Season5-Episode10에 나오는 Nipigon River Bridge는 교좌장치부에 강재거더와 shoe plate를 연결하는 볼트 파손으로 상판이 60cm 가량 들려진 전대미문(?)의 사고로 엔지니어들에게도 공부가 될 만한 흥미로운 사례라 소개한다.
먼저, 이해를 돕기 위해 교량 현황에 대한 간단한 설명을 하면 교량은 비대칭 2경간 사장교이며 1단계로 사진의 교량이 먼저 시공되어 개통을 했고 2단계로 우측에 동일 형식의 사장교 교량이 계획되어 있었다.
사고 사진은 서쪽에서 동쪽 방향으로 촬영한 것으로 사진에서도 뚜렷하게 왼쪽 상판이 더 들려진 것을 확인할 수 있는데 아래 사진으로 보면 1번 교좌장치에 해당한다.
사고 발생 후 수백톤의 콘크리트 블록(jersey barrier)을 counter weight로 상재하여 들려진 상판을 다시 내렸고, 임시 지지 시스템을 긴급 시공하여 사고 발생 45일 후 재개통을 하였다.
사고의 직접적인 원인은 거더와 shoe plate를 연결하던 40개의 ASTM A490 고장력 볼트가 전부 파단된 것이었다. 조사 보고서는 ‘고응력 저주기 피로 파단(high stress, low-cycle fatigue fracture)’를 통해 이런 현상이 발생했다고 규정하고 있는데, 이는 재료가 탄성 한계를 넘어 소성 영역에 도달하는 높은 응력을 받을 때, 일반적인 피로 파단보다 훨씬 적은 반복 횟수만으로도 파괴에 이르는 현상을 의미한다. 공식 조사보고서의 용어 설명은 “low-cycle fatigue : The progressive crack propagation of a material by the repeated application of loads that are large enough to cause plastic strain of the material”이다.
이 볼트들은 하중이 가해질 때마다 미세한 영구 변형이 일어나는 ‘교번 소성(alternating plasticity)’ 메커니즘의 영향을 받았는데, 수만 번 이상의 반복 하중이 필요한 일반적인 피로 파단과 달리, 매 사이클마다 발생하는 높은 변형률 때문에 불과 수십에서 수백 회의 반복만으로 파단에 이르렀다. 물리적인 증거로는 파단면 분석 결과 50~140개의 줄무늬(striations)가 관찰되었는데, 이는 볼트가 완전히 파단되기 전 중량 트럭이 통과할 때마다 균열이 한 단계씩 진행되었음을 보여주는 증거이고, 일부 파단면의 부식 흔적은 이 사고가 당일 한꺼번에 일어난 것이 아니라, 수주에 걸쳐 점진적으로 진행된(progressive) 결과였음을 말해 준다.
파손을 유발한 주요 원인은 다음과 같다.
- 볼트 설계장력(Pre-tensioning) 미도입 : 설치 과정에서 ASTM A490 볼트가 사전 인장되지 않음
(The ASTM A490 bolts connecting the girder flanges to the west abutment bearings were not pre-tensioned (tightened) during bearing installation.) - Shoe plate의 강성 문제 : Flexible한 shoe plate로 인해 지렛대 효과(prying effects)가 발생하여 바깥쪽 볼트 라인에 가해지는 힘이 평균 하중시보다 최대 3.5배로 증폭. 또한 plate 재질이 도면에는 CAN/CSA-G40.21 350W(350MPa)인데 ASTM 36(250MPa) 사용
(The forces and strains in the outer two lines of bolts were increased significantly by flexibility of the tapered shoe plate and related prying effects between the bearing and the girder flange) - 베어링 회전 능력 부족 : 계약 사양에 베어링은 모든 방향으로 회전이 가능해야 했지만 실제 공급된 제품은 상향력(uplift)이 작용할 때 전혀 회전할 수 없는 구조임. 구조물 변형을 수용할 만큼의 회전 능력을 갖추지 못해 결국 볼트에 과도한 힘과 변형이 집중됨
(Due to the asymmetric bridge span arrangement, the west abutment bridge bearings experience tension (uplift) due to permanent loads, as well as a combination of service level permanent and transitory loads. By inspection of the bearing arrangement, we note that there is no mechanism provided for in the design of the bearing to freely accommodate rotation while subjected to uplift) - 저온 환경의 영향 : 파손 당시 영하 16도의 추운 날씨로 인해 케이블과 상판이 수축하면서 상향력(uplift force)이 약 10% 증가. 이는 직접적인 주원인은 아니었으나 트럭 하중과 결합하여 파손 과정을 가속화시킴
(Cold temperature effects (cable shortening, deck shortening and eformations) were analyzed and also found to increase uplift forces by approximately 10%) - 조사 결과 볼트의 재질, 강도, 연성 및 저온 인성 등은 모든 규격을 충족하였으므로, 재료 자체의 결함이나 추위로 인한 재료의 취성 파괴는 원인이 아닌 것으로 확인됨
Prying action에 대해 좀 더 이야기하자면, 국내 강구조설계기준에는 ‘지레작용 : 하중점과 볼트, 접합된 부재의 반력사이에서 지렛대와 같은 거동에 의해 볼트에 작용하는 인장력이 증폭되는 작용 (praying action)’으로 용어 정의만 되어 있고 관련한 자세한 기준이 없기 때문에 접하기 어려운 생소한 용어다.
사진에서 설명하면 shoe plate는 상부 거더와 받침 사이에서 하중을 균일하게 전달해야 하는 핵심 부품이나, 너무 flexible해서 prying effect를 유발했다. 하중에 의해 변형되면서 지레의 원리처럼 작동하여, shoe plate 중앙부가 상향으로 약 5~7.5mm 영구변형되고, 이로 인해 외측 두 줄의 볼트 그룹에 설계치를 초과하는 변형이 집중되었다.
주요한 원인에 대해서만 인용을 했는데 조사보고서는 이보다 더 많은 기술 및 시공 오류들이 기록되어 있다. 결론적으로 기술적·관리적 총체적 부실의 결과가 사고를 초래했으며 이를 보고서에서는 다음과 같이 말한다.
The occurrence of all of these in combination is unique and was highly improbable, however a confluence of events and conditions is typical of failures within structures.