[논문]예방적 유지관리를 통한 교량의 생애주기비용 절감 효과 분석

정유석; 김우석; 이일근; 이재하

doi:10.11112/jksmi.2016.20.6.001

예방적 유지관리를 통한 교량의 생애주기비용 절감 효과 분석
Bridge Life Cycle Cost Analysis of Preventive Maintenance 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.20 no.6, 2016년, pp.1 - 9

정유석 (충남대학교 건설방재연구소) , 김우석 (충남대학교 토목공학과) , 이일근 (도로교통원구원 구조물연구실) , 이재하 (한국해양대학교 건설공학과)

초록
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본 논문은 교량의 예방적 유지관리 효과를 생애주기비용 절감 측면에서 분석 하였다. 예방적 유지관리는 현재 실시되고 있는 대응적 유지관리 전략과 대비 되는 유지관리 전략으로 교량의 열화지연을 통해 궁극적으로는 교량의 사용수명을 연장 시키며 생애주기비용을 절감시키는 유지관리 전략이다. 이러한 예방적 유지관리 효과를 분석하기 위해 교량의 공용연수에 따른 건전도 점수 변화 모델과 FHWA 자료를 바탕으로 한 국내 고속도로 교량의 건전도 점수에 따른 보수 보강 비용 모델을 제시 하였다. 제시한 복수의 모델과 국내외 참고 문헌을 바탕으로 제안된 예방적 유지관리 항목(청소와 도장)의 비용과 주기를 활용하여 사용수명 100년까지의 표준교량($1,730m^2$/교량) 당 생애주기 비용과 향후 20년간의 고속도로 총 유지관리 비용을 산정 하였다. 분석 결과 100년간 예방적 유지관리 활동으로 인해 교량 당 5억원의 절감효과를 볼 수 있으며 현재 예방적 유지관리 활동을 실시할 경우 20년 후(2035년)에는 총 1,837억원, 즉 연간 약 92억원의 비용 절감효과를 볼 수 있는 것으로 분석 되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The paper aims at evaluating effects of preventive maintenance on life cycle cost(LCC) reduction of bridges. The preventive maintenance activities capable to delay bridge deteriorations can reduce overall maintenance costs and extend service life of a bridge by regularly providing maintenance activities and avoiding larger maintenance(repairs or rehabilitations) costs. Couple of prediction models were proposed in order to calculate LCC of a typical bridge: a health score model and repair rehabilitation cost model. In addition, the maintenance activities such as wash and painting were also suggested in order to consider effects of preventive maintenance in the analysis based on literature reviews. According to analysis results, new maintenance strategy(reactive maintenance + preventive maintenance) can save \0.5 billion per bridge for future life-cycle costs over 100 year analysis or \184 billion for entire HBMS(Highway Bridge Management System) inventory over 20 years. Small investments for preventive maintenance in improved bridge management can have a very significant return when considering the large bridge inventory.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

2) 현재 국내 고속도로 교량에는 예방적 유지관리 활동이 이루어 지지 않고 있다. 따라서 외국문헌과 한국시설안전공단이 제시한 예방적 유지관리 활동을 참고하여 본 연구에서는 교량의 청소 및 도장만을 예방적 유지관리 활동으로 선정하여 교량의 생애주기 비용을 산정하였다.
실제 교량이 수명종료에 도달하였다 하더라도 개축이 이루어지지 않고 보수·보강만 이루어지는 경우도 있을 것이다. 따라서 이번 논문에서는 순수하게 유지관리 비용 측면만을 고려하여 교량의 개축 없이 100년 동안의 생애주기비용을 분석하였다.
본 논문에서는 이러한 예방적 유지관리 효과를 생애주기비용(Life Cycle Cost, LCC) 측면에서 분석하고자 한다. 이를 위해 현 수준의 유지관리 전략(대응적 유지관리, RM)과 새로운 유지관리 전략(대응적 유지관리, RM + 예방적 유지관리, PM)의 비용분석을 실시하였다.
본 논문은 예방적 유지관리 효과를 교량의 생애주기비용 관점에서 분석 하였다. 생애주기비용을 산정하기 위해 비용 모델과 교량의 건전도 지수 변화 모델을 제안하여 활용하였다.

가설 설정

가정 2. 대응적 유지관리(RM)와 예방적 유지관리(PM)를 모두 실시하였을 경우, 교량의 사용수명은 100년으로 가정하였다(Fig. 4의 점선). 이와 같은 수치는 예방적 유지관리 실시 시 교량 사용수명은 30년 증가 하고 비용은 37% 감소한다는 미네소타 주의 보고서를 참고하여 결정하였다(MnDOT, 2014).
또한 개축비용을 고려하였을 경우 비교 시점에 따라 개축비용으로 인해 생애주기비용이 급격히 달라진다. 따라서 본연구의 LCC산정에서는 초기공사비용(IC)과 개축비용(RC)은 고려하지 않았다.
예방적 유지관리를 실시하였을 경우 건전도 점수 곡선의 형상계수(식 (1)의 α)또한 변화하지만 본 연구에서는 Fig. 4의 실선 곡선과 동일한 것으로 가정하였다.
일반적으로 교량의 LCC는 식 (2)와 같이 구성된다. 하지만 이번 연구에서는 고속도로 교량의 바닥판면적을 기준으로 표준교량(1,730 m²/교량)을 산정하여 표준교량 당 예방적 유지관리 비용 효과를 분석 하는 것으로 표준교량의 건설비용과 개축비용은 교량 당 일정한 것으로 가정하였다. 그리고 물가 상승률도 고려하지 않았다.

제안 방법

3) 현재 국내에서는 교량의 상태등급에 따른 보수·보강 비용모델이 정립되어 있지 못한 관계로 FHWA에서 제시한 보수·보강 비용 관계를 사용하여 국내 고속도로 교량의 상태등급에 따른 보수·보강 비용 모델을 제시 하였다.
4) 교량의 건전도 점수 변화 모델과 비용모델을 사용하여 예방적 유지관리 효과를 생애주기비용 관점에서 분석 하였다. 100년간 예방적 유지관리 활동으로 인해 교량 당 5억원의 절감효과를 볼 수 있으며 현재 예방적 유지관리 활동을 실시할 경우 20년 후(2035년)에는 총 1,837억원, 즉 연간 약 92억원의 비용 절감효과를 볼 수 있는 것으로 분석되었다.
FHWA의 교량 상태등급에 따른 보수·보강 비용 그래프를 활용하여 현재 국내 고속도로 교량의 평균 상태등급(HSavg.=0.87)과 최근 3년간 교량 당 투입된 평균 보수·보강 비용(7,924,600원/교량)을 기준으로 FHWA그래프를 등가적으로 국내 고속도로 교량 상태등급에 따른 보수·보강비용으로 변환하였다(Fig.
따라서 본 논문에서는 결함도 점수를 대신하여 건전도 점수(Health Score, HI=1-DS)를 사용하도록 하겠다. 교량의 결함도 점수 산정 방법은 세부지침(MOLIT, 2012)에 자세하게 기술되어 있으며 여기서는 세부지침에 규정되어 있는 교량의 결함도 점수 산정 방법을 간략하게 소개 하도록 하겠다.
국내 고속도로의 경우, Table 4에서 조사된 항목들 중 일부(교좌장치, 신축이음, 균열보수)는 보수·보강 활동에 포함하여 실시되고 있으므로 본 연구의 예방적 유지관리 활동으로 포함시켜 고려하게 되면 이중으로 고려하는 것이 되므로 본 연구에서는 교량 청소 및 도장만을 예방적 유지관리 항목으로 선정하여 분석에 적용 하였다.
이러한 모델의 변동성은 추후 데이터 축적을 통해 유지관리 활동과 교량 성능과의 상관관계가 정립이 된다면 점차 줄어 들것으로 판단된다. 도장의 경우 강교도장과 콘크리트 교량의 표면보호제 살포로 구분되어 있으므로 분석 시 각각의 교량 개소수 비율을 산정하여 표준교량에 적용 하였다. 국부도장의 경우 도로공사 연구 보고서(KECRI, 2015)를 참고하여 강교량의 도장 손상률을 반영하였다.
1 → 'A'등급, DS=1 → 'E' 등급). 따라서 본 논문에서는 결함도 점수를 대신하여 건전도 점수(Health Score, HI=1-DS)를 사용하도록 하겠다. 교량의 결함도 점수 산정 방법은 세부지침(MOLIT, 2012)에 자세하게 기술되어 있으며 여기서는 세부지침에 규정되어 있는 교량의 결함도 점수 산정 방법을 간략하게 소개 하도록 하겠다.
회귀분석 방법을 통해 교량의 사용수명 산정을 수행하기 위해서는 교량의 상태이력정보가 반드시 필요하다. 본 논문에서는 Table 2와 같이 2004년부터 2013년까지 한국도로공사의 HBMS(Highway Bridge Management System)에 있는 교량의 상태정보를 사용하여 교량의 사용수명산정을 수행하였으며 사용수명 산정에 사용된 교량의 상태정보는 정밀(정기)점검 및 정밀안전진단의 결과로 산정된 교량의 결함도 점수이다.
이처럼 회귀분석 기법은 시간경과에 따른 교량의 상태등급을 특정식을 이용하여 나타내는 방법으로 가장 간단하면서 적용하기 쉬운 장점이 있으나, 전체 수명기간에 대한 산포도가 작은 자료가 있어야 좋은 결과를 나타낼 수 있다. 본 논문에서는 국내 교량의 개축 실적이 부족한 관계로 회귀분석기법을 사용하여 교량의 사용수명산정을 수행하였다.
본 논문에서는 회귀분석의 편의를 위해 교량의 결함도 점수 대신에 건전도 점수를 사용하였다. 일반적으로 교량의 상태는 공용연수가 증가함에 따라 저하되는 경향을 보여준다.
본 비용분석에서는 가상의 표준교량(평균면적교량)을 설정하였다. 표준교량(1,730 m²/교량)은 현재 한국도로공사가 관리하는 교량의 바닥판 총면적에 관리 교량 개소수를 나눈 것으로 교량 당 평균 바닥판 면적을 의미한다.
분석을 위해 2004년부터 2013년 동안의 고속도로 교량의 점검기록을 활용하여 교량의 공용연수에 따른 상태등급(건전도 점수) 관계식을 제안하였고(Jeong et al., 2016b) 비용분석을 위해서 FHWA(Federal Highway Administration) 자료를 활용하여 교량 상태에 따른 교량의 평균 보수·보강비용 관계를 설정하였다.
본 논문은 예방적 유지관리 효과를 교량의 생애주기비용 관점에서 분석 하였다. 생애주기비용을 산정하기 위해 비용 모델과 교량의 건전도 지수 변화 모델을 제안하여 활용하였다. 제안한 모델을 사용하여 생애주기비용을 산정 하였으며 이를 기초로 하여 다음과 같은 결론을 도출 하였다.
, 2016b) 비용분석을 위해서 FHWA(Federal Highway Administration) 자료를 활용하여 교량 상태에 따른 교량의 평균 보수·보강비용 관계를 설정하였다. 앞에서 제안된 복수의 관계식을 활용하여 100년간 교량의 생애주기비용을 산정하였다.
예방적 유지관리 효과 분석을 위해 유지관리비용(MC)만을 고려한 다음 두 가지의 생애주기비용 시나리오를 제안하였다.
예방적 유지관리 효과를 분석하기 위해 앞에서 제시한 비용모델과 건전도 점수 모델을 이용하여 70.8년과 100년 동안의 교량 당 생애주기비용을 산정하였다(Fig. 6).
예방적 유지관리 효과를 분석하기 위해 현 수준의 유지관리 전략(대응적 유지관리, RM)과 예방적 유지관리가 포함된 사용수명 100년을 위한 유지관리 전략(RM+PM)의 비용을 분석 하였다.
본 논문에서는 이러한 예방적 유지관리 효과를 생애주기비용(Life Cycle Cost, LCC) 측면에서 분석하고자 한다. 이를 위해 현 수준의 유지관리 전략(대응적 유지관리, RM)과 새로운 유지관리 전략(대응적 유지관리, RM + 예방적 유지관리, PM)의 비용분석을 실시하였다. 분석을 위해 2004년부터 2013년 동안의 고속도로 교량의 점검기록을 활용하여 교량의 공용연수에 따른 상태등급(건전도 점수) 관계식을 제안하였고(Jeong et al.
교량 노후화, 열화, 손상 매커니즘은 어떻게 발생하는지 규명이 많이 되어 있지 않으며 규명 되어 있다 하더라도 시간에 대한 변화는 다양한 변수로 인해 정확도가 떨어지거나 불가능한 경우가 많다. 이번 장에서는 교량의 사용수명(상태등급 변화) 산정을 위해 문헌에서 언급하고 있는 세 가지 방법(생명표, 생존함수, 회귀분석)을 간략하게 설명하고자 한다.
생애주기비용을 산정하기 위해 비용 모델과 교량의 건전도 지수 변화 모델을 제안하여 활용하였다. 제안한 모델을 사용하여 생애주기비용을 산정 하였으며 이를 기초로 하여 다음과 같은 결론을 도출 하였다.
본 연구는 예방적 유지관리 활동의 효과를 분석 하는 것이 목적이므로 보수·보강 비용 곡선과 함께 적용될 예방적 유지관리 항목, 주기, 비용 결정이 필요하다. 현재 국내 고속도로 교량에는 예방적 유지관리 활동 항목이 구체적으로 명시되어 있지 않아 외국에서 시행되고 있는 유지관리 항목 및 한국시설안전공단에서 제안한 예방적 유지관리 항목(Table 4)을 참고하여 결정하였다.

대상 데이터

교량의 상태등급에 따른 보수·보강 비용관계는 아직 국내에서는 정립되어 있지 못한 관계로 미국의 FHWA 자료를 활용 하였다.

데이터처리

1) 2004~2013년동안 HBMS상에 기록되어 있는 고속도로 교량의 점검기록을 사용하여 회귀분석을 통해 공용연수에 따른 건전도 점수 변화 모델을 산정하였다. 현재 수준의 교량 유지관리 전략(대응적 유지관리만 실시)하에서는 교량의 평균 사용수명은 70.
국내 고속도로 교량의 사용수명(상태등급 변화)을 산정하기 위하여 식 (1)을 사용하여 회귀분석 하였다. 식 (1)은 미국 AASHTO의 포장 상태를 예측하기 위해 개발된 식을 참조하여 결정 하였다(Patterson, 1987).
부재의 상태평가 기준은 세부지침(KISTEC, 2012)에 설명되어 있다. 그리고 전체 교량의 상태평가는 경간별 부재결함도지수(Damage Index)에 가중치를 적용하여 평균한 값인 환산결함도점수를 기준으로 실시한다. 이때 경간별 부재결함도지수(Damage Index)는 최저 결함도점수(Damage Score) 범위에 따라 결정된다(Table 1).

성능/효과

4) 교량의 건전도 점수 변화 모델과 비용모델을 사용하여 예방적 유지관리 효과를 생애주기비용 관점에서 분석 하였다. 100년간 예방적 유지관리 활동으로 인해 교량 당 5억원의 절감효과를 볼 수 있으며 현재 예방적 유지관리 활동을 실시할 경우 20년 후(2035년)에는 총 1,837억원, 즉 연간 약 92억원의 비용 절감효과를 볼 수 있는 것으로 분석되었다.
예방적 유지관리가 포함된 유지관리 전략(RM+PM)의 경우 대응적 유지관리만 포함된 현재의 유지관리(RM)에 비해 100년간 교량당 5억의 비용절감 효과가 발생하며(Fig. 6) 향후 20년 뒤에는 총 1,837억원, 즉 연간 약 92억원의 비용절감 효과가 있다(Fig. 7). 단기적으로는 추가비용으로 다소 불리해 보이지만 장기적 관점에서 예방적 유지관리를 포함한 유지관리 전략이 훨씬 경제적임을 알 수 있다.

후속연구

본 연구는 예방적 유지관리 활동의 효과를 분석 하는 것이 목적이므로 보수·보강 비용 곡선과 함께 적용될 예방적 유지관리 항목, 주기, 비용 결정이 필요하다.
다만 국내 고속도로 교량이 처해 있는 조건(예: 차량하중 환경하중 등)이 가정2의 상황과 상이하기 때문에 실제 가정2에서 언급한 예방적 유지관리 활동 효과는 현실적으로 제외된 항목을 고려한다 하여도 달라 질 수 있다. 이러한 모델의 변동성은 추후 데이터 축적을 통해 유지관리 활동과 교량 성능과의 상관관계가 정립이 된다면 점차 줄어 들것으로 판단된다. 도장의 경우 강교도장과 콘크리트 교량의 표면보호제 살포로 구분되어 있으므로 분석 시 각각의 교량 개소수 비율을 산정하여 표준교량에 적용 하였다.
, 2016b). 이러한 유사점을 고려한다면 사람의 수명산정 방법과 관련된 지표를 교량에 적용 할 수 있을 것이다. 사람의 생명표 작성과정에 산출되는 사람의 평균수명과 잔여수명 등은 교량의 관리주체가 원하는 교량의 평균사용수명과 교량의 잔여 수명 등으로 제공될 수 있다(KOSIS, 2014).

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	교량의 유지관리란?	교량의 유지관리는 안전점검과 진단, 보수·보강, 개축 등과 같이 교량의 기능, 안전성, 내구성, 사용성을 확보하기 위하여 교량의 생애주기 동안 행해지는 일련의 행위를 지칭한다. 현재까지의 교량 유지관리는 주로 사용성 및 안전성에 초점을 맞추어 손상을 파악하여 보수·보강을 시행하는 대응적 유지관리(Reactive Maintenance, RM)였다(Lee et al.
	교량 유지관리 방법 중 대응적 유지관리의 문제점은?	, 2016; Park, 2005; Park, 2006; Sun and Park, 2014). 이러한 유지관리체계의 문제점은 구조물의 노후화가 진행됨에 따라 증가하는 보수·보강물량을 감당하기 힘든 단점이 있다. 미국의 경우 교량의 노후화 대비에 실패하여 매년 12.
	구조물의 유지관리는 어떻게 구분할 수 있는가?	구조물의 유지관리는 구조물의 손상이나 결함을 탐지하고 필요한 보수·보강을 실시하는 대응적 유지관리(RM)와 손상이나 결함의 발생을 사전에 예방하거나 구조물의 열화를 최대한 지연시키기 위해 실시하는 예방적 유지관리(PM)로 구분 할 수 있다. 예방적 유지관리에 대하여 많은 문헌에서 정의하고 있지만 미국의 미네소타 교통국(MnDOT, 2002)에서는 다음과 같이 정의하고 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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