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문제 정의
- 결함은 공용 초기에 대부분 발견되며, 물리적인 힘에 의해 발생하는 손상은 대부분 시기를 예측할 수 없는 것들이다. 본 절에서는 경시적 변화에 의한 열화를 대상으로 발생 시기를 분석하였다.
- 본 기사의 손상 통계 분석 자료는 한국도로공사의 유지 관리 수준에서 평균 공용연수 16년 정도의 고속도로 교량에서 나타나는 특성이다. 관리주체의 유지관리수준(점검 및 보수 체계), 평균 공용연수(열화도), 고속도로 교량이 아닌 경우(시공 품질 등) 손상 통계치는 차이가 있을 수 있으므로 별도의 연구가 필요할 것이다.
- 정밀안전진단보고서 상에서 정확한 손상 발생 시기를 파악하는 것은 어렵기 때문에 진단년도에서 준공년도를 뺀 값을 발생시기로 보고 분석하였다. 따라서 실제 열화 발생 시기는 분석 결과 보다 짧다고 보아야 할 것이다.
제안 방법
- 교량에서 발생하는 손상은 부재별로 나타나는 특성이 크기 때문에서 우선 부재별로 구분하였다. 바닥판, 콘크리트 거더, 강재 거더, 교대, 교각, 받침, 신축이음장치, 교면포장, 배수시설 및 방호벽 등 10개 부재로 분류하였다.
- 교량에서 발생하는 손상은 부재별로 나타나는 특성이 크기 때문에서 우선 부재별로 구분하였다. 바닥판, 콘크리트 거더, 강재 거더, 교대, 교각, 받침, 신축이음장치, 교면포장, 배수시설 및 방호벽 등 10개 부재로 분류하였다. 상세 분석을 위해 각 부재별로 손상 원인에 따라 발생률을 산정하였다.
- 바닥판, 콘크리트 거더, 강재 거더, 교대, 교각, 받침, 신축이음장치, 교면포장, 배수시설 및 방호벽 등 10개 부재로 분류하였다. 상세 분석을 위해 각 부재별로 손상 원인에 따라 발생률을 산정하였다.
- 이를 통해 교량에서 발생하는 주요 손상은 무엇인지, 어떤 발생 특성을 가지는지를 분석하였다.
- 전술한 바와 같이 손상을 부재별-손상유형-세부손상유형-손상원인으로 분류하였다.
- 손상의 발생빈도를 나타낼 수 있는 기준으로서 유손상률이라는 개념을 도입하였다. 유손상률은 Eq.
- 고속도로 교량에서 발생하는 주요 손상을 분류하기 위해 전체 손상 중 특정 손상이 차지하는 비율을 분석하였다. 분석결과로부터 선정된 고속도로 교량의 10대 손상유형(결함 및 열화 포함), 10대 결함, 5대 손상 및 5대 열화를 Fig.
- 보수⋅보강에 의한 효과를 파악하기 위해 첫 번째 진단 후 보수된 경우와 미보수된 경우로 구분하였다.
- 정밀안전진단을 2회 이상 실시한 교량을 대상으로 구조 부재 및 비구조부재의 상태등급(결함도 지수)변화를 분석하였다. 결함도 지수는 상태등급을 정량화한 수치로 A등급 0.
- 상태등급 ‘D’ 이하 부재는 구조부재의 경우 보강, 그 외 부재의 경우 교체가 필요한 상태로서 ‘취약부재’로 구분하여 분석하였다.
- 교량의 효율적인 유지관리를 위한 기초자료를 제시하고자 고속도로 교량의 손상을 통계적으로 분석하였으며, 주요 손상 발생 특성을 도출하였다. 이를 통해 얻어진 결과는 다음과 같다.
- (1) 손상을 초기하자에 의한 결함, 물리적 외력에 의한 손상, 경시적 영향에 의한 열화로 구분하고 부재별로 발생빈도가 높은 주요 손상을 매트릭스 형태로 정리하여 제시하였다. 결함에 해당하는 손상유형의 종류가 가장 많았고, 유손상률도 높게 나타났다.
대상 데이터
- 교량 유지관리에 있어 관리대상은 교량에서 발생하는‘손상(결함, 손상 및 열화 통칭, 이하 손상으로 표기)’이다.
- 손상 분석을 위해 최근 15년간(1996~2010) 고속도로에서 실시된 1,000여 개소 교량의 정밀안전진단보고서 실시결과를 활용하였다. 정밀안전진단보고서는 상세점검으로 얻어진 기록으로 손상에 대해 비교적 정확한 데이터를 포함하고 있는 특징이 있다.
- 국내 고속도로상의 교량은 2013년 12월 기준으로 총 8,267개다. 본 기사에서는 1996년부터 2010년까지 한국도로공사 주관 하에 실시된 정밀안전진단 교량에 대해 손상을 분석하였다.
- 국내 고속도로상의 교량은 2013년 12월 기준으로 총 8,267개다. 본 기사에서는 1996년부터 2010년까지 한국도로공사 주관 하에 실시된 정밀안전진단 교량에 대해 손상을 분석하였다. 정밀안전진단 교량의 개소 및 정밀안전진단보고서 보유 수량 등을 Table 1에 나타내었다.
- 교량의 안전성, 사용성, 내구성 및 기능성에 악영향을 미치는 인자를 손상으로 하였다.
- 10개 부재, 58개 손상유형, 146개 세부유형, 345개 발생원인으로 구분하였다. Table 2에 바닥판의 손상 분류를 예로서 나타내었다.
- 고속도로 교량에서 발생하는 주요 손상을 분류하기 위해 전체 손상 중 특정 손상이 차지하는 비율을 분석하였다. 분석결과로부터 선정된 고속도로 교량의 10대 손상유형(결함 및 열화 포함), 10대 결함, 5대 손상 및 5대 열화를 Fig. 1에 나타내었다.
성능/효과
- 콘크리트 부재(바닥판, 콘크리트 거더, 교대, 교각 및 방호벽)와 교면포장은 균열의 발생빈도가 가장 높으며, 강재 거더의 경우에는 부식, 도장손상, 용접결함 및 변형의 순으로 발생빈도가 높다는 것을 알 수 있다.
- 비구조부재인 교량받침은 본체의 손상이 많았으며, 신축 이음장치는 본체와 후타콘크리트의 유손상률이 유사하게 나타났다. 배수시설의 주된 손상유형은 막힘으로 나타났다.
- 전체적으로 결함에 해당하는 손상유형의 종류가 많고, 유손상률도 높다는 것을 알 수 있다. 반면 공용 중 물리적 외력에 의한 손상은 손상빈도가 크지 않은 것으로 나타났다.
- 한편 신축이음부 누수로 인한 열화(바닥판, 거더, 교대, 교각 등 영향)는 전체 열화 중 40% 정도를 차지함을 알 수 있었다. 따라서 설계 시 신축이음장치를 없애거나 가능한 줄이는 교량 구조형식이 유리하고, 유지관리차원에서는 주기적인 청소 및 교체 등 적절한 유지관리가 필요함을 알 수 있었다.
- 한편 신축이음부 누수로 인한 열화(바닥판, 거더, 교대, 교각 등 영향)는 전체 열화 중 40% 정도를 차지함을 알 수 있었다. 따라서 설계 시 신축이음장치를 없애거나 가능한 줄이는 교량 구조형식이 유리하고, 유지관리차원에서는 주기적인 청소 및 교체 등 적절한 유지관리가 필요함을 알 수 있었다.
- 즉각적인 교체나 보수가 필요한 부재, 즉 취약성이 높은 부재로는 신축이음장치, 포장, 받침 및 배수시설로 나타났고, 콘크리트 거더, 강재 거더, 교대 및 교각 등 구조부재의 경우 보강이 필요할 정도의 손상 발생빈도는 낮은 것으로 나타났다.
- 신축이음장치는 반복 차량하중에 의해 본체 파손, 고무재 마모, 후타콘크리트 균열 및 파손, 포장 경계부 파손이 심한 경우 교체가 필요한 상태가 되는 것으로 나타났다.
- 교면 포장은 배합, 다짐불량 및 반복하중으로 포트홀, 패임, 소성변형, 요철, 망상균열, 종방향 균열 등이 발생할 경우 취약하게 되는 것으로 나타났다.
- 난간방호벽은 건조수축으로 인한 수직균열이 가장 많이 발견되는 손상이다. 피복두께 부족으로 인한 철근노출, 동결융해 및 제설제 살포로 인한 박리 및 박락이 심한 경우 D등급으로 판정되는 것으로 나타났다.
- (1) 손상을 초기하자에 의한 결함, 물리적 외력에 의한 손상, 경시적 영향에 의한 열화로 구분하고 부재별로 발생빈도가 높은 주요 손상을 매트릭스 형태로 정리하여 제시하였다. 결함에 해당하는 손상유형의 종류가 가장 많았고, 유손상률도 높게 나타났다. 반면 공용 중 물리적 외력에 의한 손상은 많지 않은 것으로 나타났다.
- (2) 고속도로 교량 10대 손상 유형 중 상위 5개의 손상은 콘크리트 부재에서 일반적으로 발견되는 건조수축균열, 박락, 백태, 누수, 재료분리이며, 그 외 5개 손상은 주로 비구조부재에서 나타나는 신축이음부 후타콘크리트 균열, 교면포장 균열, 받침 부식, 배수구 막힘 등이 이에 해당한다.
- (3) 결함, 손상, 열화 중 결함 차지비율이 전체의 58% 정도로서 다수를 차지하였으며, 열화 중에서는 신축이음누수가 원인이 되어 발생하는 경우가 전체 열화의 40% 정도를 차지하였다.
- (4) 콘크리트 부재의 박락 발생 시기는 약 18~23년, 강재 구조부재의 부식 및 도장 열화의 발생 시기는 약 13년이다. 한편, 부대시설의 열화 발생 시기는약 15~17년으로 추정되었다.
- (5) 즉각적인 교체나 보수가 필요한 부재, 즉 취약성이 비교적 높은 부재(D등급 이하 부재)로는 신축이음 장치, 포장, 받침 및 배수시설로 나타났고, 콘크리트 거더, 강재 거더, 교대 및 교각 등 구조부재의 경우 보강이 필요할 정도의 손상 발생빈도는 낮은 것으로 나타났다.
- 전체 대상 교량의 손상 중 결함이 차지하는 비율이 57.7%로 가장 높게 나타났는데, 이는 현재 고속도로 교량 손상의 대부분이 설계 및 시공 불량에 의한 결함으로 발생된 것이며 공용 초기에 발견할 수 있는 손상임을 알 수 있다. 따라서 조기에 손상 보수가 이루어진다면 내구수명을 연장하는데 도움이 될 것이다.
후속연구
- 본 기사의 손상 통계 분석 자료는 한국도로공사의 유지 관리 수준에서 평균 공용연수 16년 정도의 고속도로 교량에서 나타나는 특성이다. 관리주체의 유지관리수준(점검 및 보수 체계), 평균 공용연수(열화도), 고속도로 교량이 아닌 경우(시공 품질 등) 손상 통계치는 차이가 있을 수 있으므로 별도의 연구가 필요할 것이다.
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