KICT 한국건설기술연구원

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• 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 205
• 하천시설 자산관리 기술 개발 방향 하천시설 자산관리 기술 개발 방향 ▲ 김지성 KICT 수자원하천연구본부 연구위원 자산관리 정의 1990년대 중반 성수대교 및 삼풍백화점 붕괴사고 이후 중대형 시설물의 안전에 대한 사회적 관심이 집중되었고 1995년 「시설물의 안전관리에 관한 특별법(이하 시설물안전법)」이 제정되었다. 이후 주요 시설물에 대한 정기 안전점검시스템이 도입되었고, 상대적으로 규모가 큰 1, 2종 시설물과 소규모시설인 3종 시설물을 지정하여 안전관리를 시행하고 있다. 사회기반시설은 설치에 필요한 비용뿐만 아니라 기능을 유지하면서 안전하게 관리하기 위해서도 막대한 재원이 필요하다. 미국을 포함한 유럽, 일본 등 선진 외국에서도 사회기반시설 의 유지관리 비중이 높아짐에 따라 자산의 정량적 평가를 통한 기반시설의 수준파악과 이에 근거한 예산투자 의사결정의 필요성이 증대했다. 이에 1990년대 중반 이후부터 자산평가나 자산관리기법 도입을 제도적으로 명문화하고 구체적인 실천방안을 단계적으로 시행해 나가고 있다(진경호 등, 2009). 국가별, 기관별, 관리시설별 자산관리의 정의는 조금씩 차이가 있으나, 호주 공공공학연구소에서 출간한 IIMM(International Infrastructure Management Manual)에 제시된 바와 같이 “자산의 요구되는 서비스 수준을 유지하기 위해서 가장 경제적으로 효과적인 관리를 통해 현재와 미래의 소비자를 위해 자산의 서비스 수준을 유지시키는 것”이 일반적이다(국토교통부, 2016). 즉 사회기반시설의 유지관리 비용 감소, 수명연장으로 한정된 예산을 활용하여 투자효율성을 극대화하고자 하는 것이다. 자산관리 개념의 도입에 있어 주요 키워드는 안전관리와 비용관리로 구분할 수 있으며, 안전관리 측면에서 점검 및 진단을 통한 상태/성능평가, 그리고 효율적 비용관리 측면에서는 생애주기비용(Life-Cycle Cost), 서비스 수준(LOS, Level of Service), 위험도 관리 (Risk Management)등이 있다. 한국건설기술연구원(2012)은 2008년부터 2012까지 5년 간 ‘공공시설물 자산관리정보시스템 개발’ 연구를 수행하면서, 사회기반시설 자산관리에 대한 개념을 정립하고 세부 요소기술 및 자산관리 프로토타입 시스템을 개발함으로써 현재 진행중인 도로, 철도, 상·하수도 자산관리시스템 구축을 기인했다. 이후 정부는 시설물 노후화에 대비한 선제적 유지관리, 안전점검 이후 체계적인 보수·보강을 위한 이행력 확보 등 시설물 생애주기비용을 절감하면서 성능을 최 대화할 수 있도록 선진적인 시설물 유지관리 틀을 마련하고자 2020년 「지속가능한 기반시설관리 기본법(이하 기반 시설관리법)」을 제정하였고, 법제정과 함께 ‘제1차 기반시 설관리기본계획 2020~2025’을 수립하였다. 기반시설관리 기본계획에서도 시설의 노후화 및 안전등급, 재정투자의 현황을 진단하면서 관리체계 및 방식의 문제점, 스마트 유지관리 기술의 열악, 사후대응 위주의 투자 문제점을 지적하고 있다. 이 글에서는 교통시설(4), 유통·공급시설(7), 방재시설(3), 환 경기초시설(1) 등 15종 「기반시설관리법」 적용 대상 시설 중 하천에 대하여 관리현황 및 자산관리 기술개발 방향을 소개하고자 한다. 하천관리 현황 1961년 「하천법」이 제정되면서 하천구역과 하천관리청이 지정되어 하천관리의 역할분담이 시행되었다. 이후 1971년, 1999년, 2007년 등 「하천법」이 3번 전면개정되어 현재의 법령이 운영되고 있으며, 「시설물안전법」 제정 및 개정에 따라 하천 유지·보수사업이 본격화되었고, 하천의 환경 및 친수 기능 관리까지 범위가 확대되었다. 하천은 기후변화에 따른 영향을 직접적으로 받는 시설이다. 하천별로 10년마다 다시 수립되는 하천기본계획에서는 변경된 수문기상 조건에 따라 홍수량, 저·갈수량이 새롭게 산정되어 고시되고 있으며, 하천관리의 기준목표가 변화되고 있다. 따라서 「하천법」 제 2조(정의)에서는 현재 기능수준을 유지하기 위한 활동을 유지·보수(6항)로 정의하고, 하천 기능을 높이기 위한 신설·증설·개량·보수 및 복원 활동을 하천공사(5항)로 정의하고 있다. 제방, 수문, 배수펌프장과 같은 하천시설은 노후화와 더불어 서비스 수준을 고려하지 않은 홍수방어수준(설계기준) 결정 등으로 최근 홍수에 붕괴, 파손되어 막대한 인명과 재산 피해가 발생하였다. 현재까지 피해가 발생하지 않은 시설에서도 설계-시공-유지관리/개선 등 시설의 생애주기 정보가 잘 연계되지 못하며, 체계적인 재정계획 미흡으로 선제적 사전 예방 투자에 한계가 있는 실정이므로 자산관리 체계로의 전환이 불가피할 것이다. 그러나 자산관리와 하천관리 업무의 연계성이 확보되지 못한다면 새로운 체계로의 변화가 쉽지 않을 것이다. 따라서 그림 3에는 자산관리 체계에 현재의 하천관리 업무를 연계하여 제시하였다. 상태평가 및 진단은 「하천법」에 따른 하천 관리상황 점검 및 유지·보수 절차와 「시설물안전법」에 따른 안전점검·진단 절차를 준용하면서 새롭게 개발된 기술과 병행할 수 있을 것이며, 최적 투자계획은 하천기본계획 수립 항목에 하천의 서비스 수준 설정, 리스크 평가, B/C분석 등을 추가하고 국가하천 및 지방하천의 종합관리계획 수립 시 유지·보수 또는 성능개선 등을 반영함으로써 수립가능할 것이다. 한국건설기술연구원 수자원하천연구본부에서는 ‘디지털 트윈 활용 수자원시설 통합 자산관리 기술개발(2024. 4.~2028. 12.)’ 연구과제를 시작하였다. 세부적으로 현행 하천 시설정보를 분석하여 자산목록을 정의하고, 생애주기 자산 관리 방법론을 개발하는 것이다. 하천시설 자산은 계층구조로 표준화하고 상태 및 잔존수명 평가에 필요한 데이터와 항목을 정의함으로써 하천시설 자산의 인벤토리 구축 및 자산 관리대장을 개발한다. 또한 하천시설 성능표준 목표를 정의함으로써 위험도 기반의 하천시설 중요도 및 서비스 수준을 결정하고, 각 시설의 경우 현재 성능평가와 연계함으로써 최적 투자계획을 수립할 것이다. 마지막으로 하천시설의 자산 관리 체계에 부합하도록 관련 법령 및 지침, 가이드라인의 제·개정안을 마련하는 등 성공적으로 과제를 수행함으로써 향후 하천관리 선진화의 기반이 되길 기대한다. ――――――――――――――――― 참고자료 • 국토교통부 국토교통과학기술진흥원(2016). 사회기반시설의 자산관리 기반구축 및 촉진방안 연구 최종보고서. • 진경호, 채명진, 이규, 이교선(2009). 사회기반시설물 유지관리를 위한 자산관리체계 도입 전략. 한국건설관리학회논문집, 10(6), pp. 67-77. • 한국건설기술연구원(2012). 공공시설물 자산관리체계 개발 최종보고서. 수자원하천연구본부 게시일2024-09-27 조회수 146
• 탄소 배출은 이제 그만! 콘크리트가 CO2 먹는 시대 열린다! 탄소 배출은 이제 그만! 콘크리트가 CO2먹는 시대 열린다! - CO2나노버블 배합수를 활용한 이산화탄소 저장 콘크리트 제조 기술 개발 - 1 ㎥ 레미콘 생산에 1.0~1.8 kg CO2저장 가능 한국건설기술연구원이 지구 온난화의 원인 중 하나인 이산화탄소를 콘크리트 안에 저장하는 ‘나노버블을 활용한 CO2먹는 콘크리트’를 국내 최초로 개발했다. 콘크리트는 전 세계에서 가장 많이 사용되는 인공재료로 연간 300억 톤 정도 생산되며, 사회기반시설과 도시화 수요로 인해 사용량이 꾸준히 증가하고 있다. 단일 품목 임에도 불구하고 전체 온실가스의 5%가량을 차지할 정도로 콘크리트 생산(시멘트 포함)과정에서 막대한 양의 이산화탄소가 발생한다. CCUS 기술을 콘크리트에 적용한 ‘CCU for concrete(이하 CCU 콘크리트)’ 기술은 CO2를 콘크리트 생산에 활용하여 기후변화에 영향을 주지 않는 콘크리트를 의미한다. 2021년 Nature Communications 저널에 발표된 논문에 따르면, CCU 콘크리트는 이론적으로 2050년까지 0.1~1.4 Gt(기가 톤)의 CO2를 격리할 것으로 추정된다. CCU 콘크리트는 포집된 CO2와 콘크리트의 반응을 통해 미네랄화(광물탄산화)하여 CO2를 대기 중에 재방출 없이 안정적으로 콘크리트 내부에 저장할 수 있는 유일한 기술로 알려져 있다. 일반적으로 콘크리트는 대기 중의 CO2와 접촉하여 내부의 pH(수소 이온 지수)가 낮아지면서 알칼리성을 잃고 탄산화 반응을 하는 물질이다. 대기 중의 CO2농도는 400ppm으로 매우 낮아 이러한 탄산화 반응이 매우 서서히 진행되지만, 내구성이 약한 콘크리트에 둘러싸인 철근은 부식될 위험이 커질 수 있다. 그러나 CCU 콘크리트 기술은 고농도의 CO2를 의도적으로 콘크리트 내부의 물질과 반응하도록 유도한다. 이러한 화학반응을 통해 CO2를 강도 증진 물질인 탄산염 광물로 전환시켜 콘크리트 내부에 영구적으로 저장한다. 결과적으로 탄산염 광물이 콘크리트 미세조직의 밀도를 높여서 일반 콘크리트보다 강도와 내구성이 향상된 콘크리트를 제조하는 것이 가능하다. 즉, CCU 콘크리트는 단순히 CO2저장소로만 활용하는 것이 아니라 콘크리트 성능 향상 및 시멘트 사용량 감소 등 부가적인 효과를 기대할 수 있어 시장 잠재성이 매우 큰 기술이라고 할 수 있다. 이에 KICT 구조연구본부 연구팀은 콘크리트로 만들어진 건물이 이산화탄소를 효과적으로 흡수하고 저장할 수 있고, 동시에 콘크리트의 압축 강도 및 내구성도 향상할 수 있는 나노버블을 활용한 CO2먹는 콘크리트‘CEC(Carbon Eating Concrete)’를 국내 최초로 개발하였다. 일반적으로 콘크리트는 시멘트가루와 물, 골재를 반죽하여 혼합하는 방식으로 만들어진다. 연구팀은 나노버블을 사용하여 일반 대기압 조건에서도 CO2를 고농도로 저장 할 수 있는 CO2나노버블수를 개발하였다. ‘CO2나노버 블수’란 다량의 나노버블이 존재하는 물에 CO2가 고농도로 용해된 물을 말한다. 개발된 기술은 물(배합수) 대신에 CO2나노버블수를 산업부산물과 함께 콘크리트 생산에 활용하는 제조 기술이다. 첨단 분석 기술(라만 분광법)을 통해 CO2나노버블수 안에 존재하는 CO2가 콘크리트와 화학적으로 반응하는 것을 검증하였다. 개발된 기술은 1 m3의 콘크리트를 생산하면, 1.0~1.8 kg CO2를 콘크리트 내부에 직접적으로 저장할 수 있다. 이는 CO2 직접 주입 기술 분야의 세계 선도 기업인 캐나다 ‘카본큐어(Carbon Cure)’사의 직접주입법에 의한 CO2저장량과 유사한 수준이다. 추가로 연구팀은 CO2반응성이 높은 산업 부산물을 사용하여 시멘트 사용량을 절약할 수 있는 최적의 온습도 조건 및 배합기술을 적용한 ‘CEC’도 개발하였다. 개발 된 CO2양생 기술은 적은 양의 시멘트로도 콘크리트의 물리적 성능을 최대로 발현할 수 있다. 즉, 기존 증기 양 생 기술에 비해 콘크리트 생산에 더 적은 에너지가 소모 되며, CO2양생 기법을 적용하여 기존 대비 동등 이상의 압축 강도를 확보할 수 있다. 또한, 높은 CO2 저장 효율을 갖는 것이 큰 장점이다. 연구팀은 다양한 온도와 압력 조건의 CO2양생 환경을 모사하기 위해서 국내 최대 규모의 콘크리트용 CO2 고온 가압 양생 시스템을 구축하였다. 본 성과는 과학기술정보통신부의 지원으로 한국건설기술연구원의 주요사업 “친환경 Carbon Eating Concrete(CEC) 제조 및 활용 기술 개발 (2022~2024)” 과제를 통해 개발되었다. 구조연구본부 게시일2024-09-27 조회수 219
• 건설연, 세계 최초 안정화 섬유와 폐섬유를 이용한 건축용 단열재 시제품 개발 성공 건설연, 세계 최초 안정화 섬유와 폐섬유를 이용한 건축용 단열재 시제품 개발 성공 단열성능과 화재안전성능을 동시에 갖는 건축용 단열재 개발 한국건설기술연구원은 안정화 섬유(내열성이 우수한 특수 섬유)와 의류를 비롯한 원단 자투리 등에서 나오는 폐섬유를 이용한 건축용 단열재 시제품을 세계 최초로 개발했다. 「소방의 화재조사에 관한 법률(약칭: 화재조사법)」과 「화재조사 및 보고규정」에 따르면 ‘대형화재’란 인명피해가 사망 5명 이상 또는 사상자 10명 이상 발생한 화재이거나, 재산 피해가 50억 원 이상 추정되는 화재를 말한다. 최근 5년간 국내 ‘대형화재’ 발생 현황을 보면 2018년 15건, 2019년 18건, 2020년 18건, 2021년 15건, 2022년 24건으로 꾸준한 증가 추세를 확인할 수 있다. 특히, 2020년에는 이천시 물류창고 화재로 사망자 38명, 부상자 12명이 발생했다. 2021년에는 이천시 마장면 물류센터 화재로 사망 1명, 부상 1명 그리고 4,743억 원의 재산 피해가 있었다. 건물에서 전체 에너지 소비량의 상당 부분을 차지하는 단열재는 건물의 에너지 효율을 높이는 데 중요한 역할을 한다. 따라서 기후변화 대응을 위한 탄소중립 정책 등으로 인해 단열성능이 높은 재료에 대한 수요가 커지고 있다. 이에 열전도율이 낮으나 발열량이 높은 유기 단열재 (석유를 기반으로 하는 단열재)의 사용량이 증가하고, 사용되는 단열재의 두께가 두꺼워짐에 따라 화재에 대한 위험성이 점점 커지고 있다. 이에 정부는 화재안전규정 강화를 통해 단열성능과 화재 안전성능을 모두 갖춘 단열재를 시공하도록 유도하고 있고, 시장에서도 이에 대한 요구가 커지고 있다. 단열재는 크게 유기단열재와 무기단열재로 구분할 수 있는데, 유기단열재는 단열성능은 좋지만, 화재안전성이 떨어져 대형화재 시 화재 확대의 주요 원인으로 지목됐다. 반면, 무기단열재의 경우 화재안전성은 좋지만, 시공성과 단열성 및 내구성에 대한 문제가 꾸준히 지적되고 있다. 건설연 화재안전연구소 연구팀은 기존의 단열재 소재와는 차별화된 세계 최초로 안정화 섬유와 폐섬유를 활용한 건축용 단열재 시제품을 개발했다. 안정화 섬유란 일반 섬유보다 뛰어난 내열성, 화학적 안정성을 가진 특수 섬유를 말한다. 이러한 특성으로 인해 자동차, 내열 소재 등으로 다양한 분야에서 활용되고 있다. 안정화 섬유는 PAN(Polyacrylonitrile, 폴리 아크릴로니트릴) 기반 탄소섬유 제조 과정에서 섬유를 200~230℃의 산화 분위기에 노출시키는 안정화과 정을 통해 만들어진다. 이러한 과정을 통해 안정화 섬유의 탄소함량은 약 90%까지 증가하여 강도가 높아지고, 난연성이 향상된다. 또한, 탄소섬유는 생산효율이 약 50%인데 반해 안정화 섬유는 생산효율이 거의 100%에 가까워 가격 경쟁력 측면에서 뛰어나다. 다만, 안정화 섬유는 기존 단열재와 비교하여 아직은 비싸다는 단점이 있다. 연구팀은 폐섬유를 혼합하여 가격 경쟁력을 확보하기 위해 노력했다. 생활폐기물 중 폐의류 및 원단류는 2021년 기준 연간 8만 6천 톤으로, 대부분을 소각하거나 야적장에 쌓아두고 있다. 이러한 폐섬유를 건축자재인 단열재에 혼합하여 안정화 섬유의 가격경쟁력을 확보하고, 탄소중립 실현에도 기여할 수 있다. 김병석 원장은 “개발된 단열재는 세계 최초로 시도된 안정화 섬유와 폐섬유를 활용한 건축용 단열재로, 기후변화와 화재 안전이라는 두가지 시대적 과제에 대한 획기적인 해결책이 될 것”이라고 밝혔다. 본 성과는 과학기술정보통신부의 지원으로 건설연 주요 사업 ‘탄소 기반 고기능성 건설 재료 기술 개발(건축용 단열재 및 부식프리 케이블 중심으로(2021~2025))’ 과제를 통해 개발됐다. 화재안전연구소 게시일2024-08-28 조회수 247
• 콘크리트의 나노미터(nano meter) 세계를 들여다보는 기술 콘크리트의 나노미터(nano meter) 세계를 들여다보는 기술 ▲ 이남곤 KICT 구조연구본부 수석연구원 들어가며 콘크리트는 물, 시멘트, 모래, 자갈로 구성된 지구상에서 많이 사용하는 인공재료 중 하나이다. 전 세계적으로 콘크리트 연간 생산량은 약 300억 톤이며, 우리나라에서는 연간 약 3억 톤이 생산되고 있다(York, I. N. et. al., 2021)(한국레미콘 공업협회). 우리가 살고 있는 아파트를 포함해 대부분의 건축물은 콘크리트로 지어져 있기 때문에 우리 생활과도 매우 밀접한 재료라고 할 수 있다. 그러나 일반인들에게 콘크리트라는 재료는 주로 부정적인 인식으로 자리 잡고 있다. 예를 들어 콘크리트의 주원료인 포틀랜드 시멘트는 생산과정 중에 다량의 이산화탄소를 배출해 지구온난화의 원인 중 하나로 알려져 있으며, 건설 산업에서 콘크리트 관련 부실시공으로 인해 구조물 사고 및 인명피해가 발생하기도 하는 등 콘크리트에 대한 대중적인 인식은 좋다고 할 수 없다. 콘크리트는 최소 4가지 이상의 재료가 혼입되어 제조된다. 물과 반응하여 굳어지는 특성, 그리고 콘크리트의 강도를 발현하는 물질의 복잡성과 낮은 결정성으로 인해 콘크리트의 성능을 예측하고, 제어하기가 매우 까다롭고 어렵다. 콘크리트에 대한 연구는 더 강하고, 더 오래가고, 더 환경친화적인 콘크리트를 만들기 위해 많은 연구자가 수십년간 노력해 오고 있다. 콘크리트의 대표적인 물성인 압축강도, 탄성 계수, 인장강도, 수축, 크리프, 응결, 유동성, 수화열 등에 대한 연구는 주로 매크로(macro, › 1mm) 또는 마이크로(micro, ‹ 1μm) 크기 수준에서 이루어지며, 마이크로 수준까지 연구 만으로도 충분히 위에서 언급한 물성에 대한 메커니즘 규명 및 성능 향상 연구가 가능했다. 또한, 분석 장비의 발달과 함께 마이크로 수준에서 콘크리트의 재료 및 미세구조 분석이 가능해 지면서 관련 분야 연구가 활발하게 이루어졌다. 그러나 마이크로 수준의 연구만으로는 여전히 밝혀지지 않은 콘크리트 정보가 존재하며, 풀어야 할 콘크리트의 재료적 문제가 있다. 콘크리트 공극 구조 분석 최근에는 고급 분석 장비 발달과 함께, 콘크리트에서도 마이크로미터 이하 수준에서 분석 연구가 가능해지고 있다. 콘크리트에는 다양한 크기의 공극이 존재하며, 이 공극들이 콘크리트의 물성과 매우 밀접한 관련이 있다. 예를 들어, 0.1mm 수준의 공극은 콘크리트의 동결융해저항성능, 염해저항성 과 관련이 높고, 0.1~1μm 수준의 공극은 압축강도, 탄성계수, 50nm 이하 수준의 나노 크기 공극은 수축, 크리프 등 과 연관성이 높다고 알려져 있다. 이러한 다양한 크기의 콘크리트 공극을 알아보기 위해서 기존에 여러 분석 장비가 존재 한다(그림 1). 현재까지 가장 많이 사용되는 공극 분석 장비는 수은압입법(Mercury Intrusion Porosimetry)이다. 정량적이고 손쉽게 측정이 가능한 장점이 있으나, 일반적으로 10㎚ 크기 이상의 공극만 알아낼 수 있는 단점이 있다. 또한, 콘크리트의 정확한 공극 구조를 관찰하기 위해서는 내부에 존재하는 물을 제거(건조)하는 과정이 필요한데, 이 건조 과정에서 내부 공극 구조가 손상되는 문제도 있다. 이 외에도, 질소흡착(Nitrogen Adsorption), 투과전자 현미경(Transmission Electron Microscopy: TEM), 주 사전자현미경(Scanning Electron Microscopy: SEM), Micro X-ray CT 등의 분석법이 있다. 더 작은 크기의 공극까지 알아볼 수 있는 분석 장비 중에서 최근에 활발하게 연구되고 있는 장비가 바로 H NMR(proton NMR 또는 Hydrogen-1 NMR)이다. 표 1 콘크리트 내부 공극 크기에 따른 분류(Monterio, P., 2006) 콘크리트 내부 공극 크기에 따른 분류(Monterio, P., 2006) 분류 모세관 공극(수) 겔 공극(수) 층간 공극(수) size 50nm이상 10~50nm 2.5~10nm 0.5~2.5nm 설명 50㎚보다 큰 공극은 보통 macro pore라 하며, 강도와 투수성에 영향 이 공간에 존재하는 물을 free water 라고 함 50㎚보다 작은 공극은 micro pore라 함 건조수축 및 크리프에 영향 C-S-H와 같은 수화물 표면에 물리적으로 결합된 물 상대습도 30% 이하의 강한 건조조건에서 증발되고 수축 발생 매우 작은 크기 공극이므로 강도와 투수성에는 영향이 적음 건조수축 및 크리프에 영향 C-S-H 구조의 공극 안에 결합된 물로서 존재 이 공간에 존재하는 물은 수소 결합에 의해 강하게 C-S-H 층에 결합되어 있음 상대습도 11% 이하의 강한 건조조건에서 증발되고 수축 발생 1 H NMR(Nuclear Magnetic Resonance) 분석 기술 개념 NMR이란 원자핵의 스핀 성질과 자기모멘트를 이용한 분광법이며, 자기장 내에서 원자핵의 자기모멘트에 특정한 외부의 에너지가 작용하여 그 에너지를 흡수하고 다른 에너지 준위로 전이하는 현상을 말한다. 1H NMR은 물 분자 속 양성자(proton)의 T2이완시간(spin- spin relaxation time)을 측정하여 콘크리트 내부의 물 분자가 존재하는 공간(공극)의 크기를 알아내는 방법이다. 콘크리트 내부에 존재하는 물은 건조과정 후에 그 공간이 공극이 되므로, 1H NMR과 같은 분석 방법을 사용하면 콘크리트의 공극 크기를 정량화할 수 있게 된다. 쉽게 말해 물을 사용하여 콘크리트 내부의 공극 구조를 관찰하는 분석법이다. 이 분석법은 콘크리트 내부 나노미터 크기의 작은 공극을 알아 볼 수 있으며, 별도의 건조과정이 필요없고 콘크리트가 굳기 전부터 굳은 후까지 실시간으로 측정이 가능하다. 이 방법을 통해 알아낼 수 있는 정보는 표 1과 같으며, 콘크리트 속에 존재하는 공극을 크기별로 알아낼 수 있다(그림 2). 예를 들어, Interlayer pore(층간 공극, 2.5nm 이하), gel pore(겔 공극, 2.5~10nm), capillary pore(모세관 공극, 10nm 이상)이다. 또한 각각의 공극 부피를 정량적으로 알아내는 것도 가능하다. 나노미터 수준에서 콘크리트 공극 구조 분석 1H NMR 분석법을 사용하여 콘크리트의 공극을 분석한 결과를 그림 3과 그림 4에 나타냈다. 해당 시편은 물/시멘트 비 0.4로 제조된 시멘트 페이스트로서 H NMR 분석을 수행한 결과이다. 1H NMR 신호를 통해서 계산된 피크에 대응하는 T2이완시간을 알 수 있고, T2이완시간은 물 분자가 존재하는 공극의 크기를 알 수 있게 된다. 일반적으로 T2 이완시간이 100μs(micro second)일 때 나타나는 피크는 ‘Interlayer water’를 의미하고, 300~500μs에서는 ‘Gel water’, 600~1000μs에서는 ‘Interhydrate water’(보통 Capillary water에 속함), 1000μs 이상은 ‘Capillary water’를 의미한다. 그림 3에 나타난 상대적 신호 강도를 정량화하여 계산한 결과는 그림 4와 같다. 그림 4는 시멘트 페이스트가 점차 수화함에 따라서 내부 공극수의 크기가 어떻게 변화하는지를 시간 영역으로 나타내고 있다. 초기부터 약 5시간까지는 시멘트 페이스트가 굳기 전 상태이므로 Capillary water만 측정된다. 수화가 시작되고 4~5시간부터 Interhydrate water가 발생하기 시작하고, 7시간부터 Gel water가 측정된다. 그리고 10시간 후부터는 Interlayer water도 확인된다. 기술 활용 방안 콘크리트가 굳기 전부터 내부의 공극 크기가 어떻게 변화하는 가에 대한 정보를 실시간으로 얻을 수 있는 것은 매우 의미 있는 연구이다. 이 기술은 콘크리트의 주요 물성인 자기수축, 건조수축, 크리프, 압축강도를 예측하는 데 활용될 수 있다. 장기 내구성 측면에서도 이 정보를 활용하여 콘크리트의 공극 구조 를 시뮬레이션 함으로써 동결융해, 염해저항성 등을 예측하고 판단하는 데 활용할 수 있는 가치 있는 정보라고 할 수 있다. 즉, 콘크리트에서도 나노 크기의 미시 세계 정보를 사용하여 거시 거동을 예측하는 연구가 가능하다. 향후, 이 분석기술은 더 안전하고 튼튼한 신규 콘크리트 구조물을 건설하기 위한 재료 설계에 활용될 수 있으며, 또한 기존 구조물의 내구도를 판단하는 근거로 활용될 수 있기를 기대해 본다. ――――――――――――――――― 참고자료 • 한국레미콘공업협회(http://www.krmcia.or.kr) • Anovitz L M Cole D. R. (2015). Characterization and analysis of porosity and pore structures. Reviews in Mineralogy and geochemistry 80(1), 61-164.) • Jennings H M Kumar A., & Sant, G. (2015). Quantitative discrimination of the nano-pore-structure of cement paste during drying: New insights from water sorption isotherms Cement and Concrete Research, 76, 27-36 • Monteiro, P. (2006). Concrete: microstructure, properties, and materials. McGraw-Hill Publishing. • York, I. N., & Europe, I. (2021). Concrete needs to lose its colossa carbon footprint. Nature, 597(7878), 593-594. 구조연구본부 게시일2024-08-28 조회수 202
• 미래 대중교통의 아이콘, 자율주행 기술 기반 실시간 수요 대응 모빌리티 서비스 개발 미래 대중교통의 아이콘, 자율주행 기술 기반 실시간 수요 대응 모빌리티 서비스 개발 ▲ 장지용 KICT 도로교통연구본부 전임연구원 들어가며 2022년 11월, 서울시는 청계천에서 자율주행버스 운행을 시작으로 2023년 12월 합정역과 동대문역을 잇는 심야자율주 행버스를 운행하고 있다. 두 사례는 모두 운전석이 있고 운전자가 탑승한 상태에서 한정된 고정 노선을 따라 대중교통 서비스를 제공한다는 공통점이 있으며 지자체 차원에서 자율주행 기술을 활용해 대중교통 서비스를 상용화한 사례이다. 이전에도 현대자동차의 '셔클', 경기도 판교의 '제로셔틀', 시흥시의 '마중' 서비스가 있었으나 모두 시범 운영에 가깝다. 이렇게 지금까지 활발히 진행된 자율주행 기술은 이제 대중교통을 만나 가장 먼저 우리에게 한 걸음 더 가까워지고 있다. 시민의 발이기도 한 대중교통은 일반적으로 서비스 제공 영역이 넓을수록 시민 편의성이 증대될 것으로 예상되나 인력과 예산 등의 문제로 인해 일정 수준 이상의 서비스 영역 확장은 한계가 있다. 이에 대한 하나의 대안으로 대중교통 분야에서는 대중교통 서비스의 질과 효용성 제고를 위해 수요 응답형 서비스라고 일컬어지는 DRT(Demand Responsive Transit) 서비스를 확대해 나가고 있다(한국운수산업연구원, 2024). 그러나 DRT 기반의 서비스 역시 운용 인력과 재정 문제에서 완전히 자유로울 수 없기 때문에 대안으로 서울시 등의 지자체 사례와 같이 자율주행 기술과 대중교통 서비스의 결합을 통해 기존 대중교통이 가지는 한계를 해소하려는 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 고도화된 자율주행 기술은 운전자를 필요로 하지 않아 적어도 운용 인력과 이에 대한 재정 부분에서 기존 대중교통이 가지는 한계를 일부 극복할 수 있기 때문이다. 한국건설기술연구원은 2021년 4월부터 자율주행 기술을 활용한 대중교통 모빌리티 서비스를 개발하기 위해 ‘실시간 수요 대응 자율주행 대중교통 모빌리티 서비스 기술 개발’이라는 국가연구개발사업(연구책임자: 문병섭 선임연구위원)을 수행하고 있다. DRT를 포함한 기존 대중교통의 서비스 개념을 확장하는 콘셉트로 실시간 수요 대응형 자율주행 대중교통 서비스를 개발하는 것이 목표이다. 기존 서비스와 차별화되는 것이 무엇인지, 또한 필자는 왜 미래 대중교통의 아이콘 이라고 하는지를 소개하고자 한다. 실시간 수요 대응 자율주행 모빌리티 서비스 정의 본 서비스는 자율주행 기술에 기반한 실시간 수요대응 대 중교통 모빌리티 서비스로 미국 자동차공학회(Society of Automotive Engineers: SAE)가 정의한 자율주행 레벨 4 수준의 자율주행차량으로 고정된 노선 없이 이용객이 원하는 목적지까지 운송을 담당하는 First-and-last mile 서비스 를 목표하고 있다(그림 1). 안전한 대중교통 서비스를 제공하기 위해 자율주행 4단계 수준의 자율주행 시스템을 탑재한 소형 자동차를 제작해 수요 대응형 서비스를 개발하고 있다. 종전의 유사한 수요 대응형 서비스와의 차별화를 위해 개별 이용자의 통행 패턴을 기억하고 학습한 상태에서 실시간으로 변화하는 도로 및 교통상황을 고려해 최적의 동적 경로를 생성하고 이용객을 운송하는 서비스다. 본 서비스를 제공하기 위해 9인승 규모의 소형 차량을 제작 중이고 사전에 할당된 경로와 이동시간 허용 범위 내에서 합승이 가능하다. 본 서비스에서 개개인의 통행 패턴을 학습해 사전에 이용 수요 및 선호 경로를 예측하고 이용객에게 제안하는 기능과 합승이 가능한 자율주행버스라는 점은 분명 기존 서비스와 확연히 차별화되는 새로운 미래 대중교통의 아이콘이다. 실시간 수요 대응 자율주행 모빌리티 서비스 구성 및 기능 자율주행 4단계 수준의 자율주행 시스템을 탑재한 소형 버스를 이용해 안전하고 쾌적한 수요 대응형 대중교통 서비스를 제공하기 위해 서비스의 운행/관제를 담당하는 센터시스템이 필요하다. 또한, 자율주행 기술에 기반한 대중교통 서비스이므로 서비스 공공성과 운영 효율성을 평가하기 위한 평가 시스템이 요구된다. 자율주행 소형 버스, 센터시스템, 평가 시스템 외에도 차량 보관 및 충전을 위한 시설이 필요 하다. 실시간 수요 대응 자율주행 대중교통 모빌리티 서비스 제공을 위한 시스템 구성은 그림 2와 같다. 실시간 수요 대응 자율주행 모빌리티 서비스를 제공하기 위한 핵심 기능은 각각 센터시스템과 차량, 사용자 모바일 앱에 포함된다(그림 3). 먼저 운전자가 없는 레벨 4 자율주행 시스템에 기반한 대중교통 서비스를 제공하기 위해 사용자 모바일 앱이 필요하다. 모바일 앱은 서비스 호출, 사용자 인증, 과금 기능을 포함하고 예약 및 운행 정보를 확인하는 장치이다. 센터시스템은 실시간 수요 대응 서비스 제공을 위한 핵심 기능을 담당한다. 여기에는 이용객의 통행 이력을 분석해 호출 수요를 예측하고 서비스 제공 지역에 필요한 차량 대수를 사전에 배차하는 알고리즘과 호출 지점부터 가장 인접한 가상 정류장을 선택하는 알고리즘이 포함된다. 또한, 실시간 도로 및 교통 상황을 반영하여 출발지부터 목적지까지 최적의 동적 경로를 생성하고 합승 수요 발생시 최소 우회 시간 내에서 경로를 갱신하는 기능을 포함한다. 차량은 자율주행 시스템 및 사용자 인증을 위한 차내 단말기, 안전을 위해 차량에 탑승하는 안전요원과 자율주행 시스템 간의 상호작용을 위한 시스템(Human-machine interface)을 포함한다. 센터시스템과 차량은 실시간으로 교통 정보 메시지(TIM; Travel Information Message)와 웨이포인트 메시지 (Waypoint message), 개별 차량 주행 정보(PVD; Probe Vehicle Data)를 송수신하며 서비스를 제공한다. 여기에서 PVD는 자율주행 소형 버스의 주행 궤적정보를 포함해 차량 상태 정보를 포한한 메시지이다. 웨이포인트 메시지는 운 전자가 없는 자율주행 대중교통 서비스를 구현하기 위한 핵심 메시지이다. 차량의 이동 경로를 의미하는 글로벌 패스 (Global path) 정보를 포함하며 기본적으로 차량이 경유하는 노드 좌표와 노드 간 예상 도착 시간(ETA; Estimated Time of Arrival)을 필수로 포함한다. 미래 대중교통 서비스를 개발하기 위한 다양한 노력 자율주행 레벨 4 수준은 운전자 관여 수준이 ‘Mind-off’ 인 상태로 운전자는 주변 상황인지, 주행 판단 및 차량 제어에 관여하지 않고 책임지지 않는 상태이다. 운전자가 없는(Driverless) 자율주행 기술을 적용한 대중교통 서비스는 다수의 이용자를 대상으로 하기 때문에 서비스 개발도 중요하나 서비스에 대한 철저한 검증 기술 개발도 필요하다. 지금까지 수행된 자율주행 기술을 활용한 수요 대응 서비스 (Autonomous Mobility-on-Demand: AMoD) 관련 연구를 보면 대부분의 연구에서 개발 시스템의 성능 확인만을 수행했다(Zhang et al. 2016; Barbier et al. 2019). 이용객의 안전을 보장하고 대중교통 서비스로의 성공적인 안착을 위해 개발이 불가피한 검증 기술에 대해 필자는 교통공학 이론을 접목하여 새로운 서비스 검증 기법을 개발하고 있다(장지용 외, 2023). 대중교통임에도 세계 최초로 개개인의 통행 패턴을 학습해 사전에 이용 수요 및 선호 경로를 예측하고 이용객에게 제안하는 신개념 서비스, 고정된 노선 없이 동적 경로를 따라 주행하며 합승이 가능한 자율주행 대중교통 서비스, 여기에 공공의 안전을 고려한 자율주행 대중교통 서비스 검증 기술 개발은 곧 우리에게 다가올, 우리가 경험할 새로운 미래 대중교통을 선도하는 기술이 될 것으로 기대한다. ――――――――――――――――― 참고자료 • 한국운수산업연구원(2024), 버스교통, Vol 81 pp 24~37. • Barbier M Renzaglia A., Quilbeuf, J., Rummelhard, L., Paigwar, A., , Laugier, C., Legay A., Ibanez-Guzman, J., and Simonin, O. (2019, June). “Validation of perception and decision-making systems for autonomous driving via statistical model checking.” In 2019 IEEE Intelligent Vehicles Symposium (IV), Paris France pp 252 259. • Zhang R., Rossi, F., and Pavone, M. (2016, May). “Model predictive control of autonomous mobility on demand systems.” In 2016 IEEE international conference on robotics and automation (ICRA), Stockholm, Sweden, pp.1382-1389. •장지용, 문병섭, 하정아. (2023). Lv. 4 자율주행 기술 기반 수요 대응 모빌리티 시스템 성능 검증 방법론 개발. 한국도로학회논문집, 25(6), pp 357~367. 도로교통연구본부 게시일2024-08-28 조회수 246
• 홍수 피해를 막는 AI, 자연재해에 맞서다 홍수 피해를 막는 AI, 자연재해에 맞서다 ▲ 윤광석 KICT 수자원하천연구본부 선임연구위원(AI 홍수예보 연구팀) 지난해 여름, 한반도에 집중호우가 쏟아졌다. 6월 25일 시작된 장마전선은 7월 26일까지 계속됐다. 섬진강댐 수위가 홍수지 제한 수위인 194 m 가까이 올라오면서 초당 최대 300t의 물을 방류하기 시작했다. 심각한 홍수에 많은 인명 및 재산 피해가 잇따랐다. 2000년, 2022년, 2023년에 발생한 홍수로 기후변화가 빚어낸 자연재해가 사회의 화두로 떠오르기 시작했다. 신속한 판단 이끄는 AI 홍수예보시스템 한국건설기술연구원 수자원하천연구본부는 산업의 발달로 밀집된 도시 인구와 도시화에 따른 강우의 침투 면적이 감소한 것이 홍수 문제의 주요 요인이라 분석했다. 앞으로 홍수 문제가 더욱 극심해질 것이라는 예측도 덧붙였다. 연구본부는 언제 발생할지 모를 극한 홍수를 철저히 대비할 수 있는 ‘AI 홍수예보시스템’을 새로운 해결책으로 제시했다. 만약 홍수예보가 오롯이 인력으로만 이뤄진다면 어떨까. 인력에 의한 수동 분석을 통해 예측·발령을 하게 되고, 그만큼 의사결정과 위기 대응은 늦어질 것이다. 환경부 및 홍수통제소는 올해부터 더 원활한 홍수 예측과 발령을 위해 한국건설기술연구원의 AI 기반 홍수예측모형을 도입하기로 했다. AI를 기반으로 한 예측모형이 도입되는 건 이번이 세계 최초다. AI 홍수예보시스템은 관측·조사, 전송·예측, 예측, 전달 4단계로 구성된다. 전국 홍수예보지점을 10분 간격으로 자동으로 분석하고, 한강권역 기상·수문 현황에 관한 빅데이터를 스스로 학습한다. 홍수예보관은 AI 예측 결과를 검증하고 상황을 판단해 홍수특보를 발령하게 된다. 정확성, 신속성, 안정성을 더한 홍수 예측 AI 홍수예보시스템에 적용된 장단기 메모리(LSTM) AI 모형은 강우량, 수위, 댐방류량 등 관측자료에서 통계적 상관관계를 학습해 자동으로 하천수위를 예측하게 된다. 수문학적 모형에 수리학적 모형을 더한 물리 모형으로, 저류함수법을 통해 산정된 유량을 입력해 하천수위를 계산하게 된다. 특보 수위를 초과할 것으로 예측되는 지점에는 특보를 발령한다. 예측 범위도 대폭 확대된다. 2023년까지는 대하천 중심의 75개 홍수특보지점에 대해서만 예측해 지류·지천 홍수예보가 취약했다면, 올해부터는 지류·지천을 포함한 홍수특보지점을 223개까지 확대한다. 현재 시점에서는 4개의 홍수통제소에 AI 홍수예보모형이 반영되어 있지만, 점차 적용 범위를 늘려갈 계획이다. 예보관은 AI 시스템의 댐-하천 디지털트윈 기술을 활용해 수위 변화 시뮬레이션과 침수우려지역을 확인함으로써 재난을 신속하게 예측하고 걸맞은 대응책을 준비할 수 있다. 특히 올해부터 홍수정보제공 지점으로 추가된 하천의 상류 지점들은 유출 속도가 빨라 기존 물리 기반 모형만으로는 예측이 어려웠다. AI 기반 홍수예측모형은 이러한 지점의 예측과 의사결정을 돕는다. 연구진은 AI 기반 홍수예측모형이 최초로 적용되는 만큼 정확성, 신속성 및 안정성 세 마리 토끼를 모두 잡기 위한 연구개발을 이어 나가고 있다. 연구책임자인 윤광석 선임연구위원은 AI 기반 홍수예측시스템이 국내뿐만 아니라 세계로 뻗어나갈 것을 기대하고 있다. “현업에 최초로 AI 기반 홍수예측모형이 적용되는 만큼, 현재 수자원하천연구본부에서는 기술을 고도화하고 정확도를 높이는 연구에 심혈을 기울이고 있습니다. 특히 홍수 예측의 효율성을 높이기 위해 기존 물리 기반 모형과의 연계하고, 지금보다 향상된 의사결정 체계를 구축할 전망입니다. 저희가 개발한 AI 홍수예측시스템이 세계 최고의 시스템으로 거듭나는 것을 목표로 하고 있습니다.” 저희가 개발한 AI 홍수예측시스템이 세계 최고의 시스템으로 거듭나는 것을 목표로 하고 있습니다. 세계로 뻗어가는 KICT의 기술력 연구팀이 몰두하고 있는 문제는 홍수뿐만이 아니다. 지난해 장마철, 폭우에 의해 강남역과 신림동 일대는 막심한 재산피해와 인명 사고를 빚어냈다. 이에 연구팀은 2025년까지 도시침수에 의한 그간의 피해를 분석하고, 모니터링과 예측에 대한 연구를 활발히 수행하고 있다. 연구의 목표는 도시의 침수 깊이를 관측할 수 있는 침수모니터링 장비를 개발하는 것. 더 나아가 모니터링 결과에 따라 침수를 예측할 수 있는 모형도 개발할 예정이다. 개발 성과는 필리핀, 인도네시아, 라오스 등의 테스트베드에 설치돼 적응성을 검증한다. 연구진은 이러한 연구 성과가 국내기술이 해외로 진출할 수 있는 기반이 될 것이라는 믿음을 갖고 연구에 성실히 임하고 있다. 한국건설기술연구원 수자원하천연구본부는 출범 이래 홍수, 가뭄, 기후변화, 연안재해 등 물과 관련된 국가 현안 과제에 대처하고 국토의 가치를 보전하기 위한 연구를 끊임없이 수행하고 있다. 특히 연구본부는 이번 AI 홍수예보시스템의 적용을 통해 국민의 삶의 질 향상과 올바른 물관리의 실현이 이뤄질 것이라는 기대감을 품고 있다. 더 나은 세상을 바라는 연구자의 진심은 더 의미 있는 세상을 창조해 나갈 것이다. 수자원하천연구본부 게시일2024-07-30 조회수 497
• 건축물 에너지 성능 향상을 위한 재실자 행태 유도 연구 동향 건축물 에너지 성능 향상을 위한 재실자 행태 유도 연구 동향 ▲ 이종원 KICT 건축에너지연구소 수석연구원 들어가며 전 세계적인 온실가스 배출량 증가가 기후 위기에 중대한 영향을 미치고 있다. 이에 전 세계 국가들은 온실가스를 줄이고 에너지 소비를 감소시켜 탄소중립을 실현하기 위한 기반을 마련하고 있다. 건물 부문은 에너지 소비와 탄소 배출에서 중요한 역할을 하며, 전체 에너지 소비의 약 36%, 이산화탄소 배출의 약 40%를 차지하는 것으로 알려져 있다. 도시화 추세가 계속됨에 따라 이 비율은 더욱 증가할 것으로 예상된다. 건물에서의 에너지 소비는 매년 평균 1.5%씩 증가할 것으로 예측되며, 이는 2010년에 비해 2050년까지 두 배 이상 증가할 것을 의미한다. 특히, 건물 운영 단계에서의 에너지 소비는 건물 전체 수명 동안 80% 이상을 차지한다. 건물에서 대부분의 에너지 소비는 재실자의 쾌적함을 유지하는 데 초점을 맞추고 있으며, 재실자의 행동 변화를 통한 에너지 절약 잠재력은 상업용 건물에서 최대 30%, 주거용 건물에서는 최대 25%에 달할 수 있다. 동시에 재실자의 행동은 건물 에너지 소비의 불확실성을 야기하는 주요 요인 중 하나로, 건물의 에너지 성능을 정확히 파악하기 위해 건물 에너지와 재실자 행동 관계에 대한 연구가 증가하고 있다. 재실자 행동(Occupant Behavior: OB) 개요 국제에너지기구(IEA)의 EBC(International Energy Agency Energy in Buildings and Communities Programme) annex 53은 재실자 행동(OB, Occupant Behavior)을 건물 에너지 소비에 큰 영향을 미치는 여섯 가지 주요 요인 중 하나로 정의한다(그림 1). 이 분류는 재실자 간의 상호작용뿐만 아니라 건물 시스템과의 상호작용을 포함한다(그림 2). 재실자 행동의 분류는 ‘재실 상태’와 ‘건물 시스템과의 재실자 상호작용’ 등의 하위 분류로 나뉜다. ‘재실 상태’ 하위 분류에는 건물 내 재실자의 유무, 도착 및 출발 시간, 건물 내 체류 시간, 건물 내 재실자 수, 재실자의 위치 등 건물 사용 패턴을 이해하는 데 필수적인 변수들이 포함된다. ‘건물 시스템과의 재실자 상호작용’ 하위 분류는 재실자가 건물 시스템과 상호 작용하는 방식을 나타낸다. 이는 난방, 환기, 에어컨(HVAC) 시스템, 조명, 가전제품 사용, 창문 조작, 온수 공급 등 다양한 시스템의 사용 방법을 포함한다. 이러한 분류는 건물 내 재실자 행동이 건물의 에너지 소비, 효율성 및 전반적인 실내 환경 성능에 어떻게 영향을 미치는지 분석하고 이해하는 데 중요한 기준을 제공한다. 이 체계는 건물 설계, 운영 및 에너지 모델링 관련 연구에서 재실자 행동을 통합하고 예측하는 데 사용될 수 있는 틀로 활용될 수 있다. 재실자 행태와 건물 성능 시뮬레이션(BPS) 건물 성능 시뮬레이션(Building Performance Simulation: BPS) 도구에서 OB 요인은 건물의 에너지 성능을 추정하고 최적화하며, 다양한 에너지 절약 솔루션의 효과를 분석하는 데 매우 중요하다. OB는 건물 에너지 소비에서 큰 불확실성의 원인으로 간주된다. BPS 도구는 OB를 고정된 일정으로 표현하지만, 이는 재실자의 실제 에너지 소비 영향과의 동적 관계를 반영하지 못할 수 있다. 그림 1에 나타난 건물 에너지 사용의 여섯 가지 주요 요인 중 다섯 가지를 정확하게 표현하는 데 진전이 있었지만, OB에 대한 정확한 입력은 여전히 어렵다. OB는 확률적이며, 재실자 행동은 일관성이 없고, 각 재실자는 쾌적함의 필요성과 관용의 다양성 때문에 다르게 반응한다. 또한, OB는 많은 요소에 의해 영향을 받으며, 건물 설계에 따라 다르게 나타난다. 이러한 OB의 특성으로 인해, 여러 연구 그룹이 OB 모델의 입력 매개변수 불확실성이 건물 에너지 사용에 미치는 영향을 연구하고 있다. 새로운 방법론과 아이디어의 등장으로 지난 3년 동안 재실자 행동 연구 관련 출판물이 1,000건 이상 증가한 사실은 이 분야의 최신 지식에 대한 집중적인 연구의 필요성을 강조한다. 건물 에너지 사용을 위한 재실자 행동 사례 연구 네덜란드의 전기 주택 12가구를 대상으로 한 연구에서는 OB 모델을 사용하여 전기 사용에 미치는 영향을 분석했다. KDD(Knowledge Discovery in Database) 방법을 통해 얻은 사용자 프로필을 시뮬레이션 에너지 모델에 적용했고, 이를 통해 실제와 시뮬레이션된 에너지 사용 간 편차를 22.9%에서 1.7%로 크게 줄였다. 이 결과는 건물 간 전력 소비와 전기 장비 사용에 큰 차이가 있음을 보여준다. 또 다른 연구에서는 덴마크의 제로에너지 건물을 6개월 동안 모니터링하고 세 가지 다른 재실 프로필의 에너지 사용 영향을 분석했다. ‘규정 준수 프로필’은 간단한 모델이고, ‘표준 프로필’은 평균 설문 정보를 기반으로 하며, ‘실제 프로필’은 실제 데이터로 구축되었다. ‘실제 프로필’을 사용한 시뮬레이션은 측정 데이터와 가장 일치했으며, 다른 두 프로필은 최대 40%의 편차를 보여, 현실적인 OB 프로필 적용의 중요성을 강조한다. 또한, 캐나다의 고성능 주거 건물 연구는 시뮬레이션된 에너지 사용과 실제 에너지 사용 간의 차이를 분석함으로써 OB의 영향을 확인했다. 아파트 간 전기 소비에는 큰 차이가 있었으며, 이는 겨울에 실내 온도를 높게 유지하고 창문을 여는 등 시뮬레이션에서는 고려하지 않은 OB 때문이었다. 건축물 에너지 성능 향상을 위한 재실자 행태 연구의 방향 OB는 건물 성능에 중대한 영향을 미친다. 현재의 건물 성능 시뮬레이션(BPS) 도구들은 재실자와 건물 시스템 간의 상호작용을 단순하고 고정된 일정으로 표현하며, 이는 재실자 행동의 다양성을 제대로 반영하지 못해 실제와 시뮬레이션된 에너지 사용 간 큰 차이를 만든다. 이로 인해 건물 시스템 최적화와 에너지 절약 분석의 정확성이 떨어진다. 재실자 행동 연구는 정확한 데이터 수집, 재실자 개인정보 보호 방법 개발, 신뢰할 수 있는 모델 검증 제안 연구 등 다양한 도전과제를 포함한다. 또한, 재실자 행동이 건물 성능에 미치는 영향을 폭넓게 연구하고, 재실자의 다양성과 상호작용을 모델링하는 것이 중요하다. 우리나라의 탄소중립과 국민의 건강하고 편안한 삶을 위해서는 재실자 행동 연구에 대한 많은 관심과 지원이 필요하다. ――――――――――――――――― 참고자료 • Ahmed, O., Sezer, N., Ouf, M., Wang, L. L., & Hassan, I.G.(2023). State-of-the-art review of occupant behaviormodeling and implementation in building performance simulation. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 185, 113558. • Chen, S., Zhang, G., Xia, X., Chen, Y., Setunge, S., & Shi, L.(2021). The impacts of occupant behavior on building energy consumption: A review. Sustainable Energy Technologies and Assessments, 45, 101212. • Xu, X., Yu, H., Sun, Q., & Tam, V. W. (2023). A critical review of occupant energy consumption behavior in buildings: How we got here, where we are, and where we are headed. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 182, 113396. • Yoshino, H., Hong, T., & Nord, N. (2017). IEA EBC annex 53: Total energy use in buildings—Analysis and evaluation methods. Energy and Buildings, 152, 124-136. 건축에너지연구소 게시일2024-07-30 조회수 281
• 건축과 도시를 연결하는 공간정보 건축과 도시를 연결하는 공간정보 ▲ 김두식 KICT 건축연구본부 수석연구원 제조업 자동화의 현주소 어린 시절 전자회로가 출력된 인쇄회로기판(Printed Circuit Board: PCB) 위에 조립 설명서대로 칩이나 저항을 연결하고 납땜하면 초등학생들도 직접 라디오를 만들어서 들을 수 있는 장난감이 있었다. 학창 시절에 이렇게 라디오 조립을 한 번쯤 해본 사람이라면 전자제품이 어떤 과정을 거쳐 만들어지는지 잘 이해하고 있을 것이다. 전자제품은 미리 설계된 조립 설명서(도면)를 기반으로 이에 따른 부품의 PCB 배치(자재의 목표지점 이동) 및 납땜(건설 공정)을 통해 완성된다. 현재 전자제품 제조업에서는 기존 수작업으로 이뤄졌던 대부분의 공정을 자동화하였다. 기존 PCB에 구멍을 내서 부품을 접합하는 방식(Insert Mount Technology: IMT)에서 부품을 원하는 위치에 올리기만 해도 작동할 수 있도록(Surface Mount Technology: SMT) 기판 조립 공정을 혁신하였다. 이를 통해 공정에서의 불량률을 줄이면서 자동화 및 대량 생산이 가능해지고 다음과 같은 프로세스를 통해 생산성 향상을 확보함과 동시에 인력에 의한 비용을 절감할 수 있게 되었다 ①납땜을 자동화하기 위해 크림형 솔더(solder)를 PCB의 납땜 위치에 프린트하고(스마트 토공), ②컨베이어벨트를 통해 이동한 PCB에 칩을 설계한 위치별로 자동 배치한 후(스마트 물류), ③모든 칩이 배치되면 오븐을 통해 전체 기판의 납땜을 자동으로 실시하고(스마트 시공), ④조립된 PCB는 각 칩의 위치별로 확대 영상을 촬영하여 AI를 기반으로 불량 유무를 검사한다(스마트 유지관리). 전자제품 제조업에서 이러한 자동화 공정 전환은 1980년대에 이미 널리 도입되었고, 기술의 발전을 거듭하여 생산 품질도 향상되고 있다. 전자제품 제조업의 자동화가 빠른 기간에 정착할 수 있었던 것은 컨베이어벨트와 같은 정형화된 공간에서 기계(로봇)가 도면(설계)에 따라 작업(시공)을 하는 것이 건설 산업에 비해 적용하기 쉽고, 자동화 기기 도입으로 인한 인건비 절감과 생산성 혁신이 매출 향상에 기여할 수 있었기 때문이다. 건설 디지털 트랜스포메이션과 공간정보 건설 분야에서도 제조업과 같은 디지털 트랜스포메이션이 활발히 진행되고 있다. 제조업과 달리 건설 현장은 컨베이어벨트와 같은 정형화된 공간이 아니라 복잡한 환경적 특성을 가지므로 현실 세계를 디지털 환경에 똑같이 묘사하기는 기술적으로 어려운 부분이었다. 또한, 2D 도면을 통해 이뤄지는 공정 특성으로 주변 환경 요소를 연계한 고려가 어려웠다. 2010년대 이뤄진 상용 드론의 보편화와 매핑 기술의 혁신은 과거에 비해 넓은 지역을 신속하게 모델링할 수 있는 계기가 되었고, 이를 통해 스마트 토공과 같은 기술이 우선적으로 건설 현장에 적용되기 시작하고 있다. 또한, 공간정보와 BIM(Building Information Modeling)의 연계는 건축 계획 및 엔지니어가 주변 환경을 쉽게 고려할 수 있는 직관적 경험과 시뮬레이션 기능을 제공하여 관련 기술을 활용한 사례들이 점차 확대되고 있다. 레이저 스캐닝 기술이 발전하면서 객체 분류에 의한 BIM 모델 자동 구축에 대한 연구도 진행되고 있어 향후 실외 실내에 대한 공간정보 구축 기술의 발전으로 관련 데이터를 활용한 부가가치 창출의 기회도 증가할 것으로 기대된다. 공간정보 기술은 지형자료 구축 외에도 인프라, 인구, 환경, 범죄 등 다양한 분야에 확산하고 있어 이를 기반으로 한 활용 모델 개발에 관심이 필요한 상황이다. GPS 측량 및 공간정보 DB 구축으로 시작한 미국 Trimble사는 3D 설계, 자동화 시공, 건설관리, 유지관리 등 건설 전반에 필요한 기술 기업들의 인수합병으로 독자적인 건설 디지털 트렌스포메이션을 추구하고 있다. Trimble의 사례만으로 단언하기는 어려우나 공간정보가 가지고 있는 다음의 특성으로 공간정보는 미래 건설 분야를 선도할 수 있는 핵심 기술이 될 가능성이 높다. 공간정보는 다양한 레이어의 정보를 통합하고 시각화하여 사용자에게 직관적인 경험을 제공할 수 있다. 공간정보의 정확도 확보와 신속한 갱신은 이미 건설 분야 자동화 기술에 응용할 수 있는 수준이 되었다고 판단된다. 공간정보를 활용한 분석과 시뮬레이션 기술은 도시 운영이나 교통 물류에서 주어진 자원의 효율적 활용을 추구할 수 있는 수단으로 활용될 수 있다. 최근 많은 관심을 받는 빅데이터, AI 기술의 접목은 공간정보 분야에서는 이미 몇 년 전부터 기술 개발이 진행되었다. 최근의 공간정보 동향에서 주목할 점은 기존 2D 자료 위주의 활용에서 3D 분석 및 시각화와 시계열 자료를 적용한 4D 분석으로의 확장을 시도하고 있고, BIM, CAD 데이터를 통합할 수 있도록 발전하고 있으며, 웹 GIS, 클라우드 등의 도입으로 API 연계를 통한 협업이 가능한 체계로 변화하고 있다는 점이다. 도시건축 분야에서 공간정보의 중요성과 역할 공간정보의 확장성으로 한국건설기술연구원(KICT)에서도 다양한 기술 분야에서 공간정보 기술이 활용되고 있다. 마지막으로 필자는 KICT의 도시건축 연구 분야에서 공간정보가 기여할 수 있을 것으로 기대되는 활용 분야를 제시하고자 한다. KICT 도시건축 분야는 모듈러 건축, 건축 안전, 주거·생활환경 개선, 지속가능한 도시의 4개 대과제에 대한 연구를 추진 중이다. 건축이건 토목이건 공기 지연을 막는 것은 시공 리스크를 방지함과 동시에 비용을 절감할 수 있는 중요한 요소이다. 모듈러 건축, OSC(Off-Site Construction) 공법이 활성화되기 위해서는 프리캐스트 부재의 생산과 공급이 원활히 이뤄질 수 있어야 한다. 특히, 무겁고 부피가 큰 부재의 운반에서 건설 현장과 가까운 생산·물류 거점 확보와 물류체계 구축은 향후 건축 분야에서 생산성 향상을 위해 고려해야 할 부분이 될 것이다. 고령화, 출산율 저감으로 앞으로 건설 전문인력도 건설 현장에 많이 투입되기 어렵고 외국인 근로자 비율도 더욱 증가할 것으로 전망된다. 전문인력이 수행하던 업무를 원격 혹은 자동화할 수 있는 디지털 트랜스포메이션 기술의 도입과, 외국인 근로자에게도 손쉽고 명확하게 업무를 전달하여 협업할 수 있는 체계의 확보가 필요하다. 기술의 도입에서는 이동성 확보를 위해 스마트폰과 같이 널리 보급된 디바이스를 활용하여 기술의 진입 장벽을 낮춰서 혁신 기술을 도입하는 전략이 필요하다. 글로벌 화두인 탄소중립 측면에서 건축에서의 내재탄소 저감에서도 공간정보가 기여할 수 있다. 자재의 생산, 운송, 시공, 폐기 전 과정에서 발생하는 내재탄소의 모델링이나 건축물 단위 관리, 지구 단위 녹색건축 기술 적용 평가에 공간정보를 활용하여 지속가능한 도시를 지향할 수 있도록 정책을 추진할 수 있을 것이다. 1기 신도시 재정비가 본격화되어 재건축사업이 활발해지면 건설 폐기물이 급증할 것이고 순환골재와 같은 건설 폐기물 재활용 정책이 활성화될 수 있는 계기가 될 것이다. 건설 폐기물 재활용 촉진을 위해 순환골재 온라인 마켓을 웹기반 GIS 서비스로 제공하게 되면 수요자는 건설 현장 인근의 순환 자재를 안정적으로 확보하고, 폐기물 가공업자는 유통을 활성화하여 시장을 형성할 수 있을 것이다. 이를 통해 자원순환을 건축에 적용하는 것이 더욱 촉진될 수 있을 것으로 전망된다. 앞으로의 KICT 도시건축 분야 연구에서도 공간정보가 기여할 수 있기를 기대한다. 건축연구본부 게시일2024-07-30 조회수 211
• 자연성기반기술을 활용한 홍수 피해저감 및 완충 기술을 위한 홍수관리시설의 유형 및 개발 방향 자연성기반기술을 활용한 홍수 피해저감 및 완충 기술을 위한 홍수관리시설의 유형 및 개발 방향 ▲ 장은경 KICT 수자원하천연구본부 전임연구원 들어가며 2019년 기후 행동 정상회의 핵심 의제는 ‘행동해야 할 시간(Time for Action)’으로서 당장 온실가스 감축을 위한 행동에 국제사회의 모든 역량을 집중함을 강조하였으며, 지구 온도 상승을 1.5℃로 억제하기 위해 모든 나라가 2050 탄소중립을 약속할 것을 제안하였다. 세계경제포럼의 2016년 Global Risks Report에는 기후변화, 물순환 왜곡, 생태계 건전성 악화 등이 생태계와 공동체를 위협하는 대표적 영향 인자로 조속한 해결을 촉구하였다. 또한, 2018년 UN은 ‘효율적 국토관리와 국민 삶의 질 향상을 위한 물과 습지 활용 생태계 서비스와 자연성기반기술(Nature-based Solutions, NbS)의 확대’를 추진하도록 제안하는 등 2050 탄소중립과 지속 가능한 물관리 정책 이행에 대한 전 세계적인 노력이 지속되고 있다. 이미 유럽, 일본 등 선진국에서는 기후변화, 도시화 등의 외부 여건에 맞춰 홍수관리 목표를 상향 조정하기 위해 자연성기반기술을 적극 활용하도록 법령, 지침 또는 국가계획에 명문화하고 있다, 이에 정부차원의 탄소중립 및 지속 가능한 통합유역 물관리를 통한 국정과제의 충실한 이행이 요구되고 있다. 우리 정부는 탄소중립 과제를 국정과제로써 강력하게 추진하기 위해 대통령 직속으로 민관합동 ‘2050 탄소중립위원회’를 설치하고 적극적인 이행 전략을 수립하고 있다. 물관리 분야에서도 탄소중립을 위한 새로운 실천 전략이 필요하며, 이에 자연성기반기술(NbS) 기반의 물관리 기술이 가장 부합하는 핵심기술로 대두되고 있다. 또한 과거 관리주체별 공간적으로 단절된 유역관리 대책에서 통합유역관리로 전환됨에 따라 유역 및 하천공간 계획을 효율적으로 새롭게 추진할 수 있는 기반 여건이 조성되었으나, 기후위기 대응력 확보를 위해 이상 홍수에 대비한 국토공간 관리의 중요성이 확대되고 있다. 따라서 탄소중립 시대를 준비하기 위해 하천변 수림대 회복으로 탄소흡수원을 확대하고, 제방월류나 범람 시 홍수피해를 저감하는 수방림 확보 기술을 지역 여건에 따라 다양하게 개발할 필요가 있다. 자연성기반 홍수 완충공간과 연계한 홍수관리시설 설계 기술 하천의 하도와 제방, 저류지와 같은 홍수관리시설과 수변구역에 조성 가능한 홍수완충공간을 통합적으로 연계하여 분석할 수 있는 수리해석 및 설계 기술 개발이 필요하다. 또한, 지속 가능한 자연성기반기술의 해법을 도출하기 위해서는 수리안정성, 수환경 개선, 탄소저감 등의 개선 효과를 정량화하는 방법과 설계 및 운영 기술에 반영할 수 있는 대안 도출이 요구된다. 이와 관련하여 네덜란드는 1993년과 1995년 라인강 대홍수 발생 이후, 기후변화로 인해 증가하는 홍수위 상승과 해수면 상승을 대비한 전통적인 홍수관리 방법의 개선 및 홍수터 공간의 생태적, 친수적, 심미적 기능 개선을 목적으로 2006년부터 2015년까지 ‘Room for the River’의 국가 프로젝트를 수행하였으며, 34개 저수로 준설, 제방 이설, 저류지 및 습지 조성, 홍수터 표고저감 등의 다양한 설계 및 조성 기술을 적용하였다. 하천과 수변구역을 연계하는 자연성기반 홍수관리시설의 유형 분류 및 특성 하천과 수변구역을 연계하는 지연성기반 개방·가변형 홍수관리시설의 유형은 제방 후퇴, 제방 이설, 제방 완전개방/일부개방/일시개방, 저류지 포함 여부, 기타 하천시설물의 활용 등으로 분류할 수 있다. 기존의 제방을 후퇴/이설하는 유형과 기존 제방선은 유지하되 일부 제방구간의 물리적 형태를 개선하여 목표 홍수량 이상이 발생하였을 때 홍수완충공간으로 홍수가 월류되도록 하는 유형으로 크게 구분하였다. 후자의 경우 홍수완충공간이 위치하는 제내지의 지형 특성과 입지 특성을 고려하여 배후 제방 설치 유무가 반드시 고려되어야 한다. 또한 기존 제방선이 유지되는 경우에도 제방이 일부 혹은 상하류가 모두 개방되는 경우와 수문시설 개폐를 통해 홍수완충공간으로 유입되는 홍수량을 통제하는 유형으로 보다 세분화할 수 있다. 본 연구에서 제시하고 있는 홍수관리시설은 제방으로 한정하여 유형화를 수행하였으며, 자연성기반 개방·가변형 홍수관리시설(제방)은 흙 제방을 대상으로 자연친화재료(식생, 바이오폴리머 등)로 제방 표면을 처리하고 완경사 제방을 채택하는 그린인프라 제방을 기본으로 한다. 시범 지역 대상 유형별 특징 검토를 통한 개발 방향 수립 본 연구의 시범 구간은 국가하천인 금강의 충북 영동군 심천면 장동리에 위치한 동대제(0.28 ㎢, 해당유역: 1.45 ㎢)이며, 유형별 특징을 검토하여 개발 방향을 분석하였다(한국건설기술연구원, 2021). 해당 구간은 금강의 대청댐 상류와 용담댐 하류 사이에 위치한 조절하천 구간으로 홍수완충공간으로 조성하고자 하는 제내지는 주로 농경지 및 특용 작물지로 활용되어 오염원 저감을 위해 매수토지 비율이 높은 지역이다. 대부분 저지대이고 금강 외수위 상승으로 인해 집중호우 시 내수침수 피해가 발생하는 지역으로서 과거 2002년 루사, 2003년 매미, 2004년 민들레, 2012년 볼라벤, 2020년 집중호우로 인해 일부 내수침수 피해가 발생한 바 있다. 대규모 국유지를 활용한 홍수터 확장을 시행할 경우, 장동리 일원의 근본적인 치수개선 목표와 수환경 개선 효과를 모두 기대할 수 있을 것으로 기대된다. 현재 지형 특성을 살펴보면 본류 하도 하상고와 약 5~6 m표고차가 있으며, 제방 후퇴 및 이설 시 저류 효과 및 수생태 수변구역 조성 효과가 클 것으로 예상된다. 또한 동대제의 현 제방고 대비 홍수위 검토 결과 1.5 m 여유고가 미확보되어 치수능력 확보를 위해 제방 계획(축제)이 필요한 것으로 판단되는 구간이다. 금강 홍수위(101.94 El.m) 대비 장동리 농경지(95.8 m)가 약 6.1 m 낮아 내수침수를 방지하기 위한 조절시설의 계획이 요구되며, 제방 보강 및 펌프장설치와 수변구역을 다기능 홍수터로 조성하는 방법에 대해 사전에 검토되어, 현재는 홍수터 확장을 위한 제방의 후퇴/이설이 진행될 예정이다. ――――――――――――――――― 참고자료 • van Alphen, S. (2020). Room for the river: innovation, or tradition? The case of the Noordwaard. Adaptive strategies for water heritage, 309. • 한국건설기술연구원(2021) 대청댐 수환경 개선을 위한 홍수터 기초조사 연구 최종 보고서-금강의 수변구역과 하천을 연계한 자연기반해법의 홍수터 복원 계획 수립-. 2021년 금강수계 환경기초조사사업, 11-1480355-000119-01. • 환경부(2022) 자연성기반기술을 활용한 홍수 피해저감 및 완충 기술개발 연차보고서. RE202201481 수자원하천연구본부 게시일2024-06-26 조회수 781

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