단지내교량의신축이음장치소음저감및공사비절감효과에관한연구 2014. 5. 토지주택연구원
목 차 0. 연구요약... 1 Ⅰ. 서론... 2 1. 연구의배경및필요성... 2 2. 연구목적... 3 3. 연구범위... 3 4. 향후연구내용... 3 Ⅱ. 도로교신축이음장치의역할... 4 1. 신축이음장치의기능및종류... 4 2. 신축이음장치의설계방법... 8 Ⅲ. 도로교신축이음장치의종류별특성및파손원인... 11 1. 신축이음장치의종류별특성분석... 11 2. 신축이음장치의종류별파손원인분석... 14 Ⅳ. 도로교신축이음장치의개선방안검토... 19 1. 현행신축이음장치의개선적용방법... 19 2. 무죠인트교량의적용방법및방향... 23 3. 신축이음장치설계및설치방법개선제안... 27 Ⅴ. 결론... 37 1. 적용현황... 37 2. 발전방향... 37 3. 향후방향... 37 참고문헌... 38
0. 연구요약 과제명 ( 국문 ) ( 영문 ) 단지내교량의신축이음장치소음저감및공사비절감효과에관한연구 A Research on the effect of reducing the construction cost and noise reduction of the expansion joints on the bridge 연구기간 2014. 02 월 05 일 ~ 05 월 4 일 (3 개월 ) 과제분류 발아과제 예산 3,000 천원 연구진 과제책임자 성명직위부서 김영진수석연구원도시환경연구실 참여연구원 - - - 연구배경및필요성 연구목적 연구내용 연구결과 기대성과및활용방안 교량신축이음장치의내구성및주행성확보필요 일반적인기준을적용한개선없는신축이음장치적용으로인하여하자발생시빈번한교체공사로인한비용발생 신축이음장치를개선하여동결융해방지및파손발생의최소화 신축이음장치의구조형태에따른파손의원인을분석및대책방안수립 신축이음장치부의효율적개선방안마련및기능의유지필요 기존강재의소음을저감시킬수있는방안마련필요및후타콘크리트의파손방지마련필요 신축이음장치신축량산정방법검토 소음및내구성에따른신축이음장치의개선및적용성검토 신축이음장치제거가능교량에대한설계환경검토 기존신축이음장치의비용절감효과방안마련 신축이음장치설치방법에대한개선방안제안 신축이음장치소음환경및유지관리개선에대한개선방법검토 원가절감에대한가능성및소음저감효과 ( 최소 2 3dB 저감효과 ) 를개선할수있는방안기대 신축이음장치소음저감및공사비절감연구에대한기초자료작성 소음생활환경및도로주행성개선에의한국민삶의질제고
Ⅰ. 서론 1. 연구배경및필요성
2. 연구목적 3. 연구범위 4. 향후연구내용
Ⅱ. 도로교신축이음장치의역활 1. 신축이음장치의기능및종류 가. 신축이음장치종류
구분개요도특성 1 2 3 4 5 6
신축이음장치형식용량 ( 신축량 ) 수량 ( 개소 ) 신축이음장치형식용량 ( 신축량 ) 수량 ( 개소 ) MAGEBA ZS 75 96 ACE NB 80 18 MAGEBA LR 160 30 ACE NB 120 6 MAGEBA LR 240 4 FRESSYNET N 75 30 MAGEBA LR 320 4 FRESSYNET FT 100 2 T.F(TransFlex) 50 46 YOCOHAMA Y.S 4 T.F(TransFflex) 70 12 MC 20 12 T.F(TransFlex) 100 29 - - - 그림 3. 신축이음장치설치현황 ( 중부선 ) 그림 4. 신축이음장치설치현황 (2000~2007)
종류 A사 B사 C사 D사 합계 레일조인트 302 127 42 47 518 핑거조인트 83 14 21 34 152 모노셀조인트 14 10 23 0 47 NB 조인트 76 7 22 0 105 T/F 조인트 5 4 0 0 9 탄성형고무받침 5 0 0 0 5 구분시설물수신축이음장치개소연장 (m) 비고 한강상교량 20 720 10,504 구분핑거 (Finger) 모노셀 (M.C) 레일 (Rail) 기타 ( 맹, 앵글,NB,TF 조인트 ) 신축이음개소 440 (61.09%) 120 (16.60%) 137 (19.11%) 23 (3.21%) 개요도
1 2 3 4 5
항목 신 축 량 종류 온도변화 온도변화 상로교 강 (-20 +40 ) -10 +40 (0.6 1.2l) 0.5 1.2l 교 하로, 강상판교 (-20 +50 ) -10 +50 (0.7 1.2l) 0.6 1.2l PSC 교 (-15 +35 ) -5 +35 (0.5l) 0.4l RC 교 (-15 +35 ) -5 +35 (0.5l) 0.4l 건조수축 - - 0.1l 0.1l 크리프 - - 0.2l - 기본신축량 소 계 신축여유량 합계 (0.72l) 0.6l (0.14l + 10) 0.12l + 10 (0.86l + 10) 0.72l + 10 (0.84l) 0.72l (0.17l + 10) 0.14l + 10 (1.01l + 10) 0.86 + 10 (0.8l) 0.7l (0.16l + 10) 0.14l + 10 (0.96l + 10) 0.84l + 10 (0.6l) 0.5l (0.12l + 10) 0.10l + 10 (0.72l + 10) 0.60l + 10 β σ Φ β 신축유간 S D 교축방향 L L L= L/SIN
Δ Δ Δθ Δ Δ θ Δ Δ θ
Ⅲ. 도로교신축이음장치의종류별특성및파손원인 구분추진경위개선방향 1 2 3 4 교량신축이음시공개선검토 설계이 13201-30331호 (1999.8) 하자현황분석에따른교량신축이음장치적용형식검토 구조계 11107-19호 (2002.7.11) 핑거조인트설계기준및개선방안검토 설계설 10207-138호 (2004.5.12) 강핑거형신축이음장치관리방안 구조물처 -443호(2009.2.12) - 트랜스플렉스 (TF) 형식은연약지반, 기존형식교체시를제외하고사용지양 - 고무판형식 [NB(ACE),TF] 은사교에서사용을 지양하고모노셀, 레일식사용 - 유지관리를고려한규격별신축이음장치형식기 준설정 - 핑거조인트의설계하중, 설계방법, 재질, 곡선교 사교적용방안등기준수립 - 강핑거형신축이음장치관리방안수립 형식고무형식강재형식 종류 TF/NB(ACE) 모노셀 규격 (m/m) 특징 연약지반및기존형식교체시사용 레일식 ( 스트립씰 ) 레일식 / 강핑거 - 60 이하 100 이하 100 초과 누수방지및내구성우수 누수방지및내구성우수 레일식은주거지역등이인접하여민원발생이예상되는곳에서는사용지양
구분 강핑거식 강재형식 레일식 비고 형식 재질 신축기능 강재 Finger + Anchor Bolt + Rubber Seal - 강재핑거의활동에의한신축작용 강재 Support Beam + 강재 Rail + Rubber Seal + Control Box - Spherical Bearing 의회전과 Elastomeric Bearing 의탄성변위에 의한 Beam 의신축작용 신축량범위 - 50 ~ 600 mm - 80 ~ 1280 mm 장단점 - 강재핑거가엇갈려서신축을수용하므로주행성이우수하며소음이적다. - 신축량이큰경우핑거의전단변형의우려가있으며충격흡수에대한기능은고려되어있지않다. - 사교나곡교의경우교폭방향의신축에의해핑거가서로맞물리지않도록충분히고려하여야한다. - 부분통제만으로보수가가능하므로유지관리는비교적용이하다. - Block-Out 깊이가상대적으로작다. - Rubber Seal 간격이일정하여주행성이좋으나소음이다소크다. - 신축량이큰장대교량에서도유리하다 - 주요구성요소가강재로되어있어마모에강하고내구성이우수하다. - Rubber Seal은이음새가없어방수기능은완벽하다. - 시공에유의해야하나, 정밀시공후에는유지관리및보수문제가거의없다. 주의사항 - 별도의배수장치로서방수및배수가이루어지며, 배수물받이에이토및이물질이쌓여기능을상실하거나물받이가파손될우려가있으므로제품선정및시공시전문업체와상담해야한다. - 내구성과수밀성이커서신축이음장치로서우수한기능을가지고있으나설치시정밀시공이요구되며단부보강문제도고려하여야하므로전문업체와설계단계에서부터상담이요망된다.
구분 고무형식 모노셀형식 NB 형식 ( 고무안에강철판삽입 ) 비고 형식 재질 Rubber + Anchor Bolt Rubber + 강판 신축기능 - 고무의탄성변형을이용하여신축 량을수용 - 고무와강판이일체로제작되어고 무의변형으로신축작용 ( 앵커볼트가본체하부에좌우로연결되어일체구조로되어있다.) 신축량범위 - 20 ~ 100 mm - 35 ~ 150 mm 장단점 - 구조가극히간단하여시공이간편 하며보수도용이함 - 주행면이고무로서충격의흡수가 강제품에비해비교적우수하고또 한조인트의폭이좁 아서주행성이좋다. - 고무가차량바퀴에직접맞닿으므 로마모가심하며, 내구성이다소 떨어진다. - 시공이음에따라앵글및고무의 일체화가되지않는관계로누수가 발생할수있다. - 고무사이에물질이퇴적됨으로서 신축기능이저하될우려가있음. - TransFlex Joint의단점을보완, 개선한제품이다. - 표면의고무층을두껍게하여완충능력과내구성을증대시켰다 - 표면에앵커볼트구멍이없어 Trans Fiex형보다는방수성이우수하다. - 표면이고무이므로주행성이좋고, 유간에흡음재를설치하면충격흡수및방음효과를증대시킨다. - 내구성은많이떨어진다. 주의사항 - 여름철에는강판과고무사이의접착력이감소되어신축기능을상실할우려가있음으로정기적인점검필요 - 소교량에적합하며신축량이큰교량 (100mm이상) 은피하는것이좋다. - 정기적인유지관리필요
후타콘크리트의균열 및탈락 신축이음장치의누수신축량과다로인한파손유간부족으로인한파손 신축장치정착부의파손 반복적인충격하중에 의한피로파괴 고무와강재의 접속부파손 본체솟음및단차 교량일부구간에 신축이음장치앵클파손 무수축모르타르열화 신축이음부누수로인한 신축이음미설치 및탈락 및파손 하부구조열화
형식 파손유형 파손원인분석 주요부재의피로파괴 - 설계하중이부적절하여하중지지부재단면이작고지지보간격이과다함. - 시공중용접불량및고정볼트풀림. - 교통차량통과시힌지, 핀등에진동및충격으로풀레일형연결부및정착부파손림현상발생. 신축이음장치 - 시공중구조물의유간을잘못계산하여발생하며교유간부족으로인한파손량받침까지영향을줌. 후타콘크리트의균열및파손 - 후타콘크리트시공중다짐불충분과양생불량으로발생. 방수장치파손 - 방수쉬트의노화및설치불량으로발생. 핑거형 신축이음장치 고정볼트풀림파손 핑거부분파손 - 인장력을받는고정볼트으시공중불량으로인해발생 - 상부구조의단차또는횡방향거동에의해핑거부분에파손발생. 신축이음종류별분포도 (1,066 개소 ) -( 기타 ) 55(5.2%) 강핑거 ( 기타 ) 2(0.2%) 레일식 244(22.9%) TransFlex 397(37.2%) 맹조인트 27(2.5%) Rubber Top( 기타 ) 17(1.6%) Gai Top( 기타 ) 4(0.4%) NB 조인트 121(11.4%) 모노셀 199(18.7%)
구분 계 ( 평균 ) 소계 Trans -flex NB (ACE) 신축이음형식별 맹조인트 레일식 (Mageba, 마우라스트립씰 ) 모노셀 기타 후타콘크리트파손 비고 대상개소 1,066 1,066 397 121 27 244 199 78 하자개소 146 119 74 29 1 9 4 2 27 비율 (%) 13.7 11.2 18.6 24.0 3.7 3.7 2.0 2.6 최초하자보수년도 3.7 3.7 3.8 4.2 5.0 2.6 3.8 3.0 3.4 형식 고무형식 특정결함내용 - 교체사유의대부분이반복적차륜접지에의한고무재의파손 - 분절부 (1.8m단위) 방수취약에따른누수 ( 코핑부열화원인 ) - 레일식 : 지지부속장치 ( 지지빔, 베어링 ) 파손, 레일파손 레일식 (WSF) 신축이음파손메카니즘 : 베어링파손 지지빔파손 레일파손 ( 하중전달경로의역방향 ) 강재형식 레일식 하부베어링파손및이탈지지빔파단레일파단 강핑거 - 고정볼트결함 ( 파손, 풀림 ), 핑거판단차 ( 솟음 )
구분 계 2004년 2005년 2006년 2007년 2008년 개소 157 18 37 30 34 38 평균공용년수 ( 년 ) 6.54 7.23 8.28 8.73 8.57 비용 ( 백만원 ) 9,566 973 1,910 1,826 2,490 2,367 40 35 30 37 30 34 38 2,500 2,000 1,910 1,826 2,490 2,367 25 20 18 1,500 973 15 1,000 10 5 500-2004 년 2005 년 2006 년 2007 년 2008 년 - 2004 년 2005 년 2006 년 2007 년 2008 년
신축이음장치 교체보수 현황 - 한강교량 20개 교량(720개소) 중 10개 교량(21개소)에 대해 교체(보수)시행 - 최근 2010에서 2013년 까지 신축이음장치 교체 현황을 살펴보면 신축이음장치 교 체 주기는 7년~13년으로 신축이음장치 자체파손이 교체의 주원인이고(71%), 부차 적인 손상(누수, 후타재 파손 등)에 의한 교체도 29%에 이른다(그림 11, 표 11 참 조). 단일손상 복합손상 구분 신축이음장치 파손 연결부 누수 지수판 훼손 조인트 및 후타재 15(71%) 2(10%) 1(5%) 3(14%) 사진 손상개소 그림 11 신축이음장치 손상원인(서울특별시) 계 구분 개소 일체형 연장 금액 (m) (백만원) 개소 분리형 연장 금액 (m) (백만원) 개소 연장 금액 (m) (백만원) 계 20 847 1,721 9 516 876 11 331 845 2010 2 53 219 - - - 2 53 219 2011 1 2 1 1 2 1 - - - 2012 17 729 1,501 8 514 875 9 278 626 2013 21 255 423 9 133 129 12 122 294 표 11. 서울특별시 신축이음장치 교체 현황 및 교체비용 (2010~2013) 신축이음장치의 교체시기 - 고속도로 교량의 교체주기는 타부재보다 짧은 편이며, 평균교체시기는 약 11-12년 정도로 분석되었다(정밀안전진단보고서_2013년 도공자료). - 레일형 : 11.8년, - TF형 : 11.9년, - 모노셀형 : 11.1년, - 핑거형 : 11.1년 - 18 -
Ⅳ. 도로교신축이음장치의개선방안검토 레일형신축이음장치 저소음신축이음장치
내진형신축이음장치전방향가동신축이음장치가변형핑거조인트 Seismic Proof Articulating Bridge Deck Expansion Joint 각도조절형핑거조인트 교량용신축이음장치
일반적인누수방지장치 연결부부식방지및 교체가능한누수방지장치 강재형배수유도장치 구분모노셀타입접지면이강재인모노셀타입비고 맞댐형식으로차륜접지면이고무로처리됨 맞댐형식으로차륜접지면을강재로제작 형태 특징 단지주행면의재질차이이외에변위흡수능력, 분절생산및분절시공방식, 적용가능신축량등에는특별한차이점없음
레일식신축이음장치의파손진행메카니즘분석 - WSF, 마우라, DS 브라운, MAGEBA 형식별파손사례를통한분석시행 단지지식 (MAGEBA, URJ) 다지지식 (WSF, 마우라, DS 브라운 ) - 컨트롤박스에 1 개의지지빔을설치 - 별도의간격조절장치로간격유지 - 중간레일과지지빔이용접연결됨 - 중간레일 1 개에지지빔이 1 개씩추가됨 - 제품별부속자재의파손메카니즘분석 : 하부베어링이탈및파손 지지빔파단 레일파단 파손의진행을막을수있는예방적유지보수방안도출 - 하부베어링재질이플라스틱인 WSF 형식 : 평균공용기간이상경과된하부베어링사전교체 ( 플라스틱계열 강재 )
단, 핑거형설치시다음의경우에는별도검토하여적용여부판단 곡선교및사교 : 설계설 10207-138호 (2004.5.12) 에의거받침방향및사각의크기에따라적용여부별도검토 연약지반교량은사용지양 종단경사가심한교량은가동단에서수평이동으로인한핑거간단차발생을고려하여적용가능여부시공전검토 형식고무형식강재형식 종류 TF/NB(ACE) 차륜접지면이강재인모노셀타입 레일식 ( 스트립씰 )/ 강핑거 강핑거 규격 (m/m) - 60 이하 100 이하 100 초과 적용시참고사항 연약지반및기존형식교체시사용 분절부방수기능이우수한형식적용 누수방지및내구성우수 강핑거적용이불가한경우레일식적용가능
일 반 조인트 교 량 일체식 교 교 대 량 반일체식 교 교 대 량
신축조절장치 - 일반조인트교량신축이음장치역활 - 상부구조의잔류변위흡수 접속슬래브 - 활하중에의한뒷채움침하방지 - 상부구조신축변위전달 단부격벽 (End Diaphragm) - 온도변화에의한수동토압에대해저항 - 교대부활하중분배효과 받침슬래브 - 접속슬래브지지 - 접속슬래브부침하방지 PE Sheet - 교축방향전달하중에대한접속슬래브마찰응력집중해소 - 접속슬래브하면에설치 - 교대배면수를토압저감층저면의유공관으로유도 유공관 - 토압저감층으로유입된 침투수에의한수압발생방지 무진동다짐구간 - 성토다짐시, 토압저감층의다짐방지역활 - 일반성토구간과토압저감층구간을연결하는구간 - 무다짐구간과성토층의완충역활 토압저감층 - 수동토압발생을최소화하는재료사용 - 배면 1m 구간에강자갈또는점착력이없고내부마찰각이작고입자가비교적둥근재료 ( 일명 SB-3) - 무다짐시공 Performed Expansion Joint Filler - 신축하는상부구조와하부구조의누수방지및보호부직포 - 노상층에서세립분유입방지
15 기준 신장 50m/m 50m/m 수축
30 기준 신장 1 2 3 4 5 15.8m/m 69.8m/m 수축 85.6m/m
포장두께 BLOCK OUT 깊이 바닥판 바닥판두께 바닥판최소확보두께 (22cm)
신축이음협착파손교대흉벽손상 신축이음협착빔간격파손
교좌장치 교량길이 ( 변화가능 ) 신축이음유간 거더길이 ( 변화하지않음 ) 신축이음유간 온도에따른변화가능 Working Line Working Line Girder 경간장 ( 변화하지않음 ) 교좌장치
형식구분제작현황비고 고무형식 -모노셀 NB -뉴모노셀등차륜접지면이강재인형식 - 통상고속도로차로폭 (3.6m) 의절반인 1.8m 단위로 제작 ( 길이는설비개선을통해변경 ) - 통상 1.0~1.8m 길이로제작 ( 제작회사별상이 ) - 강핑거 강재형식 - 레일식 - 최대 15m 까지생산하며설치대상교량의차로수등의 여건과운반가능길이등을고려하여제작
현황 분석 지하차도구간의 신축이음부 파손사례는 다음과 같다(그림 29 참조). 시공이음부 신축이음파손(U-TYPE구간) 현 황 분 석 시공이음부 신축이음파손(BOX구간) 현재 신축이음부의 경우 아스팔트계를 적용하였으나 접지면이 넓어 중차량에 의한 파손으로 판단되며 특히 U-TYPE부에 주로 많이 발생된 것으로 조사되었 다. 현재 파손이 심각한 부분이 있으므로 이에 대한 대책이 필요하다. 그림29. 아스팔트 충진 신축이음장치 파손 형태 문제점 분석 및 대책 지하차도부의 신축이음부 차량하중으로 인한 문제점과 대책방안은 다음과 같다(표 14참조). 구 분 문제점 분석 대 책 - 아스팔트계 신축이음부의 경우 접지면 - 아스팔트 충진재 기준에 의한 철저한 이 넓어 중차량 접지면이 넓어 신축이 신축이음부 보수 음 파손이 진전된 것으로 품질관리 필요(ASTM D 6296 적용). 판단되며 - 신축량에 따른 차륜접지면 최소화가 가 U-TYPE 구간에 주로 파손된 것은 신 능하도록 적정 신축량 적용. 축이 있고 외부에 노출되어 있기 때문 - 차륜 집중지역의 소성변형 방지를 위한 으로 판단된다. 별도의 충진재 보강공법 적용검토. 표14. 지하차도 신축이음부 하자발생 및 대책방안 기존 교량 적용 사례 - 현장사례조사를 통하여 고속도로와 같이 장경간 교량에는 사용이 없으나 소규모 교 량(지간 200m 이하)에서는 적용사례를 파악하였다. 하지만 신축이음부에 대한 개선 및 향후 설계에 대한 기준이 없으므로 이에 대한 개선방안 마련이 필요한 실정이 다. - 신축이음부의 재료적 성질에 대한 검토가 필요하고, 하부슬래브에 대한 배수시스템 등 개선 및 온도변화와 차량하중재하에 따른 전체거동에 대한 상세한 분석이 필요 한 실정이다(그림 30 참조). - 34 -
교량에적용한사례 측정시스템구축사례 ( 도공 )
영상처리기법을활용한신축량측정사례
Ⅴ. 결론
참고문헌