Journal of Korean Society of Disaster and Security ISSN:2466-1147(Print) 2508-285X(Online) 한국방재안전학회 논문집

본 연구에서는 노후교량의 안전관리를 위한 효과적인 모니터링 시스템 개발하였다. 이를 위해 아날로그 센서를 이용한 모니터링 기술의 한계를 극복하기 위해서 아날로그-디지털 변환기(A/D converter)가 내장된 디지털 센서와 신호케이블의 직렬 체인 연결 기술을 도입하는 구성방식을 활용하여, 현장 설치를 매우 간소화할 수 있는 새로운 모니터링 시스템을 고안하였다. 개발된 시스템에는 교량의 회전각을 측정한 후 처짐으로 환산하는 알고리즘을 탑재하였으며, 교량단에서 실시간 처짐, 처짐 프로파일 및 동특성 등을 분석하여 원격지의 관리자에게 전송하는 방식으로 운영될 수 있도록 하였다. 본 연구에서 수행한 실내 성능실험에서는 디지털 센서는 기존 아날로그 센서보다 더 높은 정확도를 보였으며, 회전각으로 교량의 처짐을 계산하는 방법도 실제 교량에서 실시한 재하시험을 통해 95% 이상의 정확도를 보이는 것을 확인하였다. 추가적으로 개발된 기술의 적용성 검토를 위하여 국내 ‧ 외에서 실증을 수행하였으며, 베트남 현지에서 수행한 실증을 통해 개발된 시스템의 우수한 정확성과 현장 적용성을 확인하였다.

고인성 섬유보강 시멘트계 복합재(ECC)에 대해서 7~60°C의 다양한 온도에서 20 Hz~1 MH의 주파수 범위에서 전기 임피던스 측정을 하였다. 그 결과 ECC 실험체에서 열전도에 의한 이온의 전기적 특성을 분석하였다. 이를 통해 ECC의 전기 전도도가 온도가 증가함에 따라 증가하며 전기적 이완과정이 온도 변화와 무관하다는 것을 확인하였다. 이는 ECC 사용 재료중 하나인 플라이애쉬내에 존재하는 미연소 탄소 존재로 인한 것으로 판단된다. 이러한 현상은 Nyquist 선도에서도 저주파에서 특징적인 안정화 영역을 확인하였다. ECC에서 주파수에 따라 달라지는 교류 전도도는 온도가 낮아질수록 뚜렷하게 형성되는 것으로 확인되었는데, 이는 전도성 물질 존재로 인한 것으로 보인다. 마지막으로, ECC의 전도도에 대한 온도 영향을 배저하기 위해 ECC 활성화 에너지를 평가하였다. 그 결과 주파수 의존적인 활성화 에너지는 두가지 특징을 확인하였다. 하나는 활성화 에너지가 주파수와 무관하다는 점(<20 Hz)이고, 다른 하나는 주파수가 증가함에 따라 에너지가 감소한다는 점이다.

교량과 같은 사회기반 시설물은 안전성 확보를 위한 지속적인 모니터링 및 유지관리가 필수적이다. 다양한 교량의 종류 중 프리스트레스드 콘크리트(PSC) 교량의 경우, 텐던을 긴장하여 콘크리트에 압축력을 도입하여 구조 단면을 효율적으로 지탱하며, 이는 구조적 안전성 향상에 매우 중요한 역할을 한다. 콘크리트에 매립되어 있는 내부텐던의 경우 붕괴 징후가 발생하기 전에 손상 여부 및 정도를 확인하기가 매우 어려운 실정이다. 최근 비파괴검사법 중 하나인 음향방출을 이용한 텐던의 파단 모니터링에 대한 연구가 수행되고 있으나 시스템 비용, 설치 환경 및 통신 등의 제한된 여건으로 인해 프리스트레스드 교량의 텐던 모니터링에 적용하기에는 한계가 있다. 본 연구에서는 프리스트레스 교량의 내부텐던을 대상으로 모니터링에 효과적으로 적용할 수 있는 복합물리량 계측 스마트 모니터링 시스템을 개발하였다. 개발된 시스템은 현장에서 이더넷 전원장치(PoE)를 통한 전원 공급 및 데이터 송신 시스템을 이용하여 손상 예상 위치에 손쉽게 계측 및 검출이 가능한 진동과 음향방출 데이터 수집 장비이며, 음향방출 지표를 사용하여 텐던 파단 여부 및 위치를 평가할 수 있는 알고리즘을 탑재하고 있다. 개발된 시스템의 현장 적용성을 평가하기 위해 프리스트레스드 교량에서 현장 실증을 수행하였으며, 이를 통해 개발된 시스템의 현장 운영의 신뢰성과 효율성을 확인하였다.

본 논문은 CFRP 소선을 PSC 긴장재로 대체하기 위한 CFRP 소선의 기계적 특성 평가 기준을 제안한다. CFRP 소선의 적절한 시편 규격 및 시험 속도를 확인하기 위하여 정착길이(100 mm, 200 mm, 300 mm), 시험체 순간격(50 mm, 100 mm, 150 mm), 하중 재하 속도(0.3 mm/min, 3.0 mm)를 실험 변수로 직접인장시험이 수행되었다. 파단 모드와 인장강도 및 탄성계수의 비교 ‧ 분석 결과, 정착길이 300 mm, 순간격 50 mm인 시편에서 시편 중앙부 파단을 보이며 가장 높은 인장강도 3,296 MPa와 탄성계수 172.3 GPa가 산정되었다. 따라서, CFRP 소선의 기계적 특성 평가를 위해 시험체 정착길이 300 mm 이상, 순간격 100 mm 이상, 시험 속도 3 mm/min 이상인 조건이 확보되어야 할 것으로 사료된다.

본 연구는 붕괴사고 발생 시 치명적인 인명피해로 이어지는 출렁다리의 안전을 확인하는 출렁다리 안전점검 체계를 검토하고 한계점을 분석하여 출렁다리 안전점검을 더욱 효과적으로 수행할 수 있는 개선 방안을 제안하였다. 먼저 출렁다리 안전점검 종류별 주기와 수준에 적합하게 점검 목적을 재정의하였다. 그리고 출렁다리 정기안전점검의 부재별 평가 기준을 기존 5단계에서 3단계로 단순화하고 다양한 평가지표를 손상과 변상으로 그룹화하였다. 도로교 기반으로 작성된 정기안전점검 체크리트스(교량, 육교)를 대부분 강재 현수교 형식인 출렁다리에 적합하도록 출렁다리 정기안전점검 체크리스트 개선안을 제안하였다. 추가로 출렁다리 안전점검 체계 고도화를 위한 향후 연구 방향도 함께 제시하였다.

본 연구는 교량 유지관리에 디지털 트윈을 적용하기 위한 연구 동향을 파악하고 향후 발전 방향을 제시하고자 수행되었다. 이를 위해 디지털 트윈과 유지관리를 키워드로 국내외 문헌을 조사하고, 성숙도 모델, 유지관리 전략, 교량 유지관리 사례를 중심으로 문헌을 분류 및 분석하였다. 주요 결과로, 대부분의 연구는 상태기반 및 예측기반 유지관리에 초점이 맞춰져 있으며, 유한요소해석과 같은 물리 기반 모델 및 센서 데이터가 디지털 트윈의 주요 기술적 구성요소로 활용되고 있음을 확인하였다. 그러나 교량 유지관리에 처방적 유지관리 전략과 Level 5 디지털 트윈 구축을 위한 연구는 부족한 실정이다. 본 연구는 디지털 트윈 기술을 기반으로 한 교량 유지관리의 최적화 및 자동화를 위한 로드맵을 제시하며, 다학제적 접근과 서비스 중심의 연구 필요성을 강조한다.

본 연구는 해안 인근 산악지형에서 발생한 토석류가 바다로 이어지는 하천에 미치는 영향을 분석하였다. 해안과 연결된 하천 중 하류부에 토석류가 발생할 수 있는 산악지형이 위치한, 강원도 삼척시의 월천리 유역을 연구유역으로 선정하였다. 월천리 유역의 지형자료는 국토지리정보원의 수치지도를 바탕으로 DEM을 구축하였으며, 구축된 지형자료를 HEC-RAS 모형을 활용하여 토석류 모의를 수행하였다. 모의는 200년 빈도의 홍수량 수문곡선(Case A), 200년 빈도 홍수량 수문곡선의 첨두유량을 일시에 유출시키는 경우(Case B), 200년 빈도 홍수량 총유출량을 일시에 유출시키는 경우(Case C)의 3가지 시나리오로 수행하였다. 모의 수행 결과 유량조건에 따라 유동심(퇴적깊이), 유속, 확산범위에서 차이점을 확인하였다. 발생구간 및 흐름구간에서는 Case A와 Case B가 유사한 퇴적깊이를 보였고, Case C가 일시에 많은 양의 유량이 유입되어 더 깊고 넓은 퇴적깊이를 보였다. 토석류의 유속은 유량조건과 비례하여 Case B, Case A, Case C의 순서로 증가하는 경향을 나타내었다. 확산면적은 유량조건이 작은 Case B의 경우 퇴적구간에서 이동거리가 약 250 m로 가장 작았고, 유동심 및 유속 값이 가장 큰 Case C보다 Case A가 약 100 m 더 멀리 이동하였다. 이는 Case C의 경우 한 번에 많은 양의 토사가 발생하여 퇴적부에 누적됨으로 인해 확산을 저해한 것으로 판단된다. 산악지형 유역의 하류에 공급되는 유량의 양이 증가할수록 토석류 퇴적 확산범위가 넓어지는 결과를 통해 바다와 연결되는 하천에 유입되는 퇴적물의 농도가 높아지고, 퇴적물은 바다로 흘러들어가 해양 환경에 큰 영향을 미칠 수 있다고 판단된다. 이러한 결과값을 바탕으로 토석류 재해의 피해 범위 산정이나 토석류 피해 예상 지점의 현장조사 위치 선정, 집중호우가 예상될 때 토석류 피해범위 내 주민대피 등의 피해예방의 기초자료로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.

해안가에 인접하여 저지대인 지형적 특성을 가지고 있는 연안지역은 내륙지방과는 다르게 복합적인 원인으로 침수피해가 발생할 수 있다. 지구온난화로 인해 해수면이 상승하고 있으며, 강풍을 동반한 폭풍해일이나 태풍은 유출부에서 지표수 유출을 저지함에 따라 인근 지역에 침수 피해를 발생시킨다. 본 연구에서는 해안가에 인접한 연안지역 침수특성 분석을 위해 내수침수 해석모형인 XP-SWMM을 이용하였으며, 실제 피해 사례와 비교함으로써 모형의 적용성을 검토하였다. 그리고 연구대상지역의 유역특성과 피해 원인을 분석하고 방재성능목표 강우량에 대한 침수모의와 침수피해 저감대책을 제시한다. 최적의 침수피해 저감대책을 선정하기 위해서는 지역여건, 치수적 안전성, 경제성, 주민민원, 주민편의, 주변환경과의 조화 등을 종합적으로 검토할 필요가 있다.

우리나라는 국토의 약 62%가 산림 지역으로 구성되어 있으며, 산지 부근에 도시 거주지를 개발해야 하는 상황이다. 그러나 기후 변화로 인한 국지성 집중호우와 무분별한 산림 훼손으로 인해 도심 산지에서 토사 재해가 발생하는 사례가 증가하고 있다. 이러한 재해를 예방하기 위해 산림청의 산사태위험지도가 널리 활용되고 있다. 산사태위험지도는 급경사지대에서 위험 등급을 높게 평가하는 경향이 있지만, 산사태 위험 예측에는 한계가 존재한다. 특히 사면안정해석을 기반으로 작성된 산사태위험지도와는 다른 양상을 보일 수 있다. 본 연구에서는 2022년 8월 토석류 피해가 발생한 서울시 방배동 지역을 대상으로, 수치지형도를 바탕으로 무한사면안정해석 기법인 SINMAP을 활용하여 산사태 위험을 예측하였다. 또한, SINMAP결과로 산사태 위험지역으로 예측된 지점들에 대해 FLO-2D 모형을 적용하여 토석류의 흐름 특성을 분석하였다. 모형 적용결과로 대상지역을 사면형 토석류로 검토한 결과, 산사태 위험지역으로 예측된 위치와 실제 토석류 발생 위치 및 거동 특성이 유사한 것으로 나타났다. 또한 피해 지역에 토석류 방지벽을 설치할 경우, 토석류가 월류 없이 효과적으로 차단되는 것을 확인하였다.

기후변화에 따른 풍수해, 폭염 등 다양한 형태의 자연재난이 발생하고 있고, 자연재난을 저감하기 위한 다양한 대책들이 구조적 및 비구조적 대책으로 구분되어 지역별로 제시되고 있다. 이와 같은 대책 중에서 제방보강, 강제배수시설 설치 등의 전통적 형태의 구조적 대책에 대한 세부 수립기준은 마련되어 있는 반면에 비구조적 대책의 경우는 유형, 선정 방법 및 절차 등 적용가능한 세부 수립기준이나 체계가 명확하지 않은 실정이다. 따라서 본 연구에서는 비구조적 대책의 관리범위를 확대하고 재난관리 사각지대를 해소하기 위하여 예방 ‧ 대비 ‧ 대응 ‧ 복구 재난관리 4단계로 비구조적 대책을 구분하고, 재해유형별 ‧ 국민계층유형별 ‧ 법제도유형별 대책을 세분화하여 체계를 정립함으로써 비구조적 대책의 통합적 개선 방안 및 체계를 제시하였다.

과거에 조성된 하수 시스템의 노후화와 불투수면의 증가로 인한 유출량 증가가 하수 시스템 과부화 등 침수 피해를 증가시키는 주요 요인으로 지목되고 있다. 이에 본 연구에서는 연안 도심지 상습침수 지역인 군산시 문화동 일대의 침수 방지를 위한 대책을 수립하기 위해 도시 유출 해석 모형(XP-SWMM)을 활용하여 도시 방재 성능 목표를 만족하는 침수 저감 방안을 수립하기 위한 우수 유출 해석을 실시하였다. 또한, 침수 피해가 발생하는 원인과 이를 해소할 저감 방안을 검토하는 연구를 수행하였다. 해당 지역을 대상으로 방재 성능 목표 강우(1시간, 2시간, 3시간) 및 50년 빈도 강우에 따른 침수 해석을 시행한 결과, 기존 관로의 통수 단면 부족과 외수위 상승에 의한 내수 배제 불량 등이 원인으로 침수 피해가 발생하는 것으로 확인되었다. 이에 배수 펌프장 증설을 추가로 검토한 결과 약 13.04%의 침수 저감효과가 발생하였으며, 고지배수로 신설은 약 25.00%, 저류지 신설은 약 2.17%의 저감효과가 있는 것으로 분석되었다. 이를 합산한 침수면적 저감율은 약 40.21%였으며, 저감 방안을 복합적으로 적용해 분석한 결과 침수면적 저감율이 73.91%로 크게 상승하는 것으로 나타났다.

공용년수 30년을 초과하는 노후 SOC 시설물이 지속적으로 증가하고 있는 추세에서 시설물의 구조적 안전사고 발생위험성이 함께 증가하고 있어 시설물의 효과적 유지관리를 위한 모니터링 시스템 구축 및 운영이 필수적이다. 시설물의 비정상 거동 등으로 인해 발생하는 데이터는 일반적 상황에서 수집되는 데이터와 상이한 경향 또는 계측치를 나타내어 이러한 오류신호를 통해 시설물의 현재 상태 및 앞으로의 상태를 예측할 수 있다. 본 연구에서는 다중선형회괴(MMLR) 학습 오류신호 검지 기법과 합성곱 신경망(CNN) 오류신호 검지 기법을 활용하여 기존의 시설물 모니터링 데이터에 적용하여 기존 시설물 감시에 활용하고 있는 구조적 허용치 기반의 이상검지 기법이 감지하지 못하는 비일상적 비정상적 데이터 오류신호의 검지 성능을 확인하였다.