강교량의 기획단계에서의 환경부하 평가 및 영향요인에 관한 연구

1. 서 론

현재 전세계적으로 환경오염에 대한 관심은 증가하는 추세이고 많은 국가에서 환경오염을 줄이려는 노력을 꾸준히 하고 있다. SOC 시설물은 다양한 종류의 자재를 사용하며 복잡한 공정과정을 거치기 때문에 환경에 많은 영향을 미치지만 아직까지는 환경오염에 대한 대책 및 그에 따른 연구가 부족한 것으로 판단된다.

국외에서는 SOC 시설물의 특성을 고려한 기획 및 설계 초기단계, 유지관리 단계에서 설계 대안에 대한 환경부하량 및 환경경제성을 평가하고 환경부하를 최소화할 수 있는 의사 결정 도구에 관한 연구가 많이 진행하고 있다^{[1],[2],[3],[4],[5]}. 그러나 국내에서는 현재 이러한 의사 결정 도구가 마련되지 않았기 때문에 SOC 시설물의 환경 성능지표 개발에 관한 연구와 SOC 시설물 관련 LCI DB(Life Cycle Inventory Database) 구축 지원 기술 개발이 필요한 실정이다.

기존의 국내 연구 동향을 보면, 강교량의 적정공사비에 관한 연구^[6]는 있으나 강교량의 환경부하에 관한 연구는 극히 적었다. Jung et al.(2010)^[7]의 연구에서는 교량의 폐기 및 재활용 단계를 고려한 환경적합성평가를 실시하였다. Kim et al.(2011)^[8]의 연구에서는 1개의 대상교량을 선정하여 강교량 구조물의 대표적인 전과정평가 방법인 직접조사법과 간접추계법을 사용하여 자재 생산 공정, 유류 사용 공정, 운반 공정에 대해 환경영향을 CO₂환산 배출량으로 나타내었다. 또한 Jeon et al.(2014)^[9]의 연구에서는 교량구조, 교량형식, 시공유형, 작업형태, 일일 작업 단위 등 총 6단계로 구분하는 W.B.S(Work Breakdown Structure)를 바탕으로 구분하여 주요 투입자재 및 물량을 산출하고, 이처럼 구성된 W.B.S 중에 시공유형 중 강거더 상부공의 제작에 대한 CO₂배출량을 분석하였다.

이러한 국내 기존 연구와는 차별성을 두기 위하여 이 연구에서의 연구 범위는 다수의 강박스교량을 대상으로 하였으며, 강교량의 환경부하에 관한 기본 LCI DB를 구축하는 것과 강교량의 기획단계에서의 환경부하 평가에 초점을 두었다. 그리고 국도건설공사 설계실무요령^[10]의 강교량 수량내역서 공종을 사용하여 표준공종 분류체계를 정립하였으며, 자원고갈(Abiotic Depletion Potential, ADP), 산성화(Acidification Potential, AP), 부영양화(Eutrophication Potential, EP), 지구온난화(Global Warming Potential, GWP), 오존층파괴(Ozone Depletion Potential, ODP), 광화학산화물생성(Photochemical Ozone Creation Potential, POCP), 생태계독성(Terrestric Ecotoxicity Potential, TETP), 인간독성(Human Toxicity Potential, HTP)의 8가지 항목^[11]으로 환경부하량 값을 Eco-point로 산정하였다. 이러한 것을 기반으로 이 연구에서는 SOC 시설물 중 강교량에 대해 기획단계에서의 전과정평가를 실시하여 환경부하량을 산출하고 이를 바탕으로 강교량의 환경부하에 관한 기본 LCI DB를 구축하고자 한다.

2. 표준 공종 체계 정립

2.1 Level 4 단계의 표준공종체계 정립

이 연구에서는 2000년 이후 설계된 100개 강교량에 대해 각 교량의 경간수, 경간구성, 최대경간장, 연장, 폭원, 상부면적, 사업구간 등을 조사하여 대상교량에 대한 기본 데이터를 구축하였다. Table 1은 100개의 강교량 기본 데이터에 대한 일례를 나타내었다. 100개의 강교량에 대한 기본 데이터를 바탕으로 각 강교량별 환경부하량을 산출하기에 앞서서 국도건설공사 설계실무요령을 참고하여 Level 4 단계의 표준공종분류체계를 정립하였다. Level 1단계는 구조물인 강교량, Level 2단계는 공종, Level 3단계는 세부공종 그리고 Level 4단계는 규격으로 정립하였다. Table 2에 강교량별 표준공종분류체계의 일례를 나타내었다.

이 연구에서는 100개의 대상 강교량의 내역서를 확인하기 위하여 EBS 프로그램(Event Breakdown System for Construction Program)을 사용하였다. 각 강교량별 환경부하량을 산정하기 위하여 EBS 프로그램에서 100개의 강교량을 대상으로 소요 자원 산출 내역과 각 교량의 제원 및 개요를 분석하였다. 또한 대상 교량의 환경부하량 산정을 위하여 강교량 내역서상의 소요자재, 장비 및 투입자원 비용을 산출하였고, 자재, 장비, 계약단가/경비 사용 내역을 Level 4 단계의 표준공종 분류체계에 맞추어 각 교량별로 정리하였다. 여기서 계약단가/경비 사용 내역이란 EBS 프로그램 내역서 상에서 자재와 장비의 내용 중 금액은 존재하지만 불명확한 금액에 대한 내용을 나타내기 위하여 명시하였다.

3. 강교량 기획단계에서의 환경부하량 분석

3.1 가용가능한 DB의 환경부하량 값

연구에서는 환경부하량 산정에 가용가능한 국내 DB 및 해외 LCI DB 중 34가지를 사용하였다. 각 LCI DB별 기본단위 당 자원고갈, 산성화, 부영양화, 지구온난화, 오존층파괴, 광화학산화물생성, 생태계독성, 인간독성의 8가지 항목의 환경부하량 값은 Table 3과 같다.

환경부하량 산정 값으로는 특성화 값과 가중화 값이 있으나, 이 연구에서는 각 LCI DB별로 환경부하량 값의 단위를 Eco-point로 맞추어 상대적 비교가 쉽도록 가중화 값을 사용하였다.

3.2 각 교량별 환경부하량 산정

연구에서 정립한 Level 4 단계의 표준공종분류체계에 EBS 프로그램의 내역서를 바탕으로 각 교량별 자재, 장비, 계약단가/경비 사용 내역을 정리하였다. 이를 토대로 자재 내역과 가용가능한 34개의 LCI DB를 연결시켜 각 교량별로 자재 수량과 LCI DB에서의 기본단위당의 환경부하량 가중화 값을 곱하여 LCI DB의 금액순위 및 환경부하량의 순위를 나타내었다.

Table 4에 1개 교량에 대한 환경부하량 값을 분석한 사례를 나타내었는데, 가장 많은 비율을 차지하는 것은 후판, 철근, 레미콘, 경유, 형강 등의 순으로 나타났다. 금액순위와 환경부하량 순위는 거의 유사하지만 몇몇 LCI DB에 대해서는 순위가 크게 변화하는 것도 나타났다. 그러나 100개의 대상교량 전체적으로는 대체로 유사한 순위가 나타났다. 이와 같은 방법으로 각 교량별로 환경부하량을 산정한 후, 100개 강교량별 전체 자원에 대한 환경영향 가중화 값을 비교하였다.

Fig. 1은 100개 강교량의 환경부하량을 비교한 그래프이다. Table 5에 100개의 강교량에서 각 자재를 LCI DB 34개와 연결시킨 후 34개 항목에 대한 금액별 비중의 평균을 나타내었다. 후판, 철근, 레미콘의 순으로 자재 금액별 비중이 큰 것을 알 수 있었으며 거의 대부분의 교량에서 후판의 금액 비중이 가장 큰 것으로 나타났다. 금액별 비중이 대체로 유사한 순위로 나타났지만 몇몇 교량에서는 철근, 레미콘, 형강이 1순위로 나타났다. 이것은 각 교량마다 내역서 상 정확한 자재 수량을 알 수 없는 경우가 있기 때문으로 판단되며, 이들 편차를 줄이기 위해서는 향후 상세설계단계의 연구에서 수량산출서 등에 대한 정밀한 분석이 필요할 것으로 판단된다.

Fig. 2에 100개 강교량에서 환경부하량 가중화 값인 자원고갈, 산성화, 부영양화, 지구온난화, 오존층파괴, 광화학산화물생성, 생태계독성, 인간독성의 8가지 항목의 평균과 표준편차 를 나타내었다. Fig. 2에서 알 수 있듯이 강교량의 환경부하량에서 자원고갈과 지구온난화의 Eco-point가 가장 크게 나타나며 그 외 6가지 항목은 Eco-point가 작게 나타나는 것을 알 수 있다.

3.3 DB별 환경부하량 평균과 표준편차

100개 강교량의 LCI DB별 환경부하량 평균과 표준편차를 조사하기 위하여 100개 교량의 환경부하량 값을 각 교량의 상부면적으로 나누어 단위면적당으로 계산하였다. LCI DB 별 평균을 계산하여 상위 10개 항목을 나타내었으며 평균과 표준편차는 Fig. 3과 같이 나타난다.

Fig. 3에 나타낸 것과 같이 후판, 레미콘, 도료_우레탄계, 선재, 철근, 경유, 시멘트, 합판, 형강, 스테인리스강 순으로 평균이 높은 것을 알 수 있다. 후판, 레미콘, 도료_우레탄계의 평균값은 다른 LCI DB에 비해 상당히 높게 나타났지만 표준편차 또한 크다는 것을 알 수 있다. 이는 교량의 제원 특성에 의한 영향으로 판단된다. 몇몇 교량의 경우 EBS 프로그램 내역서상에 정확한 자재가 기입되어 있지 않았기 때문이므로 향후 추가적인 자료조사가 더 필요할 것으로 판단된다. 그 외 상위 10개 항목에 속한 선재, 철근, 경유, 시멘트, 합판, 형강, 스테인리스강은 표준편차가 매우 적은 것을 알 수 있다. 이는 환경부하량을 산정한 100개 교량에서 거의 비슷한 비율을 갖는 것으로 볼 수 있으므로, 내역서 상 미기재 된 부분이 없는 것으로 판단된다.

4. 강교량 기획단계에서의 영향인자

4.1 영향인자 후보군 도출

구축된 강교량 100개의 기본 데이터를 토대로 상관성 분석을 실시할 영향인자 후보군을 도출하였다. 이것은 강교량 시공 시 환경부하는 소요되는 자재와 장비사용량에 따른 연료소모량을 기반으로 한다. 100개 대표사례의 환경부하량에 대한 영향인자는 기획단계에서 도출할 수 있는 순공사비, 재료비, 연장, 폭원, 경간구성, 가설위치, 차로수, 경간수, 상부면적 등을 후보군으로 선정하였다.

이 가운데 연구에서는 순공사비, 재료비, LCI DB연계된 자재금액의 금액적인 부분의 영향요인과 상부면적, 연장, 경간수, 폭원, 차로수의 강교량 기본 데이터에서 알 수 있는 영향요인으로 나누어 상관성 분석을 실시하였다.

4.2 상관성 분석

Fig. 4～11에 위에 기술한 8가지 영양인자를 각각 환경부하량과의 상관성 분석을 나타내었다.

Fig. 4와 같이 공사비와 환경부하량과의 상관성 분석을 실시한 결과 결정계수 R²의 값이 0.8895로 높은 상관성을 나타낸다. Fig. 5와 Fig. 6의 재료비와 LCI DB연계된 자재금액 또한 결정계수 R²의 값이 각각 0.8526, 0.8841로 높은 상관성을 나타낸다. 이를 통해 금액적 영향요인은 강교량의 환경부하량 산정값에 매우 큰 영향을 미친다는 결과를 얻을 수 있다.

강교량의 기본 데이터에서 알 수 있는 영향인자인 상부면적, 연장, 경간수와 환경부하량 사이의 상관성 분석을 실시하였다. Fig. 7, Fig. 8 및 Fig. 9에서 나타낸 것과 같이 결정계수 R²의 값은 각각 0.8669, 0.6946, 0.6465로 높은 상관성을 갖는 것을 알 수 있다. 그러나 Fig. 10 및 Fig. 11에 나타낸 폭원, 차로수와 환경부하량 값 사이의 상관성은 결정계수 R²의 값이 각각 0.1541, 0.1341로 낮은 상관성을 갖는 것으로 나타났다. 이로부터 공사비, 재료비, LCI DB연계된 자재금액, 상부면적, 연장, 경간수는 환경부하 산정에 있어 많은 영향을 미치지만 폭원, 차로수는 환경부하 산정에 영향이 적은 것을 알 수 있다.

4.3 영향인자별 상관/회귀분석

상관성 분석을 통하여 각각의 영향요인이 강교량의 환경부하량 산정 값에 보다 명확한 관계를 알고자 각각의 영향요인의 상관성 분석 결과(Fig. 4～9)에서 상세 상관성 분석을 실시하였다. Fig. 10～11의 폭원과 차로수는 결정계수의 값이 작고 환경부하 산정에 큰 영향이 없는 것으로 판단하여 상세 상관성분석을 실시하지 않았다.

Fig. 12에 이 연구에서 고려한 8가지 영향요인 중 공사비와 환경부하량 간의 상관성 분석을 실시한 후(Fig. 4의 경우) 얻어진 추세선 수식(y=1E-07x+59.465)의 x값에 100개 대상 강교량의 환경부하량 값을 입력하여 실측치와 예측치와의 상관/회귀분석을 실시하였다. x축과 y축은 모두 환경부하량의 값으로 단위는 Eco-Point를 갖는다.

Fig. 13～17도 같은 방법으로 재료비, LCI DB연계 자재금액, 상부면적, 연장, 경간수의 영향요인을 각각 상세 상관성 분석을 실시하였다.

상관성 분석에서 결정계수 R²의 값이 큰 공사비, 재료비, LCI DB연계 자재금액, 상부면적의 경우 Fig. 12～15에서 알 수 있듯이 각각의 값이 매우 선형적으로 나타낸다. 그러나 상관성 분석 결과 결정계수 R²의 값이 작은 연장, 경간수의 경우 Fig. 16～17에서 알 수 있듯이 각각의 값이 넓게 분포하는 것을 알 수 있다. 이는 결정계수 R²이 낮은 영향요인의 경우 환경부하량 산정 값에 있어 적은 영향을 미친다는 것을 보다 정확히 나타낸다.

5. 결 론

이 연구는 SOC 시설물 중 강교량의 기획단계에서의 전과정평가를 실시하여 환경부하량을 산출하고 이를 바탕으로 강교량의 환경부하에 관한 기본 LCI DB를 구축하고자 실시하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.

(1)강교량의 경우, 공장에서 제작되어 현장에 가설되기 때문에 강재 사용량과 환경부하량이 매우 밀접한 관계가 있을 것으로 판단되며, 이 연구에서는 자재 금액별 비중 분석을 통해 후판이 차지하는 비율이 가장 높다는 결과를 얻을 수 있었다.

(2)100개 교량에서 환경부하량 가중화 값인 자원고갈, 산성화, 부영양화, 지구온난화, 오존층파괴, 광화학산화물생성, 생태계독성, 인간독성의 8가지 항목의 평균과 표준편차의 계산 결과를 통해 자원고갈과 지구온난화의 영향이 가장 큰 것을 알 수 있었다.

(3)34가지의 LCI DB 중 후판, 레미콘, 도료_우레탄계, 선재, 철근, 경유, 시멘트, 합판, 형강, 스테인리스강 순으로 환경부하량에 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.

(4)환경부하량과 각 영향인자와의 상관성 분석을 실시한 결과, 공사비, 재료비, LCI DB연계된 자재금액, 상부면적은 환경부하 산정에 있어 많은 영향을 미치지만 연장, 경간수, 폭원, 차로수는 환경부하 산정에 영향이 적은 것으로 판단된다.

환경부하를 최소화할 수 있는 의사 결정 도구를 마련하는 것은 세계적인 추세에 맞추어 국내에서도 꼭 필요한 연구라고 생각되며 향후 더 많은 강교량의 LCI DB 분석을 통한 환경부하량 산출이 필요할 것으로 판단된다. 추후 연구에서는 대상 교량의 수를 더 늘려 CBR(Case Based Reasoning) 모델을 제작할 예정이다.

Acknowledgments

본 연구는 국토교통부 건설기술연구사업의 연구비지원(15SCIP-C085707-02)에 의해 수행되었습니다.

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