 레일조인트는 본체 및 레일이 강재로 구성되어 부식에 취약할 수 있으므로 부식에 취약한 교량에 설치시에는 적극적인 방식대책을 마련하거나 ASTM A588 Weathering Steel 규격 등 내구성이 우수한 강재를 사용하는 것이 바람직함.
  (6) 특수 형식
  ① 롤러셧터 조인트
• 롤러 셔터(Roller Shutter) 방식으로 현수교, 사장교 등 이동량이 크고 회전변위가 많은 교량에 적합함.
• 이동량 : 400 mm 이상
• 내구성, 주행성이 뛰어나며 소음이 적음
• 제작과 시공이 다소 복잡하고 고가임
  1.3 신축이음 선정 요령
  1.3.1 선정시 고려사항
  (1) 교량의 종류
  같은 종류의 신축이음이라도 강교에 설치하는 경우와 콘크리트교에 사용하는 경우에 설치방법에 차이가 있으며, 특히 PSC 합성거더교에 적용하는 경우에는 바닥판을 충분히 절단하고 후타설 부분을 두텁게 하여 강결하게 정착해야 한다.

(2) 이동량
온도변화, 건조수축, 크리프 등을 고려하여 산정하며 필요에 따라 활하중, 사각, 교대의 활동등을 고려하여 결정하여야 한다.
[도․설 2.4.2.2]에는 신축이음의 설계이동량 산정시 가동받침의 이동량 산정방법에 준하도록 규정되어 있다. 설치시의 오차와 하부구조의 예상 밖의 변위 등에 대처하기 위하여 중소지간의 교량의 경우 설치여유량 10 mm와 부가여유량 20 mm를 추가로 고려하여야 한다.
소교량의 경우 여유량을 과다하게 산정하는 오류를 범할 수 있다. 이에 대하여 한국도로공사에서는 이동량 산정기준 적용시 있을 수 있는 혼선에 대한 합리적인 이동량 산출기준을 수립하고자 「교량 이동량 산출기준 검토(1999)」를 제시하였다(<표 511.1.1> 참조). 종류별 사용범위에 대한 표준을 <표 511.1.2>에 나타내었다. 표에는 일반적으로 사용되는 범위, 실적이 있는 범위, 또는 이론적으로 사용가능하다고 생각되는 범위로 나누어 나타내었다.
(3) 내구성
일반적으로 신축이음장치의 파손은 중차량의 통과횟수에 좌우되며, 전체 교통량에 의존하지 않는다. 따라서 중차량의 교통량이 많은 고속국도, 일반국도 및 주요 지방도에는 내구성이 큰신축이음장치를 선택할 필요가 있다.
신축이음장치는 교량의 어떠한 부재보다도 차량충격하중에 직접적으로 노출되므로 강도와 내구성이 우수한 제품을 선정하여야 한다. 또한, 신축이음장치는 도로 포장, 교량 바닥판 단부의 내구성과도 깊은 관계가 있다.
(4) 주행성
주행성은 신축이음의 내구성에 관계가 있으며, 주행성의 약화는 내구성의 저하에 따른다. 또한, 신축이음 본체의 단차는 주행성능을 현저하게 떨어뜨릴수 있다. 특히 강핑거 조인트의 경우, 용접부 용접불량, 정착불량, 바닥판 콘크리트 타설에 따른 거더의 회전, 하부구조 침하 등의 원인으로 강판이 위로 솟아올라 차량의 주행성에 영향을 주는 경우가 있다.
(5) 배수성 및 수밀성
배수성 및 수밀성 역시 내구성의 일종으로 생각될 수 있다. 낙수가 문제가 되는 경우와 신축이음에서 누수가 발생하여 교량받침에 부식이 문제가 되는 경우가 있다.
(6) 시공성
① 시공의 난이도

• 줄눈형식, 줄눈판형식은 구조도 간단하고,시공도 비교적 용이하다.
• 맞댐형식, 고무형식은 일단 시공된 포장을 절단한 후 시공하므로 비교적 번거롭다.
• 강재핑거 형식은 포장면 절단 후 시공하며,평탄성을 고려 정밀한 시공이 요구된다.
• 레일 형식은 선시공은 물론 후시공이 가능하며 정상적인 기능을 발휘하기 위해서는 정밀시공이 요구된다.
  ② 시공방법에 따른 내구성, 평탄성, 수밀성,배수성 등의 변화
• 줄눈형식은 제품자체가 원래 수명이 짧기 때문에 정상적인 시공이 되면 평탄성이 좋아 제품의 설계수명을 다할 수 있다
• 줄눈판형식은 줄눈벽의 청소 등에 따라 줄눈재의 수명이 크게 달라진다.
• 핑거형, 레일형은 정밀시공이 이루어질 경내구수명을 유지하며, 시공의 정도에 따라 파괴나 평탄성, 수밀성이 떨어지는 경우가 있다.
  (7) 경제성
  경제성은 각 신축이음의 제품단가만으로 비교 할 수 없다. 신축이음장치의 수명은 포장의 수명정도만 유지하고 일종의 소모품으로 취급할 수밖에 없으므로 수명과 유지보수비, 도로의 성질 등을 고려하여 종합적으로 판단하여야 한다.

신축이음의 내구성의 저하로 인해 보수할 경우,신축이음장치가 설치된 전 구간에 걸쳐 보수가 이루어지게 된다. 이에 따라 차량통행에 상당한 지장을 초래하므로, 신속한 보수가 가능한 신축이음장치를 선정하는 것이 바람직하다.
<표 511.1.3>과 <표 511.1.4>에는 가장 일반적으로 적용되고 있는 레일 조인트, 핑거 조인트, 트랜스플랙스 조인트 및 NB 조인트에 대하여 재질, 신축기능, 장․단점, 주의사항 및 설치현황 등을 정리하였다.
1.4 설계 시 고려사항
신축이음은 신축장에 대한 변위를 수용할 수 있도록 설계되어야 한다.
곡선교와 사교에는 교축방향과 교축직각방향의 신축, 종단경사가 있는 교량에서 가동받침의 수평이동으로 인한 수직단차, 주형의 단부회전에 의한 수평이동, 교대나 교각의 침하와 회전 및 수평이동에 의한 지점의 이동 등에 대하여 필요한 경우에는 이를 고려하여야 한다.
예상하지 못하거나 확실하지 않은 계산에 대해 충분한 여유간격을 확보하기 위해 이동량의 계산에 신축여유량과 설치여유량을 포함하여야 한다.

1.4.1 이동량 계산시 고려사항
(1) 온도변화
온도변화에 의한 이동량의 계산은 연중 최고온도차와 선팽창계수에 의해 계산한다. 이동량에 가장 큰 영향을 미치는 요인으로 전체 이동량의 50% 이상을 온도변화에 의한 이동량이 차지한다. 일반적으로 교량내의 온도차에 의한 변위는 다른 영향에 비해 무시할 수 있을 정도로 작으므로 이동량 계산에는 고려하지 않는다.
(2) 건조수축과 크리프

․RC 교량 : 건조수축만 고려
․PSC 교량 : 건조수축과 크리프 모두 고려
신축이음장치는 콘크리트의 건조수축과 크리프가 어느 정도 진행된 후에 설치되므로, 설치 이전의 이들에 의한 변형도를 고려하기 위해 콘크리트의 재령에 대한 저감계수 β를 사용한다.
(3) 교량의 처짐에 따른 단부의 회전 변위
보가 높거나 변형하기 쉬운 교량의 경우에는 단부의 회전에 의한 변위가 고려되어야 한다. 신축이음장치가 설치된 후에 작용하는 하중에 의해 교량에 처짐이 발생하며, 이로 인해 교량의 단부에는 회전변위가 발생한다. <그림 511.1.2>와 같이 고정받침에 대한 교량단부의 회전으로 단부는 수평으로 Δlr과 수직으로 Δv 만큼 이동하게 된다.

(4) 지점이동의 영향
신축이음은 교각과 교대의 침하, 회전, 수평이동 등에 의한 변위를 원활하게 수용할 수 있어야 한다. 교각과 교대에 예상되는 수평이동량을 여유간격의 계산에 고려하여야 하며, 수평이동량이 명확하지 않으면 보의 여유간격을 충분히 확보하는 것이 바람직하다.
(5) 교량의 종단경사에 의한 변위
교량의 가동단에 시공된 받침은 통상 수평으로 설치한다. 따라서 종단경사가 큰 교량의 경우 온도에 의한 수평변위에 의하여 <그림 511.1.3>과 같이 수직방향으로 단차가 발생한다.

이 변위량이 작은 경우에는 그다지 큰 문제가 되지 않으나 이동량이 크고 종단경사가 큰 경우에는 신축이음장치 선정시 수평이동 Δlh와 수직단차 Δv에 대한 영향이 고려되어야 한다.

(6) 사교 및 곡선교의 변위
곡선교와 사교에서 교량 단부의 접선방향 변위에 의한 비틀림은 신축이음장치에 전단력을 발생시키므로 신축이음장치의 형식 선정과 설계 및 시공에 특히 주의하여야 한다. 받침의 구속조건과 인접구조물의 형상에 따라 가능하면 신축이음장치에 전단력이 발생하지 않도록 받침을 선정하고 설계하여야 한다.
<그림 511.1.4>는 고정받침으로부터 이동단부까지의 직선거리를 신축장으로 하여 계산된 이동량 Δl을 단부에 대하여 접선방향변위( Δs = Δl sinθ c )와 법선방향변위( Δd = Δl cosθ c )로 분리하는 것을 나타낸다.

(7) 지진에 의한 영향
지진에 의한 인접구조물과의 상대변위를 신축이음장치가 흡수할 수 있어야 하지만 우리나라는 지진 발생빈도가 낮고, 신축이음장치가 파손되는 경우에도 낙교와 같은 대형사고가 발생할 우려가 적다. 또한, 지진시 이동량의 예측은 매우 어렵기 때문에 이동량의 계산에 이를 고려하지 않는다.

1.4.2 도로교설계기준에 의한 이동량 산정
신축이음의 선정과 설계의 기준이 되는 이동량의 계산은 온도변화, 콘크리트의 크리프와 건조수축, 교통하중에 의한 지점의 회전을 고려하여 계산된다. 또한, [도․설 2.4.2.2]에 따라 상부구조의 온도변화, 처짐, 콘크리트의 크리프 및 건조수축, 프리스트레스에 의한 부재의 탄성변형 등에 의해 생기는 이동량(기본 신축량)에 대해서 여유있는 구조로 하여야 한다.
설계 신축량은 신축이음의 용량을 의미하며, 신축이음의 신축량 산정에는 상기의 기본 신축량 외에 설치할 때의 오차와 하부구조의 예상 밖의 변위 등에 대처할 수 있도록 여유량을 고려하여야 한다. 이 여유량은 교량의 규모에 따라서 다른데,일반적으로 다음과 같은 값을 따른다.

• 신축장 100 m 이하 : 설치여유량(기본 신축량
  ×20%) + 부가 여유량(10 mm)

신축장 100 m 이상 : 설치여유량(10 mm) + 부가 여유량(20 mm)
신축장은 신축하는 거더의 길이이며 일반받침의 경우는 고정단으로부터의 거리, 지진격리받침의 경우에는 교량의 중심에서부터의 거리로 본다.

(1) 온도변화에 의한 이동량
온도변화에 의한 이동량 Δlt는 최저온도 T min과 최고온도 T max 의 차이로부터 다음과 같이 계산한다.
<표 511.1.5>에 제시한 온도범위는 교량상부구조의 평균온도이며, 지역구분은 최근 5년간 최저기온 및 최고기온을 참조하여 결정한 것이다.
Δlt = (Tmax -Tmin ) α l = ΔT α l
(511.1.2)
여기서,
α : 선팽창계수(<표 511.1.5> 참조)
l : 고정받침에서 고려하는 이동단부까지의 직선거리
신축이음장치가 설치될 때에 예상되는 온도 Tset에 대한 최대 신장량 Δlt + 과 수축량 Δlt – 은 다음과 같이 계산한다.

(2) 건조수축과 크리프에 의한 이동량
① 건조수축 : 콘크리트가 타설된 후부터 신축이음장치가 설치될 때까지를 다음과 같이 고려한다.

② 크리프
프리스트레스 긴장력이 도입될 때부터의 콘크리트의 재령에 따라 <표 511.1.7>의 저감계수 β를 사용한다.

(3) 지점의 회전변위에 의한 이동량
지점의 회전변위 θ e에 의한 단부의 수평 이동량 Δlr과 수직 이동량 Δv는 각각 다음과 같이 계산한다. 연속보의 중간지점에서는 그 영향이 적으므로 무시해도 좋다. 단순보의 경우에는 가동받침에 고정단에서의 회전의 영향이 가산되어 2배가 되는 것에 주의해야 한다. 일반적으로 θ e는 강교에서 1/150, 콘크리트교에서 1/300을 고
려하면 된다.

지점의 회전변위는 최대 처짐에 대한 지간의 비로 표시되는 교량의 강성( l/δ )으로부터 <표 511.1.8>의 값을 사용하여 근사적으로 구할 수 있다.

신축이동량 산정 예
[도․설 2.4.2.2]에 의한 설계 신축량 산정과정
은 다음과 같다.
[단계 1] 설계조건
① 교량제원
∙형 식 : PSC 합성형거더교
∙교량등급 : 1등교 (차량전용)
∙교 장 : 2 @ 30.0 = 60.0 m
∙폭 원 : 12.4 m
∙지 간 : 29.1 m
∙거더간격 : 2.5 m

[단계 2] 온도 변화에 의한 이동량 [식(511.1.2)
참조]
⊿ℓt = 0.4 L = 0.4 × 30 = 12.0 mm
[단계 3] 콘크리트 건조수축에 의한 이동량 [식
(511.1.4) 참조]
⊿ℓs = 0.1 L =0.1× 30 = 3.0 mm
[단계 4] 크리프에 의한 이동량 [식(511.1.5) 참조]
⊿ℓc = 0.2 L =0.2× 30 = 6.0 mm
[단계 5] 신축 여유량
(⊿ℓt +⊿ℓs +⊿ℓc)의 20%+ 10 mm
⊿ℓa
= 0.14 L + 10 = 0.14 × 30 + 10 = 14.2 mm
설계신축량은 다음과 같다.
⊿= (12.0 + 3.0 + 6.0 + 14.2) = 35.2 mm