1. 서 론

최근 2016년 9월 경주, 2017년 11월 포항 등 국내에서 연이 어 발생한 기록적인 규모의 지진으로 인한 피해가 발생하면 서, 우리나라가 더 이상 지진의 안전지대가 아니며 이에 대한 대비가 필요하다는 범국가적 인식을 함께하는 계기가 되었 다. 이와 함께 국내의 내진설계기준 성능수준을 초과하는 규 모의 지진이 언제든 발생할 가능성이 있다는 사실을 보여주 었다. 현재 도로교 설계기준은 1992년 도로교표준시방서에 서부터 2012년 도로교 설계기준에 이르기까지 시기별 설계기 준 변천이 이루어졌으며 그에 따라 각 시기별 준공된 교량들 또한 내진설계 적용에 차이를 보여주고 있다. 우리나라에서 는 1992년 도로교표준시방서를 통해 내진설계 관련 기준이 정비되면서 내진설계 및 시공이 의무화 되었으나, 비내진 교 량의 내진보강에 대해서는 관련 기준이 정립되지 않았으며 적용사례 또한 거의 없다. 국토교통부와 한국도로공사의 조 사 내용에 따르면 국도교량은 내진설계 적용률이 86%로 고속 도로 교량에 비해 상대적으로 낮은 수준이며 기존 고속도로 교량 중 내진보강이 필요한 교량이 전체 교량의 28.5%인 1,660여개에 이른다고 보고하고 있다. (^{Kang et al, 2005})

일부 관리주체별로 내진보강이 되어있는 교량을 제외하고 내진설계 개념 도입 이전에 건설된 교량들은 적절한 보강 대 책이 마련되지 않은 상태로 남아있는 실정이다. 내진설계가 고려되지 않은 기존의 모든 교량들을 현행 내진설계수준으로 보강하는 것은 경제적으로 매우 큰 문제에 직면할 수 있다. 따 라서 경제성과 구조적 안전성이 고려된 내진보강이 합리적이 며 한정된 유한자원 내에서 보다 효율적으로 내진안전성을 확보하기 위해서는 전체 교량 중 우선적으로 내진보강이 요 구되는 교량들을 결정하는 의사과정이 중요한 요소로 여겨진 다.(^{Lee and Kim, 2004})

미국이나 일본 등과 같은 지진발생이 빈번한 국가들은 내 진보강 우선순위를 결정하는 단순화된 방법론을 제시하고 있 으며 이를 개선시키고 있다. 기존의 단순화된 방법론들은 교 량별 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 적용하 게 된다. 그러나 기존의 방법론에서는 유사한 기하학적 형상 이나 구조적 특징들을 갖는 교량의 보강우선순위를 명확하 고, 상세하게 구분하는 것이 어려우며, 보강기법의 적용여부 를 교량구조물의 실제적인 지진거동분석에 의존하여 결정하 기 보다는 상당히 보수적으로 작성된 설계수준에 대한 판정 기준에 따라 결정하고 있다.(^{Lee et al., 2003})

일본에서의 교량의 중요도를 평가하는 항목에 있어서는 교 량의 연령, 적용 설계기준의 개정에 따른 등급 교체 대상으로 보수 및 보강 공사의 시공 난이도와 제삼자 피해의 영향, 공공 재로서의 가치 등을 고려할 수 있도록 하고 있으며 미국의 캘 리포니아에서는 부지 위험, 구조 취약성, 시스템 영향이란 큰 범주에 각 세부항목을 추가하여 각 세부항목별로 가중치를 주어 평가하고 있다.

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 취 약도 및 영향도를 고려하여 ‘내진보강 핵심교량’, ‘내진보강 중요교량’, ‘내진보강 관찰교량’, ‘내진보강 유보교량’ 등 4개 의 내진 그룹으로 구분하고 이를 통해 내진성능 상세평가를 위한 우선순위가 결정된다. 이러한 결정방법이 제안된 시기 에는 기존교량의 내진성능 평가결과에 대한 자료가 축적되어 있지 않아 실제 교량에 적용함에 있어 비합리적인 부분들을 개선할 필요성이 있었다. 이에 우선순위 결정에 미치는 항목 들을 보다 다양하게 고려하고 공학자들의 직관적 판단에 의 해 이를 보완하고 있는 실정이다.(^{Park et al, 2009})

본 연구에서는 국토교통부가 관리하는 ‘도로 교량 및 터널 현황정보시스템’ 사이트 내의 “2018 도로 교량 및 터널 현황 조서” 에 포함 된 도로교의 현황 자료를 바탕으로 도로교의 합 리적인 내진보강을 위해 내진보강 우선순의 결정을 위한 의 사결정에 대해 연구하였다. 총 4개의 내진그룹으로 분류하는 알고리즘의 제안은 4개의 평가부분으로 구성된다. 이는 지역 계수와 중요도 항목을 고려한 교량의 중요도와 지반조건 및 경과년수를 포함한 교량의 취약도, 그리고 교량의 상부구조 형식, 최대 경간장, 폭, 교고, 설계하중, 일일교통량을 포함한 도로교 세부항목으로 구분된다. 3개의 평가부분의 각 항복별 평가점수를 결정하고 그에 따른 가중치를 고려하여 내진보강 의 우선순위를 결정하였다. 개발한 알고리즘에 실제교량의 데이터를 입력하여 나온 결과를 바탕으로 내진보강 우선순위 의 적절성 및 성능 평가의 적합성을 검토하고자 하였으며 교 량의 현황조서 정보를 통해 기존보다 효율적으로 내진그룹화 되는 것을 목적으로 하였다.

2. 도로교 설계기준의 변천

도로교의 내진설계기준은 건설부가 제정한 1992년 도로교 표준시방서를 시작으로 2012년 도로교 설계기준에 이르기까 지 도로교설계기준(내진설계)은 계속하여 개정이 이루어짐 으로서 추가적인 보완이 이루어져왔다. 이에 본 연구에서는 이러한 도로교 설계기준의 변천과정을 각 주제별 대비표로 나누어 정리함으로서 도로교의 준공 시 적용된 해당 설계기 준에 맞추어 해당 교량의 내진성능평가 및 보강이 적절히 이 루어졌는지 판단함에 있어 도움이 되도록 하였다.

2.1 내진설계기준 및 가속도계수

Table 1

Table 1

내진설계기준 및 가속도계수의 변천

2.2 내진등급

Table 2

Table 2

내진등급의 변천

2.3 지반계수 및 지반종류

Table 3, 4

Table 3

지반계수의 변천

Table 4

지반종류의 변천

3. 내진성능 상세평가를 위한 점수 산정

3.2 중요도에 대한 점수 산정

도로교의 중요도(Importance Coefficient, IC)에 대한 점수 를 산정하기 위하여 본 연구에서는 교량의 지역 별 지역계수 와 중요도를 항목으로 선정하여 각 기준에 따라 다음과 같이 점수를 배점하고 가중치를 두었다. 이를 식으로 표현하면 아 래와 같다.

(1)

중요도 ( I C ) = 0.4 × I C 1 + 0.2 × I C 2

3.2.1 지역계수 (Zone Coefficient, ZI)

지역계수는 소방방재청에서 지진재해대책법 제 12조에 따 라 공표한 ‘국가지진위험지도(2013)’를 이용하는 것이 가장 이상적이나 현실적으로는 극히 세분화된 등고선 형태의 지진 재해지도를 각 지진수준별로 작성하여 설계에 적용한다는 것 은 일반적인 시설의 설계에서는 설계자에게 지나친 부담이 될 가능성이 있다. 이러한 점을 고려하면 지진구역을 설정함에 있 어서 조금 보수적인 경향이 있더라도 현실성을 설정하는 것이 타당하므로 내진설계기준연구(Ⅱ)(내진설계성능기준과 경제 성평가),1997 에서 제시한 지진구역 구분 표를 이용하여 점수 를 배점하도록 하며 점수는 아래 표의 지진구역계수(Z) 에 비례 하여 0.11g의 경우 100점, 0.07g의 경우 50점을 각 배점하도록 하였다. 이를 식으로 표현하면 아래와 같다.(2)

(2)

I C 1 = 0.4 × 지역계수 ( Z I )

3.2.2 중요도 (Importance, I)

건설교통부의 ‘내진설계기준연구(Ⅱ)(내진설계성능기준 과 경제성 평가)’에 따르면 교량을 중요도에 따라 내진특등급 교, 내진 Ⅰ등급교, 내진Ⅱ등급교로 아래의 표와 같이 등급을 구분한다.

국내 약 35,000개 교량 중 내진특등급교에 해당하는 교량 이 약 1,000개, 내진Ⅰ등급교에 해당하는 교량이 약 20,000개, 내진Ⅱ등급교에 해당하는 교량이 약 10,000개 이다. 등급이 높을수록 교량의 복구난이도와 2차적인 피해, 경제적 손실 및 인명피해가 발생할 가능성이 크므로 등급에 따라 점수를 차 등 배점하도록 하며 각 등급별 교량의 개수를 고려하여 특등 급의 경우 100점, Ⅰ등급은 70점, Ⅱ등급은 30점으로 배점하 도록 기준을 정하고 도로교의 중요도는 사용자 입력값을 적 용한다. 이를 식으로 표현하면 다음과 같다. Fig. 1(3)

(3)

I C 2 = 0.2 × 중요도 ( I )

Fig. 1

중요도 별 교량의 수

3.3 취약조건에 대한 점수 산정

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. Fig. 2

(4)

취약조건지수 ( V I ) = 0.2 × V I 1 + 0.2 × V I 2

Fig. 2

경과년수(년) 별 교량의 수

3.3.1 지반조건 (Soil Condition, SC)

한국시설안전공단의 ‘기존 시설물(교량) 내진성능 평가요 령’ 에 따르면, 아래의 표와 같이 지반을 분류한다. 지반의 종 류는 다음과 같이 정의된다.

• S_A : υ_S＞1500m/s 인 경암지반

• S_B : 760m/s＜ υ_S≤1500m/s인 보통암 지반

• S_C : 360m/s＜ υ_S≤760m/s이거나, N＞50 또는 s_u≥100kPa인 매우 조밀한 토사지반 또는 연암지반

• S_D : 180m/s≤ υ_S≤360m/s이거나, 15≤ N≤50 또는 50kPa≤ s_u≤100kPa인 단단한 토사지반

• S_E : υ_S＜180m/s인 지반이거나, PI＞20, w_mc≥40 percent 이고 s_u＜25kPa인 연약 점토의 두께가 3.048m 이상 되는 토사지반

• S_F : 부지 고유의 특성 평가가 요구되는 다음 경우에 속 하는 지반

• 가. 액상화가 일어날 수 있는 흙, Quick Clay와 매 우 민감한 점토, 붕괴될 정도로 결합력이 약한 붕괴성 흙과 같이 지진하중 작용시 잠재적인 파괴나 붕괴에 취약한 지반

• 나. 이탄 또는 유기성이 매우 높은 점토지반 [지층 의 두께, H＞3.048m]

• 다. 매우 높은 소성을 갖은 점토지반 [H＞7.620m 이고 PI＞75]

• 라. 층이 매우 두꺼우며 연약하거나 중간 정도로 단단한 점토 [H＞36.580m]

단, 예외적으로 지반의 종류를 결정하기에 충분할 정도로 지반의 특성이 자세하게 알려져 있지 않은 경우에는 지반종 류 S_D를 사용한다. 관계 공무원이 해당 부지에 지반 종류 S_E 가 있다고 결정하거나 지반 공학적 자료에 의하여 지반종류 를 S_E 라고 입증되는 경우를 제외하고는 부지를 지반 종류 S_E 라고 가정할 필요가 없다. 이에 각 지반종류에 따라 아래와 같 이 점수를 적용하고 이를 식으로 표현하면 다음과 같다. Fig. 3(5)

Fig. 3

상부구조형식 별 교량의 수

(5)

V I = 0.2 × S C

3.3.2 경과년수(AGE지수)

한국시설안전공단의 ‘기존 시설물(교량) 내진성능 평가요 령’ 에 따르면, 교량 수명의 정량화를 위한 기준수명은 강교의 경우는 50년, 콘크리트교의 경우 40년으로 정의하고 있다. 이 에 근거하여 기준수명 40년(50년)을 초과한 교량의 경우에는 최대 점수인 100점을 배점하며 경과년수가 그 이하인 경우에 는 각 경과년수에 2.5점(콘크리트교), 2점(강교)을 곱해주어 100점을 기준으로 직선보간한 값에 따라 점수를 배점한다. 이 를 식으로 나타내면 다음과 같다. Fig. 4(6)

Fig. 4

최대 경간장(m) 별 교량의 수

(6)

V I 2 = 0.2 × A G E 현재

여기서, AGE_현재는 교량의 준공년도 이후 경과년수(년)을 의미한다.

3.4 도로교 세부에 대한 점수 산정

도로교의 세부 사항(Detail Coefficient, DC)에 대한 점수를 산정하기 위해 본 연구에서는 각 교량의 상부구조 형식과 교 량의 지간, 최대 경간장 및 일일교통량을 평가 항목으로 선정 하여 각 기준에 맞추어 점수를 배점하고 가중치를 두었다. 이 를 식으로 나타내면 다음과 같다. Fig. 5

Fig. 5

총 폭(m) 별 교량의 수

(7)

D C = 0.30 ( S F ) + 0.15 ( S I M A X ) + 0.15 ( W I D T H ) + 0.15 ( H E I G H T ) + 0.15 ( ≤ V E L ) + 0.10 ( A D T 지수 )

3.4.1 교량의 상부구조 (Superstructure Form, SF)

교량의 상부구조형식에 따라 교량 구조물의 여러 지진피해 중 가장 중요한 낙교를 기준으로 하였다. 낙교란, 교량이 교각 코핑부에서 떨어지는 현상으로서 지진 발생 시 교량의 기능 을 상실하도록 하는 가장 심각한 피해의 하나이다. 보통 교량 의 거더 구조에서 낙교가 발생하며 코핑부의 연단거리 부족 등 다양한 원인이 있다. 교량의 상부구조가 무거울수록 낙교 에 취약하다는 연구가 있으며 이를 기준으로 낙교에 가장 취 약하다 판단되어지는 교량의 상부구조 형식을 우선순위에 두 고 아래의 표와 같이 점수를 배점하였으며 구조물의 중요도 또한 고려하였다. Fig. 6

Fig. 6

교고(m) 별 교량의 수

3.4.2 교량의 최대 경간장 (Span length, SIMAX)

국토교통부가 관리하는 ‘도로 교량 및 터널 현황정보시스 템’ 사이트 내 “2018 도로 교량 및 터널 현황조서” 파일에 포 함된 약 3만 개 교량들의 최대 경간장 상위 10%를 계산한 결 과, 50m를 기준으로 하여 최대 경간장이 50m 이상인 교량은 100점, 그 이하의 값들은 각 경간장 길이에 50을 나눈 값에 100을 곱하여 점수를 부여한다.

3.4.3 교량의 폭 (WIDTH)

교량의 폭이 넓을수록, 지진으로 인한 충격으로 받게 되는 영향과 그로 인한 피해가 커지게 된다. 국토교통부가 관리하 는 ‘도로 교량 및 터널 현황정보시스템’ 사이트 내 “2018 도로 교량 및 터널 현황조서” 파일에 포함 된 교량들의 총 폭의 평 균을 계산한 결과값인 15m를 기준으로 하여 총 폭이 15m 이 상인 교량은 100점, 그 이하의 값들은 각 폭의 길이에 15를 나 눈 값에 100을 곱하여 점수를 부여한다.

3.4.4 교량의 교고 (HEIGHT)

교량의 교고가 높을수록, 지진으로 인해 외부로부터 받게 되는 영향과 그로 인한 인명 피해가 커지게 된다. 국토교통부 가 관리하는 ‘도로 교량 및 터널 현황정보시스템’ 사이트 내 “2018 도로 교량 및 터널 현황조서” 파일에 포함 된 약 3만 개 교량들의 교고의 평균을 계산한 결과 값인 8m를 기준으로 하 여 총 폭이 8m 이상인 교량은 100점, 그 이하의 값들은 각 교 고 값에 8을 나눈 값에 100을 곱하여 점수를 부여한다.

3.4.5 교량의 설계하중 (≤VEL)

도로교 설계기준에 따르면, DB-24로 설계하는 교량을 1등 교, DB-18로 설계하는 교량을 2등교, DB-13.5로 설계하는 교 량을 3등교로 한다. 또한, 한국시설안전공단의 ‘기존 시설물 (교량) 내진성능 평가요령’ 에 따르면, 이들 각각에 1등교 (DB24)의 경우 1.0, 2등교(DB18)의 경우 0.7, 3등교(DB13.5) 의 경우 0.4점을 부여한다. 이를 기준으로 아래의 표와 같이 1 등교 100점, 2등교 70점, 3등교 40점의 점수를 부여한다.

3.4.6 일일 교통량 (ADT지수)

도로교의 교통량이 클수록 교량이 지진으로 인하여 손상을 입었을 경우의 경제적 손실과 인명피해 등이 커지게 된다. 이 에 따라 일일교통량을 항목으로 선정하여 그에 따른 점수를 부여하였으며 교통량 자료는 국토교통부가 관리하는 ‘도로 교량 및 터널 현황정보시스템’ 내 “2018 도로 교량 및 터널 현 황조서” 파일 내 약 3만 개 교량들의 일일교통량의 상위 10% 는 5만 대 이상인 경우에 해당되었다. 이를 기준으로 5만 대 이상의 교량은 100점, 그 이하는 교통량을 5만으로 나눈 값에 각 100을 곱하여 점수를 부여한다.

4. 점수산출 및 우선순위 알고리즘

4.1 설계기준 점수 산출

각 교량의 준공년도에 따른 적용 설계기준(Design Standard, DS)에 대해 Table 5에 따라 총 점수 100점을 기준으로 산출한다. Table 6

Table 5

준공년도에 따른 교량의 적용 설계기준별 점수

Table 6

지진구역 구분

4.2 중요도 및 취약조건 점수 산출

식 (1)과 식 (4)를 이용하여, 중요도(IC) = 0.4 × 지역계수 (ZI) + 0.2 × 중요도(I) + 취약조건 지수(VI) = 0.2 × 지반조건 (SC) + 0.2 × AGE_지수를 통해 총 점수 100점을 기준으로 산출 한다. Table 7, 8, 9, 10

Table 7

도로교의 내진등급 분류

Table 8

지반의 종류

Table 9

지반조건에 의한 점수 배점

Table 10

경과년수에 따른 점수 배점

4.3 세부 항목 점수 산출

식 (7)을 이용하여, 도로교의 세부 항목(DC) = 0.30(SF) × 0.15(SI_MAX) × 0.15(WIDTH) × 0.15(HEIGHT) × 0.15 (≤VEL) × 0.10(ADT_지수)를 통해 총 점수 100점을 기준으로 산출한다.Table 11, 12, 13, 14

Table 11

교량의 상부구조에 따른 점수 배점

Table 12

교량의 최대 경간장에 따른 점수 배점

Table 13

교량의 폭에 따른 점수 배점

Table 14

교량의 교고에 따른 점수 배점

4.4 점수 산출

앞에서 언급된 산출식을 이용하여 전체적인 비율을 적용한 다. 설계기준을 10%, 중요도와 취약조건을 60%, 세부 항목을 30%로 기준하여 최종 점수를 산출한다. 이에 대한 식은 아래 와 같다.Table 15, 16(8)

(8)

a s a d = 0.1 × D S + 0.6 × ( I C + V I ) + 0.3 ( D C )

Table 15

교량의 설계하중에 따른 점수 배점

Table 16

일일교통량에 따른 점수 배점

5. 우선순위 결정 예

위의 평가점수 산정 식을 이용하여 실제 교량을 알고리즘 에 적용한 예는 아래와 같다.

경기도 안산시 단원구 성곡동에 위치하고 있는 시화대교를 대상교량으로 선정하여 비교하면, 내진Ⅰ등급교로서 지간은 2765m이고, 최대 경간장은 50m이다. 총 폭은 24.3m이며 지 반조건은 S_E이다. 교량의 높이는 13m이고 설계하중은 DB-24 이며 준공년도는 2013년인 상부구조가 PSC I형교인 교량이 다. 해당 교량의 일일 교통량은 68,364대이다.

이를 토대로 위에서 산정한 우선순위 결정 식에 대입해보 면 우선 중요도(IC) = 0.4×100 + 0.2×70 = 54점, 취약조건 지 수(VI) = 0.2×100 + 0.2×12.5(=5*2.5) = 22.5점, 세부항목 점수 (DC) = 0.30×(80) + 0.15×(100) + 0.15×(100) + 0.15×(13) + 0.15×(100) + 0.10×(100) = 80.95점이다. 이를 각 비율에 맞춰 곱해주면 0.7×(54+22.5) + 0.3×80.95 = 77.84점이 산출된다.

위의 과정을 통해 시화대교는 총 점수 합산 77.84점으로 우 선순위 알고리즘에 적용한 결과, 내진보강 핵심교량으로 정 의된다.

두 번째 사례는, 강원도 삼척시 노곡면 상마읍리에 위치하 고 있는 신주교를 대상교량으로 선정하여 비교하면, 내진Ⅱ 등급교로서 지간은 28m이고, 최대 경간장은 14m이다. 총 폭 은 9.5m이며 지반조건은 S_A이다. 교량의 높이는 6m이고 설 계하중은 DB-24이며 준공년도는 1994년인 상부구조가 라멘 교인 교량이다. 해당 교량의 일일 교통량은 737대이다.

이를 토대로 위에서 산정한 우선순위 결정 식에 대입해보 면 우선 중요도(IC) = 0.4×100 + 0.2×30 = 46점, 취약조건 지 수(VI) = 0.2×20 + 0.2×60(=24*2.5) = 16점, 세부항목 점수 (DC) = 0.30×(20) + 0.15×(28) + 0.15×(63.3) + 0.15×(75) + 0.15×(100) + 0.10×(1.47) = 46.15점이다. 이를 각 비율에 맞춰 곱해주면 0.7×(46+16) + 0.3×46.15 = 57.2점이 산출된다.

위의 과정을 통해 신주교는 총 점수 합산 52.8점으로 내진 보강 관찰교량으로 정의된다.

6. 결 론

본 연구에서는 도로교 설계기준의 변천과정을 조사하고 그 를 반영하여 기존의 우선순위 결정방법과 다른 새로운 평가 항목을 통한 우선순위 결정방법을 개발하였다. 지표 취득의 간편성 및 편의성, 각 항목이 설계기준에 제시된 지표를 사용 함으로서 얻어지는 객관성 등 보다 간편하고 효율적인 평가 가 가능하도록 하였다. 또한 최근 집계된 자료인 국토교통부 가 관리하는 ‘도로 교량 및 터널 현황정보시스템’ 사이트 내 “2018 도로 교량 및 터널 현황조서” 파일에 포함 된 교량들의 정보를 이용하여 새로운 기준을 정하고 점수를 배점함으로서 보다 정확한 평가를 할 수 있도록 하였다. 앞에서 제시한 내진 보강 우선순위 알고리즘에 따라 우선순위가 높은 교량부터 순차적으로 내진보강을 시행할 수 있도록 할 예정이며, 현재 중요도에 대한 세부적인 항목들은 교량에 대한 충분한 검토 가 진행된 이후에 변경될 수 있다. 또한, 이에 대한 추가적인 보완은 도로교에 적용되면서 계속 진행될 예정이다.