도로교량 바닥판의 열화모델 개발과 성능보강 수요예측 연구

국문 초록 (Abstract)

교량수명 연장과 관련되어, 교량에서 산정된 설계수명을 연장하여 안전성 있게 운영되도록, 교량에 관한 노후화를 평가하고, 성능개선 대책안을 수립하기 위한 다각도의 실증적 조사와 분석을 수행한다. 더욱이 공용중 효율적인 유지관리를 하기 위하여, 필요한 만큼의 성능개선을 위한 성능보강 방법과 시기 결정 및 비용 산정을 체계적으로 확정하는 기술은 무엇보다도 중요하다.
국내 고속도로는 1969년 2월 경인고속도로 개통을 시작으로 꾸준히 건설되어 왔고, 경제성장을 근간으로 확장되어져 왔으며, 결과적으로 2017년까지의 평균 공용년수는 14.3년이 되었다. 이 시기까지 고속도로와 함께 관리되고 있는 교량수는 9,325개이고, 직접 관리되는 도로연장은 4,113km에 달하였다. 기본적으로 이 교량들은 공용년수가 증가하면서 최근까지 노후화 수준에 따라 교량의 기능을 유지하기 위한 보수·보강이 수행되어 왔다. 최근 고속도로 교량 노후화에 따라 요구되는 유지보수 예산이 급격히 증가하고 있으나, 반영률은 50%에 불과하다. 이는 유지관리에 대한 인식부족과 전체교량을 대상으로 적용할 수 있는 효율적인 열화모델이나 비용예측 방법이 없기 때문이다.
일반적으로 교량 노후화는 교량이 존재하는 한 진행되며, 적기에 유지관리를 위한 보수·보강이 시행되지 않을 경우, 촉진된 노후화로 인하여, 일정 시기에 과도한 예산이 투여되거나, 교량의 부분적 기능저하 또는 붕괴가 야기된다. 이에 따라 선진국에서는 교량의 노후화에 대한 보수·보강 우선순위 결정과 중장기 소요비용 예산예측 등에 활용하기 위한 연구가 활발히 진행되어 왔으나, 국내에서는 이에 대한 연구 실적이 거의 전무하다.
교량에 있어서 전반적인 노후화와 이에 따른 유지관리의 체계적 성과 도출은 매우 방대한 연구이다. 단, 교량에서 교량 바닥판이 매우 중요한 역할을 하는 만큼, 열화에 직접적인 영향을 받는다. 본 연구에서는 우선적으로, 고속도로 교량유지관리시스템(HBMS) 및 2004년도에서 2015년도까지 수행한 교량 정밀점검 및 정밀안전진단 자료를 수집한 교량 바닥판 상태등급 자료를 통합하여, 환경적 요인, 구조형식적 요인, 하중적 요인 등 3가지로 선정한 열화요인들에 포함된 총 6가지의 열화인자들로 분류한 다음, 이 분류된 각 자료그룹에 대하여 각각 신뢰성 있는 통계처리를 수행하여 교량전체를 통한 대표 열화모델식과 영향인자별 열화모델식을 신중히 설정하였다. 두 번째로는 열화 된 교량 바닥판에 대한 성능보강의 시기, 방법 및 소요경비를 산정하는 보다 합리적인 교량 바닥판 성능보강 수요예측 방법을 개발하기 위하여, 대표 열화모델식에 적용하여 영향인자들을 정량화할 수 있게 하는 영향계수 산정기법을 새롭게 개발하였다. 또한 지금까지 수행된 대단위 보수·보강 경비자료를 이용하여 실용적인 교량 바닥판 단위면적당의 성능보강 소요비용 산정대안을 제시하였다. 마지막으로 이 모든 결과들을 한꺼번에 이용하면서, 향후 교량 바닥판에 관한 성능보강 수요예측을 자동화하여 처리할 수 있는 워크쉬트 코딩 프로그램을 개발하였고, 이를 실무적 차원에서 적극 활용이 가능토록 하였다. 최종적으로 이를 이용하여 2037년까지 해당되는 교량 바닥판에 대한 성능보강 소요비용을 고속도로 노선별 및 지역별로 성과 있게 제시하였다.
특징적으로, 본 연구에서는 국내 고속도로 및 일반도로의 교량 바닥판과 관련된 미래 정책적으로 요구되는 효율적인 성능보강 수요예측과 방법 결정의 초석을 마련하였다. 추가적으로 연구중 창안된 세분화 열화모델 구축방법과 이의 활용성을 제시한 것은 국내 교량 바닥판 및 더 크게는 교량전체의 노후화와 그에 따른 성능보강 수요예측 연구에 대한 방향성 기준을 제시한 것이고, 결과적으로 본 연구에서는 한 걸음 진보된 교량 유지관리 기법 개발에 대한 성과를 득하였다고 사료된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In the work related to the extension of the bridge life, multi-dimensional empirical survey and analysis are carried out to assess the aging of bridges and to establish preventive repair and reinforcement plans against them for letting the deteriorated bridges operate with safety right after acquiring the extension of the design life of them. Furthermore, in order to maintain efficient maintenance, it is important to systematically determine the method and timing of performance enhancement and the cost estimation to improve the performance as much as necessary.
The domestic expressway has been built steadily since the opening of the Gyeongin Expressway in February 1969, and has been largely expanded based on economic growth. As a result, the average number of years of public use until 2017 is 14.3 years. Up to this time, 9,325 bridges have been managed together with highways, and directly managed total length of them have reached 4,113km. Basically, the repair and reinforcement have been performed by now to meet the aging level of them as their age increase. In recent years, the maintenance budget required by the aging of highway bridges has been rapidly increasing, but the budget reflects only 50%. This is because there is no effective deterioration model or maintenance cost prediction method applied to the entire road bridge network.
In general, bridge aging is continuous as long as bridges exist, and if repair and reinforcement for maintenance is not carried out at the right time, accelerated aging may cause over budgeting at a certain time, or the collapses of bridges have been caused. Therefore, in advanced countries, studies have been actively conducted to determine the priorities of repair and reinforcement for the aging of bridges and to predict the mid-term and long-term cost budgets. However, there is almost no research results in Republic of Korea.
The overall deterioration of bridges and the resulting systematic performance in maintenance is a vast field of research. But as bridge decks play a very important role in bridges, it is directly affected by deterioration. Therefore in this research, at first, the representative deterioration model formula and the deterioration model formula for each influence factor have been set carefully through reliable statistical processing performed for each of the data groups that consist of total 6 deterioration factors’s groups included in adopted three groups of deteriorating factors of environmental factor, structural formal factor, and load factor by integrating the data in Highway Bridge Management System published by Korea Expressway Corporation and the data from the bridge precise inspection and precision structural safety evaluation results containing condition rates of bridge decks collected from the year of 2004 to the year of 2015. Secondly, an impact calculation technique that can be applied to the representative deterioration model formula to quantify the influence factors have newly developed in order to develop a more reasonable demand prediction method for bridge deck performance reinforcement which estimates the timing, method, and cost of performance reinforcement for deteriorated bridge decks. In addition, a cost-effective alternative to the practical cost per unit floor area of bridge deck by using large-scale repair and reinforcement cost data has been proposed. Finally, a worksheet coding program that can automate and process the demand prediction for performance reinforcement of bridge decks in the future has been developed while using all of those results above at once, and this program has made it very useful to be practically useful. As a result, the results of estimated cost of demand prediction for performance reinforcement on the targeted bridges presented by route and by region of road bridges required by 2037 have been suggested usefully.
In particular, this study has laid the groundwork for estimating effectively the cost of demand prediction of performance reinforcement on bridge decks existing in the network of highways and public roads from a future policy standpoint. Additionally, this study has suggested the method of constructing a new segmented deterioration model and its applicability in the study, and then this effect has given the directional guidelines for the demand prediction of performance reinforcement for the bridge decks and furthermore, the whole of bridge aging. As a result, this study seems to have gained some improvement in the advanced bridge maintenance technique.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• [그림 차례] i
• [표 차례] ⅳ
• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구배경 및 목적 1
• 1.2 연구 동향 4
• 1.3 연구내용 및 방법 12
• 제 2 장 교량 바닥판의 노후화와 수명도 14
• 2.1 교량 바닥판의 노후도 조사 14
• 2.1.1 교량 바닥판의 종류 14
• 2.1.2 교량 바닥판의 노후영향 인자 20
• 2.1.3 교량 바닥판 열화현상 29
• 2.1.4 교량 바닥판 노후도 정량화 45
• 2.2 교량 공용수명 평가와 바닥판 보수 및 보강 방안 63
• 2.2.1 교량 설계공용수명 및 실제 공용수명 63
• 2.2.2 교량 바닥판 성능보강 방안 66
• 2.3 교량 바닥판 열화모델과 유지관리 71
• 2.3.1 교량 바닥판 열화모델의 성상 71
• 2.3.2 교량 바닥판 유지관리 조치방안 79
• 제 3 장 교량 바닥판의 노후화에 따른 열화모델 88
• 3.1 교량 바닥판 상태등급 데이터베이스 88
• 3.2 교량 바닥판 열화모델 구축방안 91
• 3.2.1 교량 구조물 성능지수 개념구축 91
• 3.2.2 교량 바닥판 열화모델 추세식 93
• 3.3 교량 바닥판 노후도 영향인자 및 분석방향 96
• 3.3.1. 교량 바닥판 노후도 영향인자 96
• 3.3.2 상태등급변화 영향도 평가의 열화모델 구현방식 101
• 3.3.3 바닥판 상태등급 평가에 있어서의 결정계수() 107
• 3.3.4 공용기간별 바닥판 상태등급 자료 배제기준 111
• 3.4 교량 바닥판 유지관리규모 평가방향 115
• 3.4.1 국내 도로교량 형식별 분포도 및 유지관리 규모 115
• 3.4.2 교량바닥판 성능보강주기 및 규모 산출 방법 118
• 3.5 교량 바닥판 열화모델 개념 고찰 121
• 제 4 장 교량 바닥판 열화모델 구축 123
• 4.1 열화모델 구축 체계 123
• 4.2 교량 바닥판 열화모델 구축 126
• 4.2.1 열화모델 대표식 구축 체계 126
• 4.2.2 전체 교량에 대한 열화모델 구축 127
• 4.2.3 열화요인별 교량 바닥판 열화모델 구축 129
• 4.2.4 열화요인에 따른 교량 바닥판 열화모델 구축결과 분석 161
• 4.3 교량바닥판의 부분별 세분화 열화모델 구축 166
• 4.3.1 부분별 세분화 열화모델 구축 166
• 4.3.2 세분화 열화모델 구축 결과 분석 176
• 4.4 교량 바닥판 표준 열화모델 제안 178
• 4.4.1 국내 고속도로 교량 바닥판 교체 및 보강이력 178
• 4.4.2 고속도로 교량 바닥판의 교체 및 보강 주기 180
• 4.4.3 교면개량 및 교면재포장시 상태등급 제안 183
• 4.4.4 교량 바닥판 표준 열화모델 대표식 185
• 4.5 교량 바닥판 열화모델 구축결과 고찰 189
• 제 5 장 교량 바닥판 성능보강 수요예측 191
• 5.1 교량 바닥판 성능보강 주기결정 영향계수 191
• 5.1.1 복수 열화인자를 고려한 교량 바닥판 영향계수 192
• 5.1.2 열화인자 영향계수의 열화모델 대표식 적용 198
• 5.2 국내 교량 바닥판 성능보강 비용 및 수요 201
• 5.2.1 교량 바닥판의 보수 비용 201
• 5.2.2 교량 바닥판 성능보강 방식과 물량분포 208
• 5.3 교량 바닥판 성능보강비용 산출 212
• 5.3.1 교량 바닥판 성능보강비용 산출 절차 212
• 5.3.2 교량 바닥판 성능보강비용 산출 프로그램 217
• 5.4 교량 바닥판 성능보강 수요예측 220
• 5.4.1 교량 바닥판의 성능보강 수요 220
• 5.4.2 지역본부별 교량 바닥판 보강수요 222
• 5.4.3 노선별 교량 바닥판 성능보강수요 226
• 5.4.4 상부구조 형식별 연도별 성능보강 수요예측 227
• 5.5 교량 바닥판 성능보강 수요예측 결과 고찰 229
• 제 6 장 결 론 231
• [참고 문헌] 233

참고문헌 (Reference)

1 서진원, 이지영, 이일용, "“교량 바닥판 노후도 평가기법 연구”", 한국도로공사 도로연구소, 1998

2 정승현, 홍태훈, "“Service Life Estimation of Concrete Bridge Decks”", KSCE Journal of Civil Engineering Vol.10, No.4, pp.233-241, 2006

3 김성운, "“프리캐스트 교량 바닥판 개발 및 실용화”", 대우건설, 2000

4 오광진, 이준구, "“일반국도상 교량 바닥판의 상태 현황분석 연구”", 한국구 조물 진단유지관리 공학회 논문집 제16권, 제6호, pp.93-101, 2012

5 오광진, "“시설물의 보수․보강 방법 및 수준결정에 관한 연구”", 한국시설 안전공단, 2011

6 안영기, 이채규, 이진완, "“철근콘크리트 슬래브교의 노후화 예측모델에 관 한 연구”", 구조물진단학회논문집 Vol.7 No.3, 2003

7 권지혜, "“인프라성능 지속관리체계 시범사업 및 시스템 구축 기획 연구”", 한국시설안전공단, 2014

8 홍태훈, "“콘크리트 교량상판의 효과적인 유지관리를 위한 의사결정 시스 템 모델링”", 대한토목학회, 2005