[논문]교량 안전등급 분석을 통한 유지관리전략 개선 방안 연구

황윤국; 선종완; 최영민; 박경훈

doi:10.5762/kais.2021.22.3.36

교량 안전등급 분석을 통한 유지관리전략 개선 방안 연구
A Study on Improvement of Maintenance Strategy based on Analysis of Bridge Safety Grade 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.22 no.3, 2021년, pp.36 - 43

황윤국 (한국건설기술연구원 인프라안전연구본부) , 선종완 (한국건설기술연구원 인프라안전연구본부) , 최영민 (자람기술(주)) , 박경훈 (한국건설기술연구원 인프라안전연구본부)

초록
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교량은 국가 주요 기반시설물 중의 하나로서 '시설물의 안전 및 유지관리에 관한 특별법'에 따라 정기적인 안전점검 또는 진단이 실시되고 있다. 이를 통해 교량의 상태평가 및 안전성평가 결과에 의해 각각 상태등급과 안전성등급이 개별적으로 산정되고, 두 등급의 결과 중 상대적으로 낮은 등급이 해당 교량의 안전등급으로 결정된다. 본 연구에서는 교량 안전등급의 핵심인 상태등급과 안전성등급의 상관관계를 일반국도 상에 위치한 교량의 대표적인 상부구조형식인 RC슬래브교, PSCI거더교, 강박스거더교, 라멘교 및 프리플렉스거더교를 대상으로 분석하였다. 또한 분석 대상 교량의 형식별로 각각의 등급 간의 상관현황, 상관범위 등을 파악하고, 교량 상부구조형식별 점검 및 진단의 적정 수행주기 변경 방안을 제안하여 국내의 기존 유지관리 정책 수립의 합리적인 개선 방향을 제시하고자 하였다. 연구 결과에 근거하여 교량은 상부구조형식, 안전등급에 따라 기존 점검 및 진단 주기의 일부 조정이 필요할 것으로 판단되며, 향후 보다 다양한 교량형식에 대한 세부적인 연구를 통해 유지관리 정책의 개선이 지속적으로 이루어져야 할 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Because bridges are major national infrastructure, regular safety inspections or diagnoses for bridges have been conducted in accordance with the "Special Act on the Safety and Maintenance of Facilities." Accordingly, the condition and safety assessments of the bridge are conducted to derive the condition and safety rating, respectively. A lower result is determined to be the safety grade of the bridge. In this study, the relationship between the condition rating and safety rating, which are the core of the bridge safety grade, was analyzed by the representative superstructure types of bridges, such as RC slab, PSCI girder, Steel box girder, Rhamen, and Preflex girder, to identify the correlation status and range between each rating. A reasonable improvement direction for establishing existing maintenance policies was suggested by proposing an alternative plan to change the proper implementation cycle of the inspection and diagnosis of bridge superstructure types. As a result of the research, it is necessary to adjust the inspection and diagnosis cycle according to the superstructure type and safety grade. In addition, maintenance policies need to be improved through detailed research on more diverse bridge types in the future.

주제어

표/그림 (16)

표 Table 1. Criteria for grade and defect-rate
표 Table 2. Criteria for Safety Evaluation
그림 Fig. 1. Distribution of number and length of bridges according to superstructure type on national road
그림 Fig. 2. Distribution of safety grade by superstructure type
표 Table 3. Number (N) and length (L, unit: km) of bridges according to superstructure type and classification of road
표 Table 4. Number of reference and overlap bridges
그림 Fig. 3. Distribution of condition rating by superstructure type
그림 Fig. 4. Distribution of safety rating by superstructure type
그림 Fig. 5. Relationship between the condition index and safety index of RC slab bridges
그림 Fig. 6. Relationship between the condition index and safety index of PSCI girder bridges
그림 Fig. 7. Relationship between the condition index and safety index of Steel box girder bridges
그림 Fig. 8. Relationship between the condition index and safety index of Rahmen bridges
그림 Fig. 9. Relationship between the condition index and safety index of Preflex girder bridges
그림 Fig. 10. Average and standard deviation of safety margin by superstructure type
표 Table 5. Normalized safety margin of PSCI girder bridges
표 Table 6. Average and standard deviation of safety margin

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 비교적 유지관리가 체계적으로 이루어지고 있는 일반국도 상 주요 상부구조형식 교량에 대해 조사된 상태평가와 안전성평가 결과를 바탕으로 상태등급과 안전성등급의 관련성을 비교, 분석하여 합리적인 유지관리 정책 수립의 방향성을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 교량의 안전점검·진단에 있어 최종적인 안전등급을 산정하기 위하여 수행되는 상태평가와 안전 성평가의 상호 관련성을 분석하고, 효과적이고 합리적인 유지관리 정책 수립을 위하여 점검 및 진단의 적정한 평가 주기를 제안하고자 하였다. 일반국도 상의 대표 상부 구조형식 교량에 대한 209건의 실제 점검·진단 자료를 분석하고, 상태등급과 안전성등급을 바탕으로 상태지수, 안전성지수, 안전여유 등을 제안하고 분석인자로 활용하여 보다 구체적인 분석을 수행하였다.

제안 방법

선형 비례하도록 선정하였다. 각 평가등급의 정량적 지수인 상태지수(condition index)와 안전성지수 (safety index)를 동등하게 비교하기 위하여 두 지수 간의 정규화를 수행하였다. 정규화된 상태지수와 안전성 지수를 상부구조형식에 따라 비교해보면 Fig.
4에서 알 수 있듯이 RC 슬래브교를 제외한 대부분의 대상교량이 A등급으로 나타나고 있다. 따라서 B 이하의 안전성등급 데이터는 통계적 의미를 갖는 범위 밖에 있으므로, 안전성 등급이 A인 교량에 대해 상태등급과 안전성등급 사이의 관련성을 분석하였다. 안전성등급 B 이하인 교량은 대부분 노후도가 높은 교량으로, 향후 노후도의 진전에 따라 관련 데이터가 충분히 확보되면 연구를 확대하고자 한다.
2절에서 확인하였다. 따라서 상태등급에 의해 안전등급이 최종 판정된교량에 대해, 안전성등급이 상태등급에 비해 어느 정도의안전여유(safety margin)를 가지고 있는지 살펴보기 위해 정량적인 지수(안전성지수/상태지수)로 변환시켜 비교분석하였다. 그 예로서 PSCI 거더교의 정규화 된 상태지수와 안전성지수 그리고 안전여유를 나타내면 Table 5와 같다.
가지고 검토하였다. 또한 10대 손상유형을 정리하여 유지관리단계에서의 중점관리 손상유형을 제시하였다. 한편 Oh 등[7]은 일반국도 상의 교량 바닥판에 한정하여 상태평가등급에 영향을 미치는 변수로 지역 및 공용기간을 분석대상으로 삼았으며, Lee 등[8]이 고속도로 교량의 바닥판 열화 현황을 검토하였으나 동절기에 의한 열화인 자가 관심의 대상이었다.
본 연구에서는 일반국도 교량관리시스템(Bridge Management System; BMS)[10] 및 시설물 통합정보시스템(Facility Management System; FMS)[11]을 통해 5가지 대표 상부구조형식 교량에 대한 정밀안전진단 수행 정보를 조사하여 안전등급, 상태등급 및 안전성 등급의 연관성 분석을 수행하였다. Table 4와 같이 5가지 대표 교량 형식에 대해 최근 10년간 수행된 정밀안전진단 결과 중 수집된 데이터 209건을 대상으로 하였으며, 동일 교량에 반복 시행된 32건의 결과를 고려하면 총 177개소 교량을 분석대상으로 하였다.
상태등급과 안전성등급 간의 관계를 보다 자세히 비교분석하기 위해, 각 등급을 A=100 이상, B=90, C=80, D=70, E=60 이하가 되도록 지수화하고, 100 이상과 60 이하는 선형 비례하도록 선정하였다. 각 평가등급의 정량적 지수인 상태지수(condition index)와 안전성지수 (safety index)를 동등하게 비교하기 위하여 두 지수 간의 정규화를 수행하였다.
본 연구에서는 교량의 안전점검·진단에 있어 최종적인 안전등급을 산정하기 위하여 수행되는 상태평가와 안전 성평가의 상호 관련성을 분석하고, 효과적이고 합리적인 유지관리 정책 수립을 위하여 점검 및 진단의 적정한 평가 주기를 제안하고자 하였다. 일반국도 상의 대표 상부 구조형식 교량에 대한 209건의 실제 점검·진단 자료를 분석하고, 상태등급과 안전성등급을 바탕으로 상태지수, 안전성지수, 안전여유 등을 제안하고 분석인자로 활용하여 보다 구체적인 분석을 수행하였다. 도출된 결론은 다음과 같다.

대상 데이터

5배에 이른다. ‘19년 일반국도 상 교량 중 정밀안전점검이 수행된 교량은 1, 115개소, 정밀안전진단이 수행된 교량은 151개소이다. 따라서대부분의 경우 점검주기가 짧은 정밀안전점검의 상태평가 결과가 전체 교량 군(群)의 안전등급 경향을 지배하게되고, 보수보강 여부의 일차적인 판단에 활용되고 있다.
분석을 수행하였다. Table 4와 같이 5가지 대표 교량 형식에 대해 최근 10년간 수행된 정밀안전진단 결과 중 수집된 데이터 209건을 대상으로 하였으며, 동일 교량에 반복 시행된 32건의 결과를 고려하면 총 177개소 교량을 분석대상으로 하였다.
대표적 교량 상부 구조형식인 RC슬래브교, PSCIa더교, 강박스거더교, 라멘교, 프리플렉스거더교의 5가지 형식을 도로 구분에 따라 분류하면 Table 3과 같다. 본 연구에서는 일반국도 교량 중 개소 수의 91.8%, 연장의 85.1%를 점유하고 있는 5 가지 대표 교량형식을 대상으로 하며, 각 형식이 차지하는 개소 수 및 연장 비율은 Fig. 1과 같다.

성능/효과

교량의 안전등급 결정에는 상태등급이 지배적이며, 육안조사에 치중된 상태등급과 구조적 해석 또는 실험 결과가 반영된 안전성등급을 단순 비교하면 안전성등급이안전 측의 결과를 보였다. 상태지수와 안전성지수를 정규화하여 비교한 결과, 두 지수간의 상관성은 크지 않으나대부분의 교량 형식에서 상호 연동하여 정비례 관계를나타내었다.
상태등급에 대한 안전성등급의 여유도를 나타내는 안전여유를 분석한 결과, 현재의 안전성등급이 A 이상인 교량에 한정하여 상부구조형식별로 평균안전여유는 1.34~1.62로 평가되었다. 따라서 일정한 고정주기로 안전성 평가를 수행하기 보다는 상태평가를 주기적으로 진행하여 일정 기준 이상의 평가결과가 도출된 시점에 안전성 평가를 시행하거나, 구체적인 분석을 통해 안전성 평가 주기를 적정한 수준으로 증가시키는 방안을 모색하는 것이 합리적일 것으로 판단된다.
측의 결과를 보였다. 상태지수와 안전성지수를 정규화하여 비교한 결과, 두 지수간의 상관성은 크지 않으나대부분의 교량 형식에서 상호 연동하여 정비례 관계를나타내었다. 따라서 현행 법·제도에 기반하여 유지관리업무 수행이 이루어지고 적정 수준의 보수·보강이 지속적으로 이루어진다면 정밀안전진단에 따른 안전성평가가수행되지 않는 교량의 경우에도 안전점검의 상태평가 결과를 바탕으로 간접적인 구조적 안전 수준의 추정이 가능할 것으로 판단된다.

후속연구

이 연구는 30년 이상 된 소규모 노후교량 12개를 대상으로 분석하였으나 교량의 형식이 RC슬래브교, PSCIa더교 및 라멘교로 국한하여 분석대상 교량의 수가 적고, 교량형식별 구분이 되지 않아 분석결과의보편성에 한계를 가지고 있다. 내하성능과 상태평가 지수사이의 상관성에 대해서도 교량형식별로 구분한 상세분석이 추가적으로 이루어져야 할 것으로 판단된다. Kyung 등[5]은 내하력평가와 직접적인 관련성이 있는변수를 대상으로 공용년수가 내하력에 미치는 영향을 분석하였다.
데이터 수집의 현실적 제약으로 인해 제한된 교량을대상으로 연구를 수행하였으나 향후 대상교량의 수를 확대하고 동일 교량에 대해 지속적인 점검·진단과 이에 따른 보수·보강 수행 효과를 반영한 열화손상의 분석이 실시된다면 보다 합리적인 안전성평가 주기를 제시할 수있을 것이다. 또한 교량 상부구조형식에 따라 상태평가결과를 통해 간접적인 안전 수준의 판단이 가능해지면보다 효율적인 국가예산의 활용을 도모할 수 있을 것이다.
62로 평가되었다. 따라서 일정한 고정주기로 안전성 평가를 수행하기 보다는 상태평가를 주기적으로 진행하여 일정 기준 이상의 평가결과가 도출된 시점에 안전성 평가를 시행하거나, 구체적인 분석을 통해 안전성 평가 주기를 적정한 수준으로 증가시키는 방안을 모색하는 것이 합리적일 것으로 판단된다.
상태지수와 안전성지수를 정규화하여 비교한 결과, 두 지수간의 상관성은 크지 않으나대부분의 교량 형식에서 상호 연동하여 정비례 관계를나타내었다. 따라서 현행 법·제도에 기반하여 유지관리업무 수행이 이루어지고 적정 수준의 보수·보강이 지속적으로 이루어진다면 정밀안전진단에 따른 안전성평가가수행되지 않는 교량의 경우에도 안전점검의 상태평가 결과를 바탕으로 간접적인 구조적 안전 수준의 추정이 가능할 것으로 판단된다.
것이다. 또한 교량 상부구조형식에 따라 상태평가결과를 통해 간접적인 안전 수준의 판단이 가능해지면보다 효율적인 국가예산의 활용을 도모할 수 있을 것이다.
그러나거더교량의 범주에 PSCIa더교 외에 PSC박스거더교, 강박스거더교, 강플레이트거더교, 강Ia더교를 모두 포함하여 50개 교량을, 슬래브교의 범주에 RC슬래브교, PSC슬래브교, 라멘교를 포함하여 18개 교량을 대상으로 고려하고 있어 상부구조 형식에 적합한 세분화가 필요하다. 또한 등급 비교분석을 최종 안전등급으로 수행하여 동일등급에서 상태등급과 안전성등급의 구분에 따른 관련성을 분석할 필요가 있다. Lee 등[4]은 소규모 교량에 대해상태평가와 내하성능평가를 통해 유지관리의 적정성을분석하였다.
이는 현재와 같은 점검·진단과 유지관리가 수행된다면, 정밀안전진단이 이루어지지 않는 교량의 경우에도 안전점검 결과를 바탕으로 일정 부분 구조적 안전성을 추정할 수 있을 것으로 판단된다. 라멘교는 반비례(Fig. 8)하는 경향을 나타내고 있으므로 향후 좀 더 많은 데이터를 확보하여 추가적인 분석이 필요하며, 본 연구에서 제시되지 않은 기타형식의 교량에 대해서도 동일한 분석을 수행하여 그 결과를 바탕으로 최종 방향을 모색하는 것이 필요하다.
따라서 B 이하의 안전성등급 데이터는 통계적 의미를 갖는 범위 밖에 있으므로, 안전성 등급이 A인 교량에 대해 상태등급과 안전성등급 사이의 관련성을 분석하였다. 안전성등급 B 이하인 교량은 대부분 노후도가 높은 교량으로, 향후 노후도의 진전에 따라 관련 데이터가 충분히 확보되면 연구를 확대하고자 한다.
Lee 등[4]은 소규모 교량에 대해상태평가와 내하성능평가를 통해 유지관리의 적정성을분석하였다. 이 연구는 30년 이상 된 소규모 노후교량 12개를 대상으로 분석하였으나 교량의 형식이 RC슬래브교, PSCIa더교 및 라멘교로 국한하여 분석대상 교량의 수가 적고, 교량형식별 구분이 되지 않아 분석결과의보편성에 한계를 가지고 있다. 내하성능과 상태평가 지수사이의 상관성에 대해서도 교량형식별로 구분한 상세분석이 추가적으로 이루어져야 할 것으로 판단된다.
5~7, 9)함을 알 수 있다. 이는 현재와 같은 점검·진단과 유지관리가 수행된다면, 정밀안전진단이 이루어지지 않는 교량의 경우에도 안전점검 결과를 바탕으로 일정 부분 구조적 안전성을 추정할 수 있을 것으로 판단된다. 라멘교는 반비례(Fig.
이상의 결과로부터 단순히 최종적인 안전등급에 근거하여 유지관리전략을 수립하는 것은 상태등급과 안전성등급의 영향을 복합적으로 고려하지 못하므로, 이러한 관계를 비교분석하여 안전성등급을 평가하기 위해 주기적으로 수행되는 고비용의 정밀안전진단 주기를 조정하는방안 마련이 필요하다.
한편 Oh 등[7]은 일반국도 상의 교량 바닥판에 한정하여 상태평가등급에 영향을 미치는 변수로 지역 및 공용기간을 분석대상으로 삼았으며, Lee 등[8]이 고속도로 교량의 바닥판 열화 현황을 검토하였으나 동절기에 의한 열화인 자가 관심의 대상이었다. 이상의 연구는 전체 경향을 파악하고 상세 연구를 진행하는 방식이 아니라 분석대상 교량 수가 적거나 상세한 분류를 통해 특정 그룹에 제한적이고 세분화된 분석을 수행하여 일반화된 결론을 도출하는데 어려움이 있다.
정밀안전진단의 안전성평가 결과는 수행되는 비율이 낮고, 일반적으로 상태평가에 비해 양호한 등급을 나타내므로 전체 교량 군의 안전등급 경향에 영향이 크지 않다. 하지만 육안점검 위주인 상태평가를 통해 발견하기 어려운 개별 교량의 구조적 안전성을 판단하는데 효과적으로활용될 수 있다.
하지만 내하력과 상태등급과의 상관성에 대한분석 시에 상태등급을 결정하게 된 환산결함도점수를 고려하지 않아 실질적인 상태평가 결과와 내하력과의 상관성을 명확하게 밝히는데 한계가 있다. 한편 상태등급과공용내하율과의 직접적인 상관성 추정은 어렵지만, 공용년수에 따라 일정한 경향을 나타내고 있으므로 보다 많은 데이터를 확보하여 지속적인 연구가 필요하다고 제안하고 있다.

참고문헌 (11)

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K. C. Oh, J. G. Lee, J. Y. Shin, B. S. Chang, "A study on condition assessment of the general national road bridge deck", Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, Vol.16, No.6, pp.93-101, Nov. 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.11112/jksmi.2012.16.6.093

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I.-K. Lee, W.-S. Kim, H.-T. Kang, J.-W. Seo, "Analysis and prediction of highway bridge deck slab deterioration", Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, Vol.19, No.2, pp.68-75, Mar. 2015. DOI: http://dx.doi.org/10.11112/jksmi.2015.19.2.068

원문보기 상세보기
Ministry of Land, Infrastructure and Transport (MOLIT), Yearbook of road bridge and tunnel statistics, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology, 2020.
Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology (KICT), Bridge and Tunnel Integrated Management System, Available From: https://nbms.kict.re.kr (accessed Dec. 18, 2020)
Korea Authority of Land and Infrastructure Safety, Facility Management System Available From: https://www.fms.or.kr (accessed Dec. 18, 2020)

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