Validity Analysis of the Performance Assessment Guideline for Existing Concrete Bridges

Abstract

한국의 경제가 발전함에 따라 80년대 중반부터 교량 건설이 급격히 증가하였다. 특히 콘크리트 교량이 그 대부분을 차지하기 때문에 현재 공용 중인 콘크리트 교량의 정확한 성능평가에 대한 요구가 증가하고 있다. 특히 노후된 콘크리트 교량의 경우, 염화물 침투, 탄산화 등으로 인한 철근 부식 등 눈에 보이지 않는 열화가 진행되기 때문에 이러한 상태와 안전성을 평가, 예측하기 위한 기술개발이 요구되고 있다.

시설물 안전 및 유지관리에 관한 특별법이 1995년에 제정되며 시설물에 대한 안전점검, 진단 등이 의무화되었고, 지금까지 제1종, 제2종 시설물에 대해 주기적으로 평가를 하고 있다. 시설물의 안전점검 및 진단은 시설물 안전 및 유지관리 실시 세부지침에 따라 수행되며 교량의 안전점검, 진단 또한 이 지침에 의해 수행되고 있다.

그러나 노후 시설물의 상태, 안전성을 정확히 평가할 수 있는지에 대한 문제가 지속적으로 제기되어 왔고 이에 대한 연구가 진행되고 있다. 사용 중 교량의 경제적 성능평가를 위해 성능중심평가 지침이 신설되어 2018년부터 실시되고 있으나 이 또한 기존의 지침과 평가항목, 방법 등에서 큰 차이를 보이지 않아 이에 대한 검토 또한 필요한 실정이다.

본 논문은 이러한 연구의 일환으로 현 콘크리트 교량의 성능을 평가하는 기준의 타당성을 분석하는 데 목적을 두고 있다. 이를 위해 콘크리트 교량의 성능평가를 위해 국내외에서 실용하고 있는 지침을 분석하였다. 한국의 시설물 안전 및 유지관리 실시 세부지침, 미국 American Association of State Highway and Transportation Officials(AASHTO)의 AASHTO The Manual for Bridge Evaluation, American Concrete Institute(ACI)의 기준인 Code Requirements for Assessment, Repair, and Rehabilitation of Existing Concrete Structures (ACI 562-16), 영국의 BD 21/01 The Assessment of Highway Bridges and Structures 등을 검토하였다. 추가로 현행 기준으로 사용되고 있지 않으나 한국도로공사에서 개발한 신뢰도기반 내하력평가 기준인 신뢰도기반 교량 안전성 평가 지침(안)의 내용을 검토하였다.

그 결과, 국내 기준만 유일하게 필수 점검 항목을 규정하여 모든 항목에 대해 등급으로 평가를 하도록 하며 각 부재에 대해, 교량 전체에 대한 상태안전등급을 산정하도록 규정하고 있음을 확인하였다. 또한 내하력평가에 대해 과거 설계기준에 기반하여 국외 기준보다 큰 하중계수를 적용하고 있었으며 이에 따라 교량을 보수적으로 평가할 것으로 분석하였다. 국내기준에서만 유일하게 교량의 안전성 평가를 위해 차량재하시험을 규정하고 있는 점 또한 문제점으로 분석하였다.

도출한 문제점에 대한 검증을 위해 실제 사례를 통해 그 타당성을 분석하였다. 서울시 내 교량 및 고가도로에 대한 안전진단 보고서와 관련 자료를 수집하였고 각 사례에 대해 살펴본 국내외 지침에 따라 내하력 평가를 수행하였다. 차량재하시험에 대한 검토를 위해 한 사례 교량에 대해 실험을 수행하였다. 또한 수집한 보고서 내 재료시험 이력을 분석하였다. 내하력 평가 결과 현 국내 지침이 교량을 가장 보수적으로 평가하는 것을 확인하였다. 따라서 AASHTO, 한국도로공사 등의 신뢰도 기반 기준을 적용하는 것이 바람직할 것이다. 차량재하시험 결과를 분석한 결과, 교량의 강성변화를 차량재하시험을 통해 일관되게 평가할 수 없음을 확인하였다. 재료시험의 경우, 이력 분석을 통해 현 지침에 의해 비 일관된 평가가 도출됨을 확인하였고 이에 대한 개선방안을 제시하였다.

후속 연구에서 본 논문에서 도출한 문제점에 대해 실험적으로 검증하여 현 국내 콘크리트 교량 성능평가 지침을 개선할 수 있을 것으로 기대된다.

With economic growth, bridge constructions have been increased since the middle of the 1980s. Since the majority of bridges in Korea is concrete, especially, demand for the accurate performance assessment of an existing concrete bridge is increasing. For a deteriorated concrete bridge, deterioration, which are not seen on the exterior such as reinforcing steel corrosion caused by chloride attack or carbonation, is propagated. Accordingly, techniques to evaluate and predict such conditions and safety are required to be investigated.

As Special Act on the Control of Public Structures has been enacted in 1995, a safety inspection and an examination have been conducted for Class I and II establishments. An inspection or an examination for an existing bridge is performed according to Detailed Guidelines for Safety Control and Maintenance of Establishments

However, the question of whether it can evaluate an exact safety or condition or not has been brought out continuously. Accordingly, researches associated with the question have been carried out recently. As a result, A guideline for a performance-based assessment was investigated and has been adopted since 2018 for an economic evaluation of a bridge. Nonetheless, it is controversial in a respect that the inspection items and methods are not different as the pre-existing guideline specifies.

As part of the studies, the thesis has aimed to validate the performance assessment guideline for an existing concrete bridge. To achieve this, domestic and foreign guidelines for evaluating an existing concrete bridges were examined

they were Detailed Guidelines for Safety Control and Maintenance of Establishments of Korea

The Manual for Bridge Evaluation of American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO)

Code Requirements for Assessment, Repair, and Rehabilitation of Existing Concrete Structures (ACI 562-16) of American Concrete Institute (ACI)

and BD 21/01 The Assessment of Highway Bridges and Structures of United Kingdom. In addition, Reliability-Based Safety Assessment Guidelines of Expressway Bridges which was developed by Korea Expressway Corporation Research Institute (KECRI), though it has not been used as a current standard, was covered.

The study has identified that an inspection will be an inefficient task because only the domestic guideline specifies mandatory inspection items and the ways of rating each inspection results, rating in a component's level, and in a structural level. The thesis has also shown that the load rating method of the domestic guideline adopts load factors which are based on the design code of the past, and larger than the ones foreign guideline adopting. Accordingly, it has been analyzed that the guideline will evaluate a bridge conservatively. Moreover, a diagnostic load test has been pointed out as one of the problems.

Validity analyses were conducted on actual cases. Inspection reports and relevant documents of bridges and flyovers in Seoul were collected. For each case, load rating was conducted according to every guideline examined in the study. The diagnostic load test was conducted on one of the cases. In addition, records of material test results are investigated. The investigation of load rating has shown that the domestic guideline evaluates the safety of a bridge in the most conservative way. Accordingly, it is desirable to adopt a reliability-based evaluation guideline such as AASHTO and KECRI developed. Analyzing the diagnostic test results, the study has found that the stiffness change of a structure may not be evaluated through the test. The examination of material test has confirmed that inconsistencies have been presented through the current inspections, and the study has suggested improvements for the problems.

In the further research, it is expected that the current performance assessment guideline will be improved by experimental verification of the problems presented in the thesis.