1. 서 론
2. 실험 방법
2.1 실험 개요
2.2 실험 장비 및 과정
3. 실험 결과
3.1 실험 데이터 분석 방법
3.2 폐교각 세굴 모사실험 분석 결과
3.3 운영교량 교각 실험 분석 결과
4. 분석 및 제언
4.1 일본 건전도 지수 산정 방법
4.2 폐교각 세굴 모사 결과 및 안정성 검토 결과 비교
4.3 운영 교량에 대한 일본 건전도 지수 산정
4.4 운영 교량 교각 외관조사 결과 및 안정성 검토 결과 비교
5. 결 론
1. 서 론
대한민국의 전체 철도 교량 약 3,200개 중 준공 후 30년 이상 노후 철도교량은 764개소, 42km로 약 24% 수준이다(KRRI, 2019). 이러한 노후 교량의 경우 준공연도가 오래된 일반철도에 주로 위치하며 고속철도에 비해 체계적인 관리가 이루어지지 못하고 있는 실정이다. 철도교의 경우 도로교와 달리 우회 노선 이용 및 부분적 복구가 불가하여 문제 발생 시 도로교에 비해 교통 및 물류에 막대한 경제적 영향을 끼치게 된다. 이에 노후 교량에 대한 주기적인 진단이 시행되고 있으나, 교량에 대한 안전진단이 육안 및 촉각 조사에 의존하고 있어 확인이 어려운 하부구조에 대한 평가 기술이 부재한 실정이다. 한반도에서는 올해 태풍 ‘마이삭’으로 인해 교량 2개가 무너지는 사고가 있었다. 피해 교량 중 한 교량은 평창군에 위치한 1989년 준공된 송정1교이며, 붕괴원인은 세굴에 의한 교각의 부등침하로 조사되었다. 송정1교의 경우, 시공사와 내진설계에 대한 자료가 미비하며 2001년에는 안전 등급이 C등급에서 B등급으로 상향되었다. 그러나 점검을 누가 했는지와 등급이 상향된 이유는 기록되어 있지 않았다. 다른 피해 교량은 평창 동산교로 붕괴 원인은 정확히 파악되지 않았다. 이 피해 교량들의 경우 안전 등급 상으로는 문제가 없었으나 외관 조사만 수행되어 교각 하부의 상태를 정확히 파악할 수 없는 등 철도 교량 하부구조의 체계적인 안정성 평가가 이루어지지 못하였다. 이에 노후 교량 하부구조의 사용성 저하, 증가하는 자연재해로 인한 피해 방지를 위한 선제적이고 체계적인 유지관리와 사전대책이 요구된다.
일본에서는 응답 지배주파수 변화를 이용하여 교량 하부구조의 안정성 변화를 평가하는 기법을 개발하였다(Masahiro, 2013). 실험에서 이용한 충격진동시험법은 추를 이용하여 충격하중을 가하고 응답에 대해 스펙트럼 해석을 수행하여 해당 구조물의 응답 지배주파수를 파악해 건전도를 조사하는 시험법이다(일본 국토 교통성 철도국, 2007). 실측된 진동에 대한 응답 지배주파수와 일본제안식 기준값에 의해 얻어진 구조물이 보유해야 할 표준적인 진동에 대한 응답 지배주파수와의 비를 산정하여 건전도 평가 기준을 제시하였다. 그러나 해당 기준값의 경우 일본의 다양한 교량 형식에서 실험값을 바탕하여 통계적으로 결정한 것이며, 이를 국내에 적용하기 위해서는 추가적인 검증과 연구가 필요하다. Yeo and Kang(1999)은 홍수 시 기초지반이 유실됨으로써 발생되는 세굴에 의한 피해를 줄이기 위해 교량의 안정성에 영향을 미치는 인자들에 대한 분석을 수행하였다. 실측대상은 중, 소하천을 대상으로 하였으며 세굴 깊이, 교각 폭 및 길이, 수심, 유속 및 유량, 접근 각 등 세굴에 영향을 미치는 물리량들을 관측하고 측정하였다. Park et al.(2005)은 홍수 발생 후 교각의 세굴 건전성을 평가하는 긴급점검기법으로써 세굴로 인한 교각의 진동에 대한 응답 지배주파수 변화를 파악하는 동적특성 평가실험을 수행하였다. 그러나 이 실험은 확대기초 이외의 기초에서는 세굴에 대한 영향을 평가하지 않았다. Kwak et al.(2006)은 교량 세굴 유지관리 시스템의 현장 적용성을 검증하기 위해 실제 교량 현장에 대한 사례 연구를 수행했다. 20개 교량을 대상으로 지반조사를 포함한 현장조사, 설계 홍수량에 대한 교량 세굴의 해석, 그에 따른 교량 기초의 지지력 평가 및 위험도 등급 결정 그리고 교량 세굴 유지관리 체계에 대한 종합적인 평가를 실시하였다. Masui(2009)는 교각의 세굴 징후를 감지하고 건전성을 모니터링 하는 테스트를 통하여 교량 하부구조 건전성 평가 시스템을 개발하였다. 이 시스템은 열차에 의해서 발생하는 것과 같은 진동뿐만 아니라 경사도를 사용하여 모니터링 할 수 있다. 현재는 교각 등 국내 교량 하부구조에 대한 안정성 평가는 명확한 기준이 없으며, 안전 진단 및 점검 시에도 정량적인 평가 방법은 없는 상태이다.
이에 본 연구에서는 노후 철도 교각의 안정성을 평가하기 위해 6개소의 철도 교량에 대해 충격하중 실험을 수행하고 시간이력 응답을 계측하였다. 계측 결과를 토대로 충격 하중에 대한 응답 지배주파수 값을 산출하였으며, 이 중 폐교각인 1개소의 교각에 대해 세굴 모사실험을 수행하여 실제 세굴 발생 여부가 응답 지배주파수에 미치는 영향을 분석하였다. 또한, 5개소의 운영교각에서 측정된 응답지배주파수를 일본에서 제안한 식과 비교하여 노후 교량의 건전도 평가를 수행하였다. 이를 통해 국내 노후 철도 교량 하부구조의 안정성을 평가할 수 있는 방법과 현장 적용성 여부를 연구하였다.
2. 실험 방법
2.1 실험 개요
기존의 교각 안정성 평가 자료들은 교량에 대한 정보가 한정적이기 때문에 비교적 정확한 정보를 얻을 수 있는 판형교 형식과 직접기초를 가진 교량을 실험대상으로 선정하였다. 자료의 수집은 정밀안전진단보고서 및 준공 설계 자료 등을 참고하였고 부족하거나 정확하지 않는 교각정보는 현장 실험 측정을 통하여 계측하였다(KRRI, 2018). 먼저 교량의 특성을 파악하기 위해 교각과 기초의 형상정보, 지반의 상태, 근입 깊이, 돌출 높이 그리고 콘크리트 강도를 파악하였다. 본 논문은 교량 하부구조의 안정성을 평가하기 위해 6개 교량, 47개 교각을 대상으로 현장 실험을 실시하였고 그 정보를 분석하였다. 또한, 이 중 1개 교량에서 안정성 평가 기법의 적용성 평가와 세굴이 발생하였을 때 교각 안정성에 미치는 영향을 파악하기 위해 동해남부선 청량천교에서 세굴 모사실험을 수행하였다. 실제 세굴을 모사하기 위해 폐교각에서 포크레인을 이용하여 인접지반을 0m, 1m, 2m, 3m 총 4단계에 걸쳐 굴착하였다. Fig. 1은 현장 실험 교량 전경이고 Table 1은 교각 제원조사 결과이다. 세굴 모사실험을 수행한 청량천교 폐교각은 자료가 미비해 현장에서 폭, 길이, 높이 등 직접 측정하여 실험하였다. Table 1에서의 X, Y는 교각 하단부 수치이며 x, y는 교각 상단부 수치이다. 또한, θ1과 θ2는 각각 상, 하단 경사도를 나타낸다.
Table 1.
Results of 6 bridge specifications
2.2 실험 장비 및 과정
현장 실험 교량은 1개의 폐교량인 청량천교와 5개의 운영교량인 입실천교, 북천교, 염평천교, 안냉천제2교, 직지천교로 총 6개 교량이며, 실험 교각은 입실천교 8개, 북천교 11개, 염평천교 10개, 안냉천제2교 9개, 직지천교 8개, 청량천교 1개로 총 47개에서 현장 실험을 수행하였다. 5개의 운영교량에 대해서는 교량에 대한 충격하중 실험을 수행하고, 폐교량에 대해서는 거더 철거, 세굴 진행 등을 모사하면서 충격하중 실험을 수행하였다.
비파괴 실험을 통한 교각의 안정성 평가를 위해 가속도 센서와 충격하중실험을 위한 추를 사용하였다. Fig. 2는 실험에 사용된 장비를 나타내며 (a)는 PCB 356A15 모델 가속도 센서, (b)는 약 30kgf의 무게추이다. 또한 Fig. 3은 실험 과정을 나타낸다. (a)는 계측을 위한 가속도 센서 부착 위치를 나타낸다. 가속도 센서는 교각의 교축방향 상,하단 50cm 떨어진 부분과 중심지점에 부착하였다. (b)와 (c)는 타격방향을 나타내며 교각의 교축직각방향으로 추를 매달아 상단, 중단을 타격하였다. 측정된 데이터는 Fig. 4와 같이 데이터 로거로 송신 받는다. 청량천교 폐교각에서는 세굴 모사를 하기 위해 포크레인을 이용하여 교각 인접 지반 0m, 1m, 2m, 3m 총 4단계로 굴착하여 실험을 수행하였다. Fig. 4는 세굴 모사실험 사진이며 (a)와 같이 포크레인을 이용하여 굴착하였다. (b)는 최종적으로 굴착한 단계를 나타내며 3m 굴착 시 유수가 유입되었다.
현장 실험은 충격진동시험법을 이용하였다. 충격진동시험법은 진동시험법으로 추를 이용해 교각의 두부에 충격을 주고, 이 때의 응답 파형을 기록, 파형의 반복 및 스펙트럼을 해석함으로써 해당 구조물의 진동에 대한 응답 지배주파수를 파악해 건전도를 조사하는 시험법이다. 충격진동시험법은 철도, 토목 구조물의 개별 검사법으로서 일본에서는 과거부터 적용하여 다수의 실험데이터를 확보하고 있으며, 이를 바탕으로 교각 안정성을 평가할 수 있는 기준식을 제안한 바 있다(Masahiro, 2013). Fig. 5는 충격진동시험의 개념도 및 방법이다. 그림과 같이 교각의 상, 중, 하단에 가속도계를 부착하고 추를 매달아 타격한다. 측정된 값을 이용하여 응답 지배주파수, 모드차수, 위상 등 분석할 수 있다.
3. 실험 결과
3.1 실험 데이터 분석 방법
실험을 통해 측정된 가속도 값을 스펙트럼 분석을 통해 해석하였다. 진동에 대한 응답 지배주파수를 산정하는데 있어 진폭 스펙트럼으로만 판단하기에는 한계가 있다. 이에 진폭 스펙트럼에서 진폭이 가장 증폭되는 지점과 교차 스펙트럼의 위상차가 0°에 수렴하는 부분을 진동에 대한 응답 지배주파수로 산정하였다. 실험대상 교량인 청량천교 P3 교각의 실험 결과를 예시로 제시하였으며, Fig. 6은 FFT한 결과값, Fig. 7은 계측기 간의 위상 차이를 보여준다.
3.2 폐교각 세굴 모사실험 분석 결과
세굴 모사는 교각에 인접한 지반을 0m, 1m, 2m, 3m 총 4단계로 굴착하는 방식으로 진행하였으며, 실험 대상의 진동에 대한 응답 지배주파수는 동일한 방법으로 분석하였다. 분석 결과는 Fig. 8에 도시하였고 (a)~(d)는 각각 세굴 단계별 응답 지배주파수를 나타낸다. 또한, 세굴 굴착깊이 별 응답 지배주파수의 상관관계를 Fig. 9에 나타내었고, 이에 대한 분석값을 Table 2에 정리하였다. 세굴 모사를 진행하지 않았을 때의 진동에 대한 응답 지배주파수는 16Hz로 분석되었다. 1m 굴착 진행 후엔 14Hz, 2m 굴착 진행 후는 13.5Hz, 3m 굴착을 진행하였을 땐 약 13.5Hz로 분석되었다. 굴착 2m와 3m는 차이가 미미하였으며 그 이유는 굴착경계면이 유수에 의해 무너져 정확한 굴착깊이를 모사하는데 한계가 있어 세굴 깊이 2m와 3m에서 차이가 없는 것으로 분석되었다. 그러나 각 세굴 모사에 따른 응답 지배주파수 감소의 경향은 깊이에 따라 뚜렷하지 않을 수 있으나 세굴 전후로는 감소가 큰 것으로 확인되었다(Ju, 2013; Prendergast, 2015). 일련의 결과를 바탕으로 응답 지배주파수는 실제 교량에서의 교각 세굴 여부를 판단할 수 있는 주요 지표로 적용 가능한 것을 확인하였다.
Table 2.
Response dominant frequency to each vibration of the four excavation steps to simulate scouring
| Excavation depth (m) | Response dominant frequency (Hz) | |
|
Experimental frequency (Hz) | 0m | 16 |
| 1m | 14 | |
| 2m | 13.5 | |
| 3m | 13.5 |
3.3 운영교량 교각 실험 분석 결과
실험을 통해 총 5개 교량, 46개의 교각에서 분석하였고, 실험대상 교각의 진동에 대한 응답 지배주파수는 측정된 가속도 값을 FFT 하여 도출하였으며, 진동에 대한 응답 지배주파수가 발생했을 때의 위상차도 분석하였다. 이를 통해 교각의 전체적인 거동을 분석하였다. Table 3은 5개 교량의 진동에 대한 응답 지배주파수이다. 각 교량, 교각마다 진동에 대한 응답 지배주파수는 차이를 보였으며 이는 교각이 관입 된 위치나 깊이에 따른 영향으로 판단된다.
Table 3.
Number of response dominant frequency for 5 bridges
4. 분석 및 제언
4.1 일본 건전도 지수 산정 방법
건전도 판정법으로 건전도 지수 x를 이용한 판정 방법이 있다(Masahiro, 2013).
* Fm(실제 측정한 진동에 대한 응답 지배주파수), Fp(진동에 대한 응답 지배주파수의 기준값)
건전도 지수 x는 충격진동시험의 결과 얻어진 실측 진동에 대한 응답 지배주파수를 구조물 완성 시(혹은 완성 후, 구조물이 건전한 시기)에 미리 충격진동시험을 실시해 파악해 둔 초기의 진동에 대한 응답 지배주파수(기준값)으로 계산되는 지수이다(식 (1)). Table 4는 일본제안식 중 직접기초에 해당되는 식이고, Table 5에는 x에 근거하는 판정 구분을 나타내었다.
Table 4.
Japanese calculation formula equation (Wh: Surcharge load, Hd: Derivation height), Masahiro (2013)
Table 5.
Classification of soundness judgement, Masahiro (2013)
4.2 폐교각 세굴 모사 결과 및 안정성 검토 결과 비교
또한, 세굴에 대한 영향을 파악하기 위해 세굴 모사실험 결과와 일본제안식 기준값을 비교하였다. 세굴 모사실험을 진행한 청량천교는 인접 지반의 시추도상도를 참고하였고 SPT값은 6~8 범위로 사질토지반으로 확인되었다. 분석 결과, 세굴 깊이 0m, 1m, 2m, 3m 모두에서 S등급으로 분석되었다. 세굴 전후로 진동에 대한 응답 지배주파수가 16Hz에서 13.5Hz로 감소하는 것은 명확하나 건전도 지표 등급 상으로는 모두 S등급으로 분석되었다. 만약 세굴이 발생하더라도 문제가 없는 것으로 판정이 날 수 있어 이에 대한 수정이 시급하다. Fig. 10은 세굴 모사실험 결과를 도출 높이별 일본제안식 기준값과 비교하여 도시화하였다.
4.3 운영 교량에 대한 일본 건전도 지수 산정
철도 교량 하부구조의 안정성을 평가하기 위해 일본 건전도 지수를 산정하였다. Table 6은 일본제안식으로 구한 5개 교량의 사질토지반과 암반지반의 산정값이다. 각 교량의 지반은 준공 설계 자료와 정밀 안전진단보고서(한국시설안전공단, 2003)를 참고하였다. 일본제안식은 연약한 사질토 지반과 견고한 사질토 지반 및 암반지반 구분하고 있어 N값 20을 기준으로 식을 구분하여 적용하였다. N값 분석 결과, 입실천교는 5~26 범위로 사질토지반 7개, 암반지반 1개, 북천교는 11~26 범위로 사질토지반 8개, 암반지반 3개, 염평천교와 안냉천제2교는 30 범위로 모두 암반지반으로 분석되었으며 직지천교는 11~14 범위로 모두 사질토지반으로 분석되었다.
Table 6.
Index value for calculating the Japanese proposal
현장 실험에서 도출한 진동에 대한 응답 지배주파수로 분석한 결과와 마찬가지로 일본제안식 기준값 또한 같은 교량일지라도 각 교각마다 진동에 대한 응답 지배주파수의 차이가 분석되었다. 이에 현장 실험 측정 진동에 대한 응답 지배주파수와 일본제안식 기준값을 비교, 분석하였다. 일본제안식은 교각의 상재하중과 지반 위로 노출된 높이인 도출높이를 통해 진동에 대한 응답 지배주파수를 구할 수 있다. 실험을 수행한 교각의 상재하중에 대한 정보는 정밀안전진단보고서 및 기타 자료 등이 미비하여 한계가 있었다. 그러나, 현장 실험 측정 진동에 대한 응답 지배주파수와 일본제안식 기준값과의 비교 및 분석을 하기 위해 비슷한 형식인 판형교의 경간과 단위길이당 무게를 계산 및 가정하여 사용하였으며, 각각의 상재하중은 입실천교 36.96tf, 북천교 90.34tf, 염평천교 132.31tf, 안냉천제2교 91.22tf, 직지천교 13.02tf이다. Fig. 11은 5개 교량의 도출 높이별 현장 실험 진동에 대한 응답 지배주파수와 일본제안식 기준값 그래프이다. Table 5에 따라 현장 실험 진동에 대한 응답 지배주파수가 1.0보다 위면 S등급, 0.85와 1.0 사이면 B등급, 0.85와 0.7 사이면 A2등급, 0.7보다 아래면 A1등급으로 나눌 수 있다.
4.4 운영 교량 교각 외관조사 결과 및 안정성 검토 결과 비교
일본 제안식의 경우 사질토 지반과 암반 지반에 대해 각각 다른 지수를 제안하고 있다. 현장 실험 조사 결과를 토대로 교각의 외관조사를 실시하였다. Table 7은 교각 외관조사 결과와 현장 실험과 일본제안식의 안정성 평가 결과를 나타낸다. 교각 외관 조사와 현장 실험, 일본제안식의 안정성 검토 비교 결과, 건전도 판정 구분에 대체로 일치하는 경향을 보였으나 일부는 크게 불일치하게 판단되었다. 외관조사 결과, 입실천교, 북천교, 염평천교는 외관조사로는 여러 문제가 발생하였으나 안정성 평가로는 대부분 S등급으로 판단되었다. 반면에 안냉천제2교 경우 연단보강을 하였으나 안정성 평가로는 대체로 등급이 낮게 분석되었다. 또한 같은 등급일지라도 외관조사 결과 차이가 많이 나는 교각이 있었고 상태 이상이 없어도 문제가 있는 교각이 있었다. 이에 일본제안식 평가 방법으로는 정확한 교각의 안정성평가를 내리기에는 한계가 있는 것으로 분석된다.
Table 7.
Results of Pier appearance survey, field tests, and stability evaluation results of the Japanese formula
5. 결 론
본 논문은 진동에 대한 응답 지배주파수를 이용한 철도 교량 하부구조의 건전도를 평가하기 위해 청량천교 외 5개 교량에서 충격하중실험을 진행하였다. 현장 실험에서 측정된 진동에 대한 응답 지배주파수와 기존 일본 지수 기준을 비교하여 교각 하부구조의 안정성을 검토하였다. 그 결과는 아래와 같다.
(1) 실험 교량 중 1개소의 폐교각에서 세굴모사실험을 수행하였으며 세굴 깊이 0m, 1m, 2m, 3m 총 4단계로 굴착하였다. 실험 결과, 세굴 0m에서는 16Hz, 1m에서는 14Hz, 2m에서는 13.5Hz, 3m에서는 13.5Hz로 측정되었다. 진동에 대한 응답 지배주파수는 세굴 전과 후로 약 16%정도로 감소하였다. 이를 통해 실제 교각에서 세굴이 일어날 때의 영향을 검토하였으며, 교각 안정성 평가 기법의 적용 가능성을 확인하였다.
(2) 현장 세굴모사실험으로 도출된 진동에 대한 응답지배주파수 값을 일본제안식과 비교하여 건전도 지표 등급을 산출하였다. 산출 결과, 세굴 진행에 따라 지배주파수는 감소하나 모두 이상이 없는 S등급으로 분석되었다. 이를 통해 응답 지배주파수를 활용한 세굴 안정성 평가는 유의미한 것으로 판단되나, 일본기준식의 직접적인 적용에 대해서는 국내 교각 및 지반 특성을 고려해 추가적인 연구가 필요하다.
(3) 현장 실험을 바탕으로 도출된 진동에 대한 응답 지배주파수와 일본제안식을 비교하여 건전도 지표 등급을 산출하였다. 그 결과, S등급은 35개, B등급은 1개, A2등급은 8개, A1등급은 2개로 분석되었다. 대체로 안정적으로 나왔으나 A1 등급 같이 보수 및 대책이 시급한 교각들이 파악되었다.
(4) 염평천교의 경우, 1개 교각 이외엔 모두 S등급으로 분석되었다. 외관 조사 보고서에 따르면 보수부 균열, 하단부 재료 분리, 세굴 현상 등 여러 문제가 관찰되었고 특히 주수로상에 위치한 P6 교각의 경우 지표 등급이 S임에도 불구하고 예측세굴심이 기초하부의 표고를 초과하여 세굴 방지대책이 요구되는 상태이다. 반면에 안냉천제2교 경우 연단보강을 하였으나 안정성 평가로는 모두 A2, A1등급으로 조치가 시급한 것으로 분석되었다. 이와 같이 외관 조사 결과, 문제가 있다고 판단된 교각도 안정성 평가 등급으로는 높게 분석되기도 하였으며 외관 조사에는 이상이 없어도 안정성 평가 등급으로는 낮게 분석되기도 하였다. 그러므로, 일본제안식을 활용한 국내 교량 하부구조의 안정성 평가를 위해서는 충분한 검토가 선행될 필요가 있다.
