1. 서 론
소규모 및 중소규모 크기의 교량 시설물이 노후화되면서 교량의 성능을 평가하고 유지관리를 위한 효과적인 방법을 수립하는 것이 중요하며, 이에 2018년 법률 ‘시설물의 안전관리에 관한 특별법’ (MOLIT, 2017)이 ‘시설물의 안전 및 유지관리에 관한 특별법’ (MOLIT, 2018a, MOLIT, 2018b; MOLIT, 2019)으로 개정된 후 교량 시설물 관리의 대상 범위를 1종 및 2종 교량 시설물에 3종 교량 시설물을 포함하여 확대 관리하고 있다. 그러나, 1종, 2종 교량 시설물과는 달리 3종 교량 시설물은 성능평가가 아닌 안전등급에 국한된 평가를 수행하며, 2023년 기준, 국내 38,598개 교량 중 약 73%를 차지하는 중소교량 중 일부분만이 관리 주체가 지정하는 3종 교량에 속해 대다수의 교량이 유지관리 검토 대상의 사각지대에 노출되어 있다. 또한 2030년 기준, 전체 교량 중 51.3%가 사용연수 30년 이상 된 노후교량이 될 것으로 전망하고 있다(MOLIT, 2023). 노후화가 진행 중이지만 안전 사각지대에 놓인 중소 노후교량의 적절한 성능평가가 필요한 시점이지만, 중소 노후 교량의 관리를 1종, 2종 교량의 유지관리 수준으로 관리하게 된다면 발생되는 사회적, 경제적 비용이 매우 높을 것은 자명하며, 이는 매우 불합리하다.
이에 국내에서는 Park et al. (2009)은 사회기반시설물의 자산관리체계를 지원하기 위하여 교량 자산관리 방안을 제시하고 성능평가 인자로 서비스 수준(Level of Service, Los)을 제안하였으며, 관리주체가 교량 자산관리를 LoS와 예산의 관계로 나타내지는 효율성 지수로 정량화하여, 우선순위 산정을 위한 지표를 제시하였다. 다만, 자산관리 수준의 LoS 제시로 교량의 성능 하락을 나타내는 지표는 다소 모호하다. Hwang et al. (2021)은 교량의 상태등급과 안전성등급 사이의 관련성을 분석하였으며, 두 지수간의 상관성은 크지 않으나 대부분의 상부 교량 형식에서 상호 비례관계를 나타냄을 확인하였다. 그러나 노후도가 높은 교량은 추후 연구로 남아있다. 또한 Park et al. (2021)은 리스크 매트릭스를 활용하여 교량의 위험도 분석을 실시하고, 네트워크 레벨과 프로젝트 레벨을 분리하여 네트워크 레벨의 위험도 지수에 따라 교량의 성능평가 우선순위를 제안하였다. 다만 각각의 교량의 세부 성능 등급을 산출하는 평가항목별 가중치와 세부 등급의 연구는 다소 부족하다.
따라서 본 논문에서는 3종 및 종외 교량에 대한 성능평가(안)을 제시하고, 우선순위에 따른 교량의 성능평가를 통해 노후화된 중소 규모의 3종 및 종외교량의 적절한 유지관리 방안을 제시하려 한다.
2. 중소 노후교량 관리 우선순위
2.1 중소 노후교량의 관리 우선 순위 선정
3종 및 종 외 교량은 국내 교량의 70% 이상을 차지하기 때문에, 전체적으로 일시에 교량의 성능을 평가하고 각각의 교량별 적절한 유지관리 대책을 세우는 것은 많은 사회적 비용이 들며 인력의 제한으로 사실상 불가능하다. 중소 노후 교량의 관리 우선순위를 먼저 산정하여, 교량 관리 우선순위를 판단하여, 유지관리가 긴급히 필요한 교량을 선정하고, 해당 교량의 고유성을 고려한 성능평가가 진행되어야 한다. 중소 노후 교량의 유지관리 우선 순위를 결정하기 위해, “위험도 지수 기반 중소규모 교량 성능평가 우선순위 결정 방안 제안” (Lee, Shin et al., 2019)을 인용하여 Fig. 1과 같이 먼저 네트워크 레벨에서 현장 조사 또는 내하력 평가를 위한 구조해석 없이, 중소 규모 교량의 교량 유지관리 우선순위를 산정 후에 개별 중소 노후교량의 성능을 평가하고자 한다.
중소 교량의 유지관리 우선순위는 교량의 정보를 통해 얻을 수 있는 취약도 지수(Vulnerability Index, VI)와 영향도 지수(Social influence Index, SI)를 사용하여 위험도 지수를 산정하고 계산된 위험 지수에 따라 성능평가 즉시 실시 교량, 단기 실시 교량, 관찰 교량 등으로 구분하여 중소 노후 교량의 유지관리를 위한 성능평가 우선순위를 정한다. 취약도 지수(VI)는 교량의 안전성에 영향을 미치는 항목으로 정의하였으며, 영향도 지수(SI)는 장시간에 걸쳐 교량의 내구성에 영향을 주는 항목과 교량의 사회적, 경제적 성능에 영향을 주는 항목으로 정의하였다.
2.1.1 취약도 평가 항목 및 방법
취약도 지수(VI)는 중소 노후교량의 안전성에 영향을 미치는 항목들로 정의되며, Table 1과 같이 등급을 구성하였다.
Table 1
Vulnerability Index Element
취약도 지수 항목들은 먼저 교량의 노후화의 영향을 미치는 ① 교량 공용연수(Age of bridge), 교량의 실 수명에 영향을 미치는 ② 일 평균 중차량 교통량(Average daily truck traffic) 및 ③ 설계 하중보다 큰 과적 발생 가능성이 있는 요소를 포함하였다. 1종, 2종 성능평가 및 3종 시설물 안전등급 평가 매뉴얼에서는 시설물의 구조 안전에 중대한 영향을 미치는 것으로 인정되는 중대한 결함이 있는 경우 즉시 필요한 조치를 하도록 되어 있으며, 이에 ④ 중대 결함 발생 여부(Significant hazard)와 ⑤ 하부구조에 충돌로 인해 발생되는 결함 또는 세굴(Defects on impact to substructure or scour) 항목을 포함하였다. 중대한 결함에 해당 되는 경우 즉시 관리를 위해 10점을 부여하였다. 구조물의 관리 데이터는 구조물 상태를 판단하는데 중요한 영향을 끼치므로 ⑥ 유지관리 이력 데이터의 유⋅무 및 ⑦ 보수보강 데이터의 확보 여부를 평가 항목에 포함하였다.
2.1.2 영향도 평가 항목 및 방법
영향도 지수(SI)는 교량의 내구성능에 영향을 주어 궁극적으로는 교량의 안전성 및 사용성능에 영향을 끼치는 항목들과 교량 폐쇄 시 발생할 수 있는 사회적 비용 등 경제적 성능에 영향을 미치는 항목들로 정의하였으며 Table 2와 같이 구성하였다.
Table 2
Social Influence Index Element
① 제설재 염해환경 및 ② 해안선까지의 거리는 1종, 2종 교량의 성능평가 세부지침의 내구성능평가 중 열화환경평가의 염해환경과 동해환경을 고려하는 항목이며, ③ 교량 폭 넓이, ④ 교량 하부 시설물 존재의 유⋅무, ⑤ 중요시설물 부착 여부, ⑥ 우회 도로 거리, ⑦ 점검시설 설치 여부의 항목은 교량 유지관리 시 또는 교량 사용 제한 시 발생 가능한 사회적 비용의 대체 가능성을 고려한 항목이다.
2018 시설물의 안전 및 유지관리 실시 세부지침 에서는 교량의 성능을 안전성능, 내구성능, 사용성능으로 구분하여 교량의 성능을 고려하고 있으며, 각각의 성능을 7:2:1로 가중치를 두어 고려하고 있다. 본 연구에서는 취약도와 영향도를 고려한 성능평가 우선순위 산정 시 유지관리 세부지침의 취지에 맞추어 안전성과 관련된 취약도 지수에 가중치 7, 내구성 및 사용성과 관련된 항목이 포함된 영향도 지수에 3의 가중치를 부여하여, Eq. (1)과 같이 7:3으로 가중치를 고려하여 위험도 지수(Risk Index, RI)를 계산하고, 계산된 위험도 지수에 따라 교량 유지관리 우선순위를 성능평가 즉시 실시교량, 단기실시 교량, 관찰 교량으로 구분하여 중소 노후교량의 유지관리를 위한 성능평가 우선순위를 정한다.
성능평가 즉시 실시 교량이란 우선순위 산정결과를 바탕으로 교량의 성능평가가 급히 필요한 교량 그룹을 의미하며, 단기 실시교량은 다음 연도 이내에 성능평가가 필요한 교량 그룹을 의미한다. 그리고 관찰 교량이란 일상적인 유지관리 수행 시기에 맞추어 성능평가가 필요한 교량을 의미한다.
3. 중소 노후교량 성능평가(안) 제시 및 평가 방법
3.1 중소 노후교량 성능평가를 위한 수준 및 성능평가 항목
3종 이하 중소 노후 교량 관리의 목표는 교량 노후화 가속을 대비하여 교량의 잔여 수명까지의 교량 성능의 평가 및 유지관리를 한정된 재정 내에서 국내 교량의 70% 이상을 차지하는 중소 노후 교량의 효과적인 관리를 목표로 한다(KLLBC and CTC, 2019). 그러나 중소 노후교량의 유지관리의 평가 항목과 평가 수준을 1종 및 2종 교량 성능평가 수준으로 진행할 경우, 제한된 유지관리 비용으로 효율적인 평가가 불가능하다. 따라서 중소 노후교량의 유지관리를 위한 성능평가 항목 및 수준은 중소 교량에 직관적 적용 및 활용이 가능하여야 하며, 교량의 제반조건에 부합하는 ‘간편 평가체계’로 이루어져야 한다(Lee, Lim et al., 2019; Kong and Lim, 2021). 따라서 3종 및 종외 교량의 성능평가의 수준과 그 항목은 Fig. 2의 수준으로 도식화하여 볼 수 있다. 또한 그 절차는 사전조사를 통해 교량의 성능평가 우선순위를 결정한 후 기본과업과 추가과업으로 나눠진 현장조사를 통해 결함⋅손상 등을 발견하고, 그 진전 상황을 지속적으로 관찰함과 동시에 관리주체가 긴급안전조치, 긴급안전점검 또는 정밀안전진단을 실시하거나 즉시 보수⋅보강 등의 조치를 할 수 있도록 한다.
3종 이하 중소 노후교량 성능평가 항목은 현행 1종 및 2종 종합성능평가와 동일하게 안전성능, 내구성능, 사용성능을 고려할 수 있도록 구성하였으며, 국내 3종 시설물의 안전등급 평가 매뉴얼 및 일본 JSCE의 Standard Specifications for structures-”Maintenance” (MLIT, 2016), 미국 AASHTO의 “Manual for Bridge Element Inspection” 등을 참고하여 평가 항목 중 육안 및 간단한 측정기기로 검사 할 수 있는 항목을 바탕으로 구성하였다. 또한 중소 노후교량의 교량별 특성을 반영하여 공통적으로 포함하고 있는 부재는 기본항목, 그리고, 교량의 형식별로 달라지는 부재의 유무 및 항목들을 추가 사항으로 분류하여, 교량별로 유연한 평가가 될 수 있도록 구성하였으며 Table 3과 같다.
Table 3
Inspection Element
중소 노후교량 성능평가 기본 항목은 ① 바닥판 및 ② 거더는 콘크리트 교량일 경우 균열 및 표면 손상상태와 강재 교량일 경우 표면 부식 및 발청등을 고려하여 안전성능과 내구성능을 동시에 고려 될 수 있도록 하였으며, ③ 교각 및 ④ 교대는 콘크리트 균열 및 손상상태, 강재의 부식 및 열화 등을 고려하여 안전성능과 내구성능을 고려할 수 있도록 하였다. ⑤ 기초는 다른 항목 등과 달리 외관조사로는 내하력 등의 성능자료를 얻기 힘들지만, 육안조사를 토대로 기초의 세굴 및 침하 등 구조물에 작용하는 중대한 결함을 평가할 수 있도록 구성하였다. ⑥ 도로포장은 교량의 안전성능 및 내구성능에 직접적인 영향을 주는 요소는 아니지만, 타 부재와 달리 교량 사용자가 교량의 성능을 판단하게 하는 중요한 요소로 교량의 사용성능을 만족할 수 있도록 추가 하였으며, 포장 손상 및 불량등을 고려하여 성능을 산정하도록 한다. ⑦ 신축이음은 교량의 안전성능 및 사용성능에 영향을 주는 요소로 신축이음의 균열 및 손상상태 등을 고려해야 하며, ⑧ 난간 및 연석은 교량 사용성능에 영향을 미치는 인자로 상태 불량 등을 고려하여 교량의 사용성능을 산정할 수 있도록 추가하였다. ⑨ 조명의 경우 포장과 같이 교량의 안전성능 및 내구성능에 직접적인 영향을 미치진 않지만, 교량의 성능을 체감하는 지배적인 요소로, 조명의 작동상태 및 불량 등을 확인할 수 있도록, 도로안전시설 설치 및 관리지침(조명시설 편)의 도로 조명 등급에 따른 평균 노면 휘도를 고려하여 교량의 사용성능을 산정 할 수 있도록 항목을 배정하였다.
중소 노후교량 성능평가의 추가 항목은 교량의 형식 별로 부재의 차이 및 각각의 특징에 따라 포함 또는 미포함 되는 부재이며, 교량 시설물의 관리주체 및 유지관리를 시행하는 현장 전문가의 의견에 따라 추가되는 과업이며, 해당 손상항목 및 등급 판단의 기준은 1종, 2종 성능평가 방식을 준용할 수 있도록 구성하였다.
3.2 중소 노후교량 성능평가 방법
현행 3종 시설물 안전등급 평가 매뉴얼은 부재등급 기준을 5단계(우수, 양호, 주의, 미흡, 불량)으로 교량의 안전등급을 평가하며, 각각의 부재 등급 점수는 우수: 10점, 양호: 8점, 보통: 5점, 미흡: 2점, 불량: 0점으로 평가하고 있다. 그러나 1종, 2종 교량 시설물 성능평가에서의 등급 구성은 5단계(a, b, c, d, e)와 부재별 결함도 지수(a: 0.1, b: 0.2, c: 0.4, d: 0.7, e: 1.0)으로 평가되므로 교량 종에 따라 평가 점수의 차이 및 구성 방식은 다소 혼동의 여지가 있다. 따라서 중소 노후교량 성능평가(안)에서는 Table 4와 같이 3종 교량안전등급평가의 5등급 구성을 따르지만 부재의 결함 지수는 1종, 2종 성능평가 점수 기준을 참고하여 Table 5와 같이 0~1점 사이의 결함도 지수로 사용하는 것으로 제안하였다.
Table 4
Definition of Condition State
3.3 중소 노후교량 성능점수 산정 방법
Table 6은 부재별 가중치의 값을 나타내었다. 각각의 부재별 가중치는 기본과업 100점 만점을 기준으로 1종, 2종 교량 종합성능평가의 가중치 값과 현장 실무자/전문가의 질의응답을 참고하여 세부 부재의 가중치를 결정하였다. 또한 추가과업의 가중치는 필요시 추가하여 진행되므로 각각 5점을 부여하였다. 1종 및 2종 교량의 성능평가에서는 교량에 해당 부재가 없을 경우 해당 부재의 가중치를 타 부재에 분배하여 분배받은 부재의 상태 등급에 따라 최종 교량의 성능이 민감하게 반응하는 문제점을 지닌다.
Table 6
Weightings of Element
이에 중소 노후교량의 성능평가는 각 부재별 결함도 점수를 가중평균하여 성능등급을 도출한다. 부재별 평가에 따른 결함도 점수와 부재별 가중치를 고려하여 최종등급을 산정하며, 평가부재가 없을 경우(예: 교각, 조명 등) 해당 교량의 총합 점수를 100점이 아닌 교량이 가지고 있는 부재들만의 전체 합으로 계산하며, 최종적으로 총합 기준을 100점으로 최종 환산하여 Eq. (2)와 같이 계산을 수행한다. 이 경우, 전체적인 부재의 가중치가 증가되는 효과를 가지며, 각각의 교량 형식별 구성하는 부재에 가중효과를 가지게 된다.
종합 점수에 따라 중소 노후교량의 최종등급은 Table 7과 같이 산정한다.
4. 중소 노후교량 성능평가 예시
중소 노후교량의 성능평가(안)의 적정성 평가를 위해 국내 3종 교량의 대표적인 형식인 PSC-I형의 실 교량의 성능평가를 진행하여 Table 8에 결과를 도출하였다. 또한 이를 기존 시설물 평가 등급과의 결과를 비교하였다. 해당 교량은 강원도 소재지의 1975년에 준공된 PSCI I형의 3종 교량으로 국내 시설물 관리의 사각지대에 놓여져 있던 교량으로 기존 성능평가 자료는 없으며, 전차 안전점검은 2013년 해당 권역 교량 보수공사 중 정밀점검을 통해 B등급을 받았으나 결함 및 특이사항은 진단이력이 존재하지 않았다. 네트워크 관리 레벨에서의 우선순위 판단 결과 유지관리 즉시실시 교량으로 판단한 교량이다. 따라서 검토 결과 바닥판의 오래된 노후화에 따라 구조적 안전성 결함이 예상되고, 보조부재에 광범위한 결함이 발견되었고, 이에 성능평가를 진행하였다. 교량의 특이사항으로는 교량 조명이 미 설치되어 있으며, 하천에 위치한 교각은 없다. 따라서 교량 조명에 대한 가중치 5점은 배재하였으며, 추가 과업의 2차부재, 배수구, 15점이 추가되어 총 환산가중치 합은 110을 차지하여 최종 결함도지수는 0.353으로 본 연구에 따른 실제 성능평가 결과 C등급이 도출되었으며, 적절한 보수 보강이 필요한 교량으로 판단 되었으며, 이를 통해 성능평가(안)의 적정성을 판별하였다.
Table 8
Example of Performance Evaluation
5. 결 론
본 연구에서는 국내 교량의 약 70% 이상을 차지하는 3종 및 종 외 교량의 성능을 고려하는 성능평가 방법을 제안하였다. 3종 이하 중소 노후교량의 유지관리 시 우선순위 결정을 위해 취약도 평가 및 영향도 평가 도입으로 교량 성능평가의 사전 우선순위를 결정해 교량 유지관리를 진행하며, 구조물의 육안 조사 및 간단한 현장 시험을 통해 얻을 수 있는 교량의 안전성능, 내구성능, 사용성능을 고려하여 교량 성능에 대응되는 기본사항과, 교량마다 달라지는 추가사항으로 개별 교량 고유의 성능평가를 수행할 수 있도록 구성하였다. 해당(안)의 객관성을 위해 자문 및 실 적용을 통해 적정성을 얻었고, 실사례에서는 안전 사각지대에 놓여있던 교량의 기존 안전등급에서는 B등급이 도출되었지만, 성능평가 시 C등급이 도출된 사례 등이 나왔다. 본 논문에서 제시한 방법 또는 그 외 의 방법을 통해 1, 2종 교량뿐만 아니라 노후화된 많은 중소교량들이 적절한 성능평가가 진행되어야 한다.
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