2.1.1 중소 규모 교량의 유지관리체계 제안

본 논문에서 제안하고 하는 중소교량의 관리체계는 크게 네트워크 레벨과 프로젝트 레벨로 구분할 수 있다. 먼저, 네트워크 레벨의 교량관리 체계는 관리대상 교량 전체에 대하여 그룹화하여 관리하는 방안이고관리대상 교량 중 개별의 교량관리하는 방안을 프로젝트 레벨의 관리체계라 한다. 결국 프로젝트 레벨과 네트워크 레벨의 교량관리 체계는 유기적으로 수행되며 이를 도식화 하면 Fig. 1과 같다.

네트워크 레벨의 교량 관리체계는 관리대상 교량 전체에 대한 현황정보를 수집하여 이를 데이터베이스(Datebase, DB)화하여 리스크매트릭스를 이용한 위험도 기반의 성능평가 우선순위 평가를 수행한다. 위험도 기반의 성능평가 우선순위 평가결과는 관찰교량군, 단기실시 교량군, 즉시실시 교량군으로 분류한다.

프로젝트 레벨의 교량 관리체계는 각각의 교량별로 앞서 실시한 위험도 기반의 성능평가 우선순위의 결과 중 즉시실시 교량군에 속하는 개별 교량에 대해 종합적 성능평가를 수행하며, 종합적 성능평가를 수행한 결과는 성능등급으로 산출되는 A등급에서 E등급까지 대상 교량의 성능등급이 산출된다^{(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2019}).

이 성능등급과 교량의 공용년수를 제시된 기준에 따라 조치계획을 수립하며, 조치계획은 일정 성능등급 이상일 경우 조치를 수행하지 않고 지속적인 관찰을 한다. 또한, 일정 성능등급 이하의 경우 공용년수에 따라 보수보강 공사 계획과 성능개선 공사 계획을 수립한다. 조치 계획에 따라 조치한 결과를 교량 현황정보에 업데이트하여 최신화한다.

Fig. 1 Management system of small and medium sized bridges

2.1.2 중소 규모 교량의 유지관리 절차

유지관리 시나리오 절차는 교량의 현황 정보를 수집하고 수집된 정보로 위험도 기반의 성능평가 우선순위를 산정하고 선정된 교량의 성능평가를 통해 중소 규모의 교량을 관리하는 것이다.

먼저, 현황조사 정보수집으로 관리 대상의 중소 규모의 교량에 대한 정보를 수집하며, 정보의 내용은 다음 2.2절에 기술하였다. 위험도 기반 성능평가 우선순위 산정은 위험도를 이용하여 수집된 현황 정보를 통해 위험도 분석을 실시하여 조치가 필요한 대상 교량군에 대하여 종합적 성능평가 우선순위를 부여한다.

종합적 성능평가 수행은 위험도 기반 성능평가 우선순위를 산정하여 성능평가 대상 교량을 선정하고 선정된 교량에 대하여 3종 및 법정 외 교량 대상의 성능평가를 수행하여 등급을 산출한다. 산출되는 성능등급은 A~E등급으로 구분되며 상위 성능부터 A등급을 부여한다. 이 때, 종합적 성능평가를 실시하여 대상 교량의 추가 자료는 현황조사 정보에 갱신한다. 종합적 성능평가의 방법 및 절차에 대해서 본 논문에서는 다루지 않고 평가결과인 성능등급만을 사용한다.

성능평가 결과 조치 기준 등급이하의 교량에 대하여 즉각 조치가 필요하다고 판단될 경우 보수보강 공사 및 성능개선공사 계획을 수립한다. 또한, 조치 기준상으로 즉각적인 조치가 아닌 경우 판단될 경우 추가로 조사된 정보들은 정보수집 단계의 현황정보에 갱신하여 차후 평가시 활용된다. 일련의 유지관리 시나리오 절차를 도식화 하면 Fig. 2와 같다.

Fig. 2 Procedure of maintanence scenario

2.2.1 리스크매트릭스를 이용한 위험군 분류

중소 규모의 교량인 3종 및 기타 교량은 1, 2종 교량에 비해 점검진단 및 성능평가에 대한 관심을 받지 못하고 있으나, 사회 기반시설물로 그 중요성은 1, 2종에 못지 않게 중요성을 갖고 있다. 하지만, 1, 2종 교량의 경우 시설물의 안전 및 유지관리에 관한 특별법(^{국토교통부, 2020})으로 주기적인 성능평가를 실시하고 있다. 하지만 3종 및 법정외 교량의 경우 이러한 법적인 강제성이 없으므로 관리주체의 예산, 인력 등의 문제로 인하여 소홀히 관리될 수도 있다.

이에 따라 본 논문에서는 교량의 현황 및 유지관리에 대한 정보 중 관리주체에서 수집 가능한 정보를 바탕으로 리스크 매트릭스를 기반한 종합적 성능평가 우선순위 선정 방안을 제시한다. 이를 위해 중소 규모 교량의 성능평가 우선순위 분석을 위한 관리체계를 구축하고 개별교량에 대하여 Eq. 1과 같이 손상발생 가능성($P$)과 손상시 피해규모($C$)를 고려하여 위험도를 산정한다. 리스크 매트릭스 산정방법은 각 손상발생 가능성($P_{i}$)의 평가항목에 대한 평가를 실시하여 해당 가중치를 곱하여 해당 교량의 손상발생 가능성($P$)를 산정한다. 손상시 피해규모($C$)도 같은 방법으로 산정한다. 각 교량의 손상발생 가능성을 $y$축으로 손상시 피해규모 점수 $x$축으로 하여 Fig. 3의 그래프에 작도하여 구분되는 위험군 영역에 해당하는지 분석한다.

여기서 $P_{i}$는 손상발생가능성의 각 항목별 위험도이고, $C_{i}$는 피해규모의 각 항목별 위험도이다. 또한, $W_{i}$는 각 항목의 가중치이며, 손상발생가능성 및 피해규모 항목의 가중치의 각 합은 1이다.

이에 따라 각 위험군 영역을 본 연구에 적용하여 다음 Fig. 3와 같이 높은 위험도를 즉시 조치 교량군, 중간 위험도를 단기조치 교량군, 낮은 위험도 영역은 관찰 교량군으로 적용하였다.

리스크 매트릭스(Risk Matrix) 기법을 사용하여 교량에 위험성을 줄 수 있는 요인들을 손상가능성과 피해규모로 구분하고 세부 요인들을 선정한다. Table 1은 손상가능성과 피해규모에 대한 평가 항목으로 앞서 연구된 “위험도 지수 기반 중소규모 교량 성능평가 우선순위 결정 방안 제안”(^{Lee H.Y., 2019}) 를 기반으로 결정하였다. ^{Lee H.Y., 2019}의 논문에서는 본 논문과 같이 위험도를 결정하는 항목을 이용하여 위험도 지수를 산출하고 가중치를 이용하여 일정 위험도 점수 이상일 때 성능평가를 수행하는 것으로 되어 있다. 본 논문과의 차이점은 위험도 지수를 통한 종합적 성능평가 우선순위 산정이 아닌 위험군의 영역을 지정하여 즉시조치 교량군으로 선정시 종합적 성능평가를 수행하는 것이다.

Fig. 3 Classification by risk group

2.2.2 종합적 성능평가 우선순위 산정 평가항목

다음은 위험도 분석을 위해 조사되어야 할 항목 및 각 항목별 위험도 점수 기준 및 가중치에 대해 알아본다. 먼저 발생가능성 항목 중 공용년수는 구조물을 사용함에 따라 발생되는 노후화에 대한 내용이며, 설계등급은 구조물의 강도를 결정하는 항목이고, 대형차교통량은 교량 손상에 중요 요인이며, 도면보유는 유지관리시 중요한 자료이다. 또한 전회차 평가결과는 본 평가가 1회에 그치지 않고 지속적으로 수행되었을 때 해당 회차 전번의 평가결과이다.

또한, 피해규모에서 제설재 사용은 콘크리트나 강교에 심각한 피해 중 염해를 고려한 것이고, 도로의 종류는 교량 손상으로 인한 피해 규모가 도시 규모에 따르기 때문이며, 교량 폭은 폭에 따라 차로수가 결정되고 이는 통행하는 차량의 수에 상관한다. 교량하부 기간망은 교량 붕괴시 피해에 대한 항목이고, 최신 점검진단 결과는 교량 현 상태를 파악하기 위함이다. Table 1은 손상가능성과 피해규모에 대한 평가 항목이다.

2.2.3 위험도 기반 종합적 성능평가 우선순위 평가 지표

앞 절에서 위험도 기반 종합적 성능평가 우선순위를 평가할 수 있는 평가항목을 정하였으며, 각 평가항목에 따른 평가 지표를 선정하여야 한다. 손상가능성과 손상 피해규모에 대한 항목은 각 평가항목별 1~5점을 부여하였으며, 각 평가항목별 가중치를 통하여 가중합산으로 손상가능성 및 손상 피해규모를 산정하였다.

Table 2와 Table 3는 손상발생 가능성 및 손상 피해규모의 각 평가항목별 가중치를 부여하여 손상가능성 지표를 산정하였다. 이 때, 평가 항목중 전회차 평가결과는 최초 평가에서는 제외한다. 이때 전회차란 최초 평가 이후 시행되는 평가의 직전 회차를 의미한다. 이에 따라 평가항목별 가중치 또한 최초 평가와 그 이후 평가가 다르게한 이유는 최초 평가시 평가할 수 없는 항목을 제외시키기 위함이다. 평가항목에 대한 가중치와 배점은 시설물 유지관리 전문가를 대상으로 점수 및 가중치의 적절성을 설문을 진행하여 설문자의 경력에 따라 가중 평균으로 결정하였으며, 추후 실제 교량을 관리하는 관리주체 및 다양한 전문가 집단을 대상으로 추가적 설문을 진행하여 객관성 및 전문성을 확보할 것이다.

2.2.4 위험도 기반 종합성능평가 우선순위 선정 기준

앞 절에서 제시된 기준에 따라 리스크 매트릭스 평가를 실시하여 관리주체에서 관리되고 있는 교량의 정보를 통해 각 교량의 손상가능성 및 피해규모 점수를 산정한다.

산정된 점수를 그래프에 작도한다. 이 때, 그래프에 표시된 해당 교량의 점수에 따라 높은 위험군인 즉시조치 교량군, 중간 위험군인 단기조치 교량군, 낮은 위험군인 관찰 교량군으로 분류된다. 이렇게 분류되는 기준은 리스크 매트릭스 기법에서는 각 위험군을 분류하는 기준은 통상적으로 각 위험군이 그래프상 거의 동일 면적으로 갖는 것을 일반적으로 하지만 본 연구에서는 그 기준을 설문 및 자문을 통하여 일부 조정하였다.

전문가 설문 및 자문을 통해 위험군의 적정 영역을 조사하였고, 수집된 결과를 평균하고 이를 보정하여 Fig. 3과 같이 위험등급 중 즉시조치 교량군의 위험도 등급을 손상가능성 5.0, 피해규모 2.0이 되는 점을 연결한 선의 상위부분을 즉시조치 교량군으로, 손상가능성 2.0, 피해규모 5.0이 위치한 점을 연결한 선보다 하위에 있는 부분은 관찰교량군으로, 두 기준 사이 부분을 단기조치 교량으로 한다.

하지만 위험군의 영역은 관리주체의 규모, 예산 수준, 인력 등의 여러 변수에 의해 변경될 수 있다. 또한 관리주체에서 교량을 관리하는 수준 즉, 관리목표에 따라 변경될 수도 있다.

이에 따라 Fig. 4와 같이 관리목표를 높은 수준으로 설정하느냐, 또는 적정한 수준이나, 안전에 이상 없는 수준으로 설정하느냐에 따라 그 기준은 변경될 수 있다.

교량군별 기준과 평가지표는 시설물 유지관리 전문가를 대상으로 설문을 진행하여 결정하였으며, 추후 실제 교량을 관리하는 관리주체 및 다양한 전문가 집단을 대상으로 추가적 설문을 진행하여 객관성 및 전문성을 높일 것이다.

Fig. 4 Determination of criteria of risk group according to management level

2.3.1 실제 공용중인 관리 교량 정보 조사

본 연구의 유지관리 시나리오 적용을 위하여 실제 공용중인 교량에 대하여 적용하였다. 적용된 관리주체에서 관리하고 있는 교량의 수는 총 400여개이고, 이 중 1, 2종은 210여개, 3종 및 법정 외 교량의 개소수는 231개이다. 적용 예의 교량현황은 Fig. 5에 나타내었다.

테스트 베드 지역의 현황은 1, 2종 교량이 47.8%, 3종 및 기타 교량이 52.1%로 전체 교량과 같이 3종 및 기타교량의 개소수가 대부분을 차지하고 있다. 공용년수별 현황을 보면 20년 이상 교량이 전체의 65.7%를 차지하고 있어 노후도가 심각한 상황이다. 그 중 3종 및 기타교량의 노후화는 20년 이상 전체 교량중 46%를 차지하고 있어 특히 심각한 상황이다. 따라서, 노후화 정도가 심하고, 1, 2종 교량에 비해 관리가 소홀하며 전체 교량 개소수 중 많은 비율을 차지하고 있는 3종 및 기타교량에 대한 체계적인 관리가 필요한 상황이다.

또한, 해당 지역은 대도시 지역이며, 기상청의 통계로 5년간 연평균 적설일이 약 10일정도이며 내륙지역에 위치해 있다.

발생가능성 지표로 공용년수와 설계등급, 평균 일트럭교통량 및 도면보유 여부를 조사하였다. 평가를 위해 앞의 2.2.3절에서 제시한 평가 기준에 따라 손상가능성과 피해규모를 산정하였다.

Fig. 5 Status of bridge by class

2.3.2 위험도 기반 종합적 성능평가 우선순위 산정

조사된 3종 및 법정 외 교량의 현황정보를 통해 위험도 기반 성능평가 우선순위 대상을 선정할 수 있다. 이 방법은 2.3절에서 제시한 방안을 통해 분석할 수 있다.

분석결과를 살펴보면 즉시조치 교량군이 총 54개소, 단기조치 교량군이 171개소, 관찰 교량군이 6개소로 분석되었다. 이 평가는 앞에서 설명한 바와 같이 최초 평가로 기존에 보유하고 있는 정보의 수준으로 분석한 사례이다. 정보가 없는 경우 위험성을 판단할 수 없기 때문에 가장 위험하다고 가정하여 최고점이 5점을 부여하였으며, 그에 따라 준공된 지 시간이 오래 경과된 교량의 경우 위험한 수준인 즉시조치 교량군에 속해있다.

이에 대한 결과는 Fig. 6과 같으며 총 231개 교량에 대해 아래 그래프와 같이 점 하나에 중복되어 있는 경우가 있다. 따라서, 아래 그림의 원안에 숫자는 점 한 개에 중복되어 있는 교량의 개수이다. 빨간색 원은 즉시조치 교량군, 파란색 원은 단기조치 교량군, 그리고 녹색 원은 관찰교량군을 나타내었다. 적용 사례에서는 종합적 성능평가를 실시하지 않아 실제 공용중인 데이터는 아래의 위험도 기반 우선순위 선정 평가까지 할 수 있다.

다음 절에서 종합적 성능평가를 대신하여 점검진단 결과인 상태성능등급을 종합적 성능평가 결과라고 가정한 상태에서 추후 단계에 대하여 진행하도록 하겠다.

Fig. 6 Result of risk based priority evaluation

2.3.3 교량 관리를 위한 재평가 분석

앞 2.3.2절에서 3종 및 법정 외 교량의 유지관리 시나리오를 수립하여 그 평가 절차에 따라 교량의 현황조사를 수행하고 그 결과를 가지고 위험도 기반 성능평가 우선순위 선정을 위한 평가를 최초로 실시하였고, 평가 결과를 토대로 분석된 54개 교량에 대한 종합적 성능평가를 수행하였다고 가정한다. 종합적 성능평가 결과는 실제 수행하지 않았으므로, 해당 교량의 최신 점검진단 결과를 성능평가 등급이라 가정한다. 정기점검 결과가 우수, 양호, 보통, 미흡, 불량으로 나오는 결과에 대하여 우수는 A등급, 양호는 B등급, 보통은 C등급, 미흡은 D등급, 불량은 E등급으로 가정한다. 비록 정기점검 등에서 나오는 결과가 실제 성능평가와는 다르지만 현재 재평가 결과를 위해 가정하였다.

이렇게 3종 및 법정 외 교량에 대한 유지관리 시나리오는 1회성에 그치지 않고 주기적으로 수행하여 종합적 성능평가 결과 및 지속적 관찰, 보수보강, 성능개선으로 조치를 수행하고 이에 대한 결과는 교량의 현황 정보에 업데이트 될 것이다.앞서 가정된 종합적 성능평가와 교량형식, 공용년수를 기반으로 유지관리 조치계획을 수립하고 조치계획에 따라 지속적 관찰, 보수보강 공사 계획, 성능개선 공사 계획을 수립하여 조치하였다고 가정하고, 재평가에 대한 분석을 수행하였다.

또한 2.2.3절에 제시한 위험도 기반 종합적 성능평가 우선순위 산정을 위한 발생가능성 지표와 피해규모 지표에서 최초 평가에서 제외되는 항목들이 있으므로 이에 대한 사항을 적용 사례로 분석하기 위해 재평가에 대한 분석을 수행하고, 재평가 결과와 최초평가 결과를 비교하려 한다.

업데이트된 정보 및 시간 경과에 따른 정보들도 변경되어 최초 평가를 수행하고 재평가하는 평가 주기를 5년으로 가정하였다. 이에 따라 5년이 경과한 다음 회차 평가를 수행할 때에는 최초의 교량 현황정보와 차이를 보이게 된다. 이러한 차이를 살펴보고자 시간경과 및 조치방안, 그리고 추가된 정보를 통해 재평가를 수행하여 수립된 유지관리 시나리오에 대한 타당성을 검증하고자 한다. 최초 평가에서 5년 경과 후 변경되는 항목으로 발생가능성 지표에서는 공용년수가 변하며, 교통량의 변화는 없다고 가정하였다. 또한 도면보유 여부에 대한 평가는 등급평가에서도 언급한 바와 같이 전회차 평가에서 즉시조치 교량의 종합적 성능평가를 통해 도면이 추가로 작성되므로 이에 따른 등급의 변화가 있다. 또한, 최초 평가와 달리 전회차 평가결과에 대한 항목이 추가되고 이에 따른 가중치도 변하게 된다.

피해규모 지표에서는 도로의 종류, 교량폭, 교량하부 기간망은 시간에 따라 변화되지 않는 항목이며, 제설재 염해의 경우 연평균 강설일에 따라 변화되지만 본 평가에서는 전회차와 동일하다고 가정하였다. 추가되는 평가항목으로는 최신 점검진단 결과를 반영한 내용이 추가되었으며, 이에 따라 피해규모 지표에 대한 가중치도 조정된다.

피해규모 지표에서는 기존에 데이터가 존재하지 않았던 내용들이 보강될 수 있으며, 최신 점검진단 결과에 대한 평가 항목이 추가된다. 발생가능성 및 피해규모에 대한 지표 및 점수에 대한 기준은 2.2.3절에 자세히 나타내었다.

최초 우선순위 선정을 위한 평가에서 즉시조치 교량군 54개소 중 성능평가 결과로 가정한 점검진단 결과를 통해 보수보강 및 성능개선 공사를 18개소 진행하였다고 가정하고 분석을 수행하였다. 재평가 결과 최초평가시에 비해 즉시조치 교량군은 22개소 감소한 32개소로 평가되었고, 관찰 교량군은 최초 평가에 비해 성능개선 및 보수보강 공사 대상 교량의 교량군 이동으로 18개소로 증가하였다.

최초 평가에서 즉시조치 교량으로 평가되어 종합적 성능평가를 수행하고 보수보강공사를 수행한 18개소 교량은 기존 즉시조치 교량군에서 관찰 교량군으로 이동한 것을 알 수 있다. Fig. 7상에서 파란색 점선 원이 해당교량이 최초 평가시 평가된 위험도이고 파란색 점선 화살표를 따라 이동한 것을 알 수 있다. 이 때, 네모안에 숫자는 231개 교량에 대한 교량 번호이다. 또한, 125번 교량은 종합적 성능평가를 수행하여 성능개선공사를 실시하였고, 주황색 점선 원의 최초 평가시 위험도에서 빨간색 화살표를 따라 관찰 교량군으로 이동한 것을 알 수 있다.

Fig. 7 Result of risk based Priority re-evaluation