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J. Korean Soc. Hazard Mitig. > Volume 22(3); 2022 > Article
남북한 도로교 설계기준을 반영한 교량 상부구조 활하중 분석

Abstract

Despite various social difficulties, the Korean peninsula has promoted cooperation for infrastructure development. These infrastructure cooperation projects must establish a fundamental technology with an understanding of both North and South Korea. Therefore, this study analyzed bridge design standards of both countries for establishing infrastructure technology. The design standards, such as the dead, live, and temperature loads, were comparatively investigated by securing the North Korean road design standards and the latest road status. Based on the investigation results of the bridge design standards, the U-type girder bridge with ultra-high-performance concrete was modeled for analytical comparisons. From the analysis results of the bridge superstructure, the latest vehicle load of North Korea standard showed a similar trend to the KL-510 load of South Korea. However, an additional detailed investigation has required a specific comparison, including the cross-section, materials, and so on. This research would be expected to be fundamental data for establishing cooperation for infrastructure development in the Korean peninsula.

요지

남북한은 다양한 사회적 어려움에도 불구하고 최근까지도 건설인프라 협력 사업을 추진하였다. 이러한 건설인프라 협력 사업을 진행하기 위해서는 기반기술의 구축이 필요할 것이다. 따라서, 본 연구는 향후 남북 관계 개선에 대비하여 기반기술의 구축을 위한 남북한 교량설계기준 분석을 수행하였다. 북한 도로현황 분석과 최신 교량설계기준을 확보하여 고정하중, 온도하중 및 차량 활하중 등을 검토하였다. 남북한 교량설계기준 분석 결과를 활용하여 강섬유보강 초고성능콘크리트를 적용한 U-형상의 거더교를 모델링하였다. 교량 상부구조의 활하중 검토 결과, 북한의 최신 차량하중을 적용한 경우, 남한의 KL-510 하중과 유사한 경향을 나타내었다. 다만 상세한 비교를 위해서는 단면형식과 사용재료에 대한 추가 검토가 필요할 것으로 판단된다. 이러한 연구결과는 향후 남북 인프라 협력 또는 북한의 인프라 시장 진출 시 남북간 건설기준 연계 기술을 구축하기 위한 기초자료로 활용될 것으로 기대된다.

1. 서 론

남북한은 2000년 6⋅15 남북공동선언에서는 인적 물적 교류를 통한 다수의 철도와 도로 연결사업 등이 검토되었다. 남북공동선언을 시작으로, 2018년도 남북 정상회담에서는 경제 분야를 비롯한 사회 각 분야의 협력 사업을 통해 남북 공동번영의 길로 나아가자고 약속하였다. 비록, 2019년 2월 하노이 북미정상회담 결렬, 코로나19 확산 및 2020년 6월 남북공동연락사무소 폭파로 인해 남북관계가 개선되는 것에 어려움을 겪고 있으나, 향후 발생될 남북한의 인프라 협력 사업 등에 사전 준비가 필요하다. 또한 건설 인프라 분야는 남북한의 인프라 협력 사업에 초석이 되는 기술분야로, 향후 한반도 협력⋅공동발전을 위한 기반기술 구축이 요구될 것이다.
국내의 도로/철도 분야에서 남북한 건설기술 협력을 위한 기반 기술을 구축하기 위한 일부 연구사례가 확인된다. Jin et al. (2005)은 남북한 도로건설 시방서의 연계방향을 설정하고자 남북한 도로현황을 분석하였다. Han et al. (2013a)은 철근콘크리트 철도교량을 북한 설계기준에 대한 영향을 분석하였다. Park and Kwak (2017)은 북한 콘크리트 교량에 대하여 군용하중급수 관점으로 분석을 수행하였다. 다만, 남북한의 도로교를 중심으로하여 UHPC를 적용한 연구사례는 없는 상태이다. 따라서, 본 연구는 한반도 공동번영의 건설기술 구축의 일환으로 남북한 건설기준의 비교 분석을 수행하였다. 또한, 남북한 교량건설기준을 참고하여 120 MPa급 초고성능 콘크리트(ultra high performance concrete, UHPC) 교량 구조물의 상부구조에 작용하는 활하중 효과를 검토하였다. 이러한 연구결과로부터 향후 북한에 진출하기 위한 교량 시스템 개발과 적용 가능성을 평가하고자 하였다.

2. 남북한 도로 현황 비교

현재 북한의 도로는 관리주체⋅행정적 구분에 따라 고속도로와 1~6급 도로로 구성되며, 도로망은 크게 서해축, 동해축, 동서연결축, 북부내륙축, 동서국경축으로 구성되어 있다. 2020년 통계청 자료에 따르면 북한의 도로총연장은 26,202 km이고, 고속도로는 658 km로써 남한의 도로총연장 112,977 km, 고속도로 4,848 km에 비해 각각 23.2%, 13.6%에 불과한 수준으로 조사되었다(KICT, 2021). 북한 교량은 일부 대도시의 교량을 제외하고 대부분 일제강점기에 건설된 교량을 개보수한 것으로 확인되어, 남한의 1970년대 수준과 유사한 것으로 나타났다. 북한의 철도교는 주로 경간장이 긴 경우에는 강판형교와 트러스교 형식이 많고, 도로교는 콘크리트 아치교, T형 강교 및 슬래브교가 대다수를 이루었다. 그 밖에 케이블 교량과 같은 특수교량은 주로 평양시내 대동강 횡단 교량 및 북⋅중 국경지역 연결교량 외에는 건설된 사례가 없는 것으로 분석되었다(KICT, 2021).
최근 북한은 기존 철도중심의 교통 인프라에서 도로 기능을 강화하는 인프라 건설 정책을 수립하고 주요 노선 및 북중 국경지역에 교량 신축을 추진하고 있다. 그러나, 건설기술의 수준이 현대화된 건설장비나 공법을 적용하기 위한 수준에 이르지 못한 것으로 파악되었다(KICT, 2021). 또한, 현재 북한의 교량 노후화로 인해 구조적으로 불완전하거나 수명이 다된 교량의 수가 증가하고 있다. 따라서 교량 인프라의 급속한 개선이 필요하며 교량 건설에 필요한 사용재료의 품질 개선 및 신 재료 개발을 통해 급속 시공이 가능한 기술이 필요할 것으로 판단된다.

3. 남북한 도로 설계기준 비교

3.1 고정 하중

Table 1은 남북한의 주요 건설재료의 단위질량을 나타내고 있다. 교량의 주재료인 강재 및 철근콘크리트의 단위질량은 남한과 북한이 대체로 동일하게 적용하는 것으로 분석되었으며, 무근 콘크리트의 경우 98%, 아스팔트콘크리트의 경우 96% 수준으로 북한의 기준이 남한의 기준에 비해 약 2~4% 작게 적용되는 것으로 확인된다. 남북한의 교량 구조물 설계를 위해 고정하중은 거의 유사한 것으로 분석되었다.
Table 1
Comparison of Materials Unit Weight
South Korea North Korea
Materials Unit weight (kg/m3) Materials Unit weight (kN/m3)
Steel, Steel casting, Steel forging 7,850 Steel 78.5
Cast iron 7,250 Cast iron 72.5
Aluminum alloy 2,800 Aluminium 28
Reinforced concrete 2,500 Reinforced concrete 25
Plain concrete 2,350 Plain concrete 23
Mortar 2,150 Rendering mortar 23
Asphalt pavement 2,300 Asphalt 22

3.2 온도 하중

국내의 교량 건설을 위한 평균온도는 보통과 한랭으로 구분하고 있으며, 평균 기온에 대한 자료가 없는 경우에는 Table 2에 범위를 사용하도록 규정하고 있다. 남한은 강교(강바닥판), 합성교(강거더와 콘크리트바닥판) 및 콘크리트교로 각각 구분하고 있다. 반면에 북한은 철근콘크리트다리설계 시 기본온도를 10 °C로 규정하고 있다. 또한, 경간이 15 m 이하이고, 흙으로 덮인 궁릉의 높이가 순경간의 1/4보다 높은 경우에는 온도 영향을 고려하지 않으며 덮인 흙층의 두께가 3 m 이상이 되는 구조물에 대해서도 온도영향을 고려하지 않는 것으로 나타났다.
Table 2
Thermal Loads Standards
South Korea North Korea
Bridge Climate Thickness Temperature range
Normal Cold
Steel -10~50 °C -30~50 °C under 70 cm Direct exposure to sunlight: ±20 °C
Out of the sunlight: ±15 °C
Composite -10~40 °C -20~40 °C
Concrete -5~35 °C -15~35 °C over 70 cm regardless of the sunlight ±10 °C

3.3 차량 활하중

남한은 과거 2축 트럭하중(D-하중)을 설계기준차량으로 사용하다가 1960년대부터 D-하중과 3축 DB-하중을 구조해석에 적용하여 설계를 하였다.
이후 1970년대 후반부터 2011년까지 DB-하중을 단독으로 사용하였다. 남한에서 최초 적용한 DB-하중은 DB-18과 DB-13.5였다. 이후, 과적 문제와 중대형 차량의 대형화에 따라 DB-24를 도입하였다(Han et al., 2013a). 1990년대부터 활하중에 대한 연구를 진행한 결과, 2012년 도로교설계기준 한계상태설계법에서 KL-510 하중을 제안하였다. 그 후 2014년 말까지 DB-하중과 KL-510 하중을 병용하여 사용하다가 2015년부터 현재까지 KL-510 하중만을 사용하도록 하였다(Han et al., 2013b).
북한은 1950년대를 전후로 다리를 설계하기 위해 자동차짐(Vehicle load)-13, 10, 8을 적용하였다. 이후 1990년대 운수건설총서(다리건설)에서는 Table 3과 같이 북한에서 사용되는 중대형 차량의 대형화에 흐름에 맞추어 자동차대열하중의 중량이 자동차짐-30, 22, 15로 상향되었다(Kim et al., 1999). 이후, 최신 개정된 북한의 자동차-40과 자동차-55에 대한 하중을 고려하여 사용하고 있는 것으로 파악되었다(KICT, 2021). 이러한 북한의 차량 활하중은 교량의 급수 별로 구분되고 있다.
Table 3
Design Loads of Truck in North Korean
Bridge Classification Standard vehicle loads Vehicle weight (kN)
Class 1 Vehicle load-30 kosham-2022-22-3-135gf1.jpg Heavy 300
Normal 220
Vehicle load-40 kosham-2022-22-3-135gf2.jpg Heavy 400
Normal 200
Vehicle load-55 kosham-2022-22-3-135gf3.jpg Heavy 550
Normal 200
Class 2 Vehicle load-22 kosham-2022-22-3-135gf4.jpg Heavy 220
Normal 160
Class 3 Vehicle load-15 kosham-2022-22-3-135gf5.jpg Heavy 150
Normal 110
남북한이 적용하고 있는 차량 활하중의 크기는 남한의 KL-510 (510 kN)을 기준으로 자동차짐-30 (표준차 220 kN, 중량차는 300 kN), 자동차-40 (표준차 200 kN, 중량차 400 kN)은 가볍지만 자동차-55 (표준차 200 kN, 중량차 550 kN)는 조금 무거운 것으로 비교된다. 다만 북한은 대열하중과 선하중의 재하방법이 남한과 차이가 있으므로 직접적인 비교를 위해서는 북한 실정 파악을 포함한 정밀한 분석이 필요할 것으로 판단된다.

3.4 충격계수

교량의 충격계수는 Table 4와 같이 남한은 설계 시 충격하중을 피로한계상태 여부로 구분하고 있으며, 북한에서는 교량의 종류에 따라 충격계수를 달리하고 있다. 특히, 남한은 피로한계상태에 따라 고정 값을 사용하도록 하고 있으나, 북한은 교량의 경간에 따라 각기 다른 동력학적 곁수(계수)(Dynamic coefficient) 값을 사용하도록 식이 제시되어 있다.
Table 4
Impact Factors Standards
Description
South Korea Impact effect of Moving vehicles (IM)
Fatigue Limit State 15%
Limit state excluding fatigue limit state 25%
North Korea Dynamic coefficient
Steel girder 1+153.75+λ1.4
Concrete beam and slab 1+1615+l1.8
Concrete arch bridge λ≤20m: 1.2
λ>70m: 1.0

3.5 다차로 재하계수

Table 5는 남북한 다차로 재하계수를 나타내고 있다. 남한의 다차로 재하계수는 1~5차로 이상으로 구분하여 2차로부터 계수를 적용하고 있다. 반면에 북한의 자동차대열하중 곁수는 3차로와 4차로 이상에 대하여 자동차대열하중 곁수를 적용하도록 되어있다.
Table 5
Multiple Presence Factor Standards
Number of Lane South Korea North Korea
1 1.00 1.00
2 0.90 1.00
3 0.80 0.85
4 0.70 0.75
Over the 5 0.65 -

4. 남북한 활하중 분석

4.1 해석단면

남북한에서 제시하고 있는 설계기준의 분석을 통해 교량 상부구조의 단면검토 연구를 수행하였다. 대상 교량은 남한에서 제작하여 북한 건설현장으로 운반하는 방식의 시나리오로 가정하였다. 북한의 열악한 건설 환경을 고려하여, 북한 현지에서 부재를 제작하여 시공하는 방안보다 더욱 합리적으로 판단하였으며, 프리캐스트로 제작된 구조부재를 남북 접경지역 100 km 내외의 북한 건설현장으로 운반하는 방식의 시나리오로 가정하였다. 다만, 북한의 도로는 대부분의 도심부를 제외하고 비포장 상태이며 험준한 고개를 경유하도록 구성되었다. 즉, 북한 건설현장으로 운반하기 위한 거더는 열악한 도로여건을 고려하여 중량 28 kN/m 이내로 확보할 필요가 있을 것이다(KICT 2021). 따라서, 북한으로의 운반을 위한 거더는 초고성능 콘크리트(UHPC)를 적용하여 단면을 감소시키는 방향으로 설계하였다. 또한 고강도 강연선 및 고강도 철근을 사용하여 강성을 추가적으로 확보하여 Fig. 1과 같이 최적 단면을 도출하였다. 따라서, 대상 교량의 재원은 콘크리트 압축강도 120 MPa, 인장강도 7 MPa를 갖는 UHPC를 적용하였다(KCI, 2019; KICT, 2020). 또한, 철근의 항복강도는 500 MPa, 강연선의 인장강도는 2,360 MPa를 상부거더에 적용하였다.
Fig. 1
Cross Section Shape
kosham-2022-22-3-135gf6.jpg
대상 교량의 경간장은 30 m에서 최대 70 m까지 구분하여 분석하였다. 현재 남한에서 일반적으로 콘크리트 거더교는 경간장 60 m 이하로 적용되고 있다(KICT 2021). 본 연구에서 적용하고자 하는 UHPC는 높은 유동성으로 형상 변화에 대응이 우수하며, 단면감소와 경량화를 통한 장경간 설계가 가능하다. 따라서 본 연구에서는 기존 콘크리트 거더교를 기준으로 30~60 m까지를 기본적인 구조검토 범위로 선정하였으며, 경간장 70 m를 추가적으로 고려하여 활하중 효과에 미치는 영향을 분석하였다.
교량의 상부구조를 구성하는 U-형상의 거더와 슬래브는 UHPC를 적용하였으며, Fig. 1과 같이 고속도로 표준 단면 폭을 적용한 1방향 2차로 단면으로 구성하였다. 이러한 교량 상부구조는 다양한 하중영향을 고려하여 최적 단면을 도출하였다. 다만, 앞서 분석된 바와 같이 고정하중은 남북한이 큰 차이를 보이지 않기 때문에, 본 연구에서는 활하중을 중심으로 연구하였다. 여기서 북한의 활하중은 Table 3에서의 표준트럭하중을 반영하여 분석을 수행하였다.

4.2 활하중 재하

남한은 KL-510 활하중에 의한 단면력은 표준트럭하중과 표준트럭하중 × 0.75 + 표준차로하중의 결과를 적용하여 최대값으로 산정한다(MOLIT, 2016). 표준트럭하중은 바퀴 축 하중의 이동하중으로 재하하며, 표준차로하중은 정모멘트 및 부모멘트의 단면력이 최대가 발생하도록 하중을 재하한다. 반면, 북한은 표준차량과 중차량의 중량과 차간이격거리를 조절하여 대열하중을 재하한다. 또한, 차로당 너비 3 m에 대한 하중으로 치환하여 축 방향에서 가장 불리한 위치에 재하하는 선하중을 적용하고 있다(Kim et al., 2021).
횡방향 하중재하방법의 경우, 남한은 표준트럭하중과 표준차로하중은 재하차로 내에서 횡방향으로 3 m의 폭을 점유하도록 배치한다. 표준트럭하중 최외측 차륜중심의 횡방향 재하 위치는 차도부분의 단부로부터 600 mm로 선정하고 있다. 북한의 경우에는 자동차짐에 해당하는 특성값을 별도로 제시하고 있다.
남북한 모두 두 개 이상의 차로에 설계차량활하중이 동시에 재하될 확률을 고려한 수정계수인 다차로재하계수를 Table 5에서 제시한 계수를 사용하였고, 차량에 의해 발생하는 충격계수는 Table 4를 참고하여 산정하였다.

4.3 활하중 검토 결과

본 연구에서는 3경간 연속교에 경간장을 30, 35, 40, 50, 60 및 70 m로 변화시켜 발생하는 단면력을 정모멘트와 부모멘트로 구분하며, 그 결과를 Table 6에 나타내었다.
Table 6
Comparison with Previous Design Standard
Moment L (m) Section force (kN-m) Ratio (%)
KL-510 (ⓐ) Vehicle load-30 (ⓑ) Line load (ⓒ) (ⓑ/ⓐ) (ⓒ/ⓐ)
Positive 30 1,899 1,369 1,030 72 54
35 2,387 1,650 1,302 69 55
40 2,902 1,969 1,603 68 55
50 4,025 2,685 2,290 67 57
60 5,304 3,690 3,090 70 58
70 6,667 4,776 4,004 72 60
Negative 30 -1,720 -1,591 -906 93 53
35 -2,148 -2,055 -1,181 96 55
40 -2,631 -2,484 -1,492 94 57
50 -3,709 -3,336 -2,220 90 60
60 -4,946 -4,217 -3,089 85 62
70 -6,282 -4,920 -4,100 78 65
활하중 검토 결과, 정모멘트는 북한의 자동차짐 -30하중에 의한 하중효과는 KL-510 하중에 비해 약 67~72% 수준이고, 선하중에 의한 하중효과는 약 54~60% 수준으로 경간장에 따른 변화가 크지 않다. 부모멘트의 경우에는 경간장 50 m 이하에서 10% 이하로 큰 차이는 없으나, 경간장 60 m와 70 m에서 85%와 78%로 차이가 증가하는 경향을 나타낸다.

4.4 추가 활하중 검토 결과

최신 개정된 북한의 자동차-40하중과 자동차-55 하중 정보를 입수하여 활하중 검토를 추가로 수행하였다. Table 3의 자동차-40하중과 자동차-55하중을 사용하였고, 다차로재하계수와 충격계수는 자동차짐-30하중에서 사용된 계수값을 동일하게 적용하였다. 자동차-40하중은 총중량이 400 kN이며, 전륜이 80 kN, 후륜이 160 × 2 kN으로 구성되어 있다. 또한 자동차-55하중의 총중량은 550 kN이고, 전륜 30 kN, 중륜 120 × 2 kN 및 후륜 140 × 2 kN으로 구성되어 있다. Table 7에서는 북한의 자동차-40과 자동차-55 하중 중 더 불리한 값을 표시하였으며, Figs. 23에 KL-510 하중과 자동차짐-30하중 및 자동차-40/55의 비교 결과를 나타내었다.
Table 7
Comparison with Revised Design Standard
Moment L (m) Section force (kN-m) Ratio (ⓑ/ⓐ) (%)
KL-510 (ⓐ) Vehicle load-40/55 (ⓑ)
Positive 40 2,902 3,007 104
50 4,025 4,085 101
60 5,304 5,375 101
70 6,667 6,738 101
Negative 40 -2,631 -3,290 125
50 -3,709 -4,260 115
60 -4,946 -5,105 103
70 -6,282 -5,787 92
Fig. 2
Results of Positive Moment
kosham-2022-22-3-135gf7.jpg
Fig. 3
Results of Negative Moment
kosham-2022-22-3-135gf8.jpg
북한의 개정된 설계하중 자동차-40/55의 경우, 경간장 40 m 이상의 모든 범위에서 정모멘트는 남한 KL-510 하중과 거의 유사한 것으로 분석되었다.
다만, 부모멘트는 상대적으로 단경간(40 m)에서는 더 큰 값을 보이고 있으며, 경간이 증가할수록 값이 감소하여 70 m 경간에서는 부모멘트가 KL-510보다 적게 발생하는 것으로 평가된다. 이는 북한의 최신 하중을 적용할 경우, 경간장 60 m에서는 KL-510과 거의 동일한 값을 갖는 것으로 확인할 수 있다.

5. 결 론

남북한의 활하중 효과를 분석하기 위하여 교량 설계기준에서 제시하고 있는 설계하중에 대한 검토를 수행하였다. 고정하중에서 교량의 주재료는 동일하게 적용하고 있으나 무근 콘크리트 98%, 아스팔트콘크리트 96% 수준으로 남한 기준 대비 약 2~4% 작게 적용하고 있다. 또한, 남한의 충격하중계수는 피로한계상태를 제외한 모든 한계상태에서 25%, 피로한계상태에서 15%로 규정하고 있다. 북한은 교량의 형식 및 경간장별로 충격계수를 각각 1.0~1.8 범위의 값을 사용하도록 규정하고 있으며, 남한에 비해 북한이 충격하중에 의한 영향을 크게 고려하고 있다.
북한의 운수건설총서(다리건설)에 규정된 1등급 교량은 자동차-30하중을 적용하였고, 남한의 3등교 수준과 유사하다(Kim et al., 1999). 남한의 교량 등급별 1, 2 및 3등교에 따른 설계하중은 북한의 자동차-55, 자동차-40 및 자동차-30하중과 유사하며, 총중량은 북한이 남한 대비 약 5~7% 무거운 것으로 분석되었다.
남북한의 활하중 효과를 분석하기 위하여 경간장 30~70 m의 3경간 U-형상의 거더교를 대상으로 하였다. 북한의 기존 자동차짐-30하중을 적용할 경우, 경간장 30~50 m에서 정모멘트와 부모멘트는 경간장에 따른 변화율이 적다. 다만, 경간장이 60 m와 70 m에서는 85%와 78%로 차이가 증가하는 것으로 분석되었다.
남한의 KL-510 하중과 북한의 자동차-40과 자동차-55하중의 경우, 정모멘트는 거의 유사한 것으로 분석되었다. 부모멘트는 경간장이 짧은 구간에서 최대 25%까지 크게 발생하며, 경간이 증가할수록 적게 발생하는 것으로 확인된다. 특히, 경간길이 60 m에서는 남한 KL-510과 북한 자동차-40/55가 매우 유사한 것으로 분석되었다.
남북한 차량 활하중 비교분석 결과 최신 북한 기준을 적용하는 경우 경간 길이에 따라 상이한 것을 확인할 수 있다. 따라서 향후 남북협력사업 추진 시 교량구조물 설계를 위해 남북간 건설기준의 충분한 비교 분석이 필요하며, 연계기술 구축이 필요할 것으로 판단된다.

감사의 글

본 연구는 과학기술정보통신부 한국건설기술연구원 연구운영비지원(주요사업)사업으로 수행되었습니다(과제번호 20220140-001, 남북한 공동번영을 위한 인프라 통합⋅연계 기반 구축 연구).

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