최근 경주, 포항 등 국내에서 지진으로 인한 피해가 지속적으로 발생하면서, 우리나라가 더 이상 지진의 안전지대가 아니며 이에 대한 대비가 필요함을 알게 되는 계기가 되었다. 또한 내진설계 개념 도입 이전에 건설된 교량들은 적절한 보강 대책이 마련되지 않은 상태로 남아있는 실정으로 경제성과 구조적 안전성이 고려된 내진보강이 순차적으로 이루어져야한다. 기존 교량의 내진성능 예비평가는 교량이 위치한 지역의 지진세기를 고려한 지진도와 취약도 및 영향도를 고려하여 4개의 그룹으로 내진 그룹화하고 이를 통해 내진성능 상세평가를 위한 우선순위가 결정된다. 본 연구에서는 기존의 방법과 다르게 교량의 중요도와 취약조건, 도로교의 세부사항을 기준으로 선정하여 도로교의 내진 보강 우선순위를 결정하는 보다 간편하고 객관적인 알고리즘을 제안하고 이를 실제 교량에 적용하여 적합성을 확인하였다.
최근 경주, 포항 등 국내에서 지진으로 인한 피해가 지속적으로 발생하면서, 우리나라가 더 이상 지진의 안전지대가 아니며 이에 대한 대비가 필요함을 알게 되는 계기가 되었다. 또한 내진설계 개념 도입 이전에 건설된 교량들은 적절한 보강 대책이 마련되지 않은 상태로 남아있는 실정으로 경제성과 구조적 안전성이 고려된 내진보강이 순차적으로 이루어져야한다. 기존 교량의 내진성능 예비평가는 교량이 위치한 지역의 지진세기를 고려한 지진도와 취약도 및 영향도를 고려하여 4개의 그룹으로 내진 그룹화하고 이를 통해 내진성능 상세평가를 위한 우선순위가 결정된다. 본 연구에서는 기존의 방법과 다르게 교량의 중요도와 취약조건, 도로교의 세부사항을 기준으로 선정하여 도로교의 내진 보강 우선순위를 결정하는 보다 간편하고 객관적인 알고리즘을 제안하고 이를 실제 교량에 적용하여 적합성을 확인하였다.
With the recent series of damage caused by earthquakes in Korea, such as Gyeongju and Pohang, we know that Korea is no longer a safe zone for earthquakes and that we need to be prepared for them. In addition, bridges built prior to the introduction of seismic design concepts remain without adequate ...
With the recent series of damage caused by earthquakes in Korea, such as Gyeongju and Pohang, we know that Korea is no longer a safe zone for earthquakes and that we need to be prepared for them. In addition, bridges built prior to the introduction of seismic design concepts remain without adequate seismic reinforcement measures, and earthquake reinforcement should be performed efficiently considering economic and structural safety. Preliminary assessment of seismic performance of existing bridges is divided into four seismic groups, taking into account seismicity, vulnerability and Impact, considering the magnitude of the existing bridge's seismic, and prioritization for further evaluation of seismic performance. In this study, unlike the existing anti-seismic reinforcement priority method, scores are calculated based on the seismic design criteria applied to bridges, importance coefficient of the bridge including the zone coefficient and the Importance, vulnerability index of the bridge including the soil condition and the elapsed years, detail coefficient of the bridge including the superstructure form, the span length, the width, the height, the design load, and the daily traffic volume. The calculated score items will be weighted and grouped according to the results. Using this, a simpler and more efficient algorithm was proposed to determine the priority of seismic reinforcement on a bridge.
With the recent series of damage caused by earthquakes in Korea, such as Gyeongju and Pohang, we know that Korea is no longer a safe zone for earthquakes and that we need to be prepared for them. In addition, bridges built prior to the introduction of seismic design concepts remain without adequate seismic reinforcement measures, and earthquake reinforcement should be performed efficiently considering economic and structural safety. Preliminary assessment of seismic performance of existing bridges is divided into four seismic groups, taking into account seismicity, vulnerability and Impact, considering the magnitude of the existing bridge's seismic, and prioritization for further evaluation of seismic performance. In this study, unlike the existing anti-seismic reinforcement priority method, scores are calculated based on the seismic design criteria applied to bridges, importance coefficient of the bridge including the zone coefficient and the Importance, vulnerability index of the bridge including the soil condition and the elapsed years, detail coefficient of the bridge including the superstructure form, the span length, the width, the height, the design load, and the daily traffic volume. The calculated score items will be weighted and grouped according to the results. Using this, a simpler and more efficient algorithm was proposed to determine the priority of seismic reinforcement on a bridge.
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문제 정의
3개의 평가부분의 각 항복별 평가점수를 결정하고 그에 따른 가중치를 고려하여 내진보강의 우선순위를 결정하였다. 개발한 알고리즘에 실제교량의 데이터를 입력하여 나온 결과를 바탕으로 내진보강 우선순위의 적절성 및 성능 평가의 적합성을 검토하고자 하였으며 교량의 현황조서 정보를 통해 기존보다 효율적으로 내진그룹화 되는 것을 목적으로 하였다.
본 연구에서는 국토교통부가 관리하는 ‘도로 교량 및 터널현황정보시스템’ 사이트 내의 “2018 도로 교량 및 터널 현황 조서” 에 포함 된 도로교의 현황 자료를 바탕으로 도로교의 합리적인 내진보강을 위해 내진보강 우선순의 결정을 위한 의사결정에 대해 연구하였다.
본 연구에서는 도로교 설계기준의 변천과정을 조사하고 그를 반영하여 기존의 우선순위 결정방법과 다른 새로운 평가항목을 통한 우선순위 결정방법을 개발하였다. 지표 취득의 간편성 및 편의성, 각 항목이 설계기준에 제시된 지표를 사용함으로서 얻어지는 객관성 등 보다 간편하고 효율적인 평가가 가능하도록 하였다.
한국시설안전공단의 ‘기존 시설물(교량) 내진성능 평가요령’ 에 따르면, 교량은 지진구역과 지반종류, 도시권역을 고려한 지진도, 지진으로 인해 교량이 붕괴되거나 손상이 입기 쉬운 형태를 구분하는 취약도, 교량이 지진으로 인해 피해가 발생할 경우 이로 인한 사회 및 경제적인 영향을 고려하는 영향도를 이용하여 내진성능 예비평가를 함으로서 내진보강 핵심교량, 내진보강 중요교량, 내진보강 관찰교량, 내진보강 유보 교량의 4개 그룹으로 나누고 동 순서대로 우선순위를 부여한다. 이에 따라 우선순위가 높은 내진그룹에 속하는 교량에 대하여 우선적으로 내진성능 평가를 수행하는데 본 연구에서는 앞에서 정의한 바와 같이 중요도, 취약조건, 세부사항의 각 조건에 맞추어 점수를 배점하여 아래의 우선순위 알고리즘에 적용하고 이를 통해 기존과 동일한 4개의 그룹으로 분류하고자 한다.
도로교의 내진설계기준은 건설부가 제정한 1992년 도로교 표준시방서를 시작으로 2012년 도로교 설계기준에 이르기까지 도로교설계기준(내진설계)은 계속하여 개정이 이루어짐으로서 추가적인 보완이 이루어져왔다. 이에 본 연구에서는 이러한 도로교 설계기준의 변천과정을 각 주제별 대비표로 나누어 정리함으로서 도로교의 준공 시 적용된 해당 설계기준에 맞추어 해당 교량의 내진성능평가 및 보강이 적절히 이루어졌는지 판단함에 있어 도움이 되도록 하였다.
본 연구에서는 도로교 설계기준의 변천과정을 조사하고 그를 반영하여 기존의 우선순위 결정방법과 다른 새로운 평가항목을 통한 우선순위 결정방법을 개발하였다. 지표 취득의 간편성 및 편의성, 각 항목이 설계기준에 제시된 지표를 사용함으로서 얻어지는 객관성 등 보다 간편하고 효율적인 평가가 가능하도록 하였다. 또한 최근 집계된 자료인 국토교통부가 관리하는 ‘도로 교량 및 터널 현황정보시스템’ 사이트 내“2018 도로 교량 및 터널 현황조서” 파일에 포함 된 교량들의 정보를 이용하여 새로운 기준을 정하고 점수를 배점함으로서보다 정확한 평가를 할 수 있도록 하였다.
가설 설정
또한 본 연구에서 사용하는 국토교통부 ‘도로 교량 및 터널 현황정보시스템’사이트 내 ‘2018 도로 교량 및 터널 현황조서’ 파일 내에서는 준공년도만 포기되어 있으므로 정확한 설계년도를 파악할 수 없으며 그로 인해 해당 교량이 어떤 설계 기준을 적용하였는지 불확실하다. 이를 명확히 하기 위해 교량이 설계에서 완공되기까지의 평균 기간을 6년이라 가정하여 준공년도에서 6년 전을 설계년도라 판단해 해당 연도의 설계 기준을 적용하였다고 판단한다. 이에 아래의 표와 같이 점수를 배점한다.
제안 방법
이는 지역 계수와 중요도 항목을 고려한 교량의 중요도와 지반조건 및 경과년수를 포함한 교량의 취약도, 그리고 교량의 상부구조형식, 최대 경간장, 폭, 교고, 설계하중, 일일교통량을 포함한 도로교 세부항목으로 구분된다. 3개의 평가부분의 각 항복별 평가점수를 결정하고 그에 따른 가중치를 고려하여 내진보강의 우선순위를 결정하였다. 개발한 알고리즘에 실제교량의 데이터를 입력하여 나온 결과를 바탕으로 내진보강 우선순위의 적절성 및 성능 평가의 적합성을 검토하고자 하였으며 교량의 현황조서 정보를 통해 기존보다 효율적으로 내진그룹화 되는 것을 목적으로 하였다.
보통 교량의 거더 구조에서 낙교가 발생하며 코핑부의 연단거리 부족 등 다양한 원인이 있다. 교량의 상부구조가 무거울수록 낙교에 취약하다는 연구가 있으며 이를 기준으로 낙교에 가장 취약하다 판단되어지는 교량의 상부구조 형식을 우선순위에 두고 아래의 표와 같이 점수를 배점하였으며 구조물의 중요도 또한 고려하였다.
교량의 상부구조형식에 따라 교량 구조물의 여러 지진피해 중 가장 중요한 낙교를 기준으로 하였다. 낙교란, 교량이 교각 코핑부에서 떨어지는 현상으로서 지진 발생 시 교량의 기능을 상실하도록 하는 가장 심각한 피해의 하나이다.
도로교의 세부 사항(Detail Coefficient, DC)에 대한 점수를 산정하기 위해 본 연구에서는 각 교량의 상부구조 형식과 교량의 지간, 최대 경간장 및 일일교통량을 평가 항목으로 선정하여 각 기준에 맞추어 점수를 배점하고 가중치를 두었다. 이를 식으로 나타내면 다음과 같다.
도로교의 중요도(Importance Coefficient, IC)에 대한 점수를 산정하기 위하여 본 연구에서는 교량의 지역 별 지역계수와 중요도를 항목으로 선정하여 각 기준에 따라 다음과 같이 점수를 배점하고 가중치를 두었다. 이를 식으로 표현하면 아래와 같다.
도로교의 취약조건(Vulnerability Index, VI)에 대한 점수를 산정하기 위하여 본 연구에서는 교량의 각 지역에 따른 지반 조건과 교량의 준공년도 이후 경과년수를 항목으로 선정하여 각 점수를 배점하고 가중치를 두었다. 이를 식으로 표현하면 아래와 같다.
또한 최근 집계된 자료인 국토교통부가 관리하는 ‘도로 교량 및 터널 현황정보시스템’ 사이트 내“2018 도로 교량 및 터널 현황조서” 파일에 포함 된 교량들의 정보를 이용하여 새로운 기준을 정하고 점수를 배점함으로서보다 정확한 평가를 할 수 있도록 하였다.
총 평가되어진 점수가 75점 이상인 경우 내진보강 핵심교량, 60점 이상 75점 미만인 경우 내진보강 중요교량, 60점 미만인 경우 내진보강 관찰교량으로 정의하며 내진성능평가 및 보강이 적용된 경우 내진보강 제외교량으로 분류하여 그룹화한다. 위의 동 순서대로 내진보강 우선순위를 두어 순차적으로 보강을 실시할 수 있도록 구분하였다.
대상 데이터
경기도 안산시 단원구 성곡동에 위치하고 있는 시화대교를 대상교량으로 선정하여 비교하면, 내진Ⅰ등급교로서 지간은 2765m이고, 최대 경간장은 50m이다. 총 폭은 24.
3m이며 지반조건은 SE이다. 교량의 높이는 13m이고 설계하중은 DB-24이며 준공년도는 2013년인 상부구조가 PSC I형교인 교량이다. 해당 교량의 일일 교통량은 68,364대이다.
5m이며 지반조건은 SA이다. 교량의 높이는 6m이고 설계하중은 DB-24이며 준공년도는 1994년인 상부구조가 라멘교인 교량이다. 해당 교량의 일일 교통량은 737대이다.
두 번째 사례는, 강원도 삼척시 노곡면 상마읍리에 위치하고 있는 신주교를 대상교량으로 선정하여 비교하면, 내진Ⅱ등급교로서 지간은 28m이고, 최대 경간장은 14m이다. 총 폭은 9.
경기도 안산시 단원구 성곡동에 위치하고 있는 시화대교를 대상교량으로 선정하여 비교하면, 내진Ⅰ등급교로서 지간은 2765m이고, 최대 경간장은 50m이다. 총 폭은 24.3m이며 지반조건은 SE이다. 교량의 높이는 13m이고 설계하중은 DB-24이며 준공년도는 2013년인 상부구조가 PSC I형교인 교량이다.
두 번째 사례는, 강원도 삼척시 노곡면 상마읍리에 위치하고 있는 신주교를 대상교량으로 선정하여 비교하면, 내진Ⅱ등급교로서 지간은 28m이고, 최대 경간장은 14m이다. 총 폭은 9.5m이며 지반조건은 SA이다. 교량의 높이는 6m이고 설계하중은 DB-24이며 준공년도는 1994년인 상부구조가 라멘교인 교량이다.
성능/효과
최근 2016년 9월 경주, 2017년 11월 포항 등 국내에서 연이어 발생한 기록적인 규모의 지진으로 인한 피해가 발생하면서, 우리나라가 더 이상 지진의 안전지대가 아니며 이에 대한 대비가 필요하다는 범국가적 인식을 함께하는 계기가 되었다. 이와 함께 국내의 내진설계기준 성능수준을 초과하는 규모의 지진이 언제든 발생할 가능성이 있다는 사실을 보여주었다. 현재 도로교 설계기준은 1992년 도로교표준시방서에서부터 2012년 도로교 설계기준에 이르기까지 시기별 설계기준 변천이 이루어졌으며 그에 따라 각 시기별 준공된 교량들 또한 내진설계 적용에 차이를 보여주고 있다.
후속연구
앞에서 제시한 내진보강 우선순위 알고리즘에 따라 우선순위가 높은 교량부터 순차적으로 내진보강을 시행할 수 있도록 할 예정이며, 현재 중요도에 대한 세부적인 항목들은 교량에 대한 충분한 검토가 진행된 이후에 변경될 수 있다. 또한, 이에 대한 추가적인 보완은 도로교에 적용되면서 계속 진행될 예정이다.
또한 최근 집계된 자료인 국토교통부가 관리하는 ‘도로 교량 및 터널 현황정보시스템’ 사이트 내“2018 도로 교량 및 터널 현황조서” 파일에 포함 된 교량들의 정보를 이용하여 새로운 기준을 정하고 점수를 배점함으로서보다 정확한 평가를 할 수 있도록 하였다. 앞에서 제시한 내진보강 우선순위 알고리즘에 따라 우선순위가 높은 교량부터 순차적으로 내진보강을 시행할 수 있도록 할 예정이며, 현재 중요도에 대한 세부적인 항목들은 교량에 대한 충분한 검토가 진행된 이후에 변경될 수 있다. 또한, 이에 대한 추가적인 보완은 도로교에 적용되면서 계속 진행될 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
우리나라의 국도 상 교량의 내진보강 우선순위 결정방법의 내진 그룹 분류 4가지는?
우리나라의 국도 상 교량의 내진보강 우선순위 결정방법은‘기존 시설물(교량)의 내진성능 평가 및 향상요령’에 따르고 있다. 교량이 위치한 지역의 지진 규모를 고려한 지진도와 취약도 및 영향도를 고려하여 ‘내진보강 핵심교량’, ‘내진보강 중요교량’, ‘내진보강 관찰교량’, ‘내진보강 유보교량’ 등 4개의 내진 그룹으로 구분하고 이를 통해 내진성능 상세평가를 위한 우선순위가 결정된다. 이러한 결정방법이 제안된 시기에는 기존교량의 내진성능 평가결과에 대한 자료가 축적되어 있지 않아 실제 교량에 적용함에 있어 비합리적인 부분들을 개선할 필요성이 있었다.
기존의 단순화된 방법론의 장점은?
미국이나 일본 등과 같은 지진발생이 빈번한 국가들은 내진보강 우선순위를 결정하는 단순화된 방법론을 제시하고 있으며 이를 개선시키고 있다. 기존의 단순화된 방법론들은 교량별 우선순위를 간편하고 빠르게 결정할 수 있다는 장점을 갖고 있으며, 결정된 우선순위에 따라 상세 내진성능평가가 요구되는 교량에 대해 내진보강여부를 결정하게 되고, 결정 여부에 따라 보강기법의 시공성과 유효성을 고려하여 적용하게 된다. 그러나 기존의 방법론에서는 유사한 기하학적 형상이나 구조적 특징들을 갖는 교량의 보강우선순위를 명확하고, 상세하게 구분하는 것이 어려우며, 보강기법의 적용여부를 교량구조물의 실제적인 지진거동분석에 의존하여 결정하기 보다는 상당히 보수적으로 작성된 설계수준에 대한 판정 기준에 따라 결정하고 있다.
기존의 단순화된 방법론의 단점은?
기존의 단순화된 방법론들은 교량별 우선순위를 간편하고 빠르게 결정할 수 있다는 장점을 갖고 있으며, 결정된 우선순위에 따라 상세 내진성능평가가 요구되는 교량에 대해 내진보강여부를 결정하게 되고, 결정 여부에 따라 보강기법의 시공성과 유효성을 고려하여 적용하게 된다. 그러나 기존의 방법론에서는 유사한 기하학적 형상이나 구조적 특징들을 갖는 교량의 보강우선순위를 명확하고, 상세하게 구분하는 것이 어려우며, 보강기법의 적용여부를 교량구조물의 실제적인 지진거동분석에 의존하여 결정하기 보다는 상당히 보수적으로 작성된 설계수준에 대한 판정 기준에 따라 결정하고 있다.(Lee et al.
참고문헌 (7)
Evaluation and improvement of seismic performance of existing bridges (2004), Korea Infrastructure Safety Corporation.
Kang, H.T., Park, C.M., Park, J.C., (2005), Guidelines for Seismic Retrofit of Existing Highway Bridges(II), Korea Expressway Corporation.
KRTA (2005), Korea Bridge Design Specification, Korea Road and Traffic Association.
Lee, S.W, Kim, S.H., (2004), Retrofit Measures Based on Seismic Retrofit Prioirty of Existing Bridges, Journal Of Earthquake Engineering Society of Korea, 8(3), 77-86.
Lee, S.W., Kim, S.H., Mha, H.S., (2003), Retrofit Measures Based on Retrofit Priority of Bridges, Conference Of Korean Society of Civil Engineers, 2003(10), 849-854.
Park, K.S., Ju, H.S., Choi, H.C., Kim, I.H (2009), Advanced Seismic Retrofit Priority Decision For Seismic Performance Estimation of Existing Bridges, Journal Of Earthquake Engineering Society of Korea, 13(6), 47-57.
Seismic Design Criteria Research(II)(Seismic design performance standards and economical efficiency) (1997), Ministry of Construction Transportation
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