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Journal of the Korea Concrete Institute

J Korea Inst. Struct. Maint. Insp.
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  1. 학생회원,읞하대학교 토목공학곌 석사곌정
  2. 학생회원,읞하대학교 토목공학곌 박사곌정
  3. 정회원,한국걎섀Ʞ술연구원 구조연구볞부 박사후연구원, 공학박사
  4. 정회원,한국걎섀Ʞ술연구원 구조연구볞부 선임연구원, 공학박사
  5. 정회원,읞하대학교 토목공학곌 부교수, 교신저자



RC 슬래람교, 닚음손상, 읎종손상, 엎화몚덞, 손상확산, 상태등꞉
RC slab bridges, Single damage, Heterogeneous damage, Deterioration model, Damage spread, Condition rating

1. 서 론

êµ­ë‚Ž 교량은 2019년 12월 Ʞ쀀 쎝 35,902개소 쀑 쀀공연도 확읞읎 가능한 교량에 대핮 상부구조륌 형식 별로 구분하였을 때, 쀀공 후 30년 읎상의 교량 구조묌은 RC 슬래람교가 가장 많윌며, 띌멘교, PSC-I교가 뒀륌 잇는닀(Kim et al., 2021). 읎 쀑 RC 슬래람 교는 2017년 Ʞ쀀 공용연수가 20년 읎상읞 교량읎 전첎의 70% 읎상을 찚지한닀(Park et al., 2018). RC 슬래람교의 겜우 교량의 특성 상 안전 및 유지ꎀ늬 대상읞 1, 2종 교량에 포핚되지 않은 교량읎 많닀. 녾후화된 구조묌의 수가 슝가핚에 따띌 구조묌의 안전 진닚 및 유지ꎀ늬의 쀑요성읎 슝가하지만 안전점검의 수행을 위한 겜험곌 Ʞ술을 갖춘 숙렚된 읞력 수꞉ 부족읎 예상된닀. Ʞ졎의 녾후 교량의 점검 및 진닚은 현장조사륌 통핎 수행하였윌며, 많은 읞력곌 시간읎 요구될 뿐만 아니띌 손상간의 ꎀ렚성곌 예잡 ꎀ렚 êž°ì¡Ž 연구와 Ʞ술읎 부재한 싀정읎닀. 따띌서 녞후화가 빠륎게 진행되고 있는 상황에서 녾후화된 RC 슬래람 교량의 안전성을 평가하고 확볎하며, 읞력곌 시간, 비용 등을 낮출 수 있는 방안읎 필요하닀.

한국도로공사의 볎고서에 따륎멎 1997~2011년의 정밀안전진닚볎고서에 따륎멎 교량의 D, E 등꞉의 부재현황을 분석한 결곌 신축읎음부 손상읎 가장 빈번하게 발생되었고, 교멎포장, 배수시섀, 받칚부, 바닥판읎 뒀륌 잇는 싀정읎닀. 고속도로 교량의 대표적읞 ì—Ží™” 원읞은 신축읎음부, 교대 지점부 등을 통한 누수읎며, 특히 신축읎음부는 손상읎 빈번하고, 신축읎음 자첎 손상에 귞치지 않고 바닥판, 교량받칚, 거더 등의 구조묌 전첎 ì—Ží™” 원읞윌로 확대된닀(KEC, 2015).

교량의 엎화는 교량의 사용환겜에 따띌 진행속도가 달띌진닀 (Lee et al., 2015; Jung et al., 2021). 특히 윘크늬튞 바닥판은 엎화의 속도가 가장 빠륞 부재 쀑 하나로 재료결핚, 시공불량, 동결융핎, 찚량하쀑, 엌화묌 칚투의 영향을 받는 것윌로 추정되고 있닀(Nowack and Szerszen, 2003). 따띌서 교량의 엎화예잡을 위핎 교량의 부재별, 사용 환겜별 복합엎화상황에서 교량의 바닥판에 대한 요소듀곌의 상ꎀꎀ계륌 밝히고 읎륌 Ʞ쎈로 바닥판의 수명을 추정하는 것읎 필요할 것읎닀. 하지만 국낎왞의 연구에서 읎듀의 상ꎀꎀ계륌 나타낮는 데읎터의 ꎀ잡은 전묎한 상황읎닀.

바닥판의 겜우 손상 및 ì—Ží™” 발생 시 교첎 죌Ʞ가 비교적 êžžì–Ž 교량의 서비슀 및 녞후도에 믞치는 영향읎 직접적읎멎서 장Ʞ적윌로 읎룚얎진닀. 반멎, 교첎성 부재읞 신축읎음곌 교량받칚 장치의 겜우 교첎 죌Ʞ가 비교적 짧지만 방치했을 겜우 바닥판곌 죌요 부재에 손상을 유발하여 교량의 서비슀 및 녞후도에 영향을 쀄 수 있닀.

따띌서 볞 연구에서는 RC 슬래람 교량에서 빈번하게 발생하는 바닥판 손상곌 교량 부재 손상을 닚음손상윌로 정의하고, 닚음손상 간의 조합을 통핎 정의된 읎종손상 시나늬였륌 몚사하여 손상읎 바닥판에 믞치는 영향을 분석하였닀. 또한 바닥판 손상의 엎화몚덞 적용을 통핎 손상 발생 시점에서 엎화가 진행됚에 따띌 바닥판에 발생하는 ê· ì—Ž 손상의 확산 분석을 수행하였닀. 대상 구조묌은 국토교통부 통계자료 및 섀계도멎을 찞고하여 정의하였고, 구조묌에 작용하는 섀계하쀑은 옚도하쀑곌 찚량하쀑윌로 정의하였닀.

2. 손상 및 엎화몚덞 정의

2.1 닚음 손상 선정

한국도로공사의 연구(Kim et al., 2020)에 따륎멎 바닥판 균엎은 바닥판 엎화현상의 우선적읞 원읞읎고 교량 낎구성곌 사용수명 저하에 밀접한 ꎀ계로 알렀젞 있닀. Fig. 1에 볎읞 바와 같읎 균엎을 통한 엌화묌곌 수분의 칚투는 ì² ê·Œ 부식을 쎉진하고, 죌변 윘크늬튞 균엎에 의한 박늬 및 박띜읎 발생되는 것윌로 볎고되었닀. 또한 최귌 êµ­ë‚Ž 연구결곌에서는 동절Ʞ에 제섀 엌화묌의 사용량읎 슝가핚에 따띌 고속도로 상의 손상은 구조적 낎하력 부족에 의핎서가 아니띌 복합엎화로 읞한 낎구성 잡멎에서 자죌 발생하고 있는 것윌로 볎고되고 있닀. 읎러한 손상은 교멎 포장낎부읞 윘크늬튞 바닥판 상멎에서 발생되Ʞ 시작하Ʞ 때묞에, 손상읎 크게 진전되얎 밖윌로 나타나Ʞ 읎전까지는 육안점검 등에 의한 왞ꎀ조사로는 탐지하Ʞ 얎렀욎 싀정읎닀.

고속도로 교량 손상 발생 비윚은 상부구조가 86%로 하부구조볎닀 높은 손상 발생비윚을 가지며, 특히 상부구조 쀑 신축읎음, 교멎포장, 받칚 등 교량의 부속시섀 손상 발생읎 73%로 죌부재볎닀 높은 것윌로 나타났닀. 또한 교량의 손상분석을 통한 점검 횚윚화 방안 연구(KEC, 2013)에 따륎멎, 죌요 ì—Ží™” 발생 팚턎은 신축읎음 장치의 엎화가 닀륞 엎화팚턎의 원읞읎 되는 것윌로 나타났닀. 신축읎음부륌 통한 누수가 발생할 겜우 신축읎음 장치의 엎화뿐만 아니띌 바닥판, 교량받칚, 거더 등 교량의 죌요부재에 영향을 믞치는 것윌로 볎고되었닀.

따띌서 볞 연구에서 바닥판 ê· ì—Ž 손상곌 교량 부재 손상을 닚음손상윌로 정하였닀. 바닥판 균엎의 손상 발생 위치는 읎겜간 교량의 ì–‘ìž¡ 닚부와 겜간곌 겜간읎 연결되는 쀑앙부로 정의하였닀. 교량 부재 손상은 신축읎음 장치의 유간 밀착곌 교량받칚의 거동 불량윌로 정의하였윌며, 손상 위치는 읎겜간 바닥판 ì–‘ìž¡ Ʞ쀀윌로 음멎손상곌 양멎손상윌로 정의하였닀.

Fig. 1 Overview of the deterioration progress of the deck during the service life(Cusson, 2011)
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2.2 읎종손상 시나늬였 정의

싀제 교량의 겜우 대부분읎 한 가지 유형의 닚음손상만 발생하는 것읎 아니띌 서로 닀륞 유형의 읎종손상읎 핚께 발생한닀. 볞 연구에서는 닚음손상곌 읎종손상읎 발생할 겜우의 바닥판 응답 êž°ë°˜ 손상확산 분석을 목적윌로 한닀. 따띌서 엎화발생 원읞 및 죌요한 엎화팚턎, 점검 및 진닚볎고서 분석 결곌륌 고렀하여 닚음손상듀 간의 조합을 통핎 읎종손상 시나늬였륌 정의하였닀.

1998~2020년 간 76개소의 RC 슬래람 교량에 대한 점검진닚볎고서 분석 결곌 전첎의 64.9%가 하나의 손상읎 아닌 서로 닀륞 종류의 읎종손상읎 핚께 발생하는 것윌로 나타났닀. 읎종손상읎 발생한 겜우 95.1%가 균엎읎 동반되얎 발생하는 것윌로 확읞되었닀. 따띌서 볞 연구의 읎종손상 시나늬였에는 균엎읎 Ʞ볞적윌로 포핚되며, 읎 후 신축읎음 유간 밀착 손상 또는 교량받칚의 거동 불량 손상읎 핚께 발생하는 것윌로 정의하였닀. 바닥판 ê· ì—Ž 손상곌 신축읎음 유간 밀착 손상읎 동시에 발생할 때륌 Damaged – A띌고 정의하였윌며, ê· ì—Ž 손상곌 교량받칚 거동불량 손상읎 동시에 발생할 때륌 Damaged – B띌고 정의하였닀.

손상읎 발생할 수 있는 위치는 3가지로 정의하였닀. Case Ι은 바닥판 닚부 ê· ì—Ž 손상곌 교량 부재 음멎손상읎 핚께 발생하는 겜우읎고, Case ΙΙ는 대칭성을 고렀하여 바닥판 쀑앙부 ê· ì—Ž 손상곌 교량 부재 양멎손상읎 핚께 발생하는 겜우읎닀. Case ΙΙΙ은 바닥판 양잡의 닚부 손상곌 교량 부재 양멎손상윌로 정의하였닀. 손상 발생 유형은 Fig. 2에 나타낎었윌며, 쎈록색은 바닥판 손상을, 녞란색은 교량부재 장치 손상의 위치륌 의믞한닀.

Fig. 2 Cases of damage location
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2.3 바닥판 ê· ì—Ž 엎화몚덞 정의

교량 부속 시섀읞 신축읎음 장치와 교량받칚의 겜우 교첎성 부재로 손상 발생 시 교첎 및 볎수가 비교적 짧은 죌Ʞ 안에 가능하며, 교첎 시 핎당 부재의 녞후화가 쎈Ʞ화된닀. 반멎, 바닥판의 겜우 손상 발생시 교첎 죌Ʞ가 비교적 êžžì–Ž 슉각적읞 볎수 및 교첎가 얎렵고, 교량의 서비슀 및 녞후도에 믞치는 영향읎 직접적읎멎서 장Ʞ적윌로 읎룚얎진닀. 따띌서 바닥판 손상에 의한 엎화가 진행됚에 따띌 닚음손상곌 읎종손상읎 바닥판에 믞치는 영향 분석읎 필요하닀.

볞 연구에서 적용한 ê· ì—Ž 엎화몚덞은 Fig. 3곌 같닀. 엎화곡선은 76개소의 RC 슬래람 교량에 대한 1998~2020년의 점검진닚 볎고서의 바닥판 부재에 대한 0.3mm 읎상의 ê· ì—Ž 데읎터 Ʞ반윌로 생성하였닀. 데읎터는 회귀분석을 통핎 가장 적합한 추섞선 및 핎당핚수의 변수륌 구하였닀. 추섞선 형식은 Linear, Logarithmic, Exponential, Power type 등을 고렀하였윌며,

읎 쀑 가장 적합한 결곌륌 제시하는 Power Type의 추섞선윌로 선정하였닀. 읎륌 통핎 정의한 RC 슬래람 교량 바닥판의 0.3mm 읎상 균엎에 대한 엎화곡선은 식 (1)곌 같닀.

(1)
$d_{ck}=0.0063t^{1.5}$

여Ʞ서, $d_{ck}$는 겜간장 대비 ê· ì—Ž 발생 멎적(m2/m), t는 공용연수(년)읎닀. 볞 연구에서는 식(1)에 따띌 공용연수 5년, 10년, 20년, 30년음 때의 ê· ì—Ž 손상을 고렀하여 핎석을 수행하였닀.

Fig. 3 Degradation model for crack in deck
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3. 핎석 몚덞 구축 및 섀계하쀑 정의

3.1 RC 슬래람 교량의 선정 및 수치핎석 몚덞

국토교통부 통계 자료(MOLIT, 2021)륌 분석한 결곌 2020년 12월 Ʞ쀀 êµ­ë‚Ž 교량 쀑 가장 높은 비윚을 찚지하는 교량은 RC 슬래람 교량윌로 전첎 교량 쀑 24.2%에 핎당한닀. 읎쀑 공용연수가 20년 읎상은 RC 슬래람 교량은 73.1%로, 녞후화가 상당히 진행되었음을 알 수 있닀. 따띌서 녾후화된 RC 슬래람 교량의 안전성을 파악할 수 있는 방안읎 필요하닀.

도로교량 및 터널 현황정볎시슀템(MOLIT, 2021)에 따륎멎, 전첎 RC 슬래람 교량을 겜간 수로 통계 분석하였을 때, 읎겜간 교량읎 30.2%로 가장 많은 비윚을 찚지하였닀. 따띌서 볞 연구에서는 RC 슬래람 읎겜간 교량을 대표 핎석 몚덞로 선정하였닀.

핎석 몚덞의 제원은 국토교통부 자료륌 찞고하여 통계 분석한 결곌 최빈값읞 겜간 Ꞟ읎 30m, 교폭 12m, 두께 0.8m로 선정하였닀. Fig. 4은 대표 핎석 몚덞을 볎여죌며, 철귌은 도멎을 찞고하여 섀계하였닀.

수치핎석 몚덞링은 Fig. 5와 같닀. 바닥판 양 끝닚곌 쀑앙부는 교량 부재 손상읎 바닥판에 믞치는 영향을 정확히 분석하Ʞ 위핎 Fig. 5(a)에 볎읞 바와 같읎 shell 요소로 섞밀하게 몚형화하였닀. ì² ê·Œ 윘크늬튞의 슬래람 닚멎은 Fig. 5(b)와 같읎 플복 윘크늬튞 두께와 철귌의 닚멎적곌 개수, 바닥판 손상 몚사륌 고렀하여 쎝 9개의 잵윌로 구성하였닀.

철귌윘크늬튞 바닥판의 손상 메컀니슘은 윘크늬튞 압축곌 읞장응력, 변형률 ꎀ계로 정의하였닀. 철귌은 항복강도와 탄성계수륌 완전 탄소성(Elastic-perfectly plastic)윌로 정의하였닀.

Fig. 4 Target RC slab bridge
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Fig. 5 Numerical analysis modeling
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3.2 신축읎음 및 교량받칚 섀계

교량의 신축읎음장치와 받칚은 교량의 죌요한 부재로서 바닥판에 발생하는 하쀑 및 변형을 안전하게 수용 및 전달하는 역할을 한닀. 읎쀑 신축읎음장치는 옚도변화에 의한 신축, 윘크늬튞 재령에 따륞 걎조수축곌 크늬프, 활하쀑에 의한 상부구조의 변위와 변형을 원활하게 핚윌로썚 2ì°š 응력의 발생을 최소화핎쀀닀(Cho et al., 2008).

Fig. 6(a)에 볎읞 바와 같읎 신축읎음장치는 변위와 변형의 원활한 수용을 위핎 유간거늬륌 갖고 있닀. 교량 받칚은 상부구조와 하부구조 사읎에서 수직방향곌 교축방향 및 교축직각방향의 힘을 안전하게 전달핎쀀닀. Fig. 6(b)-6(d)는 신축읎음장치와 교량 받칚의 수치핎석 몚덞을 볎여쀀닀.

신축읎음장치는 섀계 신축량을 고렀하여 바닥판의 양닚에 갭요소(Gap element)로서 유간거늬륌 정의하였닀. 따띌서 섀계 신축량 읎상의 변형 또는 밀착 손상읎 발생하는 겜우 신축읎 저항하게 된닀. 읎때, 신축읎음 장치의 강성 값은 유간읎 밀착될 겜우 읎웃하는 바닥판곌 충돌할 때 저항하며 발생하는 강성곌 같닀고 정의할 수 있닀(Shehata E. Abdel Raheem et al., 2009; Kawashima, 2000). 따띌서 핎석 몚덞의 신축읎음 강성 값은 바닥판의 축강성 값을 고렀하여 산정하였닀. 교량받칚의 전닚강성곌 압축강성은 바닥판 상재하쀑에 맞는 제원을 사용하였윌며, 바닥판 양닚곌 겜간곌 겜간 사읎에 위치한닀고 가정하였닀. 신축읎음곌 교량받칚의 묌성치는 Table 1와 같닀.

Fig. 6 Numerical model of expansion joint and bearing
../../Resources/ksm/jksmi.2022.26.6.93/fig6.png
Table 1 Properties of bridge devices

Properties

Expansion joint

Bearing

Gap (mm)

3

None

Stiffness (MN/m)

1954

1.58

3.3 섀계하쀑 정의

볞 녌묞에서는 옚도하쀑곌 찚량하쀑을 섀계하쀑윌로 선정하였닀. 옚도하쀑은 음교찚륌 반영하여 옚도 슝감의 횚곌륌 고렀하였고, 찚량하쀑은 통계분석 결곌 가장 많읎 사용되는 하쀑윌로 정하였닀.

옚도하쀑의 겜우 Fig. 7에 볎읞 바와 같읎 도로교섀계Ʞ쀀(MOLIT, 2016)에서 정의하는 수직옚도겜사륌 고렀하여 정의하였닀. 옚도 겜사는 하룚 동안 옚도가 상승할 때와 옚도가 감소할 때륌 하나의 순환(Cycle)로 정의하였닀. 볞 연구의 대상 구조묌은 두께가 400mm 읎상읞 윘크늬튞 상부구조묌에 핎당하여 A의 제원은 300mm읎닀. Fig. 7에 볎읞 바와 같읎 상부의 옚도가 높을 때의 $T_{1}$곌 $T_{2}$는 각각 23℃와 6℃읎며, $T_{3}$의 겜우 현장조사에 의핎 정핎진 값읎 없윌멎, 0℃륌 음반적윌로 사용한닀. 윘크늬튞 바닥판에서 옚도가 감소하는 겜우는 êµ­ë‚Ž 섀계 Ʞ쀀에서 따로 정의된 바가 없닀. 따띌서 2022년 쀑 음교찚가 가장 큰 4~5월의 Ʞ상청 자료륌 활용하여 Fig. 8에 볎읞 바와 같읎 음교찚 분석을 수행하였닀. 분석 결곌 2022년 4~5월의 음교찚 평균은 10℃로, 옚도가 감소하는 겜우 $T_{4}$륌 -10℃ 윌로 정의하였닀.

국토교통부 자료(MOLIT, 2021)에 따륎멎 도로 교량의 섀계하쀑은 DB-24가 ì•œ 84%로 가장 높은 비윚을 찚지한닀. RC 슬래람. 교량에서도 DB-24 섀계하쀑읎 가장 높은 비쀑을 찚지하고 있닀. 따띌서 볞 연구에서는 Fig. 9에 볎읞 바와 같읎 섀계 찚량하쀑 DB-24륌 사용하였닀. 옚도가 상승한 후 찚량 진행에 따륞 동적핎석을 싀시한 후 닀시 옚도가 감소한 후 찚량 진행에 따륞 동적핎석을 싀시하였닀. 바닥판을 72km/h의 속도로 지나가는 것윌로 가정하였닀. 바닥판 폭은 12m로 쎝 3찚선윌로 가정하였윌며, 찚량 3대가 몚든 찚선에 동시에 재하되는 것윌로 가정하였닀.

Fig. 7 Vertical gradient of temperature
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Fig. 8 Analysis of daily temperature ranges between April and May 2022
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Fig. 9 Load and size of DB-24(MOLIT, 2010)
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3.4 손상 몚덞링

볞 연구에서 정의한 닚음손상은 바닥판 손상곌 신축읎음 유간 밀착 손상, 교량받칚 거동 불량 손상의 3가지로 정하였닀. 개별 닚음 손상에 대한 수치핎석 상의 몚덞링은 Fig. 10곌 같닀.

바닥판 ê· ì—Ž 손상의 겜우 Fig. 10(a)에 볎읞 바와 같읎 상부 플복 윘크늬튞 재료 묌성치의 강도륌 감소시킎윌로썚 윘크늬튞의 균엎을 몚사하였닀.

교량 부재 손상 쀑 신축읎음의 겜우 유간 밀착 손상읎 발생하였닀고 가정하여 Fig. 10(b)곌 같읎 정의하였닀. 신축읎음 손상읎 발생하멎 유간(Gap)읎 밀착되얎 읎웃하고 있는 바닥판의 축강성읎 발생하여 바닥판에 응력읎 발생할 것윌로 판닚된닀. 교량받칚의 겜우 거동읎 불량핎졌닀고 가정하여 Fig. 10(c)곌 같읎 가정하였닀. 교량받칚 손상읎 발생할 겜우 받칚의 거동읎 불량핎지도록 강성을 정의하였닀.

Fig. 10 Damage scenario modeling
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4. 손상 시나늬였 별 바닥판 응답 분석

4.1 닚음손상 별 바닥판 응답 분석

닚음손상 발생 시 섀계하쀑에 의한 바닥판 응답 분석을 수행하였닀. 섀계하쀑은 2 닚계로 진행되었닀. 1닚계(Step 1)는 옚도 슝가에 의한 핎석을 수행한 후 찚량 하쀑에 의한 동적핎석을 싀시하였닀. 읎후 옚도 감소의 영향곌 찚량하쀑에 영향을 닀시 한 번 고렀하는 2닚계(Step 2) 동적 핎석을 싀시하였닀. 바닥판곌 교량부재의 닚음손상읎 발생한 겜우 Step 1곌 Step 2의 바닥판 응답 분석 결곌는 각각 Fig. 11-13와 같닀. 응력은 바닥판 상부의 최대응력분포륌 히튞맵 형식윌로 볎여쀀닀. 히튞맵의 색은 균엎의 위험성을 볎여죌며, 윘크늬튞 파ꎎ계수 읎상음 때 붉은색을 띠며 균엎읎 발생하는 것을 의믞한닀. 파ꎎ계수의 절반 읎상은 향후 ê· ì—Ž 발생의 가능성읎 있을 것윌로 판닚하여 녞란색윌로 표시하였닀. ê·ž 읎하의 응력은 쎈록색윌로 표시하여 안정적읞 상태로 정의하였닀.

교량부재 손상의 겜우 손상 발생 위치에 따띌 손상 발생 양읎 정핎지는 반멎, 바닥판 ê· ì—Ž 손상의 겜우 손상 발생 양은 엎화곡선의 공용연수에 따띌 정핎진닀. 따띌서 균엎에 의한 닚음손상 바닥판 응답 분석은 Fig. 11에 볎읞 바와 같읎 공용연수 5년음 때의 바닥판 응답을 손상 발생 위치별로 비교하였닀. Figs. 11(a)-11(c)은 Step 1에서 ê· ì—Ž 닚음손상읎 발생한 겜우 손상 발생 위치별 바닥판 응력 분포륌 나타낞닀. 균엎읎 발생한 위치에서 몚두 파ꎎ계수 읎상의 응력읎 발생하였닀. 또한 겜간곌 겜간읎 읎얎지는 왞곜 부분에서 ì•œ 1.5MPa 정도의 응력읎 발생하였닀. 읎는 옚도 슝가의 영향윌로 판닚된닀. Step 2에서도 Figs. 11(d)-(f)에 볎읞 바와 같읎 파ꎎ계수 읎상의 응력읎 균엎읎 발생한 위치에서 발생하였닀. Step 1대비 바닥판 응력읎 슝가하였윌며, 바닥판 쀑앙에서도 ì•œ 0.7MPa의 응력읎 발생하였닀. 또한 Figs. 11(d), (e)에 볎읞 바와 같읎, 바닥판 닚부의 쀑앙에서 ì•œ 1.9MPa로 파ꎎ계수에 귌사한 응력읎 발생하였닀. 읎는 옚도가 감소핚에 따띌 바닥판 닚부에서 응력읎 발생하는 것윌로 판닚된닀.

신축읎음 손상에 대한 Step 1곌 Step 2에서의 바닥판 응답 분석 결곌는 Fig. 12와 같닀. Step 1에서 좌잡 유간만 밀착된 음멎손상의 겜우 Fig. 12(a)에 볎읞 바와 같읎 유간읎 밀착된 닚부 왞잡에서 ì•œ 1.8MPa 정도의 응력읎 발생하였닀. 유간읎 밀착되지 않은 였륞쪜 닚부에서도 최대 ì•œ 1.4MPa의 응력읎 발생하여, ì–‘ìž¡ 닚부에서 몚두 ê· ì—Ž 발생의 가능성읎 있을 것윌로 판닚된닀. 신축읎음 양잡의 유간읎 몚두 밀착된 겜우는 Fig. 12(b)에 볎읞 바와 같읎 ì–‘ìž¡ 닚부에서 최대 2.1MPa의 응력읎 발생하며, ê· ì—Ž 발생의 위험성읎 높은 것윌로 나타났닀. Step 2의 겜우 Figs. 12(c)-12(d)에 볎읞 바와 같읎 신축읎음 음멎손상곌 양멎손상에서 몚두 바닥판 전반의 응력읎 슝가한 것을 확읞할 수 있닀. 신축읎음 음멎손상읎 발생한 겜우 Fig. 12(c)에 볎읞 바와 같읎 유간읎 밀착된 좌잡 닚부에서 최대 ì•œ 2.3MPa의 응력읎 발생하였닀. 손상읎 발생하지 않은 ìš°ìž¡ 닚부에서도 ì•œ 1.8MPa의 응력읎 발생하고 Step 1에 비핎 응력읎 슝가하였닀. ì–‘ìž¡ 유간읎 밀착된 겜우 Fig. 12(d)곌 같읎 ì–‘ìž¡ 닚부에서 최대 2.3MPa의 응력읎 발생하였윌며, Step 1곌 비교하였을 때 닚부에서 파ꎎ계수의 절반 읎상의 응력읎 발생하고 범위가 슝가하였닀. 또한 바닥판 쀑앙에서도 ì•œ 1.4 ~ 1.5MPa 정도의 응력읎 발생하여, ê· ì—Ž 발생의 가능성읎 높았닀. 읎는 바닥판 하부의 옚도가 감소핚에 따띌 바닥판 상부에 읞장응력읎 슝가한 것윌로 판닚된닀.

교량받칚의 겜우 섀계하쀑에 대한 바닥판 응답 결곌는 Fig. 13곌 같닀. Step 1에서 좌잡에서 거동불량 손상읎 발생할 때 Fig. 13(a)와 같읎 닚부 왞잡에서 ì•œ 2.3MPa의 응력읎 발생하였윌며, 양멎손상읎 발생한 겜우 Fig. 13(b)와 같읎 ì–‘ìž¡ 닚부에서 ì•œ 3.1MPa의 응력읎 발생한닀. 대상 구조묌에는 교량받칚읎 ì–‘ìž¡ 닚부와 겜간 사읎에 4개씩 섀치되얎 있윌며, 손상읎 발생할 겜우 교량받칚읎 섀치된 위치에서 응력읎 크게 발생하는 것을 확읞하였닀. Step 2에서 신축읎음 손상곌 마찬가지로 옚도가 슝가한 후 닀시 감소핚에 따띌 바닥판 전반의 응력읎 슝가한 것을 확읞하였닀. 음멎손상읎 발생한 겜우 Fig. 13(c)와 같읎 손상읎 발생한 좌잡 닚부에서 최대 ì•œ 3.1MPa의 응력읎 발생하였윌며, ìš°ìž¡ 닚부에서도 ì•œ 1.8MPa의 응력읎 발생하여 ê· ì—Ž 발생의 위험읎 높은 것을 알 수 있닀. 양멎손상읎 발생한 겜우 Fig. 13(d)에 볎읞 바와 같읎 ì–‘ìž¡ 닚부에서 최대 3.2MPa의 응력읎 발생하였윌며, 바닥판 쀑앙에서 1.4 ~ 1.6MPa의 응력읎 발생하였닀. 교량받칚의 겜우 음멎손상곌 양멎손상에서 몚두 교량받칚읎 위치한 닚부에서 ê· ì—Ž 발생 가능성읎 가장 높게 나타났닀.

Fig. 11 Stress heat map of the deck due to crack
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Fig. 12 Stress heat map of the deck due to expansion joint damage
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Fig. 13 Stress heat map of the deck due to bearing damage
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4.2 읎종손상 시나늬였 별 바닥판 응답 분석

손상 유형곌 발생 위치륌 고렀한 쎝 6가지 읎종손상 시나늬였 별 바닥판에 발생하는 ê· ì—Ž 멎적윚을 산정하였닀. ê· ì—Ž 멎적윚은 균엎읎 발생할 가능성읎 있는 멎적윌로, 전첎 바닥판 멎적 대비 파ꎎ계수 절반 읎상의 응력읎 발생하는 멎적윌로 정하였닀. 읎종손상 시나늬였 별 바닥판 ê· ì—Ž 멎적윚은 옚도 슝가와 감소, 찚량하쀑의 영향을 몚두 고렀하여 산정하였닀. 읎륌 통핎 산정된 읎종손상 시나늬였와 개별 닚음손상의 ê· ì—Ž 멎적윚은 Fig. 14와 같닀.

Damaged – A는 바닥판 ê· ì—Ž 손상곌 신축읎음 유간 밀착 손상읎 핚께 발생한 겜우읎닀. Fig. 14(a)는 Damaged – A의 손상 발생 위치 별 바닥판 ê· ì—Ž 멎적윚을 볎여쀀닀. ê· ì—Ž 좌잡 닚부손상곌 신축읎음 음멎손상읎 핚께 발생하는 Case Ι의 겜우 ê· ì—Ž 닚음 손상 대비 ì•œ 1.3ë°°, 신축읎음 음멎손상 대비 ì•œ 1.4배의 균엎읎 발생한닀. 읎는 옚도 슝감에 의핎 균엎곌 신축읎음 손상읎 발생하는 상부 윘크늬튞와 읞접한 부위에서 읞장응력읎 발생하였Ʞ 때묞읎닀. Case ΙΙ의 겜우 ê· ì—Ž 손상 대비 ì•œ 8.0ë°°, 신축읎음 양멎손상 대비 ì•œ 4.6배의 균엎읎 발생하였닀. 읎는 신축읎음 양잡의 유간읎 밀착된 ê· ì—Ž 쀑앙부 손상, 옚도 감소로 읞한 읞장응력 슝가의 결곌로 판닚된닀. Case ΙΙΙ은 ê· ì—Ž 손상 대비 ì•œ 5.6ë°°, 신축읎음 양멎손상 대비 ì•œ 4.8배의 균엎읎 발생하였닀. 읎는 바닥판 ì–‘ìž¡ 닚부의 손상곌 교량받칚 양멎손상읎 옚도 슝감에 의한 영향을 받아 ê· ì—Ž 멎적윚읎 슝가였Ʞ 때묞읎닀. Fig. 14(b)는 Damaged – B로 바닥판 균엎손상곌 교량받칚 거동 불량 손상읎 핚께 발생한 겜우의 손상 발생 위치 별 바닥판 ê· ì—Ž 멎적윚을 나타낞닀. ê· ì—Ž 좌잡 닚부손상곌 교량받칚의 음멎손상읎 발생한 Case Ι의 겜우 ê· ì—Ž 닚음손상 대비 ì•œ 1.4ë°°, 교량받칚 음멎손상 대비 ì•œ 2.5배의 균엎읎 발생하였닀. 교량받칚 양멎손상읎 공통적윌로 발생하는 Case ΙΙ곌 Case ΙΙΙ의 겜우 각각 교량 쀑앙부 닚음손상곌 교량 ì–‘ìž¡ 닚부의 ê· ì—Ž 닚음손상에 비핎 맀우 큰 균엎읎 발생한닀. 읎륌 통핎 교량받칚의 양멎손상읎 발생하멎 바닥판 응력읎 교량받칚 손상에 지배적읞 영향을 받는 것윌로 판닚된닀.

Fig. 14 Crack area ratios in the 5 years of service life
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4.3 공용년수 슝가에 따륞 바닥판 손상 확산 분석

엎화몚덞 êž°ë°˜ 섀계하쀑에 따륞 공용연수 5년, 10년, 20년, 30년음 때의 손상 위치 별 파ꎎ계수 읎상의 균엎읎 발생하는 ê· ì—Ž 멎적윚을 산정하였닀. 산정된 ê· ì—Ž 멎적윚을 통핎 교량의 ‘시섀묌 안전 및 유지ꎀ늬 싀시 섞부지칚’ (MOLIT, 2019)에 정의된 상태평가 Ʞ쀀에 귌거하여 바닥판의 상태등꞉을 예잡하였닀. 예잡된 상태등꞉을 Ʞ쀀윌로 죌요 및 볎조부재 낎구성 저하방지륌 위한 볎수·볎강읎 필요한 상태등꞉ C 도달 시간을 도출하였닀.

Fig. 15(a)는 Damaged – A에 대한 공용연수 별 바닥판 ê· ì—Ž 멎적윚 및 상태등꞉을 나타낞닀. ê· ì—Ž ì–‘ìž¡ 닚부손상곌 신축읎음 유간밀착의 양멎손상읎 발생한 Case ΙΙΙ는 공용연수 30년음 때 공용연수 5년 대비 16.4%로 가장 큰 손상확산을 볎였닀. Case ΙΙΙ의 겜우 공용연수 7년음 때 상태등꞉ C에 도달하는 것윌로 예잡된닀. 신축읎음 양멎손상곌 바닥판 ê· ì—Ž 쀑앙부 손상읎 핚께 발생한 Case ΙΙ의 겜우 엎화가 진행됚에 따띌 ì•œ 9.2%의 ê· ì—Ž 확산을 볎였윌며, C등꞉ 도달 시간은 8년윌로 예잡된닀. Case Ι의 겜우 ì•œ 8.2%읎며, C등꞉ 도달 시간은 11년윌로 예잡된닀. Damaged – B의 공용연수 별 바닥판 ê· ì—Ž 멎적윚 및 상태등꞉은 Fig. 15(b)와 같닀. 바닥판 ì–‘ìž¡ ê· ì—Ž 손상곌 교량받칚 양멎손상읎 핚께 발생하는 Case ΙΙΙ의 겜우 공용연수 30년음 때 공용연수 5년 대비 ì•œ 17.0%로 가장 큰 손상확산을 볎였고, Case ΙΙ, Case Ι가 각각 8.9%, 8.1%로 ê·ž 뒀륌 읎었닀. 상태등꞉ 도달 시간은 Case ΙΙΙ, Case ΙΙ, Case Ι 순윌로 각각 6년, 7년, 9.5년윌로 예잡되었닀.

읎륌 통핎 신축읎음 또는 교량받칚 등의 교량부재 양멎손상읎 발생한 겜우 C등꞉ 도달 시Ʞ가 맀우 읎륌 것윌로 예잡할 수 있닀. 따띌서 교량부재 손상의 조속한 볎수·볎강 또는 교첎가 읎룚얎지지 않을 겜우 교량 받칚부의 엎화가 가속화될 수 있을 것윌로 판닚된닀.

Fig. 15 Prediction of the condition rating for the deck based on the degradation model
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5. ê²° ë¡ 

볞 녌묞은 êµ­ë‚Ž 녾후 교량 쀑 많은 부분을 찚지하는 RC 슬래람 교의 바닥판 균엎곌 교량 부재 손상읞 신축읎음 유간 밀착, 교량받칚 거동 불량에 대한 닚음손상곌 읎종손상에 대한 바닥판 손상 확산을 분석하였닀. 음교찚륌 고렀한 옚도 슝감곌 찚량하쀑을 고렀하여 개별 닚음손상 발생 시 바닥판 응력 분포 및 손상 별 최대 응력읎 발생하는 지점을 분석하였닀. 또한 바닥판 ê· ì—Ž 멎적윚을 산정하여 닚음손상곌 읎종손상 발생 시 ê· ì—Ž 멎적윚의 크Ʞ륌 비교하였닀. 엎화몚덞 적용을 통한 공용연수 별 손상 시나늬였에 대한 손상확산 분석 및 상태등꞉ 예잡을 수행하였닀. 볞 녌묞에서 도출된 죌요 결곌는 닀음곌 같닀.

1) 바닥판 ê· ì—Ž 닚음손상읎 발생한 겜우 균엎읎 발생한 부분에서 파ꎎ계수 읎상의 응력읎 발생하였닀. 또한 균엎읎 발생 위치와 상ꎀ없읎 바닥판 ì–‘ìž¡ 닚부에서 최대 ì•œ 1.9MPa로 ê· ì—Ž 발생의 가능성읎 있윌며, 옚도 슝감의 영향윌로 바닥판 쀑앙부에서도 ì•œ 0.7MPa의 응력읎 발생하였닀.

2) 교량 부재의 손상읎 발생한 겜우 몚두 부재가 위치하고 있는 ì–‘ìž¡ 닚부에서 파ꎎ계수에 귌접한 응력읎 발생하여 균엎읎 발생하거나, 추후 ê· ì—Ž 발생의 가능성읎 있을 것윌로 판닚된닀. 특히 신축읎음 손상의 겜우 음멎손상곌 양멎손상에서 몚두 옚도 슝가 후 닀시 옚도가 감소하는 곌정에서 바닥판 전반에 응력읎 슝가하였닀. 읎는 하부 윘크늬튞의 옚도 감소로 읞하 상부 윘크늬튞 잵의 읞장응력읎 발생한 것윌로 판닚된닀.

3) 읎종손상 시나늬였 별 핎석 결곌 몚든 시나늬였에서 개별 닚음손상 대비 큰 ê· ì—Ž 멎적윚을 볎였닀. 바닥판 균엎곌 신축읎음 손상읎 핚께 발생한 Damaged-A의 겜우 손상 발생 위치와 상ꎀ없읎 닚음손상 대비 읎종손상 발생 시 최대 ì•œ 8.0배의 ê· ì—Ž 멎적윚을 볎였닀. 균엎곌 교량받칚 손상읎 핚께 발생하는 Damaged-B의 겜우 교량받칚 양멎의 거동불량 손상읎 동반되얎 발생한 Case ΙΙ와 Case ΙΙΙ에서 24.9 ~ 30.1%로 닚음손상 대비 맀우 큰 ê· ì—Ž 멎적윚을 볎였닀. 읎륌 통핎 교량받칚 양멎손상읎 균엎곌 동반되얎 발생하는 겜우 옚도 슝감횚곌에 더욱 큰 영향을 받는 것윌로 판닚된닀.

4) 엎화몚덞 적용에 따륞 바닥판 손상확산 분석 및 상태등꞉ 예잡 결곌 교량부재 양멎손상읎 동반되얎 발생한 겜우 가장 췚앜한 것윌로 나타났닀. Damaged-A와 Damaged-B에서 몚두 Case ΙΙΙ의 손상확산윚읎 16.4 ~ 17.0%로 가장 빚랐윌며, Case ΙΙ, Case Ι가 ê·ž 뒀륌 읎었닀. 또한 Case ΙΙΙ음 때 상태등꞉ C에 도달하는 시간은 Damaged-A음 때 7년, Damaged-B음 때 6년윌로 가장 빠륎게 도달하였닀.

읎륌 통핎 교량 부재에 대한 ì¡°êž° 검진읎 필요하며, 손상 발생읎 ꎀ잡될 겜우 신속한 교첎가 필요할 것윌로 판닚된닀. 슉, 교량부재 손상읎 발생하였을 때 신속한 볎수 및 교첎가 읎룚얎지지 않윌멎 바닥판의 손상 발생곌 확산윌로 읞한 2ì°š 플핎륌 유발하는 원읞읎 될 수 있닀. 따띌서 바닥판 응답에 대한 지속적읞 ꎀ찰곌 대응읎 필요할 것윌로 판닚된닀.

볞 연구는 교량에서 발생 가능한 손상에 대한 정의와 엎화몚덞 적용에 따륞 손상 확산을 예잡핚윌로썚 교량의 유지ꎀ늬 방안을 제안하는 것을 목표로 하였닀. 대상 교량에 대한 핎석 결곌는 점검/진닚 데읎터와 Ʞ졎의 ì—Ží™” 메컀니슘 연구와 유사한 거동을 볎읎는 것윌로 판닚된닀. 읎러한 연구는 현재 개척 닚계의 연구로서 향후 신뢰성을 더욱 향상시킀Ʞ 위핎 싀제 교량의 데읎터륌 활용하여 검슝을 수행할 예정읎닀.

감사의 Ꞁ

볞 연구는 한국걎섀Ʞ술연구원 죌요사업 "DNA êž°ë°˜ 녾후 교량 구조묌 슀마튞 유지ꎀ늬 플랫폌 및 활용Ʞ술 개발" 곌제(20220217-001)륌 통핎 수행되었음.

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