건설 Brief 2014년 11월호

안전관리란, 국민의 생활과 밀접한 관련이 있는 구조물의 안전 확보를 통하여 국민의 생명과 재산을 보호하는 것으로, 구조물이 고층화 및 대형화되는 추세와 사회가 복잡해짐에 따른 인적 재해 증가, 이상기후 등에 따라 중요성이 강조되고 있다. 1990년대에 들어 성수대교 붕괴(’94. 10), 서울 아현동 가스폭발(’94. 12), 대구지하철 가스폭발(’95. 4), 삼풍백화점 붕괴(’95. 6) 등의 사고로 말미암아 안전에 대한 국민들의 관심이 급격히 증가하였으며, 특히 최근에 발생한 경주 리조트 붕괴사고(’14. 2), 영천 저수지 붕괴 사고(’14. 8) 등 건축물 및 대형 구조물의 안전을 위한 유지관리와 기술개발 연구에 대한 요구가 급격히 증대되고 있다. 이러한 안전 관련 분야의 불안감 해소를 위해 정부는 안전분야 예산을 당초 12조 4,000억원 규모에서 내년에는 14조원 규모로 증액시키기로 한 바 있다(기획재정부, 2014). 다시 말하면, 대형화, 다양화, 돌발화되어 가는 재해와 재난으로부터 구조물을 안전하게 관리하기 위해 IT기술과 융합을 시도하여 관련 분야에 대한 다양한 연구가 2000년대 이후 진행되고 있으며, 이중 일부 기술 개요 및 연구 동향을 제시하면 다음과 같다(문학룡 외, 2014). 우리가 정기적으로 받는 건강진단은 질병을 조기에 발견하여 건강한 삶을 계속 영위하기 위함이다. 정확도가 나날이 발전하고 있는 각종 첨단 센서를 활용한 구조물 진단 및 안전도 평가기술의 적용 목적 또한 건강진단의 경우와 다를 바 없다고 할 수 있다. 과거 국토개발 및 건설투자로 기인된 국가 주요 사회기반시설은 노후화되기 마련이고 생애 주기상 필연적으로 안전관리 및 유지관리를 요구하게 된다. 기존 시설물의 노후화를 억제함으로써 기능적, 사회적 수명을 연장하거나 성능 개선을 통해 경제적 가치를 상승시킴으로써 새로운 기능과 부가가치를 창출할 수 있다. 관련 분야의 기술 선진국의 경우 이미 오래전부터 경제적 및 사회적 비용을 고려하여 신설 공사보다는 기존 시설물의 유지관리와 안전성 향상에 더 큰 비중을 두고 예산을 투자하고 있음을 고려해 볼 필요가 있는 시점이다. 최근 잇따라 발생한 대형 재난사고 소식에 그 어느 때보다 안전에 대한 중요성이 부각되고 있으며, 이와 더불어 시설물의 안전관리에 대한 국민적 관심도 커지고 있다. 국내 사회기반시설물은 그 수가 지난 수십 년간 급속히 증가하여 포화상태에 이르렀으며 이미 많은 부분에서 노후화가 진행되고 있어 제대로 된 안전관리가 절실하다. 국내 시설물 안전관리는 시설물 안전관리에 관한 특별법(이하 시특법)에서 정한 기준에 의해 점검과 진단이 이루어지고 있다. 그중 정밀점검과 정밀안전진단 시에 이루어지는 외관조사는 중요한 검사 항목중 하나이지만 아직까지 대부분 사람의 육안에 의존하여 수행되고 있는 것이 현실이다. 육안에 의한 조사는 점검자 주관에 의존하기 때문에 손상의 누락이나 오류의 발생 여지가 크며 정밀성과 객관성이 결여될 수 있다. 따라서 일본, 유럽 등의 선진국에서는 오래전부터 첨단 장비를 이용한 외관조사를 도입하여 널리 시행하고 있다. 1990년대에 발생한 성수대교나 삼풍백화점 붕괴 사고는 시설물 관리 및 사고 예방 미흡에서 발생한 대표적인 사례라고 해도 과언이 아니다. 사고 발생 이후 정부는 시설물 안전관리에 관한 특별법을 제정하여 시설물 안전관리 법체계를 보완하였다. 또한 부실 징후가 있는 시설물에 대한 점검 및 보강공사를 실시하였다. 하지만 최근 발생한 세월호 사건을 비롯하여 도심 곳곳에 발생하는 도로 침하 현상 등을 보면 불안한 마음과 함께 근본적인 대책이 필요하다는 생각이 절실하다. 통계자료에 의하면 국내 SOC 시설물은 1970년대부터 경제성장과 함께 급증하여 교량, 댐, 상하수도 등 상당수가 건설 후 30년 이상 경과함으로써 고령화 시기에 접어 들고 있다. 이에 정부는 자연재해 대응과 노후화 시설물의 붕괴위험 최소화를 위한 정책을 강구하고 있으며, 산학연을 중심으로 구조물의 안전성 확보를 위한 연구가 활발히 수행되고 있다(문학룡 등, 2014). SOC 시설물은 각기 일정의 목표 수명을 두고 설계되고 있으나 자연적 및 인공적 사용 환경의 변화, 시공 및 공용기간에 발생할 수 있는 자연 재해와 같은 위험요인의 제거는 현실적으로 불가능하다. 과거의 각종 센서를 활용한 진단기술은 구조물에 손상이 발생된 후 계측 당시의 구조물 상태를 파악하고자 사용되었다고 한다면, 현재의 진단기술은 정확한 예측이 불가능한 위험요인을 조기에 검지하여 재난을 극소화하는 기술이라 할 수 있다. 구조물 건전성 평가기술(Structural Health Monitoring; 이하 SHM)이 이와 같은 기술 중의 하나로서 구조물 시공단계에서부터 유지관리 단계까지 발생할 수 있는 사고나 비정상적인 거동, 손상, 열화 등을 감지해 낼 수 있는 기술이다. 신소재와 무선 통신기술을 활용한 첨단 센서를 활용함으로써 측정 정밀도는 비약적으로 증가하고 있다. 이와 함께 데이터 처리 및 분석 기술과 같은 소프트웨어 분야의 발전으로 SOC 시설물의 상태평가 및 안전관리는 물론 열화 메커니즘 진단, 이상 거동에 대한 원인과 이력 추적, 유지관리 및 보수/보강 업무의 효율화, 안전관리 기능 강화, 위급상황 관리 등이 가능하게 되었다. SHM 분야에서 가장 활발한 연구가 진행되고 있는 미국의 경우를 예로 들면, IABMAS, ASCE Dynamic Committee, ISHMII, SPIE 등의 학회를 중심으로 BSHM(Bridge Structural Health Monitoring)에 대한 위원회 및 세션 구성 등의 활동을 통하여 논문 및 데이터 공유, 다양한 정보의 지속적인 교류가 진행되고 있다. 주요 기술분야로는 이미지 프로세싱 기술, 통계적 기법을 이용한 패턴인식 기반 SHM, SHM 기법을 이용한 구조물 신뢰성 평가 등이 있다. 이중 통계적 기법을 이용한 패턴 인식 기반 SHM 기술의 경우 구조물에 부착된 센서로부터 도출되는 다양한 정적 및 동적 데이터에 대한 분석을 통해 시설물에 발생할 수 있는 구조거동에 대한 패턴을 분류할 수 있다. 장기적인 유지관리 시 구조물 모니터링 시스템에는 방대한 분량의 데이터가 축적되어 실제 구조물의 거동을 정확히 분석, 평가하는 것이 쉽지 않지만, 패턴 인식 및 분류 기술을 통해 소수의 센서로도 신뢰성 높은 구조물 상태평가 및 구조 거동 예측이 가능하게 된다. 현재까지 다양한 교량들이 개발되어 사용되고 있지만 가장 널리 사용되는 교량은 콘크리트 교량이며, 그중에서 프리스트레스트(prestressed concrete, 이하 PSC) 교량이 가장 큰 비율을 차지하고 있다. 2011년 기준 국내 전체 교량 중 PSC 교량의 비중은 38% 정도이며, 계속해서 그 비중이 늘어나고 있다. 외국의 경우에도 전체 교량 중 PSC 교량의 비중이 일본 40%, 미국 48% 독일 37%, 영국 28% 등을 차지하고 있다. PSC 구조는 콘크리트 구조에 텐던이라는 긴장재를 이용하여 압축력을 부가함으로써 콘크리트 구조물의 성능을 크게 향상시킬 수 있으며, 이를 통해 철근 콘크리트 구조물이 구현할 수 없는 고품질의 장지간 구조물을 가능케 함으로써 콘크리트 구조물에 혁신을 가져온 기술이다. 하지만 텐던에 과도한 하중이 부과되거나 그라우트 공극 영향에 의한 부식 등이 발생할 경우 전체 교량의 붕괴를 유발하므로 이를 시공 단계부터 구조물의 수명이 끝날 때까지 적절한 관찰과 유지관리가 필요하다.