면진장치의 종류 및 특성

1. 서론

필자가 한국전력 전력연구원에서 교량용품 업계로 이직한 이후로 내진설계에 대한 실질적인 공헌도로 면진설계를 보급한 것을 생각한다. 일본 유학 당시에도 교과서에서 면진설계에 대한 공부를 하고 탄성받침을 접했지만 면진받침의 실질적인 장단점을 자신 있게 거론할 수 있는 것은 제조업체에서 배운 실무적인 경험과 전 세계 면진제품 생산업체들과 교류하면서 선배들에게 배운 이론적인 배경이 크다.

역사적으로 면진장치는 펜들럼이라는 금속계열과 탄성받침이라는 고무계열로 크게 나뉜다. 연질 소재인 고무로 건물 및 교량과 같은 구조물 지지할 수 있다는 생각한 선각자들은 정말 대단한 발상이었다고 생각한다.

수많은 토목/건축 기술자들은 탄성받침에 납을 삽입한 납 면진받침이 면진기능을 수행하는 고급의 기술이며 탄성받침 자체는 대단한 기술로 인정하지 않는 경향이 있지만, 실제는 얇은 고무층과 얇은 철판을 적층으로 구성하여 수직으로는 철판에 의한 높은 강성을 유지하면서도 수평에 대해서는 고무의 부드러움을 동시에 유지한다는 것은 위대한 발상이다.

면진장치가 가져야 하는 기본적인 특성은 낮은 수평강성과 더불어 원위치로 복원할 수 있는 복원력이 핵심이다.

고무받침의 경우에는 복원력을 이차원적인 형상으로 구현할 수 있지만 펜들럼과 같은 금속받침은 하판의 곡면은 회전에 대응하고 상판의 곡면은 복원력을 구현하며 3차원 곡면이라는 정밀가공의 문제와 마찰력과 복원력이라는 상반되는 문제를 동시에 해결해야 하는 어려움이 있다.

교량 구조물의 면진장치와 건축구조물의 면진장치의 차이점은 회전의 수용이 다를 뿐이다.

교량 구조물에 적용되는 고무계열의 회전은 고무 한 층의 두께 및 총 고무 높이로 조절된다.

회전이 필요 없는 건축구조물의 경우에는 수직 처짐을 최소화하기 위하여 고무 한 층 두께의 최소화가 필요하지만 받침의 크기가 크면 클수록 고무 한 층의 두께를 일정하게 유지하는 것은 매우 어려운 제조공정이 필요하다.

그리고 펜들럼 받침은 구면 가공과 더불어 마찰재의 선택이 가장 어려운 문제가 된다.

재료적으로 마찰재의 마찰계수는 일정한 값을 갖는 것으로 알고 있지만, 면진받침과 같이 장기간에 걸쳐 높은 압력이 작용하는 경우에는 습기에 따른 친화력이 발생하기 때문에 마찰특성이 민감하게 변화한다.

아직 전 세계적으로 사용되고 있는 면진장치 중에서 완벽한 것으로 증명된 제품은 없는 것 같다.

고무제품은 경우에는 고무와 철판의 평탄성이 문제가 되는 경우가 많으며 자외선에 의한 피복고무의 열화 문제가 발생하기도 한다.

금속제품의 경우에는 구면 가공과 금속의 발청 문제와 더불어 선정된 마찰재가 여러 가지 문제점을 발생시키고 있다.

면진장치의 중요한 기능인 수평 변위에 대한 안전한 측면에서는 고무제품의 경우가 금속제품에 비하여 다소 높은 안전도를 보유하고 있다고 필자는 판단한다.             

2. 고무계열 면진받침

2.1 납 면진받침 (Lead Rubber Bearing)

교량받침 또는 면진받침으로 우수한 기능을 갖는 있는 탄성받침의 단점을 굳이 지적하자면 변위가 크게 발생하는 것으로, 변위를 줄이는 방법으로서는 별도의 점성댐퍼를 사용하거나 금속체의 비선형거동을 이용하여 진동에너지를 흡수하는 방법을 널리 사용하고 있다.

납면진받침은 탄성받침의 기능으로 상부 구조물의 고유주기를 길게 하여 상부구조에 유발되는 지진력의 크기를 감소시킴과 동시에 에너지 흡수기구로서 탄성받침의 내부에 코아 형태의 납을 삽입하여 고유주기의 장주기화와 감쇠기능을 겸비한 것이 특징이다. (그림-2.1 참조)

과거에 납 면진받침의 적용은 교량 상판의 신축에 대하여 납의 전단저항력으로 교량 상판에 무리한 온도 하중을 전달할지도 모른다는 의문이 납 면진받침의 사용에 걸림돌이 되어왔다.

그러나 수평 하중에 대한 납의 재료적인 특성은 온도 하중처럼 장기간에 걸쳐 서서히 작용하는 하중에 대해서는 납의 크리프 특성에 의하여 쉽게 항복하는 성질이 있으므로 온도 하중을 교각에 적게 전달하며, 풍하중 및 차량의 제동 하중에 대해서는 큰 강성으로 작용하여 안정성을 향상하는 효과가 있다.

그리고 지진하중과 같은 큰 하중에 대해서는 납이 완전히 항복하여 고무에 의한 면진 효과의 달성으로 지진력의 유발을 줄이면서 납의 비선형거동으로 교량 상판의 진동에너지를 흡수하여 변위를 억제하는 기능을 갖는다.

면진장치에 요구되는 중요한 기능 중의 하나는 지진 종료 후 유지보수의 측면이다.

지진이 종료된 이후에 발생할 수 있는 잔류변위에 대하여, 복원력이 있는 면진장치를 적용한 구조물은 고무의 탄성력으로 구조물을 원위치로 되돌려 놓으려는 힘이 작용하며, 지진력이 작용하는 과정에서는 변위 방향과 반대 방향으로 고무의 복원력이 작용하고 있으므로 잔류변위를 적게 하는 특징이 있다.

필자는 수많은 기술자에게 고무받침의 복원력이 지진 종료 후 구조물을 원위치시킬 수 있다고 설명하지만, 고무의 복원력을 마찰력과 혼동하고 있어 이를 인정하는 분들은 그리 많지 않다.

즉 무거운 교량 상판의 수평 변위를 저항하는 힘 (이를 마찰력으로 생각하는 분들이 많음)이 있을 텐데 고무의 조그만 복원력으로 저항하는 힘을 이길 수는 없다고 속으로 판단한다.

그러나 고무는 고체이면서도 물과 같은 유체의 성질을 갖고 있어 수직 하중의 크기에 전혀 의존하지 않고 복원되는 것이 고무받침의 재미있는 특성이다.

예를 들어 교량 상판을 지지하고 있는 물체가 터지지 않는 부드러운 막 내부의 물이라고 가정하면, 아무리 큰 수직 하중으로 누른다고 하더라도 막이 터지지 않는 한, 물은 체적변화율이 없으므로 아무리 적은 힘이라도 물을 수평으로 밀수 있는 원리와 같다.

그리고 탄성받침은 탄력성이 있으므로 사용 중인 교량 상판을 인상하면 탄성받침은 즉시 원위치로 복원되어야 하지만, 실제 교량에 있어서 교량 상판의 인상 후 고무받침은 즉시 복원하지 않는다.

이는 불량품이 아니라 장기간에 걸쳐 변형된 상태로 유지되면 고무에 크리프가 발생하기 때문이다.

변형된 탄성받침을 원위치로 되돌리기 위해서는 햇빛에 노출 또는 따뜻한 온수에 담그면 저절로 복원되는 성질이 있다.

이는 고무도 금속과 유사하게 온도에 따른 재결정화 과정을 갖고 있기 때문이다.

다음으로 중요시되는 사항은 면진장치 재사용의 문제이다.

금속의 비선형성을 이용하여 에너지를 흡수하는 금속 댐퍼는 금속분자가 소성변형을 경험하면서 부분적으로는 분자구조가 파괴됨으로 원래의 특성을 잃게 되고, 고무의 내부에 장착된 납은 손상 여부를 확인할 수 없으므로 전체를 교체해야 한다는 의문이 있다.

그러나 모든 금속은 변형된 금속분자에 열을 가함으로서 원래의 분자구조로 되돌아가려는 특성이 있으며, 변형된 분자의 50%가 1시간 이내에 원래의 분자구조로 되돌아가는 온도를 금속의 재결정화 온도라고 부른다. (그림-2 납 분자의 재결정화 과정 참조)

이러한 금속별의 재결정화 온도는 표-1과 같이 철은 450℃, 동은 250℃, 알루미늄은 150℃, 납은 20℃이다.

구조물의 진동에너지를 흡수하여 약간 뜨거워진 납은 상온으로 냉각되면서 원래의 분자구조로 되돌아가려는 성질로 인하여 지진 종료에 따른 사후처리의 필요가 없다.

납 면진받침의 또 다른 장점은 각 교각을 지지하는 하부지반이 같은 지지능력을 갖추고 있지 않고 부분적으로 매우 취약한 지지조건을 가진 교각의 경우에는 납의 크기를 조절함으로 특정한 교각에 지진하중을 적게 전달하게 하는 하중조절기능(Force Control System)이 가능하다.

2.2 고감쇠 고무받침 (HDRB)

고감쇠 고무받침이란 외관의 형상은 탄성받침과 동일하며 고무 배합 시 진동에너지를 흡수할 수 있는 특수 혼합물을 첨가하여 제조된 고무받침이다.

따라서 납면진받침과 달리 에너지를 흡수할 수 있는 메커니즘을 고무 자체에 가진 관계로 지진 종료 후 복원력의 특성은 납면진받침보다 우수한 장점이 있으나 에너지 흡수능력은 금속을 사용한 면진받침보다는 떨어진다고 할 수 있다.

그러나 앞으로 고감쇠 고무의 성능이 점점 향상되는 제품의 개발이 진행되고, 우리나라와 같이 중·약진지역에 해당하는 경우에는 등가점성감쇠 15%~20% 정도의 감쇠능력이 확보된다면 탄성받침 및 납 면진받침을 대체하는 제품으로 대두될 가능성이 있는 제품이다.

천연 고무는 에너지 흡수 능력이 적으므로 반발력이 크다	고감쇠 고무는 에너지 흡수 능력이 크므로 반발력이 적다

고감쇠 고무는 제동력을 가장 중요시하는 F1 레이스의 차량용 타이어에서 시작되어 구조물의 면진제품으로 기대를 받아 국내에도 적용된 사례가 있지만, 시간이 경과 함에 따라 표면의 균열과 더불어 크리프 현상이 크게 발생하는 문제가 발생하는 현장이 등장하여 적용되는 사례가 점점 감소하는 경향에 있다.

고무의 감쇠력을 증가시키기 위해서는 필수적으로 탄소 및 세라믹 같은 고형물을 많이 첨가해야 하지만 고형물이 크리프를 증가시키고 자외선에 의한 내구성에 좋은 영향을 미치지는 않는 것 같다.

2.3 주석 면진받침 (S.R.B)

최근에 전 세계적인 관심사로 대두되고 있는 「환경에 대한 부담저하」 및 「유해물질의 사용저감」이라는 슬로건으로 납을 대신하는 물질인 주석을 개발하여 사용한 면진받침이다.

주석은 기본적으로 납보다는 강성이 강한 재질로서 항복강성 및 감쇠값이 납 면진받침에 비하여 1.7배 정도 우수하다는 평가를 받고 있다.

그러나 납 면진받침보다 항복강성 및 감쇠값이 크다는 사실은 제동하중 및 풍하중에 대한 안전성 및 지진 시 변위는 줄어드는 장점은 있으나 반면에 교각에 전달하는 지진력은 크게 전달하게 된다.

순도 99.99%의 납은 상온에서 재결정화가 이루어진다는 사실로부터 탄성받침의 내부에 코아 형태로 삽입된 것처럼 주석 면진받침에 적용되는 주석도 상온에서 재결정화가 이루어진다는 것이 확인된 주석을 사용하는 것이 원칙으로 되어야 한다.

일본에서 개발된 주석의 기계적인 특성은 표-2.2에 나타내고 있다.

그리고 그림-2.2에는 응력-변형률에 관한 관계, 반복변형에 의한 응력변화특성, 다른 금속과의 비교를 각각 나타내고 있으며, 일본에서 개발된 주석은 납과 마찬가지로 상온에서 재결정화 되는 특성이 있는 것으로 확인되었다.

(a) 응력-변형율과의 관계	(b)반복변형에 의한 응력변화특성

이러한 사실로부터 주석은 연성, 반복특성, 상온에서의 재결정화, 어떤 것도 납과 동등 이상의 특성이 있으므로 면진장치에 있어서 에너지 흡수재료로서 우수한 특성을 갖는 재료로 사용될 수 있다.

그러나 주석은 고가의 비철금속의 재료로 경제성이 떨어진다.

경제성 문제를 극복하기 위하여 주석과 납을 혼합한 금속을 사용하고자 하는 시도도 있지만, 물리적인 혼합은 구현되기 어렵다는 평가도 있어 사용에 있어서 주의가 요구된다..

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2.4 고품질의 탄성받침이란?

필자는 면진장치 중에서는 금속형 면진장치에 비하여 적층형 고무받침을 가장 선호한다.

일명 탄성받침으로 불리는 얇은 철판 한 장과 얇은 고무 한 장을 적층으로 구성한 단순한 구조로 지진에 대비하는 면진장치로서 완벽한 알고리즘을 갖춘 인류의 발명품이지만, 누구의 아이디어인지는 정확히 알려지지 않았다.

1492년 콜럼버스에 의해 유럽에 고무가 소개되고 1839년 미국의 찰스 굿이어에 의해 가황 메커니즘이 우연히 개발되어 고무라는 소재가 타이어라는 운송기관의 산업재료 및 군수품으로서 자림 매김을 한 이후에 1960년도에는 원자력발전소의 면진을 위하여 프랑스에서 개발된 이후에 교량 및 건축물과 같은 일반 산업구조물로 전파되었다는 소문은 있다.

탄성받침은 1970년대 일본에서 IBRD 차관으로 우리나라에 소개된 이래로 고무받침으로 널리 사용하고 있는 일본의 생산체계보다 우리나라의 생산체계는 큰 차이점이 있다.

일본의 적층형 고무받침은 브리지스톤, 동양고무, 요코하마고무, 쇼와전선 등 타이어 제조업체를 중심으로 생산체계가 자리 잡혀 있는 반면에 우리나라는 중소기업을 중심으로 생산체계가 수립되어 있다.

가장 근본적인 이유는 일본은 면진제품 시장의 규모가 형성되어 있는 반면에 한국은 시장규모가 작기 때문이라고 판단된다.

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시장규모에 의해 결정되는 생산체계는 제품의 품질이라는 부수적인 문제를 발생시키고 있다.

일반인들이 생각하기에 얇은 철판 한 장과 얇은 고무 한 장을 적층으로 구성한 탄성받침은 형상이 단순하여 고무를 조금이라도 아는 사람이라면 누구라도 생산이 가능할 것으로 생각되며 또한 사실이다.

고무제품이란 크게는 타이어 회사를 비롯한 신발공장을 시작으로 가는 고무줄을 만드는 업체까지 전국에 고무제품을 생산하는 업체는 무한대로 존재한다.

그러면 일반적인 고무제품과 적층형 고무받침의 차이점에는 어떤 것이 있을까?

가장 중요한 차이점은 크기이며 볼륨이다.

고무의 제조과정은 붕어빵의 제조과정과 매우 유사하다. 용도에 따라 적절히 배합된 고무를 금속의 형틀에 가두어 열과 압력을 가하면 유황분자가 고무 분자 사이에 가교라는 다리를 형성하여 탄성을 부여한다는 것이 굿이어가 세계 최초로 발명한 가황 메커니즘이다.

만약 한 개에 500원짜리의 붕어빵 제조에 익숙한 포장마차의 아주머니에게 붕어빵 형틀의 크기가 10배 크기인 5000원짜리 붕어빵을 만들어 달라고 부탁하면 어떤 일이 일어날까?

아마 생활의 달인인 아주머니라도 당혹감을 감추지 못할 것이다.

겉이 익도록 가열하면 속이 익지 않고 속까지 익도록 가열하면 겉이 타버린다.

즉 제품의 크기에 따라 제조과정 및 방법이 전혀 달라진다. 이러한 현상은 고무의 경우에도 동일하다.

유황분자가 고무 분자 사이에 가교를 활발하게 형성할 수 있는 기본적인 온도조건은 120도 이상이 되어야 하며, 150도를 초과하면 역 가황이라고 하여 결합한 유황분자의 연결고리가 오히려 끊어지는 현상이 발생한다.

그러므로 가황의 온도조건을 만족하기 위해서는 온도의 전달조건을 잘 만들어 주어야 하며 대형의 경우에는 천천히 가열해야 하는 관계로 고무받침의 경우에는 단위 생산 크기의 한계 및 대형 프레스 장비를 장기간 점유하는 고비용의 문제가 발생한다.

그리고 소비자들은 외관상으로 같은 검은색으로 고무의 품질을 확인할 수 없는 신뢰성의 문제도 제기된다.

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그리고 고무와 철판이 적층으로 구성되는 탄성받침의 경우에는 가황 메커니즘보다 철판의 평편도라고 하는 품질보다 심각한 문제가 있다.

일반적으로 철판은 생산단계에서 평편한 것으로 생각하며 보편적으로는 맞는 말이다.

그러나 적층형 고무받침의 경우에는 조금 다른 측면이 있다. 일반적으로 철판은 양단에 버팀목을 적재하여 장기간 보관하여 미소한 변형이 발생하지만, 사용 용도에 따라서는 약간의 변형은 별로 중요하지 않은 경우도 많다.

또한 고무는 온도에 따른 팽창률이 높은 소재에 속하며 형틀 속에서 열과 압력을 가하는 이유는 고무 재료의 혼합과정에서 필연적으로 내포되는 공기를 배출하기 위함도 있다.

유아들을 키우는 엄마들은 분유를 먹이고 나면 반드시 트림을 시켜야 하며 우리들이 일상적으로 하는 방귀도 음식과 함께 삼킨 공기를 배출하는 과정이다.

따라서 가황처리 과정에서 팽창된 고무는 공기와 더불어 몰드 외부로 빠져나가는 과정을 갖는데, 내부철판의 평편도가 불량하면 불량할수록 층간에서 배출되는 고무의 양이 일정하지 않아 층간의 평편도를 점차 불균일하게 만드는 원인을 제공하게 된다.

이러한 평편도의 불량은 제품 특성의 편차를 크게 하고 이러한 경향은 제품의 크기가 크면 클수록 편차량과 발생확률은 높다. 특히 무시하기 쉬운 수직강성은 더욱 그러하다.

반면에 내부철판이 노출되는 형태의 제품은 내부철판을 고정하는 반지와 같은 형태의 링을 금형으로 사용하는 관계로 철판을 고정하여 고무 층간의 간격을 일정하게 유지하도록 한다.

약간의 변형이 발생한 철판도 구속하는 금형에 의해 일정한 간격을 유지하며 내부철판으로 고무에 전달되는 열효율이 우수한 관계로 가황 시간을 단축하고 제품의 품질을 보장하게 된다.

이러한 철판 노출형 금형의 역할은 상판의 활 하중에 의한 회전수용을 위하여 고무 한 층의 두께를 크게 하는 교량 구조물과는 달리, 수직 처짐의 최소화를 위하여 고무 한 층을 매우 얇게 해야 하는 건축물의 경우에는 더욱 극적인 효과를 발휘한다.

(1) 철판노출형 적층받침	(2) 철판 평편도의 문제점을 내포한 기존 제품

(1) 철판노출형의 수직전단 변형시험

그림-2.6은 "개별 전단성능편차 10% 이내의 강판 노출형 원형 고무받침의 개발" 이라는 2016년도 중소기업 지원과제로 수행된 연구과제의 결과물로서 한국건설생활환경시험연구원에서 실시된 수직전단 변형시험의 결과를 나타낸다.

붉은색은 15Mpa 수직하중으로 400% 전단변형의 그래프, 푸른색은 동일하게 15Mpa 수직하중으로 400%의 전단변형의 그래프, 연두색은 26Mpa 수직하중으로 400% 전단변형의 그래프를 나타낸다.

350%를 넘는 단계에서 약간의 하드닝 차이를 나타내지만 탄성받침의 이론적인 결과치와 잘 일치하고 있다.

그리고 수직하중의 크기를 달리한 푸른색과 연두색을 비교하면 수직하중의 크기가 클수록 수평강성이 오히려 저하한다는 고무받침 만이 갖는 특별한 이론적인 결과를 나타내고 있다.

고무계열의 면진받침은 철판과 철판 사이에 존재하는 고무층 두께를 일정하게 유지하는 제조방법이 무엇보다 중요하다는 것을 설명하였다.

그러나 소비자들은 고무받침의 내부를 확인해 볼 수 없는 문제점을 갖고 있으며 고무의 장기적인 내구성에 대해서도 여전히 의문을 가질 수밖에 없다.

3. 금속계열 면진받침

3.1 펜들럼 면진장치의 작동원리

교량받침의 발달과정에 있어서 핀롤라받침, 스페리컬받침, 포트받침, 탄성받침이라는 과정을 거쳐 현재는 펜들럼 받침이라는 면진받침이 교량받침의 대세를 이루고 있다.

이런 배경에는 기능적인 장점보다는 경제성 때문이다.

교량받침이 발달한 과정을 살펴보면 항상 회전기능이라는 것이 중심에 숨어있다.

교량 구조물에 있어서 회전기능이란 활하중 및 상판의 자중에 의해 교각에서 발생하는 미소한 회전을 교량받침에서 수용하지 못하면 상판에 전단균열을 발생할 가능성으로 회전기능을 요구하게 된다.

그림-3.1은 교량받침이 회전기능을 수행하기 위하여 발달한 과정을 보여주고 있다.

(1) 핀롤라 받침	(2) 스페리컬 받침	(3) 포트받침	(4) 탄성받침

회전기능을 수행하기 위하여 핀롤라 받침은 가운데 힌지가 존재하는 대회전이며 스페리컬 받침은 반 구 형태의 중 회전이며 포트받침은 항아리에 밀폐된 고무에 의한 미소 회전이며 탄성받침은 철판과 철판 사이에 적층된 얇은 고무판의 미소 회전으로 구성된다.

교량 구조물의 온도에 의한 신축 거동에 대하여 핀롤라 받침은 금속의 환봉으로 이동하며 스페리컬 받침은 고력황동이라는 윤활제를 요구하지 않는 미끄럼면과 스테인리스판이 수평 이동을 위하여 최초로 등장한다.

포트받침은 스테인리스와 더불어 불소수지판이라는 새로운 석유화학제품의 미끄럼 소재가 사용된다.

반면에 탄성받침은 미끄럼 소재를 사용하지 않고 고무의 전단변형으로 신축거동을 수용하는 좀 별종에 속하지만 건설 분야에 있어서 노벨상감으로 불려도 좋을 만큼 혁신적인 아이디어라고 필자는 생각한다.

형상적으로 살펴보면 핀롤라 받침과 스페리컬 받침은 3차원적인 형상이며 포토받침과 탄성받침은 2차원적인 형상이지만 3차원적인 회전기능은 고무에 숨어있다.

전 세계적으로 내진설계가 도입되면서 고정단 교각에 지진하중이 집중하여 파일 공사비 증가를 요구하지 않고 다 경간 연속교의 설계를 가능하게 하는 면진받침이 등장하기 시작한다.

탄성받침의 경우에는 원래부터 면진 기능이 있었기 때문에 모양을 크게 변화하지 않고 가운데 납 코어를 삽입함으로써 쉽게 변신에 성공했다.

교량받침의 발달과정에서 수평이동의 기능은 대부분 2차원적 기능인 반면에 펜들럼 받침은 유일하게 3차원의 형상을 하고 있다.

우리들은 흔히 차원이 다르다는 말을 자주 한다. 차원이 다르다는 것은 완전히 새로운 것을 의미한다.

1차원에서 사는 생명체와 2차원에서 사는 생명체와는 경쟁할 수 없으며, 2차원 생명체와 3차원 생명체는 또한 경쟁할 수 없으며 우리가 사는 3차원 생명체와 만약 4차원 생명체가 있다면 역시 경쟁이 불가능하다.

여기서 필자가 말하고 싶은 점은 펜들럼은 3차원적인 형상을 하고 있으므로 타의 추종을 불허하는 우수한 기능이 있다는 것이 아니라 그동안 2차원적인 제품에 익숙한 우리에게는 잘 모르는 부분들이 매우 많이 존재한다는 것이다.

그러면 기능적인 부분에서 미지의 부분이 많이 존재하지만, 시장에서 널리 사용되는 이유는 소형화에 따른 시공성과 경제성 때문이다.

앞에서 소개한 스페리컬 받침은 회전을 담당하는 부분에 녹을 방지하기 위하여 고가의 고력황동을 사용한 관계로 경제성이 모자랐지만 최근에는 화학소재의 발달로 발청이라는 문제가 없으면서도 높은 지압 응력을 부담할 수 있는 엔지니어링 프라스틱 계열의 마찰재가 등장하여 평면의 크기를 혁신적으로 줄일 수 있는 길이 마련되어 경제성이 확보되었다.

고유주기를 길게 하여 구조물에 입력되는 지진력의 크기를 줄여주는 면진받침의 필수적인 기능은 복원력과 진동에너지를 흡수하는 댐핑의 기능을 동시에 갖추고 있어야 한다.

납면진받침은 탄성받침의 태생적인 복원력에 납을 삽입하여 댐핑 기능을 추가하였다.

반면에 펜들럼 면진받침은 상하판의 평면을 3차원 곡면으로 가공함으로서 복원력을 갖추고 마찰재로 댐핑 기능을 갖는다.

3.2 펜들럼 면진받침의 형태

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(1) 초기의 펜들럼

​그림-3.2은 고무받침 제작상의 한계인 1500톤 이상의 크기가 요구되는 구조물에 대응하기 위하여 개발된 펜들럼 제품의 초기 버전으로 엄청난 대형의 제품이다.

당시의 마찰재는 섬유조직의 마찰재를 사용하고 있으며 마찰계수가 상대적으로 높은 관계로 마찰력의 저항을 초과하는 복원력을 갖기 위해서는 곡률반경이 적을 수밖에 없었다.

곡률반경이 적다는 것은 오목한 형태를 의미하며 곡률반경이 크다는 것은 평편한 형태를 의미한다.

​(2) 싱글타입 펜들럼

 독일을 비롯한 이탈리아 등 유럽에서 시작된 것으로 교량용으로 특화된 뒤집힌 펜들럼의 형태이다.

교량 구조물의 경우에는 교각의 코핑부에 설치하기 위해서는 연단 거리의 확보에 유리한 하부 판의 크기가 작은 것이 매우 유리하고 편리하다.

그리고 뒤집힌 형태는 스페리컬 받침의 형태를 답습하는 것으로 하부의 곡률반경이 적은 부위는 회전을 담당하고 상부의 곡률반경이 큰 부위는 교량의 온도 변위 및 지진 시 변위를 수용하면서 복원력을 담당하고 마찰력으로 댐핑을 부여하는 임무를 수행한다.

후반부에 등장하는 특수한 펜들럼의 거동특성을 이해하기 위하여 잠시 펜들럼의 역학적인 특성을 납면진받침과 비교하면서 공부하고 가기로 하자.​

그림-3.3의 오른쪽 그림과 같이 질량이 m인 추가 줄에 매달려 있다고 하면 중력에 의해 위치에너지가 운동에너지로 변화하는 수평분력을 생각하면 mg·sinθ가 되며, sinθ=d/R이므로 수평분력의 크기는 W/R·d이며 이력 곡선에서 나타내는 2차강성의 기울기는 Kh=W/R로 표현된다.

그리고 납면진받침에 있어서 2차 강성의 기울기는 Kh=G·h/A으로 표현된다 (G:고무의 전단탄성계수, h: 고무의 순높이, A: 고무받침의 면적). 고무받침의 수평 강성은 중력과 상관없는 고무받침의 재료 및 형상으로 결정되며 펜들럼 받침의 경우에는 곡률반경과 자중에 의해서 결정된다.

고무받침의 수평강성은 자중과 상관이 없다는 엄청난 의미를 할 필요가 있으며, 납의 면적에 의해 결정되는 특성강도 Qd는 펜들럼의 경우에는 마찰력에 해당한다.

여기서 마찰재는 펜들럼 제품의 생명과 같은 매우 중요한 역할을 수행한다.

전통적인 제품에서 마찰력을 상회하는 복원력을 얻기 위해서 곡률반경이 적은 오목한 경우에는 상판의 두께도 두꺼워질 뿐만 아니라 수평이동시 받침의 높이에 변화가 발생하는 등 2차원적인 제품에 비하여 매우 불편한 현상이 발생한다.

그러므로 상부판의 곡률반경을 크게 하기 위해서는 마찰계수가 적은 소재가 매우 유리하며 특히 높은 지압응력에서 보다 낮은 마찰계수의 특성이 있으면 제품의 크기까지 줄일 수 있는 일거양득의 효과가 있다.

그러나 무조건 강도가 높은 소재는 정지마찰계수와 동마찰계수가 서로 교차하는 스틱스립 현상이 발생할 확률이 매우 높아진다.

스틱슬립 현상은 마찰재의 파손을 유발하는 관계로 절대적으로 피해야 하는 마찰소재의 필수요건이다.

마찰재의 특성에 관한 내용은 다음 글에게 양보하고 여기서는 거동에 대한 특성만을 언급하고자 한다.

그림-3.4으로 나타내는 싱글형 펜들럼의 수평이동에 대한 거동형상을 고찰해 보자.

다시 한번 강조하지만 탄성받침 및 포트받침으로 대표되는 2차원적인 형상의 제품에 비하여 펜들럼과 같은 3차원적인 제품은 수평 이동에 거동이 절대적으로 단순하지 않다.

필자는 싱글타입 펜들럼의 기능으로 하부곡률은 회전을 담당하고 상부 곡률은 수평 이동을 담당한다고 했지만, 말과 같이 절대적으로 단독으로 거동하는 것이 아니다.

상판이 수평으로 이동 변위가 발생하면 할수록 중간 판과 접촉하는 상판의 두께가 두꺼운 쪽으로 만나게 되어 받침의 높이가 증가하게 되며 교량 상부의 자중에 의한 수직 하중이 작용하는 관계로 이를 보상하기 위하여 중간 판이 회전하게 된다.

만약 중간 판이 회전을 하지 못하는 구조를 갖는 경우에는 편심이 걸려 마찰재에 파손이 발생하게 된다.

그러므로 하부 판의 마찰재에는 윤활제를 발라 회전을 쉽게 하도록 도와준다.

그림-3.4의 왼쪽 그림은 수직 하중을 작용한 상태이며 오른쪽 그림은 오른쪽으로 상판이 최대한 이동한 상태를 나타낸다.

수평으로 이동하면 상부판의 두께가 두꺼운 쪽으로 접촉하지만 수직하중이 작용하는 관계로 하부판이 회전하여 높이에 대한 보상과 더불어 왼쪽의 하부판이 큰 응력을 받고 있다는 것은 색깔로도 쉽게 판단할 수 있다.

펜들럼의 이러한 거동특성 때문에 탄성받침 및 포트받침과 같은 2차원 형상의 제품에 사용되는 높이가 고정된 시험기는 사용할 수 없으며 수직하중은 일정하게 작용하면서 높이 조절이 가능한 전용 시험기가 필요하다.​

(3) 더블 타입 및 트리블 타입 펜들럼

펜들럼에서 복원력과 댐핑을 부여하는 마찰면이 한 개 존재하는 싱글 타입에 비하여 동일한 곡률면이 두 개가 존재하는 더블 타입이라는 펜들럼도 있다.

더블 타입은 그림-3.5의 왼쪽과 같이 중간판이 이동함에 따라 에너지 흡수량도 크며 지진 변위를 2배까지 수용할 수 있는 장점이 있다.

달리 말하면 상하부판의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있다.

반면에 상부 구조물에서 회전이 발생하면 중간판에는 회전할 수 있는 메커니즘이 존재하지 않기 중간판에서 들뜸이 발생하여 이물질이 들어가기 쉬운 단점이 있으며 중간판의 중심축이 이동하여 교각에 편심이 걸린다고 주장할 수도 있다.

그러나 들뜸의 문제가 아니라 마찰재의 한쪽 면에서 집중하중을 받아 마찰재의 파손이 발생할 수 있으므로 회전이 있는 교량 구조물에는 적합하지 않고 회전이 발생하지 않는 건축구조물에 주로 사용된다.

여기서는 구체적으로 언급하지 않지만, 회전을 받을 수 있도록 중간판에 새로운 곡률을 갖는 트리플 펜들럼이라는 것도 있다.

우리 속담에 가지 많은 나무에 바람 잘 날 없다고 하지 않았나. 부품의 숫자가 많으면 많을수록 불편한 점도 많아진다.

앞 절의 더블타입 펜들럼에 대한 설명의 마지막 부분에서 트리플 펜들럼이라는 형식도 있지만 구조가 복잡하면 좋을 것이 뭐가 있냐 하는 의문을 제시한 이후에 독일의 유명 제조사에는 트리플 펜들럼에 대한 카탈로그가 입수되어 그림만 소개한다.​

필자가 펜들럼의 작동원리에 관한 글을 적으면서 느낀 점은 펜들럼의 논리는 구면 위를 굴러다니는 회전 강성이 없는 질점의 추에 대한 것으로 시작되었지만, 추에 해당하는 중간판의 크기가 점차 증가함에 따라 회전 강성이 증가하여 상부구조의 회전에 대한 중간판의 기하학적인 거동이 원활하지 못하다는 점 때문에 중간판의 회전 강성을 감소시키는 곡면을 추가할 필요성이 있기 때문이다.

3.3 마찰재의 중요성

이상은 펜들럼 면진받침에서 복원력을 부여하기 위한 곡률 반경에 대해 살펴보았지만, 감쇠기능은 두 면의 마찰력에 의해 결정된다.

단순한 금속면의 접촉은 장기간에 걸쳐 일정한 마찰력을 구현할 수 없기 때문에 펜들럼 받침에서는 적절한 마찰재의 선정이 매우 중요하다.

PTFE (불소수지판) :

포트받침의 상판에서 미끄럼 기능을 하는 소재로서 최대 수직응력이30MPa 정도이며 교량의 신축거동에 대하여 약 20년 정도의 내구성을 갖는 것으로 평가된다.

포트받침은 마찰재 표면의 딤플에 고체윤활유를 내재하고 있다.

최근에는 포트받침의 미끄럼판으로 사용되고 있는 순수 PTFE에 섬유조직을 첨가하여 강화한 PTEF판이 마찰재로 사용되는 시험이 시도되고 있다.

UHMWPE (Ultra High Molecular Weight Polyethylene) :

분자구조가 350만 개 이상인 초고밀도 화학소재로서 PTFE를 대신하여 독일에서 최초로 교량받침에 사용하기 시작했다.

최대 수직 응력은 60MPa이며 내마모성이 우수하여 윤활재를 사용하지 않는 마찰재로도 사용된다.

금속보다도 마모의 성질이 우수하며 흡수율이 완전 0에 가깝다는 점이 마찰계수를 일정하게 유지하는 데 매우 중요한 역할을 한다.

LDPE (Low Density Polyethylene) 및 HDPE (High Density Polyethylene)에서 점차 발전해 온 폴리머 제품이다.

​

PA (Polyamide) :

고강도 및 내열성이 있는 소재로 독일과 경쟁 관계에 있는 이태리에서 최초로 교량받침에 사용하였다.

교량받침의 마찰재로서는 스틱슬립 현상이 발생하여 시장에서 점차 사라지고 있다.

흡수성이 PE보다 높아 마찰재로서는 문제가 있다. 듀폰사에서는 PA를 Polynylon 이라는 이름을 사용한다.

PET (Polyethylene Terephthalate) :

인장강도, 기계적 강도, 경도가 매우 높으나 취성파괴가 있어 펜들럼의 마찰재로서는 적당하지 않다고 규명되었다.

이상은 교량받침에서 마찰재로 사용되는 소재의 정식적인 화학 명칭이다.

그리고 정식 명칭에서 파생되는 이름들이 많이 존재한다.

아래 표는 유럽 EN규정에서 펜들럼 제품에 대한 승인서인 EDA라는 규격에서 정의된 마찰재의 특성을 나타내고 있으며 가장 중요한 사항을 요약하면 다음과 같다.

항복강도에 대한 파단강도의 비는 2.5 이상이 되어야 하며 또한 항복변형율에 대한 파단변형율의 비는 13 이상이 되어야 한다.

이러한 규정이 갖는 물리적인 의미는 탄성적인 성질에 비하여 충분한 소성변형율을 가져야 한다는 것으로 취성파괴의 성질이 있는 강도가 높은 소재는 펜들럼의 마찰재로서 적합하지 않다는 것이다.

4. 맺음말

교량 구조물의 온도 신축을 수용하는 용도로 사용되던 교량받침은 내진설계가 도입되면서 교량 구조물의 경제성을 결정하는 중요한 요소가 되어, 최근에는 기술적으로 교량실무자들이 도저히 파악할 수 없을 정도로 다양한 제품들이 소개되어 적용되고 있다.

가장 전통적으로는 밀폐된 항아리 내부에 고무를 삽입하여 회전을 수용하고 상부에는 불소 수지판이라는 미끄럼판을 설치하여 온도 신축에 대응하는 유럽에서 도입한 포트받침이다.

그리고 일본에서 고무층과 철판을 가황 접착한 탄성받침이 도입되어 널리 보급되었다.

구조가 단순하고 만들기 쉬운 탄성받침을 대형화하고 납을 코아 형태로 삽입한 납면진받침이 소개됨과 동시에 다양한 형태의 면진받침들이 소개되고, 제조사들도 잘 모르는 문제점이 있지만, 실제 지진을 경험할 기회가 없어 검증 없이 제조사들의 영업력에 의해 보급되는 경향이 있다.

비록 사용상의 문제점이 노출된 경우에도 인명피해가 발생하지 않으면 언론에 노출되지 않아 무마되는 경우가 다반사이다.

교량용품은 교량의 수명과 같이 사용되는 제품으로 아무런 문제점도 없이 장기간 기능을 수행하는 것은 매우 어려운 문제이다.

고무제품은 자외선에 노출되면 표면에서 균열이 발생하는 노화 현상이 있으며 금속제품의 경우에는 부식이라는 문제를 피할 수가 없다.

모든 재료에는 수명이라는 불가피한 한계성만이 아니라 고무받침에는 철판과 고무의 평탄성이라는 제조기술이 무엇보다 중요하다는 사실을 거론하였고, 면진 구조물에 적용되는 제품처럼 대형화하면 할수록 중요한 문제이며 수직 처짐을 최소화해야 하는 건축물의 경우에는 특히 중요한 문제로 지적하고 싶다.

금속을 주재료로 사용하는 펜들럼 면진장치는 3차원 곡면 가공으로 복원력을 제공하지만, 곡면을 구성하는 면의 숫자에 따라 수평 거동 시에 상하 방향의 이동이 발생하는 문제가 있으며, 또한 사용되는 마찰재에 의해 예상하지 못한 문제점들이 발생하고 있음도 인지할 필요가 있다.

마찰재 선정의 어려움은 마찰계수가 재료에 의해 고정된 것이 아니라 주변 환경에 따라 변화한다는 것이다.

부식하지 않는 소재 간의 마찰력은 주변 환경의 수분에 의한 친화력으로 마찰계수가 변화하기 때문에 수분을 흡수하지 않는 마찰재의 선정이 매우 중요하다.

현재 개발된 소재 중에서 UHMWPE (Ultra High Molecular Weight Polyethylene)라는 소재가 물을 흡수하는 성질이 가장 낮다고 알려져 있다.

우리나라에서 디스크 받침으로 알려지고 널리 보급된 면진제품도 있다.

일반 고무보다는 경도가 높은 우레탄으로 만든 디스크는 단단하게 보이기 때문에 수직 처짐이 없을 것으로 판단하기 쉽다.

그러나 디스크는 내부에 보강 철판이 없는 관계로 제품의 크기가 크면 클수록 크리프에 의한 수직 처짐이 크다.

일반 교량에서는 미소한 수직 처짐으로 인한 위험성은 예상하기 어렵지만, 고속철도와 같은 철도 괘도에서 장기적인 단차의 발생은 염려하지 않을 수 없다.

어떤 면진제품에서는 금속을 도금한 미끄럼면에서 녹이 발생하여 문제가 발생하기도 하였다.

Topic

면진설계

면진장치

팬들럼

탄성받침

Lead Rubber Bearing

고감쇠 고무받침

HDRB

주석면진받침

마찰재

About the Editor

전규식

건축공학 박사 경력 20년 이상

경 력

1980-1997 : 한국전력 전력연구원 내진기술팀

1997-2000 : 유니슨건설㈜ 기술이사

2000~ :  면진받침 생산업체 근무

 

학력

1980.3. : 부산대학교 토목과 졸업

1985- 1992 : 동경대학 건축공학과 석.박사졸업 (지진연구소)

 

부산대학교 토목과를 졸업하고 일본 동경대 건축공학과(지진연구소)에서 내진설계를 전공하였음.

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