2.1 국내사례

2.1.1 포항지진

2017년 포항지진 발생시 철도교 가설중 상부구조물이 종⋅횡방향으로 대변위가 발생하는 사례가 나타났다. 해당교량은 내진 1등급, 지진Ⅰ구역(가속도 계수: 0.154 g, 규모: 6.3)의 내진설계가 적용되었고 상부구조물은 단선(Single track), 구조형식은 PSC Beam, PF Beam, Steel Box 등이었다. 지진발생 시 하부구조는 시공완료 된 상태였으며 기초는 PHC Pile (∅600 × 9T)로 시공되었다. 상부구조물의 거더 가설은 완료된 상태였고 일부 슬래브 타설이 진행중인 공정이었다. 이러한 공정중에 지진이 발생하여 횡방향으로 254 mm, 종방향으로 170 mm의 변위가 발생하였으며 지진발생에 따른 변형의 유사한 경향은 나타나지 않았다. Figs. 1과 2에는 상부구조의 변형과 받침부의 최대 가동단을 넘어선 전경을 나타내고 있으며 이에 대한 변위 발생량 측정결과는 Table 1에 나타내었다.

Fig. 1

Displaced Superstructures

Fig. 2

Displaced Bearing

Table 1

Displacement of Bridge-2 Bearings

2.2 국외사례

2.2.1 일본

2009년 국토교통성 중부지방 정비국에서 시행한 1호선 시즈오카 우회 제 2고가교 공사에서 PSC Beam (T-type)을 가설중 스루가만 지진(Suruga Bay Earthquake)이 발생하였다. 일본의 경우 교량 시공중 지진에 대한 안전성 확보를 위해 전도방지 장치 등의 안전장치를 필수적으로 설치하도록 규정하고 있어 스루가만 지진발생 당시에도 전도방지 장치와 횡간격 유지장치 고정을 위한 강선을 설치하였다. 그러나 지진발생으로 변위가 발생하여 스토퍼가 파손된 사례가 나타났다. Fig. 3에는 시즈오카 진원지(Epicenter)와 규모, Fig. 4에는 상부구조물의 안전장치에 대한 설치개요를 나타내었다(Yonekura and Hibino, 2009). 또한, 철도교는 물론 이를 횡단하는 도로교의 시공중에도 상부구조 손상방지를 위하여 지진수평력을 산정 후 안전장치를 설치하도록 규정되어 있다. 이에 대한 지진 안전장치 사례(Seijin and Maruyama, 2015)를 Fig. 5에 나타내었다. 안전장치의 경우 거더와 거더 사이에 앵글(angle) 및 철판을 이용하여 고정시켜 수평력 및 전도에 대한 안전성을 고려하여 시공되고 있다.

Fig. 3

Displaced Superstructures

Fig. 4

Fall Prevention Devices

Fig. 5

Equipment for Seismic Safety

2.2.2 미국

플로리다 포르 라우더데일-할리우드 국제공항(Lauderdale- Hollywood International Airport) 활주로 확장공사 시공중 거더(Precast girder)와 교좌 장치가 고정(welding)되지 않은 상태였다. 이때 경사진 바닥판에 지지된 100 ft 길이의 철관(pipe)이 추가 설치되며 발생한 수평력으로 상부구조물의 붕괴가 발생하였다. 상부구조물은 동부 해안철도 소유의 선로 위에 붕괴되었다. Fig. 6에는 당시 선로 위에 낙교된 상부구조물을 나타내고 있다(Mohammad A, 2014).

Fig. 6

Fallen and Displaced Precast Girders

3.1 국내

상부구조물 시공은 크레인 및 기타 장비를 이용하여 하부구조물에 거치 및 가로보 시공이나 바닥판 타설(양생) 등의 공사가 진행되는 것이다.

국내 상부구조물 시공중 지진의 영향에 대한 설계기준을 검토하기 위해 국민안전처의 내진설계기준 공통 적용사항(MPSS, 2017)과 국토교통부의 내진설계 일반(Korea Construction Standards Center, 2018), 교량 내진설계기준 일반(Korea Construction Standards Center, 2016), 철도설계기준 노반편(Korea Construction Standards Center, 2017), 교량설계 일반사항(KDS 24 10 10), 철도계획(Korea Construction Standards Center, 2019)등에 제시된 설계기준 및 수평력 산정방안을 조사하였다.

조사결과 철도설계기준과 교량 설계하중에서 “시공중에는 가설단계별 가설방법과 가설중의 구조를 고려하여 자중, 가설장비, 기자재, 바람, 지진의 영향 등에 대한 안전도 검토를 해야 한다”고 규정되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 자중, 가설장비, 기자재의 경우에는 자중을 고려한 연직하중으로 안전성을 검토할 수 있으며 바람의 경우 철도설계기준에 제시된 설계기준으로 수평력을 산정하여 안전성을 검토할 수 있다. 하지만 상부구조물 시공중 지진의 영향에 대한 검토 방안은 모든 설계기준에서 제시되어 있지 않은 것으로 나타났다.

3.2 국외

3.2.1 일본

지진발생이 빈번한 일본은 1923년 Kanto 대지진을 계기로 내진설계 필요성이 부각되어 1924년부터 내진설계가 도입되었다. 이후 1949년 내진설계에 대한 법 제정 후 1981년 내진설계 기준이 체계적으로 정립되었다. 가설중 지진에 대한 영향은 Level 1과 2로 구분하여 설계하고 있다. Level 1 (이하, L1)은 구조물의 수명 동안 몇 번에 걸쳐 발생할 수 있는 지진이며 Level 2 (이하, L2)는 구조물의 수명 동안 한 번 발생할 확률을 가진 지진을 말한다. L1과 L2를 내진성능 분류로 정의하면 L1은 지진이 발생하여도 구조물의 기능을 유지하고 있어야 하며 L2는 지진발생 시 단시간에 기능을 복구할 수 있거나 지진으로 인하여 구조물 전체가 붕괴되지 않도록 하는 개념이다.

일본 토목학회에서 발간된 강구조 가설 설계 시공 지침(Japan Society of Civil Engineers Steel Structure Committee, 2012)에서는 일반가설의 경우 L1의 1/2을 지진으로 적용하고 철도횡단이나 고속도로 IC의 상부 횡단은 L2의 1/2을 적용하도록 제시되어 있다. 철도분야는 동일본여객철도주식회사(JR-EAST) 규정을 참고하여 제시하는데 열차운행과 작업의 영향범위에 따라 Fig. 7과 같이 제시하고 있다. ①은 선로상공 범위, ②는 선로 이외 작업 범위이다. Table 2에는 각각의 영향범위에 따라 시공중 요구되는 지진의 영향에 대해 정리하여 나타내었다. Train passing은 상부구조물 시공시 부득이한(수도권 전철) 경우나 상부구조를 거치 후 바닥판 공사 및 추가공정이 필요한 경우 적용하며, Train no passing은 국내와 유사하게 열차차단 후 공사하거나 교체할 시 적용하게 되는 영향이다.

Fig. 7

Range of over Track and Influence of Operating Line

Table 2

Seismic Stability Evaluation During Bridge Superstructure Erection

4.1 대상교량 선정 및 공사기간 산정

수평력 산정을 위한 상부구조물 형식은 철도건설사업 타당성 보고서(Korea Development Institute, 2021)에 수록된 경간 25 m의 PSC Beam, 경간 35 m의 PSC Box, 경간 45 m의 Steel Box로 선정하였으며 Fig. 8에는 상부구조물 각각의 형식 및 제원을 나타내었다. 시공중 재현주기를 고려한 공사기간 산정은 국토교통부 ‘공공건설공사의 공사기간 산정기준’과 ‘적정 공사기간 확보를 위한 가이드라인(KICT, 2020)을 토대로 유로코드에 제시된 Eq. (4)에 따라 산정하였다.

Fig. 8

Dimensions of Superstructures

공사중 시공기간(E)에 대한 산정은 비작업일수(A) 및 교량공사의 상부공(C)에 대해서 고려하였다. 비작업일수 고려시 가장 불리한 조건의 지역에서 가설하는 것으로 가정한 후 혹서기, 일강수량, 일최대순간풍속, 법정공휴일(B)에 대한 가이드라인 자료를 참고하여 적용하였다. 구조물의 형식이나 경간장, 형고 등에 따라 공사기간 중 시공기간의 차이는 다소 발생할 수 있으나 본 연구에서는 철도교의 대표적인 상부구조물의 지진발생 시 수평력을 검토해보는 사전적인 연구로 모두 동일한 것으로 가정하였다. 또한, 비작업일수 고려시 약 10%의 중복일수(D)를 고려하여 시공기간을 산정하였다. 이에 따라 적용된 시공기간은 Table 3에 나타내었다.

Table 3

Construction Duration and Dead Load

4.2 수평력 산정을 위한 변수

국외 설계기준을 검토한 결과 수평력 산정은 내진설계기준과 진도법, 열차운행상황의 범위를 고려한 방법으로 구분되었다. 또한, 수평력 산정은 설계재현주기를 고려한 위험도 계수와 유효수평지반가속도 계수, 자중을 고려하여 구할 수 있다. 국내 설계기준에서는 시공기간을 고려한 설계재현주기가 제시되어 있지 않기 때문에 철도설계기준 노반편에 제시되어 있는 열차주행안전성을 평가하는 기능수행 수준에 해당하는 100년 빈도의 설계재현주기를 적용하였다. 국내 설계기준에 따르면 철도교 설계시 내진 I등급에 대하여 1,000년, 내진 Ⅱ등급은 500년, 열차주행안전성에 대해서는 100년 설계재현주기에 대한 내진설계를 통하여 안전성을 확보하고 있어 설계기준에 제시된 설계재현주기가 가장 짧은 100년을 적용하였다. 또한, 교량설계 일반사항에서는 ‘별도로 규정하지 않는 경우 철도교의 설계 내용기간은 100년으로 한다’라고 제시되어 있어 이를 적용하였다.

공사중 시공기간을 고려한 경우는 유로코드에 제시된 Eqs. (1)~(3)에 따른 설계재현주기를 통해 위험도 계수와 유효수평지반가속도 계수를 산정하였다. 유로코드의 경우 평균재현주기는 475년으로 국내 평균재현주기인 500년과 차이가 있어 이를 국내 설계기준의 평균재현주기와 동일 조건으로 비교하기 위해 선형보간법으로 보정한 위험도 계수와 유효수평지반가속도 계수를 적용하였다. 진도법과 열차운행 등을 고려한 수평력 산정은 일본철도종합연구소(Railway Technical Research Institute, 이하 RTRI)의 철도구조물 설계기준과 해설:내진설계(RTRI, 2017)와 JSCE의 강구조 가설⋅설계 시공지침, JR-EAST에 제시된 설계기준을 통해 산정하였다.

유로코드에 따라 시공기간을 고려하여 산정한 위험도 계수와 유효수평지반가속도 계수는 국내 설계기준 대비 38% 수준임을 확인할 수 있었으며 20경간 장대교량의 시공기간을 고려한 산정결과도 65% 수준인 것으로 나타났다. 산정된 유효수평지반가속도 계수를 통해 수평력을 산정한 결과 지반분류 중 암반 외에는 풍하중의 수평력 범위 이내임을 확인할 수 있었으며 결과는 Table 4에 나타내었다.

Table 4

Seismic Return Period, Risk Factor

4.3 지반분류에 따른 수평력

국내 설계기준인 교량 내진설계기준에서는 ‘상부구조와 교대 사이의 연결부에 대하여 고정하중 반력에 가속도 계수와 지반계수를 산정한 값의 수평력이 작용한다고 보고 종방향 및 횡방향에 대하여 안전하도록 설계해야 한다’고 제시되어 있다. 여기서, 가속도 계수는 지진구역 계수와 위험도 계수로 산정할 수 있다. 지반분류는 국내 설계기준 철도계획(KDS 47 10 15)에서 6종의 지반종류에 따라 암반지반 및 토사지반으로 분류 후 지반에 따른 설계지반운동의 가속도 표준 설계응답스펙트럼을 산정하도록 제시되어 있다. 국내⋅외 설계기준에 따른 유효수평지반가속도를 구한 결과 모두 0.1 이하이므로 지반분류에서 S₁~S₅까지는 이에 대한 단주기 증폭계수를 고려하였다. 지반분류 시 S₆의 경우 ‘부지 고유의 특성평가 및 지반 응답해석이 요구되는 지반’으로 본 연구에서는 수평력을 산정에 적용하지 않았다. 지반분류에 따른 수평력 산정결과는 Tables 5와 6에 정리하였다.

Table 5

Horizontal force of Rock

Table 6

Horizontal Force of Soil Profile Type

4.4 진도와 열차운행, 선로영향범위를 고려한 수평력

일본 철도교 내진기준(Railway structure design standards and explanations, seismic design)은 지역계수, 지반계수를 적용하고 하부구조 형식(RC구조, SRC구조, CFT구조)에 따라 각각의 고유주기범위에 따른 진도(k_ho)를 산정하고 있다. 본 연구에서는 하부구조 형식중 가장 사용성이 높은 RC 교각의 최대 설계수평진도(k_h) 값을 적용한 수평력을 산정하여 Table 7에 나타내었다.

Table 7

Horizontal Force of Soil Profile Type

선로 영향범위를 고려한 수평력 산정의 경우 L1, L2 지진을 고려하며 Table 2에 따라 선로상공 열차통과 중 상부구조물의 가설(고정상태 전)과 열차 미운행, 상부구조물의 가설 또는 선로 외측구간의 범위로 구분하며 이를 제외한 범위로 각각 구분하고 있다. 각각의 경우 설계수평진도(k_h)와 수평력 산정결과는 Table 8에 나타내었으며 열차운행 여부와 선로 영향범위를 고려한 것이다.

Table 8

Horizontal Force Considering Installation Position and Time

4.5 국내 설계기준의 풍하중

풍하중은 설계시 내하력이나 시공중에 영향을 미칠 수 있는 하중으로 하중조합시 반드시 고려하는 하중이다. 국내 설계기준 철도설계기준 노반편에 풍하중은 교량에 대하여 1방향으로 수평 및 직각으로 작용하는 것으로 하고 열차의 유⋅무에 따라 적용한다. 본 연구에서는 공사중에 대한 상부구조물 시공시에 대한 수평력을 산정하므로 열차가 없는 경우에 대한 값을 적용하였다. 열차가 없을경우 풍하중은 연직투사면에 3.0 kN/m²의 값을 작용하중으로 고려하도록 제시되어 있다. 이를 대상구조물에 적용하여 산정된 수평력 결과를 Table 9에 나타내었으며 Fig. 9에는 연직투사면에 작용하는 하중의 형상을 나타내었다.

Table 9

Horizontal Force Considering Wind Load

Fig. 9

Determination of Wind Load

4.6 수평력 분석결과

풍하중에 의한 수평력은 국내 설계기준 철도설계기준 노반편에 제시된 작용하중을 토대로 산정하였으나 지진의 영향에 대한 수평력은 국내 설계기준에 명확한 세부사항이 제시되지 않아 국내 설계기준의 열차주행안전성을 검토하는 수준인 100년 빈도의 재현주기와 유로코드에 제시된 시공중 공사기간을 고려한 재현주기를 적용하여 산정하였다. 일본 설계기준의 경우 RTRI에 제시된 지반계수와 고유주기를 고려한 지진수평력을 산정하였으며 JSCE와 JR-EAST에 제시된 열차운행과 선로영향범위를 고려한 수평력을 산정하여 분석하였다. Fig. 10(a)에 경간 25 m, 형고 2.35 m인 PSC Beam의 대한 수평력, Fig. 10(b)에는 경간 35 m, 형고 2.75 m인 PSC Box의 수평력, Fig. 10(c)에는 경간 45 m, 형고 2.80 m인 Steel Box의 수평력 산정결과를 정리하여 나타내었다. 풍하중을 고려한 25 m 경간 PSC Beam에 대한 수평력은 176 kN으로 국내 설계기준 철도계획의 열차주행안전성과 유로코드의 시공중 공사기간을 고려한 수평력 중 최대값 186 kN의 95% 수준이었으며 일본 설계기준을 고려한 수평력 중 최대값 844 kN의 21% 수준인 것으로 나타났다. 풍하중을 고려한 35 m PSC Box의 수평력은 289 kN으로 열차주행안전성과 유로코드의 시공중 공사기간을 고려한 수평력 중 최대값 565 kN의 49% 수준이었으며 일본 설계기준을 고려한 수평력 중 최대값 2,566 kN의 11% 수준인 것으로 나타났다. 풍하중을 고려한 45 m Steel Box에 대한 수평력은 378 kN으로 국내 설계기준의 열차주행안전성과 유로코드의 시공중 공사기간을 고려한 수평력 중 최대값 126 kN보다 300% 이상 높은 것으로 나타났지만 일본 설계기준을 고려한 수평력 중 최대값 572 kN의 66% 수준인 것으로 낮게 나타났다.

Fig. 10

Calculate Horizontal Force of Superstructures

국내 설계기준이나 유로코드의 공사중 시공기간을 고려하여 산정한 PSC Beam, Steel Box 구조물의 수평력 산정결과는 대부분 풍하중에 의한 수평력 산정결과 이내이거나 비슷한 값으로 나타났다. 그러나 PSC Box 형식의 상부구조물은 풍하중에 의한 수평력 산정결과와 유사하거나 높은 것으로 확인되었다. 또한, 일본 설계기준에 따른 지진에 대한 수평력 산정결과는 풍하중에 의한 수평력 산정결과보다 모두 높은 것을 확인할 수 있었다.