1. 서 론
2. 연구의 범위 및 방법
3. 내진성능보강 이론과 보강공법 선정조건
3.1 내진성능평가 및 보강개념
3.2 도시철도 내진성능평가 및 내진보강
3.3 기존 도시철도 내진성능 평가결과
4. 내진성능보강공법 선정조건
4.1 신속한 시공 가능
4.2 기존 구조물에 대한 훼손 최소화
4.3 인력시공이나 최소한의 공사장비로 시공
4.4 기타 선정조건
5. 내진성능보강공법 분류 및 적용성 검토
5.1 보강 방법별 분류
5.2 보강 재료별 분류
5.3 보강공법별 현장 적용성 검토
5.4 도시철도 내진성능보강공법 (기둥부 연성보강) 적용 기준 조사
6. 국내도시철도 내진성능보강 적용조사
6.1 내진성능보강 시험시공 등 기 시공사례 검토
6.2 내화 성능을 고려한 ○○도시철도 구간별 적용개요
6.3 ○○도시철도 내진보강공법 적용현황
6.4 보강공법 조사결과
7. 결 론
1. 서 론
최근 전 세계적으로 크고 작은 지진이 다수 발생하고 있다. 2015년 네팔(규모 7.8), 2011년 후쿠시마(일본, 규모 9.0), 2010년 아이티(규모 7.0), 2010년 칭하이(중국, 규모 7.1), 2008년 쓰완성(중국, 규모 8.0), 이러한 지진은 많은 인명피해와 재산피해를 가져왔다. 이에 점점 더 신규 구조물에 대한 내진설계 및 기존 구조물 내진성능보강의 중요성이 커지고 있다.
우리나라에서는 1978년 홍성지진 이후 댐(1979년), 터널(1985년), 건축물(1988년) 등에 대하여 내진설계가 도입되었으며, 1992년에는 도로교 표준시방서에서도 점차적으로 도입되어 1996년에 제정된 도로교 표준시방서 이후로 본격적으로 도로 교량 등 공공구조물에서 적용되기 시작했다.
도시철도에서는 2005년에 본격적으로 도입이 시작되었고 ‘지진재해대책법 시행령(NEMA, 2009)’을 계기로 내진설계가 적용되지 않은 구조물에 대해 내진보강을 추진하고 있다(Ko, 2015). 국내에서 공용되고 있는 도시철도 중 1974~2000년에 개통된 지하구조물은 내진설계 도입되기 이전에 건설되어 내진 설계가 미반영 된 것으로 판단할 수 있다. 따라서 지진 발생 시 많은 피해가 예상되므로 내진설계가 반영되지 않은 기존구조물의 경우 추가적인 내진보강이 필요하다. 내진성능 확보를 위해 많은 연구자들에 의해 RC기둥의 내진보강에 관한 연구들이 수행되었다(Kim et al., 2010). 또한, 2010년부터 지자체에서는 내진설계가 적용되지 않은 기존 도시철도 지하구조물에 대하여 ‘도시철도내진설계 기준(MOLIT, 2017)’, ‘기존시설물 내진보강 기본계획 수립(NEMA, 2009)’ 에 따라 구조물의 내진성능향상에 대한 검토를 진행하고 있다.
현재 내진설계가 반영되진 않은 도시철도 구조물에 내진보강으로 적용 가능한 아라미드 섬유보강(Shin, 2011; Ko, 2018), FRP-연성재 적층복합체 보강(Kim et al., 2010), 복합재로 보강판 보강(Lee, 2014) 등 많은 보강방법이 연구되었다. 또한, 건설교통부 주관으로 도시철도 표준화 연구개발을 수행하여 다양한 성능평가 실험을 통하여 내진성능 보강효과가 검증된 내진성능 보강시스템을 개발하였다(Kim, 2012). 그러나 도시철도 내진보강공사 현장에 적용된 공법 및 재료현황에 대한 연구는 매우 미흡한 실정이다.
도시철도는 대다수가 국가나 공공기관에서 공공발주로 진행되므로 보안 규정 등의 이유로 일반인들은 현재 적용된 보강공법이나 재료 등을 알 수 없다. 이는 국민 세금으로 시행되는 공공사업에 대하여 예산사용의 적합성을 파악하지 못하는 결과가 발생한다. 특히, 최근에 개발된 신기술이나 저비용 고효율의 공법 활용에 대한 사항이 파악되지 못하고 있으므로 이에 대한 분석 정리가 필요하다.
따라서 본 연구의 목적은 현행 도시철도 내진성능보강 공사에서 시행중인 신기술을 포함한 공법들에 대하여 적용현황을 조사하여 문제점을 제시하였다.
2. 연구의 범위 및 방법
본 연구의 범위는 기존에 연구된 지하구조물 내진성능보강에 적용가능한 공법과 재료를 파악하고, 국내에서 가장 오래된 도시철도 구조물을 운영하면서 현재 취약구간 내진성능보강공사가 시행중인 ○○도시철도 내진성능보강공사에 사용된 공법을 조사하여 재료 및 적용구간을 분석하였다.
이론적 고찰을 통해 내진성능보강에 대한 필요성을 제시하고, 기존에 도시철도 지하구조물 성능보강공법으로 연구되어 시험시공 된 현황을 검토하였다.
연구의 방법으로는 2018년에 내진성능보강 검토가 완료되어 공사 착공 된 ○○도시철도 지하구조물 내진성능보강공사 사례를 활용 분석하였다. 이를 통하여 지하구조물 내진성능보강 공법들에 대해 비교 검토하고, 적용개요와 문제점을 분석하였다. 그러나 내진성능보강공법 세부 선정방법은 지자체의 비공개 사항이므로 본 연구에서 제외하였으며, 특정업체 이름을 유추 할 수 있는 공법명은 미제시하고 공법에 적용된 재료로 표현하였다.
3. 내진성능보강 이론과 보강공법 선정조건
3.1 내진성능평가 및 보강개념
3.1.1 내진설계와 내진성능
국내 내진설계에 관련된 연구는 ‘내진설계기준연구 II(MOLIT, 1997)’가 발간되면서 우리나라 모든 시설물의 내진설계기준에 대한 상위개념을 정립하여 하위개념인 시설물별 내진설계기준이 정립되었다. 내진설계기준은 해당 시설물이 내진성능을 확보하도록 보장한다. 그러나 내진설계가 되어 있지 않거나 최신판으로 개정되기 이전의 내진설계기준으로 설계된 시설물은 내진성능을 보장할 수 없다. 2008년 제정된 ｢지진재해대책법｣은 이와 같은 시설물들을 ‘기존시설물’로 정의하고, 해당 시설물들에 대한 내진보강을 의무화하고 있다.
시설물 혹은 구조물들은 자체적으로 어느 정도의 내진성능을 보유하고 있다. 그러므로 내진성능평가를 통하여 현재 보유하고 있는 내진성능이 현행기준에 비해 어느 정도의 수준에 있는지를 확인해야 하고, 부족한 만큼의 성능은 내진보강을 통해서 향상시켜야 한다.
3.1.2 내진성능 평가 및 보강의 필요성
구조물의 내진성능 평가는 현행 내진설계기준이 규정하는 수준 대비 평가대상인 구조물의 보유성능을 평가하는 것이다. 내진설계기준에서는 구조물을 구성하는 부재들이 가해진 하중에 대해 저항할 수 있도록 규정하므로, 평가대상인 구조물이 하중에 대해 얼마나 저항할 수 있는지를 평가하게 된다. 부재의 강도나 변형능력 중 적어도 한 범주에서 강도나 변형 요구량보다 작은 경우가 있으면, 그 만큼 내진성능이 부족한 것으로 평가되며 성능만족을 위한 보강이 필요하게 된다.
3.2 도시철도 내진성능평가 및 내진보강
도시철도 시설물의 내진성능평가는 내진설계 및 평가현황조사(Kim et al., 2008), 연구예비평가체계에 대한 연구(Park et al., 2010) 등 다양한 방법에 대하여 연구가 진행되었다. 또한 내진성능상세평가의 문제점에 대해서도 연구되었다(Hur and Kim, 2011). Lim et al.(2010)은 도시철도 내진성능평가에 절차에 대하여 Fig. 1과 같이 예비평가와 상세평가 2단계로 구성된다고 제시하였다.
최근 지하구조물의 본선BOX와 정거장은 응답변위법을 내성능평가해석의 기본해석법으로 적용하고, 응답변위법에서 허용치를 초과하거나 상세평가가 필요한 구간은 시간이력해석법과 모멘트곡류해석법으로 내진성능 평가를 수행하고 있다(Seoulmetro, 2018).
3.3 기존 도시철도 내진성능 평가결과
○○도시철도 구간의 내진성능 재평가 해석결과 도시철도 구조물은 내진성능을 확보하는 것으로 검토되었다. 그러나 실제 지진으로 인한 구조물 붕괴사례 조사결과 붕괴 메커니즘은 주로 중앙부 기둥에서 파괴되고, 기둥 파괴로 구조물의 완전붕괴가 유발되는 것으로 조사되었다(Seoulmetro, 2018). 따라서 본 연구에서는 중앙기둥과 벽체의 연성능력을 향상시켜 구조물의 급작스런 붕괴를 방지할 수 있는 보강공법 종류에 대하여 검토를 수행하였다.
4. 내진성능보강공법 선정조건
지하철 구조물에 대한 내진보강은 차량이 운행되고 있는 도심지 도로하면에 위치하고 있는 지하구조물의 특성상 지반굴착을 시행하지 않은 상태에서 보강작업이 이루어져야 한다. 그러므로 보강 공법의 선정은 신중하게 이루어져야 하며, 다음과 같은 사항을 고려하여야 한다.
4.1 신속한 시공 가능
내진보강은 열차운행이 중단된 시간(1일 2~3시간)에만 보강공사가 가능하므로 신속한 시공이 이루어질 수 있도록 시공공정이 간단하여야 한다.
4.2 기존 구조물에 대한 훼손 최소화
도시철도의 지하 본선구간 구조물 및 정거장은 공용연수가 20년 이상인 구조물이 대부분이다. 따라서 기존구조물의 안전성을 고려하여 구조물의 손상을 최소화하는 공법을 적용한다.
4.3 인력시공이나 최소한의 공사장비로 시공
지하철 구조물은 장비 크기에 대한 제약이 따른다. 지하공간으로 장비를 투입은 장비에 대한 크기 및 장비 량에 따라 시간이 너무 많이 소요된다. 따라서 인력시공 또는 인력 운반이 가능한 최소한의 장비로 공사가 진행될 수 있는 공법을 적용하여야 한다.
4.4 기타 선정조건
실제 적용되어 지진에 대한 보강효과가 검증된 공법이나, 지진발생으로 인한 보강효과를 구조적 해석을 통하여 검증된 공법이어야 한다.
5. 내진성능보강공법 분류 및 적용성 검토
내진성능향상을 위해 사용한 대표적인 내진보강공법으로 섬유 및 강성 보강재료를 사용하는 섬유보강공법광 강판부착공법이 이용되고 있다(Kim et al., 2010). 일본에서는 1995년 효고현 남부지진으로 얻은 교훈을 바탕으로 개착식 터널, 교량 및 구조물에 대하여 다양한 방법의 내진보강 연구하여 성능보강을 수행하였다(Shin et al., 2009). 국내에는 내진성능보강을 위한 공법들이 학계와 전문 업체들의 다양한 시공방법 연구를 통하여 특허로 관리되고 있다. 이러한 내진성능보강 공법들을 분류해 보면 다음과 같이 나눌 수 있다.
5.1 보강 방법별 분류
Seoulmetro(2018)에서는 지반굴착을 시행하지 않은 상태에서 구조물 내부 기둥과 벽체를 보강하는 방법을 다음의 세 가지로 나누었으며, Table 1와 같이 세부 분류하였다.
첫째, 구조물을 직접 보강하여 구조물의 내력을 증가시켜 내진성능을 확보하는 방법(직접보강)
둘째, 새로운 단면을 증설함으로서 내진성능을 확보하는 방법(부재증설)
셋째, 지진격리장치의 설치로 내진성능 확보(시스템보강)
Table 1. Classification by reinforcement method
본 연구에서는 현재 도시철도 내진성능보강에서 적용된 중앙부 기둥과 벽체의 내진성능 보강공법에 대하여 검토하므로 Table 1의 보강 방법별 분류중 시스템 보강공법은 제외한다.
5.2 보강 재료별 분류
구조물 내부 기둥과 벽체를 보강하는 공법은 시공방법을 고려하면 매우 다양하나 사용 재료로 분류하면 Table 2와 Table 3과 같이 섬유보강, 복합섬유보강, 단면증설, 철판 등 금속재 강성보강으로 나눌 수 있다(Lee et al., 2012).
Table 2. Classification by reinforcement materials (1)
Table 3. Classification by reinforcement materials (2)
5.3 보강공법별 현장 적용성 검토
내진보강공사는 현장여건상 주로 지하공간에서 야간에 작업이 진행된다. 따라서 사용장비 장비크기에 제약이 따르며, 일반적으로 인력이 운반할 수 있는 소형의 장비로 공사가 가능하여야 한다. 보강공법별 시공방법 은 Table 4와 같이 조사되었으며, 섬유보강공법은 소규모장비를 이용한 인력시공이 가능하며, 강성보강공법 중 일부공법은 시공장비가 별도로 필요한 것으로 분석되었다.
Table 4. Construction method by reinforcement method
| 구 분 | 필요장비 | 시공방법 |
| 섬유보강 (일반섬유, 복합섬유보강) | 그라인더, 드릴 | 인력시공 |
| 강성보강 (단면증설, 금속재보강) | 드릴, 운반 및 설치장비 | 인력+장비시공 |
5.4 도시철도 내진성능보강공법 (기둥부 연성보강) 적용 기준 조사
도시철도 내진성능보강공법 및 보강에 사용되는 재료는 ‘도시철도건설규칙(MOLIT, 2018)’ 제35조의3, ‘건축법(MOLIT, 2019)’ 제52조, ‘건축법시행령(MOLIT, 2019)’ 제34조, ‘철도시설의 기술기준(MOLIT, 2019)’ 등의 기준이 적용된다.
6. 국내도시철도 내진성능보강 적용조사
본 연구에서 내진성능보강 적용사례를 검토하기 위한 참고한 데이터는 2018년 12월에 ○○교통공사에서 작성된 ‘○○도시철도 지하구조물 내진성능보강공사 실시설계’의 내용을 기초자료로 사용하였다. 2018년 이전에도 국내 지자체에서 내진성능평가 방법 및 성능보강공법의 연구를 목적으로 지상 및 지하구간 일부 개소에 대하여 시험적인 성능보강공법이 시행되었다(Kim et al., 2012; Seoulmetro, 2018).
국내 내진성능보강에 적용되는 공법재료들은 동일한 재료를 사용하여도 시공방법에 따라 특정한 공법명을 가지고 있으며 특허 및 신기술로 관리되고 있다.
6.1 내진성능보강 시험시공 등 기 시공사례 검토
Kim et al.(2012)은 Table 5와 같이 서울메트로와 광주도시철도 일부구간에 대하여 내진성능 보강시스템을 시험시공을 수행하여 시공성을 검증하였으며, Seoulmetro(2018)는 2017년까지 서울도시철도에서 진행된 공법별 시험 보강시공 사례를 Table 6과 같이 제시하였다.
Table 5. Performance reinforcement method of Seoul and Gwangju urban rail's demonstration section
Table 6. Existing construction case of Seoul urban rail
| 구분 | 보강사례 | |
| 섬유보강 | 난연FRP보강공법 |
∙도시철도5-18공구 하저터널 난연 FRP보강공사 ∙지하철8호선 본선내부 FRP보강공사 |
| 유리섬유보강공법 |
∙도시철도5-18공구 하저터널 난연 FRP보강공사 ∙지하철8호선 본선내부 FRP보강공사 | |
| 강성보강 | COSREM보강공법 |
∙도시철도공사 토목시설물 유지보수공사 ∙서울메트로 사당~낙성대역간 보강공사 |
6.2 내화 성능을 고려한 ○○도시철도 구간별 적용개요
지하구조물중 특히 정거장 구간은 화재발생시 큰 피해가 발생한다. 따라서 도시철도 건설규칙 제35의 3항에 따라 정거장 내부는 불연재료를 적용한다. 또한, 정거장의 선로 내 노출기둥과 정거장 양측 끝단에서부터 50m 구간의 본선 기둥도 불연재료를 사용하여 유사시 화재발생에 대비한다. 본선 일반구간은 난연재료를 사용하는 것으로 구분하였다. 금속재공법들은 전도체로 본선구간 내 적용은 어렵지만, 지장물이 많은 정거장 대합실층 및 기능실층 기둥들에 대해서는 시공이 간편하고, 지장물 간섭에 대처가 용이하여 금속재재료를 적용한다. 내화성능을 고려한 공법재료현황은 Table 7과 같이 조사되었다.
Table 7. List of construction materials considering fire resistance
| 구분 | 공법재료 |
| 난연 | ∙고연성섬유, 아라미드섬유, 직조보강섬유, 복합섬유판, 아라미드+유리섬유, 아라미드+PET섬유 |
| 불연 | ∙난연 아라미드섬유+불연재, 바잘트섬유, FRP패널, 고강도 유리섬유 |
| 금속재 | ∙강봉, 강판 |
6.3 ○○도시철도 내진보강공법 적용현황
2018년 시행된 내진성능평가 설계에 따른 해당 지자체 보강공법심사에서 선정된 결과는 Table 8, Table 9, Table 10과 같다(Seoulmetro, 2018). 심사의 목적은 안전성, 시공성(보강실적), 유지관리성, 경제성, 전문 업체의 재무건전성을 검토하는 것이며, 세부 선정기준 및 심사과정은 비공개 사항이다. 공구별 2순위까지 지정하여 1순위 공법이 부득이한 상황(업체파산, 기타 시공적용 불가 등)으로 변경되어야 할 경우를 고려하였다.
6.3.1 난연공법(본선 일반구간)
Table 8. Application section of flame retardant method
6.3.2 불연공법(정거장 선로 내 기둥, 정거장 인접 + 50 m)
Table 9. Application section of noncombustible method
| 공구 | 규모 | 공법 | 비고 | |
| 1순위(시공) | 2순위(설계반영) | |||
| G | L = 5,709 m | 난연 아라미드 + 불연성시멘트보드 | 난연 아라미드 + 불연세라믹분말 | |
| H | L = 5,649 m | 난연 아라미드 + 불연세라믹분말 | 난연 아라미드 + 불연성시멘트보드 | |
| I | L = 4,030 m | 복합FRP패널 | 난연 아라미드 + 불연성시멘트보드 | |
6.3.3 금속재 공법(정거장내 기둥)
Table 10. Application section of metal member construction method
6.4 보강공법 조사결과
2018년에 착공되어 공사 중인 ○○도시철도 내진성능보강 사례를 조사한 결과,
1) 본선일반의 난연 구간은 아라미드 섬유를 단독 사용하거나 아라미드와 유리섬유 등을 복합하여 사용한 복합섬유 공법이 75%(총 8개소 중 6개소)가 적용되었다. 2순위로 설계에 반영된 공법까지 고려할 경우 아라미드 재료는 81%(총 16개소 중 13개소) 적용되었다.
2) 정거장 선로 내 기둥 등 불연구간은 아라미드를 재료로 한 공법이 66%(총 3개소 중 2개소) 적용되었다. 2순위로 설계에 반영된 공법까지 고려할 경우 아라미드 재료를 사용한 공법은 83%(총6개소 중 5개소) 적용되었다.
3) 정거장내 기둥 등 금속재 적용 구간은 강봉 + 연결재 공법이 83%(총6개소 중 5개소) 적용되었다. 2순위로 설계에 반영된 공법까지 고려할 경우 강봉 + 연결재 공법이 91%(총12개소 중 11개소) 적용되었다.
7. 결 론
최근에 설계 완료되어 시공 중인 ○○도시철도 지하구조물 내진성능보강에 적용된 공법 사례를 대상으로 본 연구의 목적인 현재 도시철도 내진성능보강 공사에 적용현황을 분석한 결과, ○○도시철도 본선구간에는 난연재료인 아라미드 섬유, 정거장 구간 전후에는 난연 아라미드+불연성 재료, 정거장 내부 기둥은 강봉 + 연결재를 사용하는 내진성능보강이 다수 선정된 것을 확인하였다. 특히, 아라미드 재료를 사용한 공법이 75%가 넘게 적용되었다.
국내에는 고연성섬유, 직조보강섬유, 바잘트 섬유 등 난연과 불연 공법용 재료를 사용한 보강공법이 개발되어있다. 특히, 유리섬유, FRP보강 그리고 체결형 보강적층판공법 등은 Table 5와 Table 6에서 제시된 바와 같이 기존 도시철도 내진성능보강에서 시험 적용되었었으며, Kim et al.(2012)은 서울메트로와 광주도시철도에 시험 시공된 사례를 연구 분석하여 도시철도 내진성능보강에 적용 할 수 있는 방안을 제시하였다. 그러나 이렇게 시험 시공되거나 연구된 재료와 공법들은 ○○도시철도 내진 성능보강에 선정되지 않았다. 또한, 기존에 적용사례가 없는 직조보강섬유, 바잘트 섬유 등 재료를 사용하는 공법은 성능에 대한 시험성적서 확인은 되었어도 한 곳도 반영되지 않았다.
공공기관에서 사업이 진행되는 도시철도 내진성능 보강공사에는 각 구간별 특성을 반영한 공법이 검토되어 적용하여야 한다. 그럼에도 불구하고 아라미드라는 특정재료가 다수를 차지 한 것은 도시철도 지하구조물 내진성능보강 재료 및 공법 선정 평가방법이 문제점이라고 본다.
따라서, 향후 추가연구를 통하여 현재 국내외에서 많은 연구와 비용을 투자하여 개발된 보강재료 및 공법을 내진성능보강 공사현장에 적용 할 수 있는 방안에 대하여 보완연구가 필요하다. 또한, 도시철도 지하구조물 내진성능보강 설계 및 재료, 공법 선정 평가 방법은 공론화를 통하여 개선방안을 연구 할 필요가 높다.
