1. 서 론

국내 교량의 관리수량은 매년 증가하여 35,000여개에 이르고 있으며(Fig. 1) 노후화 또한 빠르게 진행되고 있다(Fig. 2). 고도 경제 성장으로 1985년부터 2005년 사이에 건설된 교량은 전체 교량의 63%(약19,000 개소)를 차지하고 있으며 추후 이들 교량의 노후화가 급격히 진행 될 것으로 예상된다. 특히, 보수·보강 물량이 급증하게 되는 30년 이상의 노후 교량은 2015년도에 8%(약 2,500 개소) 수준에서 10년 후에는 30%(약 9,600개소)로 증가하고, 20년 후에는 72%(약 21,000개소) 까지 급증할 것으로 예측되고 있다(Fig. 2).

이들 교량은 제설제의 사용과 과적차량 등의 요인에 의해 교량의 열화와 손상이 발생하고 있으며 동시에 교량의 노후화에 따라 교량의 안전등급 또한 감소 추세에 있다. 따라서 사용수명을 연장시키기 위한 점검, 진단, 보수, 보강, 개량 등의 적절한 유지관리가 요구되고 있다.

미국의 2021 Report Card for America’s Infrastructure^{(ASCE, 2021)}에 따르면 약 61만개소의 교량이 공용 중에 있으며 현재 사회간접시설의 확대기를 지나 관리교량의 평균공용연수 44년에 이를 정도로 교량 노후화를 겪고 있다. 대략 42%이상 교량이 50년 이상의 공용연수를 가지고 있다. 열화된 교량의 상태(안전)등급을 향상시키기 위해서는 보수·보강 비용으로 1,250억 달러(약 146조원)가 필요한 상황이다. 이는 현재의 보수·보강 비용에 대한 예산 증액이 없는 상황에서 교량의 상태(안전)등급 향상을 위해서는 약 50년이 필요하다는 의미이다^{(ASCE, 2021)}. 영국의 경우, Highway England에서 발표한 자료에 따르면 Highway England가 관리하고 있는 하수관로를 포함한 9,000여개의 교량 구조물 중 3,836개소가 나쁨 상태(Poor condition)로 조사 되었으며 그중에 858개소가 매우 나쁨 상태(Very poor condition)로 조사 되었다^{(Kennedy, 2020)}. 열화된 구조물 유지관리를 위해 Highway England는 향후 5년 동안 15억 파운드(약 2.4조원) 사용할 계획이다^{(Kennedy, 2020)}. 일본의 경우 과거 급속한 경제 발전으로 인해 건설된 인프라 시설이 현재 노후화가 진행되어 공용연수 50년 이상의 고속도로교량이 40만 개중에 18%를 차지하며 공용연수 43년 이상의 교량 또한 전체 43%를 차지하고 있어 교량 유지관리 비용의 급속한 증가를 예상하고 있다^{(MLIT, 2013)}.

국내의 경우 급격한 경제 발전으로 인해 교량의 수가 급속도로 증가하였지만 미국과 일본의 경우처럼 노후화 시기에는 본격적으로 진입하지는 않은 상황이다(Fig. 3). 하지만 최근 염수 살포로 인해 다수의 콘크리트 교량에서 제설염해가 발생하고 그로 인한 교량의 열화가 급속도로 진행되고 있다^{(KEC 2016)}. 따라서 미국과 영국, 일본의 사례를 타산지석으로 삼아 적절한 교량의 유지관리가 필요 할 것으로 판단된다.

현재 국내 교량의 유지관리는 ‘시설물의 안전관리에 관한 특별법’에 근거하여 이루어지고 있으며 교량의 상태평가 및 구조적 안전성 평가는 ‘안전점검 및 정밀안전진단 세부지침-교량편(이하, 세부지침)’에 따라 이루어진다^{(MOLIT, 2019)}. 교량의 보수·보강은 점검결과를 바탕으로 이루어지고 있다. 열화 된 콘크리트 교량의 성능 복원을 위해 단면복구공사 및 균열보수공사가 시행되고 있다. 하지만 이러한 보수공사 사례의 증가와 함께 보수 부위의 품질저하로 인해 재보수 사례도 증가하고 있다^{(KEC, 2020)}.

따라서 현재 세부지침을 바탕으로 국내에서 실행되고 있는 교량유지관리활동(점검 및 보수공사)과 유지관리 선진국(미국, 영국, 일본)에서 이루어지고 있는 교량유지관리활동을 비교하여 국내 교량유지관리에 시사하는 점을 분석하고자 한다. 예를 들면, 국내 교량 유지관리 기준을 유지관리 프로그램, 유지관리 지표, 콘크리트 교량의 단면복구 공법 및 재료 기준, 그리고 콘크리트 균열 보수 공법 및 재료 기준 등의 측면에서 상호 비교하여 분석하였다. 본 연구에서는 콘크리트 교량이 국내 교량의 다수를 차지하고 있으므로 보수공사공종에서 이루어지고 있는 유지관리 활동의 경우는 콘크리트 교량에 한정하여 비교하도록 하겠다.

Fig. 1 Increase in number of bridges in Korea (KOSIS, 2021)

Fig. 2 Predicted numbers of bridges in service over 30 years (KOSIS, 2021)

Fig. 3 Distribution of bridge age in Korea (KOSIS, 2021)

2. 교량 유지관리 프로그램

2.3 교량 점검 종류

교량의 유지관리 활동은 교량의 상태를 요구 수준으로 유지하기 위해서 이루어진다. 교량의 유지관리의 시작은 점검으로부터 이루어지며 점검 종류 및 주기 또한 점검의 목적에 따라 다르다. 본 절에서는 조사 대상 국가의 교량 점검 종류 및 주기에 관한 내용을 기술 하도록 하겠다.

미국의 교량 점검 및 주기는 FHWA의 점검지침(Bridge Inspector’s Reference Manual)에 따르면 5개의 점검 단계로 분류 된다(Table 2) : 초기점검(Initial), 정기점검(Routine), 손상점검(Damage), 정밀점검(In-depth) 그리고 특별점검(Special). AASHTO의 점검지침(Manual for Bridge Element Inspection)은 FHWA에 붕괴유발부재점검(Fracture Critical), 수중점검(Underwater), 그리고 특별점검 포함하여 더 세밀하게 점검수준을 구분하고 있다.

영국의 교량 점검 및 주기는 다음 표(Table 3)와 같다. 안전점검(Safety inspection) 및 특별점검(Special inspection)은 관리기관의 필요에 따라 시행여부가 결정되는 점검이며 일반점검(General inspection) 및 정밀점검(Principal inspection)은 주기적으로 시행된다. 일반점검의 경우는 교량점검차등과 같은 교량접근 장비 없이 단순히 점검자의 육안으로 진행되는 수준이다. 반면 정밀점검은 필요시 각종 점검장비 및 접근 차량들을 사용하여 교량의 상태를 점검자의 근접 거리에서 면밀히 교량의 상태를 평가하는 점검방식이다.

일본은 교량점검에 관해서는 정기점검만을 규정하고 있다. 교량정기점검요령(橋梁定期點檢要領)에 따르면 최초점검은 교량의 공용 시작 후 2년 내에 이루어지며 정기점검은 최초점검 이후 매 5년 마다 이루어진다. 정기점검 외의 점검에 대해서는 명확하게 규정하고 있지 않지만, 교량의 열화 종류와 정도에 따라 교량 점검 필요시 기술자의 판단에 의해 점검이 이루어진다고만 규정되어 있다^{(MLIT, 2014)}.

국내의 유지관리 단계는 정기점검(Routine inspection), 정밀점검(In-depth inspection), 정밀안전진단(In-depth safety inspection), 긴급점검(Emergency inspection)으로 이루어진다(Fig. 4).

정기점검(Routine inspection)은 6개월에 1회 이상 실시되며 경험과 기술을 갖춘 점검자에 의한 외관조사로서 시설물의 기능적 상태, 사용조건을 만족시키는지를 평가한다. 정밀안전진단(In-depth safety inspection)은 1종 시설물을 대상으로 쉽게 발견할 수 없는 결함부위를 발견하기 위하여 정밀한 외관조사, 각종 측정·시험장비를 사용한 상태평가 및 안전성평가에 필요한 데이터를 확보하기 위한 점검이다. 정밀안전진단(In-depth safety inspection)은 준공일 또는 사용승인일 기준 10년이 지난 때부터 1년 이내, 차회의 정밀안전진단은 해당 시설물의 안전등급에 따라 정기적으로 실시한다. 긴급점검(Emergency inspection)은 관리기관이 필요하다고 판단할 경우 실시하는 정밀점검(In-depth inspection) 수준의 점검으로서 사고 또는 재해에 의한 교량의 손상 또는 결함이 의심되는 경우 시행하는 점검이다. 국내 교량 점검의 순서도는 Fig. 4와 같다.

Fig. 4 Flowchart of bridge inspection in Korea (MOLIT, 2019)

Table 2 Bridge inspection types and intervals in U.S. (FHWA, 2012)

Inspection	Descriptions	Interval
Initial	First inspection of a bridge as it becomes a part of the bridge inventory to provide all subsequent inspections with relevant data to determine baseline structural conditions.	at bridge open
Routine (Periodic)	Regularly scheduled inspection consisting of observations and/or measurements needed to determine the physical and functional conditions of the bridge.	≤ 24 months
Damage	An unscheduled inspection to assess structural damage resulting from environmental factors or human actions.	various*
In-depth	A close-up inspection of bridge to identify any deficiencies not readily detectable using routine inspection procedures.	various
Fracture -critical	A hands-on inspection of a fracture-critical member or member components that may include visual and other nondestructive evaluation	≤ 24 months
Underwater	Inspection of the underwater portion of a bridge substructure and the surrounding channel.	≤ 60 months
Special	An inspection scheduled at the discretion of the bridge owner, used to monitor a particular known or suspected deficiency.	various

*various: A bridge owner or state DOTs can determine intervals for damage, in-depth, and special inspection

Table 3 Bridge inspection types and intervals in UK (Highways England, 2021(a))

	Descriptions	Interval
Safety	Safety inspections for highway structures shall be carried out to ensure the safe and efficient identification of safety related defects	varied*
General	A general inspection shall comprise a visual inspection of all parts of the structure that can be inspected without the need for additional access equipment, using safe, ground level viewing positions around the structure.	≤ 24 months
Principal	A principal inspection shall comprise a close examination, within touching distance, of all accessible parts of a structure	≤ 72 months
Special	A special inspection shall provide detailed information on a particular element, part, area or defect that is causing concern, or inspection of which is beyond the requirements of the general and principal inspection regime	varied

*varied: The Overseeing Organization can determine intervals for safety and special inspection

3. 교량의 유지관리 지표

교량유지관리기관은 교량을 효율적으로 유지관리하기 위하여 교량의 상태를 대표할 수 있는 유지관리 지표가 필요하다. 교량의 유지관리 지표를 통해 교량의 후속대책을 결정하며 대책의 효용성을 판단한다. 가장 대표적인 교량의 유지관리 지표로서 상태등급(Condition Rating)을 사용하며 이를 활용하여 교량의 열화 정도를 판단하고 있다. 교량의 상태등급은 교량의 현재 상태를 나타내는 등급으로서 교량에 사용된 재료, 부재의 물리적 상태를 처음 교량의 상태와 비교하여 얼마나 열화되었는지 나타내며 교량의 전체적인 상태를 나타내는 지표이다. 따라서 상태등급은 각 부재가 가지고 있는 다양한 결함과 열화를 포착할 수 있도록 다양한 정보로 구성되며 이를 바탕으로 교량 전체의 상태를 평가한다. 본 절에서는 교량의 유지관리 지표로써 사용되는 각국의 교량상태등급에 대하여 기술하도록 하겠다.

미국의 상태평가 방법은 지침의 발간 주체(AASHTO 와 FHWA)에 따라 차이가 있으나, 어떠한 기준으로 부재의 상태를 수집하더라도 교량유지관리시스템(Bridge Management System, 이하 BMS)상에서 수집된 NBE(National Bridge Elements, 이하 NBE) 상태자료를 바탕으로 교량의 상태정보를 제공할 수 있는 유연성을 가지고 있다. 특히 BMS에서는 중요한 부재를 CoRe Element로 지정하여 관리하고 있다^{(AASHTO, 2019)}. 부재의 상태평가 결과는 FHWA 기준과 AASHTO 기준사이에서 변환할 수 있는 절차 또한 존재 한다. ^{(AASHTO, 2019)}. 교량 부재의 상태평가는 Manual for Bridge Element Inspection^{(AASHTO, 2019)}, Bridge Inspection’s Reference Manual^{(FHWA, 2012)}에 규정된 절차에 따라 결정된다. 위에서 언급된 CoRe elements는 AASHTO에서 각 DOT간 BMS 상에서 정보를 교환하기 위해 지정한 부재 및 분류기준이며 NBE는 교량에서 하중을 전달하는, 중요한 1차 부재들의 목록이다^{(AASHTO, 2019)}. 교량의 구성 부재중에서 중요한 1차 부재의 상태정보는 FHWA에서 관리되는 BMS의 NBI(National Bridge Inventory)로 넘겨져 교량 전체의 등급이 결정된다. 교량 구성부재 중에서, 바닥판, 상부구조, 하부구조의 상태를 0에서 9까지 10개의 단계로 나누고 있으며 각 등급에 대한 교량상태를 Table 4에 정리 하였다. Bridge Inspection’s Reference Manual^{(FHWA, 2012)}기준으로, 교량의 상태등급이 4등급 이하로 나타나면 교체를 위한 근거로 사용되며 이를 위한 자금마련, 계획수립이 시작된다. 그러나 한정된 예산, 선행 건설프로젝트, 더 우선순위를 가지는 문제의 해결로 인해 3등급 이하의 교량도 자주 나타난다. 그러나 4등급 이하 교량의 교체는 강제 사항이 아니라 권고사항이다.

FHWA에서 유지관리 정책 단계에서 교량을 평가하는 방법으로 SR(Sufficiency Rating, 이하 SR)지표를 사용한다. SR은 미국 FHWA에서 사용하는 교량의 유지관리지표로서 교량이 아직 사용가능한지를 나타내는 정량적인 지표이다. 미국의 BMS인 Pontis에서 교량의 상태는 Table 4에 나타난 바와 같이 NBI Condition Rating(이하 NBI Rating)을 통해 평가한다. 그러나 NBI Rating은 교량의 상태만을 나타낼 뿐, 안전성, 사용성, 기능성과 같은 서비스 수준을 나타내지는 못한다. 하지만 SR은 이러한 서비스 수준까지 포함한다. SR은 교량이 최상의 서비스 수준일 때 100%, 최악의 서비스 수준일 때 0%로 나타내며 다음 식으로 표현 된다^{(FHWA, 1995)}.

여기서, S1은 구조적인 상태 및 안전성을 나타내며 SR에서 최대 55%의 비율을 차지한다. S2는 사용성 및 기능성의 감소를 평가하는 항목으로 최대 30%의 비율을 차지한다. S3은 공공 필수성 항목을 평가하며 최대 15%를 차지한다. S4는 교량의 구조형식, 안전성에 따른 감소계수로 최대 13%를 차지한다. S4는 감소계수로서 우회로 길이, 교량형식, 교통안전시설 상태에 따라 결정된다. SR은 유지관리지표로서의 장점을 여럿 갖추고 있다. 교량의 구조적인면 뿐만 아니라 사용성 그리고 공공의 서비스를 위해 필요한 사항 또한 고려하고 있다. SR의 계산에 필요한 모든 자료는 BMS에서 얻을 수 있으며 관리자의 주관적 판단이 필요한 항목이 없으므로 BMS상에서 자동으로 계산이 가능하다. 미국에서 교량의 유지관리 및 개축을 계획할 때는 SR을 바탕으로 교량이 요구되는 기능을 만족하는지 평가하게 된다. 만일 SR이 80점 이하라면 보수보강을 위한 예산배정을 시작하며 50점 이하의 교량은 개축을 위한 자원할당을 시작하도록 권고하고 있다^{(FHWA, 2012)}. 즉, 미국은 교량의 상부구조, 하부구조 및 교량 바닥판의 상태는 NBI Rating을 통해 나타내고 있다. 정책적 단계, 교량의 보수·보강, 개축과 같은 유지관리 정책 의사결정 단계에서는 SR을 사용하고 있다. 특히 SR은 교량의 구조적인 성능뿐만 아니라 사회적, 기능적인 항목까지 포함하고 있으므로 교량의 상태를 포괄적으로 잘 표현하고 있다고 판단된다.

영국은 주기적으로 시행되는 정밀점검(Principal inspection, see Table 3)의 결과를 정량화하여 유지관리지표로 활용하고 있다. 정밀점검 시 점검자의 육안점검을 통해 기록되는 교량의 결함의 규모(Extent)는 A~E로 평가하며 결함의 심각성(Severity)은 1~5로 평가 한다(Table 5).

결함의 규모 및 심각성에 대한 점수는 BMS에 입력 관리된다. 교량부재별 가중치를 고려하여 교량상태성능지수(BCPI, Bridge Condition Performance Indicator in Table 6)로 환산하여 교량의 상태평가를 실시한다^{(Highways England 2021a; Highways England 2021b)}.

일본의 경우는 교량의 상태를 계량화 하여 구간에 따라 교량의 상태를 결정하는 것이 아니라 점검 시 발견된 손상의 정도에 따라 교량의 상태를 결정 한다(Table 7).

이를 대책구분(對策区分)이라 하며 대책구분에 따라 손상에 대한 대책 실행의 긴급성이 결정 된다. 교량부재 손상 대책에 대한 긴급성이 결정되면 대책의 수준은 교량의 건전성에 의해 결정 된다(Table 8). 부재 단위의 건전성 진단은 주목하는 부재와 손상이 도로교의 기능에 미치는 영향의 관점에서 실시한다. 일반적으로 교량손상에 대한 후속조치는 ‘대책구분’과 ‘건전성’의 조합으로 이루어진다.

국내의 경우 교량의 상태평가는 결함도 점수(Damage Index, DI)를 사용한다. 식 (2)와 같이 산정 한다^{(MOLIT, 2019)}. 상태평가는 재료시험 및 점검자의 육안조사에 의해 시설물의 각 부재로부터 발견된 상태변화(결함, 손상, 열화)를 근거로 하여 세부지침의 상태평가 기준에 따라 실시한다^{(MOLIT, 2019)}.

여기서, $WF_{i}$: 부재별 가중치 (단, $\sum_{i=1}^{n}WF_{i}=100$)

$CR_{i}$: 부재 평균 상태 등급

각 부재의 상태평가 기준은 세부지침^{(MOLIT, 2019)}에 설명되어 있다. 유지관리 절차에 의해 교량의 상태등급은 A에서 E까지 5개 등급으로 구분 한다(Table 9). 앞에서 설명한 상태등급에 따른 교량의 사용제한에 따르면 교량의 사용제한이 E등급에서는 즉각적이고 강제적으로 이루어지며 D등급에서 사용제한여부를 검토하는 수준이다.

Table 10은 연구대상 국가의 교량유지관리지표를 정리하였다. 여기서 동일한 행에서 보여주고 있는 국가 간의 상태평가는 반드시 교량의 상태가 동일하다는 것을 의미하는 것은 아니라 상대적으로 비교가 가능하다는 의미이다. 미국의 NBI ratings은 매우 상세하게 교량의 상태를 구분하고 있어 여기 비교에서는 NBI ratings을 기준으로 대상국가간의 유지관리지표를 비교하였다. 교량의 유지관리 지표 기능은 (1) 교량의 물리적인 상태, (2) 교량의 상태에 따른 유지관리 활동 그리고 (3)사회경제적 영향으로 그 기능을 구분할 수 있다. 일본을 제외한 미국(NBI ratings, SR), 영국(BCPI), 한국(DI)의 유지관리 지표는 교량의 물리적인 상태를 정량적으로 보여주고 있으며 일본(Soundness)은 교량상태에 따른 필요한 유지관리 활동을 보여주는 차이가 있다. 그리고 미국의 SR지표의 경우 교량의 사회·경제적인 영향을 교량의 상태평가에서 고려하고 있다. 정량적인 값으로 산정되는 유지관리 지표의 경우(예, NBI ratings, SR, BCPI, DI 등)는 교량의 유지관리 활동 일정 및 예산 배정 결정에 매우 유용할 것으로 판단된다. 반면 일본의 유지관리지표(Soundness)는 교량의 상태에 따른 필요한 유지관리 활동이 즉시 결정되므로 의사결정에 따른 소요시간을 단축할수 있다.

모든 유지관리의 시작은 점검자의 육안검사로부터 시작된다. 점검자의 의해 시행되는 육안검사 결과는 점검자의 주관적인 견해로부터 벗어날 수 없다. 따라서 객관적이고 효율적인 교량의 상태평가 위해서는 영상기반교량점검방법과 같은 점검자의 주관이 배제될 수 있는 방법도입이 필요할 것으로 판단된다. 또한 교량의 물리적인 상태뿐만 아니라 교량의 경제적인 유지관리를 위해서는 교량 부재의 경제적인 가치, 교량의 사용성, 기능성을 고려한 지표개발을 통해 교량의 사회·경제적 가치를 유지관리프로그램에 반영하는 것이 필요하다.

4. 보수·보강 공법: 단면복구, 균열보수

유지관리 절차에 의해 교량의 상태가 평가되며 이를 근거로 교량의 유지관리 활동(보수·보강)이 결정이 된다. 콘크리트 교량의 대표적인 보수공종으로 열화된 콘크리트 단면을 제거하고 원래의 형상에 따라 단면을 교체하는 단면복구와 균열부위를 보수재로 채우는 균열보수가 있다. 본 절에서는 대표적인 보수공종인 단면복구공법과 균열보수공법에 대해 대상국가간 비교를 하도록 하겠다. 대상국가간 보수공종 비교 시 사용한 문헌은 Table 11에 요약정리 하였다.

5. 결 론

국내 교량의 급속한 노후화는 이미 예견되고 있으며 이를 위해 효과적인 교량유지관리가 필요하다. 본 논문은 국내와 해외 교량 유지관리 선진국(미국, 영국, 일본)에서 실행되고 있는 교량유지관리활동(점검 및 보수공사)을 국내·외 교량유지관리활동과 비교 분석하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.

1) 조사 국가 간의 교량유지관리 프로그램의 상당부분은 유사 하였으나 유지관리지표 산정에서는 차이점이 존재하였다. 이는 국가 별 설계기준, 재료 품질, 시공 수준, 품질관리 수준, 유지관리수준(인식, 점검수준, 예산 등) 차이에 기인한 것으로 판단된다. 국내 유지관리 지표의 경우 교량의 물리적인 상태만을 점검자의 육안검사를 통해 정량적으로 평가한다. 교량의 경제적인 유지관리를 위해서는 국외 사례와 같이 교량 부재의 경제적인 가치, 교량의 사용성, 기능성을 고려한 지표개발을 통해 교량의 사회·경제적 가치를 유지관리프로그램에 반영하는 것이 필요하다.

2) 조사 대상국가 모두 단면복구공법으로 미장공법, 뿜칠공법, 충전공법을 공통으로 사용하고 있었다. 단면복구 재료 성능기준에 대해서는 외국과 비교하였을 경우 대표적인 역학성능 중 하나인 부착강도는 상대적으로 낮게(1.5~2.0배 ↓), 적합성능 중 하나인 길이변화율은 상대적으로 높게(1.5~2.0배 ↑) 규정하고 있었다. 따라서, 국제기준에 맞게 이 항목에 대해서는 조정이 필요할 것으로 판단된다.

3) 조사 대상국가 모두 균열보수공법으로 균열피복공법, 균열주입공법, 균열충전공법을 공통으로 사용하고 있었다. 균열보수공법의 재료 성능기준의 경우 국내는 균열보수용 재료별 요구성능을 한국산업표준으로 규정하였다. 국외(예, 영국과 일본) 의 경우 성능중심설계에 기반 하여 공법에 따른 재료별 요구 성능을 요구하거나 보수된 구조물의 요구구조성능을 요구하고 있다. 따라서 국내의 경우도 성능중심설계에 기반 한 보수설계를 위해서는 구조물의 요구성능에 부합하는 보수재료의 성능을 규정하는 것이 필요할 것으로 판단된다.