2.1 국내 교량 현황

2019년 12월 기준 국토교통부 도로 교량 및 터널 현황조서(MOLIT, 2020)⁽¹⁾에 따르면 국내 교량은 34,297개이다. 교량을 상부구조형식으로 나눈 비율은 RC 슬래브교(RCS), 라멘교(Rahmen), PSC I-거더교(PSC I), 강박스거더교(STB) 등이 대부분을 점유하고 있다. RC 슬래브교는 대부분 2~3경간 교량에 사용되고 있다. 준공연도 분포 그래프 확인 결과 1980~2005년까지 많은 양의 RC 슬래브교가 가설되었지만, 최근에는 많이 건설되지 않는 것을 확인하였다(Fig. 1). RC 슬래브교에서 공용연수가 30년 이상 된 교량의 비율은 37.2%를 차지하고 있으며, 향후 더욱 증가할 것으로 예측된다. PSC 거더교는 단경간 교량에서 가장 많은 분포를 보였으며, 준공연도 분포 그래프를 확인해 본 결과 1990년 이후 많이 건설되기 시작하여 현재까지도 많이 건설되는 추세이다(Fig. 2). PSC 거더교의 공용연수가 30년 이상 된 교량의 비율은 8.3%를 차지하고 있다. 현재는 노후교량 비율이 낮지만, 10년 이후부터 급진적으로 증가할 것으로 예측된다(Fig. 3).

2.2 정밀안전진단 데이터

노후교량들이 급진적으로 증가하고 있는 추세에 적절하고 정량적으로 관련성이 높은 상태평가 방법과 안전성평가 방법이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 우선적으로 상태평가 및 안전성평가 결과를 비교 분석하였다. 본 연구에서는 시설안전공단 기준으로 수행된 서울특별시 교량의 정밀안전진단보고서 데이터를 사용하였다(Seoul Metropolitan Government, 2020)⁽⁷⁾. 각 교량들의 본교, 램프교, 접속교 등을 포함하여 상부구조 부재별 가중치가 같은 거더교 형식(PSC I-거더교, PSC 상자형교, PSC 슬래브교, 강상자형교, 강판형교, 강 I형교)의 교량 50개와 슬래브교 형식의 교량 18개를 바탕으로 연구하였다. 이때 교량 상부구조 부재별 가중치가 같은 라멘교는 슬래브교 형식에 포함하였다. Fig. 4는 대상 교량에 대한 예시 사진이다.

2.3 상부구조 및 교량 상태평가 점수

국토교통부 시설물의 안전 및 유지관리 실시 세부지침(안전점검·진단 편)에 따르면 정밀안전진단에서 교량 상태평가 시 상부구조와 하부구조, 받침부재, 콘크리트 실측 평가점수, 기타 점수로 결함도를 평가하여 등급을 정한다(KISTEC, 2019)⁽⁸⁾. 결함도 점수에 따른 평가 등급 산정은 Table 1과 같다. 그 중 거더교와 슬래브교의 구조형식에 따른 상부구조 부재별 가중치는 Table 2와 같다. 본 연구의 대상 거더교와 슬래브교의 상부구조 부재별 평가점수와 교량의 실제 상태평가 결과점수의 일부를 Table 3과 Table 4에 정리하였다.

2.4 상부구조 부재들과 교량 상태평가 지수에 따른 상관관계 분석

교량의 상부구조를 기준으로 거더교와 슬래브교로 나누어 각 상부구조 부재별 상태평가 점수간의 상관관계를 분석하였다. 거더교의 바닥판을 기준으로 거더, 상부구조, 교량의 상태평가 지수간의 산점도는 Figs. 5-7에 나타내었다.

거더교의 경우 바닥판과 거더의 상태평가 지수 상관관계는 0.0305로 상관관계가 거의 없었다. 반면에 바닥판과 상부구조의 상태평가 지수 상관관계는 0.6274로 상대적으로 높은 상관관계를 보였고, 바닥판과 교량의 상태평가 지수 상관관계 점수는 0.3615로 다소 작게 평가되었다.

또한 거더교의 거더를 기준으로 상부구조, 교량의 상태평가 점수간의 상관관계를 분석하였다. Figs. 8 & 9에 보인 바와 같이 거더와 상부구조 상태평가 지수의 상관관계는 0.7820로 강한 상관관계를 보였고, 거더와 교량의 상태평가 지수 상관관계는 0.4879였다. 바닥판과의 상관관계에 비해 거더와 상부구조, 교량의 상관관계가 상대적으로 다소 높았다. 그리고, Fig. 10에 나타낸 바와 같이 상부구조와 교량 상태평가 지수의 상관관계 점수는 0.5915로 조사되었다.

슬래브교는 교량 상부구조 특성상 바닥판이 곧 상부구조이기 때문에 바닥판과 교량의 상관관계만을 분석하였다. 슬래브교의 바닥판과 교량의 산점도는 Fig. 11과 같으며, 슬래브교의 슬래브와 교량 상태평가 지수의 상관관계 점수는 0.9080로 매우 높은 상관관계가 있음을 확인하였다.

3.1 교량 안전성평가

교량의 안전성평가는 상부구조와 하부구조의 안전성평가로 수행된다. 시설안전공단 시설물의 안전 및 유지관리 실시 세부지침(안전점검･진단 편)에 따르면 안전성평가기준은 Table 5와 같다(KISTEC, 2019)⁽⁸⁾.

안전성평가에서 철근콘크리트 바닥판의 경우 강도 설계법인 식 (1)으로 안전율로 평가하며, 거더의 경우 허용응력설계법인 식 (2)으로 안전율을 평가한다. 또한 안전율(SF)이 1과 0.9 사이인 경우, 공용내하력이 설계 하중보다 클 때는 B등급, 그렇지 않을 경우에는 C등급으로 평가한다. 따라서 안전성평가와 내하력평가는 같이 수행되어야하며, 내하율과 내하력 공식은 식 (3), (4)과 같다(KISTEC, 2019)⁽⁸⁾.

여기서, 식 (1)의 $\phi$는 강도감소계수이며, $M_{n}$은 설계 휨강도, $M_{u}$는 극한휨모멘트이다. 허용응력법 안전율 식 (2)에서 $f_{a}$는 사용 강재의 허용응력, $f_{d+l}$은 고정하중과 활하중에 의한 응력이다. 내하율 공식 식 (3)에서 $\gamma_{d}$는 고정하중 계수, $\gamma_{l}$는 활하중 계수, $M_{d}$는 실측 고정 하중 모멘트, $M_{l}$은 설계 활하중에 의한 모멘트, $i$는 충격계수이다. 내하력 공식 식 (4)에서 $K_{s}$는 응답보정계수, $P_{r}$은 설계 활하중이다.

3.2 교량 상부구조의 상태평가와 안전성평가 관계 분석

교량의 상부구조 안전성평가 시 거더교의 경우 거더와 바닥판으로 나누어 평가한다. 본 연구에서는 사용된 정밀안전진단 데이터 중 안전성평가가 이루어진 교량은 모두 거더교로써 총 19개이다. Fig. 12는 19개 거더교에 대한 상태등급과 안전성 등급 현황을 보여준며, 평가 지수간의 산점도는 Figs. 13 & 14와 같다.

거더교의 경우 바닥판 상태 등급과 바닥판 안전성 등급이 동일한 경우는 10.5%였으며, 상관관계 점수는 0.2445로 평가되었다. 거더 상태 등급과 거더 안전성 등급이 동일한 경우는 15.8%였으며, 상관관계 점수는 0.4558로, 바닥판에 비해서는 상대적으로 높게 분석되었다.

또한, 거더교의 바닥판과 거더의 안전성 지수 간의 상관관계를 분석하였다. Fig. 15에 보인 바와 같이, 거더교에서 바닥판과 거더간의 안전성평가 지수에 대한 상관관계 점수는 0.0044로, 상관관계가 거의 나타나지 않았다.

슬래브교의 안전성평가 데이터는 3개로 많지 않아 정확한 상관관계를 분석할 수는 없지만, 향후 연구를 위해서 바닥판의 상태등급과 안전성 등급의 관계를 Fig. 16에 나타내었다. Fig. 16에 의하면, 슬래브교에서 바닥판의 상태 등급과 안전성 등급이 동일한 경우는 없었으며, 상관관계 점수는 0.9279로 상관관계가 높게 나타났다. 하지만 적은 데이터이기 때문에 향후 더 많은 데이터를 통한 추가적인 분석이 필요하리라 판단된다.

4.1 교량 내하력 결과 분석

시설물의 안전 및 유지관리 실시 세부지침에 따르면 교량의 안전성평가는 내하력평가 개념으로 규정되어 왔다(KISTEC, 2018)⁽⁹⁾. 하지만 내하력은 활하중의 여유도로서 하중비에 따라 내하력의 변동폭이 크게 변하므로 교량의 안전성을 일관되게 평가하기 어렵다. 안전성평가 기준으로 적절하지 못하기 때문에, 안전성평가는 교량의 안전율 개념으로 평가하고 있는 실정이다.

안전성평가 기준은 Table 5에 제시한 바와 같이 안전율이 0.9에서 1.0사이에 있을 경우 재하시험에 의한 공용내하력 평가를 실시한다. 공용내하력 산정결과에 따라 공용내하력이 설계하중보다 크게 평가된 경우 안전성평가 B등급을 받으며, 그렇지 않은 경우 C등급을 받도록 규정되어 있다. 하지만 실제 교량의 안전성평가를 한 경우 거의 대부분의 교량들에서 안전율 1.0 이상인 것으로 평가될 가능성이 높다. 따라서 실제 정밀안전진단 시 내하력 결과 값은 안전성평가 시 크게 영향을 미치지 않는다.

내하력은 식 (4)와 같이 내하율과 응답보정계수를 고려하여 해당 설계 활하중을 곱한 값이다. 각 교량들의 설계 활하중이 다르기 때문에 본 연구에서는 내하력을 내하율과 응답보정계수의 곱의 값으로 분석하였다.

총 19개의 안전성평가가 이루어진 교량 중 내하력평가가 동시에 수행된 교량은 총 18개로 바닥판과 거더의 내하력 결과 값을 Figs. 17 & 18에 나타내었다. 내하력의 경우 등급 기준이 없기 때문에, 내하력 지수와 안전성 지수, 상태평가 지수를 비교 분석하였다. Figs. 19 & 20 에 보인 바와 같이 바닥판의 안전성평가 지수와 바닥판의 내하력 지수간의 상관관계는 0.3389, 거더의 안전성평가 지수와 거더의 내하력 지수간의 상관관계는 0.4401로 분석되었다. 상태평가 지수와 내하력 지수간의 관계는 Figs. 21 & 22 에 나타내었다. 바닥판의 상태평가 지수와 바닥판의 내하력 지수간의 상관관계는 0.0836으로 상관관계가 거의 없었으며, 거더의 상태평가 지수와 거더의 내하력 지수간의 상관관계는 0.2814로 분석되었다.

4.2 교량 종합평가에 대한 결과 분석

교량의 등급 평가 시 외관조사에 따른 상태평가 결과와 안전성 검토에 근거한 안전성평가 결과 중 낮은 결과를 시설물의 종합평가로 결정한다. 22개의 대상 교량 데이터 중 상태평가 결과에서 B등급은 86.36%, C등급은 13.64%였으며, 안전성평가 결과에서는 A등급은 90.91%, B등급은 0.09% 였다. 또한 모든 교량의 상태평가와 안전성평가 등급을 확인하였을 때 모든 교량의 상태평가 결과가 안전성평가 결과보다 낮게 나타났다. 따라서 교량의 종합평가 등급은 상태평가 결과 등급과 같게 나타났으며, 서울시 교량 데이터 분석 결과에서도 교량의 종합평가는 상태평가 결과 등급에 지배되었다.