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문제 정의
- 본 과업은 (구)남해고속도로상에 위치한 섬진강교의 재사용을 위한 정밀안전진단용역으로서 시설물의 현장조사, 구성 재료의 강도, 성능 시험 및 정 · 동적 재하시험 등을 실시하여 시설물에 내재되어 있는 위험요인이나 기능 및 성능저하, 상태 이상 등을 검사 · 평가하여 교량의 재사용 여부를 평가하는데 있었다.
제안 방법
- 본 과업대상 시설물에 대해 정밀외관조사 및 비파괴시험 결과를 토대로 해석구간을 선정하였으며 Table 2와 같은 범위로 구조검토를 실시해 안전성 및 내하력평가를 실시하였다.
- 섬진강교는 1973년 8월 준공되어 공용기간이 약 41년 경과된 교량으로서 콘크리트 및 강재구조물에 발생된 결함, 손상, 열화현상들은 준공 후 장기간의 시간이 흐르고 난 후에 조사되므로 외관조사 시 정밀조사를 실시하기 위하여 점검장비(교량점검차, 고소작업차, 사다리)를 이용한 근접조사를 원칙으로 시행하였다.
- 재하시험 경간은 외관조사 및 내구성 등의 현장조사결과와 작업의 편이성 등을 고려하여 S1경간을 선택하여 구조 안전성 및 공용내하력을 만족하는지 확인하기 위해 구조물의 정 · 동적 거동계측과 이를 통해 각 부재별 응답보정계수를 산정하였다.
- 재하시험시 거더의 횡방향 분배상태와 동재하시험시 측정된 고유진동수를 이용하여 해석모델의 적정성을 검증하였다. 정적재하시험의 횡방향 분배 상태과 해석모델의 횡방향 분배 상태를 비교한 결과 거의 동일한 횡방향 분배 경향을 보여주고 있으며 동일 하중 경우수중에서 각 거더의 응답비 또한 1±0.
- 하상면 지형조사는 향후 연차별 비교 및 지속적인 유지관리를 위하여 Footing 콘크리트상단을 기준으로 각 교각당 8개 지점에서 하상 수심측정을 실시하였다. 수심측정 분석결과 하상상태는 P2~P3, P6~P7의 수심이 가장 깊은 상태였으며, 건설지에 수록된 시공시 지반현황과 비교 · 검토한 결과 현재의 하상이 시공시보다 1.
대상 데이터
- (구)남해고속도로 섬진강교는 전라남도 광양시 진월면에서 섬진강을 횡단하여 경상남도 하동군 금성면을 연결하는 연장 524.45m, 폭 11.85m의 왕복 2차선의 교량으로 1973년 준공되어 약 41년이 경과된 설계하중 DB-18의 2등교이다.
- 92mm)로 시공되었으며, 교대 1기(A1)는 직접기초로 시공되었다. 14개 교각에서는 각 10개의 강관 파일이 설치된 상태이며, 총 162개의 중 직항 96개, 사항 66개로 이루어져 있으며, 7.5m~42.0m의 길이의 강관파일이 설치된 상태이다. 또한 강관 내부는 상부에서 20m 깊이까지 철근을 배근한 후 내부를 콘크리트로 채워 시공되었다.
- PSC-Beam 구간은 총 16경간 중 14경간으로 이루어져 있으며, 바닥판은 두께 180mm, 폭 11.85m로 설계 및 시공되었다. 바닥판의 두께는 건설지의 도면과 실측치 모두 180mm로 확인되어, 현행 도로교 설계기준인 220mm에는 40mm 정도가 부족한 것으로 확인되었다.
- 강관파일 기초는 교각 1기당 10개(사항 6개, 직항 4개)의 강관파일(t=7.92, ∅554)로 이루어져 있으며, 최대심도 40m까지 차입하고 내부를 철근콘크리트로 채워서 견고 암반에 직접 지지한 후 기초 위에 교각을 시공하였다.
- 본 교량은 1973년 준공이후 약 19년 공용되었고 1992년 신교가 준공됨에 따라 폐쇄된 교량으로서 이후 유지관리이력은 없는 구조물이다. 현재 본 교량에 구조적 균열 및 강재 피로균열, 바닥판 두께 설계기준 미확보, 기둥부 염해피해, 강관파일 완전유실 발생을 고려한 구조안전성 평가결과 소요의 안전도를 확보하지 못하는 것으로 평가되었다.
- 본 교량의 배수시설은 트러스 구간(S4~S5)을 제외한 전 경간(S1~S3, S6~S16)에서 약 7.7m 간격으로 경간당 4개소씩 총 56개소의 ∅160의 강관으로 설치되어 있으며, 외관조사 결과 상면 배수구 막힘 42개소, 바닥판 하면의 전체 배수관(56개소) 파손 및 부식이 조사되었다.
성능/효과
- 염해로 인해 강관 파일 전 개소가 부식이 심화된 상태이며 그 중 8개의 교각은 부식율이 50% 이상인 것으로 확인되었다. P3, P5 교각에 설치된 각 1개소씩의 강관 파일은 강관과 내부 콘크리트가 모두 유실되어 기초의 기능이 상실된 상태로 확인되었다.
- PSC-Beam 하부플랜지의 종방향 균열은 총 14개 경간 70개의 거더 중 9개 경간의 13개 거더에서 발생되었으며, 발생된 균열 중 일부는 균열부에 백태를 동반하고 있는 것으로 확인되었다.
- PSC-Beam에 발생된 재료분리, 철근 및 쉬스관 노출 등의 단면결함은 S1을 제외한 전 경간에서 발생되었으며, 총 70개 중 61개(약87%)의 PSC-Beam에서 발생되었다.
- 금번 수중조사 결과 세굴심도가 가장 깊은 P6(파일노출 길이 11.4m)에 대하여 건설당시의 지반조사 자료를 토대로 상부하중(DB-24)에 대하여 연직 및 수평지지력을 검토한 결과, 지지력이 확보되는 것으로 평가되어, 1등교(DB-24) 도로교로서 재사용할 경우에는 기초 지반에 대한 지반 보강을 필요없는 것으로 검토되었다.
- 내측 바닥판에서 조사된 폭 0.1~0.2mm의 종, 횡방향의 균열이 79개소가 조사되었으며, 1경간의 내측 바닥판의 거더와 거더 사이를 1블럭으로 볼 때 균열, 누수 백태 및 골재분리에 따른 철근노출은 14경간의 총 56블럭 중 36블럭(약 66%)에서 조사되었다.
- 따라서 대상 교량을 재활용하기 위해서는 개축과 동일한 수준의 조치가 이루어져야 할 것으로 판단되는 바 보수 · 보가을 실시한 이후 활용하는 것 보다 철거 후 신설하는 것이 더 타당한 것으로 판단된다.
- 1 범위 내에서 대부분 산정되었다. 또한 동적 재하시험결과에서 측정된 고유진동수가 해석모델의 동적 해석에서 산정된 고유진동수를 비교한 결과 10% 이내의 상대오차만이 발생하는 것으로 나타났다. 따라서 해석모델은 현재 상부구조의 조건을 적정하게 반영하고 있는 것으로 판단된다.
- 85m로 설계 및 시공되었다. 바닥판의 두께는 건설지의 도면과 실측치 모두 180mm로 확인되어, 현행 도로교 설계기준인 220mm에는 40mm 정도가 부족한 것으로 확인되었다.
- 받침장치는 최초 1973년 준공 시 전체 170개의 네오플랜 고무패드(Neo prene Rubber Pad)가 설치되었으며, 외관조사 결과 PSC-Beam 구간의 고무패드 받침은 전 개소에서 고무재의 갈라짐과 열화가 발생되었고, 트러스 구간의 강재 받침은 본체 및 앵커볼트 부식과 받침 콘크리트의 균열 및 들뜸이 조사되었다.
- 상부 및 하부구조에서 탄산화깊이 측정결과 최대 14.0mm로 측정되었으며 잔여깊이가 23.0mm로 탄산화의 진행 속도로 보아 철근깊이까지 도달시간은 여유가 있는 것으로 나타났다. 탄산화가 깊이가 낮은 구간은 과거 보호차원의 코팅부가 확인되었다.
- 상부구조와 하부구조의 구조해석 결과 DB-24하중에 대해 소요의 안전도를 확보하지 못하는 것으로 검토되었으며 1등교로 사용하고자 하는 경우 각 부재는 전면적인 보강이 필요한 것으로 산정되었다.
- 섬진강교 안전등급은 상태평가 및 안전성평가 등을 종합적으로 평가한 결과 “주요부재에 발생한 심각한 결함으로 인하여 시설물 안전에 위험이 있어 즉각 사용을 금지하고 보강 또는 개축을 하여야 하는 상태”인 안전등급은 『E등급(불량)』으로 지정하였다.
- 섬진강교의 구조형식은 PSC BEAM 및 TRUSS구조로 되어있으며 현장조사 및 시험, 상태 및 안정성 평가, 재하 시험을 종합적으로 평가한 결과 외관조사와 비파괴시험에 의한 상태평가 결과는 『D』이고 구조안전성 평가결과는 『E』로 평가되어 종합평가 결과는 최소등급인 『E』 등급으로 평가되었다.
- 수심측정 분석결과 하상상태는 P2~P3, P6~P7의 수심이 가장 깊은 상태였으며, 건설지에 수록된 시공시 지반현황과 비교 · 검토한 결과 현재의 하상이 시공시보다 1.4~9.5m가 세굴된 상태로 조사되었으며, 강관파일은 P6에서 최고 11.4m가 노출된 것으로 조사되어 기초의 안전성 평가시 세굴심도와 노출길이를 반영하였다.
- 수중조사 결과 15개 교각 중 14개 교각의 강관파일의 약 1m의 높이가 비말대(해안에 위치한 구조물이 바닷물이 잠겼다가 빠져나가는 구간)에 해당되어 강관파일이 전체적으로 염해로 인한 손상이 발생하였다. 염해로 인해 강관 파일 전 개소가 부식이 심화된 상태이며 그 중 8개의 교각은 부식율이 50% 이상인 것으로 확인되었다.
- 일부 배수관은 강관의 부식 심화로 인해 배수구의 단면이 모두 손실되어 우기 시 배수구에서 바닥판과 거더로 우수가 흐르고 있는 상태이며, 이로 인한 캔틸래버와 거더의 콘크리트 열화가 진행되고 있는 것으로 관찰되었다.
- 전체 14개소의 신축이음장치에서 누수 여부를 조사한 결과 2개소를 제외한 12개소에서 우수가 하부로 유입되는 것으로 확인되었으며 좌 · 우측 연석부에는 신축이음장치가 설치되지 않아 우기시 연석 신축이음부 누수로 인해 하부 콘크리트의 열화를 유발시키고 있는 상태이다.
- 전체 교각 15기 중 철판 보강이 실시되지 않은 7개의 교각 전체 기둥부에서 수직균열과 들뜸이 광범위하게 조사되었으며, 철판이 보강된 8개의 교각 기둥부에서도 철판 제거 후 내부 콘크리트를 조사한 결과 일부 수직균열과 들뜸이 발생된 상태이다. 수직균열의 폭은 0.
- 조사결과 고무재 파손 및 강재부식, 유간 토사퇴적, 단차 등의 본체 열화가 전 개소에서 발생되었으며, 후타재 콘크리트에서 표면박리 및 균열 등이 조사되었다. 전체 14개소의 신축이음장치에서 누수 여부를 조사한 결과 2개소를 제외한 12개소에서 우수가 하부로 유입되는 것으로 확인되었으며 좌 · 우측 연석부에는 신축이음장치가 설치되지 않아 우기시 연석 신축이음부 누수로 인해 하부 콘크리트의 열화를 유발시키고 있는 상태이다.
- 조사결과를 종합하여 보면 현재의 하부구조 기둥은 염해로 인하여 장기적인 내구성 및 안전성 확보는 어려울 것으로 판단되므로 현재의 기둥의 저항능력을 무시하고 보강되는 하부구조가 저항할 수 있는 개념의 보강이 필요한 것으로 판단된다.
- 본 교량은 1973년 준공이후 약 19년 공용되었고 1992년 신교가 준공됨에 따라 폐쇄된 교량으로서 이후 유지관리이력은 없는 구조물이다. 현재 본 교량에 구조적 균열 및 강재 피로균열, 바닥판 두께 설계기준 미확보, 기둥부 염해피해, 강관파일 완전유실 발생을 고려한 구조안전성 평가결과 소요의 안전도를 확보하지 못하는 것으로 평가되었다.
후속연구
- 교면 포장 및 방수층의 손상은 바닥판 콘크리트의 백태, 철근부식 등 2차 손상을 유발하게 되고 콘크리트 품질저하의 원인이 되므로 향후 교량의 재사용을 위해서는 전체 교면방수 및 재포장이 실시하여야 할 것으로 판단되었다.
- 향후 교량의 재사용 시 반복되는 활하중으로 인해 단기간에 균열발생의 우려가 있으므로 전체 72개소의 세로보를 교체하여 구조물의 안전성을 확보하여야 한다.
- 1m)를 만족하지 못하는 것으로 분석되었다. 향후 교량의 재사용시 주행 차량의 안전과 도로교 설계기준(h=1.1m)에 충족되기 위해 부분적인 보수보다는 장기공용 측면에서 난간과 연석은 전체 재시공이 필요하다.
- 향후 교량의 재사용을 위해서는 콘크리트의 열화 방지를 위해서는 최소 L=2.0m 이상의 배수관으로 전 개소(56개소) 교체가 필요하다.
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