KICT 한국건설기술연구원

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• 지하고속도로 국내외 사업추진 및 연구 개발 동향 지하고속도로 국내외 사업추진 및 연구 개발 동향 ▲ 유완규 KICT 지반연구본부 수석연구원 들어가며 수도권 등 국내 주요 대도시권을 중심으로 심화되고 있는 교통정체 해소를 위해서는 도로 신설 및 용량 증대 등 지속적인 사업 추진이 필요하다. 고속도로 측면에서 수도권의 주요 고속도로는 서비스 수준(LOS, Level Of Service) E~F1)로 도로의 용량초과로 인하여 고속도로 기능이 상실된 상태로 보아도 무방한 상태이다. 하지만 지상공간의 물리적 확장공간 부족, 연속류 도로인 고속도로 건설에 의한 도시 단절, 막대한 용지보상 비용 등을 고려할 때 기존의 수평적 확장을 통한 도로 용량 증대는 한계에 직면해 있다. 따라서 고속도로를 포함한 도로 분야의 투자정책은 대도시권의 교통문제 개선과 함께 국토 이용의 효율성을 최대화하기 위한 방향으로 추진 되어야 할 필요성이 높아진 시점이다. 이러한 측면에서 지하공간을 이용한 도로 인프라 확충은 가장 현실적이고 합리적인 대안 중 하나로 고려할 수 있다. 사실 지하도로에 대한 관심은 최근에 갑자기 등장한 것이 아니다. 서울시 U–Smartway 기본계획(2009) 등을 시작으로 현재까지 긴 시간 동안 관심과 함께 논의가 지속되어 왔다. 특히 국내 최초 대심도 지하도로인 신월여의지하도로와 서부 간선지하도로가 각각 2021년 4월과 9월에 개통되어 본격적인 지하도로 시대가 열렸음을 알렸다. 지하고속도로의 경우에는 국토교통부에서 2022년에 발표한 「제2차 고속도로 건설계획(2021∼2025)」에 중점사업으로 반영되었으며, 최근 화성-서울(경부선) 지하고속도로 사업이 예비타당성조사(예타)를 통과(’24. 8.)하는 등 지하고속도로 시대도 곧 도래할 것으로 예상된다. 이러한 시점에서 지하고속도로 사업의 주요사례를 살펴보고 지하고속도로 시대를 성공적으로 맞이하기 위한 기술적 고려 및 준비 사항에 대해서 살펴보고자 한다. 1) 도로운행 상태의 질을 나타내는 지표, A∼F의 6단계로 구분하며 E(용량 상태 불안정 교통류) 수준은 교통류 내의 방향 조작 자유도는 매우 제한되며, 교통량이 조금 증가하거나 작은 혼란이 발생하여도 와해 상태가 발생함. F(강제류 또는 와해 상태) 수준은 도착 교통량이 그 지점 또는 구간 용량을 넘어선 상태이며, 이러한 상태에서 자동차는 자주 멈추고 도로의 기능은 거의 상실된 상태임. 국내외 지하고속도로 사업 추진 현황 도시문제 해결(교통혼잡, 도시공간 부족 등)과 인간 중심 보행환경 및 교통체계 구축, 한정된 지상공간의 효율적 활용 등을 목적으로 하는 도로를 비롯한 교통인프라 지하화 사업은 세계 주요 도시를 중심으로 계획, 진행 및 운영 중이다. 국내에서도 「제2차 고속도로 건설계획(2021∼2025)(국토교통부, 2022)」에 중점사업 3개 노선(경인(인천-서울), 경부(용인-서울), 수도권제1순환(구리-성남))이 반영되어 사업을 추진하고 있으며, ‘양재-고양’, ‘사상-해운대’ 등을 비롯한 지하 고속도로 민자사업도 활발히 추진 중이다(표 1). 특히 국내에서 추진 중인 지하고속도로사업은 표 1에 나타낸 바와 같이 연장 20 km 내외, 길게는 30 km 이상 초장대, 대단면, 대심도 터널로 계획되어 있다. 현재 공용 중인 국내 최장 고속도로 터널인 ‘인제양양터널’의 연장이 약 11 km, 공용중인 지하도로인 신월여의지하도로(서울) 및 서부간선지하도로(서울)와 시공 중인 만덕-센텀 지하도로(부산)의 연장은 모두 10 km 내외이다. 이러한 점을 고려할 때 아직 국내 운전자가 경험해 보지 못한 다수 분합류 구간이 존재하는 20km 이상의 터널 주행 환경에 최적화된 기술(교통안전시설, 방재시설, 편의시설 등) 개발 및 고도화가 필요한 시점이다. 해외에서 지하도로는 미국, 프랑스, 스페인, 일본, 스웨덴 등을 중심으로 1990년대부터 사업이 추진되어 현재 다수 지하도로가 운영 중이다. 다만 국내에서 추진 중인 초장대 지하고속도로 사업과 유사한 사례는 스웨덴 스톡홀름의 E4bypass 프로젝트(터널구간 연장 18.0 km, 시공 중)와 호주 시드니의 웨스트코넥스(WestConnex) 프로젝트(터널구간 연장 19.0 km, 공용 중) 정도에 불과하다(그림 1). 또한 유사사례에 대한 기술 적용 현황(또는 계획) 측면에서도 Bluetooth Waze 내비게이션 기술을 이용한 지하도로 내 측위시스템, 인간공학적 지하도로 내부 조명 및 디자인 적용 외 초장대 도로터널 대상으로 특화된 기술 확보 및 도입이 미흡한 실정이다. 지하고속도로 관련 기술 개발 동향 도심지 대심도 터널 시공 중 안전 및 안정성 확보 측면에서 우리나라는 이미 세계적 수준의 터널 굴착 기술을 확보한 것으로 평가받고 있다. 다수의 지하철 건설과 최근 지하도로 건설 등을 통해 도시지역 하부 지하공간 개발에 대한 충분한 노하우를 축적하였을 뿐만 아니라 해외 사업 수주 등을 통해 기술력의 우수성을 충분히 입증한 바 있다. 하지만 지하고속도로는 대심도 지하공간에 위치한 연장이 매우 길고 폐쇄된 구조물이라는 공간적·구조적 특성 때문에 사고 발생 시 대형 사고로 이어질 우려가 높다. 특히 화재, 침수 등 사고·재난이 발생할 경우에는 막대한 인명 및 경제적 피해를 초래할 위험성을 내포하고 있다. 따라서 발생할 수 있는 재난상황을 예방하는 데 주력해야 하며 화재 발생 시에는 신속한 화재 진압과 이용자 대피가 가능한 시스템을 확보해야 한다는 점은 매우 중요한 사실이다. 최근 전기차 화재 등 차량 화재에 대한 이슈도 무시할 수 없는 부분이며 기후변화에 기인하여 예상치 못한 집중호우 조건에서의 침수 문제 등에 대응할 수 있는 기술적 해결방안도 충분히 검토 및 준비해야 할 부분이다. 특히 단일 노선의 대심도 터널 연장이 약 20~30 km 내외, 사업간 노선이 연계된다면 길게는 약 50 km에 이르는 초장대 지하고속도로의 출현이 예상되므로 이용자인 국민의 안전, 편의 향상 등을 위한 기술 개발과 정책적 해결방안 마련이 필요한 시점이다. 국토교통부와 국토교통과학기술진흥원은 초장대 K-지하고속도로2) 건설 및 운영을 대비하기 위한 기술 확보를 목적으로 국가 R&D 사업을 추진하였으며, 2024년부터 한국건설기술연구원이 주관기관으로 참여하는 ‘초장대 K-지하고속도로 인프라 안전 및 효율 향상 기술 개발(2024∼2028)’ 과제를 진행하고 있다. 본 국가 R&D 사업에서는 크게 ‘핵심1 지하고속도로 안전 확보를 위한 재난·사고 예방·대응 기술 개발 및 실증’, ‘핵심 2 지하고속도로 환경 개선과 교통운영 효율 향상 기술 개발 및 실증’으로 나누고 핵심별 2개, 총 4개의 구성기술(① 지하고속도로 재난·사고 대응 기술, ② 지하고속도로 재난·사고 예방 관리 기술, ③ 지하고속도로 인프라 최적화 및 환경 개선 기술, ④ 이용자 편의 향상 및 교통 운영 효율 향상 기술)을 개발하는 것으로 계획하였다. 앞에서 언급한 바와 같이 초장대 지하고속도로에서의 화재발생은 큰 피해로 귀결될 수 있기 때문에 화재 위험차량은 지하고속도로 진입 전 검지하고 화재 위험요인이 발견된 차량을 위험 수준에 따라서 진입제한 또는 터널 내에서 지속적으로 추적할 수 있는 기술을 확보할 예정이다. 친환경차량 화재에 대한 대응력을 높일 방안으로 친환경차량 화재조건을 고려할 수 있는 정량적 위험도 평가(QRA) 기법과 전기차 화재사고 대응(조기소화, 확산방지 등) 기술도 확보할 수 있도록 계획하였다. 또한 수재해 대응력 확보를 위하여 200년 빈도 강우에 의한 침수상황 발생 시에도 이용자가 안전하게 대피할 수 있는 분산형 집수 및 배수 설계기술과 전기 설비(누설전류 제한 배수펌프 기동반)를 개발할 예정이다. 이 외에도 지하공간인 터널 내부에서 운전자가 지상과 동등한 수준의 내비게이션 서비스를 제공받을 수 있는 기술(정밀위치 측정 및 정보 제공), 장시간 주행하는 운전자를 고려한 내부 공간 인간공학적 최적화 설계(디자인 및 조명 등), 유해물질 저감을 위한 고효율 처리장치 및 모니터링 기술 등 이용자의 안전, 편의, 환경을 고려한 기술을 중점적으로 개발하고 있다. 2) K-지하고속도로: 국내 지하 환경에서 이용자 안전과 편의성을 증진하고 모빌리티 변화에 대응할 수 있는 초광역간 연결, 초대단면(지하고속도로 내 분합류부 편도 4∼5차로 규모) 지하고속도로 지하고속도로 관련 기술 미래 방향 현재는 단일노선 형태의 지하고속도로 노선만 고려한 연구개발을 추진 중인 것이 사실이다. 하지만 지하고속도로(지하도로 포함) 수요 증가에 따라서 다수 지하고속도로가 지상의 도로와 같이 네트워크화된 도로체계를 구축하기 위해 요구되는 기술 수요를 도출하고 선별하여 연구 개발 추진을 준비해야 할 시점이라 하겠다. 또한 현재 진행 중인 R&D 과제에서 포함하고 있는 친환경차량 이용에 대한 조건 외에도 모빌리티 변화에 따른 자율주행차량 및 미래 교통수단에 대한 준비도 병행되어야 할 것이다. 인프라의 이용자는 결국 국민이므로 지하 주행공간이지만 지상공간과 동등한 수준의 쾌적성(노면의 질, 공기질, 폐쇄감 제거 등), 심리적 안정감을 제공할 수 있는 기술 개발에 대한 노력도 지속되어야 할 것으로 생각된다. 궁극적으로는 기술 개발을 통해 지하고속도로 사업의 원활한 추진 및 운영에 기여하게 된다면 지하공간 활용을 통한 교통정체 해소와 함께 지상 환경개선(대기오염, 소음 저감 등) 및 지상공간의 새로운 가치 창출(도시 재구조화 등)로 이어지는 기대 및 파급효과가 발생할 수 있을 것으로 기대된다. 참고자료 국토교통부(2022) 제2차 고속도로 건설계획(2021∼2025). 국토교통과학기술진흥원(2024) 초장대 K-지하고속도로 인프라 안전 및 효율향상 기술개발 연구 개발계획서. 이창희, 이영수(2023) 월간교통, 한국교통연구원, v.301, pp.6-11. WextConnex (2024) https://www.westconnex.com.au/ (31 Ooc. 2024). Trafikverket, Swedish Transport Administration (2024) https://bransch.trafikverket.se/en/startpage/projects/Roadconstruction-projects/the-stockholm-bypass/ (31 Ooc. 2024). 지반연구본부 게시일2025-02-24 조회수 486
• AI 기반 소규모 노후건축물 안전점검 기술을 아시나요? AI 기반 소규모 노후건축물 안전점검 기술을 아시나요? 더 안전하고 정확한 말뚝 시공관리를 위해 - 비접촉식 말뚝 관입량 측정장치를 이용한 기초 품질 관리 자동화 기술 ▲ 서승환 KICT 지반연구본부 수석연구원 말뚝 기초는 하중과 외력을 견딜 수 있도록 땅속 깊이 관입해 아파트, 교량 등 다양한 구조물의 근간이 된다. 이에 따라 말뚝 관입량 측정은 말뚝 시공 품질 관리를 위한 필수적인 측정 항목이다. 특히 스마트 건설이 대두됨에 따라, 측정의 정확도를 높이고 작업자를 안전하게 보호하기 위한 자동화 측정 기술이 필요하다. 비접촉식 말뚝 관입량 측정장치를 이용한 기초 품질 관리 자동화 기술을 간단히 소개해 주세요. 비접촉식 말뚝 관입량 측정장치(KICT Pile driving Monitor, 이하 KPM)는 발광다이오드 센서를 이용해 원거리에서 관입량을 측정할 수 있는 장치입니다. KPM을 활용하면 먼거리에서도 측정이 가능해 항타기 아래에서 직접 작업할 필요가 없어 안전사고 발생의 위험도가 현저히 낮아지고, 관입량과 리바운드 측정값에 대한 신뢰도는 높아진다는 특징이 있어요. 비접촉식 말뚝 관입량 측정장치 연구를 시작하게 된 이유는 무엇인가요? 국내 말뚝 시공 현장에서 지지력을 파악하는 방식은 전체 말뚝의 1∼3%는 항타 시 말뚝의 응력과 가속도를 측정하는 동재하시험이나 말뚝에 실제 하중을 가하여 지지력을 측정하는 정재하시험을 수행하며, 나머지 97~99% 말뚝은 시간과 비용 문제로 항타 관입량을 통해 수행하고 있어요. 말뚝이 충분한 지지력을 갖추게 되면 항타 시 관입되는 양이 줄어 들게 되는데요. 즉 단단한 지반에서는 상대적으로 관입량이 작게 나타나는 거죠. 이 값을 통해 말뚝이 충분한 지지력을 확보했는지 확인할 수 있어요. 현재 97~99%의 말뚝에 행해지는 지지력 파악을 위한 항타 시험 방식은 수기로 이뤄집니다. 수기 방식이란 작업자가 말뚝에 종이와 펜을 대고 말뚝을 때릴 때 말뚝이 땅속으로 얼마나 꿰뚫고 들어가는지 직접 손으로 그려 측정하는 방식이죠. 그러나 이 수기 방식에는 두 가지 큰 문제점이 있습니다. 첫 번째로는 무거운 해머를 말뚝 머리에 떨어뜨려 그 힘으로 말뚝을 땅에 박는 토목 기계인 항타기 아래에서의 수작업이 필요하기에 작업자의 안전 문제가 발생할 수 있다는 거죠. 두 번째로는 수작업으로 진행되기에 인적 오류가 발생할 수 있다는 문제점이 있습니다. 기존 장치에 비해 개발된 장치는 어떤 차별성을 두고 있을까요? 오래전부터 말뚝의 항타 관입량을 인력으로 측정하는 것에 대해 많은 문제점이 제시되었어요. LVDT(Linear Variable Differential Transformer) 활용, 연속적인 관입량을 측정하는 방법, 광학식 변위계나 레이저 센서, 레이저 스캐너 등을 이용하는 방법이 소개되었죠. 하지만 이러한 방법은 작업자의 안정성, 측정 범위의 한계, 주변의 환경적 요인에 의해 오차가 크게 발생하는 등 갖가지 문제점을 안고 있었습니다. 또 대부분의 방법이 현장에서 측정한 데이터를 실내로 이동해야만 해석을 할 수 있었고, 측정값을 통해 지지력을 추정하는 건 불가능했어요. 이러한 문제점을 개선하기 위해 본 장치는 말뚝의 관입량과 리바운드양을 측정하고, 이를 통해 지지력을 추정할 수 있도록 개발되었습니다. 이를 통해 기존 시험 항타 말뚝에 대해서만 알 수 있었던 지지력을 현장 전체 말뚝으로 범위를 확장하여 지지력 관점에서의 시공 품질 관리가 가능해졌습니다. 비접촉식 관입량 측정장치의 개발은 안전하고 신뢰성 있는 말뚝 시공 환경을 조성하는 데 큰 도움이 될 것 같아요. 수기 방식의 문제점을 해결할 수 있을 것으로 기대되는 관련 기술이 또 있을까요? 최근에는 산업체에서 매입 말뚝 측량 장비인 전자 레벨기나 카메라를 활용한 최종 관입량 자동 측정시스템이 개발됐어요. 이 장치는 표식지를 드롭해머에 부착한 후 일정 거리가 떨어진 위치에서 매 항타 직후의 해머 레벨을 측량하여 말뚝의 관입량을 산정하고, 조종석 모니터에서 실시간으로 확인하는 방식인데요. 리바운드양은 측정하지 못하지만, 최종 항타 시 관입량만 검토하는 현재 말뚝 시공관리 방법에서는 비교적 편리하게 현장에 적용할 수 있는 장점이 있습니다. 또한 드럼 해머 시스템 내부의 센서를 기준으로 하강한 램과 케이스의 변위량을 그래프로 나타내어 관입량을 측정하는 장치도 있습니다. 이 장치는 외부에 별도의 측정 장비가 필요 없어 해머의 낙하고를 일정하게 유지할 수 있다는 장점이 있습니다. 반면에 램의 위치 변화를 측정하기 때문에 말뚝 관입량은 측정할 수 있지만 리바운드양은 측정이 어렵다는 단점이 있죠. KPM 기술적 완성도는 어디까지 도달했는지, 또 기술이 사업화된다면 앞으로의 시장 모습은 어떻게 변화할지 궁금합니다. 개발된 비접촉식 말뚝 관입량 측정장치는 시작품 단계에서 현장 측정 성능을 확인하였고, 공인기관의 성능까지 확보했어요. 더불어 다양한 현장 조건에서도 일관된 성능을 발휘하는 것을 확인한 바 있습니다. 현재는 현장 작업자의 사용성을 고려하여 시제품을 제작하고 있고, 올해 하반기에는 말뚝 시공 현장에 시범 적용을 계획하고 있어요. 더불어 사업화 측면에서 볼 때, 이 기술은 건설 현장의 자동화와 안전을 추구하는 세계 동향과 맞물려 시장에서 큰 수요를 창출할 것으로 예상됩니다. 특히, 국내외 건설사와 인프라 프로젝트에서 높은 관심을 보이고 있으며, 이를 통해 글로벌 시장 진입이 가능할 것으로 기대되고 있습니다. 앞으로 이루고자 하는 연구 성과나 목표가 있나요? 앞으로의 연구는 비접촉식 말뚝 관입량 측정장치의 성능을 더욱 향상하고, 다양한 현장 조건에 맞춰 최적화하는데 중점을 둘 거예요. 구체적으로는 말뚝의 관입량, 리바운드 측정과 함께 해머의 낙하고까지 측정될 수 있도록 개발하고 있죠. 이를 통해 말뚝의 시공 품질을 세밀하게 관리하고, 정확한 지지력 추정을 통해 시공비용 절감 효과까지 누릴 것을 기대하고 있습니다. 그리고 온디바이스 AI와 연계하여 보다 컴팩트하고 사용성을 극대화한 장치의 개발을 이루는 것 또한 목표 중 하나입니다. 이를 통해 현장 관리 효율성을 극대화하고, 시공 품질을 실시간으로 모니터링하고 개선할 수 있는 체계를 마련하고자 해요. 궁극적으로는 국내 시장을 넘어 해외 시장에도 진출하여 글로벌 건설 자동화 솔루션의 선두 주자로 자리매김하는 것이 목표입니다. 지반연구본부 게시일2024-11-22 조회수 532
• 건축물 내진설계를 위한 삼축내진말뚝 건축물 내진설계를 위한 삼축내진말뚝 ▲ 김종관 KICT 지반연구본부 수석연구원 들어가며 2017년 발생한 규모 5.4의 포항지진으로 인해 전체 공공시설 644개소 중학교 건물 피해가 235개소로 가장 많았으며, 28,811개소의 주택이 피해를 입었고 이 중 375개소가 전파, 1,055개소가 반파되는 등 매우 큰 피해가 발생했다. 국내 건축물의 내진율은 약 10%로 전체 건축물의 90%가 지진에 취약한 상태이다. 최근 건축물의 기초가 구조부재에 포함되도록 건축구조기준이 개정되어 향후 말뚝기초 또한 건축물 기둥과 같이 구조부재로 간주하여 내진성능을 확보하도록 해야 한다. 이러한 내진성능 확보에 관한 규정은 이미 법적으로 강제되어 있으나 현재 건축물 기초의 내진설계는 적확하게 수행되고 있지 않다. 건축물 기초구조 설계기준(KDS 41 19 00) 에는 말뚝기초에서도 내진 해석을 수행하도록 하고 있으나 비용 증가와 시공여부에 대한 육안 확인 불가 등의 이유로 적극적으로 시행이 이루어지지 않고 있다. 해외 연구사례에 따르면 지진 발생 시 말뚝기초의 전도, 기울어짐 등의 피해가 보고되고 있으나 국내에서는 말뚝기초 내진 설계가 적확하게 수행되지 않는 관행으로 MMI(수정 메르칼리 진도 등급) 5이상의 지진 발생 시 사회적 혼란이 야기될 수 있다. 따라서 지진 시 발생할 수 있는 피해를 예방하기 위한 공법 개발이 필요하다. 이러한 배경으로 개발된 것이 삼축내진말뚝이다. 삼축내진말뚝은 ㈜에스와이텍이 처음 개발한 말뚝으로 그림 1과 같이 세 가지 방향의 경사말뚝의 두부를 서로 이어서 삼각대와 같은 형태를 취한다. 삼축내진말뚝의 정적하중 하에 서의 수평방향 성능은 이미 검증되었으나 동적하중 하에서의 내진성능 및 메커니즘, 그리고 동적하중을 고려한 설계방법 등은 확립되지 않은 상태이다. 따라서 본 연구에서는 중소·중견 기업 수요기반 기술사업화 지원사업을 통해 이러한 문제를 해결하기 위해 삼축내진말뚝의 내진성능을 평가하고 설계안을 마련했다. 동적 원심모형실험을 통한 삼축내진말뚝의 내진성능 검증 삼축내진말뚝의 동적거동을 평가하기 위해 원심모형실험을 통해 마이크로파일을 0°, 15°, 30°의 각도로 설치하고 지진파를 입력하여 그 응답을 확인했다. 원심모형실험은 지반공학 분야에서 자주 사용되는 실험방법으로 실험체를 회전시켜 이때 발생하는 원심가속도를 통해 모형의 응력이 프로토타입의 응력과 같아지도록 모형의 중력을 증가시키고 이를 통해 모형의 크기를 축소할 수 있다. 예를 들어 원심가속도 50g로 회전하는 모델의 1m깊이에서의 응력은 지구 중력에서 50m 깊이의 응력과 동일하다. 삼축내진말뚝의 내진성능 확인을 위해 총 3가지 입력파 (Capetown, San Fernando, ramped sine파)를 사용했다. 단일 말뚝(그림2-ⓐ)의 경우 연직말뚝의 수평변위가 가장 크게 나타났으며, 경사말뚝(15°, 30°)간의 수평변위 차이는 크지 않았다. 다만 수직변위(침하량)의 경우 설치각도 15°가 가장 적게 나타나, 시공성 및 성능을 고려했을 때 설치각도 15°인 삼축내진 말뚝의 활용도가 가장 높을 것으로 기대된다. 단일 말뚝에 이어 그룹 말뚝의 내진성능 평가도 함께 수행하였고(그림2-ⓑ), 단일 말뚝과 동일하게 삼축내진말뚝이 연직말뚝에 비해 수평변위에 대한 저항력이 3배 이상 큰 것으로 나타났다. 원심모형실험 결과를 가속도 및 말뚝의 설치각도 별로 정리하면 그림 3과 같다. 지표면 최대가속도가 커질수록 말뚝 두부에서 발생하는 최대 변위가 점점 커지는 경향을 보이며, 삼축내진말뚝의 경우 설치 각도와 관계없이 연직말뚝에 비해 수평변위가 작게 발생하는 것을 알 수 있다. 이 결과는 동적하중(지진파)에 대해서 삼축내 진말뚝이 연직말뚝에 비해 내진성능이 압도적으로 우수한 것을 나타낸다. 수직변위(침하량)도 연직말뚝에 비해 삼축내진말뚝이 적게 발생하는 것으로 나타나, 수평방향뿐 아니라 연직방향 변형에 대한 성능도 우수한 것으로 나타났다. 삼축내진말뚝 내진성능 평가법 및 설계안 삼축내진말뚝은 기존에 없던 형태이기 때문에 실무에서 사용되기 위해서는 삼축내진말뚝의 내진성능을 평가할 수 있는 평가법이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 동적원심모형 실험과 수치해석 결과를 기반으로 삼축내진말뚝의 내진성능 간이평가법을 제안하였다. 실험 결과, 삼축내진말뚝은 기존 마이크로파일에 비해 지진하중에 의한 말뚝두부의 최대수평 변위를 평균 65.4%, 최대휨모멘트를 평균 74.3% 감소시키는 것으로 나타났다. 이 결과를 바탕으로 다음과 같이 등가 정적해석을 통해 얻은 기존 마이크로파일의 내진성능에 대해 감소계수를 적용하는 간이산정방법을 제안했다. 여기서, : 말뚝두부 최대수평변위, : 말뚝 최대휨 모멘트, CMP : Triaxial Seismic Pile(삼축내진말뚝), TSP : Conventional Micro Pile(기성 마이크로파일)이다. 삼축내진말뚝의 상세한 내진성능 평가를 위해서는 수치해석이 필수적이다. 삼축내진말뚝의 설계 정량화에 있어 가장 중요하나 결정하기 힘든 물성이 말뚝-지반 경계물성이다. 해당 물성은 직접 실험을 통해 산정하는 방법 이외에는 기존 문헌값을 사용해야 하는데, 수많은 경험식이 제안되어 있어 선택에 어려움이 있다. 본 연구에서는 기존에 제안된 경험식을 총 100가지 이상의 조합으로 구성한 후 수치해석을 통해 원심모형실험과 비교를 수행했고 그 결과를 바탕으로 삼축 내진말뚝 수치해석에 가장 적절한 산정식 및 수치해석에 필요한 필수요소의 설정기준 등을 바탕으로 삼축내진말뚝의 설계안을 제안했다. 맺음말 본 연구는 중소·중견기업 수요기반 기술사업화 지원사업의 일환으로 지원기업에서 개발한 삼축내진말뚝의 내진성능을 검증하고 건축물의 내진보강 분야의 시장진출을 지원하고자 수행됐다. 원심모형실험을 통하여 삼축내진말뚝의 지지 메커니즘을 검증했고, 2차원 및 3차원 수치해석을 이용한 모델링 및 내진성능 검증을 통하여 설계 정량화를 위한 변수 연구 수행을 바탕으로 특허를 출원했다. 또한, 동적원심모형 실험 및 수치해석 기반의 변수연구을 통하여 삼축내진말뚝의 설계안을 마련했다. 삼축내진말뚝은 새로운 형태의 건축물 내진말뚝으로 건축물 기초내진설계가 현재는 반영률이 상당히 낮지만, 삼축내진말뚝의 적용을 통하여 건물의 침하, 수평이동, 인접구조물 굴착에서의 문제점 등을 추가적으로 해결할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 삼축내진말뚝은 신설건축물 외에 기존건축물의 보강을 위한 시공도 가능하기 때문에 건축물 기초보강 및 내진보강 현장에 적극 활용할 수 있을 것으로 기대된다. ――――――――――――――――― 참고자료 • 한국건설기술연구원(2023), 건축물 내진성능 확보를 위한 삼축내진말뚝 개선 연구. • 김윤아, 권태혁, 김종관, 한진태, 김재현, 안성율(2023), 원심모형실험을 이용한 그룹 삼축 마이크로파일의 동적거동 평가, 한국지반공학회논문집, 39(12), 93 102 • 전준서, 메론알레바츄메코넨, 김윤아, 김종관, 유병수, 권태혁, 안성율, 한진태(2023), 수치해석을 통한 설치 경사각도에 따른 삼축내진말뚝의 동적 거동특성, 한국지반공학회논문집, 39(11), 41-51. • Kim, Y.A., Han, J.T., Kim, J.H., Choi, D.H., Kwon, T.H. (2014) Seismic Evaluation of Triaxial Seismic Pile according to Angle using Dynamic Centrifuge Test, 8th International conference on earthquake geotechnical engineering, Osaka. 지반연구본부 게시일2024-09-27 조회수 871
• SAR Data 활용 지하 교통 인프라 광역 지반조사 기술 동향 및 적용 사례 SAR Data 활용 지하 교통 인프라 광역 지반조사 기술 동향 및 적용 사례 ▲ 김우석 KICT 지반연구본부 수석연구원 들어가며 일반적으로 도심지 입체화된 지하 교통 인프라는 복잡한 지반의 특성, 인접 구조물의 영향 등으로 인해 많은 불확실한 조건이 존재하고 있어, 지하공간 개발을 위한 건설 및 운영 중의 안전 감시는 중요하게 여겨지고 있다. 건설 중의 위험 예측과 안전한 유지관리 운영은 건설 비용 절감에 유용하므로 보다 효율적인 방법을 모색하는 것이 필요하다. 특히, 합리적인 비용과 정확도가 있는 조사 방법으로 광역적인 지역에 대한 지표상의 지반 및 인프라 시설물의 변화를 모니터링할 수 있다면 좋은 평가를 받을 수 있을 것이다. 최근 세계적으로 네트워크를 통해 대용량 위성 자료(LANDSAT, MODIS, SENTINEL 등)를 획득할 수 있는 체계가 구축되고 있다. 광범위한 지역을 대상으로 위성 원격 탐사 기술 중 하나인 합성 개구 레이더(Synthetic Aperture Radar, SAR) 이미지를 활용하여, 간섭형 합성 개구 레이더(Interferometric SAR, InSAR) 기법을 통해 24시간 고해상도의 다양한 원격 감지가 가능하다. 이 글에서는 이러한 위성 자료의 일종인 SAR 자료를 활용하여 지상에 특별한 장치를 설치하지 않고 광범위한 면적에 대해 공간적 변화 관찰이 가능한 조사 기술의 적용 사례 현황과 미래 방향을 소개하고자 한다. SAR 개념 및 현황 SAR는 항공기나 인공위성에 부착된 레이더 장치로, 고해상도 원격 감지 이미지 생성이 가능하며, 수 센티미터에서 수십 센티미터까지의 마이크로파를 사용하는 능동 원격 감지로, 모든 날씨 조건에서도 관측이 가능한 장점이 있다. 다만, 어느 정도의 정확한 결과물을 얻기 위해서는 복잡한 자료 분석이 필요하다는 것이 마이크로파 원격 감지 사용의 단점이다. SAR 위성의 개발은 미국의 SEASAT이 1978년에 시작하여 자료를 제공하고 있으며, 뒤를 이어 Almaz(소련/러시아), ERS-1(유럽), JERS-1(일본), ERS-2(유럽), RADARSAT- 1(캐나다) 등의 많은 위성이 지구 주위를 돌며 레이더 센서를 탑재하여 SAR 자료를 제공하고 있다. 특히, 유럽우주국 (ESA)에서 운용 중이며 2024년 현재 국내외에서 무료로 많이 활용하고 있는 Sentinel-1 위성의 경우 2개의 위성 중 Sentinel-1B 위성에서의 자료 제공이 종료(2021년 12월 23일)되었으며, Sentinel-1C가 곧 운용될 예정이다. 국내에서는 한화시스템에서 초소형 SAR 위성을 발사하여 상용화 예정이어서 국산 자료의 취득 가능이 임박해 있다. InSAR 기술은 두 개 이상의 레이더 파장이 지표면에서 반사된 후 서로 간섭하는 방식을 기반으로 지표면의 이동이 레이더 파장의 위상에 변화를 일으켜 간섭 패턴의 변화를 생성하게 되므로 이를 통해 지표면의 변화를 계산할 수 있다. 특히, 인공위성 SAR는 고유의 궤도에서 영상을 획득하므로, 두 개 이상의 다른 시점에서 취득한 자료를 기반으로 지표면 변위를 관측할 수 있어 간섭 패턴의 차이를 분석함으로써 지표면의 속도와 방향을 정량화할 수 있다. 이러한 기술은 지진 및 화산 활동, 지표 및 지하 수치 분석 등 지구과학 분야 외에도 지반의 거동 특성 파악 등 다양한 응용 분야에서 활용되고 있다. 국내외 SAR 자료 활용 사례 2014년 미국 시애틀에서는 SR99 터널 건설 중 굴착 사고에 따른 후속 조치를 위해 신규 수직갱이 필요한 상황이 발생하였고, 긴급 굴착에 따른 지하수위의 급격한 변화와 연계한 주변 지표면의 변화가 예상되어 InSAR를 이용하여 지반침하에 대한 모니터링을 수행한 사례가 있다. 일본의 경우 댐의 체적 변위 계측을 통한 댐구조물의 안전성 진단, 활화산의 운동에 따른 용암의 이동 변화 관찰, 지진발생에 따른 지형변화 관찰, 전국 단위 지표변위 검토 등 다양한 분야에서 일찍이 SAR를 활용한 연구가 많이 진행되고 있다. 또한, 인도네시아에서는 지하수위 강하에 따른 도시재 해에 대응하기 위한 모니터링, 섬 지역의 해안선 변화에 대한 모니터링 등에 활용되고 있다. 국내에서는 경상북도와 강원도에서 수집한 SAR 자료를 이용하여 산사태, 수해 등으로 피해를 입은 재난지역에서의 활용 가능성을 분석한 사례가 있으며, 화산 분화 가능성이 제기된 백두산과 한라산의 화산활동 감시를 목적으로 지표변위 예측 및 재난 리스크에 대한 연구를 진행한 사례가 있다. 그 외에 건설교통 분야에서는 지반침하로 인한 고속철도의 재난관리와 관련하여 GIS 활용 고속철도 노선 대상 위험분포지도(Risk map)를 제작하기 위해 주요 위험 구간에 대한 SAR 자료를 활용한 지반침하 분석을 수행 한 사례가 있다. 또한, 철도 시설물에서 침하 및 틀림에 의한 사고 발생 방지를 위한 적정 수준의 변형을 유지하기 위해 궤도, 사면, 구조물 구역의 변위량을 분석하여 광범위한 인프라 시설에 모니터링을 위한 기법으로 활용 가능하다는 것을 확인한 사례도 있다. 한국건설기술연구원에서는 2015년부터 2020년까지 수행한 지반안전연구단(연구단장: 백용 선임연구위원)에서 지반함몰 위험성 예측 및 평가 기술개발을 위한 연구과제를 수행하였다. 그 결과물의 하나로 지반침하 위험성 예측을 위해 SAR 자료를 활용한 사례가 있다. 이 연구에서는 국내 주요 도시 전체를 대상으로 SAR 자료 활용 시계열 분석을 수행하여 인프라 구조물(지하철 노선, 지하도로, 지하 터널, 교량의 교각부)에서 변위가 발생함을 확인할 수 있었다. 또한, 2020년부터 2024년까지 도심 지하 교통 인프라 건설 및 운영 기술 고도화 연구단(연구단장: 김창용 선임연 구위원) 과제에서는 지하 교통 인프라 안전 건설을 위한 조사 부분에 있어 SAR 자료를 활용한 지반조사 기법을 도입하고자 지표변위 모니터링에 대한 적용 가능성 연구를 수행하고 있다. 부산 지역의 만덕-센텀 지하차도 및 수도권 GTX-A 일부 노선을 대상으로 노선상의 굴착 심도 고려 모니터링 범위 설정을 적용하여 시계열 분석을 통한 지표 변위에 관한 결과를 도출하였다. 건설·교통 분야 적용 미래 방향 일반적으로 지하 교통 인프라 건설지를 대상으로 지표변위를 관측하기 위해서는 변위계, 경사계, 침하계 등의 현장 단 위 변위 계측장비와 범지구 위치 결정 시스템(GPS)과 같은 측위 장비를 통해 관측할 수 있었다. 이제는 SAR 자료를 활용한다면 더 광역적이면서도 밀리미터 단위까지 장기간의 지표변위까지도 모니터링이 가능할 것으로 예상된다. 향후, 건설·교통 분야에서 InSAR 기법 활용을 위해서는 현재 단점으로 부각되고 있는 실시간 또는 원하는 시점의 자료제공 불가능, 원자료의 후처리 소요시간, 정밀한 분석을 위한 필수 해석프로그램의 높은 가격 등의 극복을 위해 라이다(LiDAR) 또는 실시간 영상정보(일명 CCTV 정보) 등 동일 목적 유사 정보와의 중첩 분석 기술, 건설 분야 맞춤형 SAR 자료 해석 모듈, 지하 터널 굴착 실계측자료 연동 지표변위 예측 모델, 누적 SAR 자료 시계열 분석 결과 기반의 근미래 지표 변위 예측 모델, 인프라 시설물 설계-시공-운영 단계별 통합 지표변위 통합관리 시스템 등 관련 기술 개발이 필요하며, 이를 통해 국가 인프라 디지털화 및 재해 예방을 통한 국민 안전 확보 등에 이바지할 수 있을 것으로 생각된다. ――――――――――――――――― 참고자료 • Hanssen, R.F.(2001) Radar interferometry: Data interpretation and error analysis (Vol. 2), Springer Science & Business Media, 308p. • MDA.(2018) INSAR Monitoring of Land Deformation, https:// mda.space/en/ • P.E. Yastika, N. Shimizu and H. Z. Abidinc. (2019) Monitoring of long-term land subsidence from 2003 to 2017 in coastal area of Semarang, Indonesia bySBAS DInSAR analyses using Envisat ASAR, ALOS PALSAR, and Sentinel-1A SAR data, Advances in Space Research, v.63, pp.1719-1736 • Shimizu. N.S.(2019) 時空間切れ目のない変位モニタリングにお 3(GPS,SAR) 1,, no.402, pp.3-9 (InJapanese). • TRE ALTAMiRA.(2021) https://site.tre-altamira.com/insar/ (20 Dec. 2021) 지반연구본부 게시일2024-05-20 조회수 1379
• 앙코르 유적 복원에 나선 한국 건설기술의 저력 앙코르 유적 복원에 나선 한국 건설기술의 저력 ▲ 정재형 KICT 지반연구본부 연구위원(캄보디아 앙코르 유적 보존 지반 연구팀) 불과 20~30년 전만 해도 대한민국의 건설기술 경쟁력은그다지 높지 않았다. 장대교량이나 터널 공사와 같은난공사를 진행하기 위해서는 국내 건설기술로는 역부족한상황이었다. 그러나 최근 전 세계에서 대한민국 건설기술의위상이 드높아지고 있다. 첨단 공법을 통해 미래 기술 개발에앞장서며 K-건설의 위상을 구축해 나가고 있는 것. 이러한기술 발전을 통해 대한민국은, 이제는 도움을 받던 나라에서도움을 주는 나라로 전 세계 건설기술에 귀감을 주고 있다.한국건설기술연구원이 참여하고 있는 ODA(공적개발원조)사업도 그 일환 중 하나다. 앙코르와트 유적 보존을 위한 협력 ODA는 개발도상국의 경제 발전과 사회 복지 증진을 위해,정부나 공공기관이 제공하는 원조를 의미한다. 여기에는 단순 물품 공여뿐만 아니라, 개발도상국의 산업 기술 역량을증진하기 위한 기술 노하우 전수, 연구 인프라 구축, 기술 지도 등의 내용도 골자로 한다. 한국건설기술연구원의 ODA 사업은 이미 오래전부터 시작됐다. 건설기술과 관련한 다양한 기술력을 개발도상국에 지원함으로써 협력을 공고히 하고 있을 뿐만 아니라, 국내 연구성과를 국외에 속속들이 전파하고 있다. 최근에는 한국국제협력단(KOICA)의 ODA 사업을 통해 캄보디아 앙코르 지역내에 있는 ‘프레아피투 사원’과 ‘코끼리 테라스’를 보존·복원하는 사업에 참여했다. 캄보디아에서 관광산업은 가장 중요한 산업 중 하나다. 관광산업이 국내 총생산(GDP)의 약 12%를 차지할 뿐만 아니라매년 660만 명 이상의 관광객이 캄보디아를 방문하고 있어,캄보디아는 관광 자원을 경제 성장의 핵심 성장동력으로 여기고 있다. 그중 관광객이 가장 많이 찾는 앙코르 지역은 소중한 관광 자산이라 할 수 있다. 그러나 최근 앙코르 지역의환경적 특성으로, 문화유산이 훼손되고 있다. 앙코르 지역의가장 큰 문제는 지반이다. 우기에는 배수가 원활하지 않다.게다가 점토질 모래층이 두껍게 분포해 있는데 이 모래층은단단하지 못해 하중을 잘 견디지 못한다는 특징이 있다. 이러한 지반 조건 때문에 우기에는 코끼리 테라스 구조물이 불규칙적으로 침하하는 현상이 반복적으로 발생했고, 이는 구조물이 기우는 문제를 야기했다. 한국건설기술연구원이 참여한 ODA 사업은 앙코르 지역에위치한 프레아피투 사원과 코끼리 테라스를 대상으로 한 복원 정비 사업이다. 붕괴 위험에 처한 유적을 복원하고, 캄보디아 현지 기술자에게는 문화 유적을 복원하는 데 필요로 한역량을 강화하는 기술력을 지원하는 것을 목표로 했다. 세상에서 가장 강력한 K-맨파워 본 과업의 성공적인 수행을 위해, 한국건설기술연구원은 국내외에서 지하수와 지반 관련 유수의 경험을 수행한 연구자를 투입했다. “5개 기관이 참여한 가운데, 한국건설기술연구원은 지반과지하수 관련 분야를 맡게 됐어요. 본 과업을 위해 지반연구본부와 수자원하천연구본부에서 사업 경험이 풍부한 인력들로 전담팀을 구성했습니다. 지반 조사를 비롯해, 복원 공사가 완료된 후에도 구조물이 다시 침하하지 않도록 하는 복원공사를 지원하기 위해 다수의 전문가가 투입됐습니다.” 연구책임자인 이광우 연구위원의 경력만 해도 화려하다. 국내뿐만 아니라 해외까지 유수의 경험을 겸비했다. 석굴암·첨성대·월정교와 같은 문화유산을 보전하기 위한 연구 수행만 10건이 넘는다. 게다가 한국건설기술연구원의 ODA 사업 시초였던 라오스 해외 문화유산 복원 사업에도 그가 필두에 있었다. 지반 분야에서는 정재형 연구위원이 투입됐다. 지반 분야뿐만 아니라, 지하수·폐기물매립 분야의 전문가로서 참여했으며 또 한편으로는 팀의 리더로서 다양한 역할을 수행했다. 지반연구본부의 핵심 연구자인 김우석·박병석·황성필 박사도 본 사업에 참여하며 현지 지반 조사와 현지인을대상으로 한 기술 교육을 성공적으로 이끄는 결정적인 역할을 했다. 수자원하천연구본부에서는 장철희 박사와 김덕환 박사가 참여했다. 특히 강우 특성이 앙코르 지역의 문화유산에 미치는영향 등을 효과적으로 검토했다. 현지 사정에 맞춘 건설기술 제시 한국건설기술연구원은 캄보디아 문화유산 복원에 많은 기술적 역점을 제시했다. 유적지의 지질과 지층 분포상태를 조사하고, 지반 안정성을 평가해 기울어진 구조물을 보강하는 방안을 제시했다. 특히 그 과정에는 유적지라는 특징을 고려해‘지반 비파괴 탐사법’을 주로 활용했다. 지반을 비파괴적으로조사하는 물리적 탐사 비법이다. ‘전기비저항탐사법’도 동원됐다. 이는 지하에 전류를 흘려주고 이때 발생한 전위를 측정해 지하의 전기저항 분포를 알아내는 탐사법이다. 이를 바탕으로 지반 상태를 추정할 수 있다. 지하에 탄상파를 발사하고, 그 반사되는 파를 분석해 지반 상태를 알아보는 ‘지표투과레이더법’도 활용됐다. 한편 지하수위계와 강우량계를설치해 새로운 지표 배수 체계를 제안하기도 했다. 지난한 과정을 거쳐 기술을 캄보디아에 성공적으로 안착시켰지만, 기술적 난제보다 더 큰 문제는 다른 곳에 있었다. 열악한 현지 상황이었다. 우기에는 작업을 진행할 수 없었고, 게다가 뜨거운 기온은 연구자들을 지치게 했다. 그럼에도 현지에서 만난 작업자들은 이러한 어려움을 극복하게 해주는원동력이 되어주었고, 덕분에 기술 지원을 성공적으로 수행했을 뿐만 아니라 이는 현지 언론에까지 소개되며 국내 건설기술의 저력을 보여주기도 했다. ODA 사업을 통해 일궈낸 성과를 기반 삼아, 한국건설기술연구원은 더 큰 내일을 향해 나아갈 예정이다. 건설현장에서문화유산이 발견되는 사례가 종종 있다. 이는 공사를 중단하게 하거나 혹은 건설 활동에 많은 제약을 주는 요인으로 작용하기도 한다. 그만큼 문화유산과 건설은 서로 가까우면서도 먼 사이인 것이 현실이기에, 타협과 균형이 필요하다. 한국건설기술연구원은 캄보디아에서처럼 전 세계 현지에서의경험을 발판 삼아, ‘건설현장’과 ‘문화유산 발견’의 이견을 좁히는 방안을 계속해서 발굴하는 한편 상호 균형을 바탕으로공동 연구가 펼쳐질 수 있도록 이끌어갈 예정이다. 그 중심에도 역시, 한국건설기술연구원이 있을 것이다. 지반연구본부 게시일2024-04-29 조회수 607
• 열수송관 성능개선을 위한 의사결정 시스템 개발 열수송관 성능개선을 위한 의사결정 시스템 개발 ▲ 공명식 KICT 지반연구본부 전임연구원 들어가며 1980년대 후반부터 서울과 수도권 신도시 지역을 중심으로 보급되기 시작한 지역난방시스템은 열펌프, 열교환기 등 열원시설과 열수송관, 순환펌프 등 열수송시설로 구성되어 있다. 이중 열수송관은 핵심적인 열수송시설로 주거 및 상업용 건물에열에너지를 공급하기 위해 도심지 지하에 매설되어 있다. 고온(최대 120℃), 고압(최대 16bar) 조건에서 운영되는 열수송관의 안전성 향상을 위해 지난 30년간 소재 개발, 시공기술 발전이 진행되어 왔다. 다만, ’80~’90년대 시공된 열수송관의 노후화와 당시 소재·시공기술의 단점으로 인해 최근 지속적인 파손·누수사고가 발생하고 있다.열수송관 파손에 의한 피해를 근본적으로 줄이기 위해서는 파손에 의한 피해를 증가시키는 원인(공급온도, 압력 등)을 줄이거나, 파손가능성을 사전에 인지하고 대응하는 것이 필요하다. 전자의 경우 유럽에서 적용 중인 4세대 지역난방 기술(저온,저압)을 도입함으로써 해결할 수 있다. 그러나 저온, 저압조건의 열수송관 운영 시스템을 구축하기 위해 필수적인 열교환성능 향상 기술은 아직 미흡하여 단기간 내 실현 가능성이 낮은 것이 현실이다. 따라서, 열수송관의 파손 가능성을 정량적으로 분석하여 선제적으로 개선작업을 진행하기 위한 의사결정 도구가 필요하다. 한국지역난방공사, GS파워㈜ 등 대규모 집단에너지 사업자들은 자체적으로 구축한 열수송시설 통합정보 및 유지관리 시스템을 통해 시설물 설계, 시공, 유지관리 과정에서 수집되는 정보를 정형화된 디지털 데이터로 관리하고 있다. 구축된 데이터베이스를 기반으로 열수송관의 파손가능성을 정량적으로 분석하는 평가모델을 통해 위험도가 높은 구간을 선별하고, 해당 구간에 대한 성능개선 여부를 판단하는 의사결정 모델을 도입하고 있다. 이 글에서는 지역난방시스템을 40~50년 이상 운영해 온 유럽 선진국의 시스템 운영기술 현황과 국내 집단에너지 사업자들이 열수송관 등 시설물 성능개선을 위해 도입한 의사결정시스템, 그리고 기반시설관리법과 연계한 열수송관 성능평가및 성능개선의 미래 방향성에 대해 소개하고자 한다. 유럽 선진국의 지역난방시스템 운영 및 기술개발 현황 독일, 네덜란드, 오스트리아 등 유럽 선진국은 최소 30년 이상의 지역냉난방시스템 운영 노하우를 보유하고 있으며, 저비용·고효율의 4세대 지역난방 기술을 10년 이상 연구하는 등최신 지역난방 기술을 선도하고 있다.독일 지역난방협회(AGFW)에서는 자산관리도구를 통해 재고관리, 통계적 노후화 모델 및 재료(관종 등) 기반의 서비스 수명 모델 등을 활용하고 있으며 이를 바탕으로 지역난방시스템유지관리 전략을 수립하고 있다. 특히 열수송관의 잔존 수명예측의 정확도와 운영 데이터의 적합한 처리를 위해 노력하고있으며 유럽 또는 독일 내 기후목표 달성을 위해 시스템 평가기준을 강화하고 있다. 독일의 지역난방사업자들은 비용 측면에서 효율적인 열공급시스템을 운영하기 위해 관경과 압력을조절하여 소비자에게 적정한 수준의 유량을 공급하고 있다.단, 유량과 소비자 연결(Service Connection) 개수 및 공급온도와의 상관성을 고려하고 있으며, 특히 4세대 지역난방에 따른 저온수 공급으로 세밀한 운영 노하우가 필요한 상황이다.이에 지난 1년간의 운영데이터를 기반으로 열부하와 온도 변화를 조사하여 개별적, 종합적인 열공급 시스템 운영 방안을 마련하고 있다.독일 율리히연구소(Forschungszentrum Jülich)에서는 열공급뿐만 아니라 전력, 가스 공급체계를 통합한 스마트 에너지 그리드를 운영하여 개별적인 공급체계 운영 시에는 고려할 수 없었던 시너지 창출 효과를 기대하고 있다. 이를 위해 각기 다른 공급체계를 운영할 경우와 통합 공급체계를 운영할 경우를상정하여 각각에 대한 모델링 및 시뮬레이션이 가능한 도구(HeatNetSim)를 개발하였다.네덜란드에서는 기존 천연가스를 활용한 열공급시스템의문제점을 분석하여 지역난방시스템 고도화를 위한 모델(Dynamic GROW)을 개발하였다. 해당 모델은 열수송관의 크기와 배치, 생산주기 등을 전략적으로 구성하기 위해 물리적·비용적 측면을 모두 고려하고 있다.오스트리아 최대 규모의 비영리 연구소인 오스트리아 기술연구소(AIT)에서는 가상의 지역 간 열전달 네트워크(HTN)를구성한 후 각 지역에서 발생한 재생 가능한 열원, 지역 내열공급 네트워크, 열저장 설비를 상호 연결한 경우(연결률90%)와 지역별로 개별적인 지역난방시스템을 운영한 경우각각에 대해 위험 저감 효과를 분석하였다. 그 결과, 지역 간열전달 네트워크를 통해 각 지역이 분리되었을 때 발생할 수있는 위험률(열공급 중단 등)을 저감하는 효과가 나타났다.유럽 기술개발 사례를 통해 에너지 절약과 4세대 지역난방을 결합함으로써 재생에너지를 활용한 저온 열원의 활용성을 향상시키고 고온, 고압조건의 열수송관에 의한 파손피해를 저감할 수 있을 것으로 판단된다. 국내 열수송관 의사결정 시스템 도입 현황 국내 최대 규모 지역난방시스템을 운영 중인 한국지역난방공사는 한국건설기술연구원과 열수송관 건전화 사업 추진방안 연구(2017~2020), 안전관리 기술정보 공유 및 기술교류 업무협약 체결(2021) 등 지속적으로 현장데이터 공유 및의사결정 기술 개발 현장 적용을 통한 협력사업을 이어 나가고 있다. 특히 열수송관을 포함한 열수송망 통합관리시스템인 ‘한난맵’을 2021년부터 운영하여 관리대상 시설물 정보를 손쉽게 파악할 수 있도록 하였으며, 한국건설기술연구원에서 제공한 열수송관 위험예측 기반 의사결정 지원 모델을한난맵에 적용하여 성능개선구간 선정기준으로 활용하고 있다. 이 외에도 GS파워㈜, 서울에너지공사 등 타 지역난방 사업자들 역시 한국건설기술연구원의 위험도 분석 모델을 도입하여 고위험구간 선정 등 의사결정에 활용하고 있다. 열수송관 성능평가 및 성능개선 미래 방향 수도, 전기, 가스 등과 같은 유통·공급시설에 포함된 열수송관은 ‘지속가능한 기반시설관리 기본법(이하 기반시설관리법)’에 따라 안전성, 사용성, 내구성 등을 종합적으로 고려하여 선제적으로 관리해야 하는 기반시설물 15종에 포함되어 있다. 기반시설관리법에서는 시설물의 유지관리 및 성능개선을 위해 최소유지관리기준(동법 제11조), 성능개선기준(동법 제13조)을 설정하고 성능평가(동법 제12조)를 실시해야 함을 명시하고 있다. 해당 법률에 따라 시설물별로 진단 및 평가 기준을 마련해야 하며, 한국에너지공단의 주도로 열수송관 역시 2024년 말까지 성능평가 기준을 마련하기 위한 정책연구를 진행하고 있다. 단순히 장기간 사용된 열수송관의 노후화만을 고려해 사용기간에 따라 성능개선 대상을선정하던 과거의 평가방식에서 벗어나기 위해서는 성능평가기준 수립 시 데이터 기반의 위험도 분석 모델이 반영되어야하며, 이를 통해 파손 사고가 발생하기 전에 선제적인 시설물 개선이 이루어져야 한다. 또한 4세대 지역난방 도입에 필요한 열교환설비 고도화 및 운영 노하우 습득을 위해 유럽과의 지속적인 기술 교류가 필요할 것으로 판단된다. ――――――――――――――――― 참고자료 • K e r s t i n S e r n h e d a n d M i k a e l J o n s s o n ( 2 0 1 6 ) , R i s kmanagement for maintenance of district heating networks,The 15th International Symposium on District Heating andCooling, Seoul, South Korea, pp.381~393. • Kong, M. S. and Kang, J. M. (2021), Methodology for Estimatingthe Probability of Damage to a Heat Transmission Pipe,Journal of the Korean Geo-Environmental Society, Vol.22,No.11, pp.15~21 (In Korean). • Nicolas Marx ( 2023), Heat transmission network designoptimization and robustness analysis for a case study inTyrol, 9th International Conference on Smart Energy Systems,Copenhagen, Denmark, pp.103-104. • Stefan Hay, Heiko Huther, Sebastian Grimm, PakdadLangroudi, Ingo Weidlich, Ingo Kropp ( 2023), SustainableAsset Management District Heatinga Future Perspective,9th International Conference on Smart Energy Systems,Copenhagen, Denmark, pp.340-341. 지반연구본부 게시일2024-02-22 조회수 995
• 비접촉식 관입량 측정 장치를 활용한 스마트 말뚝 시공관리 기술 개발 비접촉식 관입량 측정 장치를 활용한 스마트 말뚝 시공관리 기술 개발 ▲ 서승환 KICT 지반연구본부 수석연구원 들어가며 국내에서 PHC 말뚝(Prestressed High-strength Concrete pile)과 같은 기성말뚝은 기술 발전으로 초고강도 및 복합 말뚝 등의 형태로 발전하였고, 그 활용도는 날로 증가하고 있다. 반면에 말뚝의 시공관리에 있어서는 동재하시험이나 정재하시험의 횟수 등 제한된 관리 규정만 있으며, 전체 말뚝에 대한 시공관리 방법은 명확하게 규정되어 있지 않다. 국내 대부분의 기성말뚝 시공현장에서는 전체 물량의 1%에서 최대 3%의 말뚝에 대해 동재하시험을 수행하여 지지력을 확인한 후, 말뚝의 최종 관입량(Set value)을 측정하여 관리 기준값으로 설정한다. 이후 나머지 97～99%에 해당하는 말뚝은 시공 직후 최종 관입량을 측정하여 관리 기준값과 비교 후 적정성을 판단하고 있다. 최근에는 도심지 내 공사가 늘어나면서 소음, 진동 문제로 인해 항타말뚝 대신 매입말뚝의 적용이 증가하고 있다. 국내 매입말뚝 시공방법은 선 굴착 후 최종 항타공법이 대부분으로 실제 매입말뚝 시공관리 또한 드롭해머를 이용한 최종 단계의 항타 관입량으로 관리하는 것이 일반적이다. 최종 항타 시 관입량 및 타수의 측정은 오래전부터 수기 측정방식에 의해 이루어지고 있다(Ha et al., 2003; Yun et al., 2005). 이러한 수기 측정에 의한 방법은 이상적인 환경에서의 측정이나 작업자가 작업 내용을 충분히 이해한 후 최대한 주의를 기울여서 실수를 최소화할 때 정확한 계측치로 볼 수 있다. 하지만 수기 측정 방법에 대한 표준화 및 기준이 없고, 수작업으로 인해 기록지 판독이 어려운 경우도 많다. 측정 신뢰도뿐만 아니라 작업자의 안전성에도 문제가 된다. 인력에 의한 관입량 측정 시 상부 오거(auger)에 붙어있는 굵은 점토와 자갈 덩어리 및 항타기 부속물 등의 낙하로 인해 큰 인명피해를 유발할 수 있다. 이에 항타 시공 시 항타 관입량의 측정 신뢰성과 측정 시 작업 안전성을 확보하기 위해 인력이 아닌 기계를 활용한 자동계측 방법이 요구되면서 이에 대한 다양한 연구가 수행되어 왔다. 이 글에서는 비접촉식 관입량 측정기술 개발 현황을 살펴보고이러한 비접촉식 관입량 측정 장치를 활용하여 항타공식의 신뢰성 향상 방법에 대해 소개한다. 비접촉식 관입량 측정기술 개발 현황 오래전부터 항타말뚝에서 인력에 의해 관입량을 측정하는 문제점들에 대한 논의가 시작되었고, LVDT(Linear Variable Differential Transformer) 이용, 연속적인 관입량을 측정하는 방법, 광학식 변위계나 레이저 센서, 레이저 스캐너 등을 이용하는 방법들이 소개되었다. 하지만, 이 같은 방법들은 작업자의 안전성, 측정범위의 한계, 주변의 환경적인 요인에 의한 오차가 발생하는 등 많은 문제점을 안고 있다. 또한, 대부분의 방법이 현장에서 계측한 데이터를 실내로 이동, 해석을 진행해야 하는 번거로움이 있었다. 이를 개선하기 위하여 국내 산업계 및 연구소 등에서는 원거리에서 카메라를 이용한 비접촉식 실시간 항타 관입량 측정장치들을 개발하였다. 표 1은 대표적인 항타 관입량 측정 자동화 기술 특징을 나타낸 것이다. 2000년대 중반에는 말뚝에 특수 고안된 표식을 부착하고 디지털 라인스캔 카메라를 이용한 비접촉식 변위측정 장치인 항타품질 분석시스템이 개발되었다. 이후 2010년대 초반에 디지털 영상기법을 활용한 말뚝품질 관리 시스템에 관한 연구개발이 시작되었다. 개발된 두 영상장치 모두 인력에 의해 측정되는 관입량에 비해 우수한 정밀도와 정확도를 제공하였지만, 실제 현장 사용성 등의 한계로 활발한 적용으로 이어지지는 못하였다. 최근에는 매입말뚝 측량장비인 전자레벨기를 활용한 최종관입량 자동 측정시스템이 산업체로부터 개발되었다. 이 장치는 레벨측량 표식지를 드롭해머에 부착하고 일정 거리가 떨어진 위치에서 매 항타 직후 해머의 레벨을 측량하여 말뚝의 관입량을 산정하면 조종석 모니터에서 실시간으로 확인하는 방식이다. 리바운드양은 측정하지 못하지만, 최종 항타 시 관입량만 검토하는 현재 말뚝 시공관리 방법에서는 비교적 편리하게 현장에 적용할 수 있다. 한편, 말뚝의 관입량 자동 측정을 위해 일체형 드롭해머 장치가 개발되기도 하였다. 이 장치는 드롭해머 시스템 내부의 센서를 기준으로 하강된 램과 케이스의 변위량을 그래프로 나타내어 관입량을 측정하도록 되어 있다. 외부에 별도의 측정장비가 필요 없고, 시스템적으로 해머의 낙하고를 일정하게 유지할 수 있는 장점이 있다. 반면에, 램의 위치변화를 측정하기 때문에 말뚝 관입량은 측정할 수 있지만 리바운드양은 측정이 어렵다. 하지만 이러한 방법은 말뚝의 변위를 직접 측정하는 것이 아닌 해머와 케이싱의 변위를 측정하는 방법으로 관입량 이외의 말뚝 리바운드양을 정확하게 산정하기에는 근본적으로 한계가 있다. 국외에서 항타 관입량을 측정하는 기술로는 대표적으로 호주에서 개발한 PDM(Pile Driving Monitor)이 있다. PDM 장비는 말뚝에 반사테이프를 붙이고 일정 거리 이상 떨어진 위치에서 광학렌즈 장치를 이용해 항타에 의한 반사테이프의 움직임을 실시간으로 기록함으로써 말뚝의 관입량과 리바운드양을 측정할 수 있다. 이렇게 측정된 관입량과 리바운드양은 동재하 공식을 이용하면 매 항타 시 지지력을 추정할 수 있다. 이러한 장치를 활용하여 미국 오하이오주에서는 말뚝 설계 시 모든 말뚝을 PDM을 이용해 관리하면 저항계수를 크게 적용할 수 있도록 하였고, 호주 퀸즐랜드주에서는 말뚝의 시공관리에 있어서 일부 말뚝에는 동재하시험(PDA)을 수행하고 나머지 모든 말뚝에는 비접촉식 관입량 측정 장치를 이용해 관리하도록 설계 매뉴얼에 표기되어 있다. 비접촉식 관입량 측정 장치를 활용한 항타공식의 신뢰성 향상 방법 항타공식(driving formula)은 말뚝의 항타 시공 시 해머로부터 말뚝에 전달되는 항타에너지와 항타에 의해 말뚝이 지반에 관입되는 관입량 사이의 관계로부터 말뚝의 동적지지력을 추정하는 방법이다. 항타공식으로 지지력 산정 시 반드시 들어가야 하는 요소가 관입량(s)과 리바운드양(c)이다. 그러나 현재 국내 대부분 현장에서는 최종 관입량을 인력으로 측정하거나 측정 정확도 및 신뢰도가 낮은 방법을 통해 측정하여 정확한 관입량 측정이 어렵고, 특히 리바운드양은 측정이 불가능한 경우가 많다. 인력으로 측정 시에는 드롭해머를 사용하는 매입말뚝의 경우 관입량 측정값의 정확도가 떨어지고, 리바운드양을 측정함에 있어서는 그 정확도가 현저히 저하된다. 최근 국내에서 개발된 관입량 자동측정장비들은 말뚝의 관입량 측정에만 초점을 맞추어 리바운드양 측정이 불가능하거나 신뢰성에 문제가 있을 수 있다. 따라서, 정확한 리바운드양을 측정하기 위해서는 항타 시 말뚝 자체의 움직임을 광학렌즈 또는 고속카메라 등을 활용하여 산정한 리바운드양을 적용할 경우 신뢰도가 높아진다. 최근 한국건설기술연구원에서 개발한 KPM(KICT Pile driving Monitor) 장비는 매 항타 시 정확한 관입량 및 리바운드양 측정이 가능하여 항타공식에 적용 시 추정 지지력의 신뢰도를 향상시킬 수 있다. KPM 장치에서는 말뚝의 움직임과 관련하여 관입량(Set), 리바운드양, 그리고 관입량과 리바운드양의 합인 DMX 값을 제공한다. 동재하시험으로부터 얻은 지지력과 항타공식으로부터 얻은 지지력은 근본적으로 차이가 발생하며, 이 차이는 말뚝의 관입량에 따른 함수를 통해 확인할 수 있다. 따라서, 시공 시 동재하시험으로부터 얻은 지지력과 항타공식으로부터 얻은 지지력과의 관계를 확인하여 항타공식에 보정을 해주면 항타공식으로부터 말뚝의 지지력을 산정하는 데 신뢰도를 향상시킬 수 있다. KPM 장비에서는 이와 같은 관계를 동적감쇠계수(dynamic reduction factor, χ)로 표현하였다. 이 계수는 테스트 시 전체 저항에서 정적 성분을 추정하기 위해 동적지지력 공식에 적용할 수 있으며, 동재하시험을 통해 시험 말뚝의 CAPWAP(Case Pile Wave Analysis Program) 정적 저항과 Hiley 공식으로 산정한 저항 추정지를 나누어 표현한다(Seo et al., 2022). KPM의 큰 장점은 매 항타 시 실시간으로 정확한 관입량과 리바운드양의 정량적 측정이 가능하고, 보정계수를 통한 동적항타 공식의 신뢰도를 높일 수 있다. 초기 프로그램 세팅에서 EMX 값과 보정계수 값을 입력하면 매 항타 시 측정되는 관입량과 리바운드양을 이용하여 항타 당 지지력평가가 자동으로 이루어질 수 있다. 이때 지지력 식에 DMX와 보정계수를 도입하면 최종적으로 다음과 같은 변형된 항타공식(Modified Hiley Equation) 식(1)과 같이 나타낼 수 있다. 그림 1은 현장 실험을 통해 시험 말뚝에 대한 보정계수를 통해 변형된 항타공식을 적용한 경우의 결과를 나타낸다. 보다 상세한 도출 과정은 Seo et al.(2022)에 기술되어 있다. 맺음말 한국건설기술연구원에서는 비접촉식 말뚝 관입량 측정 장치 개발 및 이를 활용한 동적항타공식의 신뢰성 향상을 위한 연구를 수행하고 있다. 비접촉 방식의 관입량 측정 장치는 작업자의 안전 확보 및 측정 신뢰도 향상을 위해 반드시 도입이 필요하며, 특히 관입량과 리바운드양을 모두 측정하는 것이 장치의 활용도를 높일 방법으로 판단된다. 이를 위해서는 항타 패턴이 정확히 분석될 수 있도록 높은 샘플링과 진동 영향을 최소화하기 위한 조치가 필요하다. 지금까지 항타공식으로 말뚝의 지지력을 산정하는 방법은 그 신뢰도가 낮은 것으로 인식되어 왔으며, 안전율을 일반적인 말뚝 설계 시의 안전율보다 2배 이상인 6.0으로 사용하는 등의 문제로 실무에 적용되지 않고 있다. 그러나 앞에서 소개한 바와 같이 항타 시 말뚝에 전달되는 해머에너지를 정확히 산정하고, 말뚝의 관입량과 리바운드양을 정확히 측정하고, 동재하시험으로부터 얻은 신뢰도가 높은 지지력과 비교를 통한 적절한 보정 방법을 적용하면, 항타공식으로 산정하는 지지력 값의 정확도가 상당히 개선될 수 있을 것으로 기대된다. ――――――――――――――――― 참고자료 • H a , I . S . , H a n, S . S . , H a n, S .G . , a n d K i m, M.M ( 2 0 0 3) , Measurement of pile rebound and penetration using laser sensor, Proceeding of Korean Society of Civil Engineering,pp. 3257-3262. • Yun, H.S., Seok, J.W., Hwang, D.J., and Kim, M.M. (2005), Quality control of driven piles using DPRMs, Proceeding of Korean Society of Civil Engineering, pp. 3945-3948. • Seo, S., Kim, J., Choi, C., and Chung, M. (2022), A study on non-contact penetration and rebound measurement device for quality control in driven piles, J. of the Korean Geotechnical Society, Vol. 38, No.11, pp.97-106. 지반연구본부 게시일2023-11-27 조회수 1244
• 디지털 이미지 기반 토색 평가기술 개발 디지털 이미지 기반 토색 평가기술 개발 ▲ 곽태영 KICT 지반연구본부 수석연구원 들어가며 일반적으로 흙의 색(이하 토색)은 구성 광물, 유기물 함량, 함수비, 이온 농도 등의 영향을 받는 것으로 알려져 있기에, 흙을 분류하고 특성을 예측하기 위한 기초 지표로 널리 활용돼왔다. 특히 농업 분야에서는 토색에 따라 적합한 영농 형태 및 작물 종류가 달라지는 것에 주목하여, 토색을 대표적인 흙의 분류 지표로 활용한다. 또한 인접한 지역에서 유사한 색을 가지는 흙은 서로 유사한 특성을 가질 가능성이 높아, 토목 분야에서는 지반조사 시 채취된 시료의 색을 시추주상도에 기록한다. 일반적으로 토색은 육안으로 관찰해 결정한다. 그림 1의 먼셀토색첩은 육안으로 관찰된 토색을 객관적으로 구별하기 위해 개발된 것으로, 색을 색상(hue), 명도(value), 채도(chroma)의 조합으로 나타낸다. 그러나 먼셀토색첩을 활용한 토색 결정방법은 ① 관찰자의 주관이 개입될 가능성이 높고, ② 흙 시료 및 표준색편의 색은 광조건과 같은 환경 조건에 따라 달라지고, ③ 표준색편이 불연속적인 조각으로 나뉘어져 있어 수치적 혹은 통계적인 분석이 어렵다는 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하기 위한 방법으로 디지털 이미지 기반의 토색 평가기술이 주목받고 있다. 디지털 이미지 프로세싱은 디지털 이미지를 분석해 원하는 정보를 얻는 일련의 과정으로 컴퓨터를 통해 진행되므로 관찰자의 개입 없이 빠르고 객관적인 토색 결정이 가능하다. 또한 토색이 연속적인 값으로 표시되므로 수치적 혹은 통계적인 분석이 가능하다는 장점이 있다. 디지털 이미지 기반 토색 평가기술 개발 현황 여러 연구자는 디지털 이미지 프로세싱을 기반으로 토색을 획득하고, 토색과 흙의 속성정보의 상관관계를 분석하는 연구를 수행하고 있다(Gomez-Robledo 등 2013: Kim, 2020: Moonrungsee 등 2015: Park, 2017: Persson, 2005: Santos 등 2016: Zanetti 등 2015: Zhu 등 2010). 그러나 기존 연구들은 RGB 혹은 Gray 색 강도를 기반으로 토색을 빠르게 판별하고 이를 통해 흙의 속성을 예측하는 성과를 보였지만, 광조건이 일정한 실내 스튜디오에서 촬영된 이미지를 바탕으로 수행되었다는 한계가 있었다. 색 발현 원리에 따라 입사광이 달라지면 토색도 달라지기 때문에, 상기 연구들과 다른 광조건에서 촬영된 이미지 혹은 광조건의 통제가 불가능한 실제 현장에서는 연구 결과를 적용하기 어려웠다. 즉, 기존 연구는 디지털 이미지 기반 토색 평가의 가능성을 확인했다는 의의는 있지만 현장 적용성이 떨어지는 실험실 수준에 머물러 있다는 점에서 명확하게 한계점이 존재하는 실정이다. 광조건의 변화에 따른 토색의 변화 그림 2는 자연광을 모사한 광조건 하에서 촬영된 안성 지역의 풍화토의 디지털 이미지를 나타낸다. 일정하게 조성된 흙 시료를 동일한 카메라 설정값을 적용해 촬영했음에도 조명의 색온도(Color temperature) 및 조도(Illuminance)에 따라 이미지상으로 표출되는 토색은 완전히 달랐다. 색온도는 광원의 색을 절대온도(K)를 이용해 표시한 것으로 붉은색 계열의 광원일수록 색온도가 낮고 푸른색 계열의 광원일수록 색온도가 높다. 광원의 조도는 특정한 면이 받는 빛의 세기를 나타내는 값으로 조도가 높아질수록 광원이 밝아진다. 토색도 색온도 및 조도에 따른 광원의 변화와 동일한 경향을 보였다. 조명에 따라 토색이 변화하는 현상은 앞서 언급했던 현장 적용이 불가능한 기존 연구들의 한계를 확실하게 보여준다. 불규칙한 광조건을 고려할 수 있는 디지털 이미지 기반 토색 분석 방법이 개발된다면, 연구 결과의 범용성 및 현장 적용성을 한층 더 강화할 수 있을 것으로 판단된다. 디지털 이미지 프로세싱 기반 토색 분석 기술 개발 색 표시계(color system)란 색을 수치적으로 표시하는 방법으로, 특정한 색을 색 공간(color space) 상의 한 점으로 나타낸다. 색 공간을 정의하는 방식은 색 표시계에 따라 매우 다양한데 대표적으로 RGB, HSV, CIEXYZ, CIExyY, CIELAB, CIELUV 등이 있다(Billmeyer and Saltzman, 1981). 다양한 색 표시계 중, 본 연구에서는 토색 분석을 위해 두 가지 색 표시계(RGB, CIELAB)를 활용하였다. RGB 색 표시계는 디지털 카메라와 같은 전자장비에서 가장 널리 사용되는 방식으로 빛의 삼원색인 빨강(R), 초록(G), 파랑(B)을 이용해 색을 표현하는 방식이다. RGB 색 표시계는 간편한 방식(RGB 세 가지 색상의 조합)으로 대부분의 색을 재현할 수 있다는 장점이 있지만, 인간이 인식할 수 있는 모든 색상을 표현할 수 있는 것은 아니다. 이와 같은 문제점을 극복하기 위해 CIE는 CIEXYZ 색 표시계를 기반으로 CIELAB 색 표시계를 제안했다(CIE, 1978). CIELAB 색 표시계에서는 색을 L*, a*, b*의 조합으로 표현하는데, L*는 0(어두움)에서 100(밝음)까지로 표시되는 색의 밝기를 나타낸다. 또한 a*와 b*는 색상값으로, a*는 빨강(양수)과 초록(음수) 중 어느쪽에 가까운지를, b*는 노랑(양수)과 파랑(음수) 중 어느 쪽에 가까운지를 나타낸다. 디지털 이미지 기반의 토색 분석을 위한 색 표시계 기존 연구들의 문제점을 극복하기 위해서, 한국건설기술연구원에서는 현장의 불규칙한 광조건을 고려할 수 있는 디지털 이미지 프로세싱 기반 토색 분석 기술을 개발하였다. 그림 3과 같이 자연광의 특성을 모사할 수 있는 디지털 이미지 촬영 스튜디오를 구축하고, 다양한 흙 시료(하나의 실리카 계열 모래 및 네 가지 지역에서 채취한 풍화토)를 대상으로 광조건을 바꿔가며 디지털 이미지를 촬영했다. 촬영된 시료 이미지를 바탕으로 디지털 이미지 프로세싱을 수행해 토색을 다양한 색 표시계(RGB, CIELAB)에 대해 추출 및 분석하였다. RGB 색 표시계 기반의 토색 분석 결과, 조명의 조도가 증가할수록 토색(R, G, B)이 증가했다. RGB 중 밝기와 가장 상관성이 높다고 알려진 초록(G)의 경우 조도와 상관성이 매우 높았으나, 빨강(R) 및 파랑(B)은 색온도의 영향으로 비교적 낮은 상관관계를 보였다. RGB 색 표시계로 표시되는 토색은 조명의 조도 및 색온도 모두에게 일정 부분 영향을 받으므로, 이를 통해 광조건의 영향을 배제(혹은 보정)하기는 어려울 것으로 판단되었다. CIELAB 색 표시계 기반의 토색 분석 결과, L*는 조도에만 a*와 b*는 색온도에만 영향을 받으며 상관성도 높았다. 이는 L*는 색의 밝기를 나타내고 a*와 b*는 색상을 나타내는 지표이기 때문으로 판단된다. CIELAB 색 표시계를 기반으로 L*와 조도, a*, b*와 색온도의 관계를 분석한 결과를 토대로 다음과 같은 광조건 변화에 따른 토색 보정 식을 제안하였다. 여기서, I와 T는 각각 흙이 받는 빛의 조도와 색온도를 의미한다. aL과 fL은 각각 토색의 L* 값과 조도 간 선형회귀식의 기울기와 절편을, aa과 fa는 각각 토색의 a* 값과 색온도 간 선형회귀식의 기울기와 절편을, ab과 fb는 각각 토색의 b* 값과 색온도 간 선형회귀식의 기울기와 절편을 의미한다. 건조된 흙의 경우, 시료의 종류에 관계없이 식 (1)～(3)의 기울기(i.e., aL, aa, ab)가 유사함을 확인하였으며, 최종적으로 다음과 같은 보정식을 제안하였다. 제안된 방법을 통해, 임의의 광조건에서 촬영된 흙 시료의 토색을 원하는 광조건에서의 토색으로 보정할 수 있다. 보다 상세한 보정 과정은 Baek 등(2023)에 기술되어 있다. 맺음말 한국건설기술연구원에서는 현장의 불규칙한 광조건을 고려할 수 있는 디지털 이미지 기반 토색 분석기술을 개발 중이다. 촬영된 이미지 분석 결과가 보여주듯이, CIELAB 색 표시계를 기반으로 불규칙한 광조건이 토색에 미치는 영향을 배제(혹은 보정)할 수 있을 것으로 보인다. 건조된 흙 시료에 대한 분석 결과를 토대로 광조건 보정식을 제안하였으며, 현재는 물이 포함된 흙 시료에 대한 분석이 진행되고 있다. 물이 포함된불포화토에 대한 분석까지 완료된다면, 현장에서 촬영된 흙의 디지털 이미지를 바탕으로 함수비 여부와 관계없이 토색을 손쉽고 빠르게 획득하여 통계적 분석이 가능해질 것이다. 지반연구본부 게시일2023-08-25 조회수 754
• 지반 붕괴의 감시자 반딧불 센서 개발 지반 붕괴의 감시자반딧불 센서 개발 ▲ 지반연구본부 - 지반 및 구조물 붕괴 징후를 감지할 수 있는 스마트 센서와 시스템 개발 - 현장·신속·정확한 보급형 기술로 국민 안전에 기여 한국건설기술연구원(이하 KICT)은 지반과 구조물의 붕괴 징후를 감지하는 스마트 감지 센서(이하 반딧불 센서) 및 원격으로 실시간 모니터링이 가능한 시스템을 개발했다. 개발된 기술은 KICT 연구소 1호 기업인 ㈜재난안전기술과 국내 벤처기업인 ㈜엠테이크와 공동으로 개발했다. 개발된 반딧불 센서는 붕괴가 우려되는 다양한 위험 구역에 1 m ~ 2 m 간격으로 손쉽게 부착할 수 있다. 또한, 산림청의 사면 붕괴 지중경사계 일변위 기준인 0.05˚보다 더 정밀한 0.03˚ 변이도 실시간으로 감지할 수 있다. 만약 붕괴 징후가 감지되면, 즉각적으로 LED 점등을 통해 경보 알람이 발생한다. 이때 LED 경보는 주간 시간대에 100 m 거리에서도 눈으로 직접 확인할 수 있는 고효율의 광전송 렌즈 기술을 통해 현장 관리자와 작업자들이 쉽게 알아볼 수 있다. 현장 경보 알람과 동시에 상황실에서도 원격으로 실시간 현장 상황을 파악할 수 있어, 관계 기관에 위험 상황을 공유하는 등의 추가 조치를 취할 수 있다. 또한, 설치가 간편해 기존 계측 센서의 설치비 및 운영비와 비교하면, 50% 이상의 비용을 절감할 수 있다. 유지관리 측면에서도 초 저소비전력 설계로 센서의 건전지 교체 없이 1년 동안 운영할 수 있다는 장점이 있다. 더불어 영하 30℃와 영상 80℃의 환경에서도 센서가 정상적으로작동할 수 있도록 하여, 특히 계절 변화가 뚜렷한 지역에서 활용도가 높을 것으로 기대된다. 반딧불 센서에는 오작동 방지를 위해 설치 장소에 따라 위험을 분석하고 판단하는 알고리즘 기술이 탑재되어 있다. 따라서 건설 및 토목 공사 현장을 비롯하여 노후 건물, 문화재 성곽 구조물, 급경사지, 산사태 우려 지역, 터널 공사, 광산 및 지하 구조물, 교각, 댐, 사방 등 다양한 장소에서 활용될 수 있다. 현재 반딧불 센서는 제주도 용암 동굴, 인천시 정수장과 하수처리장, 일반국도변 절토 사면과 산지 비탈면, GTX-A 노선 중 KINTEX 역사 구간, 대전시 및 전남 담양군 아파트 건설 현장, LG 화학공장 등에 시범 설치되어 운영 중이다. 또한, 2023년 신분당선 지하철의 연장 공사 설계에도 반영되었다. 추후 건축물 해체 공사를 비롯한 국가 주요 시설물 건설 공사에 적용되는 사례가 늘어날 것으로 기대된다. 본 성과는 과학기술정보통신부의 지원으로 KICT 주요 사업(지역협력사업)인 「도로안전운영을 위한 제주형 지반함몰 대응체계 개발(2020 ~ 2022)」 과제를 통해 도출되었다. 지반연구본부 게시일2023-05-26 조회수 1310
• 텍스트마이닝을 이용한 지반정보 디지털 DB화 기술 개발 텍스트마이닝을 이용한 지반정보 디지털 DB화 기술 개발 ▲ 박가현 KICT 지반연구본부 수석연구원 들어가며 최근에는 4차 산업혁명 시대의 핵심기술인 인공지능과 빅데이터를 활용하여 새로운 부가가치를 창출하고자 하는 수요가 다양한 분야에서 폭발적으로 증가하고 있다. 그러나, 원본 데이터 확보의 어려움과 신뢰성 문제 등의 이유로 기대에 못 미치는 성과를 도출하는 경우도 심심치 않게 나타난다. 한편, 국토교통부에서는 지반정보를 체계적으로 관리하고 공유할 목적으로 2007년부터 국토지반정보 포털시스템을 운영·관리하고 있다. 이렇게 디지털화되어 관리되는 지반정보는 중복굴착 방지, 예산 절감, 지반정보의 활용성 향상 등 긍정적인 효과가 있다. 지반조사 결과의 활용은 설계, 시공, 지하 안전관리, 재해재난 분야 등으로 점차 확대되고 있다. 특히 최근 지반침하, 지반함몰 등 지하 안전사고 및 지진 발생 증가로 인해 지반정보 활용이 급증하고 있다. 그러나 현재 지반정보를 데이터베이스(DB)화하는 과정에 있어 사람이 직접 PDF 파일 등을 보고 일일이 타이핑하여 진행되기 때문에 시간적·인적 자원 소모가 매우 크며, 정확도 문제가 빈번히 발생하고 있다. 또한, 원칙상으로는 국토지반정보 포털시스템에 지반조사보고서 내 모든 내용을 입력하게 되어 있으나, 실제 데이터가 비숙련자/비전공자에 의해 입력되는 과정에서 중요 시험정보가 대부분 누락되고 시추주상도 정도만 간신히 입력되고 있다. 사람이 일일이 타이핑하는 기존의 데이터 구축 방식은 원본 데이터 및 활용 후 데이터의 정확도와 신뢰도에 영향을 미친다. 이러한 이유로 현재 국토지반정보 포털시스템에는 전국적으로 약 33만 공의 지반정보가 구축되어 있으나 실제 활용할 수 있는 데이터 수는 현저히 적다. 사람의 입력 오류를 최소화하고 지반정보의 정확도를 높이면서 시간적·인적 자원 소모를 획기적으로 절약할 수 있는 지반정보 자동 디지털 DB화 기술 개발이 필요하다. 종이 문서(스캔된 문서)에서 텍스트를 추출하여 디지털 DB화 하려는 움직임은 비단 건설 분야뿐만 아니라 정부의 데이터댐 구축사업에서도 확인할 수 있듯 각 분야에서 동시다발적으로 일어나고 있다. 대기업, 금융권 등에서도 디지털 전환을 통해 업무를 효율화하기 위해 RPA(로봇 프로세스 자동화)와 OCR(광학문자인식) 등의 기술 도입단계에 있으나 한글에 대해서는 보편적이고 상용화된 솔루션이 거의 없는 것이 현실이다. 이 글에서는 종이 문서 형태의 지반정보를 디지털 DB화하기위하여 개발한 기술과 앞으로의 연구 방향에 대해 간략히 소개하고자 한다. 지반조사 보고서(종이 문서)에 대한 이해 종이 문서를 디지털 DB화하려는 방안을 모색하기 위해 먼저 검토해야 할 항목들이 있다. 우선 종이 문서에 대한 검토가 필요한데 종이 문서의 양식, 특징에 대한 검토가 필요하며이 중에서도 어떤 내용을 추출할 것인지에 대한 고려가 필요하다. 또한, 어떤 파일 형태로 기존문서가 보관되어 있는지를 검토해야 한다. 일반적으로 지반조사 보고서는 본문과 부록으로 구성되어 있다. 본문에는 다양한 시험 결과를 요약해서 테이블 형태로 수록된다. 부록에는 실내 시험의 원본 데이터가 수록된다. 이 글에서는 특히 원본 데이터인 부록의 데이터를 추출하는 방법을 소개한다. 기술 개발을 위하여 국내 34개 현장의 지반조사 보고서를 수집하여 분석한 결과, 동일 시험에 대해서도 시험 양식의 종류가 매우 다양하게 나타났다. 지반조사 보고서의 부록 파일은대부분 PDF 형태로 보관되고 있음을 확인하였다. 마지막으로 텍스트 추출 방법을 결정해야 하는데, 텍스트를 추출하는 방식으로는 광학문자인식(Optical Caharacter Recognition, OCR) 기법과 PDF 파일 읽기가 가능한 모듈을 이용하여 텍스트를 추출하는 방식에 대하여 검토했다. 검토 결과 OCR 오픈 소스의 경우 특히 한글에 대해 성능이 매우 떨어져서 커스터마이징이 추가적으로 필요했다. PDF 파일 읽기가 가능한 모듈을 사용하는 경우, 높은 인식률과 정확도를 확인하였으며, 적용 가능성이 높았다. 지반정보 디지털 DB화 기술 개발 지반조사 보고서의 부록에 수록된 실내 시험 원본 데이터의 경우 보고서 상세 분석 결과 입도분포 시험, 일축압축시험, 압밀시험, 삼축압축시험 순으로 빈도가 높은 것으로 나타났다. 지반조사 보고서와 마찬가지로, 부록도 작성 양식의 표준화가 되어 있지 않은 것을 확인하였다. 동일한 시험이라 할지라도 수행한 업체 등에 따라 그 양식이 다른것으로 나타났다.따라서, 지반조사보고서 부록 내 데이터를 추출하기 위해서는 먼저 각 양식을 구별한 후에 양식별로 적절한 추출 알고리즘을 적용하여야 한다. 지반조사 보고서 부록에 대하여 이미지 인식 분야에서 특히 높은 성능을 보이는 ResNet34를 이용하여 각 시험을 잘 인식하는지 확인하였다. 이미지 증대를 위해 상하좌우 반전, 회전, 이동, 이미지크기 변화, 밝기 및 명암 변화, 표준화 등을 이용하였다. 그 결과, 정확도 100%로 각 시험 양식을 구별하는 것을 확인하였다. 이후, 입도분포시험에 다시 한번 ResNet34 알고리즘을 적용하여 개별 양식을 구별하는 것을 확인하였다. 그 결과 정확도 100%로 입도분포시험 양식을 성공적으로 분류해냈다. 이후, PDF 리딩 라이브러리를 이용하여 PDF 파일을 인식한 후에, 텍스트로 변환하고 원하는 값을 쌍을 이루어 엑셀 파일로 추출하는 알고리즘을 구현하였다. 대표 양식에 대하여 데이터를 추출하였으며, 초당 200페이지의 속도, 정확도 100%로 데이터를 추출하는 것을 확인하였다. 즉, 부록에 있는 실내시험 데이터에 대해서 딥러닝을 두 번 적용하고, 이후 RPA 기법을 이용함으로써 성공적으로 디지털 DB화가 가능한 것을 확인하였다. 미국 등과 같은 해외에서도 지반조사 결과 보관 및 처리는 지반조사를 수행한 업체에서 관리하며, 정부 차원에서는 따로 관리하지 않는다. 지반조사를 수행하고 있는 업체들의 경우, 조사 결과를 기재하는 포맷이 서로 다르다는 문제가 있다. 다른 회사가 지반조사를 수행한 지역의 자료를 조회하는 경우 발주처를 통해 PDF 양식으로 지반조사 및 시추조사 자료를 전달받으며, 디지털화된 양식의 정보는 절대 제공되지 않는다는 현실을 고려할 때, 본 기술 개발은 해외시장에서도 효용가치가 높을 것으로 판단된다. 관련 기술을 선점할 경우 국가 건설기술 경쟁력을 높일 수 있을 것으로 기대된다. 지반정보 자동화 DB구축 관련 연구 방향 이 글에서 제시한 방법은 종이 문서로 보관되고 있는 지반정보를 디지털 DB로 변환하는 다양한 솔루션 중 하나일 것으로 생각된다. 한편, 양질의 데이터 디지털 전환을 위해 앞으로는 투-트랙의 접근이 필요할 것으로 판단된다. 과거에 누적된 데이터에 대해서는 딥러닝과 RPA를 이용하여 데이터를 차근차근 확보하는 동시에 앞으로 쌓일 데이터에 대해서는 다양한 발주처와 협의하여 하루빨리 표준화된 시험 양식과 디지털화를 위한 보고서 작성 요령 등을 마련하여 보급하여야 할 것이다. 디지털 데이터에 대한 수요가 기하급수적으로 증가하는 만큼 어떻게 하면 빠르고 쉽게 양질의 데이터를 확보할 수 있을지 그 방법에 대한 고민이 필요한 시점이다. 지반연구본부 게시일2023-03-27 조회수 1032

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