1.1 연구 배경

인프라는 물류, 에너지, 교통 등 여러 분야의 산업 발전에 큰 영향을 미치고 있으며, 경제성장에도 주요한 동력이 되고 있다. 특히 도로, 교량, 상하수도 등 국민 생활과 밀접한 인프라는 국민의 편의성을 높이기도 하지만 최근 노후화된 인프라는 오히려 안전사고를 야기할 수 있는 위험요소로 작용하고 있다. 노후화로 인해 부식되거나 손상된 인프라는 사고 발생 위험이 크며 인프라의 규모와 사용자 수를 고려했을 때, 큰 사상자와 재산 피해가 발생할 수 있다. 최근 기후변화와 자연재해의 빈도도 증가하고 있어 인프라의 안전 문제는 더욱 중요해지고 있다. 인프라의 노후화는 안전사고 뿐만 아니라 사회·경제적 비효율성을 야기할 수 있다. 부실한 인프라는 유지관리와 운영비용의 증가로 이어지며, 더 나아가 생산성 저하와 경제 발전에 제약이 발생할 수 있다. 이러한 이유로 인프라의 노후화로 인한 유지관리의 필요성은 점차 증가하고 있으며, 이에 대한 적극적인 대응전략이 필요하다.

우리나라의 주요 인프라는 1970년대에 집중적으로 건설되어 기능이 저하되거나 노후화되어 사용하기 어려운 시설물들이 급격히 증가하였다. 중대형 인프라의 30년 이상 노후화 비율은 댐이 45 %, 철도가 37 %, 항만이 23 % 등으로 매우 높은 실정이다^{(Cho and Hong, 2021)}. 특히, 교량은 10년 뒤 30년 이상의 노후화 비율이 49.7 %에 육박하게 되어 안전성 문제가 시급하며, 이를 위한 유지관리 투자가 급증할 것으로 예상된다^{(Lee et al., 2023)}. 2021년을 기준으로 국토교통부가 집계한 일반·고속국도의 교량은 모두 18,598개이고, 이 중에서 「시설물안전법」의 적용을 받지 않는 소규모 교량은 6,777개소로 전체의 36.4 %를 차지하는 실정이다. 반면에 「시설물안전법」의 적용을 받는 1·2·3종 시설물은 정기적으로 안전점검을 시행하고 있으나 그렇지 않은 시설물은 관리자의 점검에만 의존하고 있어 안전 사각지대가 존재한다는 지적이 지속적으로 발생하고 있다. 또한, 시설물에서 발생한 다양한 손상·결함에 대해 이를 임시 또는 항구적으로 처리하기 위한 보수공법 선정이 가능하나 실제 소요비용을 추계하기 위해서는 별도의 기본설계가 수반되기 때문에 즉각 조치하는데 한계가 있다.

1.2 연구의 필요성

인프라 유지관리의 중요성은 커지고 있지만 유지관리 예산은 이에 대응하지 못하고 있다. 2024년 국토부 사회간접자본 예산 중 시설 유지보수 분야 예산은 4조 2,800억여 원으로 SOC 전체 예산 20조 8,000억 원의 약 20 %에 불과하다. 일본은 2022년 기준 노후 인프라 정비 예산으로 1조 5,360억 엔으로 신규 인프라 투자 예산 1조 7,556억 엔과 비슷한 수준으로 배정하였다. 미국도 노후 인프라 개선에 1조 2,000억 달러를 투자하는 법안을 통과시켰다^{(Kim and Rim, 2021)}. 즉 유지관리 예산의 증가와 함께 한정된 예산을 효율적으로 활용할 수 있는 대응방안이 필요하다. 이에 본 연구에서는 인프라의 유지관리 예산을 효율적으로 활용하기 위해 손상물량과 보수물량의 상관관계 모델을 개발하였다. FMS 데이터 분석을 통해 대표적인 교량 시설물에 적용한 보수공법의 빈도를 조사하고, 이를 바탕으로 BMS 자료를 활용하여 손상물량과 보수 물량 간 개략적인 상관관계를 분석하였다.

2.1 교량 유지보수의 개념

도로와 교량은 「시설물안전법」과 「도로법」에 따라 정기적인 안전점검 등을 수행하고 있으며 관계 법령에서는 안전점검 등을 실시한 결과에 따라 보수·보강 등의 필요한 안전조치를 반드시 수행하도록 의무화하고 있다. 국토교통부가 발간한 “도로 포장 유지보수 실무 편람 2013”에 따르면 공학적 관점에서의 유지보수 의미는 ‘시설물을 안전하게 이용할 수 있는 상태로 유지시키는 과정’으로 설명되며 포장의 유지보수는 ‘교통량, 자연 상태 등이 일반적인 상태에서 포장의 상태를 시공 당시의 상태로 유지하기 위해 통상적으로 실시되는 모든 과정’으로 설명하고 있다^{(MOLIT, 2013)}. 본 연구에서는 시설물 관리자가 순찰 또는 육안점검을 통해 충분히 발견·확인할 수 있는 시설물 표면에 발생한 손상·결함을 대상으로 즉각적인 조치가 가능한 수준의 공사를 “유지보수”의 개념으로 설정하였다.

2.2 교량 유지보수의 손상과 보수공법

^{Lee et al.(2014)}는 1,000여 개소의 1종 교량의 정밀안전진단 실시보고서를 분석하여 교량에서 발생한 손상을 바닥판, 콘크리트 거더, 강재 거더, 교대, 교각, 받침, 신축이음장치, 교면포장, 배수시설 및 방호벽 등 10개 부재로 구분하고 부재별로 손상 원인에 따라 발생률을 산정하였다. 손상은 발생 시기 및 발생 원인에 따라 크게 결함, 손상, 열화로 구분하고, 준공 이후의 초기하자에 의한 ‘결함(defect)’, 공용 중 물리적 외력에 의한 ‘손상(damage)’ 및 시간 경과에 따른 영향에 의한 ‘열화(deterioration)’로 정의하였다. 손상의 발생빈도를 나타내기 위해 유손상률의 개념을 활용하였으며, 이는 전체 교량 수 중에서 손상이 발생한 교량의 수의 비율을 말한다. 전체 교량의 손상 중 준공 이후의 초기 하자에 의한 결함이 57.7 %를 차지하는 것으로 나타났다. ^{Jeon et al.(2017)}은 고속도로 교량의 정밀안전진단 보고서를 통해 교량 상태를 분석하였다. 손상이 많은 발생시기를 조사하고 유손상률 개념을 도입하여 손상의 특징을 분석하였다. 고속도로 교량의 10대 손상, 다설한랭지역 교량과 일반지역 교량의 열화특성을 비교하여 교량의 합리적인 점검활동 개선방향을 제시하였다. 결함, 열화, 물리력에 의한 손상 순으로 평균 유손상률이 높은 것으로 나타났다.

2.3 손상 발생면적 비율 산출

‘시설물의 안전 및 유지관리 실시 세부지침(안전점검·진단편)’에 따르면 각 부재 및 조사항목별 상태평가기준에서 손상의 규모 외에 해당 손상이 조사단위 면적에서 차지하는 비율을 면적률로 환산하여 함께 평가하도록 제시하고 있다^{(MOLIT, 2021)} 균열률은 폭이 0.2 mm 이상인 균열을 대상으로 산정하며, 포장불량률은 균열발생부, 표면이 노화되어 마모된 부분, 상온형 아스콘 등으로 임시보수된 부분 등의 면적을 전부 더한 값을 경간면적으로 나눈 비율이다. 교량의 경우 폭과 길이 등으로 표기하는 손상 자체의 규모 외에 손상이 해당 조사면적당 차지하는 비율을 산정하여 열화된 정도를 상태평가 시 함께 평가하도록 함으로써 조사 시점에 발견된 손상이 진전된 정도나 안전성 저하를 야기할 수 있는 가능성도 최대한 정량적으로 평가에 반영되도록 기준을 제시하고 있다. 균열의 발생면적은 1방향 균열의 경우 균열길이에 0.25 m의 폭을 곱하여 면적으로 환산하며, 2방향 균열(망상균열 등)의 경우에는 균열의 가로와 세로길이에 각각 0.25 m씩을 더하여 균열발생 면적으로 환산한다. 각각의 균열면적률은 Eq. (1)과 Eq. (2)을 이용하여 산정한다.

Fig. 1. Crack Rate Calculation(MOLIT, 2021)

3.1 FMS 데이터

「시설물안전법」에 따른 안전점검 등의 결과 실시한 주요 보수보강 등의 조치를 법령에 따라 제출하도록 하고 있다. FMS은 이 자료들을 요약하여 시설물 구분별로 보수보강 부위, 적용 공법, 적용 건수와 금액 및 그 비율 등에 대해 ‘부위별 적용공법 통계’를 제공하고 있다. 이 자료는 보수보강 조치 정보가 입력됨에 따라 수시로 갱신될 수 있으며, 주요 보수·보강 조치 결과에 대해 제출된 자료를 대상으로 하므로 손상과 적용공법 간 연관성은 파악할 수 없다. 다만, 조치결과에 대한 전체적인 통계현황 파악의 목적으로는 활용 가능한 것으로 판단된다.

본 연구에서는 2022년 4월 기준 FMS에 등록된 보수·보강 실적 총 31,818건을 대상으로 하여 교량 구조물(포장 포함)에 대해 부재별로 빈번하게 적용되는 보수공법에 대해 분석하였다. 이 때 공법별 투입된 비용 정보의 경우 입력 비용단위의 오류 또는 총금액의 미분배 가능성 등 오기입 여부를 확인할 수 없기 때문에 과업범위에 해당하는 적용공법 빈도만을 분석하였다. 그 결과 교량 보수 시 형식 등과는 관계없이 전체 부재에 대해 빈번하게 적용되는 공법을 총괄적으로 살펴보면, 교체(23.0 %), 단면복구(16.8 %), 표면처리(15.1 %), 부분보수(12.2 %), 재도장(부분, 전면 등)(10.0 %), 재포장(오버레이 등)(8.5 %), 주입보수(7.6 %) 등의 순으로 나타났다(Fig. 2).

Fig. 2. Frequency of Application by Bridge Repair Method (FMS Data)

3.2 BMS 데이터

손상규모 대비 보수보강 물량 산출의 개략식을 도출하기 위해 본 연구에서는 두 물량의 상관관계를 분석하였다. 분석에 활용한 BMS 데이터는 국토교통부, 지방자치단체, 전문관리기관 등 50개의 기관이 관리하는 4,537개 교량을 대상으로 하였다. 고속국도, 국가지원지방도, 군도, 일반국도, 지방도 등이 포함되며, 직접 관리하거나 위임관리, 이관 등으로 관리하는 교량 등이 포함된다. 손상정보는 관련 법령으로 정하는 바에 따라 2009년부터 2021년까지 실시된 안전점검 등과 성능평가 등을 통해 도출된 세부부재별(대분류 10개, 소분류 75개) 손상종류와 그 규모에 대한 정보를 활용하였다. 유지관리 정보는 세부부재별, 손상 종류별로 적용된 보수보강 공법과 물량 정보를 활용하였다. BMS 데이터를 조사하는 과정에서 다음과 같은 사항이 발견되어 합리적인 범위에서의 가정 또는 실무, 관리주체의 의사결정 과정을 고려하는 등 이를 적절히 해소하는 방안의 모색이 선결되어야 손상규모 대비 보수보강 물량 산출에 관한 개략식을 도출할 수 있다.

1) 손상은 있으나 보수보강 물량은 없는 등 대응·상관관계가 명확하지 않다.

2) 손상규모 대비 보수보강 물량을 일률적으로 적용한 사례가 다수이다.

3) 이 외에도 보수물량을 반올림하는 경우 또는 다른 부재와 손상의 종류/규모, 보수보강 적용 공법 등이 동일하거나 유사한 경우 큰 규모에 맞춘 경우 등이 조사된다.

4) 손상규모에 비해 보수보강 물량이 과도하게 큰 경우가 존재하는데 이는 단위 등의 오기입에 기인한 경우가 있을 수 있고 특정한 경우(준설, 침식)에는 실제 보수가 필요한 물량이 손상 조사 당시에 비해 대규모였을 가능성도 있을 것으로 판단된다.

3.3 손상물량과 보수물량 간 상관관계

본 연구에서는 BMS 자료를 활용하여 교량의 부재 전체를 대상으로 한 경우와 교면 포장 만을 대상으로 한 경우로 구분하고 데이터 전처리를 실시하였으며, 이후 상관관계를 분석하였다. 전체 부재와 교면포장 각각의 손상 물량과 보수보강 물량의 기술통계 결과는 다음과 Table 1과 같다.

데이터 전처리 과정은 다음과 같다.

1) 두 물량 간 비율이 전체 부재의 경우 최대 약 40만배, 교면포장의 경우 최대 약 11만배 등 과도한 경우가 존재하여 이는 전반적인 상관성을 파악하기 위한 목적으로는 적합하지 않다. 원 자료의 데이터 수가 222,387개로 충분히 많다고 판단되므로 정규분포를 따른다고 가정하여 Z-score 방법으로 이상치를 제거하였다. 독립변수와 종속변수의 평균과 표준편차를 이용하여 평균에서 양쪽으로 3 표준편차 범위(μ±3σ)에서 벗어나는 이상치를 제거하였다.

2) 보정 시에는 손상물량과 보수물량 중 어느 하나라도 0인 경우 두 물량 간 상관관계 파악에 의미가 없는 자료이므로 모두 0으로 한다.

3) 물량의 단위는 %, a(아르), m, m2, m3, 개(EA), 식(set) 등으로 다양하게 입력되어 있으나, 각 단위는 상관관계 파악과 무관하여 무차원으로 간주한다.

전처리한 데이터를 바탕으로 분석 결과 두 물량 간 상관관계는 Fig. 3과 Fig. 4에서 보는 바와 같다. 두 변수 간의 선형적인 관계를 파악하고자 하므로 pearson 상관계수를 구하였으며, 전체 부재 대상인 경우와 교면포장만을 대상으로 한 경우의 pearson 상관계수 R 값은 각각 0.77, 0.78 수준이며, 이는 충분한 상관관계가 있다고 할 수 있다.

Fig. 3. Correlation between Damage Volume and Repair Volume

Fig. 4. Correlation between Damage Volume and Repair Volume-Surface Pavement

Fig. 5에서 보는 바와 같이 전체 부재의 경우 0.5 이하, 1.0~1.7 범위에 대부분의 물량 비율이 분포되어 있음을 확인할 수 있으며, 약 0.25, 0.5, 1.0, 2.0, 2.5 등의 특정 값으로 상당 비율이 집중분포되어 있음을 알 수 있다. 또한 교면포장에 대해서만 별도로 분석한 결과에서도 두 물량 간 비율이 1.0, 약 1.2, 1.5 등 특정 값에 집중분포되어 있다(Fig. 6). 여기서, 손상 물량 대비 보수보강 물량이 적게 책정(비율 1.0 미만)된 경우는 손상의 규모나 현지 상황, 보수·보강 조건 등을 고려하여 점검·진단 실시 시 보수보강 방안 제시 단계에서 책임기술자 또는 관리주체의 의사결정에 따른 사항으로 판단된다. 또한, 손상 물량에 비해 보수보강 물량이 과도하게 큰 경우는 해당 점검/진단 등에서 조사된 손상과 함께 기존에 조사되었으나 보수보강이 이루어지지 않은 손상에 대해 일괄적으로 보수보강을 실시하는 경우로 판단된다. 따라서 두 가지 경우는 두 물량 간 경험적 비율 책정에 포함시키기에 적절하지 않은 것으로 판단하고 제외하였다.

앞의 과정을 통해 손상물량 대비 보수보강 물량의 비율을 전반적으로 파악하고 DB 가용범위 등을 파악한 뒤 보정된 자료를 활용하여 히스토그램을 나타내고 물량 간 비율의 분포현황을 정량적으로 파악하였다. 다음 Fig. 7 및 Table 2에서 보는 바와 같이 전체 부재의 경우 손상 물량 대비 보수보강 물량 비율이 0.4 이하로 책정된 비율은 18.1 %, 0.8~1.0 구간은 53.6 %, 1.0~1.6 구간은 22.9 %로 나타났다. 또한, 손상 물량 전체를 보수보강 물량으로 동일하게 치환하여 그 비율이 1.0에 해당하는 경우가 전체 자료 중 53.3 %로 나타났으며, 손상 물량 대비 보수 물량을 적게 산정한 경우(비율이 1.0 미만)는 관리주체의 판단 및 현장여건에 따라 결정된 사항으로 판단된다.

Fig. 5. Ratio of Damage Volume and Repair Volume

Fig. 6. Ratio of Damage Volume and Repair Volume-Surface Pavement

Fig. 7. Ratio Distribution of Damage Volume and Repair Volume

교면 포장의 경우 Fig. 8 및 Table 3에서 보는 바와 같이 손상 물량 대비 보수보강 물량 비율이 0.2 이하로 책정된 비율은 20.8 %, 0.8~1.0 구간은 48.9 %, 1.0~1.6 구간은 21.6 %로 나타났다. 여기서 두 물량 간 비율이 0.2 이하인 구간 중 대부분의 값이 0에 해당되는데, 이는 실제로 보수보강 물량이 0이거나 자료 가공 과정에서 두 물량 간 상관관계가 없는 것으로 파악된 경우(0으로 출력)로서 결론 도출에서는 의미를 갖지 않는다. 또한 손상 물량 전체를 보수보강 물량으로 동일하게 치환하여 그 비율이 1.0인 경우가 전체 자료 중 48.5 %로 나타났다.

Fig. 8. Ratio Distribution of Damage Volume and Repair Volume-Surface Pavement

3.3 경험적 보수물량 산정

보수보강 물량 개략 산출 시 자료분석에 의한 방법 외에 실무에서 보편적으로 활용되는 경험적 방법에 대한 의견을 청취하고자 교량 정밀안전진단 분야의 전문가 자문을 실시하였다. 참여한 전문가는 7인이며, 소속과 경력은 Table 4과 같다.

(1) 손상별 보수보강방안 제시와 관련된 사항

조사된 손상별로 특이사항이 없는 경우 특정 공법이 아닌 보편적인 보수보강 공법을 제안한다. 여기서, 보편적인 공법은 일반적으로 ‘시설물의 안전 및 유지관리 실시 세부지침’에서 제시하고 있는 공법을 따르게 되는데, 이는 형평 등의 문제로 특정한 공법을 지정하여 제시할 수 없기 때문인 것으로 판단된다. 또한 발주처의 자체 보수보강 매뉴얼을 근거로 하여 보수보강 공법을 제안하는 경우도 있다.

(2) 손상물량 대비 보수보강 물량의 산출과 관련된 사항

일반적으로 조사된 손상물량 대비 30~50 %를 할증하여 보수보강 물량을 제안하고 있으며, 다만 손상의 발생시기, 보수상태, 손상 위치 및 발주처의 내부규정 등에 따라 우선순위를 변경하거나 손상물량에서 제외하는 등의 의사결정을 하는 경우가 있다. 또한 1.0, 1.2, 1.5 등 특정 값에 집중분포되어 있는 경우는 책임기술자 또는 관리주체자가 물량 산정 시, 할증을 적용한 후 편의를 위해 지정하는 경우가 많다. 이 외에 비용과 관련된 사항은 보수보강 물량에 따른 정확한 일위대가 산출이 힘든 경우 공사비에 부대비용(장비비 및 운영비, 교통통제비 등)은 제외한 상태에서 보수비용을 산출하여 제안한다. 또한 관리주체의 보수보강 비용 산출을 위한 내부 매뉴얼 등이 있는 경우는 이를 참고하여 제안할 수 있다.