2.1 기존 문헌 고찰

해양환경에 노출된 콘크리트는 다양한 열화 인자 및 환경적인 요인으로 다른 사회기반시설물보다 성능 저하가 빠르게 진행된다. 해양환경에 노출된 콘크리트의 성능저하 사례에 대해 조사를 수행했던 Metha의 자료를 참고하면 1953부터 55년까지 약 400개 이상의 20-50년 경과된 덴마크 지역의 해안 구조물에 대해 조사한 결과 대상 구조물의 약 40% 시설물에서 성능 저하가 나타났다고 보고하였다^{(Mehta and Gerwick, 1982)}. 특히, 조수 간만대 중간부에서 최대 손상이 발생하였는데 이때 주요 열화로 건습 및 동결융해가 반복되는 환경에서의 복합 열화 때문에 이러한 결과가 나타난 것으로 보고하였다. Gjorv는 1962년에 노르웨이 해안선을 따라 700개 이상의 콘크리트 구조물을 조사하였는데, 이때 최저조위 이하와 최고조위 이상의 콘크리트 기둥은 일반적으로 양호한 상태를 유지하고 있으나 간만대에서 많은 기둥의 손상이 확인되었으며 이러한 원인으로 동결융해 작용을 원인으로 추정하였다^{(Gjorv and Kashino, 1986; Gjorv, 2013)}. Shilstone은 해양 시설물 특히, 조수차가 발생하는 간만대의 경우 해수 및 대기 상태의 환경과 달리 물/시멘트비를 더 낮게 설정하여 콘크리트의 조직을 치밀하게 하는 것이 바람직하다고 언급하고 있다.

국내의 경우에도 항만시설물의 성능 저하 요인에 대해 연구가 진행되고 있으며, Cha et al.은 점검보고서를 토대로 시설물의 지역별, 구조형식별, 시공상태 등의 특성을 고려하여 상태열화모델을 개발하였으며 이를 토대로 점검보고서의 상태등급과 비교 및 분석하였다^{(Cha et al., 2015)}. Lee et al.은 동해, 서해 및 남해안의 항만시설물에서 코어를 채취하여 개발한 열화모델을 바탕으로 노후 항만 콘크리트 구조물의 열화 평가지표를 제시하였는데 이 중 해양콘크리트의 환경조건을 해상 대기중, 해수접촉부, 해수중으로 구분하여 수행하였다^{(Lee et al., 2009)}. Lim et al.은 항만 관련 업계에 종사하는 전문가 16 명에게 설문조사를 수행하고 점검 보고서를 분석한 결과 항만 시설물의 손상은 지역적 특성 즉 환경적인 요인을 반드시 고려해야한다고 언급하고 있다. 또한, 우리나라의 경우 3면이 바다이기 때문에 환경적 특성이 다르며 특히 서해의 경우 조수간만에 의한 조위차로 인해 콘크리트의 열화가 다른 해안의 시설물보다 빠르게 진행된다고 보고하고 있다^{(Lim et al. 2018)}. Na et al.은 빅데이터 분석을 통해 항만 시설물의 노후화 분석을 수행하였으며 이때 해역의 특성에 따라 동일한 구조형식이라도 외부하중의 영향이 다르게 나타나는 점을 언급하였으며 항만시설물의 성능을 평가하기 위해 구조형식별, 공용년수 외에 추가적으로 해역 및 주변 환경적인 요인 등을 고려해야 한다고 보고하였다^{(Na et al., 2022)}. 해양수산부에서도 국내외 트렌드에 맞춰 2026년까지 국내의 해역환경을 고려하여 동해의 고파랑과 서해의 조수간만의 차 등의 요인을 고려한 항만 및 어항 설계기준을 개정한다고 보고하였다.

2.2 대상시설물 선정 및 손상 평가 방법 제시

본 연구의 대상 시설물은 인천항 및 부산항에서 관리하는 항만시설물을 대상으로 선정하였으며 인천항에서 관리하는 시설물 24개소, 부산항에서 관리하는 시설물 10개소로 총 34 개소를 대상으로 2006년부터 2020년의 점검 보고서를 수집한 후 분석하였다.

대상 시설물은 콘크리트 시설물로 구조형식 및 주요부재는 시설물의 안전 및 유지관리 실시 세부지침을 참고하여 선정하였으며 이때, 토류벽, 부대시설, 에이프론은 제외하였으며 수중 점검에 해당하는 부분도 제외하였다.

대상 시설물의 손상 평가 방법은 연도별 점검보고서의 외관조사 결과를 바탕으로 Table 1의 손상 항목에 맞는 항목을 대상으로 각각의 손상 면적을 합산하여 연도별 시설물의 손상 면적을 도출하였으며, 각 시설물의 손상 면적을 해당 시설물의 대상 점검 면적으로 나누어 시설물별 손상 면적률을 도출하였다. 이때 손상 면적을 산출할 때에는 시설물의 안전 및 유지관리 실시 세부지침 상의 교량편을 참고하였으며 이러한 이유는 항만편의 경우 정성적인 평가기준을 적용하고 있기 때문이다^{(MOLIT, 2021)}. 손상 면적은 철근부식 손상과 외부요인 손상으로 구분하였으며 철근부식 손상은 콘크리트 내부의 철근 부식에 의해 발생되는 열화를 나타내며 철근부식과 상관없이 선박의 충격 외부요인에 의해 발생한 열화는 외부요인 손상으로 구분하였다. 또한, 손상면적 계산시 균열의 경우 지침을 참고하여 균열 폭이 0.3mm 미만인 경우에 손상에서 제외하였으며 0.3mm 이상인 경우 전체 길이에 0.25m로 곱한 값을 손상 면적으로 계산하였다.

2.3 인천 및 부산 항만시설물의 열화환경 평가

시설물의 안전 및 유지관리 실시 세부지침(성능평가 편) 중 항만시설물의 내구성 평가에서는 열화환경평가를 염해환경 및 동해환경에 대해 평가하도록 제시하고 있다^{(MOLIT, 2021)}. 동해환경 평가는 대상시설물이 위치한 지역의 10년간 동절기 기상청 데이터를 참고하여 동결융해 반복지수를 도출하여 평가하는 방법이고, 염해환경 평가는 해안으로부터 날아오는 대기중의 비래염분량에 대해 평가하는 방법이다. Table 2 및 3은 세부지침에서 제시한 동해환경 및 염해환경 평가에 대한 평가 지표를 정리한 표이며 이때, 염해환경 평가기준의 경우(Table 3 참고) 항만시설물에 해당하는 항목을 요약하여 일부 항목만 나타내었다.

Table 2 및 3을 참고하여 인천 및 부산 항만시설물에 대한 열화환경 평가를 수행하였다(Table 4 참조). 동해환경 평가시 인천의 경우, 동결융해싸이클이 37.2회로 Table 2를 기준으로 ${b}^{-}$ 등급으로 평가되었으며, 부산의 경우 19.5회로 ${b}^{+}$등급으로 평가되어 인천의 경우 부산보다 연평균 17.7회의 동결융해를 더 받는 것으로 나타났다. 염해환경의 경우 인천과 부산의 대상 시설물이 계류시설물로서 해수와 접하거나 비말대에 있기 때문에 염해환경은 c 등급으로 평가되었다.

2.4 인천 및 부산 항만시설물의 연평균 손상률 검토

Fig. 1은 인천 및 부산항의 시설물별 연평균 손상률을 나타낸 것으로 x축은 대상 시설물을, y축은 연평균 손상률을 나타낸 것이다. 이때, 연평균 손상률은 시설물별 손상률을 총 점검 기간으로 나눈 값이다. 인천항의 시설물은 알파벳으로 표기하였으며, 부산항의 시설물은 숫자로 표기하였다.

총 24개의 인천 항만시설물에 대한 손상률에 대해 분석한 결과 인천항의 시설물은 최소 0.12%에서 최대 2.96%의 손상률을 나타내었으며 평균적으로 약 0.78%의 손상률을 나타내었다. 한편, 10개의 부산 항만시설물에 대한 손상률의 경우 최소 0.03%에서 최대 0.57%의 손상률을 나타내었으며 평균 약 0.25%의 손상률을 나타내었다.

이를 토대로 인천과 부산의 항만 시설물에 대해서 비교한 결과, 인천항의 시설물이 부산항의 시설물보다 평균 손상률 기준 약 3 배 높은 것으로 나타났으며 이는 부산의 항만시설물의 손상이 1% 발생할 경우 인천항의 경우 평균 3%로 더 높게 발생할 수 있음을 의미한다. 이에 대한 원인은 뒤의 2.4절에서 분석하였다.

Fig. 2 및 Fig. 3은 Fig. 1의 연평균 손상률을 철근부식손상률과 외부요인손상률로 구분하여 나타낸 것으로 x축은 시설물을, y축은 외부요인 및 철근부식 손상률을 나타내었다. 이때 이들 손상률의 합은 연평균 손상률과 동일하다.

Fig. 2는 24 개의 인천 항만시설물에 대한 철근부식 및 외부요인 손상률을 구분하여 정리한 것으로 분석결과 철근부식 손상률의 전체 평균값은 0.41%이며 이상치(시설물 K, L, Q)를 제외한 평균은 0.37%이다. 외부요인 손상률의 전체 평균값은 0.37%이며, 이상치를 제외한 평균값은 0.17%이다. 또한, 시설물의 전체 손상률 중 철근부식 손상률이 약 53%(이상치 기준시 68%), 외부요인 손상률이 47%(이상치 기준시 32%)의 비율을 나타내었다.

Fig. 3의 부산항의 경우 총 10개 시설물에 대해 철근부식 및 외부요인 손상률을 분석한 결과이다. 분석결과, 철근부식 손상률의 전체 평균값은 0.15%이고, 이상치를 제외한(시설물 7 및 9) 평균값은 0.13%를 나타내었다. 외부요인 손상률의 경우 전체 평균은 0.10%를 나타내었으며 이상치 제외 평균은 0.12%를 나타내었다. 또한, 시설물의 전체 손상률 중 철근부식 손상률이 약 60%(이상치 기준시 53%)이고, 외부 손상률이 40%(이상치 기준시 47%)의 비율을 나타내었다.

인천 및 부산 항만시설물의 철근부식 손상률과 외부요인 손상률을 비교한 결과 인천항의 경우 철근부식 손상률과 외부요인 손상률의 비율이 유사하게 나타났으며 부산항의 경우 철근부식 손상률이 외부요인의 손상률보다 조금 더 높게 나타났다.

이러한 결과를 토대로 2.2절의 열화환경 평가 기준과 비교한 결과 인천과 부산 지역의 열화환경은 동일한 등급을 나타낸 반면 인천항의 연평균 손상률과 부산항의 연평균 손상률은 큰 차이를 나타내었다.

Fig. 1 Average annual damage rate in Incheon and Busan ports

Fig. 2 Classification of damage to Incheon port facilities

Fig. 3 Classification of damage to Busan port facilities

2.5 항만시설물의 손상과 열화환경의 관계

시설물의 열화손상은 열화환경에 크게 좌우되기 때문에 현행 지침의 열화환경 평가는 비말대 영역을 벗어나 비래염분 환경에 있는 항만시설물에만 유효한 것으로 판단되며, 간만대 및 비말대에 있는 계류시설의 환경이 반영되지 않는 문제점이 발견되었다.

따라서, 간만대 환경을 잘 반영할 수 있는 지표의 제안이 필요할 것으로 판단되었다. 이에, 본 연구진은 기존 문헌 분석 등을 참고하여 다양한 지표를 검토하였으며, 국내의 해역 특성에 고려할 수 있는 항목으로 해수 조위차를 선정하고 조사하였다.

2.5.1 인천 및 부산 지역의 조수간만의 차 분석

기존 문헌조사를 바탕으로 조차(조수간만의 차)와 항만시설물의 열화와의 관련성 여부를 검토하기 위하여 바다누리 해양정보 서비스를 활용하여 1962년부터 2023년까지 총 35 개 지역의 조위 관측 데이터를 분석하였으며 이를 Fig. 4에 정리하였다. 이 중 인천 및 부산에 해당하는 관측지점을 선별하여 Table 5에 정리하였다. 이때 최대조위차는 최고조위와 최저조위의 차이를 나타낸 것이며 평균은 1962년부터 2023년까지의 해당 지역의 최대 및 최저 조위 차이의 평균값을 나타낸 것이다.

국내 해역별 조위를 분석한 결과 서해안, 남해안, 동해안 순서로 조위가 높게 나타났으며, 서해안의 경우 평균 조위 기준으로 최소 498 cm에서 최대 969 cm를 나타내었으며 남해안의 경우 최소 147 cm에서 최대 417 cm를 보였다. 한편 동해안의 경우 최소 42 cm에서 최대 72 cm로 조수간만의 차가 100 cm 이내로 나타났으며 다른 해역보다 상대적으로 낮은 값을 나타내었다.

Table 5는 Fig. 4에서 인천 및 부산에 해당하는 지역을 선별하여 정리한 것으로 인천의 경우 영종대교, 인천 및 인천송도로 구분되며 부산의 경우 부산항신항, 가덕도, 부산으로 구분된다. 인천의 경우 최대 조위차가 1,000 cm 이상 발생하며 평균조위차는 945 cm로 나타났으며 부산의 경우 최대 조위차가 300 cm 미만이며, 평균조위차는 147 cm를 나타내었다.

Table 5 Tidal level analysis results in Incheon and Busan

Observatory	Tide level(cm)
	Highest	Lowest	Maximum tidal difference	Average
Yeongjong bridge	1010	-63	1073	969
Incheon	988	-66	1054	945
Incheon songdo	981	-52	1033	923
Busan new port	222	-42	264	205
Gadeokdo	252	-40	292	205
Busan	211	-41	252	147

Fig. 4 Tidal level analysis results

2.5.2 항만시설물의 손상에 미치는 열화환경 분석

해수와 직접 접하는 계류시설의 경우 Fig. 5와 같이 해수 중, 간만대, 비말대 및 해상 대기 환경영역으로 구분할 수 있다. 내구성 설계기준(KDS 14 20 40)의 노출범주 기준에 따르면 해수 중 영역은 ES3, 비말대와 간만대는 ES4로 구분하고 있다. 또한, 해상 대기 및 비래염분 영역은 ES1으로 구분하고 있는데 이러한 비래염분의 영역은 Table 3의 점검 지침에 의하면 지역별로 해안거리 10 m에서 500 m까지로 나타난다.

항만시설물의 환경영역 중 해수 중 영역은 조사된 점검보고서의 점검 대상 영역이 아니었으며 손상은 주로 간만대와 비말대의 영역에서 조사되었다. 간만대와 비말대는 내구성 설계기준의 노출범주에서도 가장 열악한 환경, 즉 구조물에 손상이 가장 많이 나타나는 범주로 구분하고 있다. 또한 기존 문헌에서도 간만대에서 가장 많은 손상이 발생하는 것을 보고하고 있으며 이러한 원인은 간만대의 경우 비말대나 해상대기중에 비하여 해수 조수간만의 차에 의하여 건습이 반복되어 수분, 산소 및 염화물의 공급이 지속적으로 이루어지는 메커니즘을 가지고 있어 콘크리트 내부 철근의 부식에 가장 큰 피해를 줄 수 있는 열화환경을 조성하는 구간이기 때문이다. 따라서, 항만시설물의 경우 간만대와 비말대의 환경이 주요 열화환경인 것으로 판단된다. 다만 방파제 등의 외곽시설에 의하여 방파가 되어 있는 계류시설에서는 비말대의 영향이 상대적으로 작아지게 되므로 동해안과 서해안에서 큰 차이를 보이지 않을 것으로 판단된다. 따라서, 특히 간만대의 영역이 항만시설물 중 계류시설물의 손상에 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다.

간만대의 경우 조차에 의해 나타나는 것으로 Table 5의 조위 분석결과에 따르면 인천의 경우 약 9.5 m, 부산의 경우 약 1.5 m로 나타나 매우 큰 차이를 보이는 것으로 나타났다. 이러한 요인으로 인천과 부산의 가장 큰 열화환경의 차이는 간만대의 높이 즉, 평균 조위차라고 할 수 있다.

항만시설물의 손상률(Fig. 1)과 조위(Table 5)를 비교하기 위하여 하나로 정리한 결과 Table 6과 같다. 분석 결과 인천 항만시설물이 부산 항만시설물보다 약 3 배 정도 높은 손상률을 나타내었으며 이때 인천 지역의 평균 조위차가 부산 지역의 조위차 보다 약 5 배 정도 높게 나타나 매우 높은 상관관계를 확인할 수 있었다. 또한, 기존문헌에서도 간만대에서 많은 손상을 보고하고 있으며, 우리나라의 항만시설물의 손상에서도 간만대 영역의 크기에 따라 손상률이 비례적으로 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 결과와 더불어 우리나라는 동․서․남해안의 조위차가 크게 나타나는 점을 고려하면 항만시설물의 간만대 영역의 크기를 결정하는 지역별 평균조위차는 기존의 열화환경 평가 항목보다 지역 및 해역에 대해 정량적으로 열화환경을 평가할 수 있는 항목이 될 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 5 Classification of deterioration environment of port facilities

Table 6 Analysis results of damage rates and average tidal differences of port facilities.

Items	Incheon	Busan
Average annual damage rate (%)	0.78	0.25
Average tidal differences (cm)	946	186