[논문]지진위험도평가 방법을 이용한 내진성능관리 의사결정

김동주; 최지혜; 김병화

doi:10.5000/eesk.2019.23.6.329

문제 정의

특히, 도로망을 구성하고 있는 도로시설물은 진원지와의 거리에 따라 피해상태가 달라질 수 있어, 기존의 권역별로 균등한 발생분포를 가정하는 방법으로는 공간적인 도로망의 특성을 고려한 내진성능 해석을 수행하기 힘들다. 따라서, 지진의 불확실성을 고려하기 위해 도로망 내의 다양한 진원지 및 재현주기를 포함하는 지진 시나리오를 작성하고 이들 시나리오에 대한 내진성능해석을 수행함으로써 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 지진시나리오 개수는 식 (2)와 같이 진앙지 개수와 재현주기 개수의 곱으로 계산되며, 각각의 시나리오에 대응하여, 취약도 분석 및 직·간접 피해비용을 산출한다.
본 논문에서는 수 계산으로 지진위험도 평가방법을 수행하는 사례를 보여주기 위해, 진앙지 1곳과 3가지 지진강도로 3가지 시나리오를 간략하게 구성하였다.
본 절을 통해 앞서 언급한 지진위험도 5단계 평가방법을 소개하고, 실제 적용을 통해 내진성능관리 지원에 필요한 정량적 직·간접 피해규모 산출 방법 및 활용방안을 소개하고자 한다.

가설 설정

교량피해 상태별 보수비 비율은 교량종류 및 교량상태에 따라 차이가 발생하지만, 피해예측 시뮬레이션 에서는 교량피해별 보수비용을 동일한 것으로 가정하였다. Table 13은 가정된 교량피해별 보수비율을 정리한 것이다.
특히, 도심지의 경우는 교체 기간 동안 임시로 사용할 우회로 건설비용이 크게 증가한다. 따라서, 시설물 교체비용은 신설비용 크며, 본 연구에서는 편의를 위해 교체비용을 기존 준공비용의 1.5배 증가한 비용을 가정하여 사용하였다. 구조물 준공비용은 준공기간이 달라 현재 기준으로 환산할 필요가 있으며, 환산은 물가상승률 5%를 적용한 할인율을 사용하였다.
또한 도시별로 복구역량의 차이가 있음에도 불구하고 단일화된 복구기간을 사용하는 것은 다소 무리가 있을 수 있다. 하지만, 지진이 전국적으로 오는 것은 아니고 특정 지역에 국한되며, 이들 특정구역은 재난지역으로 선포되어 재난복구에 국가의 역량이 집중되기 때문에, 이를 가정하여 하나의 복구기간으로 표준화하였다.

제안 방법

1단계인 도로망 구성은 특정(포항)지역에 있는 도로시설물을 대상으로 도로망을 구성하고, 2단계로 도로시설물의 피해단계(무해, 경미, 보통, 극심, 붕괴)를 선정하고 피해단계별 취약도를 산출하며, 3단계로 특정지역의 지진의 스펙트럼가속도(Sa) 및 지반최대가속도(PGA)를 기준으로 3가지 지진시나리오를 구성하고, 4단계로 2·3단계에서 작성된 취약도 및 지진시나리오를 바탕으로 교통해석을 수행하여 각 시나리오별 교통 지연 총량을 계산하며, 마지막 5단계로 시나리오별 도로망 피해비용을 산정한다.
5단계로 수행되는 지진위험도평가방법(Seismic Risk Assessment)은 국내실정에 맞는 취약도 함수를 필요로 하지만, 현재 한국형 도로시설(교량, 터널, 사면 및 옹벽)의 취약도함수는 국토교통부 건설기술연구사업의 연구비지원으로 진행 중인 “도로망의 지진복원력 평가를 통한 노후도로시설의 내진성능관리 의사결정지원 기술” 과제를 통해서 개발될 예정에 있어, 본 논문에서는 HAZUS가 제시한 취약도함수를 사용하여 포항지역의 도로망에 대한 내진성능평가를 하였다[3].
결정론적 방법에 따른 내진해석은 권역별로 기 결정된 지진도에 나와 있는 재현주기 및 지진강도의 조합에 대해 지진위험도 해석을 수행한다. 이러한 방법은 재현주기, 진원지, 지진에너지 전파, 지반효과와 같은 불확실성을 고려한 해석을 수행하기에는 한계가 있다.
구조물 준공비용은 준공기간이 달라 현재 기준으로 환산할 필요가 있으며, 환산은 물가상승률 5%를 적용한 할인율을 사용하였다. 교량의 준공비용은 FMS자료를 기준으로 하며, 준공비용이 확인되지 않는 경우는 설계건설단가를 적용하였다.
그리고 그에 따른, 개별시설물별의 내진성능(강도, 변위)과 지진요구도를 단순 비교한 결과와 정성적인 사회·경제적 중요도를 바탕으로 내진성능관리 의사결정을 수행하여 불필요한 시설물을 내진보강하거나, 우선순위결정 오류로 인해 과도한 관리비 지출의 원인을 제공하였다.
도로포장, 교통표지판(overhead sign structure) 및 기타 도로운영관련 부속시설물은 대상에서 제외하였다. 도로망 구성을 위해 특정 지역 내의 주요시설물 종류, 위치, 교체 비용, 피해정도별 보수비용 등을 파악하고 시설물번호 및 이들 특성을 입력한다. 다음으로 도로망을 구성하는 노선(Link)을 정의하고 각각의 노선에 포함된 시설물을 할당하고 노선번호를 부여한다.
본 논문을 통해 소개되는 지진위험도 평가방법은 Fig. 1과 같이 도로망 구성, 취약도 구성, 지진도 구성, 교통망해석, 누적피해계산 등 5단계 과정으로 수행된다. 1단계인 도로망 구성은 특정(포항)지역에 있는 도로시설물을 대상으로 도로망을 구성하고, 2단계로 도로시설물의 피해단계(무해, 경미, 보통, 극심, 붕괴)를 선정하고 피해단계별 취약도를 산출하며, 3단계로 특정지역의 지진의 스펙트럼가속도(Sa) 및 지반최대가속도(PGA)를 기준으로 3가지 지진시나리오를 구성하고, 4단계로 2·3단계에서 작성된 취약도 및 지진시나리오를 바탕으로 교통해석을 수행하여 각 시나리오별 교통 지연 총량을 계산하며, 마지막 5단계로 시나리오별 도로망 피해비용을 산정한다.
손실비용으로 환산된 직접피해는 시설물 교체비용으로 표준화하여 계산하였다. 시설물 교체비용에 대한 D/B가 구축되어 있지 않아서 정확한 비용을 알 수 없지만, 일반적으로 신설 대비 임시 우회시설물 건설 및 철거 등의 추가 비용이 발생한다.
수 계산으로 지진위험도 평가방법 사례를 보여주기 위해, 제한된 도로시설물 수(총 32개) 및 간략한 3가지 시나리오로 내진성능관리 해석을 수행하였다. 하지만, 의미 있는 결과를 산출하기 위해서는 모든 1종, 2종 시설물 및 수천 개의 다양한 교통 시나리오가 필요하다.
앞 절에서 구성된 도로망에 포함된 도로시설물에 대한 취약도 함수 구성을 위해 HAZUS가 제시한 기준을 이용하여 시설물을 분류하였으며[3], 교량분류는 다음 Table 5와 같으며 NBI(National Bridge Inventory)체계에 따라 재료종류와 교량상부형식을 분류하고 총 28개 형식으로 교량을 분류하고 있다.
교통시나리오는 각각의 지진시나리오에 대응하여 3개의 교통시나리오로 구성된다. 지진 직후 도로망을 구성하고 있는 노선의 통행상태는 2가지로 구분하였다. 경미 손상상태의 경우는 교통통제 없이 보수보강이 수행될 수 있으며, 보통·완전·극심 손상상태의 경우는 보수·보강 시 교통을 전면 차단해야 하는 것으로 단순화 하였다.
지진위험도 평가방법을 이용하여 포항시 도로망, 시설물취약도 및 지진 시나리오를 구성하고 이에 따른 도로시설물(교량, 터널, 사면, 옹벽)의 손상 확률 및 교통지연 해석을 통해서 도로시설물 직접피해규모, 교통지연피해규모를 정량적으로 산출하였다.
HAZUS에서 지원하고 있지 않은 사면의 취약도는 “Guidelines for deriving seismic fragility functions of elements at risk”에 제시된 함수를 사용하였다[4]. 특히 사면의 취약도 함수는 지반종류에 따라 정해지는 것으로 되어있지만, Type B(단단한 사질토)로 전체 사면을 일반화하여 하나의 취약도 함수로만 구성 하였다 . 앞서 언급한 것과 같이 향후 한국형 노후도로시설물 취약도함수가 개발되면, 이를 적용하여 노후도로시설물의 내진성능 해석하고 비교평가 할 예정이다.

이론/모형

HAZUS에서 지원하고 있지 않은 사면의 취약도는 “Guidelines for deriving seismic fragility functions of elements at risk”에 제시된 함수를 사용하였다[4].
본 논문에서는 교량손상단계별 복구기간은 미국 HAZUS 기준의시설물 손상단계별 최고 복구일수(통행제한일수)를 사용하였다(경미 0일, 보통 7일, 극심 150일, 완전 450일). 향후 본 논문에서 사용된 복구기간을 일반보수보강 기간을 바탕으로 우리나라 실정에 맞게 수정하여 제안될 예정이다.
포항시의 일평균 교통량은 e-나라지표를 이용하였으며, 상시 조사지점인 구룡포읍-동해면, 동해면-대송면, 대송면-자명리, 강동면-포항시, 감포읍-구룡포읍 등의 평균교통량을 4차선 및 2차선 대표교통량으로 활용하였다. 시뮬레이션에 사용된 지점별 교통량은 Table 12에 나타내었다.
포항지역 도로시설물(교량, 터널)의 피해단계별 취약도 구성을 위해, 미국 재난청에서 제공하고 있는 HAZUS 체계를 이용하였다. HAZUS에서 지원하고 있지 않은 사면의 취약도는 “Guidelines for deriving seismic fragility functions of elements at risk”에 제시된 함수를 사용하였다[4].

후속연구

“내진성능관리 의사결정지원기술 개발” 연구단을 통해서 개발되고 있는 한국형 도로시설물 취약도함수, 피해복구도 함수, 교통지연 및 교통포기 비용 등을 포함하는 교통해석 고도화, 물류 불가 또는 지연에 따른 간접경제피해 등을 활용하면 향후 보다 의미 있는 내진성능관리 의사결정을 지원할 수 있을 것으로 사료된다.
교통시나리오 구성을 위해 본 논문에서는 수 계산을 위해 단순화된 결정론적인 방법(0: closed, 1:open)을 사용 하였지만, 향후 몬테카를로 방법 등 고도화를 통해 좀 더 의미 있는 (최적화된) 교통시나리오를 구성할 예정이다.
또한, 본 논문에서는 소개가 되지는 않았지만, 연구단을 통해 다양한 의사결정지수(도로망연결지수, 도로망환경지수, 도로망경제손실지수)가 개발되고 있으며, 기 소개된 정량적인 직·간접 피해규모와 함께 의사결정지원자료로 활용될 예정이다.
본 논문에서 사용된 요소기술들, 특히 취약도함수는 Hazus를 준용하였지만, 향후 연구단을 통해 개발예정인 한국형 취약도함수를 사용하여 동일 도로망 (포항지역)을 대상으로 내진성능 해석을 수행할 예정이다. 이를 통해 한국형과 Hazus의 취약도 함수 차이점을 확인하고, 한국형 도로시설물 취약도함수의 특징을 살펴볼 수 있는 기회를 제공할 수 있을 것으로 사료된다.
본 논문에서는 지진위험도평가 방법을 이용한 내진성능평가를 위해 대표도로시설물 교량(22개소), 터널(1개소), 사면(7개소), 옹벽(2개소)만을 고려하였으며, 향후 고도화 작업을 통해 1종, 2종 시설물을 모두 포함하여 도로망 내진성능해석을 수행할 예정이다. 소개된 포항시 대표시설물을 중심으로 아래와 같이 도로망을 구성하였다.
본 연구단을 통해서 계발예정인 취약도함수의 지진입력변수는 HAZUS와 마찬가지로 교량은 스펙트럴가속도(Sa), 터널·사면·옹벽은 지반최대가속도로(PGA)로 구성될 예정이다.
특히 사면의 취약도 함수는 지반종류에 따라 정해지는 것으로 되어있지만, Type B(단단한 사질토)로 전체 사면을 일반화하여 하나의 취약도 함수로만 구성 하였다 . 앞서 언급한 것과 같이 향후 한국형 노후도로시설물 취약도함수가 개발되면, 이를 적용하여 노후도로시설물의 내진성능 해석하고 비교평가 할 예정이다.
이를 극복하기 위한 “내진성능관리 의사결정지원 프로그램“ 소프트웨어를 개발 중이며, 이를 통해서 보다 다양한 시나리오를 분석하고 의미 있는(최적) 결과를 도출 할 수 있을 것으로 사료된다.
본 논문에서 사용된 요소기술들, 특히 취약도함수는 Hazus를 준용하였지만, 향후 연구단을 통해 개발예정인 한국형 취약도함수를 사용하여 동일 도로망 (포항지역)을 대상으로 내진성능 해석을 수행할 예정이다. 이를 통해 한국형과 Hazus의 취약도 함수 차이점을 확인하고, 한국형 도로시설물 취약도함수의 특징을 살펴볼 수 있는 기회를 제공할 수 있을 것으로 사료된다.
본 논문에서는 교량손상단계별 복구기간은 미국 HAZUS 기준의시설물 손상단계별 최고 복구일수(통행제한일수)를 사용하였다(경미 0일, 보통 7일, 극심 150일, 완전 450일). 향후 본 논문에서 사용된 복구기간을 일반보수보강 기간을 바탕으로 우리나라 실정에 맞게 수정하여 제안될 예정이다.
또한, 본 논문에서는 소개가 되지는 않았지만, 연구단을 통해 다양한 의사결정지수(도로망연결지수, 도로망환경지수, 도로망경제손실지수)가 개발되고 있으며, 기 소개된 정량적인 직·간접 피해규모와 함께 의사결정지원자료로 활용될 예정이다. 향후 이들 자료를 바탕으로 내진보강 우선순위결정 뿐만 아니라 다양한 의사결정(생존도로망 선정, 지진직후 초동대응, 도로망연결율 특정, 경제손실율 특정, 환경피해율 특정 등)도 수행 할 수 있다.
내진성능관리 의사결정을 위해서는 3가지 항목(정량적인 직접 피해규모, 정량적인 사회경제적 간접피해 규모, 내진보강 수혜규모)을 모두 고려해야지만, 내진보강 수혜규모에 대한 산출방법은 현재 개발 중에 있어 소개하지는 않았다. 향후, 내진보강 수혜규모 산출방법 소개를 통해 보다 의미있는 해석결과를 도출할 수 있을 것으로 기대된다.
향후, 한국형 노후도로시설물 취약도함수가 개발되면, 이를 적용하여 도로시설물의 내진성능 해석·평가를 수행할 예정이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	내진성능관리의 평가방법은 무엇이 있는가?	현재 사용되고 내진성능관리를 위한 우선순위 평가방법은 크게 지수평가방법(Indices Method), 피해예측방법(Expected Damage Method), 및 지진위험도평가방법(Seismic Risk Assessment) 등 3가지가 있다.
	피해예측평가 방법이란?	우리나라의 내진보강 우선순위 결정방법은 지수평가방법으로 결정론적인 방법이며, 우선순위를 개별시설물의 구조물의 내진결함정도와 긴급성에 따라 결정하고 있다[1]. 피해예측평가 방법은 개별시설물의 정량적인 직접피해금액과 정성적인 값으로 산정되는 간접피해정도를 고려하여 우선 순위를 결정한다. 지진위험도평가 방법은 개별시설물이 아닌 도로망의 직·간접 피해규모를 모두 정량적으로 산정하고 이를 통해 우선순위를 결정한다[2].
	사전예방중심으로 재편 후 지수평가방법에서 고려하는 점은 무엇인가?	지진위험도평가 방법은 개별시설물이 아닌 도로망의 직·간접 피해규모를 모두 정량적으로 산정하고 이를 통해 우선순위를 결정한다[2]. 최근 재난관리가 사후복구에서 사전예방중심으로 재편됨에 따라 개별시설물의 물리적인 상태등급을 고려하는 기존의 결정론적인 관리방법보다는 1)정량적인 시설물 손실비용 2) 정량적인 사회·경제적 손실비용, 3) 도로망의 지진 강도·거리 관련 불확실성 등을 포함 할 수 있는 확률론적 내진성능관리 체계 확립이 필요하다. 또한 내진성능관리를 위해서는 결정론적 방법에서 제공하고 있는 내진보강우선순위 선정 이외의 다양한 의사결정(도로망 내진보강 예산편성, 지진 시 물자공급을위한 생존도로망 선정, 생존도로망 유지비용, 도로망 연결손실율, 도로망 경제손실율, 도로망 환경 손실율)이 필요하며, 확률론적인 방법인 지진위험도평가방법을 통해 제공되어질 수 있다.

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