1. 서론

 

본 연구는 도로교 기초내진 보강의 프로그램 실시를 염두에 둔 것이다. 본 연구에서는 기설 도로교 기초의 내진성능 수준을 구분한 뒤, 우선 순위를 두어 단계적으로 실시하는 전략으로 (1) 다리의 성능, 기능과 기초의 한계상태의 관계, (2) 지진에 의한 기초의 손상패턴의 분류정리, (3) 과거의 피해사례의 분석, (4) 설계기준 및 시공기술의 변환조사, (5) 기설 도로교 기초의 구조특성을 반영한 정적 하중 번증분석에 의한 판정법의 제안, 6)제안 모델을 이용한 기설 도로교 기초의 구조특성을 반영한 정적 하중 점증분석을 정리하여, 과거 1996년 방재 점검 데이터베이스, 교량 일반도, 보링주상도를 이용함으로써 기설 도로교 기초의 취약도를 쉽게 측정하기 위한 방법을 정비하였다.

 

2. 도로교 기초에 상정된 손상도 구분과 붕괴 패턴

 

각 기초형식에 대하여 기초 손상의 진전에 동반되는 교량붕괴 또는 다리가 그에 상당하는 위기적 상황에 이르기까지의 붕괴패턴을 작성한다. 붕괴패턴에서 기초의 손상도 I~Ⅴ의 정의는 공통적이며, 다음과 같은 상태를 예상할 수 있다.

 

손상도 I: 기초를 구성하는 부재와 부재를 지지하는 지반저항이 각각 탄성(가역성을 갖는다)으로 보는 한계점(E점)을 넘지 않는 상태라고 정의한다.

손상도Ⅱ: 기초를 구성하는 일부 부재와 그것을 지지하는 지반저항이 가역성을 가진다고 보여지는 한계점을 넘는 것으로, 기초 전체계의 Pδ 관계에서 보았을 때는 기초의 항복점(Y점)을 넘지 않는 상태라고 정의한다.

손상도Ⅲ: 기초의 항복점(Y점)을 넘은 후, 기초로서의 응답소성율이 허용소성율을 넘지 않는 상태라고 정의한다.

손상도Ⅳ: 기초의 항복점(Y점) 및 기초의 최대 강도점(M점)을 넘은 후 기초가 종국점(U점)에 달하는 상태까지라고 정의한다.

손상도Ⅴ: 기초의 손상 및 지지기반의 붕괴에 의해 교량붕괴 또는 교량의 도괴(倒壊), 반도괴(半倒壊)가 되는 상태로 정의한다.

 

3. 도로교 기초의 허용소성률에 관한 기존 연구

 

(1) 기존 연구성과

도로교 기초의 허용소성율은 2002년 도로교 시방서V에 정의되어 있는 바와 같이, 기초에 발생하는 손상이 다리로서의 기능 회복을 쉽게 수행할 수 있을 정도에 멈추는 것을 목적으로 과거 실험결과에 기초하여 설정된 것이다. 본 연구에서 기설교 기초의 내진성능을 평가하는 데 기초의 소성율이 지표가 되기 때문에 과거 문헌 등을 기초로 하여 기초의 소성율 설정에 관한 공학적 의의와 과거 실험결과에 대하여 정리하였다.

 

(2) 허용소성율의 설정

기설의 도로교 기초가 어느 정도의 소성변형 성능을 가지고 있는가를 측정하는 지표가 필요하다. 2002년의 도로교 시방서에서는 기초의 항복(降伏)을 상부구조의 관성력 작용위치에서의 수평변위가 급증하기 시작하는 점으로 항복 후의 소성변형 성능을 허용소성율에 의해 조사한다. 본 연구에서 검토대상으로 하는 각 항 기초는 허용연대에 따라 구조 상세항목이 다르기 때문에 과거의 실험성과 등을 참고로 안전한 설계가 되도록 허용소성율을 재설정할 필요가 있다.

 

4. 과거 피해사례와 경향분석에서 본 기초보강의 우선순위에 관한 고찰

 

(1) 과거의 피해사례

지진에 의한 도로교의 피해사례와 각 지진의 피해형태를 정리하였다. 1923년 간토우 지진, 1948년 후쿠이 지진에서는 기초의 지지력 부족과 그것에 동반된 하부구조의 이동, 경사가 원인으로 생각되는 낙교가 발생한 사례가 있었다. 또한 1964년의 니가타 지진에서는 말뚝교각과 지지력이 불충분한 말뚝 기초를 갖는 교량에서 지진동에 의한 큰 진폭의 발생, 지반의 액상화와 그것에 동반되는 유동화의 발생으로 낙교를 동반하는 큰 피해가 발생하였다. 따라서, 기초의 지지력 부족, 교각형식, 지반조건은 내진성 판정의 중요한 요인이다.

 

이것을 계기로 1971년에 도로교 내진설계 지침이 발간되고, 액상화에 대한 설계법이 정비되었다. 1995년의 효고현 남부지진에서 현저한 피해가 발생한 것의 대부분은 주로 교각과 지승부(支承部)의 손상에 의한 것이었다. 기초에 대해서는 지진시의 안정성에 영향이 있는 침하와 철근의 파단, 콘크리트의 압괴(圧壊)와 전단 파괴 등의 구조적 피해가 발생하지 않았다. 수제선(水際線) 등에서 액상화에 동반되는 지반유동이 발생한 잔류변위를 발생시킨 기초가 있으나, 손상은 구부러져 금이 가는 정도이며, 이것이 주 요인이 되어 낙교를 발생시키는 것은 아니다. 2004년 니가타현 주우에츠 지진, 2008년의 이와테 미야기 내륙지진에서는 사면 붕괴와 사태 등 지반의 변상에 동반되는 하부공의 변형에 의한 손상이 보고되고 있다.

 

(2) 피해의 경향 분석

1923년의 간토 지진, 1948년의 후쿠이 지진에서는 기초의 지지력 부족과 그것에 따른 하부구조의 이동, 경사를 원인으로 생각할 수 있는 낙교가 발생한 사례가 있었다. 1964년의 니가타 지진에서는 말뚝교각을 갖는 교량에서는 지진동에 의한 큰 진폭의 발생, 지반의 액상화, 유동화 발생으로 낙교를 동반하는 큰 피해가 발생하였다. 그 후의 설계, 시공기술의 향상에 따른 최근에는 다리가 안정을 소실시키는 피해는 주로 교각구체와 지승에 발생하는 경우가 대부분이다.

 

도로교에서 기초는 단독 기초구조물이 아닌, 다리를 구성하는 하나의 부위이다. 도로교가 안정하기 때문에 기초에 부과되는 역할은 다리의 공용성의 관점에서 연직력을 지지할 것, 상부구조와 교각에서의 수평력과 전도순간을 지지할 것. 추가로 지진 및 바람과 같이 일시적 하중에 대해서는 상부구조와 교각으로부터의 수평력 및 전도 모멘트에 대하여 필요한 복원력을 부여하게 되는 것이다.

 

(3) 기초의 내진성 보강의 우선순위의 제안

내진보강의 우선순위를 정리하면 다음과 같다.

(a) 과거 피해사례에서 많이 보고되고 있는 지반의 액상화에 동반되는 기초주변 지반의 수평저항 저하에 따른 기초부재에 취성적(脆性的) 파괴가 발생하는 경우

(b) 시공성을 우선하고, 진동특성을 무시한 극단에 강성과 여유가 낮은 돌출구조(말뚝교각, 돌출 케이슨 기초)에 잔류변위, 파괴가 발생하는 경우

(c) 액상화 후의 지반의 유동화에 의해 지반자체가 이동하고, 기초에도 잔류변위가 발생하는 경우

(d) 니가타현 주에츠 지진과 이와테, 미야기 내륙지진에서 볼 수 있는 사면상에 있는 기초에서 기초의 주변사면이 붕괴하고, 말뚝머리가 노출, 기초 저면지반의 경사 등 상시 지지력에 불안이 발생하는 경우

 

5. 설계기준 및 시공기술의 변천에서 본 기초보강의 우선순위에 관한 고찰

 

1928년의 후쿠이 지진과 1964년의 니가타 지진에서는 기초 손상에 의해 피해를 입은 교량이 많았다. 그러나, 그 후의 시공기술과 사용재료의 진보, 1971년의 도로교량 내진설계방침에서 도입한 액상화 판정기술의 도입 등의 내진설계법의 충실에 의해 기초의 손상에 의한 지진피해는 감소해 왔다.

 

기초의 지지력 부족, 지반조건, 구조 상세항목이 내진성 판정의 중요한 요인이며,

다음과 같은 조건을 만족하는 기초는 대지진에 대한 안전여유도가 상대적으로 작은 것이라고 생각할 수 있다.

 

(a) 과거의 기초 시공능력 부족과 기술레벨에 의해 양질의 지지층에 지지받지 못하는 등 상시, 레벨1 지진 시의 안정계산을 만족하지 못하는 기초.

(b) 과거의 기존 콘크리트 말뚝 등에서 볼 수 있는 횡구속 철근의 양이 적고, 부재의 인성(靭性) 및 전단(剪断)내력이 뒤떨어진 것.

 

기초구조의 설계방법과 구조상세항목이 설계연대에 따라 변경된다. 따라서, 과거의 피해사례와 설계기준의 변환에서 손상도의 판정에 영향을 주는 요인으로서는 액상화의 정도와 변형성능을 확보할 수 있는 적절한 구조 상세항목으로 되어 있는가이다. 특히, 장소 말뚝박기에 대해서는 액상화 외에 1980년 후에 설계되었는가가 내진성을 평가하는 지표가 되었다.

 

6. 정적하중 점증해석을 이용한 시설계 계산

 

1996년 도로교 시방성 보다 이전의 설계기준에 따라서 설계된 도로교 기초가 기설 도로교 기초의 내진성능의 어느 구분에 평가되는가를 검토하기 위하여 2002년의 도로교 시방서의 방법에 기초한 정적 하중점증해석(荷重漸増解析)을 수행하고, 내진성을 평가하였다. 여기서 내진성을 평가하기 위한 방법으로서 두 가지가 있다. 그 중 하나는 당시의 설계도서를 수집하는 것이다. 또 다른 하나는 복원설계이며, 일반적인 조건을 가정한 뒤 과거의 설계기준과 사용재료를 만족하도록 설계를 수행하는 방법을 취할 수 있다.

 

기초형식의 설계연대, 액상화의 정도가 기초로 예상된 손상도에 미치는 영향을 파악하는 목적으로 수행한 시설계의 해석방법 및 시산결과를 정리한다. 또한, 설계계산서와 배근도(配筋図)가 없는 경우에는 복원설계를 실시하는 것이 되나, 당시의 설계기준을 충분히 이해한 뒤 복원설계를 실시할 필요가 있다.

 

시산에서는 철근과 콘크리트 강도의 기준강도(규격치)만이 아닌, 실제의 재료강도를 예상하고, 내진성능의 향상을 시산한 케이스를 실시하였다. 어느 설계연대에서도 장소 말뚝박기 기초는 레벨2 지진동 타입1에 대하여 대체로 손상도1로 판정된다. 레벨2 지진동 타입2에 대해서는 손상도3인지 4인지 판정된다.

 

그러나, 액상화의 영향을 받는 지반상에 있는 경우에는 철관항 기초와 같은 경향이 있으며, 이것은 1971년의 도로교 내진설계지침 적용 이후의 내진성능을 높게 평가하는 하나의 판정기준이 된다. 그리고, 전단내력에 주목하면 1980년부터 이전의 설계지침을 적용한 기초에서는 레벨2 지진동 타입2에서 항체(杭体)의 구부러진 항복(降伏)에 대하여 전단파괴가 선행된다는 것을 알았다. 이것은 1980년의 도로교 시방서 이후 콘크리트 허용 전단 응력도가 저감된다는 것, 말뚝의 최소 대철근량(帯鉄筋量)이 규정된 것으로 생각할 수 있으므로 1980년 이후의 도로교 시방서 적용되었는가 내진성능의 판정기준이 된다.

 

7. 도로교 기초의 내진성 평가

 

각 기초형식의 하중점증 해석결과를 정리함과 동시에 시설계의 대상이 되지 않았던 석축(石積)과 벽돌제 기초, 강관야판(鋼管矢板)기초, 지중연속벽(地中連続壁)기초의 내진성에 대하여 평가하였다.

 

8. 액상화가 발생한 경우 토질정수의 저감계수의 간이평가법 제안

 

강관항 기초와 장소말뚝박기 기초는 설계연대 및 액상화의 정도가 내진성능에 영향을 미친다는 것을 알게 되었다. 그러나, 대상으로 하는 기초 중 특히 오래된 연대에 건설된 교량에서는 액상화의 판정에 필요한 지반조사자료(입도 시험결과 등)이 남아있지 않다는 것도 예상된다. 막대한 스톡수의 도로교 기초에 대하여 내진보강을 수행한 우선순위를 조속히 결정한 뒤에는 모든 곳에서 지반조사를 수행하는 것보다도 정도는 떨어지나, 쉬운 방법을 제안하여 그것을 이용하는 것도 생각할 수 있다. 실제로 내진보강을 수행할 때에는 별도로 필요한 지반조사를 수행하여 액상화 판정을 수행하는 것은 당연하나, 여기서는 액상화가 발생하는 경우의 토질정수의 저감계수 DE치의 간이추정법에 대하여 검토하였다.

 

9. 내진성 간이판정 흐름과 조사표의 제안

 

지금까지 시산결과에 기초한 내진성이 떨어지는 기초를 판별하는 기초의 내진성능 판정흐름을 보면, 우선, 제2단계로서는 한정된 자료(과거 데이터베이스, 완성도서류)를 기초로 내진성능이 분명히 떨어질 가능성이 높으나, 내진성능이 불충분하다는 가능성이 높은 것을 쉽게 유출한다(1차 판정). 내진성이 떨어질 가능성이 높으나, 그 정도를 간편하게 판별하기 어려운 기초에 관해서는 제2단계에서 상세 계산에 의해 개별적으로 판정을 실시한다(개별판정).

 

10. 마무리와 앞으로의 과제

 

본 연구를 통하여 다음과 같은 성과를 얻었다.

(1) 지진에 의한 기초의 손상 패턴을 분류 정리하였다.

(2) 레벨2 지진에서 손상도를 I~V의 5단계로 정의하고, 내진보강의 우선도를 정리하였다.

(3) 과거 재해사례의 원인분석과 설계기준 및 시공기술의 변환을 조사하여, 상대적으로 내진여유도가 작다고 생각되는 기초의 조건을 추출하였다.

(4) 기설 도로교 기초를 모델로 한 정적하중점증해석을 실시하여 설계 연대별 손상도를 구분하였다.

(5) 계산에서는 저철근비 RC단면 때문에 손상도 V라고 판정된 기설 케이슨 기초에 대해 대형모형 재하실험을 실시하였다. 실험은 토중부에서 주변 지반, 토압의 영향을 고려한 상태에서 실시하고, 파괴에 이르기까지의 거동을 밝혀내었으며, 내진성능을 평가하기 위한 조건을 나타냈었다.

(6) 보링주상도를 기초로 간편하게 액상화 판정을 실시할 수 있는 노모그램을 작성하였다.

(7) 이상의 결과를 바탕으로 기초의 내진성 간이 판정 흐름을 작성하였다.

 

▣ 원문제목 : 既設道路橋基礎の耐震性能簡易評価手法に関する研究

 

▣ 원문의 주요목차*******************************************************************

1. 서론

2. 도로교 기초에 상정된 손상도 구분과 붕괴 패턴

3. 도로교 기초의 허용역성률에 관한 기존 연구

4. 과거 피해사례와 경향분석에서 본 기초보강의 우선순위에 관한 고찰

5. 설계기준 및 시공기술의 변천에서 본 기초보강의 우선순위에 곤한 고찰

6. 정적하중 점증해석을 이용한 시설계 계산

7. 도로교 기초의 내진성 평가

8. 액상화가 발생한 경우 토질정수의 저감계수의 간이평가법 제안

9. 내진성 간이판정 흐름과 조사표의 제안

10. 마무리와 앞으로의 과제