2.1 교량 유지관리

시설물의 유지관리는 완공 후 시설물이 정상적으로 기능을 발휘할 수 있도록 주기적인 점검과 보수를 통해 성능 저하를 방지하고, 시설물 이용자의 안전을 확보하는 활동을 의미한다. 국내 교량의 유지관리는 ‘시설물안전법’에 따라 수행되며, 교량의 규모에 따라 1종, 2종, 3종 시설물로 구분되어 각각 안전점검 및 진단과 성능평가가 이루어진다.

안전점검 및 진단은 시설물의 외관 점검을 통해 손상과 결함의 정도를 평가하고, 시설물의 물리적ㆍ기능적 위험 요인을 발견하여 보수ㆍ보강 방안을 제시하는 활동이다. 이 과정에서 수행되는 상태평가는 교량의 안전에 직접적인 영향을 미치는 바닥판, 거더 하부구조 및 받침은 평가 등급을 a~e등급으로 평가되며, 내구성에 영향을 미치는 신축이음, 배수시설, 교면포장은 a~d로 평가된다. 각 부재별 평가 결과는 최저값을 기준으로 경간 또는 지점의 상태평가 결과로 산정되며, 이후 부재별 평가 결과를 종합하여 가중치를 적용한 환산 결함도 점수가 도출된다. 이러한 환산 결함도 점수는 시설물 전체 상태평가의 기준점이 된다.

콘크리트의 상태변화는 ‘콘크리트 표준 시방서’에 따라 초기결함, 손상, 열화로 구분된다. 초기결함은 시공 중 발생한 문제로 균열이나 콜드조인트 등이 포함되며, 손상은 외부 충격으로 인해 발생한다. 열화는 구조물의 재료적 특성이나 환경적 요인에 의해 지속적으로 진행되는 손상으로, 장기적인 내구성 저하를 초래하며, 조기 발견과 관리가 필수적이다.

성능평가는 Fig. 1과 같이 시설물의 안전성능과 내구성능, 사용성능을 종합적으로 평가하는 것으로, 시설물의 장기적 유지관리를 위한 평가이다. 안전점검 및 진단의 상태평가는 내구성을 상태평가 항목에 포함하여 종합적으로 평가하기 때문에, 내구성에 대한 중요도가 상대적으로 낮게 반영된다. 반면, 성능평가에서는 내구성능 평가를 별도로 분리하여 열화로 인한 성능 저하와 내구성능의 중요도를 높인 것이다.

내구성능 평가는 콘크리트에서 크게 열화진전평가와 열화환경평가로 구분된다. 열화진전평가는 탄산화 깊이, 염화물 침투량, 피복 콘크리트의 품질을 평가한다. 열화환경평가는 제설제에 의한 염해, 비래염분에 의한 염해, 그리고 동결융해의 반복으로 인해 발생하는 동해와 같은 환경적 요인을 분석하여 교량의 장기적 유지관리 계획을 수립하는데 활용된다.

본 연구에서는 상태평가와 열화환경평가 데이터를 활용하여 교량 손상의 발생 패턴과 열화환경 간의 상관성을 분석하였다. 이를 통해 교량의 장기적인 안전성을 확보하고 효율적인 유지관리 방안을 제시하고자 한다.

Fig. 1 Process for calculating performance assessment results

2.2 손상 및 열화환경 데이터 수집

국내 교량을 상부구조 형식별로 분류한 결과, RC 슬래브교, 라멘교, 콘크리트 거더교, 강박스 거더교가 가장 높은 비중을 차지하였다. 이에 본 연구에서는 네 가지 교량 형식을 대표 교량으로 선정하고, 분석 대상으로 정의하였다. 수집된 점검 및 진단 데이터는 국도 상에 위치한 중소형 교량을 중심으로 이루어졌으며, 교량 형식별 데이터는 Table 1에 정리하였다. 분석 대상 부재로는 교량의 구조적 안전성에 핵심적인 영향을 미치는 바닥판, 콘크리트 거더, 교대/교각을 선정하였다.

‘시설물의 안전 및 유지관리 실시 세부지침(안전점검ㆍ진단 편)’^{(MOLIT, 2023}b)에 따르면, 바닥판과 콘크리트 거더, 교대/교각에서는 공통적으로 균열과 열화 및 손상을 평가 대상 손상유형으로 정의하고 있다. 열화 및 손상은 다시 표면손상과 철근부식으로 구분되며, 바닥판에서는 추가적으로 누수 및 백태도 함께 고려된다. 이때 표면손상은 콘크리트의 파손, 박리, 층분리 등을 포함한다. 철근부식은 철근 노출과 부식, 그리고 내부 철근 부식으로 인해 발생하는 콘크리트 팽창과 균열을 의미한다. 이러한 손상은 시간이 지남에 따라 점진적으로 확산된다. 본 연구에서는 균열, 표면손상, 철근부식을 대표 손상 유형으로 정의하여 분석을 수행하였다.

대부분의 교량에서는 공용 기간 동안 열화로 인해 균열, 표면손상, 철근부식 등의 단일손상으로 발생하거나, 두 가지 이상의 손상이 동반되는 이종손상이 나타난다. 본 연구에서는 Table 2와 같이 3개의 단일손상 시나리오와 4개의 이종손상 시나리오를 정의하였으며, 이를 기반으로 점검ㆍ진단 데이터를 재구성하여 부재 단위 손상 데이터를 구축하였다. 한편, 동일 교량에 대해 2개 이상의 점검/진단 이력이 존재하는 경우, 직전 점검보다 손상의 양이 감소한 사례는 보수ㆍ보강이 이루어진 것으로 판단하여 분석에서 제외하였다.

열화환경 정보는 교량의 위치 데이터를 기반으로 정의되며, Fig. 2에 도시된 것처럼 해안거리 및 인근 기상청 관측 데이터를 활용하였다. 비래염분에 의한 염해환경은 교량의 위치와 국립해양조사원의 해안선 정보를 기반으로 평가되었으나, 모든 교량이 동일한 a등급으로 나타나 분석에서 제외하였다. 제설제 염해환경과 동결융해에 의한 동해환경의 경우 기상청 데이터를 활용하여 분석하였다. 1951년부터 2023년까지의 총 99개의 기상 관측 지점의 일 최심신적설량, 일 최저기온, 일 최고기온과 일 강수량을 수집하였다.

Fig. 2 Data collection approach for deterioration environment ratings

제설제 염해환경의 경우 최심신적설이 발생한 일수를 기반으로 최근 10년 간의 평균 강설일수를 활용하여 열화환경 등급을 평가하였다. 동결융해의 경우, 수분과의 직접적인 접촉이 없는 부재는 동결융해 싸이클수가 존재하더라도 동해를 입지 않기 때문에 강수로 인하여 상대습도가 매우 높은 상태에서만 동해를 평가한다. 수분과의 접촉 여부는 책임기술자의 판단에 따라 결정되며, 동일 부재 내에서 위치별 수분 접촉 정도가 다를 경우 ‘열악한 조건’을 기준으로 판단한다. 본 연구에서는 누수에 대한 상태평가가 이루어지는 바닥판을 수분 접촉이 잦은 부재로, 콘크리트 거더와 교대 및 교각은 상대적으로 수분 접촉이 적은 부재로 가정하였다. 동결융해 싸이클수는 일일 기온과 강수량 데이터를 기반으로 산정하였다. 제설제 염해환경과 동결융해에 의한 동해환경 등급은 ‘시설물의 안전 및 유지관리 실시 세부지침(성능평가 편)’을 참고하여 +, - 등급으로 세분화하여 Table 3과 같이 정의하였다. 점검ㆍ진단 데이터와 열환경 데이터 기반으로 구축된 최종 데이터는 Table 4에 정리하였다.

3.1 교량의 카테고리 정의

본 연구에서는 교량의 손상 메커니즘을 체계적으로 분석하고, 손상의 발생 원인 및 관련 요인을 파악하기 위해 교량을 구조적 요인과 환경적 요인에 따라 카테고리화하였다. 이를 통해 교량의 손상에 영향을 미치는 다양한 요인을 분석하고, 적절한 유지관리 방안을 제시하고자 한다.

교량 손상 메커니즘은 주로 초기 균열이 발생한 후 열화환경의 영향을 받아 손상이 점진적으로 확산되는 과정을 포함한다. 균열은 하중, 기온 차, 습도 등 외부 요인에 의해 발생하며, 제설제와 동결융해는 이러한 손상을 가속화시키는 주요 원인으로 작용한다. 또한, 제설제의 염화물은 철근 부식을 촉진하며, 동결융해는 콘크리트의 표면손상과 균열 확산을 유발한다. 이러한 메커니즘은 지역적 환경과 교량의 준공년도, 열화환경의 영향을 받는다. 이를 분석하기 위해 본 연구에서는 교량의 카테고리를 지역, 준공년도, 열화환경으로 구분하였으며, 열화환경은 제설제 염해환경, 동결융해에 의한 동해환경으로 구분하였다.

지역은 교량이 위치한 기후 및 환경적 차이를 반영하기 위해 서울특별시, 경기도, 충청북도, 충청남도, 경상남도, 전라북도, 제주특별자치도의 7개 지역으로 분류하였다. 각 지역의 기후적 특성과 교통량 정보는 Table 5에 정리되어 있으며, 기상 정보는 1970년부터 2023년까지의 기상청 데이터, 교통량 정보는 2011년부터 2022년까지의 지역 간 통행량 평균값을 기반으로 산정하였다. 지역별로 기온, 강수량, 제설제 사용량, 상대습도, 교통량 등의 환경 요인들이 교량의 손상에 미치는 영향을 분석하였다. 준공년도는 교량의 내구성과 손상에 영향을 미치는 주요 요인 중 하나로, 본 연구에서는 1965년부터 2020년까지 5년 단위로 구분하였다. 이를 통해 교량의 노후화에 따른 손상 양상과 패턴 차이를 비교할 수 있다. 제설제 염해 환경은 최근 10년간 평균 강설일수를 기준으로 a+에서 c-까지의 6단계로 구분하였다. 제설제로 인한 염화물이 철근부식을 가속화시키는 현상을 분석한다. 마지막으로 동결융해 환경은 동결과 융해의 반복으로 콘크리트에 발생하는 손상을 평가하기 위해 동결융해 싸이클수를 기준으로 a+에서 c-로 분류하였다. 동결융해는 콘크리트의 균열 및 표면손상의 주요 원인이며, 이를 통해 교량의 열화환경을 분석하였다.

3.2 카테고리별 손상 시나리오 발생 빈도 분석

교량위치, 준공년도, 제설제 염해환경, 동결융해로 정의된 4개의 주요 카테고리 기반으로 손상 시나리오 간의 손상 발생 빈도를 분석하였다. 이를 위해 각 카테고리별 손상 시나리오 발생 빈도 분포를 정규화하였으며, Fig. 3은 카테고리별 손상시나리오의 상대적 발생 빈도를 시각적으로 나타낸 것이다.

먼저, Fig. 3(a)는 지역과 손상 시나리오 간의 손상 발생 빈도를 나타낸다. 서울특별시와 경기도에서 균열 단일손상(S1)과 균열과 표면손상의 함께 발생한 이종손상(S4)의 빈도가 매우 높았다. 특히, 서울에서는 균열 및 표면손상과 함께 철근부식이 발생한 S7의 이종손상도 자주 발생하였으며, 이는 높은 교통량과 제설제 사용 등의 복합적인 원인이 작용한 것으로 판단된다. 충청북도와 충청남도에서는 표면손상 단일손상(S2)이 주요 손상 유형으로 나타났으며, S4 손상도 일부 발생하였으나, S2에 비해 상대적으로 빈도가 낮은 편이다. 두 지역은 겨울철 기온차와 높은 상대습도로 인해 표면손상이 빈번하게 발생한 것으로 분석되며, 표면손상의 영향으로 인해 추가적인 균열이 발생한 것으로 분석된다. 경상남도와 전라북도에서는 S1 손상이 가장 빈번하게 나타났으며, 전라북도에서는 S1외에도 S2와 S4 손상도 일부 발생하였다. 한편, 제주도에서는 높은 습도와 바람의 영향을 받아 S1, S2와 S4 손상이 상대적으로 빈번하게 발생한 것으로 분석된다.

다음으로, Fig. 3(b)는 준공년도와 손상 시나리오 간의 손상 발생 빈도를 보여준다. 1985년 이후 준공된 교량에서는 S1 단일손상이 주요한 손상 유형으로 나타났으며, 준공 후 시간이 짧을수록 이종손상 발생 빈도가 낮았다. 반면, 1985년 이전에 준공된 교량에서는 S4와 S7의 이종손상이 빈번하게 발생하였는데, 이는 공용연수가 오래되어 부재의 노후화로 인해 복합적인 손상이 발생했기 때문으로 분석된다.

제설염해 환경과 손상 시나리오 간의 손상 발생 빈도는 Fig. 3(c)에 나타내었다. 제설염해의 환경이 c등급일 때, S2의 표면손상 단일손상과 함께 S4의 균열, 표면손상이 동반되어 발생하는 이종손상의 발생 빈도가 높게 나타났다. 또한, 상대적으로, a, b등급에 비해 균열, 표면손상과 함께 철근부식이 발생하는 S7 손상의 발생 빈도가 증가하였다. 이는 제설제 사용으로 인한 염화물이 철근 부식을 촉진하여 균열과 표면손상뿐만 아니라 철근부식이 동반되는 복합 손상을 유발할 것으로 분석된다.

마지막으로, 동결융해 환경과 손상 시나리오의 발생 빈도를 분석한 결과는 Fig. 3(d)에 나타내었다. 동결융해가 심하지 않은 a 등급에서는 균열 단일손상(S1)의 발생 빈도가 가장 높게 나타났으며, 이는 동결융해가 적은 환경에서는 주로 균열과 같은 단일손상이 발생함을 보여준다. 반면, 동결융해가 심화되는 b, c등급의 경우 S1과 함께 표면손상 S2 및 균열과 표면손상이 동반된 S4 이종손상의 발생 빈도가 증가하는 경향이 나타났다. 특히, c- 등급에서는 S4의 이종손상이 다른 등급에 비해 높은 발생 빈도를 보였으며, 이는 동결과 융해가 반복되면서 콘크리트의 내부와 외부에 손상을 유발하여 복합적인 손상 패턴이 형성된 것으로 분석된다. S7의 발생 빈도 역시 c- 등급에서 상대적으로 높게 나타나, 동결융해가 균열과 표면손상을 넘어서 철근부식과 같은 심각한 내부 손상으로 확산될 가능성을 시사한다.

손상 시나리오와 카테고리 간의 손상 발생 빈도를 분석한 결과, 철근부식 단일손상 S3, 균열과 철근부식의 이종손상 S5, 표면손상과 철근부식의 이종손상 S6의 발생 빈도는 상대적으로 낮았다. 이는 철근부식이 주로 부재 내부에서 발생하여, 외부에서 관찰되기까지 시간이 소요되기 때문으로 판단된다. 또한, 철근부식은 단일 요인보다는 복합적인 환경 요인에 의해 발생하는 경향이 있어, 균열 및 표면손상과 함께 나타나는 S7 형태로 주로 발생하는 것으로 분석된다. 따라서 3.3장의 손상 시나리오별 부재 단위 카테고리 분석에서는 S3, S5, S6 손상 시나리오를 제외하였다.

Fig. 3 Correlation analysis between damage scenarios by category

3.3 손상 시나리오별 부재 단위 카테고리 분석

손상 시나리오와 바닥판, 콘크리트 거더, 교대/교각의 각 부재 단위에 대해 카테고리별 손상 발생 패턴을 분석한 결과는Figs. 4-6에 제시하였다.

바닥판의 경우, 지역별 손상 발생 패턴은 Fig. 4(a)에서 확인할 수 있다. 서울 지역에서는 균열 단일손상 S1과 이종손상 S4, S7의 손상 발생 빈도가 높았는데, 이는 3.2 장에서 언급한 것과 같이 교통량 및 제설제 사용의 복합적인 영향이 작용한 결과로 판단된다. 반면, 전라북도에서는 겨울철 기온 차와 습도의 영향을 받아 동결융해로 인한 S1 손상이 빈번하게 나타났다. 준공년도에 따른 손상 발생 패턴은 Fig. 4(b)에 제시된 바와 같이 1990년 이후의 교량은 이전 교량 대비 손상 발생 빈도가 높은 것으로 나타났다. 이는 준공 후 30년이 지난 교량의 경우 부재의 노후화로 인해 복합적인 손상 발생 가능성이 증가한 것으로 판단된다. 구체적으로, 1990년 이전 준공된 교량에서는 S4, S7 이종손상이 자주 발생하는 반면, 1990년 이후 준공된 교량에서는 S1의 발생 빈도가 높았다. 이러한 결과는 준공 후 경과한 연수에 따라 교량의 노후화 정도와 손상 유형의 차이를 보이며, 보수ㆍ보강 작업이 이러한 손상 발생 패턴에 영향을 미쳤을 것으로 판단된다. 제설염해와 관련된 손상 패턴은 Fig. 4(c)에 보인 바와 같이, 악한 제설염해 환경일수록 이종손상 S4, S7이 두드러지게 나타났다. 동결융해 환경에서도 마찬가지로, Fig. 4(d)에 나타낸 바와 같이 동결융해가 심해질수록 균열과 표면손상 S1, S2, S4의 빈도가 높아짐을 확인할 수 있다.

콘크리트 거더의 경우 Fig. 5에 나타난 바와 같이 전반적으로 바닥판과 유사하게 나타났다. 서을 지역에서는 Fig. 5(a)에 제시된 바와 같이 S1, S4, S7 손상이 주로 발생하였으며, 전라북도에서도 S1 손상이 두드러졌다. Fig. 5(b)의 준공년도별 패턴을 보면, 1995년 이후 준공된 교량에서 단일손상이 주로 발생하는 반면, 1995년 이전 교량에서는 이종손상이 빈번하게 나타났다. 제설염해 환경과 동결융해 환경에 따른 패턴도 Figs. 5(c)-(d)와 같이 바닥판과 비슷하게 나타났다. 특히 S7 손상이 심각한 제설염해(c등급)에서 두드러졌다.

교대/교각의 하부부재의 손상 발생 빈도도 지역, 준공년도, 제설염해, 동결융해 환경에 따라 유사한 경향을 보였다. 서울과 경상남도에서 S1 손상이 빈번하게 발생했으며, 서울의 경우 상부부재와 마찬가지로 S4, S7의 복합 손상 발생 빈도가 높았다. 이는 교통량과 제설제 사용이 하부부재에도 영향을 미친 것으로 보인다. 반면, 경상남도의 경우 높은 강수량과 습도로 인해 균열 발생 후 수분 침토로 인한 균열 확장이 주요 원인으로 판단된다. 준공 후 30년이 경과한 교량에서는 이종손상 발생 빈도가 높았으며, 제설염해가 심각한 환경에서는 S7 손상이 증가하였으나, 상대적으로 상부부재인 바닥판과 콘크리트 거더 대비 그 영향은 미미한 것으로 판단된다. 동결융해 환경 또한 하부부재에 영향을 미쳤으며, 심한 동결융해(b+ 등급)에서 모든 손상 시나리오의 발생 빈도가 높게 나타났다.

Fig. 4 Analysis of the frequency of damage scenarios for each category of deck

Fig. 5 Analysis of the frequency of damage scenarios for each category of concrete girder

Fig. 6 Analysis of the frequency of damage scenarios for each category of abutment/pier