1. 서 론
2. 내부텐던 상태조사 추진경위
3. 내부텐던 상태조사 방법
3.1 내부텐던 상태조사 개요
3.2 측면조사 상세
3.3 파취조사 상세
3.4 정착구조사 상세
3.5 PSC-Slab교량 조사상세
3.6 미파괴조사 장비
3.7 내부텐던 결함등급
4. 내부텐던 상태조사 결과
4.1 대상교량 현황
4.2 교량 형식별 주요 결함(PSC-I형)
4.3 교량 형식별 주요 결함(PSC-U형)
4.4 교량 형식별 주요 결함(PSC-Slab형)
5. 내부텐던 결함 분석
6. 내부텐던 유지관리 방향
6.1 내부텐던 조사 및 유지관리 필요성
6.2 비파괴조사 기술 향상
6.3 보수·보강 방안
7. 결 론
1. 서 론
교량 및 터널과 같은 사회기반 시설의 파손 및 붕괴는 사회적으로 큰 반향을 일으킬 뿐 아니라 막대한 경제적 부담을 가져오며, 이는 인명사고로 이어진 성수대교 붕괴, 이탈리아 모란디 교량 붕괴 뿐 아니라 장기간 교통차단으로 인한 간접적 피해가 발생한 정릉천고가교 텐던 파단, 서해대교 케이블 화재 등의 국내·외 사례에서 확인할 수 있다. 특히 교량은 구조물의 철거 및 재건설로 인한 직접비뿐 아니라 도시의 도로 연결망 단절로 인한 교통대란 등 큰 사회적 간접비가 발생한다.
프리스트레스트 콘크리트(Pre-Stressed Concrete, 이하 PSC) 교량은 고강도 재료를 사용함으로써 철근 콘크리트 교량에 비해 균열이 억제되는 등 안전하고 내구성이 좋다고 인식되어 왔다. 그러나, 1985년 영국에서 Ynys-y-Gwas교의 붕괴를 비롯한 다수 교량에서 긴장재 부식 및 파단과 교량 붕괴가 발생하면서 PSC 교량이 그라우트의 부식 보호 역할을 하지 못할 때 장기적인 위험을 내재할 수 있다는 인식으로 전환하게 되었다(JPCI, 2012). 국내에서도 Fig. 1과 같이 2016년 2월에 PSC-Box형 교량인 정릉천고가교의 외부긴장재 파단 사고가 발생(Seoul Facilities Corporation, 2020)하면서 그라우트의 품질관리와 PSC 교량의 내구성에 대한 인식이 전환되기 시작하였으며(Seoul Facilities Corporation, 2017), 다양한 조사 및 보수보강 방법이 연구 및 시행되고 있다(Seoul Facilities Corporation, 2021). 이러한 조사 중 Fig. 2와 같이 2020년 9월 정기점검 중 PSC-I형 교량인 청담 1교에서 심각한 부식이 발견되어 PSC-Box 형 교량 뿐 아니라 PSC 일반거더(I형, U형, 슬래브) 교량 조사의 필요성이 대두되어 서울시설공단에서 2020년에 조사 계획을 수립한 후 2021년 부터 2023년까지 3년동안 20개의 교량에 대해 조사하였다. 본 보고서는 3년동안 실시한 PSC 일반거더교의 조사 과정 및 결과를 정리하였으며, 추후 유지관리에 필요한 부분에 대해 정리하였다.
2. 내부텐던 상태조사 추진경위
2020년 9월, 서울시설공단은 청담1교의 텐던 부식을 발견하여 아래와 같이 3년에 걸쳐 서울시설공단이 관리하는 PSC 일반거더 교량 20개에 대해 내부텐던 상태조사를 실시하였다. 주요 과정으로는 Fig. 3과 같이 2020년에 단계적 근접육안조사 및 계획을 수립하였고, 2021년에 보수 이력이 있는 4개교량을 우선 선정하여 1차 내부텐던 상태조사를 수행하였다. 그리고, 2022년에 사용연한이 오래된 8개 교량에 대해서 2차 조사를 실시하였으며, 2023년에 잔여교량 8개에 대해 3차 내부텐던 상태조사를 완료하였다(Seoul Facilities Corporation, 2023).
3. 내부텐던 상태조사 방법
3.1 내부텐던 상태조사 개요
국·내외 문헌과 PSC-Box거더교 내부텐던 상태조사 경험을 바탕으로 내부텐던 Fig. 4와 같이 상태조사 기본 흐름도를 수립하였다. 조사 시 우선순위는 ① 보수이력 및 손상이력이 있는 거더를 최우선 조사 ② 근접육안조사시 손상부가 확인된 거더 조사 ③ 내측거더 보다는 외부노출 가능성이 높은 외측거더 조사로 하였다. 보수 및 손상 이력이 있는 거더는 정착구 및 단부 2개소 이상, 중앙부 2개소 이하를 측면 조사하는 것으로 하였으며, 보수 및 손상 이력이 없는 거더는 정착구 및 단부 2개소 이하, 중앙부 2개소 이하를 측면 조사하는 것으로 하여 구조물의 손상을 최소화하였다. 또한, 측면조사 중 공동 및 부식이 심한 경우 상세한 내부텐던 상태를 확인하기 위해 파취조사를 병행하였다.
이 장에서는 각 위치별 조사 상세를 나타냈으며, 조사장비 및 조사결과를 판정할 수 있는 내부텐던 결함등급을 정리하였다.
3.2 측면조사 상세
Fig. 5와 같이 측면 조사는 GPR 탐사로 텐던 및 철근 위치를 확인하고, Impact Echo 탐사로 덕트 내부 공동 확인 후, 필요구간에 금속감지 드릴을 사용하여 천공한 후 내시경을 이용해 공동 및 부식상태를 확인한다.
3.3 파취조사 상세
Fig. 6과 같이 측면조사 결과 공동 및 부식이 심한 텐던은 상세한 조사를 위해 브레이커를 사용하여 일정구간(150×200 mm) 콘크리트 및 쉬스관을 제거한 후 육안으로 확인한다.
3.4 정착구조사 상세
PSC 일반거더교는 유간이 좁아 곡선교에서만 정착구 조사가 가능하다. 정착구조사 방법은 정착구 형식에 따라 Fig. 7과 같이 구분된다. 1980년초반까지 사용한 Multi wire 정착구와 그 이후 사용하고 있는 Multi strand 정착구로 구분되며 정착구 형식에 따른 조사방법을 다음과 같다.
3.4.1 Multi wire 정착구 조사 절차
1980년대 이전에 많이 사용한 Multi wire 정착구는 정착구 중앙에 수평으로 그라우트 주입홀이 있으므로, 그라우트 주입홀을 통해 비교적 깊게(4 m) 내시경 조사가 가능하므로, 3 m 이상인 내시경 장비를 통해 그라우트 충전상태를 확인할 수 있다. 공극범위가 3 m를 초과하는 경우 측면조사를 추가로 실시한다. Multi wire 정착구는 조사 절차는 Fig. 8과 같다.
3.4.2 Multi strand 정착구 조사 절차
1980년 대 이후 사용한 Multi strand 정착구는 그라우트 주입홀 위치의 각도가 있어 그라우트 홀을 통한 내시경 조사는 1 m이하만 가능하다. 따라서 공극 길이를 확인하기 위해 정착구 근접 위치에서 측면조사를 추가적으로 실시하여 그라우트 충전범위를 조사하여야 한다. Multi strand 정착구는 조사 절차는 Fig. 9와 같다.
3.5 PSC-Slab교량 조사상세
PSC-Slab 교량은 텐던의 배치 형상이 평면으로 분산되어 공극 및 결함이 텐던 상부에 발생하므로 측면 및 하면 조사가 효과가 없다. 따라서, 텐던 상부를 조사하기 위해 Fig. 10과 같이 교량 상부 포장을 제거한 후 에어벤트를 통해 내부텐던 상태를 확인하여야 한다. 상부 에어벤트가 발견되지 않을 경우, 상부 천공조사를 실시하여 확인하여야 한다.
3.6 미파괴조사 장비
미파괴조사 장비는 Fig. 11과 같이 철근 및 텐던 위치를 탐사하는 GPR 장비와 철근 및 강연선 손상을 막기 위한 금속감지드릴, 구조물을 천공한 후 육안 확인할 수 있는 내시경이 있다. 비파괴 조사는 Impact Echo 방법을 이용하였다.
3.7 내부텐던 결함등급
내부텐던의 결함등급 판정은 2023년 서울시설공단에서 “PSC박스일반거더교 내부텐던 유지관리 개선 학술용역”으로 수립된 그라우트 공동(Table 1) 및 내부텐던 부식 등급(Table 2) 및 염화물 함유량 평가 기준(Table 3)을 적용하였다(Seoul Facilities Corporation and Korean Concrete Institute, 2023).
Table 1.
Corrosion grade of internal tendon
4. 내부텐던 상태조사 결과
4.1 대상교량 현황
서울시설공단이 관리하고 있는 PSC 일반거더교 20개의 교량 위치(Fig. 12) 및 주요현황(Table 4)은 다음과 같다.
Table 4.
Bridge status
4.2 교량 형식별 주요 결함(PSC-I형)
4.2.1 A교
A교는 Table 5와 같이 곡선교로서 조사가 가능한 2개 거더에 대해 각각 5개소 총 10개의 정착구를 조사하였다. 조사결과 Table 6과 같이 모든 정착구에서 공동 및 부식이 확인되었다. Multi wire system 정착구로서 3 m까지 내시경으로 조사 가능하였으며 추가적으로 3 m 부근에서 Table 7과 같이 측면조사를 추가한 결과 공동이 5개, 부식이 3개 확인되었다. 부식은C2 등급으로 단면손상이 없는 부식으로 추가보강은 필요하지 않았다.
Table 6.
Bridge A anchorage inspection results
| Case | Grout | Tendon | Result |
| ① |  |  |
Corrosion (C2) / Void (V5) |
| ② |  |  |
Corrosion (C2) / Void (V5) |
Table 7.
Bridge A side inspection results
| Case | Grout | Tendon | Result |
| ① |  |  |
Corrosion (C1) / Void (V4) |
| ② |  |  |
Corrosion (C1) / Void (V3) |
4.2.2 B교
B교는 손상이력(텐던부식)이 있는 교량으로서 2016년에 외부텐던 보강공사를 실시하였다. 이번 조사에서는 해당 거더의 텐던 전수조사를실시하였고, 인접거더도 Table 8과 같이 추가적으로 조사하였다. 조사결과, 손상이력거더의 텐던은 모두 양호한 상태였으나 인접거더에서 콘크리트 박리구간이 발견되어 상세 조사한 결과 Table 9와 같이 심각한 부식이 발견되었다. 이에 해당거더의 모든 텐던을 조사한 결과 다른 텐던은 모두 양호하여 기존의 외부텐던 보강으로 구조적 안전함을 확보할 수 있어 추가적인 보강은 수행하지 않았다.
Table 9.
Bridge B non-destructive test results
| Case | Duct | Tendon | Result |
|
S2-G1 (Existing Tendon Corrosion) |  |  |
Favorable (C0) / Grout Filling (V0) |
|
S1-G1 (Concrete Delamination) | Not found Duct |  |
Corrosion (C4) / Grout Filling (V0) |
4.2.3 C교
C교는 근접육안조사 결과를 바탕으로 Table 10과 같이 11개의 내부텐던에 대해 측면조사를 실시하였다. 그 결과, 8개의 텐던에서 공동이, 4개의 텐던에서 부식이 발견되었다. 특히 Table 11과 같이 S4-G5 #4번 중앙부 텐던 측면조사 시 텐던 내부에 물이 고여있는 것이 확인되어 상세한 텐던 상태를 확인하기 위해 Table 12와 같이 파취조사를 실시하였다. 파취조사 결과, 해당 텐던의 단부에서 공동이 확인되었으나, 텐던 자체의 상태는 양호한 것으로 조사되었다. 텐던 내부에 고여있던 물은 모두 제거하였으며, 추후 지속적인 관찰이 필요하다.
Table 11.
Bridge C non-destructive test results
| Case | Duct | Tendon | Results | Case | Duct | Tendon | Result |
| ① |  |  |
Corrosion (C1) / Void (V4) | ② |  |  |
Corrosion (C1) / Void (V5) |
Table 12.
Bridge C spalling inspection results
| Case |
Water pooling inside the tendon (Middle) | Duct (Side) | Tendon (Side) | Result |
| ① |  |  |  |
Favorable (C0) / Void (V5) |
4.3 교량 형식별 주요 결함(PSC-U형)
4.3.1 D교
D교는 정착구 조사가 가능한 곡선교 Table 13과 같이 4개 거더의 8개소 정착구를 조사한 결과 Table 14와 같이 모두 정착구 공동 및 부식이 발견되었다. D교는 Multi strand 형식 정착구로서 공동이 범위를 확인하기 위해 측면조사를 추가적으로 실시한 결과 Table 15와 같이 공동이 11개, 부식이 11개소에서 확인되었다.
Table 14.
Bridge D anchorage inspection results
| Case | Anchorage | Tendon | Result |
| ① |  |  |
Corrosion (C2) / Void (V5) |
| ② |  |  |
Corrosion (C2) / Void (V5) |
| ③ |  |  |
Corrosion (C2) / Void (V5) |
Table 15.
Bridge D side inspection results
| Case | Anchorage | Tendon | Result |
| ① |  |  |
Corrosion (C2) / Void (V1) |
| ② |  |  |
Favorable (C0) / Void (V5) |
| ③ |  |  |
Corrosion (C2) / Void (V1) |
4.3.2 E교
E교는 PSC-U형 거더로, Table 16과 같이 15개소 텐던에 대해 측면 조사를 실시하였다. 조사결과 비교적 최근에 준공된 교량이었으나 Table 17과 같이 4개의 텐던에서 공동이, 5개의 텐던에서 부식이 발견되었다. 상세한 텐던 상태를 확인하기 위해 Table 18과같이 파취조사를 실시하였다.
Table 17.
Bridge E non-destructive test results
| Case | Duct | Tendon | Result |
| ① |  |  |
Corrosion (C1) / Void (V2) |
| ② |  |  |
Corrosion (C2) / Void (V5) |
| ③ |  |  |
Corrosion (C1) / Void (V3) |
| ④ |  |  |
Corrosion (C2) / Void (V4) |
Table 18.
Bridge E spalling inspection results
| Case | Duct | Tendon | Result |
| ① |  |  |
Corrosion (C1) / Void (V4) |
| ② |  |  |
Corrosion (C2) / Void (V4) |
| ③ |  |  |
Corrosion (C2) / Void (V4) |
| ④ |  |  |
Corrosion (C2) / Void (V4) |
4.4 교량 형식별 주요 결함(PSC-Slab형)
4.4.1 F교
F교는 PSC-Slab교량으로, Table 19와 같이 교량 상면 포장을 제거한 후 에어벤트를 통한 상부 조사를 실시한 결과 Table 20과 같이 4개 텐던 모두 그라우트 및 텐던 상태가 양호하였다.
5. 내부텐던 결함 분석
이번 조사는 PSC-I형 교량 14개 154개소, PSC-U형 교량 3개 46개소,PSC-Slab 교량 3개 15개소, 총 20개 교량 215개소의 내부텐던의 상태조사를 실시하였다. PSC-I형교에 비해 PSC-U형교 및 PSC-Slab교의 조사 표본수가 적어 형식별 결함을 대표할 수 있는 분석으로는 부족하지만, 시기적, 품질적 분석에는 유효하여 Fig. 13, Fig. 14와 같이 정리하였다.
PSC 일반거더의 결함의 주요 인자는 ① 교량형식, ② 준공년도, ③ 시공품질관리로 나눌 수 있다. 교량형식의 경우 PSC-U형교가 PSC-I형교에 비해 결함이 많이 발생하였으나, 3개의 U형교량 중 2개 교량에서만 결함이 발견되어 U형 교량의 형식적인 특징으로 규정하기는 어려웠다. Fig. 15와 같이 준공년도에 따른 분석 결과는 PSC-I형교의 경우 준공된 년수가 오래된 “A”, “B”, “C” 교에 결함이 집중되었으며 1990년대 부터 준공된 PSC-I형교는 결함이 적은 것으로 확인되었다. 이는 재료, 장비, 시공방법 등 그라우트와 관련된 기술이 정립되지 않은 시기에 시공되어 품질관리 부족으로 발생된 것으로 예상할 수 있어 준공년도가 결함 발생율에 인자임을 확인할 수 있었다. 그러나, 비교적 최근에 준공된 2개의 PSC-U형교에서만 결함이 많이 발생한 것을 고려하면 교량형식, 준공년도, 시공품질관리에서 내부텐던 결함에 가장 영향을 많이 미치는 것은 시공품질관리임을 확인할 수 있었다.
6. 내부텐던 유지관리 방향
6.1 내부텐던 조사 및 유지관리 필요성
PSC구조물은 RC구조물과 달리 구조성능 저하에 따라 발생하는 균열이 상대적으로 늦게 나타나는 경향이 있으며, 휨 균열이 발생한 단계에서는 이미 내하 성능이 저하되어 있을 가능성이 높다(Woodward, 1981). 특히, 그라우트 충전 부족이 있는 PSC구조물에서는 텐던의 내구성이 부족할 뿐만 아니라, 콘크리트와 텐던의 부착 일체성이 부족하여 사용한계 상태에서는 문제가 되지 않더라도 극한 한계 상태에서는 단면력이 부족해질 수 있다(Youn and Kim, 2006). 따라서, PSC교량의 유지관리에 있어서는 텐던의 열화가 나타나기 전에 그라우트 충전 부족이 의심되는 상태를 미리 발견하고, 이에 대한 적절한 조치를 취하는 것이 매우 중요하므로 정기적인 점검과 진단을 실시하여 내부텐던의 상태를 파악하고, 필요한 경우 보수 및 보강 작업을 수행할 필요가 있다(Kim et al., 2019). 이번 조사를 통해서도 B교와 같이 심각한 부식(C4)이 발생된 구간을 확인할 수 있어 사전에 구조적 안전성을 확인할 수 있었으며, C교와 같이 쉬스관 내부에 물이 고이는 체수 현상을 확인 지속적인 관리로 텐던 부식 및 파단을 사전에 방지할 수 있는 계기가 될 수 있었다. 따라서 앞으로 국내 모든 PSC 교량에 대해 조사 및 유지관리의 필요성을 확인할 수 있었다.
6.2 비파괴조사 기술 향상
이번 조사에서도 비파괴조사 방법 중 하나인 Impact Echo 방법을 사용하여 텐던의 공극을 조사하였다. 그러나 공극 판별 정확도는 30~50% 수준으로 비파괴조사 결과만으로 내부텐던 결함을 예측하기는 어려운 결과가 나왔다. 이로인해 비파괴 조사는 보조적인 조사방법으로 사용되었다. 그러나 현재의 미파괴조사 방법은 구조물의 건전부에 미세 손상을 줄 수 있고, 조사 구간 및 공수에 제한이 있으며(Theryo et al., 2013), 공동의 그라우트 보수공사 완료 후 충전상태를 확인할 방법으로 효과적이지 못하다. 따라서 정확도가 향상된 다양한 비파괴조사 기술 개발이 필요하다. 특히 PSC 일반거더교량은 구조물 내부에 많은 매립물(철근, 텐던 등)로 인한 주파수의 간섭이 많고, 다양한 단면변화로 일정한 데이터셋을 구축할 수 없으므로 Fig. 16과 같이 조사 결과를 빅데이터로 구축하고 머신러닝과 같은 AI기술을 접목하여 정확도를 향상시켜 현장에 적용할 필요가 있다.
6.3 보수·보강 방안
내부텐던 결함 발생 시 추가적인 부식을 방지하기 위하여 그라우트의 수분함량 및 공동의 크기, 부식의 정도에 따라 결정한다. 일반적으로 공동 등급은 Table 3의 V3 이상, 부식 등급은 Table 4의 C2 이상으로 실시하는 것으로 하며 강연선이 노출되었을 경우에는 그 이하의 등급에서도 보수를 하는 것으로 한다. 보수방법은 시멘트 그라우트 보수, 희생양극 보수, 왁스 주입보수, 폴리머레진 보수로 나누어지나 시공성 및 경제성을 감안하여 시멘트 그라우트 보수 방법을 사용하는 것을 권장한다.
7. 결 론
본 보고서에서는 공용중인 PSC 일반거더교 조사방안 및 조사결과를 정리하였으며, 주요사항은 아래와 같다.
1) 2021년부터 2023년까지 서울시설공단에서 관리중인 PSC일반거더교 20개에 대해 215개소 텐던에 대해 미파괴조사를 실시한 결과 그라우트 공동 14%, 최대 V5등급으로 확인되었으며, 텐던 부식은 13%, 최대 C2등급으로 조사되었다.
2) 내부텐던 결함의 주요 인자는 준공년도가 하나의 인자일 수 있지만, 최근에 준공된 3개의 PSC-U형 교량 중 2개에서만 결함이 많이 발생한 것을 고려하면 내부텐던 결함에 가장 영향을 많이 미치는 것은 시공품질관리임을 확인할 수 있었다.
3) 이번 조사를 통해 B교의 심각한 부식(C4)이 발생된 구간을 확인하여 사전에 구조적 안전성을 확인하였으며, C교와 같이 쉬스관 내부에 물이 고이는 체수 현상을 확인하여 텐던 부식 및 파단을 사전에 방지할 수 있었다. 이에 지속적인 PSC교량에 대한 조사 및 유지관리의 필요성을 확인하였다.
4) 다양한 PSC 구조물에 효율적인 조사를 위해 비파괴조사 기술의 발전이 필요하며 이를 위해 현재의 Impact Echo 결과를 빅데이터로 구축하고 머신러닝과 같은 AI기술을 접목하여 정확도를 향상시켜 현장에 적용할 필요가 있다.
5) 내부텐던 보수·보강은 시멘트 그라우트를 이용한 보수방법이 가장 일반적이며, 그라우트 공동등급 V3이상, 텐던 부식 등급 C2이상의 결함이 발생한 경우 보수를 진행하는 것을 권장한다.
