심각한 손상, 결함, 재료적인 열화현상 등이 발견되지 않은 교량들은 대부분 설계하중에 대한 안전성을 확보하고 있으나, 주기적으로 시행되는 안전진단에서 건전성이 충분히 입증된 경우조차 대부분 재하시험을 수행하고 있다. 재하시험 필요 여부에 대해서 관련 세부지침에서는 정성적인 기술에 머무르고, 일부 연구들이 응답보정계수 산정 등 내하력 평가에 대한 개선 방안들을 제시하고 있으나, 재하시험의 적정성에 대한 연구는 미미하다. 본 연구는 안전진단에서 재하시험의 관행적 수행에 대한 기존의 의문에 대해 검토하고, 기설 콘크리트 교량들의 상태평가와 내하율 산정 자료 등에 대한 통계 분석을 토대로 재하시험 수행 여부를 포함하는 합리적이고 정량적인 절차적 안전진단 대안을 제시하였다.
심각한 손상, 결함, 재료적인 열화현상 등이 발견되지 않은 교량들은 대부분 설계하중에 대한 안전성을 확보하고 있으나, 주기적으로 시행되는 안전진단에서 건전성이 충분히 입증된 경우조차 대부분 재하시험을 수행하고 있다. 재하시험 필요 여부에 대해서 관련 세부지침에서는 정성적인 기술에 머무르고, 일부 연구들이 응답보정계수 산정 등 내하력 평가에 대한 개선 방안들을 제시하고 있으나, 재하시험의 적정성에 대한 연구는 미미하다. 본 연구는 안전진단에서 재하시험의 관행적 수행에 대한 기존의 의문에 대해 검토하고, 기설 콘크리트 교량들의 상태평가와 내하율 산정 자료 등에 대한 통계 분석을 토대로 재하시험 수행 여부를 포함하는 합리적이고 정량적인 절차적 안전진단 대안을 제시하였다.
The bridges where serious damages, defects, material degradations, etc. are not found can be presumed to have enough safety for the specified design loads, nevertheless, in many cases the loading carrying capacity is rated through loading tests. The safety specifications and manuals get no further t...
The bridges where serious damages, defects, material degradations, etc. are not found can be presumed to have enough safety for the specified design loads, nevertheless, in many cases the loading carrying capacity is rated through loading tests. The safety specifications and manuals get no further than qualitative instructions for performing loading test or not. Some studies presented the improved appraisal methods for determining the load carrying capacity; however, the feasibility studies for loading test are scarcely carried out. This study examines an existing question, whether the loading tests are necessarily required in the safety assessment or not, and suggests an alternative for that via a statistical analysis for dozens of condition evaluation reports for concrete bridges.
The bridges where serious damages, defects, material degradations, etc. are not found can be presumed to have enough safety for the specified design loads, nevertheless, in many cases the loading carrying capacity is rated through loading tests. The safety specifications and manuals get no further than qualitative instructions for performing loading test or not. Some studies presented the improved appraisal methods for determining the load carrying capacity; however, the feasibility studies for loading test are scarcely carried out. This study examines an existing question, whether the loading tests are necessarily required in the safety assessment or not, and suggests an alternative for that via a statistical analysis for dozens of condition evaluation reports for concrete bridges.
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문제 정의
본 연구는 1종 시설물 중 콘크리트 교량의 상태평가 등급, 안전율, 내하율 등을 상부구조 형식별로 자료화하고 이에 대한 통계적 분석에 기초한 재하시험 수행의 적정성을 결정하기 위한 새로운 방법을 제시한다.
본 연구에서는 1종 기설 콘크리트 교량의 상태평가와 안전율 및 내하율 등의 안전 진단 결과를 바탕으로 구조 형식별로 통계적 분석을 수행하고 재하시험의 수행여부에 대한 기준을 제시하였다.
본 연구에서는 구조물의 상태평가등급과 안전율 및 내하율을 함께 검토하여 재하시험 수행여부를 결정토록 제안한다. 재하시험이 필요한 교량은 다음 두 가지 즉, 거더의 상태등급이 d 등급 이하인 경우와 안전율과 내하율이 관리하한선 이하인 경우이다.
안전율과 내하율은 개별 부재의 상태에 따라 변동이 있을 수 있으며, 본 연구에서는 안전율과 내하율에 영향이큰 거더를 대상으로 분석하였다. 거더의 상태등급별 안전 율과 내하율의 분포를 Fig.
제안 방법
공용 교량은 주변환경의 영향, 통행차량의 대형화 및 중량화, 통행량 증가 등으로 인하여 손상 및 열화가 발생하므로 통과하중에 대한 안전성을 평가하기 위하여 내하력평가를 수행한다.
본 연구에서는 이러한 분포를 재하시험 수행여부에 대한 판별에 이용하였다. 교량의 내하력은 거더, 바닥판 및 기타 부재의 결함 및 손상 등에 의한 영향이 있으나, 본 연구에서는 상태평가시 부재별 가중치가 가장 큰 거더의 상태등급을 판별조건으로 적용하였다.
응답보정계수는 하중 재하 방법(load case)중에서 응답이 가장 큰 경우의 계산응답과 실측응답의 비 및 실측 충격계수를 반영하였다. 교량의 상태등급은 상태평가와 안전성평가 중 낮은 등급을 선정하며, 상태평가는 내하력에 미치는 영향이 큰 거더와 바닥판에 대해 정리하였다.
e 등급은 거더의 상태가 심각한 결함으로 인하여 시설물에 안전에 위험이 있어 즉각 사용을 금지하고 보강 또는 개축을 하여야 하는 상태이므로 재하시험을 수행하지 않는다. 단, 보강 후에는 필요시 재하시험을 실시하여 보강효과를 확인토록 한다. 보수가 필요한 c 등급은 보수가 필요한 상태이므로 상태등급만을 가지고 재하시험 수행여부를 평가하기가 어려우므로 이 경우에는 안전율 또는 내하율이 관리하한선 보다 클 경우 재하 시험이 불필요한 것으로 한다.
통계분석에 있어, 다수 데이터들과 동떨어진 값들은 분석 결과의 신뢰성을 떨어뜨리게 된다. 따라서 본 연구에서는 수집된 데이터들에서 이러한 값을 식별하여 제외하고 상관분석 등을 수행하였다.
본 연구에서 상태평가는 해당경간의 상태평가등급을 평가하는데 가중치가 큰 거더를 재하시험 수행여부에 반영하였고 거더의 상태평가등급은 안전등급의 기준을 원용하였다. 세부지침에서 안전등급은 5개로 구분되어 있으며, A, B 등급은 우수 및 양호한 상태를 의미하고 C 등급은 보통, D, E 등급은 미흡 및 불량한 상태이다.
프리스트레스트 콘크리트 상부구조의 안전율과 내하율은 강도설계법과 허용응력법으로 평가된 결과값 중 작은 값을 적용하였다. 응답보정계수는 하중 재하 방법(load case)중에서 응답이 가장 큰 경우의 계산응답과 실측응답의 비 및 실측 충격계수를 반영하였다. 교량의 상태등급은 상태평가와 안전성평가 중 낮은 등급을 선정하며, 상태평가는 내하력에 미치는 영향이 큰 거더와 바닥판에 대해 정리하였다.
현재 국내 교량의 공용내하력 P는 세부지침에 따라 외관조사, 이력조사, 재하시험 등을 고려하여 평가한다. 특히, 대상 교량의 변형률, 처짐, 가속도 등을 측정하여 이론적인 구조해석에 의한 계산값과 비교하여 공용내하력 평가를 수행한다.
대상 데이터
본 연구에서는 세부지침이 개정된 2003년부터 2009년까지 한국시설안전공단에서 정밀안전진단을 수행한 콘크리트 교량을 대상으로 분석하였다. 그 중에서 공용내하력 평가가 수행되고 빈도수가 많은 PSC B(Prestress Concrete Box Girder)와 PSC I(Prestress Concrete I Girder) 형식의 44개 교량을 선정하였다. 대상 교량은 설계하중이 대부분 DB-24(DL-24)로 된 1등급 교량으로 PSC B 형식 36개, PSC I형식 8개교이다.
그 중에서 공용내하력 평가가 수행되고 빈도수가 많은 PSC B(Prestress Concrete Box Girder)와 PSC I(Prestress Concrete I Girder) 형식의 44개 교량을 선정하였다. 대상 교량은 설계하중이 대부분 DB-24(DL-24)로 된 1등급 교량으로 PSC B 형식 36개, PSC I형식 8개교이다. 분석 대상 교량의 일부를 Table 2에 나타내었으며, 표에서 사용년수는 진단년도를 기준으로 산정하였다.
본 연구에서는 세부지침이 개정된 2003년부터 2009년까지 한국시설안전공단에서 정밀안전진단을 수행한 콘크리트 교량을 대상으로 분석하였다. 그 중에서 공용내하력 평가가 수행되고 빈도수가 많은 PSC B(Prestress Concrete Box Girder)와 PSC I(Prestress Concrete I Girder) 형식의 44개 교량을 선정하였다.
데이터처리
수집된 자료는 통계분석 도구 SPSS를 사용하여 안전율, 내하율, 공용내하율 등에 대하여 상부구조 형식별로 분포성향을 분석하였다.
성능/효과
(1) 거더의 상태평가 등급은 안전율, 내하율과 일정한 경향이 없는 것으로 분석되었으며, 이는 분석 대상 교량이 중대형 교량으로 안전성 평가에 영향을 줄만한 심각한 손상 및 결함이 없는 것에 주로 기인한 것으로 보인다.
(2) 안전율의 범위는 0.980∼2.740, 공용내하율은 1.199∼9.517로 내하율의 91∼225%로 산정되어 설계하중(DB-24 or DB-18)에 대한 안전성을 확보하고 있는 것으로 나타났다.
(3) 본 연구에서 제안한 기준에 따라 상부구조에 대한 안전율, 내하율, 상태평가를 근거로 재하시험 수행 여부를 재검토한 결과, 48개소(2010년도 재하시험 수행 4개소 포함) 중 13개 교량만이 재하시험이 필요한 것으로 되었다. 검토대상 교량중 내하율 또는 안전율이 관리하한선 이하인 경우에는 설계하중에 대한 안전성을 확보하고 있더라도 거더 및 슬래브의 강성 저하 우려가 있으므로 재하시험을 통해 정량적으로 공용내하력을 평가해야 한다.
앞서 상부구조 형식별로 통계 분석한 결과, 내하율은 활하중에 대한 여용력이 있음을 보여준다. 또한 표본집단으로부터 모집단을 추정할 수 있는 정규성 검정을 수행한 결과 case 2의 안전율과 내하율이 정규분포를 따르는 것으로 분석되었다. 본 연구에서는 이러한 분포를 재하시험 수행여부에 대한 판별에 이용하였다.
그림에서 거더의 상태등급에 따른 내하율은 분포가 넓게 나타났다. 분석 대상교량은 중대형 교량으로 외관상태가 비교적 양호하고, 안전성 평가에 영향을 줄 만한 손상및 결함이 별반 발견되지 않았다. 그럼에도 내하율의 분포가 크게 나타난 것은 개별 구조물의 경간장, 미관제고 및 경제성 등의 설계조건이 상이하기 때문인 것으로 판단된다.
3에 나타내었다. 안전율이 내하율보다 상대적으로 작게 나타났으며, 내하율은 재하 시험 결과값을 반영한 공용내하율 보다 작게 나타났다. 이것은 공용내하율에 적용되는 응답보정계수가 대부분 1.
517로 내하율의 91∼225%로 산정되어 설계하중(DB-24 or DB-18)에 대한 안전성을 확보하고 있는 것으로 나타났다. 일부 교량에서 안전율과 내하율이 관리수준 목표를 상당히 초과하고 있음을 확인할 수 있었다.
효과적인 내하력평가를 위해 재하시험 대상교량을 선정한 결과 44개 중 11개 교량이 재하시험을 수행하는 것으로 평가되었다. 재하시험이 필요한 교량 중에서 안전율 또는 내하율이 관리하한선 이하인 경우는 6개, 안전율과 내하율 모두 관리하한선 이하인 경우는 5개로 나타났다.
Table 5에는 안전율, 내하율, 공용내하율에 대한 상관 분석 결과를 나타내었다. 표에서 내하율과 공용내하율의 상관계수는 0.90으로 두 변수간의 상관성이 다른 변수보다 큰 것으로 분석되었다.
효과적인 내하력평가를 위해 재하시험 대상교량을 선정한 결과 44개 중 11개 교량이 재하시험을 수행하는 것으로 평가되었다. 재하시험이 필요한 교량 중에서 안전율 또는 내하율이 관리하한선 이하인 경우는 6개, 안전율과 내하율 모두 관리하한선 이하인 경우는 5개로 나타났다.
후속연구
(4) 본 연구에서 제안한 방법은 안전진단 시 기술자가 구조물의 건전성을 확인함과 동시에 재하시험 수행여부를 사전 판별함으로써 불필요한 재하시험에 소요되는 사회･경제적 비용이 경감될 것으로 기대된다.
내하력 평가는 교량 평가과정의 일부로서 해당 차량을 안전하게 지지할 수 있는 활하중 저항능력을 정량적으로 평가한다. 또한 평가 결과를 교량의 정밀안전진단에 반영하여 통행하중을 설정하고 보수 및 보강공사의 설계 등 교량의 정밀안전진단 및 유지관리업무의 기초자료로 활용한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
내하력을 산정하는 방법으로는 어떤 것이 있나?
교량의 안전 및 유지관리에 있어서 내하력 평가는 매우 중요한 요소이며 외관조사, 각종 시험 및 구조해석 등을 포함하는 복합적 의사결정문제이다. 내하력을 산정하는 방법은 설계활하중에 내하율을 고려하는 방법과 구조물의 손상, 결함, 재료적인 열화현상 등에 대한 실측자료를 반영하여 내하율을 보정하는 방법이 있다. 전자의 방법은 미국(AASHTO, 1994)과 유럽(CEB, 1998) 등에서 채택하고 있으며, 후자의 방법은 한국(국토해양부, 2010)과 일본 등에서 취하고 있다.
공용 교량의 내하력 평가를 수행하는 이유는?
공용 교량은 주변환경의 영향, 통행차량의 대형화 및 중량화, 통행량 증가 등으로 인하여 손상 및 열화가 발생하므로 통과하중에 대한 안전성을 평가하기 위하여 내하 력평가를 수행한다.
설계활하중에 내하율을 고려하는 방법을 채택한 나라는?
내하력을 산정하는 방법은 설계활하중에 내하율을 고려하는 방법과 구조물의 손상, 결함, 재료적인 열화현상 등에 대한 실측자료를 반영하여 내하율을 보정하는 방법이 있다. 전자의 방법은 미국(AASHTO, 1994)과 유럽(CEB, 1998) 등에서 채택하고 있으며, 후자의 방법은 한국(국토해양부, 2010)과 일본 등에서 취하고 있다.
참고문헌 (14)
국토해양부, 안전점검 및 정밀안전진단 세부지침(교량편), 국토해양부, 한국시설안전공단, 2010.
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