철도교는 철도건설과 노후철도 개량사업의 중요한 대상시설물로, 사업의 비중도가 갈수록 높아지고 있다. 한편, 국내에서도 철도교 상부구조 시공중 지진의 영향으로 인한 복구공사가 시행되어 시공중 안전성 확보가 대두되고 있다.
현재 철도교 상부구조 시공중 지진의 영향에 대한 안전도 검토는 국내설계기준에 규정은 되어 있으나 그 세부적인 적용지진하중과 상세설계사항들에 대해서는 명시되어있지 않아, 설계실무에서는 대부분 풍하중에 대한 안전도 검토만를 수행하고 있다.
본 연구에서는 교량 상부구조 시공중 지진의 영향에 따른 손상사례와 국내·외 설계기준 및 지진 안전장치, 실제 지진발생으로 인한 손상사례들을 조사분석하여 시공중 수평력 산정방안을 제시하고자 하며, 정위치 이동장치의 실험 및 성능검증으로부터 적용 효과성을 입증하고자 한다.
국내 대표적인 철도교 구조형식들의 풍하중 수평력에 대하여 국내설계기준에 따라 산정되는 지진수평력을 비교검토한 결과, 암반조건의 PSC Beam과 PSC Box에서 풍하중보다 최대 195% 큰 지진수평력이 확인되었다. 그리고, 정규 설계재현주기보다 상대적으로 짧은 시공기간을 적용하는 유로코드 설계 개념에서는 현행 국내설계기준의 모든 교량에서 현행 국내설계기준에 따라 제시된 지진수평력의 38% 수준이고, 20경간 장대교량에도 약 65% 수준으로 산정되었다. 그러나, 국내 철도보호지구지침과 유사한 개념이 적용된 일본의 열차운행에 따른 선로의 영향범위를 고려한 설계기준개념을 적용한 결과, 국내 설계기준의 최대 수평력보다 약 450% 높게 나타나고 있다.
따라서, 현행 국내설계기준에서의 풍하중보다 큰 지진수평력이 발생되는 것이 확인됨에 따라 일반적인 시공조건과 열차인접 및 횡단 등의 시공조건 등을 추가 반영하는 지진수평력 산정이 필요하므로, 현행 국내설계기준에서의 철도교 상부구조 시공중 수평력 산정방안과 국외 설계기준의 설계개념 반영여부의 적정성 검토를 통한 개선(안)을 제시하였다.
또한, 신속한 지진복구와 효율성 확보를 위한 정위치 이동장치 확보를 위해, 일반교좌장치에 적용되는 PTFE((Poly Tetra Fluoro Ethylene, 불소수지)는 설계기준과 전문시방서 특수규정으로 제작·수급지연되고, 지진복구 정위치 이동장치의 PTFE는 교량 협소공간에서 적용곤란 등의 문제점이 제기된다. 이에, 최근 산업기계분야에서 Engineering plastics으로 활용증가하고 있는 MC-NYLON(Mono cast nylon)을 적용한 정위치 이동장치 시제품 제작성능 확인과 실내실험 및 현장검증을 수행하였다.
정위치 이동장치의 실내실험 및 현장검증 결과, 국내·외 설계기준의 최대마찰계수 0.04~0.05와 최근 선행연구 실험결과값 0.049~0.052의 약 62.5~82.5% 수준인 약 0.0325로, 마찰력이 약 17.5~37.5% 감소하고, 우수한 자기 윤활성과 효과적인 회전변위수용 및 경사마찰력 제거효과에 의한 것으로 판단된다. 연구결과 적용효과는, 해외복구사례(대만)와 동일조건에서 복구기간은 약 100일이 단축되고, 공사비는 약 58%, 사회적 편익은 약 191억원, 지진복구기간의 대체수송비용은 약 36억원이 각각 감소됨을 확인하였다.