2.2.1 중대한 결함

시설물안전법 시행령 제18조에서 시설물의 중대한 결함을 제1항 시설물기초의 세굴, 부등침하 등 대통령령으로 정하는 중대한 결함과 제2항 교량 난간의 파손 등 대통령령으로 정하는 공중이 이용하는 부위에 대한 결함으로 구분하였다. 중대한 결함이란 시설물의 구조안전에 중대한 영향을 미치는 것으로 인정되는 결함을 말하며, 발견된 후, 관리주체 등에 의해 조치가 결정된다. 성능평가 시 점검기간 동안 시설물과 인명에 중대한 위험을 끼칠 가능성이 있는 시설물의 결함이 발견되는 경우에는 즉시 관리주체에게 통보해야 하며, 관리주체는 필요한 조치를 조치해야 한다.

2.2.2 우선순위지수(Priority Index) 결정

보수ㆍ보강 조치를 위한 우선순위는 우선순위지수를 이용하여 산정할 수 있다. 우선순위지수는 2021년 12월에 시설물안전법의 세부지침이 대대적으로 개정됨에 따라 수정되었다. 본 절에서는 과거 우선순위지수와 수정된 우선순위지수를 모두 분석하여 문제점을 도출하였다.

먼저 초기 우선순위지수의 경우 부재별 손상내역과 보수물량에 따른 비용(Cost), 성능 간 가중치(Pi)와 부재가중치(Ei)를 이용하여 산정한다. 해당 산정식은 부재의 중요도와 보수ㆍ보강 비용 모두 고려할 수 있다. 우선순위지수 계산 공식은 Eq. (1)과 같다.

여기서, $P_{i}$는 성능간 가중치로 $i$=1, 2, 3으로 각각 안전성능, 내구성능, 사용성능을 의미한다. $E_{i}$는 부재 가중치로 $i$는 동일한 의미를 갖는다. 또한 $E_{i}$는 공법별 가중치와 영향도를 이용하여 산정한다(Eq. (2)). $w_{i}$는 보수․보강 공법별 가중치이며, $E$는 영향도(중요도)를 나타낸다.

2021년에 개정된 우선순위지수는 Eq. (3)와 같이 비용에 대한 고려 없이 부위 또는 부재 등에 대하여 손상별ㆍ부재별ㆍ성능간ㆍ등급별ㆍ가중치를 활용하여 보수ㆍ보강 우선순위를 결정하였다. 또한 투자우선순위 지수(PI) 산정 가이드 ^{(KALIS, 2022)}를 발간함에 따라 실무자들의 이해를 돕고자 하였다.

여기서, $P_{n}$는 성능간 가중치, $M_{n}$은 부재별 가중치로 기존의 가중치와 동일하며 $D_{n}$은 손상별 가중치, $G_{n}$는 등급별 가중치로 추가되었다.

기존과 금회 수정된 각 시설물의 성능간 가중치 및 부재 가중치는 ｢시설물의 안전 및 유지관리실시 세부지침(성능평가 편)｣^{(KALIS, 2022)}의 부록3 “시설물별 성능간 가중치 및 부재가중치”와 금회 제정한 투자우선순위 지수(PI) 산정 가이드의 시설별 가중치를 참고하여 산정할 수 있다. 부재별 가중치는 동일한 결함이라고 하더라도 부재에 따라 시설물에 미치는 영향이 다르기 때문에 설정하는 가중치이다. 성능간 가중치는 종합성능을 평가하기 위해 안전ㆍ내구ㆍ사용성능으로 구분에 대한 가중치이다. 금회 추가된 손상별 가중치는 손상의 종류에 따른 가중치로서 본 논문에서 대상으로 하고 있는 수리시설물의 경우에는 중요결함, 국부결함, 일반손상에 대해 구분하고 있다. 마지막으로 등급별 가중치는 발생된 결함 또는 비파괴시험의 결과는 5분위(a, b, c, d, e)로 평가되는 동일한 종류의 손상이라고 하더라도 평가등급에 따라 시설물에 미치는 영향정도가 다르다고 판단하여 등급별 가중치를 제시하였다.

2.2.3 보수ㆍ보강방안 결정

보수보강방안 결정은 ｢시설물의 안전 및 유지관리 실시 세부지침(안전점검·진단편) 해설서｣^{(KALIS, 2022)}에 제시되어 있는 기본시설물의 보수보강방안을 준용하여 수행한다. 복합시설물인 댐 시설은 댐, 상수도, 교량, 건축물, 터널 시설물편의 해설서를 참조하여 결정한다. 주로 일반적인 보수ㆍ보강 방안은 재료, 재료별 결함 및 손상내용에 따라 결정한다.

시설물의 안전 및 유지관리 실시 등에 관한 지침 제34조 보수ㆍ보강 우선순위의 결정에는 보수보다는 보강을 보조부재보다는 주 부재를 우선시 하라고 되어 있다. 또한 중대한 결함임에도 불구하고 투자우선순위가 밀릴 것을 막기 위해 책임기술자 판단 하에 보수ㆍ보강이 반드시 필요한 경우에는 제시된 가중치 값과 관계없이 모든 가중치를 1.0으로 부여하여 최우선적인 투자우선순위가 될 수 있도록 하였다. 이에 대한 상세의견은 보고서에 수록하여야 한다.

3.1.1 초기 우선순위지수 (PI)

먼저 2절에서 제시한 Eq. (1)의 경우 우선순위지수를 산정하기 위하여 성능간 가중치, 부재별 가중치, 비용으로 구분할 수 있고 부재별 가중치는 공법별 가중치, 영향도(Impact Degree)로 구성된다. 여기서, 영향도의 범위는 Table 1에 나타난 것처럼 전문가 소견을 통해 일반적으로 50~100%의 범위 안에서 조정할 수 있다. 따라서 전문가의 판단에 따라 최대 2배정도의 차이를 줄 수 있다. 공법별 가중치는 부재에 따라 정해져 있는 값으로 세부지침이 제시되어있다. 그러나, 특정 부재에 동일한 값이 제시되어 있다는 점은 보수ㆍ보강 우선순위 지수 산정에 문제점을 발생시킨다. 예를 들어 Table 1과 같이 필댐(Fill Dam)의 댐마루(Dam crest) 안전성능에 대한 부재가중치는 16.1이다. 만약 댐마루에 대한 보수ㆍ보강을 실시한다고 하면 투자된 비용이나 적용범위, 향상된 성능평가 항목과는 무관하게 부재가중치는 16.1× 1.0로 결정된다. 여기에 안전성능의 가중치(댐의 경우 0.74)가 정해져 있기 때문에 Eq. (2)의 효과지수(EI, Efficiency Index)는 댐마루에 대한 다양한 종류의 보수·보강 공법과 동일한 값을 갖는다. 그러나 댐마루에서 발생한 종방향 균열을 보수·보강하는 것과 댐마루의 가드포스트 파손에 대한 보수·보강을 하는 경우는 그 중요도나 효과가 다를 것이다. 이는 결국 비용에서만 큰 영향을 받게 되어 비용이 적은 보수·보강 조치가 가장 우선순위가 높은 결과를 나타내는 문제점이 발생한다.

3.1.2 투자우선순위지수 (modified PI)

수정된 Eq. (3)의 경우 우선순위지수를 산정하기 위해 기존의 성능간 가중치, 부재별 가중치에 더해 손상별 가중치와 등급별 가중치를 추가하였다. 이는 앞서 지적한 동일한 부재에 다른 보수·보강 공법을 적용한다고 하더라도 동일한 가중치가 적용된 것을 해결하기 위한 방안으로 판단된다. 앞의 예시처럼 댐마루 부재의 가중치가 16.1이지만 Table 2와 같이 종방향 균열(중요결함 0.41)과 가드포스트 파손(일반손상 0.28)의 손상별 가중치가 달라 각각 다르게 우선순위가 도출될 수 있다. 또한 동일한 손상이라고 하더라도 손상정도에 따라 가중치를 부여하기 위하여 등급별 가중치를 설정하였다. 종방향 균열이 발생하였을 때 균열의 정도에 따라 보수·보강 우선순위가 달라질 수 있도록 설정하였다(Table 3). 그러나 개선된 우선순위 지수의 경우도 기존의 산식에 비해 효과적으로 개선된 것은 분명하나 궁극적인 목적인 저비용 고효율의 보수·보강을 위한 우선순위를 선정하기에는 한계점이 있다. 동일한 부재, 손상, 등급상태에서 저렴한 가격으로 시설물의 성능개선 효과가 뛰어난 공법을 선정하는 것이 중요하다. 따라서 현재 개선식에 최종적으로 비용과 물량, 개선효과를 반영할 수 있는 수식이 필요하다.

3.2.1 초기 우선순위지수 적용예시 : 댐 시설물

앞 절에서 도출한 우선순위지수 문제점을 분석하기 위하여 우선순위지수 산정 가이드의 보수보강사례에 적용하였다. Table 4는 국내의 A댐의 성능평가보고서 일부를 발췌한 것으로 여수로의 접근수로, 조절부(월류웨어, 피어, 어비트먼트), 조절부(권양교 및 공도교), 급경사수로, 감세공, 권양기에 대한 보수보강 물량과 단가, 비용 등을 나타낸 것이다. 또한 부재가중치(E)와 성능가중치를 곱한 EI 값이 나타나있다. 이를 이용하여 기존의 우선순위지수 산정식을 적용하면 Table 4의 Rank에 나타난 것처럼 우선순위를 산정할 수 있다. 산정 결과 Fig. 3에 나타난 것처럼 우선순위지수(PI)는 유지보수비용에 반비례하는 것을 확인할 수 있다. 문제점에서 지적하였던 것처럼 초기의 우선순위지수는 부재별가중치와 성능간 가중치가 손상에 관계없이 일정하기 때문에 동일한 부재에 대해서는 가격에 의해 우선순위가 결정되는 것을 알 수 있다. 이는 보수보강의 효율을 저하시킬 가능성이 있다.

Fig. 3 Relationship of cost and priority index (A Dam)

3.2.2 투자우선순위지수 적용예시 : 댐 시설물

2022년에 제시된 투자우선순위지수 산정가이드^{(KALIS, 2022)}에 제시된 것처럼 투자우선순위의 가중치는 손상별, 성능별, 등급별, 부재별로 구분되어 있다. 앞 절의 국내의 A댐의 여수로 부재의 보수·보강 조치를 개정된 투자우선순위지수에 적용하였다(Table 5). 손상별 가중치는 댐편의 일반콘크리트의 손상의 값을 사용하였다. 해당 손상은 여수로의 부재별 균열, 백태, 파손 및 손상 등이기 때문에 국부결함과 일반손상으로 구분되며 가중치는 0.28과 0.31로 나타났다. 댐의 부재 가중치의 경우 산정가이드에 의해 모두 1.0이며, 해당 손상등은 모두 안전성능에 대한 부분이기 때문에 성능별 가중치는 0.74로 동일하다. 또한 성능평가 보고서에 의하면 해당 손상들의 등급은 모두 b등급으로 나타났으며 이 경우 우선순위지수의 결과 값이 두 개의 값으로 결정되어 우선순위를 산정하기 어렵다. B 댐 예시의 경우 성능등급이 모두 같고 여수로 부재에 대해서만 우선순위지수를 산정한 사례로 댐 시설물 전체를 감안하였을 때는 국부적인 결과라 생각할 수 있다. 그러나, 여수로 파손에 의해 약 19만명의 주민들이 강제대피한 오로빌 댐 사고^{(Team, 2018)}를 생각해본다면 동일 부재내에서도 보수·보강에 대한 우선순위 결정은 매우 중요한 문제라 볼 수 있다. 해당 사고 보고서에 의하면 보수부위의 내구성 저하, 앵커의 지지력 손실, 배수시스템의 성능 저하 등의 안전 및 유지관리의 부실에 대한 지적도 있었다.

다양한 투자우선순위 적용 예시를 위해 B댐의 성능평가 사례를 확인하였다. 해당 손상, 보수물량 및 단가 정보 등 조치계획은 총 80개로 분석되었다^{(KSMI, 2020)}. A댐과 마찬가지로 안전성능, 내구성능, 사용성능을 평가하였으며 안전성능의 경우에는 댐체와 여수로, 기계설비에 대한 평가를 수행하였다. 평가결과 보고서에 의하면 B댐도 모두 안전성능에 대한 보수·보강 조치를 계획하였으며, 대부분 국부결함(0.31)이나 일반손상(0.28)으로 우선순위는 등급 가중치에 의해 결정되는 양상을 나타내었다. 등급 가중치 또한 대부분 b, c등급이기 때문에 평가결과가 c등급이면서 국부결함(0.31)에 해당하는 보수보강 조치가 가장 높은 우선순위로 나타났다. 이는 80개의 조치계획이 4개의 우선순위지수로 결정되기 때문에 조치에 대한 변별력이 있다고 보기 어렵다(Fig. 4). 또한 실제로 우선순위가이드를 활용하여 가중치를 산정할 때 가이드라인에 적용되지 않은 손상에 대해서는 가중치를 산정하기 어려운 부분이 있는 등의 한계점도 확인할 수 있었다.

Fig. 4 Relationship between cost and priority index applying the modified equation (A Dam)

3.3.1 개선식 제안

제안된 식은 종합평가지수의 효과를 고려함에 따라 보수보강비용이 크더라도 보수보강에 의해 종합평가지수가 많이 향상되면 우선순위지수가 높게 나올 수 있도록 제안되었다.

여기서, $M_{n}$은 부재별 가중치, $D_{n}$은 손상별 가중치로 기존의 가중치와 동일하며, $\triangle E_{n}$는 성능지수 향상분으로 보수보강 전후의 종합평가지수 차이로 산출한다. 즉, 보수보강전의 종합평가지수(Eafter)와 보수보강 후의 종합평가지수(Ebefore)의 차로 계산하며 종합평가지수는 Eq. (5)로 계산한다. 단, 종합성능등급 산정 시에는 안전성능이 가장 작은 경우 안전성능지수가 종합평가지수가 되지만, 보수보강의 우선순위 산정 시에는 Eq. (5)를 그대로 사용해야 한다.

보수보강에 의해 발생한 종합평가지수 향상분은 보수보강조치의 종류와 범위에 따라 적용되는 평가항목을 수정함으로써 산정할 수 있다. 즉, b등급이나 c, d등급으로 평가된 항목이 보수보강조치에 의해 a등급으로 평가될 것으로 예상되면, 평가항목이 a등급으로 향상 평가됨에 따라 변하는 시설물별 성능평가지수(En)를 산정하고, 이를 활용하여 종합평가지수($\triangle E_{n}$t)를 산정한다. 보수보강 조치전과 후의 종합평가지수 향상분을 고려하여 Eq. (4)에 의해 우선순위지수를 산정한다. 이때 보수보강조치는 안전성능, 내구성능, 사용성능 중 하나의 평가항목에만 반영할 수 있으나, 책임기술자의 판단에 따라 두 개 이상의 평가항목에 반영할 수 있다.

3.3.2 개선식 적용예시

본 논문에서는 A 댐의 보수보강에 대한 상태안전성능지수 향상분을 이용하여 보수보강 우선순위를 도출하였다. Table 6은 보수보강 전의 성능평가지수와 보수보강 후의 성능평가지수를 이용하여 산출한 성능지수 향상분을 도출한 결과이다. 보수보강 전의 성능평가지수는 실제 평가된 값을 활용하였다. 각 개별부재에 대한 보수보강조치에 의해 개별부재의 평가지수가 변함에 따라 안전성능 평가지수가 변화하는 것을 추적하였다. 각 개별부재에서 여러 개의 평가항목이 c등급인 경우에는 1개의 보수보강조치에 의해서 개별부재의 평가등급이 변하지 않아 다양한 보수보강조치의 조합이 필요하다. 따라서 손상명 및 보수보강내용에 제시된 내용은 개별부재에서 c등급으로 평가된 모든 평가항목을 보수보강하는 것을 의미한다.

안전성능에 대한 보수보강조치만 포함시켰으므로 기본시설의 안전성능평가지수만 변화함을 알 수 있다. 보수보강조치 19와 20은 댐체의 상류와 하류사면에서 발생한 침하에 대한 보수보강조치 및 평가지수 변화를 보여주고 있다. 댐체의 상류사면에 있는 개별부재에 침하현상을 보수보강하는 경우 안전성능평가지수가 0.145만큼 상승하는 것을 알 수 있으며, 단일 보수보강조치에 의한 가장 큰 향상분을 보여준다. 반면 하류사면의 개별부재에서 침하에 대한 보수보강의 경우 안전성능지수가 변하지 않는다. 이는 개별부재의 중요도가 다르게 산정되었기 때문이다. Table 6에 나타난 것처럼 보수보강조치가 개별부재별로 구분되어 제시되어 있으나, 경우에 따라 개별부재에 대한 보수보강조치를 두 개 조합하였다. 예를 들면, 복합부재 접근수로에 대해 개별부재(01, 02, 03)에서 각각 평가항목에 대한 보수보강조치를 한 경우 안전성능지수를 산정했을 뿐만 아니라, 보수보강조치 1과 2가 동시에 이루어졌을 때(Method 4)의 평가지수도 산정해 보았다.

전체 안전성능지수에 미치는 영향은 0이 대부분인 이유는 개별시설의 평가지수 산정 시 여러 복합부재의 안전성능지수의 최댓값과 최솟값이 큰 영향을 미치며, 그 사잇값들은 개별시설 평가지수에 영향을 미치지 않기 때문이다. 이런 특징은 안전성능평가지수를 향상시키기 위해 필요한 보수보강조치의 조합을 도출할 때 우선적으로 고려해야 할 사항이다.

Table 7은 보수보강우선순위 선정을 위한 각 보수보강조치별 종합평가지수 향상분($\Delta E_{t}$)과 보수보강비용, 그리고 우선순위지수(PI)와 우선순위를 제시한 결과이다. 우선순위지수 산정을 위해서 보수보강비용이 필요하여 각 보수보강조치별 비용을 가정하였는데, 개별부재에 평가등급이 c인 경우 a로 변경을 위해 필요한 보수보강비용을 평가항목 별 1,000,000원으로 일괄적으로 가정하였다. 이는 보수보강비용을 파악하기 어려울 뿐만 아니라 본 연구의 목적이 보수보강비용에 의해 결정되는 PI에 대한 문제점을 해결하는데 있기 때문이다. 접근수로의 개별부재(01)에 발생한 백태, 파손, 식생 3개의 보수보강에 대해서는 3,000,000원이 소요되고, 조절부의 개별부재(03)에서 c등급으로 평가된 보수상태, 파손, 파손(보수부재 손상), 박리, 박리(보수부재 재손상)는 5개의 보수보강이 필요하다고 판단하여 5,000,000원으로 가정하였다. 보수보강조치의 조합인 경우에는 가정된 보수보강비용을 합산하여 가정하였다. 단 급경사수로부의 경우 개별부재 개수가 너무 많기 때문에 개별부재 절반의 보수보강비용으로 50,000,000원, 전체의 보수보강비용으로 100,000,000원을 가정하였다. 역시 보수보강비용 크기가 현실적이지 않을 수 있으나, 보수보강비용에 의해 결정되는 기존의 우선순위지수에 대한 개선안을 도출하고 개선된 식의 합리성을 확인하는 데 충분하다고 판단된다.

Table 7에 나타난 것처럼 우선순위지수가 가장 높아 우선순위 1번으로 배정되는 보수보강조치는 19번(Method 19)으로 댐체 상류사면에 발생한 침하를 보수보강하는 것이다. 두 번째 우선순위는 Method 1과 감세공에 대한 Method 15를 동시 수행하는 것으로 나타났다. Fig. 4는 개선된 식을 적용한 우선순위지수와 보수보강비용의 관계를 나타내고 있는데, 보수보강비용 크기와 우선순위지수의 변화가 큰 관계가 없도록 개선되었음을 확인할 수 있다. 적용 예시를 통해서 제안된 식이 기존 식에서 발생한 문제점들을 해결할 수 있음을 확인할 수 있었다. 그러나 개선된 식을 사용함에 있어 고려해야 할 점들도 파악되었다. 첫째, 우선 다수의 보수보강조치를 조합하여 종합평가지수가 산정됨에 따라 조합할 수 있는 보수보강조치의 수가 다양하여 이를 최적화해야하는 과정이 필요하다. 이는 기술자의 판단에 의해 보수보강 우선순위선정의 질이 달라질 수 있음을 의미한다. 둘째로, 댐과 같이 많은 개별부재로 구성된 복합부재가 있는 경우 보수보강조치에 의해 종합성능평가지수가 변하지 않는 경우가 발생할 수 있다는 점이다. 복합부재의 조치가 후순위로 밀릴 가능성이 있다. 이 경우 다수의 개별부재를 묶어 보수보강조치 조합을 도출해 냄으로써 극복할 수 있을 것으로 생각된다. 세 번째는 공법 별로 구분되지 않고 보수보강이 적용되는 개별부재 별로 구분된다는 점이다. 따라서 보수보강비용을 각 개별부재 별 산정해야 하며, 보수보강의 규모에 의해 변경되는 보수보강비용을 산정하는데 애로점이 있을 것으로 생각된다. 그러나 전술한 우려사항들은 보완 가능한 것들로 생각되며, 유지관리전략 수립 시 기술자 능력과 노력에 따라 투자비용 대비 종합성능평가지수를 많이 개선할 수 있도록 우선순위가 결정될 것으로 예상된다.