실버 브리지 붕괴(1967년): 아이바의 작은 균열에서 시작된 취성 파괴

1967년 12월 15일 저녁, 미국 오하이오강에 놓인 국도 35호선의 다리(실버 브리지)가 무너져 46명이 사망했습니다. 붕괴는 다리를 매단 체인 중 하나의 아이바(양 끝에 고리 모양의 아이가 달린 봉)가 아이부에서 깨진 것에서 시작되었습니다. 균열의 기점에는 약 40년 동안 응력 부식 등으로 생긴, 깊이 약 3 mm가 채 안 되는 작은 균열이 있었습니다.

무슨 일이 있었나

일시

1967년 12월 15일 오후 5시경(미국 동부 표준시)

장소

미국 웨스트버지니아주 포인트플레전트와 오하이오주 커노가 사이, 오하이오강에 놓인 국도 35호선의 다리

구조

아이바 체인으로 매단 현수교. 1927년 설계, 1928년 개통. 체인의 각 링크는 열처리한 2×12인치 봉 2개 한 조

피해

다리 위의 차량 37대 중 31대가 다리와 함께 추락, 46명 사망, 9명 부상

기점

오하이오 쪽 북쪽 체인의 이음 C13N에 있는 아이바 330의 아이부 아래쪽

조사

미국 국가교통안전위원회(NTSB) 보고서 NTSB-HAR-71-1, 미국 국립표준국(NBS)의 금속 조사 보고

사고 경과와 조사 결론

붕괴는 오후 5시경에 일어났습니다. NTSB에 따르면 북쪽 체인이 끊어진 뒤 붕괴는 약 1분 만에 다리 전체로 퍼졌습니다.

NTSB는 붕괴의 원인을 이음 C13N의 아이바 330 아이부 아래쪽에서 일어난 벽개 파괴라고 했습니다. 이 파괴는 약 40년의 공용 기간 동안 응력 부식과 부식 피로의 공동 작용으로 임계 크기의 균열이 생긴 데에 따른 것이라고 했습니다. 균열이 있던 곳은 육안으로 점검할 수 없었고, 이음을 분해하지 않는 한 당시 알려진 어떤 검사 방법으로도 발견할 수 없었다고 했습니다.

재료 측면에서 본 원인의 연쇄

아이바의 강은 약 0.6%의 탄소를 포함하고 망간 외에 눈에 띄는 합금 원소가 없는 탄소강으로, 물 담금질 후 약 1150~1200°F(약 620~650℃)에서 템퍼링되어 있었습니다.

미국 국립표준국(NBS)의 금속 조사에서는, 아이부 아래쪽의 파괴가 구멍 표면에 있던 깊이 1/8인치(약 3.2 mm) 미만의 기존 균열에서 시작되었습니다. 균열의 기점은 모두 심하게 부식된 곳에 있었고, 근처에는 파단에 관여하지 않은 균열도 많았는데, 그 대부분은 산화물로 메워져 있어 오랫동안 인장 응력으로 열려 있었음을 보여 주었습니다. 아이부 아래쪽은 눈에 띄는 소성 변형 없이 깨졌고, 위쪽은 그 뒤 큰 굽힘 변형을 동반하며 과대한 하중으로 파괴되었다고 합니다.

대학 교재(영국 오픈 유니버시티)는 아이바의 강이 사고 당일 밤의 빙점에 가까운 온도에서 인성이 낮아 취성 파괴를 일으키기 쉬웠다고 설명합니다. 작은 균열이라도 인성이 낮으면 임계 크기가 됩니다. 각 링크는 2개 한 조였으며, 1개가 깨지자 나머지 1개가 핀에서 빠졌고, 여용성이 없는 구조는 전체 붕괴에 이르렀습니다.

원인에 대한 견해: NTSB는 균열을 성장시킨 것이 ‘응력 부식과 부식 피로의 공동 작용’이라고 합니다. 한편 국립표준국 보고서 제1부는 균열의 성질이 다른 강의 응력 부식에 의한 균열과 비슷하며, 피로보다는 응력 부식에 의한 것으로 생각된다고 합니다.

어떤 단서로 원인을 알았나

• 아이부 아래쪽은 눈에 띄는 소성 변형 없이 깨져 있었다 파단부의 변형: 거의 없다(파편이 꼭 맞는다)
• 기점의 파괴는 벽개 파괴였다(NTSB) 파면·균열의 모습: 평평하고 반짝이는 작은 면(벽개)이나 리버 패턴
• 기점에는 깊이 약 3 mm 미만의 기존 균열이 있었고, 근처의 많은 균열은 산화물로 메워져 있었다 파면·균열의 모습
• 아이바 체인은 다리를 매달고 있어 항상 인장 하중을 받고 있었다(대학 교재) 걸려 있던 하중: 일정한 하중(자중·내압·체결력 등)
• 아이바는 열처리한 탄소강이었다 재료: 일반 탄소강·저합금강
• 사고 당일 밤은 빙점에 가까운 기온이었다(대학 교재) 사용 온도: 저온(0℃ 부근보다 낮다)
• 아이부 구멍의 밑에는 물이 고이기 쉬워, 인장 잔류 응력과 부식 환경이 겹쳤다(대학 교재) 주위 환경: 물·습기·결로
• 약 40년 동안 사용된 구조였다 파손까지의 기간: 수 년 이상

이 사례의 단서로 진단 가이드 열기

이 단서로 진단 가이드를 열면 마지막 파괴 형태인 취성 파괴가 최상위가 되고, 수소 취화와 응력 부식 균열이 뒤를 잇습니다. 겉으로 보이는 단서만으로는 이 둘을 구분할 수 없으며, 기점의 균열 자체를 조사해야 비로소 기구를 알 수 있습니다. 이 사고에서는 국립표준국의 금속 조사가 균열은 피로보다는 응력 부식에 의한 것으로 생각된다고 했습니다.

관련 파손 형태: 취성 파괴 / 응력 부식 균열

이후 바뀐 설계·규정·검사

• 1968년 8월 23일의 연방 지원 도로법이 교통부 장관에게 전국 교량 점검 기준(점검 방법·최대 간격·점검원의 자격)을 정하도록 요구했습니다.
• 1971년 4월 27일에 국가 교량 점검 기준(NBIS)이 규정이 되어, 교량과 부재를 적어도 2년에 1회 점검하게 되었습니다.
• 1988년에, 하나의 부재가 파손되면 다리가 무너질 우려가 있는 부재(파괴 임계 부재)를 가진 교량의 점검 요건이 추가되었습니다.
• NTSB는 파괴 기구의 연구, 1968년 법률의 교량 안전 요건을 모든 도로교로 확대할 것, 보수를 위한 연방 지원을 권고했습니다.

배울 점

• 최종적인 취성 파괴의 파면뿐 아니라 기점에 있던 작은 균열의 기구(이 사고에서는 응력 부식 등)를 조사해야 비로소 원인을 알 수 있습니다.
• 인성이 낮은 재료에서는 수 mm의 균열도 치명적이 됩니다. 균열의 크기와 인성 양쪽으로 안전을 생각합니다.
• 하나의 부재가 파손되면 전체가 무너지는 여용성이 없는 구조에서는 작은 균열도 놓쳐서는 안 됩니다.
• 육안으로 점검할 수 없는 곳의 손상은 점검 횟수를 늘려도 발견되지 않습니다. 점검할 수 있는 형태로 만드는 것도 설계의 일부입니다.
• 설계한 1927년에는 이런 종류의 교량 재료가 전원 지대의 대기 같은 환경에서 응력 부식이나 부식 피로를 일으킨다는 것이 알려져 있지 않았습니다. 오래된 구조물은 새로운 지견으로 다시 평가해야 합니다.