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• 강우레이더를 활용한 돌발홍수 예측 강우레이더를 활용한 돌발홍수 예측 ▲ 윤정수 KICT 수자원하천연구본부 수석연구원 들어가며 제1차 세계대전은 전차, 비행기, 잠수함, 기관총, 화학탄 등 현대 무기의 실험장이 된 전쟁이었다. 그래서 제1차 세계대전은 근대의 문을 닫고 현대의 문을 연 전쟁이라고 평하기도 한다. 하지만 당시 지휘관들의 전술과 전략은 여전히 근대 시절 수준이었고, 이로 인해 지휘관들은 당시 쏟아져 나온 현대 무기들의 운용에 미숙할 수밖에 없었다. 이러한 현대 무기가 본격적으로 활용되기 시작한 것은 제2차 세계대전의 전격전 전술이 도입되면서부터였다. 전격전은 현대 무기의 빠른 기동성을 활용하여 적의 방어선을 빠르게 돌파하고 이로써 순간 적들을 혼란에 빠트려 무너지게 하는 전술로 당시 무기 특성을 제대로 이해하고 활용한 전술 교리였다. 나치 독일은 이러한 전격전을 십분 활용하여 영·프 연합군을 빠르게 격퇴하였고 영국과 소련을 제외한 유럽을 차지하게 된다. 빠른 속도로 전 유럽을 차지한 나치 독일은 유럽에서 홀로 남은 영국도 쉽게 차지할 수 있을 것으로 기대했지만 영국은 나치 독일의 공격을 막아낸다. 이 당시 영국이 독일의 공격을 막아낸 결정적 무기가 바로 레이더였다. 영국은 동남부 해안 지역에 레이더망을 구축하고 독일의 전투기와 폭격기를 미리 관측하여 방어에 성공하였다. 이와 같이 레이더는 원거리에 위치한 물체를 미리 관측하고 대비할 수 있는 최적의 장비였고 이러한 특성으로 제2차 세계대전 이후 악기상 및 돌발강우 관측의 목적으로 활용하게 되었다. 강우/기상레이더 정확도 문제 레이더는 원거리에서 시공간적으로 조밀한 강우 관측이 가능하다는 점에서 수문기상 분야에서의 활용성이 매우 높을 것이라 기대되어 왔었다. 그럼에도 변환된 강우 강도의 정확도에 대한 의구심으로 그 활용성이 저조하였다. 대기 수상체에 대한 레이더의 관측 과정에서는 많은 정보가 손실되고 예측이 가능하거나 불가능한 오차가 발생하기 때문에 레이더 관측 자료에는 다양한 오차들이 나타나고 있다 (Krajewski and Smith, 2002). 그리고 강우/기상레이더와 관련한 다양한 분야의 전문가들은 이러한 오차들을 분야에 따라 다른 시각으로 내다봤다. 전기통신 분야에서는 주로 레이더 하드웨어 검·보정에서 나타나는 오차나 신호처리 과정에서의 오차를 주요 오차들로 바라보고 있다 (Atlas, 2002). 이에 비해 기상 분야에서는 호우의 종류에 따른 강우 크기 입자 분포의 변동성과 레이더 강수 추정 알고리즘의 매개변수 등을 주요 오차 원인으로 바라보고 있다 (Gosset et al., 2010). 이러한 전기통신 및 기상 분야에서의 오차 원인을 파악하고 제거하였다 할지라도 레이더 강우를 수문분석에 활용하는 수문 전문가들에게는 여전히 레이더 강우에 오차가 존재한다는 문제점을 제기하여 왔다 (Seoand Krajewski, 2011). 레이더 강우에 오차가 존재한다는 문제점은 국내에 2006년부터 도입되었던 기상레이더 (S밴드 단일편파레이더)에서도 마찬가지로 나타나고 있었다. 특히 국내 기상레이더는 앞서 설명한 바와 같이 그 레이더 강우의 편의가 심각하게 나타나 레이더 강우는 우량계 강우에 비해 정량적으로 매우 과소하게 나타나고 있었다. 이러한 레이더 강우의 과소한 문제점을 해결하기 위해 국내 기상학자들은 ZR 관계식 (R=AZb)의 매개변수 (A와 b)를 실시간으로 추정하는 방법들을 적용하여 왔다 (Suk et al., 2005). 이에 비해 지상에 떨어진 강우의 양을 중요시하게 여겼던 국내 수문학자들은 레이더 강우를 정량적으로 우량계 강우와 비슷하게 맞추는 통계적 방법들을 적용하였다. G/R비를 레이더 강우에 곱하는 방법 (Yoo et al., 2013), Co-Kriging (Krajewski, 1987) 및 SCM (Kim et al., 2008) 등이 대표적인 예이다. 국내 기상 및 수문학자들은 S밴드 이중편파레이더가 도입되면 이러한 레이더 강우의 오차가 제거될 것이라 생각하였다. 이에 국토교통부 한강홍수통제소에서 도입한 비슬산 레이더가 최초의 S밴드 이중편파레이더로 2009년에 도입된 이후 이중편파레이더가 도입되게 된다. 그러나 S밴드 이중 편파레이더에서 제공되는 3개의 편파 변수 (반사도, 차등반사도, 비차등위상차) 조합으로 추정된 레이더 강우의 정확도는 그림 1과 같이 여전히 많은 문제점을 나타내고 있었다. 단일편파레이더의 레이더 강우는 우량계 강우와의 상관성면에서 매우 높게 나타나고 있었지만, 이중편파레이더의 레이더 강우는 상관성도 낮게 나타나고 있었다. 이후 Yoon et al. (2016, 2021)의 연구에서는 반사도-차등반사도 관계와 반사도-비차등위상차 관계를 이용하여 반사도, 차등반사도, 비차등위상차를 동시에 조절하여 레이더 강수량의 품질을 향상시킨 경험적 방법을 제시하였다. 그림 2는 그림 1에서 적용된 강우 사례에 대해 경험적 방법을 적용한 후의 결과를 나타낸다. 그림 3은 비슬산 레이더로부터 관측된 363개의 강우 사례에 대한 3개의 편파변수 조절 전 (파란색 실선)과 조절 후 (붉은색 실선)의 정확도를 나타낸다. 그림에서와 같이 이중편파레이더의 레이더 강우는 편파 변수 조절 시 우량계 강우와 비교하여 정량적으로 100% 수준으로 가깝게 나타남을 확인할 수 있다. 또한 편파변수 조절 전에는 레이더 강우의 정확도 변동성이 크게 나타나는 반면 조절 후 정확도가 안정적으로 나타나고 있다. Yoon et al. 2(016, 2021) 연구에서 주목할 것은 반사도의 오차를 제거해야 레이더 강우의 정량적 정확도를 100% 수준으로 높일 수 있다는 점이었다. 심지어 반사도만을 이용하여 추정된 레이더 강우 역시도 반사도의 편의를 제거해주면 100% 수준의 정량적 정확도를 확보할 수 있었다. 이는 국내 강우/기상 레이더에서 제공되는 레이더 반사도에 큰 오차가 내재되어 있음을 의미한다. 국내 기상학자와 수문학자들은 그동안 레이더 강우 자체에 오차가 존재한다고 생각하여 ZR 관계식의 매개변수를 보정하고 정량적 통계적 기법을 활 용하여 왔다. 하지만 그 오차는 레이더 강우가 아닌 레이더 강우로 변환되기 전인 레이더 편파변수에서 기인해 왔던 것이었다. 레이더 자료를 활용한 돌발홍수예측 시스템 및 실증 시스템 개발 강우/기상 레이더는 원거리에서의 돌발 강우를 미리 관측하여 돌발홍수를 미리 대비할 수 있다. 또한 강우/기상 레이더는 시공간적으로 조밀한 강우 자료를 생산하고 있어 초단기 강우예측 자료를 생산하기 위한 입력자료로 활용되고 있다. 돌발홍수 예측 시스템은 이러한 시공간적으로 조밀한 초단기 예측 자료를 활용하여 전국 읍면동에 3단계 돌발홍수예측 정보 ( 주의/경계/심각)를 제공하기 위해 개발되었다. 현재 돌발홍수예측 시스템은 3시간까지의 읍면동 돌발홍수예측 정보를 웹상에서 제공하고 있다. 그림 4는 실시간으로 제공되는 돌발홍수예측 시스템의 웹페이지로 본 시스템은 사용자 편의를 위해 웹 기반으로 개발되었다. 웹페이지에서 왼쪽의 지도는 지역별 위험 수준을, 오른쪽은 예측시간대별 위험 수준을 나타낸다. 이와 더불어 위험 기준을 지속적으로 개선이 가능하도록 위험 예측 결과에 대한 통계 정보를 메타파일로도 제공하고 있다. 이 통계정보 파일을 이용하여 사후 분석을 통해 정확도 평가를 수행하고 이를 토대로 돌발홍수 위험 기준의 적정성을 평가할 수 있다. Hwang et al. ( 2020)의 연구에서는 2019년에 발생한 홍수 사고에 대한 돌발홍수예측 시스템의 정확도를 평가하였다. 돌발홍수예측 시스템의 정확도는 탐지 확률 ( Probability of Detection: POD)을 활용하여 검증하였다. 그 결과 총 31개 사상에 대해 돌발홍수예측 시스템의 예측 정확도는 POD 기준 90.3%로 나타났다. 최근 읍면동 내 홍수 취약 지역 ( 지하차도, 저지대, 지하철, 휴양지 계곡 등)에서의 인명 피해가 주기적으로 발생하고 있다. 돌발홍수예측 시스템은 전국 지역의 읍면동을 대상으로 돌발 홍수 정보를 제공하고 있으나 그 읍면동 내 홍수 취약 지역돌발홍수예측 정보의 정확도 검증이 미흡한 상황이다. 이에 돌발홍수예측 정보를 낙동강 유역에 적용하고 그 예측 정보의 정확도를 검증할 수 있는 시스템이 개발 진행 중에 있다. 본 시스템을 개발하기 위해 먼저 낙동강 유역 내 위치한 홍수 취약 지역을 도심지, 산지·계곡, 해안지역으로 구분하여 검토하고 홍수 취약 지역 테스트베드를 선정하였다. 돌발홍수 예보 실증을 위한 도심지 테스트베드는 도심지 3개 지역 (부산광역시, 울산광역시, 대구광역시), 산지·계곡 테스트베드로 2개 지역 ( 울산광역시, 지리산 국립공원), 해안지역 테스트 베드로 2개 지역 ( 창원시, 울진군)을 선정하였다 ( 그림 5). 돌발홍수예측 실증 시스템 (그림 6)은 낙동강 유역에서 선정된 테스트베드 지역에서의 관측정보 (강우, 수위, 침수,CCTV, 레이더)를 활용하여 돌발홍수예측 정보를 실증하는데 목적을 두고 있다. 본 시스템은 낙동강 유역에서의 관측정보와 돌발홍수예측 정보를 실시간으로 제공하고 있으며, 사용자가 과거 돌발홍수 이력을 검토하여 돌발홍수 기준을 검증 및 보정할 수 있다. 향후 보다 많은 돌발홍수 관측사례 실증을 통해 돌발홍수예측 정보의 정확도를 높이는 것이 본 실증 시스템의 최종 목표이다. 맺음말 레이더라는 관측기기가 처음 국내 수자원 분야에 도입되었을 당시 레이더는 매우 낯선 관측기기였다. 우량계는 강우량이라는 3차원 부피를 1차원 선적 개념 (mm 또는 cm)으로 관측하는 데 비해 레이더는 수신된 신호로부터 유도된 에너지 및 힘으로부터 다시 강우 강도 (mm/hr 또는 cm/hr)를 추정하여 제공한다. 이러한 관측 개념에서도 차이가 났지만, 더욱 큰 문제는 레이더 자료가 너무 크고 방대하여 처리 기술이 매우 까다롭고 어렵다는 점이었다. 그리고 이러한 점들과 함께 레이더 강우의 정확도 문제는 레이더 자료의 수자원 분야 활용성을저조하게 만드는 원인이었다. 그러나 레이더 강우의 정확도가 최근 많이 향상됨으로써 이제는 레이더를 어떻게 수자원 분야에 활용해야 할지 고민해야 할 상황이다. 이런 고민의 일환으로 돌발홍수예측 시스템 및 실증 시스템은 레이더 자료의 장점을 십분 활용한 시스템으로 앞으로 빠르고 정확한 돌발홍수 예측 정보를 제공하는 것이 목표이다. 최근 인공지능, 사물인터넷, 3D 프린팅 등 4차 산업기술들이쏟아져 나오고 있다. 현재 돌발홍수예측 시스템 및 실증 시스템에도 이러한 4차 산업기술을 활용하기 위한 연구가 진행 중이다. 하지만 1990년대에서 2000년대 초까지 개발도상국 시절의 교육을 받은 필자는 이러한 선진국 시대의 산업기술들을 어떻게 받아들여 활용해야 할지 고민이다. 서두에서 제1차 세계대전 당시 최신 무기들이 쏟아져 나와도 당시 지휘관들에게는 이를 활용할 수 있는 전술 교리가 없었던 것처럼 지금의 필자도 4차 산업기술들을 사용할 전술 교리(?)를 배워본 적은 없다. 현재의 우리가 4차 산업기술을 빠르게 습득하는 것도 중요하다. 하지만 필자는 제1차 세계대전 때 쏟아져 나온 현대 무기들의 특성을 십분 활용한 전격전과 같이 4차 산업기술을 건설 및 수자원 분야에 활용할 새로운 방법론도 같이 고민되어야 한다고 본다. 수자원하천연구본부 게시일2022-09-22 조회수 1085
• 하천 홍수예측의 시공간적 확장기술 개발 하천 홍수예측의 시공간적 확장기술 개발 ▲ 김수영 KICT 수자원하천연구본부 수석연구원 기후변화로 인한 홍수발생 가능성 및 위험도 증가 최근 기후변화에 따른 홍수 위험성의 증가는 다양한 연구를 통해 입증되고 있다. UN 산하의 기후변화에 관한 정부 간 협의체 (IPCC, Intergovernmental Panel on Climate Change)에서 발간한 IPCC 6차 평가보고서 (AR6, 2021.8.)의 ‘전 지구 미래 전망’에 따르면 21세기 말 (2081 ~2100년)의 전 지구 평균기온은 온실가스 배출 정도에 따라 현재 (2010~2019년) 대비 1.0~5.7도 상승할 것으로 전망하고있다. 또한, 현재 발생하고 있는 탄소배출량을 감축하여 지구온난화가 1.5도 이내로 유지된다고 할지라도 세계의 평균 해수면은 앞으로 2,000년 동안 2~3 m 상승할 것으로 내다봤으며, 현재의 탄소배출량을 감축하지 못하여 기온이 2도 상승할 경우에는 최대 6 m까지 해수면이 높아질 것으로 추정하고 있다. 기후변화로 인해 해수면 상승뿐만 아니라 전 지구 평균 강수량의 증가도 예상된다. 2020년 이상기후 보고서 (관계부처 합동, 2021. 1.)에 의하면 2100년까지 전 지구 평균 강수량은 5~12% 증가할 것으로 전망하고 있으나 기후변화로 인한 강우 패턴의변화로 인해 고위도와 저위도에서의 강우 편차가 크게 발생할 것이다. 고위도는 강우량이 증가하는 경향을 나타내며 아열대 지방에서는 오히려 강우량이 감소하여 가뭄 피해가 예상되기도 한다. 우리나라의 기후 또한 지속적으로 변화하고 있으며 2020년은 중부지방 기준으로 54일이라는 역대 최장 장마가 발생하였다. 또한, 장마철 전국 강수량도 693.4 mm로 역대 2위로 많은 값을 나타냈다. 이로 인한 피해도 급속하게 증가하였는데 긴 장마와 태풍으로 인해 1조 2585억 원에 달하는 재산 피해가 발생하였고, 이는 과거 10년 (2010~2019) 동안 발생한 평균 피해액의 3배가 넘는 규모였다. 홍수위험 사전 감지 및 맞춤형 홍수정보 제공 필요 하천 주변 또는 하천 고수부지를 통과하는 도로가 많고 하천의 친수공간을 이용하는 국민이 증가함에 따라 하천 주변의 홍수위험성을 사전에 감지하고 제공하는 사용자 맞춤형 홍수정보의 제공이 중요하다. 현재 하천의 예보 선행시간은 3시간으로 추산한다. 현행 홍수예측모형은 현재 강우 관측값을 입력값으로 하여 유역으로부터 유출된 물이 하천에 도달하여 유발되는 수위의 증가를 예측한다. 강우가 하천에 도달하는 시간이 평균 3시간 정도이므로 즉각적인 유출계산을 통해 3시간 후의 하천수위를 예측하는 프로세스이다. 이는 평균적인 값으로 상류의 산지 하천에서는 1시간 이내일 수도있으며 하류의 대하천에서는 3시간 이상일 수도 있다. 이러한 예보 선행시간을 현재의 3시간에서 6시간까지 확장하여 하천의 상·하류 모두에서 사전 홍수 피해에 대응할 수 있는 골든타임을 확보해야 한다. 공간적으로는 하천 내뿐만 아니라 하천 주변의 사회기반시설로 예측 범위를 확장하여 홍수로부터 발생하는 사회적인 피해까지 최소화할 필요가 있다. 하천 주변의 도로, 관공서, 발전 및 정수설비 등이 침수되면 시설물의 직접적인 피해뿐만 아니라 광범위한 사회적 피해도 발생하므로 침수예측의 공간적인 확장을 통해 피해를 최소화해야 한다. 이러한 홍수예측의 시공간적인 확장을 통한 홍수위험의 사전감지 능력 향상과 맞춤형 홍수정보서비스 제공을 통해 국가가 국민의 생명과 재산을 보호하여 안전한 사회를 달성하기 위한 기술적인 향상이 필요하다. 홍수예보의 시공간적 확장을 위한 고성능 수치해석 모형 개발 홍수대응골든타임확보연구단의 2세부 과제는 시공간적 상세 하천유역 홍수예측의 고성능(HPC) 수치모형 개발로서 크게 ‘현행 홍수예측 정확도 개선’과 ‘6시간 하천 홍수 골든타임 확보’ 연구로 분류될 수 있다. 현행 홍수예측 정확도를 개선하기 위한 연구로는 홍수특보지점 선정 및 특보기준 상세화 기술과 상시 홍수정보 제공을 위한 수리학적 및 수문학적 홍수 예측 매개변수 최적화 기술 개발이 있다. 6시간 하천 홍수 골든타임 확보 연구로는 홍수예보의 공간적 범위를 확장하기 위해 HPC(High Performance Computing)를 활용한 고정밀·고효율 유역 유출모형과 1~2차원 연계 하천공간 홍수예측모형 개발 연구가 있으며, 하천 주변 사회기반시설에 대한 침수예측 기법 및 강우 앙상블 시나리오 생성 기술과 강우예측기능을 강화한 앙상블 확률홍수 예보 기술 개발 연구가 이에 해당한다. 현행 홍수예측 정확도 개선 현재 홍수특보지점은 대하천 국가하천 위주로 설정되어 있다. 홍수특보지점의 확대는 지속적으로 추진되고 있으며 매년 그 수가 증가하고 있다. 이러한 홍수특보지점의 확장을 위해 대상지점의 사회적 중요도와 홍수도달시간, 과거 홍수이력 등을 종합적으로 고려한 홍수특보지점 우선순위를 결정하는 방법을 본 연구에서 제시하였으며 현재 각 홍수통제소에서 홍수특보지점 확대에 방법론을 활용하고 있다. 또한, 기존 홍수특보는 홍수주의보와 홍수경보의 2단계로 되어 있는데 이를 4단계로 상세화할 수 있는 방법론을 제시하였다. 현행 홍수예측모형은 크게 수문학적 모형과 수리학적 모형으로 구분된다. 유역에서 발생하는 유출량을 계산하는 강우-유출모형은 수문학적 모형으로 구성되어 있고, 유출량이 하도에 유입되어 유하하는 현상은 수문학적 모형과 수리학적 모형으로 구분된다. 두 가지 홍수모형 모두 다양한 매개변수를 가지고 있으며 각 홍수 사상마다 적합한 매개변수를 찾기 위한 보정이 필요하다. 현재 매개변수 보정은 인력으로, 수동적으로 수행되고 있는데 본 연구에서 매개변수를 자동으로 최적화할 수 있는 기법을 개발하였다. 이를 통해 홍수예측의 속도와 정확도를 향상시킬 수 있으며 상시 홍수정보 제공을 위한 기반기술로써 활용될 것으로 기대된다. 6시간 하천 홍수 골든타임 확보 기존의 홍수예측모형은 집체형 모형으로 유역 내 모든 공간이 동일한 특성을 갖는다는 가정하에 계산을 단순화하여 계산속도가 매우 빠르다는 특징이 있으며 유역 및 홍수사상의 특성을 매개변수의 조정을 통해 반영하고 있다. 입력자료로 활용되는 강우자료도 지점강우를 티센망(Thiessen polygon)으로 구성하여 산정한 유역 평균 강우량을 적용하고 있다. 이는 유역 강우의 공간적 분포를 반영할 수 없는 단점이 있어 강우의 분포를 나타낼 수 있는 강우레이더 자료를 입력자료로 활용할 수 있도록 분포형 모형을 홍수 예보모형에 적용하는 연구를 수행하였다. 집체형 모형에 비해 계산 소요시간이 길다는 분포형 모형의 단점을 표준유역 단위로 모형을 세분화하고, HPC를 적용한 병렬계산을 통해 계산시간을 대폭 단축하여 해결하였으며 현재 개발용 시스템에 탑재하여 시범운영 중이다. 하천의 친수공간에 대한 홍수예측능력을 강화하기 위하여 친수공간에 대한 2차원적인 해석과 더불어 계산 과정의 효율성을 위해 1차원 모형과 결합된 1~2차원 연계 모형을 개발하여저수로는 1차원 수치모형으로, 친수공간은 2차원 모형으로 해석하는 기법을 개발하였으며 계산속도 향상을 위한 HPC 기법이 적용됨으로써 현행 홍수예측모형과 유사한 계산 시간에 높은 정확도 및 정밀도를 갖도록 개발하였다. 앞에서 설명한 6시간 하천 홍수 골든타임 확보 기술은 홍수 예측모형을 고성능·고정밀로 향상하는 것으로서 더욱 정확한 홍수예측을 위해서는 모형 자체의 성능 향상도 중요하지만 강우자료의 예측 정확도를 향상하는 것도 중요하다. 본 연구를 통해 수치예보 및 원격탐측 자료의 시공간적 편의 보정기법 개발을 통해 단기·중기·장기적 강우 앙상블 예측자료를 생산하고 활용할 수 있는 기술을 개발하였으며, 이를 통해 생성된 강우 앙상블 시나리오를 앙상블 확률홍수예측모형에 입력자료로 활용하였다. 앙상블 확률홍수예측모형은 확장된 선행예보시간에서 발생하는 불확실성을 정량화하기 위한 기법으로 하천홍수예보의 조건들 중 예보의 적시성과 결과의 신뢰성을 극대화하기 위해 PCE (Polynomial Chaos Expansion) 기법과 GLUE (Generalised Likelihood Uncertainty Estimation) 기법을 적용하였다. 맺음말 홍수예보시스템은 홍수 피해로부터 국민을 보호하기 위한 필수적인 대책 중 하나로서 지속적인 개발을 통해 성능 향상을 필요로 한다. 지구온난화로 인한 이상기후가 발생하고 홍수 피해의 규모와 가능성이 증가하고 있는 상황에서 홍수예측시스템 개선을 위한 기술이 다양한 요소에서 발전되어야 한다. 본 연구에서는 현행 홍수예측시스템의 정확도 및 사용성을 개선하기 위한 특보지점 우선순위 선정 기법이나 매개변수 보정 자동화 기술 등을 개발하였으며, 홍수예측의 시공간적인 확장을 위해 고정밀·고정확도 홍수예측기법인 HPC를 활용한 분포형 모형, 1~2차원 연계 하도유출모형의 적용과 강우앙상블 시나리오를 활용한 확률홍수 예측기술, 빅데이터 인공지능기법을 활용한 하천주변 사회기반시설 침수예측 기술을 개발하였다. 기술 개발을 통해 홍수예보의 정확성, 신뢰성 및 적시성을 확보하고자 하였으며 다양한 종류의 홍수정보를 생산하여 수요자 맞춤형 홍수정보 제공을 위한 기반기술을 구축하고자 하였다. 현업적용을 통해 개발된 기술의 검증을 완료한다면 홍수예보 분야의 선도적인 기술로 인정을 받을 수 있고 나아가 해외로의 기술수출까지 기대할 수 있으리라 판단된다. 수자원하천연구본부 게시일2022-09-22 조회수 1705
• 국내 모듈러 공동주택 현황 및 향후 역할 국내 모듈러 공동주택 현황 및 향후 역할 ▲ 부윤섭 KICT 건축연구본부 전임연구원 들어가며 모듈러 건축은 공장에서 생산한 모듈러를 현장에서 시공하여 완성하는 친환경적 건축공법 중 하나이다. 터파기, 기초공사 등 현장공사를 수행함과 동시에 모듈러 전용 제작 공장에서 모듈러를 제작하여 현장 반입하여 시공하기 때문에 미세먼지, 민원 등 현장 공기를 지연하는 외부요인을 최소화하여 현장공기를 절반 가까이 줄일 수 있다는 가장 큰 특징을 갖고 있다. 모듈러 건축은 공법에 의해 구분하면 모듈러를 현장에서 쌓아 올리는 적층식 공법과 기둥-보-슬래브가 갖춰진 구조물에 끼워 넣듯 설치하는 인필(Infill)식 공법으로 구분할 수 있고(그림 1) 모듈러를 구성하는 재료적 관점에서 구분하면 철골계 모듈러와 콘크리트계 모듈러로도 구분이 가능하다. 철골계 모듈러는 모듈러 보·기둥 등을 품질이 우수한 강재를 사용하여 제작하므로 고강도·고내구성·우수한 가공성 등의 장점을 갖고 있으나 콘크리트계 모듈러와 달리 내화성능 확보를 위한 별도의상세가 필요하며, 콘크리트 모듈러대비 상대적으로 생산 비용이 높고, 진동에 다소 취약한 점 등의 해결이 필요하다. 콘크리트계 모듈러는 바닥, 벽체 등을 프리캐스트 콘크리트(PC)로 제작하여 고강도·내화성능·우수한 진동성능 및 경제성의 장점을 갖고 있으나 철골계 모듈러 대비 고중량이기 때문에 고층 양중 시어려운 점이 있어 20층 이상 고층형 모듈러 건축을 위해서는 극복해야 할 사항이다(표 1). 국내 모듈러 공동주택 동향 국내의 모듈러 공동주택은 주로 철골계 모듈러를 사용하여 공급되었다. 한국건설기술연구원이 국가 R&D 실증사업으로 SH(서울주택공사)와 추진한 서울 가양동 모듈러 실증 공공주택(2017년)과 LH(한국토지주택공사)와 추진한 천안 두정동 모듈러 실증 공공주택(2019년)은 주택성능 기준을 준수한 최초의 공동주택으로 공급되었으며 이후 지자체 등 공공부문이 임대주택으로 지상 6층 이하의 모듈러 주택을 공급하였다. 한국건설기술연구원은 GH(경기주택도시공사)와 공동으로 용인 영덕동에 중고층 모듈러 공공주택 실증사업(이하 경기행복주택)을 진행하고 있다. 국내 최고층인 13층 규모(106세대)의 경기행복주택은 설계엔지니어링, 공장제작, 현장관리 등 중고층 모듈러 연구단에서 개발한 성과들을 적용할 예정이며 상기 철골계 모듈러의 단점으로 지적한 3시간 내화성능을 공인기관 인정시험을 통해 국내 최초로 확보하여 22년 말 준공을 목표로 현장 공사가 진행되고 있다. SH는 서울 가리봉동에 12층 모듈러 공공주택사업(246세대)과 서울 시내 10층 규모(512세대)의 모듈러 공공주택사업을 추진 중이고, LH는 인천 옹진군 공공실버주택(152세대) 등을 모듈러 공법을 적용하여 공급하였으며 세종시 등에 모듈러 공공주택사업을 추진하고 있다. 정부는 3기 신도시 공공주택 일부를 모듈러 공법으로 전환하여 조기 입주 추진을 검토 중이다. 콘크리트계 모듈러는 민간기업인 KC산업이 한국건설기술연구원과 PC박스형 모듈러를 공동 개발하여 여주 본사, 제주 지사에 홍보용 모듈러 건축물을 구축하였고, 1~2층 규모의 개인주택을 중심으로 주택시장에 진출하였으며 이미 구조 안전성, 거주 성능을 확보함으로써 5층 이하 저층형 공동주택으로 공급도 가능할 전망이다. 모듈러 공동주택의 역할 모듈러 공동주택은 공장제작 건축에 대한 국민 인식 부족과 일반적으로 공동주택을 건설하는 RC(철근 콘크리트)공법 대비 열악한 거주 성능에 대한 오해를 불식시키는 것이 가장 중요하다. 한국건설기술연구원이 추진하는 경기행복주택 뿐만 아니라 공공부문에서 추진하는 모듈러 공동주택이 완공된 후 면밀한 주거성능 검토를 통해 모듈러 주택도 RC 공동주택과 동등한 주거 성능을 확보할 수 있음을 알리고 모듈러 공법을 적용한 주택시장 개척이 필요하다. 2015년 이후 주택 인허가 물량 감소, 수도권 인구 집중 및 가구 분화에 따른 세대수 급증, 질 좋은 주택 재고 부족으로 주택난이 심화되고 있다. 현재 주택 정책은 대규모 택지 개발, 재건축 및 재개발 등 최소 5년 이상 향후에 기대되는 대규모 주택 공급 위주의 정책으로서 도심지 1~2인 가구 등 현재 주택이 필요한 수요층을 만족시키기는 어렵다. 지자체와 지역 주택공사가 공공 소유 소규모 부지에 모듈러 공공주택의 신속 적기에 공급한다면 주택 정책의 영향이 미치지 못하는 틈을 모듈러 공법을 활용함으로써 유연하게 대응이 가능할 것이다. 건축연구본부 게시일2022-08-23 조회수 4405
• 재생자원을 활용한 도시 그린인프라 조성 기술 재생자원을 활용한 도시 그린인프라 조성 기술 ▲ 안창혁 KICT 환경연구본부 수석연구원 들어가며 우리는 어느 때보다 재생자원(renewable resources)이 필요한 시대에 살고 있다. 재생자원은 지속해서 순환 공급이 가능한 자원을 의미한다. 이는 태양열·공기·물·에너지와 같은 자연자원뿐만 아니라 식량·제품과 같은 인공자원을 포함한다. 지구적으로, 1950년대 이후부터 급증한 자원 활용 요구와 거대 도시화(megalopolis)는 신속한 산업 고도화를 이루었지만, 그 이면에는 막대한 폐기물 증가와 신종 유해물질 노출과 같은 악영향이 있었다. 또한, 국민소득증대와 경제발전은 자원의 대량생산/대량소비 체제로 이어지면서 기존의 선형(linear)이 아닌 순환경제(circular economy)로의 전환을 강력히 요구하고 있다. 뿐만 아니라 최근 강조되고 있는 기후변화 이슈는 인간 활동과 생존에 직접적으로 관여하면서 재생자원 이용에 대한 관심과 필요성을 더욱 증대시키고 있다. 이러한 지구적/국가적 악영향을 해결하기 위해서는 기존 폐기물 생산을 최소화하고, 재생자원의 활용을 최대화하는 3R 전략(Reuse, Recycle, Recovery)이 필요하다. 국제적으로 UN은 2030 아젠다의 지속가능한 목표(SDGs, ’15.9)에서 ‘Ensure sustainable consumption and production patterns’과 같은 새로운 패러다임을 제시하였으며, 국내에서도 최근 2050 탄소중립 선언을 통해 WtR(Waste to Resources) 전략 수립에 적극적이다. 특히 국내에서는 1992년 이후 시행된 분리배출과 1995년 이후의 쓰레기종량제 정책 등의 성공으로 약 86.4%(2017년)의 높은 재활용률을 달성한 바 있다. 또한, 2018년 국내 1인 하루 폐기물 배출량은 약 0.93kg/person/day로써 타 국가 대비 우수한 지표를 나타내었다. 그런데도 연간 폐기물 발생량은 지속해서 증가하는 추세이며, 여전히 상당량의 재생 가능한 폐기물들이 한정된 매립지로 집결되고 있고, 해양투기 금지에 따른 막대한 유지비용 절감을 위해서는 가까운 미래에 인류가 반드시 해결해야 하는 이슈임에 틀림없다. 도시 고형 폐기물(Municipal Solid Waste, MSW)은 가정과 사업체에서 발생하는 대표적인 폐기물이다. 이는 액상이나 가스상이 아닌 불용성 고형물질로써 주로 도시에서 발생하는 특징이 있다. 많은 연구에서 MSW에 대한 3R 전략을 수행한 바 있으며 최근에는 에너지 회수나 안전처리와 같은 분야에 집중하고 있다. 대표적인 MSW 중 하나인 음식물쓰레기는 가장 높은 비율을 차지하는 유기성 도시 고형 폐기물(Organic Fraction of Municipal Solid Waste, OFMSW)이다. 이는 기후변화 이슈와 밀접하게 관련될 뿐만 아니라 다양한 형태로 개질되거나 현장 적용에 대한 가치가 있어 많은 연구에서 관심을 받고 있다. 국내 음식물쓰레기는 사료, 퇴비, 에너지화 등의 공정을 거쳐 상당 부분이 중앙시스템을 통해 재활용되고 있으며 국외에 비해 잘 관리된 모범사례 중 하나로 꼽힌다. 하지만 생산·유통, 품질, 수요·공급 불균형, 양적 증가 등의 환경 경제적 이슈로 보다 지속 가능하고 활용처를 다변화할 수 있는 융합연구개발이 필요한 실정이다. 이 글에서는 자원순환 경제를 향상시키기 위한 대안으로, 대표적인 OFMSW인 음식물쓰레기를 포함한 재생자원을 활용하여 국토환경 가치를 생태공학적으로 향상시키고 궁극적으로 탄소중립에 기여할 수 있는 도시 그린인프라(green infrastructure) 조성 기술에 대한 현황과 방향을 간단히 소개하고자 한다. 그린인프라 기술의 개념과 개발 방향 그린인프라는 ‘전략적으로 계획된 자연에 가까운 공간 네트워크’로 정의된다. 이는 기존 녹지가 가진 일반적인 생태 기능을 확장하여 환경·사회·경제적 기능이 고려된 종합적인 시스템으로 볼 수 있다. 도시 그린인프라는 단순한 녹지공간 창출뿐만 아니라 도시홍수 및 기후변화 완화, 오염물질의 환경적거동(environmental fate) 제한과 같은 다양한 수단으로 활용된다. 따라서 최근에는 국내외 도시계획을 기획할 때 사회·경제·환경적 요소들이 종합적으로 접목된 신개념 인프라 시설 구축이 부각되고 있다. 무엇보다 그린인프라는 도시화 영향(urbanisation impacts)을 완화시키기 위한 목적을 가진다. 도시화 과정은 불투수층의 확장, 토양 다짐(soil compaction), 집중된 토지이용 활동을 수반하므로 필연적인 오염물질의 빠른 유출을 야기한다. 특히 도로나 주차장과 같이 아스팔트로 구성된 넓은 불투수층은 강우유출수의 강제적인 배수를 촉진하고 도시유역에 특화된 오염물질(중금속, 유기오염물질 등)의 이송과 확산에 기여한다. 여기서 유입된 오염물질은 도시 그린인프라의 구성요소인 토양이나 식생에 여과/흡착되거나 화학적 결합이나 미생물 분해와 같은 기작을 통해서 제거 또는 격리된다. 그림 1과 같이 bioretention cell, 초지수로(swale), 초지여과대(grass filter strips) 등은 도시화 영향을 완충할 수 있는 대표적인 도시 그린인프라 시설 중 하나로 인식된다. 최근에는 도시 그린인프라의 기능과 효과 검증을 위해 다양한 분야(수자원·환경·지반·재료 등)에서 연구적 협업이 이루어지고 있다. 재생자원과 도시 그린인프라 연계 방향 재생자원 활용이라는 새로운 패러다임은 탄소중립을 지향하고 자원순환 경제의 선순환을 유도하기 위한 전략이다. 또한, 이의 실용적인 접근법 중 하나인 도시 그린인프라 기술과의 연계는 도시화에서 발생한 환경적으로 부정적인 영향을 완화하고 지속가능성에 다가갈 수 있는 생태공학적 국토환경 시스템이다. 이러한 상호연계적인 목표를 달성하기 위해서는 자원순환에 도움이 될 수 있는 재생자원의 적절한 개질, 반응 산물을 포함하는 재료의 개발 및 검증, 도시 그린인프라에서 작동 가능성 검토 등의 단계적 절차가 필요하다. 뿐만 아니라 현장에서 토양환경과 상호관계를 나타내는 토양미생물의 분포와 영향, phytotoxicity test, 중금속 및 소수성유기오염물질의 흡착과 생물이용성, 위해성 평가, 유출모델 평가 등을 병행하여 고도화시킬 필요가 있다. 본 기술을 기반으로 광의적으로는 지구환경을 고려한 진보된 친환경 녹색기술 플랫폼 구축이 가능하며, 향후 국가 산업적으로는 관련 신수종 산업을 창출이 가능한 사회문제 해결형 안전한 국토인프라 기술을 기대한다. 환경연구본부 게시일2022-08-23 조회수 1098
• 수소산업 육성을 위한 국내외 정책동향 수소산업 육성을 위한 국내외 정책동향 ▲ 김양균 KICT 화재안전연구소 수석연구원 수소경제 수소경제(hydrogen economy)는 수소를 주요 에너지원으로 사용하는 경제산업구조를 말한다. 즉 화석연료 중심의 현재 에너지 시스템에서 벗어나 수소를 안정적으로 생산하고 이를 운송 및 저장하여 사회 전반에 에너지원으로 활용하는 데 필요한 모든 분야를 수소산업이라고 하며, 이러한 산업과 시장을 새롭게 만들어내는 경제시스템을 수소경제라고 한다. 수소산업은 ‘2050 탄소중립 추진전략’에서 핵심적인 역할을 맡고 있음에도 불구하고 풍력이나 태양광 등의 다른 신재생에너지 산업에 비해 비관적으로 보는 시각이 많다. 그 이유는 수소의 낮은 생산성 및 경제성, 비효율성, 아직 해결 못한 기술적 난제, 미흡한 수소 생태계, 그리고 주민 수용성 등이 문제로 꼽힌다. 여기서 수소 생산성은 ‘수소경제 활성화 로드맵(’19년)’에서 제시하는 수소의 소비량을 고려할 때 해외 수입 수소의 불확실성, 석유화학 제조과정에서 생산되는 부생수소의 제한적 생산량이 문제로 지적되고 있다. 그리고 경제성은 ’제1차 수소경제 이행 기본계획(’21년)’에서 제시하는 3,500(원/kg)이 블룸버그 NEF(’20)에서 제시하는 경제성 부합단가인 2400(원/kg)보다 1,000원 이상 높고, 어떠한 방법을 활용해도 저장 및 운송비용 그리고 충전소 비용을 포함한 수소충전가격이 10,000원을 넘길 것으로 예측되어 우려를 낳고 있다. 또한, 대량생산을 위한 LNG 등의 가스 개질 시 필요한 막대한 열 공급과 물 전기분해 시 필요한 전기공급이 활용되는 전기와 비슷한 수준이라는 점이 수소 생산에 있어 비효율성으로 지적된다. 그밖에 생산, 저장, 이송, 활용 분야에서 아직 미흡한 기술 수준과 난제들, 수소 폭발과 같은 사고에 대한 일반인들의 두려움으로 인한 낮은 주민 수용성 역시 걸림돌로 인식되고 있다. 하지만 수소는 기후 의존도가 높고 지역적 편차를 가진 재생에너지의 한계를 보완할 수 있는 대안으로 탈탄소화 및 지구 온난화에 대응이 가능하고, 대부분의 에너지를 수입에 의존하고 있는 우리나라의 에너지 자급률을 높여 에너지 안보 확보에 기여할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 따라서 우리 정부의 정책적 지원이 꾸준히 이루어지고 있고, 주요 국가들 역시 수소경제로의 이행을 위한 지원정책을 수립하고 있어 이를 면밀히 살펴볼 필요가 있다. 이 글에서는 주요 국가들의 수소 경제 및 산업 지원 정책의 특징을 살펴보고 우리나라의 정책 방향과 비교를 하고자 한다. 주요국 수소 정책 유럽은 ‘수소 이니셔티브(Hydrogen Initiative, ’18.9.), ‘유럽그린딜(European Green Deal, ’19.12.), EU의 ‘신산업전략(New Industrial Strategy for Europe, ’20.3.)에 기반을 두고 수소 정책을 수립해 왔다. EU가 계획하고 있는 ‘지속가능한 산업 밸류체인’이 재생수소에 대한 산업 수요의 확대 및 이동기술 개발을 전제로 하고 있어, 2020년 7월에 EU 수소전략을 발표하여 투자, 규제, 시장 형성, 연구개발 등을 통한 재생수소의 생산 및 활용의 현실화에 초점을 두고 있다. 중·단기에는 재생수소 생산, 저탄소 수소를 활용한 탄소배출 감축 및 자생력 있는 시장 형성을, 장기적으로는 재생수소가 사용되는 산업범위 확대를 목표로 하고 있으며, 그린수소(Renewable Hydrogen) 활용을 정책의 우선순위로 두고 있다. · 1단계(2020~2024년) : 최소 6GW의 재생에너지 기반 수전해시설 설치 / 최대 1백만 톤의 그린수소 생산 · 2단계(2025~2030년) : 최소 40GW의 재생에너지 기반 수전해시설 설치를 통해 최대 1천만 톤의 그린수소 생산 → 통합된 에너지 시스템의 핵심 요소화 · 3단계(2030~2050년) : 탈탄소화가 어려운 모든 분야에 그린수소를 대규모로 활용 결국 유럽의 수소 정책은 대용량의 수소 생산 및 공급 인프라 구축을 뒷받침하는 데 초점을 두고 있고, 이를 통해 수소의 생산성과 경제성을 확보하고 자생적인 수소 생태계를 조성하는 데 목적을 두고 있음을 알 수 있다. 미국은 에너지부(Department of Energy)와 캘리포니아주 정부 주도로 수소경제사회 구현을 위한 정책이 추진되고 있다. 에너지부는 Hydrogen Posture Plan을 기초로 자국 내 수소생산, 운반, 저장 등 수소 인프라에 대한 구체적인 계획을 수립·수행하고 있으며 미국 수소경제로의 로드맵(Road map to a US Hydrogen Economy, ’20)에 따라 H2USA와 FCHEA(Fuel Cell and Hydrogen Energy Association)가 발족되어 수소산업을 이끌고 있다. 특히 생산부분을 살펴보면 자급률 100%를 달성하기 위해 수전해설비 등 수소 생산기술 혁신에 투자가 이루어지고 있으며 상업적 수소 생산기술의 개발 촉진을 위해 ‘수소생산기술로드맵’을 추진하고 있다. 저장 및 활용 분야를 살펴보면 캘리포니아주를 중심으로 충전 인프라를 구축하고 천연가스 배관을 활용한 수소의 그리드를 구축하는 계획을 갖고 있다. 현재 천연가스의 역할을 수소가스가 대체하고 모빌리티 분야에서 수소전기차가 일반 전기차와 함께 탄소중 실현을 위한 큰 축을 맡아줄 것으로 보고 있으며, 이를 위한 인프라 구축 지원정책이 꾸준히 생산되고 있다. 중국은 ‘제조2025’를 통해 연료전지 기술 개발, 수소전기차 산업 육성, 수소에너지 기술 개발 등과 관련된 정책과 목표를 제시하고 있다. 특히 2050년까지 재생에너지를 활용한 수전 해 방식의 생산 비율을 70%까지 확대할 계획이며 3060 탄소중립목표에 따라 수소산업 투자를 활발히 진행할 계획이다. 또한, 징진시, 상하이, 쑤저우, 난퉁, 자싱 등은 수소차 시범도시군을 지정하여 수소차 산업망 구축을 추진하고, 허베이성 등은 수소산업시범도시 건설을 추진할 계획으로 지방정부 차원에서 적극적인 수소산업 육성계획 및 지원이 이루어지고 있는 특징을 가지고 있다. 일본은 5차 에너지기본계획(’18.7.)에 근거하여 에너지효율 촉진, 재생에너지도입·확대, 천연가스 및 원자력 유지, 이산화탄소 포집·저장(CCS) 실시 등 다양한 정책수단을 겸비하여 이른바 ‘3E+S’ 에너지목표 실현을 도모하고 있다. 이를 근거로 2050년까지 지향할 ‘수소기본전략’을 수립·발표하였으며 (’17년), 이는 향후 2050년까지 일본 사회가 수소사회실현을 위해 민관이 공유해야 할 정책목표, 정책방향, 비전을 제시하고, 이의 실현을 위한 행동계획을 수록하고 있다. 특히, 수소 사회 실현 발전단계를 3단계로 구분하고, 단계별 목표와 중점과제를 별도로 설정하고, ‘수소·연료전지 전략 로드맵(3차 개정)’을 발표하여 목표로 하는 수소가격과 요소별 기반기술 성능·가격, 실행방안을 구체화했다. 일본의 수소 핵심전략은 해외 수소를 적극 활용해 생산성을 높이고, 관련 인프라를 꾸준히 확충해 탄소중립에서 수소의 역할을 확대해 나가는데 있다. 다만 수소 생산 부분에서 자급률이 낮아 해외에 의존하는 부분과 연료전지 및 모빌리티 위주의 정책이 많아 우리나라 상황과 가장 유사한 것을 볼 수 있다. 맺음말 국내는 수소경제 활성화 로드맵(’19년)과 수소경제 이행 기본 계획(’21년)을 기반으로 수소경제 조성을 위한 꾸준한 정책적 지원이 이루어지고 있다. 특히 우리나라의 강점으로 꼽히는 연료전지와 수소전지차의 활용을 위한 인프라 구축에 많은 노력이 기울여지고 있다. 우리나라는 유럽·미국·중국·일본 등 주요국의 정책 방향과 마찬가지로 대용량 수소 공급 및 자생적 생태계 조성을 위한 인프라 보급이 정부의 주도로 이루어지고 있어 수소경제를 준비하는 세계적인 흐름에 맞게 정책적인 지원이 이루어지고 있음을 확인했다. 다만 수소의 생산성을 향상시킬 수 있는 대안이 일본과 마찬가지로 해외 수입수소에 크게 의존하고 있고, 이는 아직 불확실성이 커 보인다. 따라서 로드맵에서 제시하는 2050년 그린수소 생산 및 공급량 목표치를 달성하기 위한 다른 방법의 제시가 필요해 보이고, 중간 단계로 원자력 에너지를 활용해 수소의 생산성 및 경제성을 확보하는 것도 하나의 방법으로 사료된다. 또한, 다양한 수소 관련 인프라들이 구축된 후 경험해 보지 못한 위험성을 마주해야 하는 상황에서 수용성을 향상시킬 수 있는 기술 개발이 함께 이루어져 안전한 수소 생태계의 안착이 될 수 있도록 정부의 추가적인 정책 지원이 필요한 것으로 생각된다. 화재안전연구소 게시일2022-08-23 조회수 1190
• 특수교량 안전점검 로봇 활용 기술 특수교량 안전점검 로봇 활용 기술 ▲ 서동우 KICT 구조연구본부 수석연구원 들어가며 현재 국내 특수교량(계측시스템이 구축되는 케이블 지지교량을 통칭)으로 건설되는 구조물의 대부분은 사장교 또는 현수교로 건설되는 특수교량은 설계 시 요구되는 사용수명이 100년 이상이므로 구조물의 안정성·내구성·사용성 등이 필수적으로 확보되어야 한다(KSCE, 2006). 특수교량에서 핵심 부재 중 하나인 케이블의 손상은 교량의 안전성 저하 및 사용 수명을 단축시키는 주요 요인으로서 환경적인 요인(기후·하중·지진 등)뿐만 아니라, 화재나 충돌 등과 같은 예측하기 어려운 사고 등이 있다. 공용 중인 교량의 경우 케이블 손상이 발생하여 운용이 중단된다면, 이에 따른 경제적·사회적 손실은 막대하다(Na et al., 2014). 국내에서는 서해대교(사장교) 케이블 화재에 의하여 총 144개의 사장재 중 1개가 완전 파단되고, 2개가 부분적으로 손상되는 사고가 발생한 사례가 있다(Gil et al., 2016). 케이블의 안전 및 유지관리를 위한 다양한 점검기술의 개발 연구가 진행되고 있지만, 장비의 이동성 및 접근성의 한계로 대형 시설물인 특수교, 특히 케이블에 적용하는 데 한계가 있다. 이를 보완하기 위하여 비파괴검사가 가능한 케이블 점검 로봇 개발이 이루어지고 있다(Kim et al., 2014). 케이블에 적용하기 위해서는 점검 로봇에 무선시스템을 적용하고 자중을 최소화하여 현상 사용성을 확보할 필요가 있다. 이 글에서는 기존 점검 로봇의 단점으로 지적되었던 주행 안정성을 보완하고, 케이블 내부 손상여부를 파악하기 위한 전자기 센서를 탑재한 케이블 점검 로봇을 소개하고자 한다. 케이블 점검 로봇 설계 및 제원 케이블 점검 로봇 제작은 200mm 이상의 대구경 케이블 적용성 및 로봇 주행 안정성 확보에 중점을 두었다. 케이블 점검 로봇의 3차원 이미지 및 주요 장치에 대하여 그림 1에 나타내었다. 로봇의 제원은 510mm×610mm×710mm이고, 무게는 12.8kg으로 경량화하였다. 또한, 내구성능을 향상시키기 위하여 로봇의 프레임을 알루미늄으로 제작하였다. 케이블의 외관 촬영을 위해 고해상도 IP카메라(1920×1080 픽셀)를 설치하고 무선 와이파이 공유기로 실시간 케이블 촬영 이미지를 전송할 수 있고, 가속도 센서와 로터리 엔코더를 이용하여 로봇의 이동거리를 계산할 수 있도록 하였다. 등반 시 로봇의 흔들림을 최소화하면서 케이블에서 이동할 수 있도록 3개의 구동부 모터(IG-32GM, DC12)와 우레탄 바퀴를 장착하고, 가변 직경 조절부(140~300mm)를 만들어 바퀴와 케이블 사이의 부착력을 향상시켰다. 로봇의 무선 원격제어는 IEEE 802.11 an/ac 5GHz 2×2 MIMO를 사용하여 통신거리 10km, 최대 867Mbps 데이터 전송속도를 낼 수 있도록 제작하였다. 케이블 강선 손상 검출은 전자기 센서를 적용하여 검출하는 방식으로 그림 2와 같이 케이블의 파단(혹은 손상)이 발생하였을 경우, 손상 부위에서 양극성이 다시 나눠지는 원리를 이용하였다. 케이블 손상 검출을 위해 점검 로봇에 탑재되는 센싱 장치는 그림 3과 같이 케이블 직경에 따라 조절할 수 있는 관경 조절 장치와 케이블 표면을 이동하기 위한 롤러부로 구성된다. 그리고 케이블 손상 검출을 위한 전자기 센서는 롤러부의 중간 내부에 삽입되어 있다. 케이블 점검 로봇 성능 평가 케이블 점검 로봇의 주행 성능 평가를 위한 실내외 실험을 그림 4와 같이 실시하였다. 공용 중 교량의 현장 실험을 위하여 케이블 사고 이력이 있는 사장교 1개를 테스트베드 교량으로 선정하였다. 해당 교량은 단경간 타정식 강합성 사장교로서 경간장 400m, 너비 23.9m의 왕복 4차로로 되어있다. 현장 케이블( 200mm)은 경사각도 27.3도, 실내 실험은 45도에서 수행되었다. 검증 실험결과 등반속도(19cm/s)와 하강속도(20cm/s)로 평가되었으며, 하강 시 발생될 수 있는 미끄러짐에 의한 속도 증가의 경우 로봇이 효과적으로 제어하고 있음을 확인할 수 있다. 그리고 경사각도에 상관없이 주행 속도가 일정한 것을 확인하였다. 추가로 현장 실험에서는 3개의 카메라로 케이블 표면을 실시간 이미지 촬영하였는데, 그림 5와 같이 케이블 육안 점검이 가능한 수준임을 확인하였다. 성능 검증 실험 중 통신 관련 문제는 발생하지 않았다. 케이블 손상 검출 실험은 실내에서 실시하였다. 실내 실험에서 사용된 케이블 실험체는 현재 교량에 사용되고 있는 케이블의 한 종류로 내부 케이블은 1.57mm 강연선 7개로 구성된 1개의 번들(Bundle) 20본으로 구성되어 있다. 케이블 케이스의 경우, 주행 능력 실험에서 사용된 동일한 HDPE(고밀도 폴리에틸렌)관을 사용하였다. 케이블 손상 검출을 위하여 인위적으로 손상유형을 그림 6과 같이 모사하였다. 절단 손상의 경우는 단면 절단 정도에 따라 30%, 50% 그리고 100% 절단(파단)으로 세분화하였고, 이탈 손상은 케이블이 정리된 상태에서 외부로 돌출된 경우를 재현하였다. 단절의 경우 1개의 케이블을 짧게 제작하였다. 실내에서 실시한 실험 결과를 그림 7에 나타내었다. 그래프에서 X축은 시간이며, Y축은 전자기 센서 측정값으로 손상(절단)이 발생한 지점에서는 전자기 센서 측정값의 위상이 180도 변화함을 알 수 있다. 한편 단절에서는 전자기 센서 측정값의 위상이 변화하지 않지만, 자기장의 크기가 커짐을 확인하였다. 실험 결과의 신뢰성 확보를 위해서는 본 연구에서 진행된 것보다 더 다양한 손상 유형 및 반복성을 확보한 추가 실험이 필요하다고 여겨진다. 맺음말 이 글에서는 200mm 이상의 대구경 케이블 측정이 가능한 케이블 점검 로봇 개발에 대한 내용을 소개하였다. 개발된 케이블 점검 로봇은 주행능력, 주행 안정성 및 무선 통신 성능을 향상시켜 현장 적용성을 확대시켰다. 전자기 센서를 이용한 케이블 내부 손상 유무의 검출 가능성이 실내 실험을 통하여 검증되었다. 하지만 추가적인 실험을 통해 케이블 손상 유무 이외에 손상 정도 및 손상 종류를 판단할 수 있는 분석 알고리즘을 개발함으로써 점검 효율성을 보다 향상시킬 필요가 있다고 판단된다. 점검 로봇을 활용한 시설물 유지관리 기술이 지속적으로 발전되어 적용된다면 시설물 안전관리에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대한다. 본 케이블 점검 로봇은 국토교통부의 예산 지원으로 개발되었으며 현재 국토안전관리원으로 인계되어 일반국도 특수교 유지관리에 활용되고 있다. 구조연구본부 게시일2022-07-25 조회수 1562
• 자율주행시대 인프라 변화 방향 자율주행시대 인프라 변화 방향 ▲ 윤덕근 KICT 연구전략기획본부 연구위원 들어가며 자율주행차는 기존 운전자 중심의 자동차와는 다른 형태로 운영되는 시스템으로 여러 부분에서 변화가 있을 것으로 예측하고 있으나, 운전주체 변화, 차량소유 변화, 통행행태 변화 총 3가지 측면에서 그 변화를 살펴보고자 한다. 운전주체 변화 자율주행차는 운전자 없이 차량 내 시스템이 스스로 판단하여 운전하는 시스템으로 그 구현 기능에 따라 단계를 구분하고 있다. 일반적으로 국제자동차기술협회(SAE International, Society of Automotive Engineer)의 자율주행 5단계(그림 1)를 자율주행 운전 수준으로 활용하고 있다. 이중 Level 3 이상을 고도화된 자율주행 단계로 보고, Level 4 이상은 완전 자율주행 단계로 고려하고 있다. 현재 대부분 국가의 자율주행 기술 수준은 level 2∼3 단계에 머무르고 있으며 전 세계적으로 Level 4 수준의 완전자율주행 기술개발 투자로 자율차 상용화에 집중하고 있다. 이로 인해 Level 2 시장은 2027년 이후로 감소하고, 운전자 개입이 적은 Level 3 이상의 자율주행차가 2030년 이후 지속적으로 증가할 것으로 예측하고 있다(Navigant Research, 2019). 차량소유 변화 자율주행차의 발전과 확산에 따라 통행 행태와 차량의 소유 형태도 변화될 것으로 예상하고 있다. Mckinsey에 따르면 자율주행차가 도입되면 고가 차량 및 차량 소유에 따른 부가 비용보다 공유차량 활용이 예산 절감 효과가 클 것으로 예상하여 개인 소유에서 자율주행공유차량(SAV, Shared Autonomous Vehicle)으로의 변화가 있을 것으로 전망하였다. 통행행태 변화 자율주행공유차량의 등장으로 기존 전통적인 차량 통행 패턴(목적 통행-주차-귀가)인 단일 목적 통행에서 다목적 통행으로의 통행 패턴 변화도 나타날 것으로 예상하고 있다(그림 3). 자율차 시대 많은 변화가 있지만 크게 운전주체, 차량소유 변화, 통행행태 변화는 분명 도로인프라와 우리가 살고 있는 도시 공간에 많은 변화를 요구하고 있다. 이 글에서는 주로 인프라 변화 방향에 대해 간단히 소개하고자 한다. 각국의 움직임 자율차 시대의 인프라 변화에 대해 다른 나라에서도 많은 연구가 진행되었고 현재도 활발히 진행되고 있으나, 아직 자율 주행차 시장 도입이 초기여서 미래 변화 예측 중심으로 연구가 진행되고 있다. 가장 기본인 인프라 변화는 도로 설계 측면으로 기존 도로의 설계는 자동차 동역학 특성과 운전자 중심으로 설계되어 있으나, 운전 주체가 사람에서 기계로 변화됨에 따라 새로운 도로 설계 기법 개발에 대한 연구가 시작되고 있다. 도로 설계는 자율차의 실제 특성을 반영하여 설계되어야 하나, 현재 제조사별 자율주행차의 기능이 상이하여 표준 특성값 부재로 가상의 데이터를 이용하여 도로설곗값의 변화를 예측하고 있기 때문에 설곗값 변화에 대해서는 서로 다른 결과를 제시하고 있다. 설곗값 이외 도시 가로 또한 자율주행 시대에 많은 변화가 있을 것으로 예측하고 있다. NACTO(2019)은 자율차 도입으로 주행 시 차량 간 간격 감소, 도시 내 주행차량 대수 감소, 속도가 감속되어 지금보다 더 작은 도로 공간이 사용될 것으로 보고 있다. 이에 기존 도로의 여유 공간은 보행자에게 더 많은 공간을 제공할 것으로 예측하여 미래 도시 가로 설계 청사진을 제시하였다. 미국에서는 자율주행차의 확산을 고려하여 선제적으로 미시간주의 디트로이트에서 앤 아버까지 약 40마일 구간에 자율주행 전용차로를 설치하는 Cavnue 프로젝트를 현재 수행하고 있다(그림 5). 이 프로젝트는 앞으로 자율주행 시대에 도로가 어떻게 변화될 것인지를 예측하고, 그 기술을 적용하는 데 의미가 있다 자율협력주행 시 도로 인프라 미래 변화 방향 자율협력주행 시 인프라 변화 방향을 크게 2가지로 제시하고자 한다. 도로설계 요소 변화 앞서 언급한 것처럼 자율차 시대에는 운전 주체가 변화되어 도로 설계기준의 변화가 예상된다. 대표적인 설계 변화 요소는 인지 반응 시간 변화에 따른 시거, 인지하는 시선 눈높이 변화에 따른 종단 경사 변화 등이 예상되며, 현재까지 연구된 내용을 토대로 인프라 설계 요소 변화 방향은 표 1과 같이 예상된다. 도시 공간 변화 자율주행공유차량 도입으로 인해 기존 주차장이나 주유소 등 시설의 용도가 변화될 것으로 예상하고 있다. 이호준 등(2019)에 따르면 자율주행공유차량 도입 시 서울시내 주차수요 감소가 예측되고 이로 인해 주차장 수요가 감소된다고 보고 있다. 주차수요 감소는 기존 주차장이나 주유소 등의 시설이 쇼핑이나 다른 목적시설로 활용이 가능할 것으로 기대되며, 기존 버스정류장 등과 같이 고정된 시설 구역이 아닌 시간대에 따라 목적을 달리하는 Flex Zone과 같은 도로의 공간으로 활용 변화도 예상된다. 맺음말 자율주행차는 이미 도로에서 주행하고 있다. 현재까지는 통행하는 자율주행차의 대수가 많지 않고, 주로 자동차에서 기술 개발을 주도함에 따라 인프라의 변화에 대한 연구 진행은 차량 분야에 비해 늦어지고 있다. 그러나 자율주행차의 보급률이 증가하게 되면 자율주행차의 운행 특성과 행태를 고려할 때 이를 수용하는 인프라 변화는 필수적이다. 이 글에서는 주로 도로와 시설물을 중심으로 그 변화의 방향을 설명하였으나 자율주행차뿐 아니라 다른 교통수단이 도입될 때 건축물, 교량, 터널 등과 같은 전반적인 인프라 변화 방향에 대한 예측과 준비가 필요하다. 연구전략기획본부 게시일2022-07-25 조회수 1423
• 극한건설 환경 구현 인프라 및 TRL6 이상급 극한건설 핵심기술 개발 극한건설 환경 구현 인프라 및 TRL6 이상급 극한건설 핵심기술 개발 ▲ 신휴성 KICT 미래스마트건설연구본부 선임연구위원 들어가며 2021년 5월 대한민국은 미국 NASA가 추진 중인 국제 유인 달 탐사 프로그램인 ‘아르테미스’ 사업에 10번째 참여국이 되었다. 미국 뿐만 아니라 유럽, 중국, 일본, 인도 등도 각기 달 탐사에 대한 계획을 발표하면서 달나라 이야기라고 부르며 아주 멀게만 느껴졌던 우주건설에 대한 꿈이 보다 구체적으로 다가오는 느낌이다. 더 나아가 아직도 구체적인 미션을 만들고 있지 못하는 우리나라를 보면서 또 뒤처지는 것은 아닌가 하는 조급한 마음까지 들게 한다. 최근 달의 극 지역에서 다량의 얼음이 발견되면서 달 탐사 경쟁이 더욱 가속화되고 있는 상황이다. 얼음으로부터 로켓의 연료 뿐만 아니라 우주인의 생명 유지에 필수적인 물과 산소를 얻을 수 있기때문이다. 달의 중력은 지구의 1/6에 불과하여 상대적으로 적은 연료로도 중력권을 벗어날 수 있다. 따라서 지구에서 출발하여 달에서 연료를 충전하고 화성 등 심우주로 나아갈 수 있기 때문에 중간 기착지로서 달의활용성이 높아지고 있다. 또한, 달은 지구와 가깝기 때문에 우주 및 행성에서 사용되는 다양한 기술을 준비하고, 다양한 과학적인 연구를 수행하는 데 좋은 장소로서 그 가치가 높아지고 있다. 세계의 많은 나라들이 달에기지를 건설하고 장기간 우주인이 거주하면서 달을 이용하고자 하는 이유가 바로 여기에 있다. 한국건설기술연구원은 2016년부터 BIG사업을 통해 우주건설 연구를 선도적으로 시작하였다. 본 연구는 우주기지 건설, 자원 개발 등 세계 우주 개발의 패러다임 전환에 전략적으로 대응하기 위해초극한 환경인 우주에서 적용 가능한 핵심 건설기술 확보를 목표로 하고 있다. 이 글에서는 지난 6차년도(2021년) 연구 성과를 중심으로 행성 지상 환경 구현 실대형 챔버 개발 및 검증 기술, 행성 현지재료 활용인프라 건설 기술, 행성 지상 건설공간 정보화 기술, 행성 지반 조사 장비 개발 및 행성 지하 정보화 기술 등 4대 핵심 기술의 개발 현황에 대해 구체적으로 소개하고자 한다. 행성 지상 환경 구현 실대형 챔버 개발 및 검증 기술 극한의 달 표면 환경을 모사해 놓은 실대형 규모의 지반열진 공챔버(Dusty Thermal Vacuum Chamber, DTVC)는 달 탐사를 위해 개발되는 다양한 기술과 장비를 검증하여 실제 우주 환경에서의 실패 위험을 최소화하는 데 활용된다. 이러한 DTVC는 2017년 제작되어 안정화 테스트를 거친 후 2019년 완공된 미래융합관에 설치되었다. DTVC의 내부 규모는 50m3로 달 표면의 온도 조건(-190℃~+150℃)과 진공 조건 (지반 미포함: 10-6mbar, 지반 포함: 10-4mbar)을 모사하며 챔버 내부에는 다량의 인공월면토가 투입되어 우주 먼지의 영향 등을 평가한다(그림 1). 지반열진공챔버의 진공환경과 온도환경 조성 성능은 1~5차년도 연구를 통해 확보되었으며, 2021년에는 달의 밤과 낮 조건에 따른 지반의 온도 조건 모사, 얼음 지반 조성을 위한 진공압에 따른 지반의 열전도도 측정, 달 표면에서 정전기 충전 환경 모사를 위한 시스템 및 측정 연구에 대한 부분이 진행되었다. 달 표면은 대기가 없어 적도 부근의 경우 낮에는 120℃ 까지 상승하며, 밤에는 –170℃ 까지 하강한다. 그러나 월면토의 진공환경에서 열전도도는 낮아서 깊이 10cm 이하의 토양의 온도 변화는 크지 않으며, 낮은 온도 상태를 유지한다. 이러한 데이터를 기반으로 구축된 실대형 챔버의 저온/고온 환경에서의 깊이에 따른 토양의 온도를 측정하였으며(그림 2), 향후 지반의 온도 모사 성능 향상을 위해 지속적으로 연구를 진행할 예정이다. 온도와 진공 이외에 특징적인 달 표면 환경 조건은 전기적인 것으로 낮에는 태양광의 영향으로 +20V 이하의 양 전위를 띄며, 밤에는 지구 플라즈마의 영향으로 수백~수천 V의 음전위를 띈다는 것이다(그림 3). 이러한 특징은 달 표면에 장기간 거주 시 우주인과 장치에 위협적인 요인으로 여겨지고있으며, 이를 이해하고 대처하기 위한 기술 개발이 필요하다. 지반열진공챔버에서 이러한 전기적인 환경 모사를 위해서 소형 진공챔버에 자외선 램프와 전자빔을 이용한 대전 환경 모사 시스템을 구축하였으며(그림 4), 달 표면의 전기적인 데이터를 바탕으로 유사한 환경 모사와 측정 방안을 고안하였다. 올해 7차년도에는 챔버 내에서 지반 냉각에 대한 연구와 전기적 대전 환경에서 정전기로 충전된 지반의 전위를 측정하는 연구가 진행될 예정이다. 이와 같은 연구를 통해서 지반열진공챔버의 환경 모사 성능을 고도화하고 보다 신뢰성 있는 달 환경 건설기술 검증 시설로 발전시킬 계획이다. 행성 현지재료 활용 인프라 건설 기술 지달 기지 건설을 위해서는 건설재료가 필요하다. 이러한 건설 재료를 지구에서부터 달까지 운반하려면 천문학적인 비용이 소요되기 때문에 달 현지에서 조달 가능한 자원을 활용하여 건설재료로 생산할 수 있는 기술 개발이 필수적인 상황이다. 이를 위해 마이크로파 소결 기술을 통해 달 현지 자원인 ‘월면토’를 고형화하여 건설재료로 활용하기 위한 연구를 수행하고 있다. 인공월면토(KLS-1)는 마이크로파 소결 방법을 통해 1080℃ 이상의 온도에서 치밀화되어 인공월면토 소결체가 생성되며 소결온도가 증가함에 따라 소결체의 밀도와 압축강도가 증가 된다. 달의 극심한 온도 변화에 따른 건설재료의 반복적인 수축과 팽창은 구조물의 균열을 발생시킬 수 있기 때문에 달 기지 건설에 사용되는 모든 재료들의 열팽창 특성이 매우 중요하다. 마이크로파 소결 방법으로 제조된 인공월면토 소결체의 열팽창계수는 달 표면 온도와 유사한 범위(-100~200℃)내에서 약 5×10-6 °C-1 수준이며, 실제 월석의 열팽창계수와 유사한 것을 확인하였다. 또한, 가열-냉각-재가열 후에도 인공월면토 소결체의 열팽창계수가 큰 변화를 보이지 않아 달의 극심한 온도변화 하에서도 마이크로파로 소결된 인공월면토 소결체가 높은 열 저항을 가진 것을 확인하였다. 인공월면토 소결체를 달 기지 건설재료로 활용하기 위해서는 균질성 검토도 필요하다. 본 과제에서는 재료의 공극률 분포를 기반으로 균질성을 평가하기 위해 인공월면토소결체의 X-ray CT 이미지를 활용하여 Statistical Phase Fraction(SPF) 방법을 통해 공극률을 추정하였다. SPF 방법으로 추정된 인공월면토 소결체의 전체 공극률은 밀도 분석을 통해 계산한 공극률과 거의 일치하는 것을 확인하였다. 인공월면토 소결체의 CT 이미지를 일정한 부피를 가진 단위 셀로 분할하여 국부적 공극률을 추정한 결과 1080℃ 및 1100℃ 인공월면토 소결체의 공극률 평균은 각각 30.4±2.1% 및 27.1±2.9%이며, 26~40% 및 20~36%에서 분포하는 것을 확인하였다. 동일 높이에서는 소결체 외부에서 내부로 갈수록 공극률이 감소하는 특성이 나타나는데 이는 외부에 비해 내부 온도가 높은 마이크로파 가열 특성에서 비롯된 것으로 시료 중심부에서 더 치밀한 구조가 형성됨을 알 수 있다. 현재 건설재료로서의 활용도를 높이기 위하여 인공월면토 소결 블록을 제조하고 있으며, 마이크로파 소결 기술을 실제 달의 고진공 환경에 적용하기 위해 마이크로파 진공 소결 장비를 구축하여 소결 실험을 수행할 계획이다. 행성 지상 건설 공간 정보화 기술 달 기지 건설의 최적 부지 선정을 위해서는 달 지형 조사가 필수적이다. 하지만 달은 지구와 달리 범지구위치결정시스템(GPS)이 부재하며 달의 영구 음영지역은 태양광이 없는 저조도 지역이다. 이에 본 연구에서는 달 표면에서 설계 및 건설에 필요한 고정밀 3차원 지형도를 구축하기 위해 무인 이동체 기반의 실시간 3차원 지형정보화 기술을 개발하고자 하였다. 본 연구에서는 무인이동체에 탑재된 스테레오 카메라 및 IMU(Inertial Measurement Unit)의 센서 결합을 이용하여 저조도 및 GPU 음영 환경에서 실시간 삼차원 지형정보를 획득하는 연구를 수행하였다. 특히 저조도 환경에서 맵핑 성능을 극대화하기 위하여 Self-Supervised CNN 기반의 영상강화 모듈을 개발하였고 저조도 환경에서 평균오차 7cm 미만의 맵핑 성능을 확보하였다. 그리고 한국건설기술연구원 실내모 의지형 실험실 및 연천 SOC실증연구센터 내에 크레이터, 바위, 언덕, 흙, 자갈 지역으로 구성된 행성 모의지형을 구축하여 무인 지형 정보화 기술의 검증 실험을 진행하였다(그림 7). 구축된 행성 모의지형 영상 내 객체 인식, 영역 분류 및 다른 영상 내 동일 객체의 유사도 평가연구를 수행하였다. 대상 지역의 관심 객체 및 영역을 자동 분류하기 위하여, 딥러닝 영역 인식 오픈소스인 Mask R-CNN을 활용하여 지형지물 인식 및 영역 분류 기법을 개발하였으며 Triplet Network를 활용하여 다중 영상 내 동일 객체 및 지형지물 매칭 기법을 개발하고, 항공사진-무인이동체 지형 영상 간 주요 객체 매칭 시스템을 완성하였다(그림 8). 향후 무인지형정보화 기술과 인공지능 객체 매칭기법의 정확도를 높이고 이를 결합하여 GIS기반 무인지형정보화 시스템을 개발할 예정이다. 행성 지반 조사 장비 개발 및 행성 지하 정보화 기술 인류가 처음으로 달 착륙에 성공한 이후 한동안 주춤했던 달 탐사는 달 극지에서 얼음의 존재가 확인되면서 다시 활발해지기 시작하였다. 달의 극지에 존재하는 얼음과 지하자원을 분석하기 위해는 탐사 랜더(Lander)나 로버(Rover)에 시추 장비를 탑재해야 한다. 이러한 장비들을 극한 환경인 달에 수송하여 운용하기 위해서는 소형, 경량화, 저전력, 고효율, 고성능 조건이 구비되어야 한다. 본 연구에서는 먼저 대기압, 저온 환경에서 구동 가능한 시추 장비 시작품을 개발하였으며, 운송을 고려하여 0.27m3급 소형화, 18.5kg급 경량화, 44.4W급 저전력화를 확보하였다. 시추 장비 시작품은 냉동 챔버 내에서 인공얼음을 이용하여 사전 검증을 수행하였고, 남극 장보고기지 주변 해빙 및 동토를 대상으로 저전력, 저반력, waterless 조건에서 해빙 동상체의 시추 성능 평가 및 문제점 파악을 위한 현장 연구를 진행하였다(그림 9). 현지의 다양한 조건 하에서 시추 성능 및 신뢰성 평가를 수행하여, 수직 반력이 25N 이하인 경우 비트 절삭면의 슬립에 의한 시추 실패가 발생하고, 125N 이상인 경우에는 재밍에 의한 시추 실패가 발생하는 것을 확인하였다. 수직 반력 50~100N, 회전 속도 25~125rpm 범위에서는 최소 60% 이상의 시추 신뢰도를 확보하였다. 맺음말 그 동안 막연하게 꿈꿔왔던 인류의 우주기지 건설이 점차 현실화되고 있다. 우주 강대국들은 달 선점을 위해 유인 달 탐 사와 기지 건설 계획을 경쟁적으로 추진하고 있다. 이에 비해 우리나라의 우주 개발 연구는 한참 뒤쳐져 있다. 하지만 이제 막 걸음을 내딛은 우주 건설 분야는 다른 우주 분야에 비해 진입장벽이 상대적으로 낮아 핵심 기술만 확보한다면 충분한 경쟁력을 가지고 우주 선진국 대열에 진입할 수 있다. 한국건설기술연구원에서 개발된 우주 건설기술이 그 포문을 열 첫번째 핵심 기술이 되기를 희망한다. 그래서 장차 전 세계 우주건설 분야를 주도하는 기관으로 도약하기를 기대해 본다. 미래스마트건설연구본부 게시일2022-07-22 조회수 2031
• 화재안전 및 단열성능 확보 건물 외벽시스템 개발 화재안전 및 단열성능 확보 건물 외벽시스템 개발 ▲ 이태원 KICT 화재안전연구소 선임연구위원 머리말 최근 정부는 2030년까지 국가 온실가스를 2018년 대비 40% 감축하는 내용을 담은 2030년 국가온실가스 감축 목표(NDC, Nationally Determined Contribution)를 유엔기후변화협약 사무국에 제출했다. 이는 기존 26.3%보다 대폭 상향 조정된 것으로 국회에서 35% 이상으로 정한 탄소중립기본법에서 정한 수치를 훌쩍 뛰어넘는 수치다. 목표달성을 위한 연도별·부문별 온실가스 감축목표 및 계획은 올해 발표할 예정이라고 한다. 에너지 소비를 줄이기 위해 이미 세계 최고 수준의 단열기준 등이 적용되고 있는 건물분야에 새롭게 할당될 온실가스 감축목표와 그에 따른 국민의 부담에 대한 걱정이 앞선다. 2018년 9월, 정부는 친환경 미래 에너지 발굴·육성과 국가 온실가스 감축 목표 달성을 위해 건축물 에너지절약설계기준을 개정해 건축물 단열성능 기준을 선진국의 패시브 건물 수준으로 강화한 바있다. 즉, 건축 허가 시 충족해야 하는 부위별(외벽, 최상층 지붕, 최하층 바닥, 창 및 문) 단열기준을 선진국1)의 패시브 건축물2) 수준으로 강화하는 한편, 국내 지역별 기후조건에 따라 전국을 3개 권역(중부,남부, 제주)으로 나누던 것을 4개 권역(중부 1, 중부 2, 남부, 제주)으로 세분화함으로써 지역 여건에 맞게 난방 등에 소비되는 에너지를 최소화할 수 있도록 차별화한 게 주요 골격이다. 날로 강화되는 건축물의 단열기준을 만족하기 위해 단열재의 성능과 그에 따른 두께가 고려되어야 한다. 최근 여기에 추가적인 문제가 대두되었는데 단열재 두께를 줄이기 위해 가장 에너지 효율적인외단열 공법3)의 채택이 주류를 이루게 되었다는 점이다. 요즘 흔히 얘기하는 드라이비트 공법4)이 그 한 예다. 여기에 값싸고 시공이 쉽지만 불에 매우 약한 유기 단열재를 사용함으로써, 또 강화되는 단열기준에 맞추기위해 단열재의 두께가 크게 증가할 수밖에 없다는 점에 기인해 유사시 건물의 내외부에서 불이 나면 걷잡을 수 없이 번진다는 화재안전상의 문제가 끊임없이 지적되어 왔다. 이에 한국건설기술연구원에서는 2018년부터 3년간 주요사업을 통해 기존의 건축자재들을 사용해 경제적이면서 단열성능과 화재안전성능을 동시에 만족하는 건물 외벽시스템을 개발해왔다(이태원 등2021). 즉, 단열과 화재안전분야 연구진이 함께 참여해 융복합 연구를 수행한 결과, 새로운 소재, 구조 및 공법의 적용으로 국내에서 가장 가혹한 단열성능 기준과 세계 최고 수준의 화재안전성능 기준을 만족하는화재확산방지구조 기술을 개발해, 국제공인시험기관의 검증도 받은 바 있다. 이 글에서는 본 연구의 배경과 내용 및 주요 성과를 간략히 소개하고자 한다. 현황 및 문제점 일반적으로 사용되는 단열재로는 EPS(Expanded Poly Styrene, 비드법 보온재), XPS(Extruded PolyStyrene, 아이소핑크), 준불연 EPS5), 우레탄폼과 같은 유기질 성분의 단열재와, 글라스울, 미네랄울, 페놀폼 등의 무기질 성분의 단열재가 있다. 유기 단열재는 가격이 저렴하고 단열효과도 비교적 우수하며 경량이어서 운반이 쉽고 시공성이 좋다는 장점이 있으나, 고온과 자외선에 약하고 화재 시 착화가 매우 쉬우며 유독가스가 발생해 인체에 위험하다는 단점이 있다. 이에 반해 무기 단열재는 고온에서 사용이 가능하며 외부의 압력이나 압축 및 다양한 물리적 충격에 의한 유효두께 감소 현상이 적다는 장점이 있지만, 원료가 고가이고 상대적으로 무거워서 운반이 어렵고 시공성이 떨어지며 높은 수분 흡수력으로 인해 우천 시 또는 높은 습도의 날씨에 취약하며 단열성능이 떨어질 수 있다는 단점이 있다. 한편, 지금까지 사용되어 온 건축물 외단열 공법으로는 크게 이른 바 드라이비트로 대표되는 습식 공법과 알루미늄복합패널 등 금속패널로 마감하는 건식 공법을 들 수 있다. 먼저, 습식 공법 중 드라이비트 공법은 건물의 외벽에 단열재를 설치한 후 유리섬유 등의 소재로 만들어진 메시(그물망)와 모르타르(시멘트 회반죽)를 덮고 도료로 마감하는 방식으로, 오래 전부터 건설현장에서 많이 사용되어 온 전통적인 방식이다. 접합부의 강성이 비교적 우수하고 다양한 외관의 표현이 가능하다는 장점이 있으나, 현장작업이 복잡해 숙련된 인력이 필요하고 건축물의 자중이 크며 공사기간이 상대적으로 길고 장마철과 빙점 이하의 동절기에는 작업이 어렵다는 단점이 있다. 또한 일단 외벽에 불이 옮겨 붙으면 급격히 상부로 확산된다는 화재안전 측면의 문제점이 지적되고 있다. 의정부 도시생활형 주택 화재(2015년)와 제천 스포츠센터 화재(2017년) 등이 대표적인 사고사례다. 한편, 건식공법은 콘크리트나 미장 재료 등 경화를 필요로 하는 재료를 사용하지 않고 바로 조립하는 공법을 통칭한다. 즉 습식공법의 문제점을 개선할 수 있는 공법으로, 공장 생산과 기계화 시공을 통해 현장 작업의 단순화가 가능하다는 특성을 지니고 있다. 따라서, 대량생산과 이로 인한 원가절감이 가능하고 건축물의 자중을 줄일 수 있는 장점이 있지만, 구조적으로 접합부의 강성이 습식공법에 비해 상대적으로 작고 건축물 외관이 획일적일 수 있다는 단점도 지니고 있다. 또한 일단 개구부 등을 통해 화염이 전파되어 알루미늄 소재 등 패널 외피가 용융되고 가연성 심재가 화염에 노출되면 삽시간에 화염이 안쪽으로 침투해 중공층을 따라 인접패널로 급격한 확산이 진행될 수 있다. 대표적 사고사례로는 영국 그렌펠타워 화재(2017년)와 최근 울산에서 발생한 주상복합 건물 화재 등을 들 수 있다. 화재안전 제도 강화 추이 지난해 말, 정부는 건축물 화재안전을 향상시키기 위해 ‘건축물 마감재료의 난연성능 및 화재 확산 방지구조 기준’을 개정한 바 있다. 여기에는 강판과 심재 등으로 만들어지는 복합자재의 심재는 무기질 재료를 사용하거나 준불연 재료 이상의 성능을 확보해야 하고, 두 가지 이상의 재료로 제작되는 외벽 마감재는 사용되는 모든 재료가 난연성능을 확보하도록 시험 기준과 평가기준을 정하는 등 강화된 규정이 포함되었다. 또 강판과 심재로 구성되는 복합자재와 두 가지 이상의 재료로 제작되는 외벽 마감재료는 재료 전체를 하나로 보아 화재확산방지 성능을 확인하기 위한 실대형 성능시험의 도입도 매우 주목할 만한 변화다. 실대형 성능시험은 영국 규격인 BS 8414와 BR 135를 참고해 제정한 KS F 8414(건축물 외부마감시스템의 화재안전 성능시험방법, 2021)에서 정하는 바에 따르며, 너비 2.6m, 깊이 1.5m, 높이 8m의 벽체를 ‘ㄱ’자 형태로 세우고 중앙 하단에 설치된 화구에 주어진 상태 및 규격의 목재더미를 정해진 방법으로 쌓은 후 실험을 수행한다. 이때 설치된 시스템의 화재확산 정도를 파악하기 위해 화구 상부 2.5m와 5m 위치의 외벽 표면과 내부 및 내벽에 정해진 간격으로 온도센서 7개씩을 설치하며, 이들 측정결과로부터 실험의 개시와 합격여부를 판단한다. BS 규격에 따르면, 2.5m 부위의 온도가 200℃에 이르면 시험이 시작되고, 600℃를 넘어서면 시험이 종료되는데, 개시 후 지속시간이 15분 이상이면 합격으로 판정된다. 소재, 구조 및 공법 적용 화재확산방지구조(KICT-FB 모델) 제안 지금까지 건물 외벽의 구성 요소들은 상호 긴밀한 관계가 있음에도 불구하고 함께 고려되지 못하고 개별적으로 공급, 설치되어왔다. 즉, 단열재와 금속패널 자재의 생산업체가 다르고 시공사는 이들을 주문해 나름대로의 공법을 이용해 시공하는 형태다. 결국 단열성능과 화재안전성능을 동시에 또 종합적으로 검토하는 것이 사실상 불가능함은 물론, 결과적으로 저렴하면서도 열손실에 따른 에너지 소비를 막아주고 불에도 강한 건물 외벽시스템에 대한 국민적 요구는 수용되기 쉽지 않았다. 그림 2의 ⒜와 ⒝는 금속복합패널을 이용한 기존 일체형 및 모듈형 공법6)의 개념을 각각 보인 것이다. 먼저 사용된 단열재의 종류에 관계없이 금속패널 내부에 수직방향으로 중공층이 존재하는 것을 볼 수 있는데, 이 공간은 유사시 외벽의 표면에 불이 났을 때 산소를 공급하는 통로로 작용해 인접모듈 특히 상부로 화염을 급격히 확산시키는 이른바 연돌효과(Chimney effect)를 일으켜 안전에 매우 취약해지는 결과가 초래된다. 만약 여기에 유기 단열재가 사용된다면 그 결과는 상상을 초월할 것이다. 일체형 공법에 무기 단열재를 설치한다 해도 중공층의 영향으로 금속패널만으로 화재안전을 확보하기엔 부족함이 있으며, 울산 주상복합 건물 화재사고가 이를 증명한 바 있다. 여기에 더해 모듈형 공법에서는 모듈과 모듈 사이의 중공층을 통해 따뜻한 벽체로부터 차가운 대기로 열이 새어 나가는 열교현상(Heat bridge)이 발생해 단열성능이 떨어지고 에너지의 손실이 초래될 수 있어 보완이 필요하다. 이와 같은 문제점을 해결하고 단열성능과 화재안전성능을 동시에 만족하면서 경제적인 건물 외벽시스템을 개발하기 위해 ① 매우 가혹한 조건과 경제성을 고려해 불에 취약지만 가격이 저렴한 유기 단열재 기본 채택, ② 국내에서 가장 가혹한 중부 1 지역 주거용 건물 단열기준 만족, ③ 세계 최고 수준의 건물 외벽에 대한 화재안전성능기준(BS 8414) 만족, ④ 개발 기술의 국제 공인시험기관에 의한 성능 검증 등의 전제조건을 상정하였다. 그림 2⒞에 본 연구에서 개발한 KICT-FB(Fire spread prevention Barrier) 공법(이태원 등, 2021)의 개념도를 도시하였다. 먼저 선행연구로써 개발된 난연성 플라스틱 소재를 이용해 복합패널의 충진재 즉, 심재를 준불연 성능으로 개선한 국외 A2 등급의 알루미늄 복합패널을 채택하였다. 또한 우레탄 소재의 기능성 발포패드를 사용해 패널 모듈 사이의 중공층 공간을 채움으로써 열교현상을 구조적으로 차단하는 한편, 만약 건물 외벽에 불이 붙을지라도 가연성 단열재 및 중공층을 통한 수직 화재확산을 근본적으로 차단하기 위해 패널 내부와 단열재 및 패드 등을 기능성 열발포성 시트로 보호하는 화재확산방지구조를 채택하였다. 이후 다양한 실험을 통해 취약부위를 확인함으로써 보완책을 추가로 반영하였다. 단열 및 화재안전 성능 그림 3은 개발 기술의 적용에 따른 단열성능 확인을 위해 전산 프로그램을 사용한 예측값과 열관류율 실험을 통해 얻은 실험값을 비교, 도시한 것으로, 계산은 기후조건에 따른 단열 기준을 만족하기 위해 적용해야 할 단열재 두께를 미리 예측하기 위해 수행하였고, 동일한 공법에는 같은 종류의 단열재를 같은 두께로 적용하는 것으로 하였다. 채택하는 공법에 따라 일정 성능기준을 만족하기 위해 필요한 단열재 두께가 달라지는 게 일반적인데, 일체형 공법은 건물의 외벽에 단열재를 고르게 설치하므로 비교적 수월하게 목표로 하는 단열수준을 얻을 수 있는 반면, 모듈형 공법에서는 앞에서 기술한 바와 같이 벽체와 패널 사이의 중공층의 영향으로 원하는 단열수준을 얻기가 쉽지 않다. 본 연구에서 개발한 구조와 공법을 적용한 결과 국내에서 가장 가혹한 수준인 중부 1 지역 주거용 건물에 대한 단열기준을 만족하는 한편, 실험결과를 기준으로 단열성능이 3.8배 향상됨으로써 결국 단열재 두께와 시공비를 그만큼 줄일 수 있을 것으로 예상되었다. 한편, 개발 기술의 화재안전 성능의 확인을 위해 기존의 공법을 포함해 다양한 모델의 시제품에 대한 실규모 화재실험을 수행하였고, 이를 위해 국제적으로 널리 인정받고 있을 뿐만 아니라 한국산업규격으로 제정된 바 있는 BS 8414 규격을 적용하였다. 자체적으로 다양한 화재실험을 수행하는 것과는 별도로, 보다 체계적인 검증을 위해 BS 8414 인증시험을 수행하는 국제공인시험기관인 영국건축연구소7)와 교차시험을 수행해 개발 기술의 성능을 확인하였다. 이와 같은 과정은 현재 시행 중인 KS 기반의 국내 실규모 화재시험 제도 도입에 기여를 한 것으로 자부한다. 그림 4는 건물 외벽시스템에 대한 실규모 화재실험 모습이다. 그림 5는 적용한 기술과 공법에 따른 건물 외벽시스템의 화재안전 성능을 비교, 도시한 것으로, 모듈형 구조에 EPS와 준불연 EPS 등 유기 단열재를 사용한 경우다. 연구수행 당시와 달리 지금은 준불연 성능 이상의 소재만을 사용해야 하는것으로 제도가 강화되었다는 점을 미리 알려둔다. 단열재로 EPS를 사용한 기존 모듈형 공법은 실험이 시작된 후 채 5분이 되지 않아 기준을 초과해 성능기준인 15분에 훨씬 미치지 못한 반면, 제안공법을 적용한 경우에는 23분 22초 동안 화재 확산을 지연시켜 기존 공법 대비 4.7배, 성능기준 대비 1.6배의 성능을 확보한 것으로 나타났다. 국내와 BRE에서 수행한 실험결과 사이에 12.6%의 차이를 보였는데, 이는 실험 환경과 조건이 상이한 결과로 판단되며, 이후 이에 관한 연구도 병행해 진행해왔다. 한편 국내 제도 강화에 따라 그에 부합한 소재인 준불연 EPS를 단열재로 사용한 결과, 시험의 최대 시한인 30분까지 화재확산을 방지해 더욱 우수한 성능을 확보 할 수 있었다. 연구를 수행하는 동안 울산의 33층 주상복합 건물의 12층에서 불이 나 외벽을 타고 순식간에 꼭대기까지 번지는 화재사고가 발생했다. 이 건물은 무기 단열재인 글라스울과 금속패널로 시공되었음에도 화재확산을 방지하지 못했음을 인지해 이 구조에 대한 성능개선 연구를 추가로 수행하였다. 그림 6은 일체형 구조에 무기 단열재인 글라스울을 사용한 기술과 공법에 따른 건물 외벽시스템의 화재안전 성능을 앞의 유기단열재를 사용한 모듈형 기존공법과 비교, 도시한 것이다. 글라스울을 사용한 기존 일체형 공법은 울산 복합건물에 적용된 것과 동일한 공법으로, 14분 18초의 결과를 보여 성능기준에 미치지 못한 결과를 보였다. 반면, 동일한 단열재를 사용한 제안기술은 최대 시한인 30분 동안 화재확산을 방지함으로써 매우 안정된 성능을 확보했음을 볼 수 있다. 이외에도 개발 기술의 실용화를 위한 복합패널 생산모듈 결정과 개구부 등 연결부위 공법 개발, 경제성 검토 등을 위한 표준 모델 제작 및 현장적용에 관한 연구도 추가로 수행하였다. 맺음말 2009년 준공 당시 30층 이상 건물에 대한 정부의 의무화 규정을 초과해 유기성 소재가 아닌 무기 단열재 사용한 울산 복합건물 화재사고는 우리에게 많은 점을 시사해준다. 12층에서 발생한 불이 순식간에 33층 꼭대기까지 확산됨으로써, 지금까지 단열재의 가연성이나 불연성 여부 등 주로 소재의 안전성에만 국한된 논란을 무색하게 했기 때문이다. 소재만으로 안전을 확보하는 게 쉽지 않다는 것이 증명된 결과이며, 설사 그렇다 하더라도 비용 문제가 뒤따르는 게 다반사다. 국민은 최소한의 비용으로 지어진 건물에서 에너지 소비를 줄이면서 안전하게 살기를 원한다. 시공비를 크게 늘리지 않으면서 단열 및 화재안전 성능을 갖춘 건물 외벽 건설기술이 제공되어야 하는 이유다. 기후변화와 지구온난화 대응 차원에서 정부는 온실가스 감축을 위한 건물의 단열성능을 지속적으로 강화해왔고, 이에 따라 에너지 소비절약에 매우 효율적인 외단열 공법을 채택하는 비율도 크게 증가해왔다. 하지만 단열성 및 경제성과 안전성의 편익이 상충하는 현실에서 설마 하는 확률적 판단이나 경제적인 관점이 앞선다면 안전성의 포기로 이어져 결국 걷잡을 수 없는 인명과 재산 피해를 피할 수 없음을 우리는 경험하고 있다. 정부의 화재안전 기준은 최소한의 규정이어야 한다. 안전을 담보한다는 명분으로 정부의 규제가 단편적이고 일방적이어선 곤란하다. 국민의 부담으로 직결될 수 있어서다. 국민도 정부의 규정이나 기준에만 기대는 안이한 생각을 버리고 소중한 생명과 직결되는 안전설비에 투자를 게을리해서는 안될 것이다. 하지만 더욱 중요한 것은 소비자가 원하는 기술과 제품이 활발히 개발, 공급되어야 한다는 것이다. 폐쇄된 규제시 장을 넘어 다양한 소비자 요구를 충족하는 합리적인 신기술 개발이 활성화되었으면 하는 마음이 절실한 요즘이다. 화재안전연구소 게시일2022-06-20 조회수 3103
• 북한의 기후조건과 기준을 고려한 특화 건설기술 개발 북한의 기후조건과 기준을 고려한 특화 건설기술 개발 ▲ 고경택 KICT 남북한인프라특별위원회 선임연구위원 들어가며 북한의 폐쇄성으로 북한 인프라에 대한 객관적인 정보가 부족하지만, 북한 인프라는 평양 일부를 제외하면 매우 낙후되어 대부분 보수·교체·신설이 당장 필요한 것으로 파악되고 있다. 한반도는 70년간 남북한이 서로 다른 길을 걸어왔기 때문에 건설 분야에서도 용어·기준·제도·기술 등이 많이 다르다. 이로 인해 남북 협력 과정에서 기술 보급과 활용의 한계, 건설비용과 공사기간의 증가, 안전성 우려 등 다양한 문제가 발생할 수 있다. 북한 인프라 개발은 ODA 등 국제금융지원 등에 의해 이뤄질 확률이 높고, 이 경우 대부분 국제 경쟁 입찰 형식으로 추진될 가능성이 높다. 따라서 중국·일본·미국·유럽 등에 비해 비교우위에 설 수 있는 세계 최고 수준의 북한 건설기술 개발과 함께 한반도 인프라 건설 연계·통합 기준 마련 등 선제 대응이 요구되고 있다. 이에 본 연구에서는 남북 인프라 연계 및 북한 인프라 현대화 사업에서 기술 경쟁력을 확보하기 위해 북한의 혹한 기후조건과 건설 기준·규격을 고려한 북한 맞춤형 특화 건설기술을 개발하였다(한국건설기술연구원, 2021). 남북한 건설 기준·규격 비교 북한의 건설 기준·규격 자료인 운수건설총서(1999), 건설시공 자료(2016), 남북한 기준 교환자료(2019), 최신(2014년까지) 건설·건재 규격 등을 확보하여 남북한 건설 기준과 규격을 비교하였다. 북한의 도로·교량·철도 등의 건설 기준, 건설 자재·재료 규격(KPS)과 남한의 관련 기준과 KS 규격 173건에 대해 비교하였다. 이 중에서 규격 109건(항목 227건)이 포함된 「남북한 건설 규격 비교집」을 발간하였다. 이 규격 비교집에는 시멘트·골재·화학혼화제의 건설재료, 콘크리트, 벽돌·블록·석재·기와·타일 등의 건설제품 그리고 관련된 시험법을 포함하고 있다. 지속적으로 남북한 건설 기준·규격을 검토하여 남북한 관련 기준·규격을 연계·통합 작업에 활용할 예정이다. 또한 이 기준·규격 비교 자료는 남북한 인프라 협력 사업 추진 시 계획수립과 설계·시공을 위한 자료로 활용할 수 있으며, 남북한 건설 기술격차 해소에 기여할 것이다. 북한 맞춤형 저비용·장수명 콘크리트 모듈러 교량 시스템 개발 북한의 건설환경, 도로 운송망 여건, 설계기준 등을 반영하고, 북한의 고속도로에 적용하기 위하여 3경간 왕복 4차로의 콘크리트 모듈러 교량을 개발하였다. 교량의 저비용·장수명화·급속시공을 위해 압축강도 120MPa, 수명 200년 이상의 슈퍼콘크리트를 적용하였다. 교량의 상부구조는 미관과 운반성을 고려하여 U-형상의 프리캐스트 거더와 프리캐스트 바닥판으로 설계하였다. 지간장 60m 교량 시스템 설계를 통해 기존 강합성 교량 대비 상부구조 공사비가 거더 공사비는 약 15.7%, 바닥판·연결부를 포함한 상부 전체 공사비는 11% 정도가 절감되는 것으로 분석되었다. 본 기술을 남북한이 합의 한 도로·철도의 현대화 사업에 적용할 경우에는 고속도로상의 교량 상부구조 공사비가 약 1,140억 원이 절감되고, 현대화 사업 확대 시 약 3,540억 원의 절감이 예상된다. 북한 맞춤형 콘크리트 교량에 적용하는 슈퍼콘크리트에 대해 조기 성능을 확보할 수 있도록 사용재료와 배합을 개선하여 1일 강도 향상과 고온양생 기간을 단축함으로써 부재 제작 기간을 기존 일반 PSC 거더교 대비 29% 정도 단축시켰다. 슈퍼콘크리트의 적용을 통해 부재 단면의 축소로 경량화가 가능하고, 긴장재 감소와 연결부 작업 최소화로 현장 가설기간을 일반 PSC 거더교 대비 41% 정도 단축시킬 수 있는 것으로 분석되었다. 북한 맞춤형 콘크리트 모듈러 교량의 제작·가설 등 시공기간은 5.35일로 일반 콘크리트 프리캐스트 교량의 8.25일에 비해 약 35%의 공사기간을 단축할 수 있다. 지간장 30m의 북한 맞춤형 모듈러 교량 시스템 제작·가설을 통해 계획공정 대비 실제 공정±6.7%의 공정 신뢰도를 확보하였다. 또한 최저 –6℃ 기온의 동절기에 부재 제작의 가능성에 대해 검증하였고, 이를 토대로 한중콘크리트(KCS 14 20 40) 공사 기준 온도인 일 평균 기온 4℃ 대비 연간 개성 90일, 평양 85일, 신의주 80일의 추가 공사가 가능한 것으로 분석되었다. 동절기에 제작된 교량 시작품의 구조성능을 평가한 결과, 최대 측정 휨 강도는 20,046 kN·m으로 설계 휨 강도 12,954 kN·m에 비해 약 34%가 증가되어 구조 안전성이 검증되었다. 북한 맞춤형 저비용·장수명 콘크리트 모듈러 교량 시스템을 남북 교류 협력 추진 시 보급·적용할 수 있도록 북한 표준형 모듈러 교량 매뉴얼을 개발하였다. 본 매뉴얼은 북한 고속도로용 경간장 30∼70m 교량을 대상으로 하였고, 북한 설계 기준과 건설환경 조건을 반영하여 교량의 표준단면·부재제작·운반·현장가설·유지관리 방안을 포함하였다. 북한 특화 콘크리트 건축 모듈러 기술 개발 북한 특화 콘크리트 건축 모듈러 기술을 개발하기 위하여 모듈러 패널의 경량화 연구를 수행하였다. 본 연구에서 패널은 일반 콘크리트 패널, 슈퍼콘크리트를 적용한 고강도 패널과 경량 고강도 패널로 구분된다. 표 1과 같이 실험 부재의 주요변수는 콘크리트 종류, 단면크기 및 철근 유무로 설정하였다. 일반 콘크리트 패널은 콘크리트 벽체 설계기준(KDS 1420 72)에 따라 패널 두께와 철근량을 선정하였다. 슈퍼콘크리트를 적용한 패널 단면은 속찬 단면과 속빈 단면으로 구성하였다. 속찬 단면 패널은 공통으로 철근을 배근하지 않았고, 속빈 단면은 단열재 삽입을 통해 경량화시켰다. 경량 고강도 패널의 속빈 단면 패널은 일반 콘크리트 패널에 비해 무게 30%, 패널 두께 49%가 감소하는 것으로 분석되었다. 휨 성능 실험 결과, 경량 고강도 패널의 속빈 단면 패널은 일반 콘크리트 패널에 비해 휨 강도는 약 30% 증가하는 것으로 나타났다. 북한 특화 건축 모듈러의 경제성과 성능을 평가하기 위해 실제 설치된 ‘OOO 마을 정비형 공공주택 건설사업’의 지상 4층 모듈러 주택을 대상으로 하여 제작·운반·설치 등을 고려한 최적 단면으로 시작품을 설계하였다. 그림 7은 북한 특화 건축 모듈러의 경제성 분석 결과와 시작품을 나타내었다. 북한 특화 건축 모듈러의 공사비는 실제 적용된 강구조 건축 모듈러 대비 대략 29.5% 절감이 가능한 것으로 분석되었다. 이 공사비는 강재 가격이 현재의 70% 수준까지 떨어지더라 도 경제성을 확보할 수 있다. 시작품은 콘크리트 단위 모듈(L1.0×H2.9×B3.3m)을 제작하였고, 모듈러를 구성하고 있는 슬래브와 벽체 두께는 최대 수송하중(약 27.5 톤)을 고려하여 120mm를 적용하였다. 시작품 상부 슬래브의 휨 성능 검증을 통해 설계 휨강도 대비 측정 휨강도가 약 17.5% 향상되어 구조성능을 만족하는 것으로 확인되었다. 맺음말 본 연구에서는 남북한 건설 기준·규격을 비교하여, 그 일부를 반영한 건설 규격 비교집을 발간하였다. 또한 북한의 건설환경과 기준을 고려하여 장수명·저비용 모듈러 교량 시스템은 기존 경쟁기술 대비 공사비 약 11% 절감, 공사기간 약 35% 단축이 되고, 최저 –6℃의 기온에서도 부재 제작의 가능성과 구조 안정성이 검증되어 향후 북한의 고속도로 상의 교량 건설 등에서 충분히 적용할 수 있을 것으로 판단된다. 그리고 북한 특화 건축 모듈러 기술은 기존 콘크리트 부재 대비 30% 정도 경량화가 가능하고, 강재 모듈러 기술 대비 공사비는 29.5% 절감되어 향후 북한 개방 시 건축 시장에 충분히 적용 가능성이 입증되었다. 이상의 북한 특화 건설기술과 건설 기준·규격 비교집은 약 300조 원 이상으로 추정되는 북한의 인프라 현대화 시장에서 중국·2022-06-20일본·미국·유럽 등에비해 기술 경쟁력을 확보할 수 있는 주요 기반 기술로 활용될 수 있다. 남북한인프라특별위원회 게시일2022-06-20 조회수 1198

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