Structural Engineering

JOURNAL OF THE KOREAN SOCIETY OF CIVIL ENGINEERS. October 2020. 455-463
https://doi.org/10.12652/Ksce.2020.40.5.0455


ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 적용 도로시설물

  • 3. 지수평가 방법

  • 4. 지진위험도평가 방법

  •   4.1 의사결정지원 소프트웨어 개발

  •   4.2 도로망 구성

  •   4.3 도로시설물 표준 취약도함수

  •   4.4 지진시나리오 구성

  •   4.5 교통시나리오 구성

  •   4.6 누적피해 계산

  •   4.7 지진위험도평가 결과고찰

  • 5. 지수평가방법 및 지진위험도평가 방법 비교검토

  • 6. 결 론

1. 서 론

도로시설물은 크게 교량, 터널, 사면, 옹벽으로 구분될 수 있으며, 2020년 기준으로 1·2종 도로시설물의 개수는 교량(11,959개소), 터널(3,889개소), 사면(4,376개소), 옹벽(2,934개소)으로 파악되고 있다. 최근, 3종 시설물의 지정·고시에 따라 도로시설물 중 교량·육교(19,537개소), 터널(44개소)등이 추가로 등록되었다. 1·2종 시설물 중 사용연수가 30년 이상 된 노후교량은 2020년에 8.9 %에서 2030년에는 30.95 %로 10년 사이 3배 이상 급증되고 있다. 특히, 3종 교량은 10년 후 전체 3종 교량의 65 %이상이 사용연수 30년 이상 되는 노후교량이 될 것으로 전망되고 있다.

국내 지진에 대한 발생빈도가 증가하면서 행정안전부는 내진설계기준 공통적용사항(MOIS, 2017)을 개정하였으며 이에 따른 기존 도로시설물의 내진성능 확보유무가 검토되어야 한다. 이는 기존 설계기준을 통해 내진보강 되었거나, 내진설계가 된 시설물을 포함한 모든 도로시설물(39,252개소)을 대상으로 내진성능관리가 재 수행되어야 함을 의미한다. 이렇듯 대량의 시설물에 대한 내진성능관리를 빠르고 신뢰성 있게 수행하기 위해서는 직·간접 지진피해규모 예측, 내진보강 우선순위 선정, 생존도로망 선정 및 필요예산 산정 등을 수행할 수 있는 의사결정 지원기술이 필요하다. 현재, 사용되고 있는 지원기술은 크게 지수평가방법(Indices Method), 피해예측방법(Expected Damage Method) 및 지진위험도평가 방법(Seismic Risk Assessment) 등 3가지가 있다. 결정론적 방법인 지수평가방법은 개별시설물의 내진성능을 정성적인 지수 값으로 산정하고 지수 값의 크기로 표현되는 개별시설물의 내진결함정도와 중요성에 따라 우선순위를 결정한다. 지수평가방법에서 사용되는 지수는 지진도, 취약도, 영향도로 크게 3가지 지수로 구분되며, 지수크기에 따라 핵심시설물, 중요시설물, 관찰시설물 및 유보시설물로 우선순위를 분류한다. 피해예측평가 방법은 개별시설물의 정량적인 직접피해금액과 정성적인 값으로 산정되는 간접피해정도를 고려하여 우선순위를 결정한다. 확률론적 방법인 지진위험도평가 방법은 개별시설물이 아닌 도로망의 직·간접 피해규모를 모두 정량적으로 산정하고 이를 통해 우선순위 선정, 보강효과 검증, 생존도로망 선정, 관리예산 산출 등을 수행한다.

국내의 경우 다양한 연구자에 의해 여러가지 방법이 검토되었지만, 정부와 지자체의 내진성능관리 실무에서 주로 사용되는 방법은 한국시설안전공단의 기존시설물 내진성능평가 요령(KISTEC, 2019)이다. 하지만, 본 요령은 지수평가방법으로서 내진보강 우선순위 선정 이외에 내진성능관리에 필요한 다양한 의사결정을 지원하지 못하고 있어 이를 보완할 수 있는 방법이 필요한 실정이다. 이에 따라 확률론적 방법 중의 하나인 지진위험도평가 방법을 도입하고(Kim et al., 2019), 지수평가방법과의 비교평가를 통해 현장 실무의 적용성을 평가하고자 한다.

2. 적용 도로시설물

도로시설물 실증을 통한 내진성능관리 의사결정 지원기술들을 비교평가하기 위하여 국내 지진이 발생한 포항시의 도로시설물을 내진성능관리 의사결정 지원기술 적용 대상으로 선정하였다. 포항시에 분포하고 있는 도로시설물(1~3종, 기타)은 시설물통합정보시스템(FMS) 기준으로 교량 351개소, 터널 43개소, 사면 70개소, 옹벽 25개소로 분포되어 있다. 이 중 주요노선에 포함된 교량 220개소, 터널 16개소, 사면 16개소, 옹벽 10개소 대상으로 지수평가방법 및 지진위험도평가 방법을 적용하였다. Fig. 1은 포항시 도로망에 포함되는 도로시설물 중 220개의 교량 상부구조형식 별 분포와 준공년도 별 분포를 나타내고 있다. 콘크리트 교량의 형식은 RC슬래브교(RCS)가 63개소(29 %), 라멘교(Ramen)가 28개소(13 %)가 대부분이며, 강교량의 형식은 강박스거더교(STB)가 57개소(26 %), PSC I빔교(PSCI)가 45개소(20 %) 등이 있다. 준공년도가 10년 이상 20년 미만이 109개소(50 %)로 제일 높았으며 20년 이상 30년 미만이 72개소(33 %)를 차지하는 것으로 조사되었다. 또한, 터널은 개착식 터널 및 비개착식 터널이 있으며 옹벽은 콘크리트 옹벽과 보강토 옹벽, 사면은 대부분 절토사면으로 높이 28 m부터 73 m까지 다양한 높이가 있는 것으로 조사되었다.

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Fig. 1.

Distribution Ratio of 220 Bridges by Upper-Structure Type and Completion Year in Pohang

3. 지수평가 방법

지수평가방법은 도로시설물(교량, 터널, 사면, 옹벽)별로 우선순위를 평가하는 방법에 차이가 있다. 현재, 도로시설물 중 교량 및 터널에 대한 국내에서 적용하는 지수평가방법은 기존 시설물(교량)의 내진성능평가 요령(KISTEC, 2019)과 기존 시설물(터널)의 내진성능평가 요령(KISTEC, 2020)을 적용하고 있으며, 사면 및 옹벽에 대해서는 별도의 명확한 평가 요령이 제공되고 있지 않은 실정이다. 따라서, 본 논문에서는 도로시설물 중 교량 및 터널에 대해서만 우선적으로 지수평가방법을 적용하였다.

지수평가방법을 이용한 교량의 우선순위는 지진도그룹, 취약도지수 및 영향도계수의 크기에 따라 결정되며, Fig. 2는 포항시를 대상으로 구하는 과정을 나타내었다.

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Fig. 2.

Seismic Retrofit Priority Decision Process of Bridges in Pohang

포항시의 지진도 그룹은 지진구역 I, 도시권역 및 지반분류 S2에 따라 제2그룹에 속하는 것으로 평가되었다. 포항시의 지반분류는 S1~S5로 다양하지만, 본 논문에서는 계산편이를 위해 모든 평가방법(지수평가, 지진위험도평가)에서 동일하게 S2로 가정하였다.

교량의 취약도는 지진으로 인해 교량이 붕괴되거나 손상받기 쉬운 형태를 구분하는 것으로 교량 취약도지수(Vulnerability Index)로 나타내며, Eq. (1)을 이용하여 취약도지수를 구하였다. 교량의 영향도는 지진으로 인해 교량이 피해가 발생한 경우 이로 인한 사회·경제적인 영향을 고려하는 결정인자로 Eq. (2)을 이용하여 영향도계수(Impact Coefficient)를 구하였다. 이를 바탕으로 교량의 내진보강 우선순위 산정결과는 Fig. 3과 같으며, 핵심교량은 56개소(25.5 %), 중요교량은 44개소(20.0 %), 관찰교량은 7개소(3.2 %), 유보교량은 113개소(51.4 %)로 나타났다.

$$VI=0.35(WEIGHT_{지수})+0.05(PEIR_{지수})+0.20(SUPPORT_{지수})+0.20(SKEW_{지수})+0.20(\frac{AGE_{현재}}{AGE_{기준}})$$ (1)
$$IC=0.20(ADT_{지수})+0.10(LEVEL)+0.40(CATEGORY)+0.05(UTILITY)+0.05(FACILITY)+0.20(DETOUR_{지수})$$ (2)

여기서, WEIGHT는 상부중량 지수, PEIR는 교각형상 지수, SUPPORT는 받침길이 지수, SKEW는 교각받침의 사잇각 지수, AGE,AGE기준은 교량의 건설 후 경과년수 및 기준수명(년)을 나타내며, ADT는 교통량 지수, LEVEL은 교량설계등급 지수, CATEGORY는 시설물종별 지수, UTILITY는 교량하부의 기간망 지수, FACILITY는 부착시설물 지수, DETOUR는 우회도로 지수를 나타낸다.

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Fig. 3.

Seismic Retrofit Priority Decision of 220 Bridges in Pohang

포항시 터널 16개소에 대한 지수평가방법은 취약도, 영향도를 고려하여 Fig. 4와 같이 수행된다.

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Fig. 4.

Seismic Retrofit Priority Decision Process of Tunnels in Pohang

터널의 취약도는 터널 주변의 지반상태, 갱구부 비탈면, 저토피 구간, 불균형 토압, 터널 형상, 라이닝 형식, 시공방법, 단면크기, 재난이력, 지속적인 변형, 노후화, 손상상태 등 터널 시공에서부터 유지관리에 이르는 다양한 인자를 고려하여 취약도지수로 나타난다. 포항시 터널 16개에 대해 Eq. (3)을 이용하여 취약도지수를 구하였다. 터널의 영향도는 지진으로 인해 교량이 피해가 발생한 경우 이로 인한 사회·경제적인 영향을 고려하여 교통량, 인접 주요시설물, 주요 라이프라인 등의 다양한 인자를 고려하여 Eq. (4)을 이용하여 영향도계수를 구하였다. 이를 바탕으로 터널의 우선순위 산정을 하였고 16개소 터널 모두 “관찰터널”로 산정되었다.

$$VI=10\times(Soil+Slope+Depth+Unbal+Shape+Lining+Const+Size+Hist+Defor+Deter+Damage)$$ (3)
$$II=20\times(Traffic+Facilities+Lifeline+Importance+Recovery)$$ (4)

여기서, Const는 터널시공방법에 따른 지수, Size는 굴착단면지수, Defor은 변형지수, Hist는 재난이력지수, Recovery는 성능회복비용지수를 나타낸다.

결정론적 방법인 지수평가방법은 개별시설물의 내진성능을 정성적인 지수 값으로 산정하고 지수 값의 크기에 따라 내진성능관리 우선순위만을 결정하고 있어 내진성능관리에 필요한 도로시설물의 물리적 피해규모, 사회·경제적 피해규모, 내진보강을 위한 필요예산, 내진보강효과 등에 대한 정량적 결과를 제시하지 못하고 있는 실정이다. 또한, 도로망에 대한 고려 없이 특정구역 내의 개별시설물 위주로 진행됨에 따라 내진성능관리가 되었음에도 불구하고 지진 직후 도로망을 사용할 수 없는 결과를 초래하고 있다. 현재, 국내에서 사용되고 있는 지수평가방법은 도로시설물 중 교량 및 터널에 대해서만 평가요령을 제시하고 있어 사면 및 옹벽에 대한 내진성능 관리방안이 불확실한 실정이다.

4. 지진위험도평가 방법

4.1 의사결정지원 소프트웨어 개발

지진위험도평가 방법은 Fig. 5와 같이 도로망 구성, 취약도 구성, 지진시나리오 구성, 교통시나리오 구성 및 해석, 누적피해 및 의사결정지수 계산 등 5단계 과정으로 수행된다. 1단계인 도로망 구성은 특정지역에 있는 노선을 바탕으로 도로망을 구성하고 해당 노선에 도로시설물(교량, 터널, 사면, 옹벽)을 할당한다. 2단계인 취약도 구성은 도로망에 포함되는 모든 도로시설물의 취약도유형을 조사하고 피해단계별 취약도를 계산한다. 3단계인 지진시나리오 구성은 도로망이 포함된 지역의 단층위치, 재현주기별 지진강도를 바탕으로 지진시나리오를 구성하고 앞서 계산된 취약도와 연계시켜 각각의 지진시나리오에 대한 도로시설물의 피해 등급별 확률을 계산한다. 4단계인 교통시나리오 구성 및 해석에서는 몬테카를로 시뮬레이션을 이용하여 피해등급을 전체도로망에 분포시키고 이를 통해 교통시나리오를 구성하고 교통해석을 수행한다. 마지막 5단계인 누적피해 및 의사결정지수 계산에서는 시나리오별 도로망의 직·간접 누적 피해규모를 계산한다.

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Fig. 5.

Seismic Risk Assessment Process

총 5단계로 수행되는 지진위험도평가 방법은 국내 실정에 맞는 취약도함수를 필요로 하지만, 현재 한국형 도로시설물(교량, 터널, 사면, 옹벽)의 취약도함수가 개발 중에 있어 본 논문에서는 HAZUS (Jaiswal et al., 2017)가 제시한 취약도함수를 사용하여 포항시 도로망에 대한 내진성능평가를 하였다. 향후, 한국형 노후도로시설물 취약도함수가 개발되면 이를 적용하여 포항시 도로시설물의 내진성능을 해석·평가를 수행하고 한국형 취약도함수의 특성을 소개할 예정이다.

위에서 제시된 방법을 통해 지진시나리오별 도로망의 직·간접 피해규모를 수 계산을 통해 산출할 수 있다. 하지만, 도로망 내 도로노선과 도로시설물 수 증가에 따라 수 계산을 통해 모든 지진시나리오 및 교통시나리오에 대한 결과를 산출하는 것은 현실적으로 불가능하다. 또한, 내진성능관리를 수행하는 의사결정자를 지원하기 위해 공간정보를 활용하여 내진성능평가 결과를 직관적으로 볼 수 있는 매체가 필요하다. 이러한 요구에 따라“의사결정지원 소프트웨어”를 개발하였다. 소프트웨어는 본 논문의 4.2절 도로망 구성, 4.3절 도로시설물 표준 취약도함수 구성, 4.4절 지진시나리오 구성, 4.5절 교통시나리오 구성 및 4.6절 누적피해 계산 등의 알고리즘을 바탕으로 사용자가 지진 전·후 내진성능관리를 위한 의사결정을 수행할 수 있도록 정량화된 직접피해, 간접피해, 성능개선비용, 지진생존노선 선정 및 지진 직후 초동대응지역 지정 등 다양한 정보를 제공할 수 있도록 구성하였다. 본 논문에서는 현재 개발 된 “의사결정지원 소프트웨어”를 활용하여 내진성능평가를 수행하였다.

4.2 도로망 구성

도로망 구성 시에는 도로노선과 지진으로부터 피해를 입을 수 있는 교량, 터널, 사면, 옹벽의 도로시설물을 포함한다. 도로포장, 교통표지판(overhead sign structure) 및 기타 도로운영 관련 부속시설물은 도로망 구성 대상에서 제외하였다. 도로망 구성에 필요한 도로길이와 도로폭, 도로종류 등과 함께 공간정보인 도로노선의 위치를 WGS좌표계를 사용하여 나타내었고, 상용 GIS프로그램인 QGIS를 이용하여 전체노선 중에서 도로폭이 7 m 이상 되는 노선을 대상으로 도로망을 구성하였다. 또한, 7 m이상 되는 주요노선에 있는 도로시설물을 Fig. 6과 같이 4개 클래스로 구분하여 도로망에 포함시켰으며 대상시설물은 지수평가방법에서 사용하였던 시설물(교량 220개소, 터널 16개소, 사면 16개소, 옹벽 10개소)과 동일하다.

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Fig. 6.

Road Network Composition in Pohang

4.3 도로시설물 표준 취약도함수

취약도함수는 Eq. (5)와 같이 주어진 지진수준에 대해서 기 정의된 시설물의 손상정도를 초과하는 피해를 입을 확률을 나타낸다. 취약도함수를 통해 최대지반가속도(PGA) 또는 스펙트럼가속도(Sa)로 표현되는 지진강도 수준에 따라 사전에 정의된 4가지 손상상태(경미, 보통, 심각, 붕괴)를 초과하는 발생확률을 산정한다. 4가지 피해상태는 도로망에 포함된 모든 도로시설물(교량, 터널, 사면, 옹벽)에 대해 정의된다. 본 연구단을 통해서 개발 예정인 취약도함수의 지진입력변수는 HAZUS와 마찬가지로 교량은 스펙트럼 가속도(Sa), 터널·사면·옹벽은 최대지반가속도로(PGA)로 구성될 예정이다. 또한, 포항지역의 도로시설물의 피해단계별 취약도구성을 위해서 미국재난청에서 제공하는 HAZUS 체계를 이용하였다. 향후 한국형 노후도로 시설물 취약도함수가 개발되면, 이를 적용하여 노후 도로시설물의 내진성능 해석하고 비교평가 할 예정이다.

$$P\left[ds\left|S_d\right.\right]=\Phi\left[\frac1{\beta_{ds}}\ln\left(\frac{S_d}{{\overline S}_{d,ds}}\right)\right]$$ (5)

여기서, S¯d,ds는 건물이 손상상태 ds의 임계치에 도달할 때의 평균스펙트럼 변위의 중앙값으로서, 건물의 높이에 손상상태 ds를 정의하는 층간변위를 곱한 값으로 계산된다. 또한, βds는 구조적인 손상상태 ds의 총 변동성을 나타내는 자연대수 표준편차, 그리고 Φ는 표준정규누적분포함수를 나타낸다.

4.4 지진시나리오 구성

본 연구에서 사용된 지진시나리오는 진원지 및 재현주기 개수에 따라 결정된다. 진원지 위치 및 재현주기에 따른 지진강도가 정해지면, 지진위험도 분석을 통하여 일정기간 동안 임의부지에서 지진지반 운동수준의 초과확률을 계산하고 지반운동의 최대치와 주파수 특성에 따른 위험도곡선을 도출한다. 본 논문에서는 진원지의 공간적인 특성을 고려하기 위해, 진원지를 여러 개의 세그먼트로 분리하였고 세그먼트의 지진강도 및 도로시설물과의 위치를 바탕으로 Eq. (6)을 사용하여 시설물위치에서의 지진강도를 계산하였다.

$$P(IM>x)=\int_{m_{min}}^{m_{max}}\int_0^{r_{max}}{P\left(IM>x\left|m\right.,r\right)f_M(m)f_r(r)dr\;dm}$$ (6)

여기서, IM은 도로시설물 위치에서의 지진동강도, PIM>xm,r은 지진강도 m, 거리 r인 진원지로부터 시설물위치로 전달되는 지진강도가 x를 초과하는 확률, fM(m)fr(r)은 진원지의 지진강도 및 거리에 대한 확률밀도함수를 나타낸다.

본 논문에서는 2017년 발생한 포항지진의 진원지 및 지진강도를 이용하여 50년, 100년, 475년 및 1000년 주기의 지진강도 시나리오를 Fig. 7과 같이 구성하였다.

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Fig. 7.

Seismic Intensity by Return Period

4.5 교통시나리오 구성

앞서 계산된 도로시설물의 손상단계 별 확률을 시설물이 속해있는 노선에 할당하여, 지진 직후의 노선의 기능수준(폐쇄여부)을 결정한다. 이후 시간의 흐름에 따라 시설물 손상단계별로 도로망이 순차적으로 복구되는 과정을 구성하였고 이를 교통시나리오로 나타내었다. 지진 직후의 기능수준을 결정하는 방법으로 이산화방법(Kilanitis and Sextos, 2019)과 몬테카를로 방법이 있다. 이산화방법은 기능수준 100 %의 정상상태(1)와, 손상으로 인해서 완전히 교통통제가 이루어지는 폐쇄상태(0) 두 가지 경우로 이산화 하여 교통시나리오를 구성하며, 몬테카를로 방법은 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 교통시나리오를 구성한다. 본 논문에서는 몬테카를로 방법을 이용하여 교통시나리오를 구성하였다.

몬테카를로 방법을 통한 교통시나리오는 지진 직후 도로망의 기능수준을 우선 결정하고 시간의 경과에 따라 도로망이 복구되는 과정으로 구성된다. 전체도로망의 기능수준은 앞서 계산된 손상단계별 확률을 바탕으로 개별 도로시설물이 특정 손상단계에 있는 경우의 수를 Eq. (7)과 같이 난수표로 시뮬레이션하고 시설물이 속해있는 노선의 손상단계로 할당하여 결정한다.

$$N_r=\prod_{t=1}^N\left[S_t=\left\{\begin{array}{cc}DS_1&\mathrm{if}\;R_{MC}\;\leq\;P_{DS1}\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\\DS_i&\;\;\mathrm{if}\;P_{DS1}\;<R_{MC}\;<\;P_{DS4}\;\\DS_4&oterwise\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\end{array}\right.\right]$$ (7)

여기서, Nr은 네트워크 상태지수이며 Stt번 시설물 손상등급, DSi는 손상등급(무해, 경미, 보통, 극심, 붕괴), PDS는 손상등급 확률, RMC는 난수를 나타낸다.

Fig. 8은 포항단층 1000년 강도 지진에 대한 교통시나리오이며, 지진 직후의 도로망 기능 수준을 몬테카를로 방법을 통해 시뮬레이션하고 이후 시간의 경과(지진직후, 7일, 7~150일, 150~450일)에 따라 도로망이 정상상태로 복구되는 과정을 나타내고 있다.

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Fig. 8.

Traffic Scenario by the 1000 Year Return Period on Pohang Fault Line

4.6 누적피해 계산

누적피해는 지진시나리오 및 교통시나리오에 대한 도로망의 직접피해규모와 간접피해규모 평가를 통해 이루어진다. 직접피해는 취약도함수를 이용하여 개별시설물의 손상등급 별 초과확률을 계산하고 손상등급별 피해비용을 적용하여 산출하였다. 도로망의 직접피해비용은 개별시설물 피해비용을 합산하여 Eq. (8)와 같이 구할 수 있다.

$$DirectCost_{k,m}=\sum_{m=1}^N\left[RE_i\times\sum_{m=1}^M\sum_{ds=1}^{DS}\left(RCR_m^i\times P_{ds}^{i,k,m}\right)\right]$$ (8)

여기서, DirectCostk,m는 재현주기 k, 진원지 m 시나리오에 대한 도로망의 직접피해비용, REii번시설물의 교체비용, ds는 피해등급, RCR은 교체비용 비율로 환산되는 보수비용, Pds는 피해등급별 확률을 나타낸다.

간접피해는 교통지연에 따른 비용으로 계산하였다. 교통지연은 정해진 출발지와 도착지를 통과하는데 걸리는 지진 전·후의 총 이동시간을 비교함으로써 산출되며, 교통시나리오에 대한 통행시간 양을 계산하기 위한 교통해석은 오픈소스인 DTALite를 이용하여 수행하였다. 도로망의 교통지연에 따른 총 피해비용은 아래 식 Eq. (9)와 같이 계산할 수 있다.

$$TrafficCost_{(p)}=VOT\times\sum_{j=1}^{Link}\left(V_{j,p}t_{j,p}-V_{j,0}t_{j,0}\right)$$ (9)

여기서, TrafficCost(p)는 도로망의 총 교통지연에 따른 피해비용을 의미하며, p는 복구단계, j는 노선번호, VOT는 지연시간당 비용, Vj,p는 노선 jp복구단계에서의 교통량, tj,p는 노선 j의 p복구단계에서의 노선통과시간, Vj,0는 노선 j의 지진 전 교통량, tj,0은 노선 j의 지진 전 노선 통과시간을 나타낸다.

4.7 지진위험도평가 결과고찰

앞서 소개된 도로망, 취약도 및 지진도 등을 바탕으로 지진시나리오 및 교통시나리오를 구성하고, 개발 된 의사결정지원 소프트웨어를 활용하여 시나리오별 직접피해규모 계산 및 교통해석을 수행하였다. Fig. 9는 하나의 지진시나리오에 각 재현기간에 대한 도로망의 직접피해 및 간접피해규모를 나타냈으며, 재현주기 475년일 때 직·간접피해 규모가 4.9백억원·20.2백억원이며, 재현주기 1000년일 때 직·간접피해 규모가 12.4백억원·60.1백억원으로 나타났다.

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Fig. 9.

Direct·Indirect Damages of Earthquake ScenarioⅠby Return Period

지진강도가 증가할수록 직·간접 피해비용이 크게 증가하는 것을 알 수 있었으며, 특히, 교통지연에 따른 간접피해가 급증하여 재현주기 1000년 지진에서는 간접피해가 직접피해보다 4.8배 이상 되는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 도로시설물 내진성능평가는 개별시설물기준이 아닌 도로망관점의 직접피해 및 간접피해 해석이 수행되어야 신뢰성 있는 내진성능관리를 위한 의사결정을 수행할 수 있다는 것을 알 수 있다.

5. 지수평가방법 및 지진위험도평가 방법 비교검토

포항시를 대상으로 지수평가방법과 지진위험도평가 방법을 주요 도로시설물에 적용한 결과는 Fig. 10과 같다. Fig. 10(a)는 지수평가방법을 통해 내진보강 우선순위로 선정된 “핵심”시설물 56개소와 이외의 “중요·관찰·유보”시설물 180개소를 나타내고 있다. Fig. 10(b)는 지진위험도평가 방법을 통해 의사결정 할 수 있는 생존노선을 보여주고 있다. 생존노선의 선정은 최단노선, 일교통량 및 최소비용 등의 다양한 선정기준에 따라 정해질 수 있다. 본 논문에서는 포항시 북쪽과 서쪽을 출발지역으로 남쪽과 동쪽을 도착지역으로 설정하고 최단노선 기준으로 생존노선을 2개(1→2, 3→4)로 선정하였다.

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Fig. 10.

Core Facilities vs. Survival Facilities in Pohang

결과적으로 지수평가방법을 통한 내진성능보강을 수행하여도 포항시 북쪽에서 남쪽으로 또는 서쪽에서 동쪽으로 이동할 수 있는 생존노선이 확보되지 않음을 알 수 있다. 또한, 지진위험도평가방법은 정성적인 결과만을 산출하는 지수평가방법과는 달리 정량적인 직·간접피해규모를 산출할 수 있다. Figs. 10(c) and 10(d)에서 지진위험도평가 방법을 통해 산출되는 생존노선 시설물(1→2 12개소, 3→4 25개소)의 지진시나리오(포항단층, 100년, 475년, 1000년 재현주기)별 직접피해 규모를 나타내고 있다.

지진이 발생한 직후, 구호 및 대피를 위한 생존노선확보는 반드시 필요하다. 생존노선을 확보하기 위해서는 생존노선에 포함된 도로시설물이 모든 지진시나리오에 대한 내진성능이 확보되어 있어야 한다. 내진성능확보의 기준은 지진 직후 통행이 가능한 피해규모인 경미한 손상 이하가 되며, 내진성능이 확보되지 않은 도로시설물에 대한 내진보강이 필요하다. 생존노선이 확보되면 지진 직후 물류이동 뿐만 아니라 생존노선에 포함된 도로시설물의 직접피해를 방지하고 교통지연에 따른 간접피해를 대폭 축소시킬 수 있어 내진성능 의사결정 시 고려되는 중요한 요소인 “투자대비 효과”를 최대화 할 수 있는 장점이 있다.

또한, 지진위험도평가 방법은 다양한 시나리오를 기반으로 내진성능평가를 수행하기 때문에 실제 지진이 발생했을 때 해당지진과 가장 가까운 시나리오를 찾아 그 결과 값을 활용하면, 지진 직후 초동대응을 효과적으로 수행할 수 있다.

6. 결 론

내진성능관리 의사결정지원을 위해 사용되고 있는 기술은 크게 지수평가방법, 피해예측방법 및 지진위험도평가 방법 등 3가지가 있다. 본 논문에서는 포항시 도로시설물을 대상으로 결정론적인 방법인 지수평가방법과 확률론적인 방법인 지진도위험평가방법을 적용하여 각 방법의 특성을 비교 검토하였다. 결정론적인 지수평가방법은 현재 우리나라의 내진성능관리 실무에 사용되고 있는 의사결정 지원기술로서, 개별시설물의 내진성능을 정성적인 지수 값으로 산정하고 지수 값의 크기에 따라 내진성능관리 우선순위만을 결정하고 있어 내진성능관리에 필요한 정량적인 직·간접 피해규모, 내진보강예산 등을 제시하지 못하고 있는 실정이다. 또한, 지수 값 산정을 통한 우선순위 결정은 도로망에 대한 고려 없이 일부구역 내의 개별시설물 위주로 진행됨에 따라 내진성능관리가 되었음에도 불구하고 지진 직후 긴급물자 이송을 위한 도로노선은 여전히 확보할 수 없는 결과를 초래하고 있다. 또한, 투자에 대한 효과를 검증할 수 있는 방안을 제시하고 있지 않아 내진성능관리를 위한 신뢰성 있는 최적의 의사결정이 어려운 실정이다.

따라서, 이러한 단점을 극복하고 내진성능관리 의사결정에 필요한 다양한 정보(도로시설물의 물리적 손실비용 산정, 사회·경제적 간접손실비용 산정, 구호물자보급을 위한 생존노선 선정 등)를 제공하는 지진위험도 평가방법으로 전환이 필요하며, 본 논문을 통해서 제시된 지진위험도평가 기술은 이러한 요구조건을 충족하는 기술이라 할 수 있겠다.

Acknowledgements

이 논문은 국토교통부 건설기술연구사업의 연구비지원(20SCIP- B146946-03)에 의해 수행되었습니다.

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