1. 서 론

도로 포장 표면의 평탄성은 차량의 운행 비용, 사용자의 승차감, 그리고 주행 안전에 직접적인 영향을 미치는 핵심적인 품질 요소이다(MODOT, 2024). 도로 평탄성 측정 방법은 단순한 직선자부터 표장면을 따라 실제 높이 변화를 측정하는 레이저 센서가 장착된 관성 프로파일러까지 다양한 장비가 있다. 국내에서 아스팔트 포장 시공 후 평탄성 평가는 7.6 m 프로파일러 장비를 통해 측정하는 PrI(Profile Index)가 일반적으로 사용되어 왔다. 그런데, 기술의 발전과 국제적인 표준화 추세에 따라 미국 등에서는 실제 차량의 동적 반응을 모사하여 사용자 승차감을 더욱 정확하게 반영할 수 있는 IRI(International Roughness Index) 방법으로 전환되고 있다. 이에 따라 본 연구에서는 PrI와 IRI의 특성을 조사하고, 아스팔트 포장 평가에 IRI를 적용하는 방안에 대하여 살펴보았다.

2. 도로 평탄성 측정 방법

2.1 PrI(Profile Index)

국내에서 도로 공사 시공 후 표층의 평탄성은 일반적으로 KS F 2373에 따라 Fig. 1의 캘리포니아 프로파일미터(7.6 m)로 측정한 PrI를 적용하고 있다. PrI는 프로파일이 5 mm 밴드 상･하연선을 벗어난 요철 파형의 합이며, 일반적으로 150 m 간격으로 구한다.

Fig. 1.

Pavement smoothness measurement equipment (Gerardi et al., 2007)

적용 기준은 일반도로, 확장 및 시가지도로로 구분하고, 본선 토공부, 교량구간 등으로 나누어 마련되어 있다. 평탄성 기준은 일반도로 본선 토공부는 PrI = 100 mm/km 이하, 교량접속부를 포함한 교량구간은 PrI = 200 mm/km 이하이다. 그리고 확장 및 시가지 도로의 본선은 PrI = 160 mm/km 이하로 하고, 교량구간, 인터체인지 및 램프구간은 PrI = 240 mm/km 이하이다(MOLIT, 2025). 이러한 PrI 방법은 요철의 변화를 기계적으로 측정하여 합한 값이며, 운전자의 승차감과는 상관성이 낮다. 그리고 인력으로 견인하여 측정하므로 측정속도가 4km/h 이하로 낮으며, 현장 시험시 재현성이 낮고, 장비가 길고, 무거워 신속하게 시험하기 어려운 단점이 있다. 또한, 도로를 통제하고 측정하여야 하므로 시공 후 PMS 등을 위한 정기적인 평탄성 측정에 적용하기 어렵다.

2.2 IRI(International Roughness Index)

IRI는 1980년대 개발 이후 운전자가 체감하는 승차감과 직접적으로 연관성이 입증되어 포장 평탄도를 나타내는 대표적인 방법으로 적용되고 있다. IRI를 평가하기 위한 규정은 관성 프로파일러 장비 규격(AASHTO M328), 관성 프로파일러 시스템 인증 절차(AASHTO R56), 관성 프로파일러 운영 표준(AASHTO R57), 종단 프로파일로부터 IRI 산출을 위한 표준 방법(ASTM E1926) 등이 있다. IRI는 주로 측정 차량 오른쪽 바퀴의 노면 프로파일 측정하고, 이를 250 mm로 이동평균하고, 쿼터카 시뮬레이션을 통해 80 km/h로 주행시 서스펜션 상부 수직 변위를 누적하여 구한다. 이를 위해 측정한 프로파일을 ProVAL(Profile Viewing and Analysis)과 같은 전문 소프트웨어를 통해 분석하여 IRI 값으로 산출한다(MODOT, 2024). 좌우 바퀴 IRI 값의 평균인 MRI(Mean Roughness Index)를 적용하는 경우도 있다. IRI의 측정 장비는 Fig. 1과 같은 보행형 프로파일러, 고속 관성 프로파일러, 저중량 관성 프로파일러 등이 있다.

Table 1과 같이 보행형 프로파일러는 SurPRO 3500과 같은 장비들이 있으며, 고속 프로파일러의 측정값을 검증하거나 기준 프로파일 설정 등을 위해 정밀하게 평탄성을 측정하는데 사용된다. 고속 관성 프로파일러는 차량에 탑재된 형태로, 실제 교통 흐름 속도(최대 100 km/h)로 주행하며 도로의 종단 프로파일을 측정한다. 최근에는 3D 센서 기반 프로파일러가 개발되어 차선 전체 폭에 대한 3차원 표면 데이터를 수집하여 평가한다.

일반적으로 차멀미 등 승차감에 영향을 주는 진동은 2~15 Hz로서 80 km 속도 주행시 파장이 1.5~11 m 범위에 해당한다. IRI는 PrI와 달리 실제 승차감과 차량의 거동에 큰 영향을 미치는 파장대(1.2 m~30 m)에 반응하므로 승차감과 관련된 평탄성을 평가할 수 있다(Chin and Olsen, 2015). 그리고 IRI는 특정 측정 장비의 결과물이 아니라 인증된 장비를 이용한 프로파일로부터 표준 알고리즘에 따라 계산되므로, 재현성이 높은 장점이 있다(Liu et al., 2015). 이에 따라 국내에서는 PMS 등 도로망 상태 평가에 주로 사용되며, 미국에서는 Fig. 2와 같이 39개주(78%)에서 IRI를 적용하고 있다(FHWA, 2016).

Fig. 2.

Smoothness specifications in U.S. (FHWA, 2016)

3. IRI 특징 및 기준 현황

3.1 IRI와 PrI의 상관성

IRI와 PrI는 평탄성 측정시 민감하게 반응하는 도로의 파장(Wavelength) 범위가 다르다. 7.6 m 프로파일미터는 이 길이의 배수가 되는 파장은 증폭시키고 장비보다 긴 파장은 제대로 측정하지 못하는 물리적 필터링 현상이 발생한다(Smith et al., 2002). 그리고 PrI는 5 mm 상･하연 밴드의 변위는 완전히 무시하지만, IRI는 이러한 무시하는 구간이 없으며, 쿼터카 모델을 기반으로 누적하여 산출하여 1.2 m에서 30 m 사이의 광범위한 파장에 민감하게 반응한다(Chin and Olsen, 2015). 또한, IRI는 단순한 요철의 높이뿐만 아니라 승차감과 관련있는 줄눈부와 같은 파형의 경사(Slope)에 민감성이 높다.

한국도로공사에서는 PrI와 IRI의 관계를 연구한 결과 Fig. 3과 같이 콘크리트 포장 보다 아스팔트 포장이 상관성이 높았고, 이를 회귀분석한 결과를 기반으로 Table 2와 같이 PrI 기준에 해당하는 IRI 범위를 제시하였다(Choi et al., 1992).

Fig. 3.

PrI and IRI Correlation (Choi et al., 1992)

3.2 해외 IRI 기준 현황

세계은행(World Bank)에서 제시하는 IRI 기준은 도로의 기능과 노후도에 따라 다음의 범위를 제시하였다 (Sayers, 1986).

∙ 0: 이론적으로 완벽하게 평탄한 상태

∙ 0.5~2.0 m/km: 공항 활주로 및 고속도로와 같은 매우 높은 평탄도 범위

∙ 1.5~3.0 m/km: 일반적으로 시공된 신설 포장 도로가 갖는 범위

∙ 2.5~5.75 m/km: 어느 정도 공용된 노후 포장 도로의 범위

∙ 4.0~10.0 m/km: 심하게 파손된 도로 또는 관리가 이루어지는 비포장 도로 범위

미국의 IRI 기준 범위는 주별로 다르며, 일반적으로 Pay Factor와 연계하여 적용한다. Table 3에서 미주리 교통국은 최고 속도 70 km/h 이하 도로는 IRI ≦ 2.11 m/km, 초과하는 도로는 IRI ≦ 1.27 m/km 이어야 하며, 해당 범위를 벗어날 경우 보수하여야 한다(Nemmers et al., 2006). 미네소타 교통국에서 일반적으로 허용하는 아스팔트 포장 IRI 범위는 0.81~1.03 m/km이었다(FHWA, 2016). Table 4의 기준에서 호주는 좌우 바퀴 IRI 값의 평균인 MRI 기준을 사용하며, 고속도로(Freeway) 1.6 km/km, 일반 고속도로 및 간선도로는 1.9 m/km이었다. 노르웨이는 도로 등급과 교통량에 따라 기준을 달리 적용하며, 폴란드는 보증기간 종료시의 IRI 값을 적용하고 있었다(Múčka, 2017).

3.3 IRI 측정값 변화 특성 및 승차감 만족도

Fig. 4는 포장 시공 초기 IRI(IRI₀)에 대한 시공 후 공용연수에 따른 IRI 변화량(∆IRI)의 상관관계를 평가한 것이다. 이에 따르면 상관성은 높지 않지만 초기 IRI가 클수록 IRI 변화량도 커지는 추세가 나타나 초기 IRI 관리가 중요한 것으로 평가되었다(Suh et al., 2017). 따라서, 현행과 같이 시공 직후 PrI를 측정하고, 유지관리 시에는 IRI를 측정시 초기 IRI를 알 수 없어 포장 평탄성의 문제가 발생시 원인 파악과 대응에 한계가 있을 것으로 파악되었다.

Fig. 4.

Relationship between △IRI and IRI0 (Suh et al., 2017)

Fig. 5는 MRI와 승차감 간의 상관성 분석을 위해 33명의 패널이 고속도로 35개 구간을 직접 주행하면서 각 구간의 승차감을 평가한 결과이다. 만족도는 고속도로 신설구간의 일반적인 기준인 MRI = 1.6 m/km일 경우 95.3%, 유지보수 기준인 MRI = 3.0 m/km일 경우 52.7%이었다(Lee et al., 2018).

Fig. 5.

Ride Quality Satisfaction according to Various MRI (Lee et al., 2018)

3.4 IRI 측정 장비 인증 및 교정 방법

IRI 측정 결과의 신뢰성을 확보하기 위해 IRI 장비는 다음의 방법으로 정기적으로 교정하여야 한다(MODOT, 2024).

블록 테스트 (Block Test): 변위 센서의 수직 측정 정확도를 검증하는 절차다. 평평한 기준판 위에 알려진 두께의 게이지 블록(예: 25 mm, 50 mm)을 놓고 센서가 측정한 값과 실제 블록 두께를 비교한다. 이때 허용 오차는 통상적으로 0.25 mm 이내이다.

바운스 테스트 (Bounce Test): 차량을 정차시킨 상태에서 위아래로 흔들어 인위적인 진동을 발생시키고, 이때 가속도계와 변위 센서가 측정한 데이터가 서로 동기화되어 상쇄되는지 확인한다. 이는 관성 기준 시스템이 정상적으로 작동하는지 검증하는 과정이다. 바운스 amplitude는 1%보다 작아야 한다.

종단 주행 검증 (Longitudinal Verification): 사전에 정밀하게 측량된 테스트 트렉을 반복적으로 주행하여 측정 거리와 IRI 측정 결과의 정확성과 반복성을 검증한다. 미네소타 교통국의 경우 IRI 기준값의 ± 5%이고, 변동계수가 3% 이하이어야 한다.

장비 교정을 위한 테스트 트랙은 6% 이상의 급경사 구간 또는 0.15 g를 초과하는 횡방향 가속도가 발생하는 급커브 구간이 없어야 하며, 포장면에 이물질이 없어야 한다. 또한 검증 시험 시에는 측정 장비가 레이저 변위센서를 사용하므로 건조한 상태에서 조사하고, 일정한 속도를 유지하여 급격한 가감속을 최소화하여야 한다. 그리고 측정 후에 ProVAL 등을 이용해 프로파일 그래프를 시각적으로 검토하여 비정상적인 스파이크나 데이터 누락이 없는지 확인하여야 한다(MODOT, 2024).

4. IRI 기준의 국내 적용 방안 고찰

포장의 초기 평탄성이 우수할수록 도로의 서비스 수명을 연장하여 장기적인 유지보수 비용을 낮출 수 있다. 또한, 차량 연료소비량이 줄어들어 온실가스 배출을 낮춘다. 이에 따라 초기 평탄성 관리를 현행 PrI에서 승차감과 밀접한 관련이 있는 IRI 방법으로 변경하는 것은 운전자 편의성과 경제성을 증진하기 위해 필요하다. 그리고 포장 준공시 초기 평탄성 측정 결과(IRI₀)를 축적하는 유지관리를 더욱 용이하게 할 수 있다. 따라서 국토교통부의 ｢도로공사 표준시방서｣나 ｢아스팔트 콘크리트 포장 시공 지침｣ 등의 품질관리 기준을 PrI를 IRI로 변경하기 위한 세부적인 연구와 기준마련이 필요하다.

이를 위해서는 IRI 측정 및 분석 방법과 품질기준, 측정 장비 인증 및 교정 기준, 측정 인력 교육 제도 등이 다음과 같은 사항을 고려하여 체계적으로 마련되어야 한다.

아스팔트 포장 시공 후 평탄성 평가시 국내 PrI 기준은 일반도로/확장 및 시가지도로, 토공부/교량부 등으로 분류하여 기준이 마련되어 있다. 그런데 해외 IRI 기준은 도로의 종류, 도로 제한 속도, 교통량 등에 따라 국가별로 서로 다른 기준을 적용하고 있다. 따라서 이를 보다 세밀히 검토하고, 현장 검증하여 한국에 적합한 IRI 기준 마련이 필요하다. 그리고 IRI 측정위치, 분석 간격, MRI 적용 등의 측정 및 분석 방법과 시험결과의 보고 양식, 전자파일 제출 여부 등 제출 방법의 정립도 필요하다. 그리고 측정 결과에 대한 분쟁이 발생시 공인 기관이 재시험하는 절차도 있어야 한다.

IRI 측정 결과의 신뢰성을 확보하기 위해서는 다양한 IRI 측정장비의 인증과 교정을 위한 표준을 마련하고 운영 기관을 선정하여야 한다. 그리고 시험 인력에 대하여 IRI 측정 방법 및 데이터 분석을 위한 ProVAL과 같은 전문 소프트웨어 사용 등을 위한 교육 제도가 있어야 한다. 특히, 전면 도입전에 시범 사업을 수행하여 새로운 기준의 현장 적용성을 검토하고, 발생 가능한 문제점을 사전에 파악하여 개선하여야 한다.

5. 결 론

아스팔트 포장의 평탄성 측정방법인 PrI와 IRI 측정 방법에 대하여 조사 및 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1. PrI는 기계적 측정에 기반하므로 시험자 및 장비 의존도가 높고, 실제 승차감과의 연관성이 부족한 한계를 가지고 있다.

2. 도로 포장 시공 품질관리와 유지관리의 연속성 유지와 운전자의 편의성을 높이기 위해 아스팔트 포장 시공시 품질관리 기준을 현행 PrI에서 승차감과 상관성이 높은 IRI로 평탄성 측정방법을 변경하는 것이 적합한 것으로 평가되었다.

3. IRI를 국내에 적용하기 위해서는 한국 특성에 적합한 IRI 측정 및 분석 방법과 품질기준, 측정 장비 인증 및 교정 기준, 측정 인력 교육 제도 등이 마련되어야 한다.

4. IRI 기준을 국내에 도입할 경우 도로 유지관리시 도로 포장의 노후도 예측 모델의 정확도를 높여 효율적인 유지보수 계획 수립과 예산 배분을 최적화할 수 있을 것으로 판단한다.