1. 서 론

일반적으로 교량은 계곡, 하천 등의 구간을 쉽게 통과하기 위한 목적으로 설치되는 시설물이다. 우리나라의 경우 2021년 12월 기준 국내 고속국도용 10,818개 교량과 일반국도 8,871개소, 기타국도 17,389개소 등 총 37,078개소의 교량이 설치되어 있다(MOLIT, 2022a; Seo at al., 2022). 2021년 12월 기준 도시철도 내에 존재하는 교량은 총 55개소이며 길이는 125 km이며(MOLIT, 2022b), 이중 트러스교 3.6%, 판형교 52.7%, P.C교 43.7%를 차지하고 있다. 도시철도 교량의 대부분을 차지하는 판형교는 도상이 없는 무도상 교량으로 침목이 교량의 거더에 바로 연결되어 열차나 차량이 주행할 때 발생하는 하중이 교량에 직접 전달이 되는 구조이다. 이에 따라 충격으로 인한 진동 및 소음이 발생하는 문제가 발생하고 있으며, 특히 도심지 내의 있는 교량의 경우 진동과 소음 등으로 민원이 많이 발생하고 있다. 판형교는 국내 일제 강점기부터 건설되기 시작하여 현재까지 활용이 되고 있으며, 이 중 80% 이상은 50년 이상 노후된 구조물이다. 기존의 운영 중인 판형교 교량에 대해 철도의 주행속도 향상, 내진성능을 위하여 슬래브 거더나 강합성 거더로 교체하거나 자갈도상으로 유도상화로 변경하는 작업 등 지속적인 개량 및 교체사업이 진행되고 있는 실정이나, 중량의 증가로 인한 가설비용이 크게 증가하는 경우가 많아 사업추진이 느리게 진행되고 있다(Kim et al., 2005; Park et al., 2009, 2017; Min et al., 2011; Choi and Choi, 2012).

도심지를 통과하여 운행되는 철도교량 혹은 고속도로가 서로 지나가는 고속도로 내 교량 등은 지진, 통행차량의 충돌 등의 외부적인 요인으로 인해 손상이 발생하게 되며, 이로 인한 심각한 인명피해와 주변 시설물의 피해 그리고 운행중단으로 인한 도심지의 기능 마비 등 심각한 인적 물적 피해가 발생할 수 있다(Lee et al., 2016).

철도 안전 정보 종합 관리시스템에 따르면 2022년 12월 기준 최근 5년간 충돌 및 철도시설파손사고는 충돌 8건, 철도시설파손사고 10건이 발생하였다. 이중 도시철도의 경우 충돌 4건 및 철도시설 파손사고 4건이 발생하였다(KOTSA, 2023).

Fig. 1에서 나타난 것과 같이 차량의 충돌로 인해 발생하는 외부 충격하중은 교량 내의 부분 혹은 전체에 변형이 발생하게 되고 이에 따라 운행중단 등이 발생하며, 심각한 경우 교량이 붕괴가 될 수도 있다. 미국 고속도로 교통안전국(National Highway Traffic Safety Administration, NHTSA)의 보고서에 따르면, 차량과 교량의 충돌사고는 2018년 기준 약 13,000건이 발생하였다(FHWA, 2020).

Fig. 1.

Example of damage caused by collision of an operating vehicle on a bridge in the United States (FHWA, 2020)

운행차량에 의한 철도 교량 및 도로교 교량 하부 충돌은 일반적으로 통과높이를 초과하는 차량의 운행 및 제한시설 미비로 인한 운전자 부주의 등이 주요한 원인이며, 제한시설의 단계적 설치, 제한 높이 표지판 설치 및 적정성 확인 등이 충돌을 예방하기 위해 시행되고 있다(EX, 2018). 또한, 충돌이 발생한 교량에 대해서는 손상 정도에 따라 부분 보수 혹은 전면 교체 등의 보수작업이 진행되고 있다. 충돌로 인한 손상 혹은 변형이 발생하는 경우, 변형의 정도, 변형으로 인한 교량의 내하력에 영향을 미치는 정도 등에 따라 보수 방법을 결정한다. 국부 변형이나 변위가 발생하면 우선 대상 교량의 구조적 안전성 검토를 수행하고, 검토 결과를 바탕으로 보수를 수행한다. 철도교의 경우 “철도건설공사 전문시방서 노반편(MOLIT, 2017)”, “도로교 표준시방서(MOLIT, 2016a)”, “강구조공사 표준시방서(MOLIT, 2016b)” 등의 강교의 제작시 허용하는 제작 치수 허용오차 및 가조립 정밀도 기준 등을 바탕으로 보수기준을 산정하여 작업을 수행한다.

본 연구에서는 도심지 내에서 설치되어 운행 중인 노후 철도 교량에 대해 차량의 충돌로 인해 발생한 국부 변형에 대한 보수작업에 대한 수치 해석적 검토를 수행하였다. 이를 위해 차량 충돌로 인하여 발생한 국부 변형에 대한 교량의 구조적 안전성 검토를 수행하였다. 본 논문에서는 분석 결과를 바탕으로 사고 교량의 보수 방법을 제시하였다.

2. 대상 노교량에 대한 충돌사고 개요

2022년 8월 교량 하부를 통과하려던 크레인이 지나가던 중 높이 제한용 구조물에 부딪히는 사고가 발생하였다(Hankyung, 2022). Fig. 2에 나타난 것처럼 충돌사고로 철도교에 설치되어 있는 높이 제한용 구조물이 떨어졌고, 교량의 하부 거더에 국부적인 변형이 발생하였다.

Fig. 2.

Crane vehicle collision accident site with railroad bridge (Hankyung, 2022)

대상교량은 1930년대 가설된 도심지를 가로지르는 철도교량으로 차량의 통과 높이는 4.3 m이다. 교량의 형식은 상부구조는 플레이트 거더 구조이며, 하부는 중력식이다. 설계하중 LS-18로 설계되었으며, 단선 2경간이며 연장 19.0 m의 플레이트 판형교이다. 충돌사고로 인하여 발생한 손상은 Fig. 3과 같다.

Fig. 3.

Crane collision accident status of plate girder bridge

Fig. 3에 나타난 것과 같이 차량이 교량의 하부 플랜지와 충돌사고가 발생하여, 하부플랜지에 국부변형이 발생하였으며, 하부플랜지와 웹에 대한 변형이 발생하여 이에 대한 측정을 수행하였다. 또한, 하부플랜지와 연결된 내부 및 외부 주형사이 연결판 및 브레이싱에 대한 점검 등 구조적 안전성 검토를 수행하였다. 교량의 제원은 Fig. 4와 같다.

Fig. 4.

Bridge dimensions (unit: mm)

3. 교량의 구조안전성 검토

차량 충돌로 인해 거더 및 받침부에 손상이 발생하여 이에 대한 구조안전성 검토를 수행하였다. 대상교량은 판형교로 연장 19.0 m(9.5 m+9.5 m)으로 상부구조는 무도상 플레이트 거더(Plate Girder)교인 단선교량이다. 안전성 검토는 범용 구조해석프로그램인 MIDAS CIVIL을 이용하였으며, 구조물의 기하학적 특성을 6절점 자유도의 프레임(FRAME) 요소를 활용하여 모델링을 수행하였다. 건설 당시 설계하중은 LS-18이며, 철도교 설계기준에 따라 허용응력설계법으로 안전성 평가를 수행하였다.

모델링 시 궤도의 중량은 7.0 kN/m로 하였으며, 사용강재는 SS41로 하였으며 재료의 물성치는 Table 1과 같다.

대상교량에 대하여 대한 3차원 유한요소 모델은 Fig. 5(a)에 나타난 것처럼 전체 모델은 Frame 요소를 활용하여 모델링을 수행하였고, 충돌이 발생한 거더 부분에 대해서는 추가적인 상세 해석이 필요하여, Fig. 5(b)와 같이 응력 검토의 목적으로 2차원 Shell 요소를 활용하여 모델링을 수행하였다.

Fig. 5.

Bridge numerical model

Table 2와 같이 구조안전성 검토를 위한 하중은 고정하중과 활하중 그리고 충격으로 인해 발생한 변위하중으로 구분하여 모델링을 수행하였으며, 하중조합시 허용응력 증가계수는 1.0으로 하여 설계하중을 정의하였다. 이때, 고정하중은 강재의 자중과 궤도하중, 그리고 점검로 및 상수도관 등 기타를 고려하였다. 활하중은 이동하중과 충격계수를 고려하였다. 변위하중은 현장 측정 결과를 바탕으로 플랜지 하부에 변위를 적용하였다. Fig. 6에 나타난 것처럼 변위하중은 연결판 좌굴부 하부플랜지 지점에 0.0~30.0 mm까지 5.0 mm 단위로 단계별로 재하하였다.

Fig. 6.

Displacement load applied point

지점부와 중간부에 대하여 설계하중에 대한 구조해석을 수행하였으며 해석결과는 Table 3과 Fig. 7에 나타나 있다.

Fig. 7.

Moment diagram at applied design loads

거더의 종방향에 대해서 지점부와 중간부에 대하여 구조해석을 수행하였으며 해석결과는 Table 4에 나타나 있다.

해석결과를 바탕으로 각 단면에 대해 설계하중 및 충돌하중으로 인해 발생하는 휨응력에 대해 허용응력법을 활용하여 구조안전성 검토를 수행하였다. 설계하중에 따라 3곳의 단면에 대해 검토를 수행하였으며, 검토 결과는 Table 5에 나타나 있다.

4. 결 론

본 연구에서는 도심지에 운행중인 노후 판형교 철도교량에 대하여 외부차량의 충돌로 국부변형이 발생에 따른 대상교량의 구조적 안전성 검토를 수행하였다. 안전성 검토결과 차량의 충돌 전인 단면손상이 없는 경우는 안전한 것으로 검토되었으나, 차량 충돌 후 발생한 국부변형(종단변형 및 국부 플랜지 하부 손상부)을 고려하여 구조 안전성을 검토한 결과 발생응력이 허용응력을 초과하여 적절한 조치가 필요할 것으로 판단되었다. 또한 향후 보수나 보강등의 조치를 통해 구조적 안전성을 확보하기 위해서는 잔류 종방향 변형량을 10.0 mm 미만으로 하는 것이 적절할 것으로 판단된다. 추가적으로 보수 및 보강 대상은 다음과 같다.

(1) 좌굴이 발생한 연결판 부재는 교체가 필요하다.

(2) 직접적인 충돌로 인하여 종방향 교축직각방향에 변형이 발생한 거더에 대해서는 보수가 필요하고 이때, 잔류 변형량 10 mm 미만 수준으로 복원이 필요한데, 이를 위해 좌굴이 발생한 연결판을 제거한 후 복원량을 측정하여 외부 하중재하를 통해 변형량이 10 mm 미만 수준으로 복원하고 이후에 연결판을 재설치하여야 한다.

(3) 받침 콘크리트가 파손된 받침에 대해서는 받침 콘크리트의 재타설이 필요하다. 만일 교각부 받침 콘크리트 내부의 받침 본체에 손상이 발생한 것이 발견되는 경우 받침의 교체 또한 필요하다.

(4) 충돌로 인해 받침의 이동이 발생한 받침에 대해서는 이동량 복원 및 Sole Plate와 받침판의 용접이 추가적으로 필요하다.

(5) 향후 보수시 거더의 안전성 확보를 위해서는 잔류 종방향 선형 변형량을 10.0 mm 미만으로 복원하는 것이 타당하다고 판단된다.