예전에는 돌이나 나무와 같은 재료들로 교량들이 설치되었고, 이렇게 만들어진 교량들은 교량을 받치는 요소 위에 바로 설치되거나 땅 위에 직접 놓여지곤 했습니다. 또한, 예전에는 지금과 같은 교량의 성능에 대한 인식이나 구조적 지식이 부족하였습니다. 시간이 지나 콘크리트나 강재와 같은 재료들이 보급되고, 지진과 같은 재난들로부터 교량을 안전하게 지어야 할 필요성이 요구되면서 교량 받침 장치가 등장하기 시작하였고 현재에는 다양한 교량에 여러 유형의 교량 받침이 시공되고 있습니다.
다양한 교량 받침 장치 중 탄성 받침은 콘크리트 상부 구조물을 지지하고 하중을 하부 구조물로 전달하는 데 주로 사용됩니다. 이러한 유형의 교량 받침은 다른 재료 및 구조물에서도 적절한 거동을 보입니다.
그림1. 콘크리트 교량의 탄성 받침
탄성 받침은 받침에 가해진 수직하중을 견딜 수 있는 충분한 강성과 예상되는 변형을 허용하는 충분한 유연성(Flexibility)이 평형을 이뤄 설계되어야 합니다. 이때 탄성 받침의 강성과 유연성은 각각 강재판(Steel Plate)과 고무(Rubber)를 사용하여 확보할 수 있습니다. 탄성받침은 아래 그림과 같이 일반 또는 강재판 보강의 타입이 많이 사용됩니다.
탄성 받침은 일반적으로 최대 3500kN의 (수직) 하중, 100mm의 수평 변형, 0.04 rad의 일반적인 휨 거동에 대한 회전각 이하에 대하여 적절한 거동이 가능하며, 초기 및 유지보수 비용이 낮다는 장점이 있습니다.
그림 3. 교량 받침 도면과 midas civil의 해석 모델
탄성 받침을 설계하기 위해서는 받침의 강성 및 유연성을 고려한 예상 변형을 계산하는 것이 필요합니다. 이때, 구조 해석 및 설계를 위한 midas Civil과 같은 프로그램을 사용한다면 유한요소 모델에 받침의 강성을 고려한 Link를 정의하여 반복적인 작업을 줄이고 정확한 해석 결과를 얻을 수 있습니다.
교량 상부 구조물과 하부 구조물 모두 구조 해석 모델링을 해야 하는 경우, 교량 받침의 특성을 고려하는 것이 일반적입니다. 이런 모델은 주로 하부 구조로부터 전달되는 지진 하중의 감소에 효과적인 탄성 받침을 갖는 교량의 내진 해석에서 사용되며, 특히 지점의 횡방향 강성이 탄성 받침의 횡방향 강성보다 큰 경우에 효과적입니다.
받침의 강성을 유한요소 모델에 포함시키는 또 다른 이유는, 해석으로부터 구한 변위 결과로 신축 이음의 변위 크기를 정의할 수 있기 때문입니다.
구조 역학을 이용하여 탄성 받침의 강성 식을 정의할 수 있습니다. 그러나 주로 고무는 비선형 거동을 보이기 때문에 단순히 식으로 표현할 수 없는 변수를 포함하고 있습니다. 일부 경험식은 교량 설계에 정확한 것으로 입증되었습니다.
여러 국가의 기준에서는 이러한 요인을 포함하는 설계 방법을 명시하고 있으며, 이를 통해 탄성 받침의 강성을 구할 수 있습니다. 다음은 탄성 받침에 대한 항목이 있는 국제 코드입니다 :
이 중, 탄성 받침의 강성에 대해 자세히 명시가 되어 있는 기준은 Australian Standard AS 5100.4:2017이며 이 기준에서는 사각형 탄성 받침에 대해 언급하고 있습니다.
그림 4. 보강 탄성 받침의 변형률(AISI 및 NSBA, 1996)
<전단 강성 방정식>
<회전 강성 방정식>
게시글 하단에 있는 자료를 다운받으면 일반 탄성받침 또는 보강 탄성받침의 강성을 계산할 수 있는 엑셀 스프레드시트 형식의 계산서를 확인하실 수 있습니다. 계산서에서는 탄성 받침의 강재판이 없는 경우 일 때를 일반 탄성받침으로 활용할 수 있습니다. 계산서를 다운받기 위해서 하단 다운로드를 확인해주세요.
다음은 교량용 탄성 받침의 모델링을 위한 방법 입니다:
그림 6.탄성 받침 연결을 위한 midas Civil의 Elastic Link 및 기타 요소의 사용
참고 자료: