68호-기술회보-내지.indd

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3 No 특별기획 Construction in Special Environmental Condition 비탈면재해 저감을 위한 선제대응기술 동향 및 제안 건설현장의 안전성 확보를 위한 제언 교량 시공 중 기술안전관리 터널 시공과정에서 사전예측 가능한 RISK 및 방지방안 트러스 거더 교량공사 안전 Lotte Engineering & Construction Technology 2. 기술연구 Technical Research 다짐에너지를 고려한 노반 성토 재료의 탄성파 속도 변화의 실험적 분석 코일형 지중열교환기의 이론해 개발 및 수치해석 연구 시공 개선형 합성보(BESTOBEAM) 시스템 가스터빈 연소기에서 운전조건에 따른 NOx 배출특성에 관한 연구 태양반사광 피해에 대한대응방향 현장 탐방 및 기술지원 사례 On the Spot Study 금천 롯데캐슬 골드파크(1차) 현장 말뚝 충전재 원가절감 사례 콘크리트바닥 품질확보를 위한 기술지원 영종도 제2통합물류창고 장기 방치된 구조물 안전진단 및 시공사례 구리 복합몰 신축공사 롯데건설 특허 및 신기술 소개 가설 철골기둥과 가설 철골브라켓에 거치되는 이중격자 철골보와 슬래브를 이용하여 흙막이를 지지하는 downward식 역타공법 다집수구 박막형 UF평막 적층모듈과 오존 부상공정을 적용한 MBR 하수고도처리기술 목적지향형 건축물 전생애 환경부하 평가시스템 폐수처리 장치 일체형 전면 블록을 포함하는 교량-토공 접속구간용 보강토 옹벽 5. 기술연구원 동정

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5 Lotte Engineering & Construction Technology 비탈면재해 저감을 위한 선제대응기술 동향 및 제안 장 범 수 한국시설안전공단 시설물정보실장 특별기획(Special Feature) Construction in Special Environmental Condition 1. 배 경 일반적으로 우리나라는 전 국토의 약 70% 혹은 3/2이상이 산지로 이루어진 것으로 알려져 있으나, 지형 학적 의미에서의 산지(Kapos et al.(2000))는 한반도 전체의 약 42%에 불과하며, 남한의 경우 약 31%, 북 한의 경우 약 51%가 산지인 것으로 연구(탁한명 외, 대한지리학회 )되고 있다. 그럼에도 불구하고 대부분의 사람들이 한국을 산악국가로 인식하고 있는 이유는 산림청의 산지 정의에 의해 발생한 것으로, 토 지이용에 근거한 산림청의 산지정의에는 일반적인 사람들이 갖고 있는 산지의 개념과는 비교적 동떨어진 즉, 저고도에 분포하는 임 경지도 산지에 포함시키기 때문이다.

6 <산지관리법 제2조 1항에 정의된 산지의 정의 > 산지 란 다음 각 목의 어느 하나에 해당하는 토지를 말한다. 다만, 농지, 초지( 草 地 ), 주택지(주택지 조성사업이 완료되어 측량 수로조사 및 지적에 관한 법률 제67조제1항에 따른 지목이 대( 垈 )로 변 경된 토지를 말한다), 도로 및 그 밖에 대통령령으로 정하는 토지는 제외한다. 가. 입목( 立 木 ) 죽( 竹 )이 집단적으로 생육( 生 育 )하고 있는 토지 나. 집단적으로 생육한 입목 죽이 일시 상실된 토지 다. 입목 죽의 집단적 생육에 사용하게 된 토지 라. 임도( 林 道 ), 작업로 등 산길 마. 가목부터 다목까지의 토지에 있는 암석지( 巖 石 地 ) 및 소택지( 沼 澤 地 ) 이렇듯 일반적으로 인식하고 있는 것과는 달리 산 악지방의 비율이 그다지 높지 않은 우리나라에 비 탈면 재해가 점차 증가하는 것은 크게 다음과 같은 이유 때문이 아닐까 생각된다. 전 세계적으로 기후변화에 의한 이상기후 등으로 자연재해가 증가하고 있으며, 우리나라에서도 매 년 5월부터 10월까지 장마, 태풍, 집중호우 등으 로 인해 크고 작은 비탈면재해가 발생되고 있는데, 이 역시 기후변화와 많은 관련이 있다고 판단된다. 즉, 우리나라에서는 1976년부터 2013년까지 연평 균 420ha의 비탈면 재해가 발생하였고, 발생규모 는 점차 증가하는 추세이며, 2011년의 경우 평년 보다 약 2배 정도 많은 824ha 면적의 비탈면 재해 가 발생되었다. 4 80년대 2,310ha 90년대 3,490ha 2000년대 7,130ha 비탈면 재해 발생현황 (국립재난안전연구원, 2013) 국제기후변화 관련 기구가 제시한 연구에 따 르면 우리나라는 2100년까지 매년 평균 강수량이 1.79mm씩 늘어나는 등 90년 동안 총 161mm가 증 가하는 것으로 예측되었으며 이를 근거로 향후 90 년간 전국의 연도별 비탈면 재해 발생위험 추이 를 예측한 결과 2050년까지 위험 지역이 전국으 로 확대되며, 특히 남부지역에 집중되는 것으로 분 석되었다.

7 비탈면재해 저감을 위한 선제대응기술 동향 및 제안 최근 5년( 06 10년)간 기상특보 발표현황 (기상청, 산사태 예방 대응 현장매뉴얼, ) 또한, 사회구조가 복잡해지고 기술이 고도로 발 달하면서 재난은 불확실성, 상호 작용성, 복잡성이 라는 특징과 복합적, 연쇄성 성향과 더불어 두 가 지 이상의 자연재난이 결합한 복합적인 재난의 발 생 가능성이 높아지고 있으며 비탈면 재해 역시 예 외는 아니어서 산사태위험지구, 급경사지 붕괴 위 험지구 등을 지정하고 낙석, 산사태, 토석류 등 다 양한 형태의 비탈면재해를 막기 위하여 사방댐 설 치 등과 같은 위험지구 정비사업을 추진 중이나 소 방방재청, 산림청 등 관계부처 간의 연계 및 공동대 응이 아직은 크게 미흡한 현실이다. 로 전 세계적으로 비탈면재해 유지관리분야의 대 표적인 견학코스로까지 여겨질 정도이다. Sua Ma Ping 도로비탈면 붕괴 사고 5 2. 국내외 재해사례 2.1 해외의 비탈면 재해 사례 1972년 6월 홍콩 Sua Ma Ping 단지에서 발생한 도로비탈면 붕괴사고와 Po Shan 路 에서 발생한 사고로 138명의 사망자가 발생하였으며, 이 사고 이후 土 礫 工 程 處 (Geotechnical Control Office, 현 재의 Geotechnical Engineering Office, GEO)가 구성되어 현재 약 60,000여개의 비탈면에 대한 체 계적인 유지관리가 이루어지고 있다. 이러한 이유 Po Shan 路 비탈면 붕괴 사고 No

8 이외에도 해외에서 발생한 비탈면 붕괴사고는 다음과 같은 것들이 있다. 1) 2001년 1월에 엘살바도르의 산타테클라(Santa Tecla)에서 주택단지 배후의 비탈면이 붕괴되어 주택 500 채가 묻히고 800명 실종되는 사고가 발생하였다. 2) 미국 California의 고급주택가인 Laguna Beach에서 2005년 6월 주택가의 기반을 이루고 있는 비탈면 이 붕괴되어 건축물 17동이 전파되고 11개동이 반파되는 재해가 발생하였다 국내의 비탈면 재해 사례 1999년 9월 10일 부산지역에 기습적인 집중폭우가 쏟아지면서 이날 11시 50분에 대연 나들목 부근 황령 산램프에서 대형 비탈면 붕괴가 발생하여 운행 중인 차량 3~4대를 덮치는 사고가 발생하였다. 이외에도 국내에서 발생한 비탈면 붕괴사고는 다음과 같은 것들이 있다.

9 비탈면재해 저감을 위한 선제대응기술 동향 및 제안 1) 2007년 12월 울릉도 일주도로에서 낙석이 발생하였고, 신고를 받은 경찰이 차량을 통제하기 위해 출동 했다가 추가로 발생한 낙석 400여t에 깔려 사망하는 사고가 발생하였다. 2) 2010년 9월 울산에 위치한 한 건설공사 현장에서 보강토 옹벽의 붕괴가 발생하였으며, 10개월여 동안 전체 250m의 옹벽 중 110여m가 붕괴되는 사고가 발생하였다. 3) 2011년 서울시 서초구 우면동에 위치한 우면산 주위의 자연비탈면에서 붕괴가 발생하여, 형촌마을과 전 원마을 등에서 18명이 사망했다 비탈면 유지관리를 위하여 각 부처에서 추진중인 정책 및 분석 자연재난과 관련된 국내 법령, 부처별 정책기조 및 기본계획 등의 분석을 통한 부처별 역할 및 주 요 연구 현황을 살펴본다면, - 국토교통부의 경우, 국토관리 및 주요 SOC 시 설물의 안전관리가 주요업무중 하나로, 이와 관 련되어 재해 예방에 초점을 맞춘 연구개발이 진 행되고 있다. - 안전행정부 및 소방방재청의 경우는, 재난 및 안 전관리 기반 확충 및 재난 관리 역량강화를 주요 No

10 업무로 하고 있으며, 이와 관련된 제도, 정책 및 비구조적 기술 개발에 중점을 두고 있다. - 산림청의 경우 산지 사방사업과 관련된 기술개발 에 역점을 두고 있으며, 특히 사방댐과 같은 사방 기술을 발전시키고 있다. - 기상청의 경우는 부처별 업무 및 연구개발에 필 요한 기상정보를 맞춤형태로 제공하고 있다. 1) 각 부처의 연구개발 목적은 주요 업무와 관련되 어 비교적 특화되어 있는 것으로 나타났으나, 매 커니즘 분석, DB, 관리시스템 등과 같은 분야의 경우 중복 연구 수행 중 2) 우리나라의 건설투자 총액 대비 SOC의 유지관 리에 대한 투자율은 14.6%에 불과(3.5조 원/24 조 원, 12)하여 선진국에 비해 크게 부족 3) 국내 외 기후 및 사회 트랜드 변화에 따라 토 사재해로부터 안전한 국토를 건설하고 국민의 행복 실현을 뒷받침하기 위해 중장기 R&D 전 략 수립이 필요 4) 토사재해 예방 및 저감을 위한 행정기관 간의 업 무영역이 일부 중복 또는 혼재되어 있으며 관련 법 시행에 대한 근거 및 기준을 명확하게 정의할 필요 사방사업법(1962 제정) 시특법(1995 제정) 급경사지법(2007 제정) 도로법(1962 제정) 자연재해대책법(1996 제정) 관계법령 제정 이력 5) 국토교통부, 소방방재청, 산림청, 교육과학기술부 등 관계부처에서 토사재해의 선제대응 및 안전기술을 개발하기 위하여 중 대형 연구사업을 다수 추진 4. 비탈면재해의 선제대응을 위한 기술 위와 같은 필요성에 따라 비탈면 재해의 선제대 응을 위한 현재의 기술동향을 분석하고 필요한 기 술에 대한 제안을 위한 분석을 실시하였다. 그 결과 국외 주요 선진국의 경우 전 지구적 기후변화 예측 및 적응기술 개발을 목표로 범정부 차원에서 기후 변화 관련 R&D 프로그램 추진을 통해 중복방지 및 연계강화를 유도하고 있으며, R&D 종합조정체계 구축을 통해 국가적 전략수립, 부처간 역할분담, 관 련 사업관리 등을 추진하고 있는 것으로 밝혀졌다.

11 비탈면재해 저감을 위한 선제대응기술 동향 및 제안 국가명 미국 영국 EU 일본 주요내용 기후변화 예측 및 적용관련 주요 R&D 프로그램으로 CCSP와 CCTP가 있으며, 범부처 차원에서 균형감 있게 추진 중 - CCSP(2003 ) : 지구 기후변화 분석, 원인규명, 예측 관리, 적용 등 지구 기후변화에 대한 범정부 기후변화 과학연구 프로그램 - CCTP(2002년 ) : 에너지공급 및 효율화, 화석에너지 대체 R&D 등 온실가스 감출을 위한 범정부 기후변화 기술개발 프로그램 기후변화 관련 과학기술개발정책은 대통령 자문기구인 기후변화 과학기술 위원회(CCCSTI)가 총괄 추진 - 관련 부처간 주요 선진국의 역할분담, 기후변화 중점투자방향 예측 및 조정 적응관련 등을 담당 정책 프로그램 - CCSP, CCTP 등 주요 R&D 프로그램 관리 세계 최초로 기후변화법(Climate Change Bill)을 제정하여, 기후변화 영향 위험평가 및 적응 프로그램의 수립, 이행 및 정기적인 보고를 의무화하고 이에 따른 기후변화 적응 프로그램(Adapting to Climate Change Programme)을 2012년에 완성할 예정 - 영국 기상청 해들리센터(Met Office Hadley Center)와 틴달센터(Tyndall Center)를 통 해 기후변화 예측 및 기후변화 영향평가 연구를 지원 EU의 온실가스 배추감축 등 기후변화 대응 정책 목표는 EOCP(European Climate Change Program)에 의해 제시 제 7차 FP(Framework, 07 13)는 기후변화 관측 예측, 완화 적응, 기존 기술 개선 실증 보급 및 신기술 개발 등을 목표 또한, 2009년 4월 기후변화 적응 관련 백서(Adapling to Climate Change : Towards a European framework for action)를 발간하여 기후변화적응의 틀을 제시 FRCGC(Frontier Research Center for Global Change)를 중심으로 기후변화 및 영향 평가 연구를 수행함 지구 환경변화의 정확한 예측을 위한 지구시스템모델 개발 종합과학기술회의(의장 : 총리)가 산하 기후변화대응분과를 신설하여, 기후변화 대응 기술개발정책에 대해 종합적으로 점검 및 조정 비탈면 재해저감을 위한 선제 대응기술 의 국내 기술동향 (1) 예측 및 모니터링 기술 - 집중호우 등에 의한 산사태 대응연구 의 경우, 한국지질자원연구원, 국립방재연구원 및 산림청이 연 구를 수행 재난관리체계 연구 네트워크 기술 컴퓨팅 이용 재난,재해예측 1) 모바일기반의 스마트형 재난관리체 계 구축, 2) 현장중심의 U-안전관리시스템 구현, 3) 재난상황정보 원클릭시스템 위성영상, 항공사진 등 다양한 탐측센서 의 개발과 인프라 기술의 확대, 인터넷 및 DB관련 기술의 발달에 따라 피해지 역의 공간영상정보의 취득을 통하여 분 석하는 기술이 개발 슈퍼컴퓨터 육성법으로 불리는 국가 초고성능 컴퓨터 활용과 육성에 관한 법률 이 2011년 말 발효되었고, 센서와 이를 분석하는 컴퓨팅 및 RFID를 활용 한 실시간 관리 시스템 등을 개발할 수 있도록 발전 No

12 10 (2) 재해지도 작성기술 산림청, 한국지질자원연구원, 국립방재연구원 등 이 이미 각 기관별로 산사태 위험지 예측지도 작성 기술을 보유하고 있다. (3) 산사태, 토석류 발생제어 및 보호기술 사방시설물의 기술개발, 사방사업 표준매뉴얼 제 작 보급, 산지재해 취약직역의 과학적 체계적 관 리 기술들이 개발 운용되고 있다. (4) 비탈면 대책공법기술 비탈면의 보호 보수 보강, 낙석의 방지를 위한 다양한 기술 들이 개발 보급되고 있다. (5) 재난대응로봇의 경우, 1) 재난극복 및 인명구조 로봇 기술 개발 과 제를 통하여 실내외 소방로봇과 인명 탐색 로 봇이 개발됨 2) 밀폐공간 화재진압 로봇 개발 과제를 통 하여 밀폐공간 화재진압 및 인명수색용 소방 로봇이 개발되었음 3) 지식경제부 지정 로봇시범사업을 한국소방산 업기술원에서 향후 3년 동안 총 75억을 투자 하여 화재진압 능력을 개선한 소방로봇 산업 을 육성하고자 하고 있음 4.2 비탈면 재해저감을 위한 선제 대응기술 의 해외 기술동향 2) USGS Reston 본부에서는 사태물질 이동 및 확산에 대한 실험실적 연구를 집중적으로 수 행하고, 이를 현장에 적용하여 산사태 영향범 위를 예측하려는 노력을 수행 중임 3) 캐나다 지질조사소(GSC)에서 지질재해 및 지 질환경 프로그램(Geo- logical Hazards and Environmental Geoscience Program)을 구 축하여 재해발생 원인이 되는 지질 및 지형적 특징, 재해에 민감한 지질물질의 거동에 대한 특성 파악 수행 4) 호주지질조사소(AGSO)를 주관으로 도시지역 자연재난 취약성평가 과제를 수행하여 도시주 변 산사태 위험도 평가연구 및 호주 전역 산사 태 DB 구축연구를 수행 5) 일본 교토대 방재연구소(DPRI), 일본지질조사 소(GSJ)는 UNESCO와 공동으로 IGCP-425 프로그램수행 및 국제 산사태콘소시움(ILC) 주 도 6) 대만의 경우 재해저감프로그램(Hazard Mitigation Program)과 재해저감 국가과학기술 프 로그램(NAPHM)을 구축하여 전국을 대상으로 산사태 DB구축과 산사태 발생 가능성 평가시 스템을 완성한 것으로 파악되었다. - 일본 토목연구소에서는 산사태 슬라이딩의 형 상을 예측하는 방법과 프로그램, 지하수 흐름 소리에 의한 비탈면 붕괴 예측 기술을 개발 운 용 중 (1) 예측 및 모니터링 기술 - 집중호우 등에 의한 산사태 대응연구 의 경우, 1) 미국지질조사국(USGS)를 주축으로 산사태 재 해 프로그램과 국가 산사태 피해저감 프로그 램(NLHMS)을 수행하여 자연사면과 절취사 면 안정성 확보를 위한 연구진행

13 비탈면재해 저감을 위한 선제대응기술 동향 및 제안 지하수 흐름 소리를 실제 측정하는 모습(좌)과 실제 산사태가 발생한 장소와 측정된 소리의 세기 비교(우) - 중국의 경우, 지난 11월 환경 1호 C 형 위성 을 예정 궤도에 진입 성공하여, 기존 환경 1호 A, 환경 1호 B 형 위성과 함께 환경 및 재해 모니터링 예측 소형 위성 모니터링 시스템을 구성 (2) 재해지도 작성기술 - DCM을 이용한 비탈면 재해 추적 (일본) - 지구 어느 곳의 사진도 촬영이 가능한 합성 개 구 레이더 시스템 (영국) (3) 산사태, 토석류 발생제어 및 보호기술 - 일본의 경우, 건설기술과 로봇기술의 융합하 여 재해현장 재건 및 인명구조용 로봇을 개발 11 T-52, T-53 재해지원 로봇 - 재해 발생 위험도에 의한 토석류 위험의 평가 방법의 설정을 시도(일본) 토석류 위험성 평가(일본) No

14 (4) 산사태, 토석류 관리체계 - 일본 : 국토교통성 도로국에서는 도로방재에 주력하고 있으며, 도로 절개 사면이나 비탈 면 가운데 산사태 위험지역으로 지정된 곳에 서 광섬유 센서 또는 다른 종류의 센서를 설 치하고 광섬유케이블로 연결해 표층형상의 변 화를 탐지 12 국토교통성 도로국(일본) - 미국 : 2001년 5월 미국 연방통신위원회 (FCC)와 연방비상관리기관(FEMA)은 긴급상황 발생 시 휴대폰에 경고 메시지를 전송하는 대 국민 경보 시스템 PLAN(Personal Localized Alerting Network) 발표 - 호주 : NICTA가 멜버른 대학교 및 IBM과 협력 하여 재난으로부터 생명을 구하고 사회를 보호 하기 위해 IT 기술을 접목시킨 재해관리 시스템 을 개발. 호주는 혁신적인 통합 재해관리 플랫폼을 기반 으로 정확한 재해 실시간 정보와 응답을 통해 효 율적인 의사결정 가능

15 비탈면재해 저감을 위한 선제대응기술 동향 및 제안 5. 기대효과 참고문헌 상기와 같이 비탈면 재해를 선제대응하기 위한 기술개발은 현재 국토교통부 한국건설교통기술평 가원의 연구기획과제를 통하여 RFP가 작성된 상태 이며 이러한 연구가 성공적으로 수행된다면, 다음 과 같은 효과를 기대할 수 있을 것으로 판단된다 년도 건설교통연구기획사업 차세대 토 사재해 선제대응 및 안전기술 개발 기획 보고서( 안), , 한국시설안전공단 5.1 기술적 기대효과 - 재해우려지역의 토사재해에 효율적으로 선제 대응할 수 있도록 과학적 감시체계를 구축하고 범부처 재난 대응 역량 강화에 기여할 수 있을 것으로 판단된다. - 토사재해 기초연구를 지원할 수 있는 세계 최 고 수준의 실험인프라 구축을 통한 국가 위상 이 제고될 수 있을 것이다. 5.2 정책적 기대효과 - 사후복구 위주의 재난관리의 한계를 극복하고 피해 상황이 발생한 후의 대응이 아닌, 재난의 원인 분석 및 제거를 통해 재산과 인명 피해를 원천적으로 저감할 수 있을 것이다. - 방재와 관련한 안전성 증가 및 사후 재해복구 예산을 사전 재해예방사업으로 점진적으로 전 환함으로써 국가예산의 효율적 사용을 기대할 수 있으며, 자연재해에 대한 종합적 관리를 통 해 국가 방재정책 수립에 만전을 기할 수 있을 것으로 판단된다. - 궁극적으로 자연재해 대응 복구체계 합리화 를 통한 국가성장 안정화 기반조성 및 대국민 안전기반 조성을 통한 현실적 복지사회 구현을 위한 정책추진에 크게 기여 할 수 있을 것이다. 13 No

16 특별기획(Special Feature) Innovative Water Treatment Technology Lotte Engineering & Construction Technology 건설현장의 안전성 확보를 위한 제언 - 교량과 가설공사를 중심으로 - 이정석 한국가설안전연구원 원장 1. 서 언 2014년 4월 16일 발생한 세월호 침몰사고는 전 국민들에게 아쉬움과 충격과 좌절을 안겨주었다. 사고 직후 해 경과 해군이 사고해역에 출동하였음에도 출동당시 배 안에 남아 있던 생존자들을 한명도 구하지 못하였다는 아쉬 움, 배의 운항과 안전을 책임져야 할 선원과 선장이 배가 기울어져가고 있음에도 승객들을 구하려는 노력은 고사 하고 저들이 먼저 탈출했었다는 충격, 그리고 세월호를 둘러싼 선주와 감독기관의 무사안일주의와 안전을 도외시 한 정부의 정책 등이 세월호가 침몰할 수밖에 없는 상황을 만들었다는 좌절감으로 인해 많은 국민들은 분노와 한 탄을 금치 못하였으며, 더군다나 피해자의 대부분이 학생들이었다는 사실에 숨이 막힐 정도로 가슴이 먹먹해지는 것을 어쩔 수가 없었다. 필자는 세월호 사고를 보면서 20년 전인 1994년에 발생한 성수대교 붕괴사고와 이듬해 발생한 삼풍백화점 붕 괴사고를 보는 듯 한 데자뷰를 느끼곤 한다. 급속한 경제성장 과정에서 안전을 도외시한 채 부실시공을 한 시공 사, 이익만을 추구하는 건축주의 무리한 공사를 제대로 관리하지 못한 감독기관, 시설물의 안전관리에 대한 정책 의 부재 등으로 인해 등교하던 학생들을 포함하여 수백 명의 인명피해가 발생하였던 것이 이번의 세월호 사고와 너무도 많이 닮아있다. 또한, 사고가 발생한 교량, 건물, 선박 등 공용시설물은 일부 특정한 사람만이 이용하는 시 설물이 아니라 모든 국민들이 항시 이용할 수 있다는 점에서 피해 당사자가 바로 자신과 가족이 될 수도 있다는 점이 국민들을 더욱 불안하게 하고 있다.

17 건설현장의 안전성 확보를 위한 제언 그나마 다행이었던 점은, 20년 전에 발생한 일련의 붕괴사고로 인해 1995년 시설물의 안전관리에 관 한 특별법(이하 시특법) 이 제정되고, 같은 해 4월 에 한국시설안전공단이 설립되어 시설물의 안전관리 업무를 전담하게 함으로써, 시설물의 안전관리에 관 한 제도개선과 기술발전이 지속되어 왔으며, 삼풍백 화점 붕괴사고 이후 시특법 대상시설물의 붕괴사고는 더 이상 발생하지 않게 되었다. 최근에 붕괴사고가 발 생한 경주 마우나리조트 체육관 시설물은 시특법 대 상시설물이 아니었기 때문에 붕괴사고를 사전에 방지 할 수 없었으며, 이로 인해 시특법 대상시설물의 확 대가 필요하다는 의견이 점차 공론화되고 있다. 20년 전의 사고가 건설과 시설물분야에서의 총체적 부실로 인해 발생한 것이라면, 올해에 발생한 세월호 침몰사 고는 해운항만분야의 총체적 부실과 부정에 의한 것 이라 할 수 있다. 이번 사고를 기회로 정부에서는 사 회 전반의 안전을 책임지는 컨트롤타워로서 국가안전 처를 신설하는 등, 안전에 대한 패러다임 자체를 재구 축하려는 계획을 수립하고 있다. 이러한 과정에서 정 부 내 부처간 이전투구와 반목과 같은 부작용이 우려 되기는 하지만, 바라건대, 성수대교 붕괴사고 이후 법 률적인 뒷받침 하에 시설물의 안전관리 체계가 구축 이 된 것처럼, 이러한 어이없는 사고로 인해 더 이상 의 인명피해가 발생하지 않도록 효율적이고 실질적인 국가안전시스템이 구축되기를 바라는 마음 간절하다. 불특정 일반대중들의 인명피해를 유발하는 이러한 시 설물 붕괴사고나 교통관련 사고와는 달리 산업현장 특히 건설현장의 붕괴사고와 이로 인한 인명피해는 몇몇 규모가 큰 사고를 제외하고는 상대적으로 대중 들의 관심밖에 있으며, 따라서 이러한 사고와 인명피 해를 줄이려는 노력 또한 기대에 미치지 못하는 것이 사실이다. 안전보건공단의 산업재해통계에 의하면 매 년 약 2천여 명의 근로자가 산업현장에서 사고와 질 병으로 사망하고 있으며, 이중 건설현장에서 발생한 인명피해는 약 5백여 명으로써 약 25%에 달한다는 것을 보여주고 있다. 이는 전체 산업현장에서 근무하 는 근로자중 건설현장에서 근무하는 근로자수가 20% 미만임으로 감안할 때, 건설현장이 다른 산업현장보 다 근로환경이 열악하며, 사고의 위험이 높다는 것을 의미한다. 실지로 건설현장에 새로 유입되는 근로자 중 청년층의 거의 없으며, 외국의 근로자 비율이 점차 높아지는 것도 건설현장의 사고위험이 증가하는 요인 중의 하나라 할 수 있다. 필자는 한국시설안전공단에서 13년간 근무하면서 교량 안전진단과 시설물 유지관리 기술개발업무를 담 당하였고, 이후 노동부 인가기관인 한국가설협회에 서 2년 반 동안 근무하면서 가설구조물의 설계, 구조 안전성 검토 및 시공 안전점검 등의 업무를 수행하였 다. 한국시설안전공단에서 근무할 때에는 국토교통부 의 요청으로 건설현장의 교량붕괴사고조사를 수행한 적이 있으며, 최근에는 한국가설협회 소속으로 고용 노동부와 안전보건공단과 공동으로 건설현장의 교량 및 가설구조물 붕괴사고관련 현장조사와 원인분석을 수행한 바 있다. 본 기고문은 필자가 최근 수행한 건설현장 붕괴사고 의 원인분석 사례를 들어 건설현장의 안전성 확보방 안을 제시한 것이며, 이러한 안전성 확보방안은 그동 안 국토교통부의 건설안전과와 고용노동부 건설산재 예방과(현 산업안전과)의 담당관들과 충분한 교감을 가져왔다. 실제로 가설구조물의 안전성 확보를 위한 제도개선 사항으로, 가설구조물의 설계변경을 통한 안전성 확보관련 산업안전보건법 개정법안이 2012 년 발의되어 2014년 3월부터 시행되고 있으며, 가설 구조물의 설계와 시공과정에서의 안전성 확보관련 건 설기술관리법(현 건설기술진흥법) 개정법안은 2013 년 발의되어 현재 국회에 계류 중에 있다. 세월호 사 고이후 사회전반의 안전에 관한 의식이 고취된 점을 감안할 때, 이 법안도 조만간 통과가 될 것으로 예상 된다. 성수대교, 삼풍백화점, 세월호와 같이 전국민의 관심과 우려가 집중된 사고로 인해 안전에 관한 시스 템이 신속하게 마련된 것과는 대조적으로, 건설현장 의 안전과 관련된 시스템의 변화는 오랫동안 지속적 15 No

18 16 으로 추진되어 왔음에도 제도적인 뒷받침이 없었기에 큰 성과가 없었으나, 이제 최근 추진된 제도개선방안 이 마무리되면 건설현장의 안전도 크게 개선될 것으 로 기대된다. 본 기고문은 필자의 이러한 건설현장 붕괴사고 현 장조사와 원인분석업무를 수행하면서 나름대로 고민 하고 정리한 내용을 바탕으로, 건설현장의 붕괴사고 와 이로 인한 인명피해를 줄일 수 있는 방안을 교량공 사와 가설공사를 중심으로 서술한 것이다. 최근 국토 교통부와 고용노동부의 관련법안 개정을 통해 가설구 조물의 안전한 설계와 시공 및 설계변경이 제도화 되 고 있고, 또한 가설구조물에 대한 공식적인 설계기준 은 아직 마련되지 않았지만, 다행이 최근 필자가 한국 가설협회에 근무하는 동안 가설공사 표준시방서 개정연구( ~ )를 수행하면서 가설구 조물 설계기준을 시방서의 설계편으로 정리하였기에, 가설구조물의 안전과 관련한 기술적인 뒷받침도 어느 정도 준비가 되었다고 할 수 있다. 2. 방화대교 남단 접속도로 교량붕괴사고 사례 량 중에서 종점부 확장구간에 위치한 단경간 곡교가 시공중 붕괴되어 작업중이던 근로자 2명이 사망한 사 고가 발생하였다. 사고가 발생한 단경간 교량은, 당초 2차로로 계획되었던 D램프와 3차로로 계획된 터널사 이에 접속구간이 너무 짧아 공용시 급격한 차선변경 으로 인한 사고의 위험이 예상됨에 따라 D램프 종점 부 마지막 경간의 차로를 확장하여 차로변경을 원활 하게 하기 위해 시공한 것으로써, 하부구조물인 교각 과 교대는 동일하지만 상부구조물은 기존의 D램프와 는 독립적으로 시공하도록 설계되었다. 처음 사고조사를 위해 현장을 방문하여 붕괴된 상부 구조물을 보는 순간, 12년 전인 2001년 6월 충북 제 천에서 발생한 신동IC교 붕괴사고 현장이 오버랩 되 었다. 그땐 한국시설안전공단의 교량진단본부 소속으 로 붕괴사고 현장조사에 참여하였으며, 붕괴사고의 원인이 곡선교 내측받침에 발생한 부반력에 의한 것 이라고 결론남에 따라, 당시 안전진단 중이었던 전체 교량에 대한 부반력 검토를 수행하였던 기억이 난다. 그리고 신동IC교의 붕괴사고 원인분석결과가 교량 설 계자, 시공자 및 감리자들에게 충분이 전달이 되었다 면, 방화대교 접속도로의 붕괴사고는 발생하지 않았 을 것이라는 아쉬움이 들었다. 2.1 붕괴사고 현황 및 개요 2013년 7월 30일 방화대교 남단 접속도로 공사현 장에서 방화대교와 신축중인 터널을 연결하는 접속교

19 건설현장의 안전성 확보를 위한 제언 사진 1 방화대교 남단 접속도로 붕괴사고 사진 사고당시 본 교량은 강박스거더의 거치와 바닥판 타설이 완료된 상태였으며, 방호벽 시공중이었다. 방호벽타설은 다이크라는 전용장비를 사용하여 슬 립폼공법으로 시공하였고, 종점부 교대에서부터 타 설을 시작하여 다이크 장비가 11번 교각 약 6m전 에 위치했을 때 붕괴사고가 발생하였다. 2.2 붕괴사고 원인분석 붕괴사고가 발생한 교량은 연장이 m이고, 교폭이 2.965m인 강박스 거더형식의 교량이며, 곡 률반경이 약 450m인 단경간 곡교이다. 강박스 거 더의 폭과 높이는 각각 2.0m와 2.5m로써 폭에 비 해 높이가 높은 강박스거더로 제작되었으며, 편도 2차로인 D램프의 외측에 접하여 시공되었다. 사고당시의 시공상황을 정확하게 모사하기 위하여, 현장조사를 통해 시공을 위해 강박스 거더에 부착 된 가설자재들의 크기와 수량을 정확이 조사하였 고, 방호벽 타설을 위한 다이크 장비의 사양과 제원 을 조사하여 차륜이 재하되는 위치를 정확히 입력 하여 구조해석을 수행하였다. 방호벽 폭을 제외한 순차로의 폭이 2.515m이고, 다이크 장비의 차륜간 격이 2.5m임을 감안하여 교량의 상부에 다이크 장 비를 재하한 결과, 내측차륜이 확폭구간이 아닌 D 램프 상에 위치함으로써 외측차륜으로 인한 비틀림 모멘트가 상대적으로 크게 작용함을 알 수 있었다. 이상의 시공하중을 대상교량에 재하한 상태를 그림 2에 나타내었다. 그림 2 시공하중 재하도 17 No

20 이상의 시공상황을 모델링하여 구조해석을 수행 한 결과, 방호벽 시공을 위한 다이크 장비의 위치에 따른 강박스의 비틀림모멘트를 고려하여도 내측받 침에서 부반력이 발생하지 않는 것으로 나타났다. 이는 설계단계에서의 각 하중조합에 의한 받침의 반력뿐아니라, 시공중 발생하는 일시적인 시공하중 의 재하에 의해서도 받침에는 부반력이 발생하지 않는다는 것을 나타낸다. 즉, 설계대로 시공되었다 면 내측받침과 외측받침에 발생하는 반력의 차이는 크게 발생할 지라도 부반력은 발생하지 않는다는 것을 나타내며, 이 구조해석 결과로는 붕괴사고의 원인을 명확하게 설명하지 못하고 있다. 표 1에 각 하중조합별 반력의 크기를 열거하였으며, 표 2에는 준공후 고정하중만 작용하는 하중조합과 고정하중 과 설계활하중이 동시에 작용하는 하중조합에 대한 반력의 집계를 나타내었다. 이 결과에 의하면 각 하 중조합에서 부반력이 발생하지 않음을 알 수 있다. 18 하중경우 e. 방호벽 시공하중 (중앙부) f. 방호벽 시공하중 (6m전) 받침반력 (KN) 교각 (P11) 교대 (A2) 내측받침 외측받침 내측받침 외측받침 a. 합성전 자중 b. 합성후 자중 c. 설계활하중 d. 바닥판 시공하중 방호벽 다이크장비 방호벽 다이크장비 표 1 설계단계의 각 하중조합에 따른 받침의 반력 1. 합성전 자중은 강박스와 바닥판 자중을 말하고, 합성후 자중은 포장과 방호벽 자중을 말한다. 2. 바닥판 시공하중은 바닥판 타설을 위한 브라켓과 목재발판 하중을 말한다. 3. 방호벽 시공하중은 바닥판 시공이 교량중앙부까지 진행되었을 때와 붕괴시점인 교각 6m전까지 시공되었을 때의 방 호벽과 다이크 장비에 의한 하중이다. 받침반력 (KN) 하중경우 교각 (P11) 교대 (A2) 내측받침 외측받침 내측받침 외측받침 반력 평가 고정하중 작용시 O.K. 활하중 작용시 O.K. 표 2 설계단계의 각 하중조합에 따른 받침의 반력

21 건설현장의 안전성 확보를 위한 제언 이러한 구조해석 결과는, 방호벽 타설중 다이크 장비가 11번 교각 약 6m전에 위치했을 때 내측받 침의 부반력으로 인해 상부구조물이 전도되어 붕괴 사고가 발생하였다는 현장 사고상황을 제대로 설명 하지 못하였다. 따라서 안전보건공단과의 2차 현장 조사에서는 이러한 사고원인 파악을 목적으로 설계 도면과 시공결과의 차이점에 중점을 두고 현장조 사를 수행한 결과, 바닥판이 설계도면보다 외측으 로 약 5cm 정도 치우쳐 타설된 것을 알 수 있었으 며, 이를 해석모델에 반영하여 구조해석을 수행한 결과, 다이크 장비가 교량중앙에 위치했을 경우에 는 교대쪽에만 약 3.5ton의 부반력이 발생하였고, 다이크 장비가 11번 교각 6m전에 위치했을 경우 에는 교대와 교각 양쪽에 약 4.5ton의 부반력이 발 생하였음을 해석적으로 증명할 수 있었다. 본 확장 구간의 강박스 거더교에는 포트받침이 설치되어 있 었으며, 포트받침은 부반력에 대한 저항력이 전혀 없으므로, 이러한 부반력이 붕괴사고가 발생한 주 요원인임을 쉽게 알 수 있다. 그림 3에 설계도면상 의 상부구조물 단면도와 실제 시공된 단면도를 비 교하여 나타내었으며, 표 3에는 시공현황을 고려하 여 구조해석을 수행한 결과로 도출된 받침의 반력 을 나타내었다. 시공단계 받침반력 (KN) 교각 (P11) 교대 (A2) 내측받침 외측받침 내측받침 외측받침 반력 평가 바닥판 시공 O.K. 방호벽 시공(중앙부) N.G. 방호벽 시공(6m전) N.G. 19 표 3 시공현황을 반영한 구조해석 결과 그림 3 설계도면상의 바닥판 단면도와 실제 시공된 바닥판 단면도의 비교 No

22 20 대부분의 교량시공에서 5cm의 바닥판 시공오차 는 교량의 안전성에 영향을 주지 않으므로 무시될 수 있으며, 본 교량의 경우에도 기존에 시공된 D램 프의 영향으로 인해 바닥판 단면이 외측으로 밀린 채 시공되었음을 추측할 수 있었다. 그러나 단경간 곡교의 경우에는 약간의 시공오차라도 상부구조물 의 안정성을 저하시켜 전도에 의한 붕괴사고가 발 생할 수 있다는 것을 알 수 있다. 2.3 소결 12년 전에 발생한 신동IC교의 붕괴사고와 방화대 교 접속도로 붕괴사고는 교량의 형식에서부터 붕괴 사고의 원인에 이르기 까지 많은 부분이 일치함을 알 수 있지만, 세부적인 원인분석에 의하면 붕괴사 고의 원인이 정반대임을 또한 알 수 있다. 즉, 신동 IC교의 경우에는 설계하중 상태에서 내측받침에 부 반력이 발생하는 구조였음에도 설계단계에서는 이 러한 부반력 발생여부를 알지 못하여 부반력에 대 한 대책이 없이 설계가 수행되었으나, 시공사에서 는 부반력 발생을 우려하여 부반력 받침을 설치한 경우였다. 이 부반력 받침으로 인해 시공중에 발생 한 부반력을 부반력 받침이 지지하였으므로 시공중 붕괴사고는 발생하지 않았으나, 공용중 교량을 통 과하는 중차량에 의해 내측받침에 반복적으로 부반 력이 발생하여 앵커볼트의 파단과 뽑힘으로 인해 붕괴사고가 발생하였다. 방화대교 접속도로의 경우 에는 설계활하중과 시공하중에 의해서는 내측받침 에 부반력이 발생하지 않았으나, 바닥판 타설시의 시공오차로 인해 내측받침에 부반력이 발생한 경우 이다. 부반력의 크기는 매우 작으나 설치된 받침이 부반력에 대한 저항력이 전혀 없는 포트받침이었으 므로 방호벽 타설중 양쪽 내측받침에 동시에 부반 력이 발생하여 붕괴사고가 발생하였다. 어쩌면 방화대교 접속도로의 붕괴사고가 시공중 발 생한 것이 다행이었을 수도 있다. 정확한 시공에 의 해 시공중 내측받침에 부반력이 발생하지 않았다면 공용중 D램프에서 터널로 진입하려는 버스 혹은 트 럭이 확장구간으로 차선을 변경하는 순간에 발생하 는 원심력이나 차량의 방호벽 충돌로 인한 횡방향 충격하중으로 인해, 확장구간의 단경간 곡교의 내 측받침에 부반력이 발생하여 교량이 붕괴될 확률은 매우 높을 것으로 예상되며, 이는 더 큰 사회적 물 의를 유발하게 되었을 것이다. 중요한 것은 설계하중의 재하시 내측받침에서 부반 력이 발생하던 발생하지 않던 단경간 곡교를 설계 할 때에는 필히 부반력에 대한 대책을 수립하여야 한다는 것이다. 앞에서 언급하였듯이 설계하중 상 태에서는 부반력이 발생하지 않더라도 공용중에 예 기치 않은 부반력으로 인해 붕괴사고가 발생할 수 있으므로, 단경간 곡교의 경우 부반력에 대한 대비 는 필수적이다. 부반력에 대한 대책으로는 아우트 리거를 설치하는 방안이나 부반력 받침으로 교체하 는 방안을 들 수가 있으며, 검증이 불충분한 부반력 받침보다는 아우트리거를 설치하는 것이 구조적으 로 안정된 방안이라 할 수 있다. 3. 남북항대교 영도연결도로 교량붕괴사고 사례 3.1 붕괴사고 현황 및 개요 2013년 12월 19일 부산 영도구에 위치한 남북 항대교 영도연결도로 건설현장에서 캔틸레버 바닥 판 콘크리트 타설을 하던 중 타설하중을 지지하던 브라켓형 동바리(까치발)가 붕괴되어 콘크리트 타 설작업을 하던 작업자 4명이 사망하는 사고가 발 생하였다.

23 건설현장의 안전성 확보를 위한 제언 그림 2 브라켓형 동바리 구조상세도 사진 1 남북항대교 영도연결도로 교량붕괴사고 사진 사고가 발생한 교량의 형식은 PCT교량으로써 하 부플랜지와 복부 트러스가 시공된 상태에서 상부슬 래브를 타설하던 중 붕괴사고가 발생하였다. PCT 교량의 특성상 내측 바닥판 콘크리트 타설하중은 종방향 강재사이에 설치한 PC패널이 지지하게끔 설계하였고, 외측 캔틸레버 바닥판의 콘크리트 타 설하중은 브라켓형 동바리가 지지하는 것으로 설계 하였다. 브라켓형 동바리는 일종의 2차원 트러스 구조로써 이 트러스가 종방향을 일정간격으로 설 치되어 있는 형태로 콘크리트 타설하중을 지지하 도록 설계되었다. 3.2 붕괴사고 원인분석 현장조사 결과, 붕괴사고의 직접적인 원인은 캔틸 레버 바닥판의 콘크리트 타설하중을 지지하던 브라 켓형 동바리가 파손되었기 때문으로 밝혀졌다. 브 라켓형 동바리의 구조계산서를 검토한 결과, 설계 과정이나 안전성 검토결과에는 큰 오류가 없는 것 으로 나타났다. 하지만, 이 구조계산서는 일정한 단 위폭에 작용하는 콘크리트 타설하중에 대한 2차원 트러스 구조의 안전성을 검토한 것으로써, 가설구 조물의 특성을 고려할 때 매우 큰 오류를 범하고 있 음을 지적할 수 있다. 가설기자재는 가설구조물의 설치 및 해체, 자재의 이동과 보관을 경제적이고 원활하게 하기 위해 가 볍고 긴 부재들의 조합으로 구성되며, 대부분의 가 설구조물을 구성하는 주요 가설기자재들은 압축력 을 받게 되므로, 가설구조물의 붕괴시 파괴모드는 대부분 좌굴에 의한 붕괴특성을 띠게 된다. 따라서 가설구조물의 설계나 안전성 검토시에는 압축을 받 는 부재들의 좌굴에 대한 안전성을 우선적으로 확 인하여야 한다. 상기 브라켓형 동바리는 2차원 트 러스 구조로서는 안정적인 구조특성을 갖고 있으 나, 설계 및 안전성 검토시 앞에서 언급한 가설구 조물의 특성을 감안하여 압축을 받는 부재의 좌굴 안전성과 연결부 절점의 면외변형 발생여부를 필히 검토하여야 하나, 본 구조계산서에는 이러한 부분 이 포함되어 있지 않았다. 붕괴사고가 발생한 부분의 브라켓형 동바리의 변 형상태를 조사한 결과, 사진 3에서 보는 바와 같이 21 No

24 하부수평재가 끝나는 연결부위에서 수평방향으로 거의 직각으로 꺽여 있는 것을 알 수 있으며, 이는 콘크리트 타설시 타설하중으로 인한 동바리의 변형 이 연직방향으로 발생하지 않고 절점부가 수평방향 으로 꺽였음을 알 수 있다. 하부수평재가 횡방향으 로 꺽이지 않고 원래의 형상을 유지하고 있는 것은 인접한 하수부평재끼리 강관으로 견고하게 결속하 였기 때문이며, 이 보강재가 하부수평재의 면외변 형을 억제하고 있었음을 알 수 있다. 사진 3 붕괴사고이후 캔틸레버 동바리 변형상태 22 캔틸레버 바닥판의 타설하중의 직접적으로 지지 하는 3개의 경사재가 연결된 절점의 면외변형 발생 여부는 사진 4에서 보는 바와 같이 붕괴사고가 발 생한 구간의 반대쪽 캔틸레버 하부에 설치된 동바 리의 변형상태를 보면 쉽게 이해 할 수 있다. 동바 리를 설계할 때에는 가설공사 표준시방서 에 규 정된 최소수평하중에 대한 안전성을 필히 검토하여 야 하며, 이를 위해서는 2차원 트러스 구조가 아닌 3차원 트러스 구조로 모델링하여 구조해석을 수행 하여야 한다. 사진 4 붕괴사고가 발생한 캔틸레버 구간의 반대편 동바리의 절점부 면외변형 3.4 브라켓형 동바리의 재설계 교량붕괴사고 이후 공사재개를 위해 붕괴사고의 주요원인으로 지적된 브라켓형 동바리의 구조적인 보완사항을 포함한 재설계를 수행하여야 하는데, 시공사에서 동바리의 재설계를 필자가 근무하던 한 국가설협회에 의뢰하였으며, 필자는 붕괴사고 원인 으로 지적된 사항에 대한 보완과 개정중인 가설 공사 표준시방서(설계편) 의 설계기준을 준수하면 서 재설계를 수행하였다. 앞서 언급하였듯이 가설 구조물인 비계와 동바리의 설계시 가장 중점을 두 고 검토를 해야 할 점이 시공시 발생하는 진동과 충 격에 의한 횡방향 하중에 대한 안전성이며, 본 가설

25 건설현장의 안전성 확보를 위한 제언 구조물의 설계시에도 가설공사 표준시방서(설계 편) 에 규정된 횡방향 하중을 감안하여 3차원 트 러스 구조해석을 수행하였다. 현재 시공사에서는 필자가 설계한 내용에 추가적인 보완사항을 첨가 하여 동바리 제작을 완료하였으며, 제작된 동바리 의 안전성을 안전보건공단 부산지역본부의 담당팀 장과 함께 점검한 결과 견고하게 제작되어 있는 것 을 확인할 수 있었다. 재설계된 동바리 설치사진 23 그림 5 브라켓형 동바리 재설계 도면 및 사진 3.4 소결 남북항대교 영동연결도로의 교량붕괴사고의 근본 적인 원인은 시공초기에 민원으로 인해 공사진행이 정상적으로 수행되지 않고 공정이 지체된 상태에서 북항대교의 준공시기에 맞추어 연결도로를 준공하 기 위해 무리하게 시공을 진행하였기 때문이며, 직 접적인 원인은 상부구조물의 캔틸레버 바닥판을 시 공하기 위해 설치한 브라켓형 동바리의 설계 및 시 공오류에서 기인한 것이라고 할 수 있다. 4. 결 론 최근 최저가 입찰제도의 확산에 따라 건설현장 의 집행금액이 점차 감소하고 있으며, 이러한 현상 으로 인해 건설현장에서는 비용절감을 위한 노력의 일환으로 가설구조물의 시공에 소요되는 비용을 절 감하려는 경향이 보편화되어 있다. 이는 본구조물 에 비해 가설구조물은 준공과 동시에 해체 및 철거 No

26 를 하기 때문으로, 가능한 한 최소의 비용으로 가 설구조물을 시공하게 되면 그만큼의 비용절감을 할 수 있기 때문이다. 이러한 경향으로 인하여 건설현 장의 가시설 붕괴사고는 끊임없이 발생하고 있으 며, 다른 산업현장의 인명피해가 줄어드는 경향을 보이는 반면, 건설현장의 사고와 이로 인한 인명피 해는 점차 증가되어 가고 있는 추세이다. 연 도 건설업전체 가설공사 (백분율) 77 (44.25) 172 (55.84) 319 (60.07) 68 (19.04) 167 (44.53) 173 (47.00) 74 (35.23) 184 (50.82) 209 (55.59) 204 (54.69) 표 4 최근 10년간 건설업 전체 및 가설분야 사망자수 통계(안전보건공단) 24 표 4에서 보는 바와 같이 건설현장에서 발생하 는 중대재해의 약 50~60%가 가설공사관련 사고 에 의해 발생하고 있으며, 낙하, 협착, 넘어짐과 같 은 일반재해를 포함하더라도 약 25% 정도가 가설 공사관련 사고에 기인한 것이라는 것을 통계자료를 통해 알 수 있으며, 또한, 이러한 추세는 점진적으 로 증가하고 있음을 알 수 있다. 따라서 건설공사 관련 재해를 경감하기 위해서는 우선적으로 가설 공사관련 재해를 경감하는 것이 가장 효과적이며, 가설공사관련 재해를 예방하기 위해서는 가설공사 관련 사고에 대한 철저한 분석이 선행되어야 한다. 필자가 한국가설협회에 근무하면서 가설기자재의 안전인증과 재사용 가설기자재 운용현황에 대한 정 보를 수집하고, 최근 수행한 건설현장 붕괴사고 조 사와 분석을 수행하면서 가설공사관련 사고의 원인 을 정리한 결과, 다음과 같이 자재, 설계와 시공, 작 업분야로 크게 구분할 수 있었다. <가설공사관련 사고의 원인> (1) 자재 - 안전인증을 받지 않은 불법자재의 사용 - 재사용으로 인해 성능이 저하된 자재의 사용 (2) 설계 및 시공 - 가설구조물 설계기준을 따르지 않고 설계 - 자격과 경험이 없는 자에 의한 설계 - 표준시방서 및 안전수칙을 준수하지 않고 시공 (3) 작업 - 작업자의 안전수칙 미준수 - 작업자의 무리한 작업 - 감독자의 감독 소홀 이상의 가설공사관련 사고원인분석 결과를 토대 로 사고를 경감하기 위한 방안을 정리하면 그림 6 과 같다. 여기서, 가설기자재의 안전인증과 재사용 가설기자재의 효율적인 관리를 위한 자율등록제는 고용노동부의 지침에 의해 현재 운용 중에 있으며, 특히 가설기자재의 안전인증은 산업안전보건법에 의해 시행되는 것으로써 이를 위반하면 처벌을 받 게 된다. 가설공사관련 작업자의 교육도 산업안전 보건법에 규정되어 있지만 가설공사에 종사하는 작 업자의 근무기간이나 인식의 저하 등의 요인으로 제대로 시행되지 못하고 있으며, 점차 확산이 될 것 으로 예상된다. 가설구조물의 설계와 시공은 국토 교통부에서 발간한 가설공사 표준시방서 에 따 라 시행하여야 하며, 최근 개정된 가설공사 표준

27 건설현장의 안전성 확보를 위한 제언 시방서 는 설계편과 시공편을 구분하여 작성되었 으므로 설계자와 시공자가 적절히 참고할 수 있을 것으로 사료된다. 현재 가설구조물의 안전성 확보와 관련하여 2012 년에 개정되어 2014년 3월부터 시행된 산업안전 보건법 개정안에 따르면, 시공업자는 설계된 가설 구조물이 안전하지 않은 것으로 판단될 경우 관계 전문가의 협조하에 발주자에게 설계변경을 요청할 수 있으며, 발주자은 특별한 사유가 없는 한 이를 받아들이도록 규정하고 있고, 또한, 현재 국회에 계 류중인 건설기술진흥법 개정안에 따르면, 설계업자 는 설계시 가설구조물을 포함하여 필히 구조안전성 검토를 실시하여야 하며, 시공업자는 국가가 인정 한 자격자의 확인을 받아 가설구조물을 설치하여야 한다고 규정하고 있으며, 이를 어길 시에는 벌칙을 부과한다고 적시하고 있다. 이러한 제도적인 보완 이 이루어지면 가설구조물의 안전성은 크게 개선될 것으로 기대된다. 참고문헌 안전보건공단, 방화대교 남단 접속도로 붕괴사고 원인분석 보고서, 안전보건공단, 남북항대교 영도연결도로 붕괴사 고 원인분석 보고서, 한국가설협회, 가설공사 표준시방서 개정(안), 2014 No

28 특별기획(Special Feature) Innovative Water Treatment Technology Lotte Engineering & Construction Technology 교량 시공 중 기술안전관리 기술연구원 토목연구팀전교영 1. 서 언 근래에 건설현장에서 발생한 일련의 대형 안전사고의 공통점은 모두 시공단계에서 발생하였다는 것이다. 장 남교슬래브타설 중 거더 붕괴, 방화대교 남단접속도로 방호벽 타설 중 거더낙교, 영도고가차도교슬래브타설 중 거푸집 붕괴가가설 중에일어났으며, 그 중 거푸집 붕괴를 제외하고는 시공단계별 구조거동의 변화를 고려 하지 못한 부적절한 시공으로 인해 초래된 기술과 관련된 안전사고이다.이러한 사실로 볼 때 구조물에 대한 안전관리는 더 이상 완성계에 대한 것만이 아닌, 가설단계에서의 안전확보까지 확대되어야 한다. 이와 같이 가설단계에서의 안전확보가 중요하게된 이유는 교량의 대형화, 장경간화 및 가설여건의 다양화에 따라 구조물의 형상 및 거동이 복잡해졌기 때문이다. 더구나 가설단계에서는 본 구조물의 시스템이 시공단계 에 따라 변화하고 이에 따라 역학적 특성도 달라지며, 본 구조물을 지지하는 가설구조물의 형상 및 작용하중 이 완성계에 비하여 명확하지 않기 때문이다.그러므로 시공 중 전문기술자에 의한 기술안전관리가 필요하다. 기술안전관리는 가설계획 수립, 시공단계별 해석 및 검토, 시공상세 수립, 계측관리, 품질확보까지 포괄한다. 본 고에서는 이러한 기술안전관리 방안과 사례에 대해 알아 본다.

29 교량 시공 중 기술안전관리 2. 기술안전관리 기술안전관리는 설계자의 의도대로 구조물을 시공하 고 소요 품질확보를 위해 수행하는 일련의 기술활동 으로서 흔히 시공엔지니어링(Construction Engineering), 또는 가설엔지니어링(Erection Engineering)이라 고 일컬어 진다. 즉, 구조물의 시공을 위해 기술적인 계획, 예측, 분석, 평가 및 대책을 수립하는 전문엔지 니어링 활동이다. 기술안전관리자는 사전 가설계획을 통하여 안전하 고 효율적인 시공방법을 선정하고, 공종별 목적 구조 물이 안전하고 정밀하게 시공될 수 있도록 가설엔지니 어링 업무를 수행하여야 한다.또한, 기술안전관리자는 안전에 대한 위험요소를 가장 먼저 규명하고, 설계에 반영하지 못한 위험요소에 대한 정보를 인지하여 개 선하고, 이러한 사항을 시공자에게 전달하여 위험요소 를 줄여나가야 한다. 기술안전관리에 있어서 크게 계획단계, 준비단계, 시공단계로 구분할 수 있으며 각 단계별 업무는 다음 과 같다.구조물 안전시공을 위해서는 계획단계가 가장 중요하므로, 현장여건을 반영하여 적절한 가설공법을 선정하고,장비운영을 포함한 가상 시뮬레이션을 통해 가설계획의 타당성을 확인하여야 한다. 시공단계에서 는 계획된 절차에 준하여 시공되고 있는지, 작업순서 를 준수하고 있는지, 장비운영 및 제원을 확인하고, 특 히 접합 및 이음부에 대한 상세를 확인하고부적절시 재시공 또는 재검토를 통해 시공을 진행하여야 한다. - 기술안전관리 업무절차 구 분 계획단계 준비단계 시공단계 세부사항 시공계획 기술검토 가설단계별검토 가설구조 상세해석 장비운영계획 검토 단계별 관리한계치 설정 계측관리계획 수립 가설자재 검수 장비제원 및 운영 확인 시공에 관한 사전교육 설계와 일치여부 접합,이음부 상세 계측결과 분석 본 구조물 품질관리 기술안전관리 사례 당사에서 수행하였던 주요 교량에 대한 시공 중기술안 전관리 사례를 살펴본다. 3.1 동이1교(사장교, FCM) 동이1교에 대한 기술안전관리는 형상관리로 표현할 수 있다. 사장교 형상관리는 가설단계해석, 측량결과 분석, 예측해석 등의 과정으로 이루어져 있으며, 가설 이 완료되는 시점에서 거더 및 케이블의 부재력이 설 계자가 의도한 완성시설계값의 허용범위를 초과하지 않도록 하고, 주탑과주거더의 형상이 관리한계치를 초 과하지 않도록 하는 것이다. 특히, 동이1교는 국내에서 최초로 시공되는 타정식사 장교로서경간 중앙부에 내부힌지 시스템이 도입된 특 수한 형태이다. 이에 따라일반 사장교와는 달리 경간 중앙부 폐합단계에서 시공오차 발생시 케이블을 이용 한 Set back 자체가 불가하므로 매 Seg별 가설시마다 시공오차를 최소화하여야만Key seg의 설치가 가능하 다. 따라서 시공 단계별로 정밀한 형상관리를 수행하 여 계획선형을 구현하였다. No

30 - 동이1교형상관리업무 그림 1. 동이1교 전경 형상관리 사전해석 시공 전 시공중 28 수행업무 시공하중 선정 시공단계 계획 민감도 해석 관리한계치 설정 제작캠버 산정 시공단계별 변위산정 정착구 위치 및 각도산정 케이블 제작장 산정 측량계획 수립 케이블 긴장력 산정 케이블 제작장 산정 계측관리 그림 2. 동이1교 사전 해석결과(연직 캠버) (N측 보강형 측량결과) PY1 주탑선형 PY2 주탑선형 (S측 보강형 측량결과) 그림3. 동이1교 주탑 및 보강거더 시공결과

31 교량 시공 중 기술안전관리 동이1교의 경우 상부공 형상관리를 위한 각 담당 자들간의 시공프로세스를 구축하여 시공단계별 정 보공유 및 피드백이 원활하도록 하였다. Key-Seg 폐합은 완료하였으며, 현재 포장 및 잔여 부대공만 을 남겨 놓은 상태이다. 국내 최초로 시공되는 타 정식사장교임에도폐합시 오차가 거의 없었던 것을 고려하면 시공계획과 시공 중 형상관리의 중요성을 다시금 일깨워 주는사례이다. 그림 4. 동이1교 상부공 시공 전경 및 프로세스 3.2 진례고가교(아치교, ILM) 진례고가교는연장 85m의 강하로아치교로서, 일 일 통행량 10만대 이상의 폭 41m의 남해고속도로 를 43 사각으로 횡단한다. 시공시에기존 고속도 로 통행에 지장을 주지 않고 가설하기 위해 국내에 서 처음으로 압출 및 회전에 의한 아치교 특수 가 설공법이 도입되었다. 29 그림 5. 진례고가교 전경 No

32 - 진례고가교 기술안전관리 체계 구분 시공단계별 해석 부재별 상세해석 계측관리 수행업무 트러스압출시부반력 아치 압출시트러스 처짐 아치 회전시벤트 안전성 트러스역압출시 처짐 아치 부재응력 잭다운시벤트응력 가설벤트 수직,수평변위 회전축 안전성 트러스 응력/변위 벤트 응력/변위 아치 응력/변위 30 그림 6. 진례고가교가설 순서도 그림 7. 진례고가교 가설단계별 해석

33 교량 시공 중 기술안전관리 진례고가교가설시에는고속도로 상부 횡단에 따 른 런칭거더의 형하고 확보가 가장 중요하다. 런칭 거더과다 변위 발생시 주행중인 차량의 안전은 물 론, 차량 충돌로 인한 가설구조물의 안전성마저 위 협받기 때문이다. 이에 따라 단계별로 정확한 발생 변위 예측이 필요한 상황으로, 시공 중에도 매 단계 마다 시공상세, 작업하중, 지점조건을 반영하여 변 위를 재예측하였으며, 그 결과를 반영하여 형하고 확보를 위한 추가적인 방안을 마련하여 가설을 진 행하였다. 그 결과 비교적 정확한 변위 예측을 통 해 안전한 가설이 이루어졌으며,이를 통해, 시공단 계별 해석은 계획시에만 필요한 것이 아니라, 시공 중에도 설계 조건과의 일치 여부를 확인하고, 재해 석이 필요함을 알 수 있었다. 31 그림 8. 진례고가교 가설단계별 전경 3.3사당IC Ramp교(곡선교) 사당IC 진출입을 위해 Ramp-E와 Ramp-F가 계 획되었으며, 하부도로 이용시시거확보가 유리하고 이용객의 편의성 및 미관을 고려하여 2경간 강합성 거더교로 설계되었다. 램프교 현황은 다음과 같다. 그림13. Ramp-E, Ramp-F 조감도 및 평면도 No

34 - Ramp 교 현황 교 량 구조형식 지간구성 폭원 평면선형 횡단면도 Ramp-E 강합성 거더교 B=6.4~7.4m 클로소이드 +곡선(R=50.6m) Ramp-F 강합성 거더교 B=6.9m 곡선(R=190m) +클로소이드 +곡선(R=90.0m) 32 위와 같이 당 현장 램프교의 경우 클로소이드와 곡선이 연속되는 평면선형을 가지는 바, 시공 중 또 는 공용 중 부반력 발생 가능성이 크다. 특히, 시공 중 강합성거더교의 경우 슬래브 합성 전에는 고정 하중에 의한 반력이 작아 시공 활하중에 의한 부반 력이 발생하기 쉬우므로 시공단계별 검토를 통한 적절한 대책이 수립되어야 한다. - Ramp-E (1) 완성계반력 검토 부반력 발생 여부에 대한 검토결과 부반력이 발 생하지 않으나 곡선교량으로 예상치 못한 부반력에 대한 영향을 최소화 하기위해 교대부는 OUTRIG- GER와 부반력 포트받침을 설치하는 것으로 계획 되었다. 구분 시점교대 종점교대 교각받침 외측받침 내측받침 외측받침 내측받침 2R L+I + R D R D + R W 부반력 미발생 미발생 미발생 미발생 미발생 - Ramp-F 구분 시점교대 종점교대 교각받침 외측받침 내측받침 외측받침 내측받침 2R L+I + R D R D + R W 부반력 미발생 미발생 미발생 미발생 미발생

35 교량 시공 중 기술안전관리 (2) 시공단계 반력 검토 시공단계별 검토를 위해서는 시공순서와 운영장 비에 대한 상세 계획이 필요하다. 당 현장에서는 다 음과 같이 시공계획을 수립하였으며, 이를 바탕으 로 단계별 검토를 수행하였다. 1 시공계획 램프교 시공은 슬래브타설 방호벽 타설 아스 콘 포장으로 진행되며, 각 단계에서 사용되는 장비 제원은 다음과 같다. 구분 슬래브타설 방호벽 타설 아스콘 포장 단계 1단계~8단계 9단계~12단계 13단계~16단계 상세 10m 간격 타설 내측타설 외측타설 (40m 간격 타설) 내측포설 외측포설 (40m 간격 포설) 장비 데크피니셔:0.8t 콘크리트페이버:12.5t 덤프트럭:43.2t Bae-hoe:14.0t 아스팔트피니셔:24.0t 머캐덤로라:12.0t 타이어로라15.0t 탬덤로라:8.5t 덤프트럭: 단계-슬래브 20m 타설 2단계-슬래브 40m 타설 3단계-슬래브 60m 타설 4단계-슬래브 80m 타설 No

36 5단계-방호벽 내측 40m 타설 6단계-방호벽 내측 80m 타설 7단계-방호벽 외측 40m 타설 8단계-방호벽 외측 80m 타설 9단계-포장 내측 40m 포설 10단계-포장 내측 80m 포설 11단계-포장 외측 40m 포설 12단계-포장 외측 80m 포설 34 그림14. Ramp 교 시공단계 모식도 2 시공단계별 해석 프레임 해석 모델을 이용하여 시공단계별 반력을 검토한 결과, Ramp-E에서만 발생하였고, 그 중에 서도 4단계에서만 종점교대 외측 받침에서 부반력 이 발생하였다.발생 부반력은 받침의 허용부반력 -10 tonf를 초과하고 있다. 그림15. Ramp-E교 해석모델(4단계)

37 교량 시공 중 기술안전관리 - Ramp-F 구분 시점교대 종점교대 교각받침 외측받침 내측받침 외측받침 내측받침 강상형 슬래브 장비하중 계 (3) 대책 시공 중에 발생하는 부반력을 제어하기 위한 방 안에 대한 검토결과, 부반력 받침용량을 증대하는 것이 당 현장에 가장 적합한 것으로 평가되어 교 량받침을 변경하였다. 이상과 같이 설계시 고려하 지 못한부반력에 대한 사전 검토를 통해 시공 중 안전성을 확보한 사례로서 기술안전관리의 필요성 을 깨닫게 된다. 4. 맺음말 35 지금까지 구조물의안전성 확보 여부는 완성계에 대한 상태만을 기준으로 관리해왔다. 시공 중에 대 한 안전은 케이블 교량, 일부 특수공법 등을 제외 하고는 설계단계에서 거의 고려되지 않았으며, 모 두 시공자의 책임으로 부분적으로 수행되어 왔다. 그러나 최근 일련의 가설 중 발생한 사고사례를 볼 때 구조물 안전은 더 이상 완성계에 대한 것만 이 아닌, 가설단계에서의 안전확보까지 확대되어 야 하며,가설단계에서의 안전확보를 위해서는 가설 계획 수립, 시공단계별 해석 및 검토, 시공상세 수 립, 계측관리, 품질확보까지 시공 전 공정에 대해 전문기술자에 의한 체계적인 기술안전관리가 필요 함을 알 수 있다. No

38 특별기획(Special Feature) Innovative Water Treatment Technology Lotte Engineering & Construction Technology 터널 시공과정에서 사전예측 가능한 RISK 및 방지방안 이석진 기술연구원 기술연구부분 토목연구팀 수석 1. 서 론 본 고에서는 실제 터널 굴진시 발생하는 터널붕괴 RISK중 사전예측 가능한 RISK와 터널 굴착전 이를 사전 에 방지하여 대비할 수 있는 방안에 대해 논하고자 한다. 터널에서 발생되는 RISK에 대한 현황조사 결과(건설기술 연구원, 2009)에 의하면 NATM터널에서 발생된 RISK 발생사례가 96%로 대부분을 차지하고 있으며 붕괴원인은 파쇄대, 용출수, 절리군 교호 등 지반 불량 에 의한 원인이 99%로 터널 굴착전 지층불량 구간을 사전에 예측하고 대비하는 것이 터널의 RISK를 줄이는 데 가장 중요한 사항임을 알 수 있다. 단위 : m 3 전력구 4% 여수로 1% TBM 3% SHEILD 1% 경상 21% 해외 10% 서울경기 35% 철도터널 21% 도로터널 45% 전라 7% 충청 13% 강원 14% 도시철도 29% NATM 96% (a) 현장위치 (b) 구조물종류 (c) 굴착방법 편도암(토사) 1% 후방봉착 10% 풍화 및 풍화파쇄대 용출수 30% > 500 0~50 28%

39 21% 35% 도로터널 45% 전라 7% 충청 13% 강원 14% 도시철도 29% NATM 96% 터널 시공과정에서 사전예측 가능한 RISK 및 방지방안 편도암(토사) 1% 전막장봉착 5% 토피층합물 28% 후방봉착 10% 연약대봉착 18% 천정부봉착 41% 풍화 및 풍화파쇄대 26% 단층파쇄대 27% 용출수 30% 절리군교호 17% > % 350~500 8% 200~350 13% (d) 붕괴모드 (e) 붕괴원인 (f) 붕괴규모 0~50 28% 50~200 21% 그림 1. 터널 붕괴 사례 데이터베이스에 대한 통계분석 자료 (2009, 건설기술연구원) 실제 터널 굴진전 수행되는 사전조사는 터널굴진부 전체를 대상으로 하는 전기비저항 탐사와 탄성파 탐사 와 같은 광범위 사전조사와 터널 갱구부 및 RISK 예상부에 대한 시추조사 결과가 대부분으로 이 조사결과 만으로 터널굴진시 안정성이 100% 만족한다고 볼 수 없다. 2. 터널굴진시 발생하는 RISK 요소별 특성 및 대책 방안 2.1 터널 RISK 발생위치 터널에서의 변형 등 RISK 발생은 대부분 막장부 가 굴착되고 지보재가 설치되기 전인 무지보 상태 일 때 대부분 발생하며 붕괴형태는 다음에 제시된 바와 같이 굴진이 진행된 막장 전방부에서부터 1차 보강이 수행된 Open부 방향으로 발생한다. (출처:NATM터널 설계개념 및 품질관리, 2013, 신영완) 37 벤치부 파괴 천장부 파괴 막장부 파괴 불연속면의 발달에 의하여 미끄러짐 현상의 파괴 천장부의 절리군이 블록을 형성하여 쐐기형의 파괴 불연속면에 의한 막장부의 국부적인 암반블록의 붕괴 전막장 파괴 연약대 파괴 표토층 파괴 굴착으로 인하여 시간이 경과함에 따라 주 변지층의 자립력이 파괴강도를 초과 하여 막장면 전체에서 붕락이 발생하는 진행성 파괴(가장 일반적이고 많은 붕괴 형태) 연약대가 터널막장부의 굴진 방향에 발 달되어 있는 지반의 경우 연약대를 따 라 슬라이딩 형태의 파괴 (진행성 또는 일시적 파괴) 터널규모에 비해 표토층이 너무 얇아 터널막장 상부 표토층의 함몰이 일어 나는 붕괴 (도심지 터널 굴착시 일반적 인 붕괴형태) 그림 2. 굴착직후 지보재 설치 전 무지보 상태에서의 막장면 붕괴사례 No

40 따라서, 터널공사 진행 중 RISK 발생이 예상되는 구간을 통과하기 전에 사전에 충분한 조사를 통하 여 RISK를 저감하여야 한다. 터널발파 후부터 1차 지보재가 설치되기 전까지 의 기간이 가장 위험한 시기로 이 시기를 최소화 하여 안정성을 확보하는 방안을 강구하여야 한다. 2.2 단층파쇄대 및 풍화 파쇄대 전기비저항 탐사결과로 확인된 저비저항 이상대 는 단층파쇄대일 가능성이 높으므로 시추조사를 통 해 지층불량 유무를 확인하여야 하며 실굴착 과정 에서 막장면 Face Mapping 등을 통해 RISK 발생 을 최소화 하여야 한다. 그림 3은 실 굴진 전에 탐사를 통해 확인된 저비 저항 이상대와 실제 굴진과정에서 해당위치 굴진시 확인된 파쇄대 현황이다. 38 그림 3. 전기비저항 탐사결과 확인된 저비항 이상대와 해당 위치 굴진시 확인된 파쇄대 상기에 제시된 예와 같이 사전에 미리 예측된 파 쇄대의 경우, 암굴착 TYPE 변경 등을 통해 사전에 대비할 수 있으나 예측되지 않은 파쇄대의 경우, 굴 착과정에서 주요 Risk로 작용할 수 있다, 따라서, 다음과 같은 방법으로 굴착과정에서 전방부의 단층 파쇄대 유무를 확인할 수 있다. RISK 요소가 큰 부분이 있는 것으로 판단되면 사 전 대비(굴진 TYPE 안전측 변경, 부분 굴착, 정밀 발파)를 통해 RISK 예상 면까지 굴진한 후 막장면 상태 및 추가 전방 감지천공을 통해 RISK 대상 구 간의 폭과 범위를 확인한 후 보강방안을 결정한다. 1) 터널 굴진중 감지천공 터널굴진 작업을 수행하는 점보드릴은 3공이 동 시에 시공되는 장비를 많이 사용하고 통상 1.0m ~ 4.5m 의 천공을 암굴착 TYPE 별로 수행하므로 터널 천단부 중심으로 1~2공의 감지천공을 4.5m 까지 매막장 수행하여 이상 징후(천공 굴진의 급격 한 증가, 용수유출)여부를 확인한다. 전방 막장부에

41 터널 시공과정에서 사전예측 가능한 RISK 및 방지방안 그림 4. 터널 천공시 많이 사용되는 점보드릴과 실 천공 예 2.3 용수유출에 대한 RISK 대비 방안 산악터널은 산지를 통과하여 굴진을 진행하므로 등고선이 표현된 평면도상에서 계곡으로 추정된 구 간의 하부는 용수유출 가능성이 높으며 실제 굴착 과정에서 용수유출에 의한 블록파괴가 발생할 가능 성이 높다. 따라서 사전에 용수배수에 대한 사전 대 비를 통해 용수유출이 과다할 경우 차수 Grouting 등을 적용하여 굴진하여야 한다. 2) TSP 탐사 및 전방 수평 시추를 통한 확인 TSP 탐사는 터널내에 충격파를 발생시켜 이를 이 용하여 막장전방 150m 내외의 절리면 상태 및 파 쇄대 유무를 확인할 수 있는 방법으로 막장 전방부 의 암굴착 TYPE이 불량한 것으로 판단되면 해당위 치에 근접하여 선진수평 시추와 연계하는 방법으로 막장전방부의 안정성여부를 확인한다. 단, TSP 탐사로는 저각의 단층파쇄대 및 이상대 를 파악하는데 한계가 있으므로 층리면이 발달한 경상분지 퇴적암 지대나 단층대가 저각으로 형성된 구간에서는 적용에 주의가 필요하다. 39 그림 6. 계곡발달에 따른 용수유출 가능성이 높은 구간과 실굴착과정에서 확인된 용수 그림 5. TSP 탐사를 통한 전방예측의 개념도와 측정 사례 2.4 암반경계 변화 구간에서의 RISK 암종경계나 암반의 상태가 달라지는 경계에서는 연약한 불연속면이 형성될 가능성이 크고 경계면을 따른 블록파괴의 가능성이 있으므로 암종경계부 굴 No

42 진시 굴착 TYPE을 안전 측으로 저하시키고 필요시 부분 굴착등을 통해 막장전방의 자립기간 확보기간 등을 확인한 후 굴착공사를 진행한다. 그림 7. 암종경계에서의 굴착 현황 예 3. 결 언 4. 참고문헌 40 본고에서는 터널 굴진과정에서 막장면 붕락 등의 RISK를 발생시킬 수 있는 요인에 대해 언급하고 각 각의 요인에 대한 특성 및 실 굴진시 이를 고려한 굴진을 진행 할 수 있는 방안에 대해 제시하였다. NATM터널은 굴진시 사전에 충분한 조사를 통하 여 위험한 구간을 설정하고 실제 굴착되는 막장면 의 상태에 따라 실제 보강유무를 결정하는 방법으 로 안정성이 확보되므로 현장 기술자의 상황판단능 력이 무엇보다 중요하다. 따라서, 현장에서는 감지 천공 등의 통해 막장 전방부의 암변화를 수시로 확 인하고 RISK 있는 구간 통과시에는 암굴착 TYPE 을 조정하여 안정성이 확보되는 굴진을 진행하여 야 한다. 1. 건설기술연구원(2009), 터널시공 위험도 관 리 시스템 소개 2. 신영완(2013), NATM 설계개념 및 품질관리

43 Lotte Engineering & Construction 터널 시공과정에서 Technology 사전예측 가능한 RISK 및 방지방안 트러스 거더 교량공사 안전 HSE부문 대리 한충환 특별기획(Special Feature) Construction in Special Environmental Condition 1. 개 요 본 지침은 교량 상부 종류 중 비교적 중량이 가벼운 트러스 거더를 크레인 공법으로 인양, 설치하고 슬래브 를 콘크리트로 시공하는 트러스 거더 교량공사 시 발생하기 쉬운 떨어짐, 부딪힘, 무너짐, 감전 등의 재해를 예방하기 위하여 필요한 작업 단계별 안전사항 및 안전시설에 관한 기술적 사항 등을 정함을 목적으로 한다.

44 2. 트러스교 시공순서 (1) 크레인을 이용하여 트러스 거더를 인양 및 설치하는 시공순서는 다음과 같다. 트러스거더 공장 제작 트러스거더 반입 트러스거더 야적 이동식 크레인 작업 트러스거더 현장조립 가설벤트 설치(필요시) 교량 받침(Shoe) 설치 트러스거더 인양 트러스거더 연결 슬래브 거푸집 설치 42 철근배근 및 콘크리트 타설 가설벤트 철거(필요시) 그림 1. 트러스 거더(크레인공법) 시공순서도 (a) 가설벤트 설치 (b) 트러스거더 설치 (c) 트러스거더 연결 (d) 상부 슬래브 콘크리트 타설 (e) 가설벤트 철거 그림 2. 트러스 거더 가설벤트 크레인공법 개략도

45 트러스 거더 교량공사 안전 (2) 본 작업지침은 필요시 가설벤트를 설치하고 지상에서 크레인으로 트러스 세그먼트를 인양, 조 립하여 시공하는 공법에 대한 내용이다. 3. 트러스거더 설치 시 안전작업 3.1 트러스거더 반입 및 적재 (a) 운반차량은 정격하중, 적재길이 및 선회반 경 등의 현장 및 작업 조건을 고려하여 선정하여 야 한다. (b) 트러스거더 운반 시 지정 구간내 제한속도 규 정 및 지정속도 운행을 준수하여야 하며, 운반 전에 운전자에게 위험구간 및 운행방법에 대하여 사전교 육을 실시하여야 한다. (c) 커브길에는 신호수를 배치하고 신호수의 신호 에 따라 운행하도록 사전교육을 실시하여야 하며, 볼록 반사경 등을 설치하여야 한다. (d) 후진 작업 시 유도자의 유도에 의한 작업을 하여야 하며, 유도자는 운전자가 보이는 장소에서 유도하여야 한다. (e) 작업 전에 사용할 기계나 기구, 인양고리 등을 점검하고 불량품이 있으면 교체하여야 한다. (f) 인양물에 의한 협착재해를 예방하기 위해 유 도자 및 근로자는 양중 작업자가 보이는 위치에 있 어야 하며, 인양 작업 시 근로자의 출입통제를 철 저히 해야 한다. (g) 트러스부재 인양에 사용되는 인양용 와이어 로프 및 슬링로프는 작업 전에 점검을 실시하여 야 한다. (h) 트러스부재 인양 시 인양용 와이어로프 등은 2줄 걸이로 양방향으로 결속하여야 한다. (i) 슬링로프로 강재를 감을 때 강재모서리와 로프 접촉부에 보호대를 설치하여야 한다. (j) 인양물 적치장소 및 중량물 취급장소는 지반침 하에 의한 도괴재해 예방을 위해 잡석다짐, 콘크리 트 타설 등을 고려하여야 한다. (k) 트러스부재의 받침은 스크루잭(Screw jack) 과 침목 받침을 적절히 분배하여 사용하고, 인양물 을 내려놓기 전에 지반의 평탄성을 확인 한 후 받 침목 설치상태를 확인하여야 한다. 3.2 트러스거더 조립 (a) 지상조립장 선정시 고려할 사항은 다음과 같 다. 1 자재 반입 반출 동선이 유리한 장소 2 자재의 하역, 야적, 이동, 양중 및 설치 등 이 동과정 최소화 3 제작장 바닥면은 연약지반 여부 확인 후 운영 4 부등침하 방지를 위해 로울러로 충분한 다짐 실시(필요시 버림 콘크리트 타설) 5 지반면보다 높은 강우 등으로 인한 배수가 원 활한 장소 6 거더 횡방향 간격은 전도시 옆 거더 피해 방지 를 위해 충분한 간격과 수평유지 7 제작된 순서대로 반출할 수 있는 충분한 운반 공간(2) 부재의 접합면은 조립 전에 깨끗하게 청소하여야 하고, 조립 중 부재의 손상이 발생 하지 않도록 유의하여 조립하여야 한다. (b) 부재의 접합면은 조립 전에 깨끗하게 청소하 여야 하고, 조립 중 부재의 손상이 발생하지 않도록 유의하여 조립하여야 한다. (c) 지상 조립에서 고소 작업이 필요한 경우 이동 식비계나 계단식 발판을 사용하여야 하고, 사다리 를 이용하여 승강하는 경우에는 사다리를 고정하는 등의 전도 예방조치를 취하여야 한다. (d) 트러스거더 접합 용접작업 시 근로자의 감전 43 No

46 44 재해를 예방하기 위해 다음과 같은 조치를 취하여 야 한다. 1 용접봉 홀더 및 전선의 손상유무 확인 2 접지 및 누전차단기 설치 3 용접기에 자동전격방지기 설치 4 용접기 및 분전함 등의 충전부에는 보호관 및 보호캡 등의 방호조치 실시 (e) 트러스거더 조립 시 하부에는 근로자의 출입 을 금지하여야 하며, 조립이 완료된 후에는 부재의 강도를 체크하여야 한다. 3.3 트러스거더 설치 (a) 작업 전 인양에 사용될 와이어로프, 샤클, 훅 등의 손상여부를 점검하여야 한다. (b) 교각, 교대, 가설벤트 등에 설치되는 안전난 간, 사다리 등의 안전시설은 고정형으로 설치하여 야 한다. (c) 조립한 트러스거더 부재를 인양하기 위한 슬 링로프는 정해진 위치에 걸고, 각이 지거나 날카 로운 부분에 슬링로프가 접하는 곳은 완충재를 설 치하여 슬링로프가 손상되지 않도록 하여야 한다. (d) 조립된 트러스거더 부재를 도로에서 인양하 는 경우에는 차량통제 계획을 수립하고, 이 통제계 획에 따라 작업공간에 차량이나 근로자들의 출입을 금지한 후 작업하여야 한다. (e) 조립한 트러스거더 부재를 인양할 때 신호 수가 트러스거더 위에서 신호하는 것을 금지하여 야 한다. (f) 트러스거더를 매단 상태에서 결속 상태 및 와 이어로프 설치 각도 등의 적정여부를 확인하면서 작업을 진행하여야 한다. (g) 트러스거더 거치 및 유도하거나 미세조정 시 유도로프 및 보조기구를 사용하여야 한다. (h) 트러스거더 거치 후 반드시 전도방지조치를 하여야 한다. (i) 로프 체결방법은 트러스거더 인양은 4줄 걸 이로 하여야 하며, 부속 자재의 경우에는 2줄 걸이 로 하여야 한다. (j) 트러스거더 연결작업에 필요한 이동식 달비계 는 견고한 구조여야 하며, 작업발판 및 안전난간이 설치되어 있어야 하고, 볼트 등의 부재 낙하방지를 위해 바닥에 합판 등을 이용하여 틈이 발생하지 않 도록 설치하여야 한다. (k) 트러스거더 하부의 낙하물 방지망은 지상에서 미리 설치하고, 지상 설치가 불가할 경우 안전대 부 착설비를 설치하고 안전대를 사용하는 등의 추락재 해 예방조치를 하여야 한다. (l) 트러스거더 상부에는 안전대 걸이시설, 안전 난간, 추락방지망 등의 추락재해 예방시설을 설치 하여야 한다. 3.4 이동식 크레인 작업 (a) 사용하는 장비의 종류 및 성능, 운행경로, 작 업방법, 안전점검 사항 등을 확인하고 작업계획서 를 작성하여야 한다. (b) 트러스거더 인양 시 인양작업계획서에 따라 안전작업절차를 준수하여야 한다. (c) 이동식 크레인 2대로 함께 인양할 때에는 하 중의 편중을 고려하여 크레인의 사양 및 설치 위 치, 인양 방법 등을 포함한 작업계획서를 작성하 여야 한다. (d) 이동식 크레인의 붐 끝단 부착금구 및 도르 래, 차체 등의 노후 및 부식상태 등의 이상유무를 확인하여야 한다. (e) 작업시작 전에 과부하방지장치, 권과방지장치 등의 작동여부를 확인하여야 한다.

47 트러스 거더 교량공사 안전 (f) 크롤러 크레인의 경우 충분한 지지력이 확보된 견고한 지반위에 설치하여야 한다. (g) 트럭 크레인의 경우 아웃트리거는 충분한 지 지력이 확보된 견고한 지반 위에 받침판을 깔고 설 치하여야 한다. (h) 크레인 인양 작업 시 신호수를 배치하고, 운 전자와 신호수가 서로 신호를 확인할 수 있는 장 소에서 일정한 표준방법을 정하여 신호할 수 있도 록 하여야 한다. (i) 크레인의 회전반경내에 안전휀스, 출입금지 표 지판 설치 등 관계자 외 출입금지 조치를 취하여 야 한다. (j) 이동식 크레인의 정격하중은 설계기준, 장비 매뉴얼과 제원표, 인양능력표 등을 확인하여 정하 여야 한다. (k) 이동식 크레인에는 운전자 및 근로자들에게 잘 보이는 위치에 정격하중표지를 부착하여야 한 다. (l) 트러스거더 적재 시 슬링(Sling)로프나 훅 (Hook)이 부재 틈에 걸리지 않도록 받침목의 위치 와 높이를 선정하여야 한다. (m) 트러스거더 하역 시 받침불량, 편심 등에 의한 유동이 있을 수 있으므로 인양물 하역 전 일단정지 후 인양물 받침상태 등을 확인하여야 한다. (n) 트러스거더 인양 시 이동식 크레인 지브의 경 사각도를 고려한 최대허용하중을 준수하여야 한다. (o) 인양작업 시 크레인의 전도방지를 위하여 아 웃트리거 설치상태를 점검하여야 한다. (p) 이동식 크레인의 후진 작업 시에는 유도자에 의해 작업해야 하며, 유도자는 운전자가 인식이 가 능한 장소에서 유도하여야 한다. (q) 다음의 어느 하나에 해당하는 악천 후 시에는 작업을 중지하여야 한다. 1 풍속이 초당 10미터 이상의 경우 2 강우량이 시간당 1밀리미터 이상인 경우 3 강설량이 시간당 1센티미터 이상인 경우 (r) 크레인 운전자는 다음의 안전수칙을 준수하 여야 한다. 1 크레인 사용은 지정된 운전원이 하여야 한다. 2 크레인 운전원의 개인보호구 및 장비는 무선 조종기 조작장치와 간섭되지 않도록 유의하 여야 한다. 3 크레인의 안전장치를 임의로 제거 또는 변경 해서는 안된다. 4 크레인 사용시 급운전, 급정지, 급강하, 급상승 을 하여서는 아니된다. 5 크레인의 정격 인양하중을 준수한다. 45 그림 3. 이동식 크레인 작업 No

48 46 4. 슬래브 시공시 안전작업 4.1 거푸집 설치 (a) 슬래브 거푸집은 시공 전 현장여건을 감안 하여 구조 검토를 면밀히 한 후 시공하여야 한다. (b) 슬래브 거푸집은 슬래브에 콘크리트 타설에 따른 장비 및 인원 등을 고려하여 충분한 지지가 될 수 있도록 하여야 한다. (c) 슬래브 타설전 교량받침 고정을 철저히 하여 콘크리트 타설시 교량 받침위치가 변경되지 않도록 하고 교량받침의 임시 잠금장치는 슬래브 타설 후 제거토록 한다. (d) 슬래브가 곡선구간으로 편구배가 있을 경우에 는 쏠림현상이 발생될 수 있으므로 횡버팀목을 설 치하여야 한다. (e) 차량 통행구간에는 슬래브 하부에 낙하물 방 호선반을 설치하여야 한다. (f) 슬래브의 양쪽에는 안전난간 설치기준에 따라 안전난간 등 추락방지시설을 하여야 한다. 4.2 철근 배근 및 조립 (a) 철근작업 중 철근전도에 따른 전도방지조치( 버팀대(줄) 설치)를 하여야 한다. (b) 철근에 찔리거나 손상에 주의하고 노출된 철 근 및 강선에는 보호캡을 씌우고 위험표시를 하 며, 운반시 전도, 비래가 일어나지 않도록 주의하 여야 한다. (c) 근로자들이 철근 조립작업중 바닥 철근에 걸 려 전도할 우려가 있어 조립된 철근 상부에 안전한 통로를 설치하여야 한다. (d) 가공 철근 인양작업시 낙하물이 발생하지 않 도록 2줄 걸이로 하며, 달줄 달포대 또는 인양박 스를 사용하여야 한다. 4.3 콘크리트 타설 (a) 높은 장소에서 콘크리트 타설시 불완전한 행 동 등으로 추락의 위험이 있으므로 안전난간을 설 치하고, 안전모, 안전대 등의 보호구를 항상 착용한 후 작업하여야 한다. (b) 콘크리트 타설시 레미콘 차량의 안전 및 교 통통제를 위해 차량 통제요원을 고정 배치하여야 한다. (c) 콘크리트 타설방법 및 순서를 준수하여야 하 고, 거푸집 전체가 기울어지거나 변형되어 붕괴되 지 않도록 콘크리트를 한곳에 편중 타설하여서는 안 된다. (d) 콘크리트 펌프카를 이용하여 콘크리트를 타 설 시 전도방지를 위해 다음과같은 조치를 취하여 야 한다. 1 필요시 지반다짐 실시 2 충분한 접지면적 확보를 위해 지면에 철판 설치 3 하부 고임목 설치 (e) 콘크리트 펌프카를 이용하여 콘크리트를 타 설시 타설 위치 및 붐대의 적정각도를 사전에 검토 하여야 한다. (f) 콘크리트 펌프카를 이용하여 콘크리트를 타설 시 배관단부에 부착된 호스를 직접 잡고 움직여서 는 안되며, 이동을 위한 안내줄(Guy rope)을 사용 하여야 한다. (g) 콘크리트 타설 및 다짐 시 진동다짐기(Vibrator)가 거푸집 및 철근에 직접 닿지 않도록 주의하 여야 한다. (h) 진동다짐기의 감전방지를 위해 접지 및 누전 차단기가 설치된 분전반의 전원을 사용하고, 작업 전선도 피복손상 유무를 확인하며, 사용후에는 분 해해서 깨끗하게 청소하여야 한다.

49 트러스 거더 교량공사 안전 4.4 거푸집 해체 (a) 거푸집의 해체는 원칙적으로 설치의 역순으로 순차적으로 실시하여야 한다. (b) 거푸집 해체 작업장 주위에는 관계자외 근로 자의 출입을 금지하여야 한다. (c) 강풍, 폭우, 폭설 등 악천 후 시에는 해체작업 을 중지하여야 한다. (d) 해체된 거푸집 기타 각목 등을 올리거나 내 릴 때에는 달줄 또는 달포대 등을 사용하여야 한다. (e) 해체된 거푸집 또는 각목 등에 박혀 있는 못 또는 날카로운 돌출물은 즉시 제거하여야 하고, 재 사용 가능한 것과 보수하여야 할 것들을 선별, 분리 하여 적치하고 정리정돈을 하여야 한다. (f) 고소에서 해체작업을 할 때에는 반드시 안전대 를 착용하여야 한다. (g) 가능한 상 하에서 동시 작업이 되지 않도록 주의하여야 한다. 47 No

50 기술연구 Technical Research Lotte Engineering & Construction Technology 다짐에너지를 고려한 노반 성토 재료의 탄성파 속도 변화의 실험적 분석 김학성 기술연구원 토목연구팀 선임연구원 양희정 기술연구원 토목연구팀 수석연구원 1. 서 론 본 연구에서는 다짐 에너지 수준에 따른 탄성파 속도 변화 양상을 파악하기 위해 다짐에너지 수준을 달리 하여 실내 다짐 시험과 탄성파 속도 측정을 수행하였고, 그 결과를 분석하여 다짐에너지의 차이가 다짐 재료 의 탄성파 속도에 어떻게 영향을 주는지 제시하고자 하였다. 2. 실내시험 2.1 실험 대상 재료 본 연구의 대상 재료는 도로 및 철도 노반의 성토 재료로 주로 쓰이는 통일 분류법상 SP 또는 SW의 재 료를 사용하였다. 표 1에 제시한 바와 같이 A, B, C와 D시료는 도로 현장 및 철도 노반 시공 현장에서 직접 채취하였고, 입도 분포의 불확실성을 감소시키기 위해 실내에서 가공된 시료인 E와 F를 추가로 사용하였다. 2.2 다짐시험 다짐 시험은 D다짐(KS F 2312, ASTM D422-63)을 기준으로 에너지 수준을 달리하여 수행하였다. 본 연 구에서는 래머의 낙하고를 45cm로 고정하였고, 비 반복법에 따라 다짐 대상 재료를 준비하였다. 다짐에너지 수준에 따라 3가지 경우로 나누어 실험을 수행하였다. 에너지 수준에 따른 다짐 시험 조건은 표 2과 같다. 표

51 다짐에너지를 고려한 노반 성토 재료의 탄성파 속도 변화의 실험적 분석 2에 제시한바와 같이 D다짐 시험의 에너지 수준을 100%로 하고 다짐층수와 층당 다짐횟수를 변화하 여 다짐에너지 수준이 60% 또는 136%가 되도록 다짐을 실시하였다. 2.3 실내 탄성파 측정 표 1에 정리한 시료에 대해 에너지 수준을 달리 하여 다짐 시험을 실시하였고, 각기 다른 함수비 조 건으로 다짐된 시료에 대해 탄성 압축파와 전단파 속도를 측정하였다. 탄성파 측정 시험은 다져진 시 료가 다짐 몰드에 구속된 상태에서 수행하였다. 이 는 실제 지반의 횡방향 구속 조건을 고려하고, 또한 추출 시 시료의 교란을 최소화시키기 위해서이다. 탄성파 계측에서 압축파와 전단파 계측은 서로 다른 방법이 적용되었다. 압축파 측정을 위해 다 짐 시료의 한 쪽 면에 가진 판(직경 10mm, 두 께 1mm)을 설치 한 후 그림 1(a)와 같이 충격 해머(impulse hammer, PCB 086C80)를 가격하 여 압축파를 발생시켰다. 압축파의 수신을 위해 1Hz~30kHz의 주파수 대역 측정이 가능한 가속도 계(PCB 353B11)를 그림 1(b)와 같이 다짐시료의 반대쪽 면에 부착하였다. 측정된 압축파 신호는 동 적 신호 분석기를 통해 기록하였다. 전단파 계측은 충격해머 대신에 한 쌍의 벤더 엘리 먼트(bender element, BE)를 사용하여 측정하였 다. 벤더 엘리먼트를 이용한 신호 계측에서는 그림 3(b)와 같이 함수발생기(function generator), 전압 증폭기(power amplifier)가 가진 측에 사용되며, 입 력 및 수신된 파형은 오실로스코프(oscilloscope) 를 통하여 확인한 후, 데이터 기록 장치를 통해 저 장하였다. 시료명 채취 장소 통일 분류 기호 200번체 통과 세립분 (%) 다짐에 너지 수준(%) 최대건조 단위중량 rd(max) (kn/m3) 최적 함수비 OMC (%) 압축파 (P파) 탄성파 시험 실내실험 현장시험 전단파 (S파) 크로스홀 시험 직접도달파 시험 A100 서천 (철도노반) SW B100 온양 (시험성토) SP C 아산 C100 SW (철도노반) C D 의왕 D100 SW (시험노반) D E 용인 E100 SW (표토) E F 용인 F100 SW (표토) F 표 1. 다짐 시험 시료의 종류 *시료명의 숫자는 D 다짐 시험의 에너지 수준이 100%일 때 각 시료에 가해진 에너지 수준 비율(%)임. *서천, 아산, 의왕에서 채취한 시료는 박철수 등(2009a, 2009b) No

52 다짐에너지 수준 (%) 다짐층수 층당 다짐횟수 다짐에너지 (kj/m3) 비고 D 다짐 표 2. 다짐 시험 세부사항 (a) 충격해머 그림 1. 다짐시료의 압축파 측정 (b) 가속도계 50 (a) 건조 측 (함수비 5.4%) (b) 습윤 측 (함수비 11.9%) 그림 2. 서로 다른 함수비를 가진 시료의 압축파 신호 (시료 E136) 본 연구에서는 전단파의 입력주파수를 2kHz,로 결정하였고, 전압증폭기를 이용하여 20~30V로 신호를 증폭하여 가진하였다. 측정된 신호는 압축 파와 유사하게, 최적함수비를 기준으로 건조 측에 서는 입력파형(2kHz)과 유사한 고주파 신호특성이 나타났으나, 습윤 측으로 갈수록 저주파형의 특징 이 나타났으나 압축파의 경우보다는 뚜렷하지 않 았다.

53 다짐에너지를 고려한 노반 성토 재료의 탄성파 속도 변화의 실험적 분석 Function Generator Power Amplifier Oscilloscope Data Logger (Computer) (a) 벤더 엘리먼트 (BE) 그림 3. 다짐시료의 전단파 측정 (b) BE 계측시스템 개요 2.4 현장 탄성파 시험 본 연구에 사용된 시료 중 D시료는 철도노반의 실대형 실험을 위한 상부 노반 조성에 사용된 재료 와 동일한 시료이며, D시료로 조성된 상부 노반에 대해 현장 탄성파 시험이 가능하였다. 먼저 상부 노 반 조성 단계에서 직접 도달파 시험(direct arrival test, DAT)을 수행하였다. 직접 도달파 시험은 얕 은 깊이의 지표면 근처 지반의 동적 물성을 측정하 기 위한 탄성파 조사 기법 중 하나이다(Richart 등, 1970). 직접 도달파 시험은 그림 4(a)과 같이 가진 원과 수신기를 설치하며, 가진원과 수신기(4.5 Hz geophone)사이의 거리는 1m로, 각 수신기 간격 은 1m씩으로 총 3개의 수신기를 설치하였다. 그림 5(b)에서와 같이 가진원의 타격 방향에 따라 측정 하고자 하는 탄성파를 변화시켜 주성분으로 전파시 킬 수 있으며, 압축파 이외에 전단파의 측정도 가능 하다. 가진은 그림 4(b)에 보인 플랭크(plank)에 신 호선을 연결한 망치로 타격하는 방법을 사용하였으 며, 수신기는 방향성에 따라 수평인 경우 P파와 SH 파, 연직방향인 경우 SV파 측정이 가능하도록 두 종류를 사용하였다. 노반 조성이 끝난 후 열차하중 재하 전후에 크로 스홀 시험(cross hole test, CHT)을 실시하였다. 크 로스홀 시험은 지반에 두 개 이상의 검측공을 설치 하고 한 쪽은 발진자(source), 다른 한쪽은 감지기 (receiver)를 동일 심도에 설치한 후 발진자에서 발 생시킨 진동이 지반을 통과하여 감지기에 도달하는 시간을 측정하여 깊이 별로 탄성파 속도를 측정할 수 있는 시험이다. 51 (a) 직접 도달파 시험 개요 (b) 타격방향에 따른 탄성파의 발생 그림 4. 직접 도달파 시험 개요 및 타격방향에 따른 탄성파의 발생 (정영훈 등, 2011) No

54 3. 실험결과 및 분석 52 본 연구에는 총 6가지 종류(A~F)의 사질토 성분 의 시료를 대상으로 실내다짐시험과 탄성파 속도 측정을 실시하였다. 그림 5과 그림 6에서는 압축 파 속도와 건조단위 중량의 상관관계를 함수비 조 건에 따라 건조 측과 습윤 측으로 나누어 도시하였 다. 그림 5에서 건조 측의 압축파 속도는 건조단위 중량에 대해 선형적으로 증가한다. 반면 그림 6에 서 습윤 측의 압축파 속도는 건조단위중량이 증가 하면 지수함수의 형태로 증가하는 경향을 확인 할 수 있다. 흙의 압축파 속도는 물의 영향을 많이 받 는데, 이는 물이 비압축성 재료이므로 흙 입자에 의 해 전달되는 압축파 속도보다 훨씬 큰 압축파 속도 를 가지기 때문이다. 따라서 그림 6의 비선형적인 압축파 속도 증가 패턴은 함수비 증가에 따라 포화 도가 증가하며 따라서 압축파 전달이 흙 입자에 의 해 이루어지지 않고 물에 의해 이루어지기 시작함 을 의미한다. 그림 6에서는 또한 D시료에 대해 실 시한 현장 탄성파 시험의 측정 결과도 보여준다. 현 장에서 측정한 D시료의 건조단위중량-직접 도달파 시험(DAT) 속도 관계는 실내 시험의 경향선에 거의 근접하고 있다. 하지만 건조단위중량-크로스홀 시 험(CHT) 속도 관계는 동일한 건조단위중량에 대해 % 정도 큰 탄성파 속도를 보이는데 이는 앞서 설명한 바와 같이 구속압의 차이에 의해 발생 한 것으로 판단된다. 그림 6. 압축파 속도-건조단위 중량의 상관관계 (습윤 측) 그림 7와 그림 8은 전단파 속도와 건조단위 중량 의 관계를 함수비 조건에 따라 건조 측과 습윤 측 으로 각각 나누어 도시하였다. 상관관계를 얻기 위 한 회귀분석은 C, D시료와 E와 F시료에 대해 각각 실시하였다. 압축파와는 달리 건조단위 중량이 증 가함에 따라 전단파 속도는 건조 측과 습윤 측 모두 에서 선형적으로 증가하는 경향을 보였다. 전단력 을 전달하지 못하는 유체의 특성을 감안한다면 물 은 전단파의 전달에 영향을 주지 못하며 습윤 측에 서 흙의 포화도가 증가하더라도 대부분의 전단파는 흙 입자를 통해 전달된다. 그림 7. 전단파 속도-건조단위 중량의 상관관계 (건조 측) 그림 5. 압축파 속도-건조단위 중량의 상관관계 (건조 측) 그림 8. 전단파 속도-건조단위 중량의 상관관계 (습윤 측)

55 다짐에너지를 고려한 노반 성토 재료의 탄성파 속도 변화의 실험적 분석 따라서 건조단위중량 증가에 따른 입자 접촉 수의 증가만이 전단파 전달 경로의 확대로 이어지며 이 로 인해 건조단위중량과 전단파 속도는 선형의 관 계를 가진다고 유추할 수 있다. 그림 8에서는 D시 료에 대해 측정한 현장 탄성파 시험의 결과를 함께 도시하였다. 압축파 시험의 결과와 유사하게 CHT 시험의 전단파 속도가 D시료의 실내 시험 결과보 다는 큰 값이며, 이 역시 구속압 증가에 의해 발생 된 것으로 판단된다. 압축파 시험 결과와 달리 직접 도달파 시험(DAT)으로 구한 전단파 속도는 실내 시 험의 값보다 약간 큰 값을 가지는데, 이는 현장에서 의 다짐 에너지 수준이 실내에서 보다 큰 값을 가 졌기 때문으로 판단된다. 4. 결론 다짐 에너지에 따른 사질토 성토재의 탄성파 속도 변화 특성을 규명하기 위하여 다양한 위치에서 채 취한 시료를 이용하여 실내 다짐 시험, 실내 탄성 파 측정 시험, 현장 탄성파 측정 시험을 실시하였 고, 그 결과를 분석하여 다음의 결론을 도출하였다. 1) 함수비 변화에 따른 압축파와 전단파 속도 변화 곡선은 다짐 곡선과 유사한 형태를 보인다. 최적 함수비를 기준으로 건조 측에서는 함수비가 증 가함에 따라 압축파 및 전단파 속도 모두 증가 하며, 습윤 측에서는 함수비가 증가함에 따라 압 축파 및 전단파 속도가 감소한다. 2) D다짐 시험의 다짐에너지 수준이 100%일 때 다 짐 에너지를 60~136% 수준으로 변경하여 다 짐시험과 탄성파 측정 시험을 수행한 결과, 다짐 에너지가 100%이상 되는 조건에서는 다짐 에 너지가 증가하더라도 습윤 측의 다짐곡선과 탄 성파 속도 곡선에 큰 변화가 없는 것으로 확인 되었다. 3) 압축파의 경우 건조 측에서 건조단위중량이 증 가함에 따라 압축파 속도가 선형적으로 증가하 는 양상이 나타나지만, 습윤 측에서는 건조단위 중량이 증가함에 따라 지수함수의 형태로 압축 파 속도가 비선형적으로 증가하는 것을 확인하 였다. 이러한 비선형적인 압축파 속도 증가 패 턴은 습윤 측에서 함수비 증가에 따라 포화도가 100%에 가깝게 증가하며 따라서 압축파 전달이 흙 입자에 의해 이루어지지 않고 물에 의해 이루 어지기 시작함을 의미한다. 4) 전단파의 경우 건조 측과 습윤 측 모두에서 건 조단위중량이 증가함에 따라 선형적으로 전단파 속도가 증가하였는데, 이는 물이 전단파의 전달 에 영향을 주지 못하며 습윤 측에서 흙의 포화 도가 증가하더라도 대부분의 전단파는 흙 입자 를 통해 전달됨을 의미한다. 5) 현장 시험 중 직접 도달파 측정 시험으로 구한 압축파 속도는 실내 시험의 결과와 매우 근사하 지만, 크로스홀 시험으로 구한 압축파 속도는 실 내 시험의 결과보다 상당히 큰 값으로 나타났으 며 이는 구속압 증가의 영향으로 판단된다. 하 지만 전단파 속도는 직접 도달파 시험과 크로스 홀 시험 결과 모두 실내 시험 결과보다 큰 값이 나타났는데, 이는 현장에서의 다짐 에너지 수준 이 실내에서 보다 큰 값을 가졌기 때문으로 판 단된다. 실내 시험에서도 압축파 속도보다는 전 단파 속도가 다짐 에너지 수준에 보다 민감하 게 변화한다. 참고문헌 1. 박철수, 목영진, 최찬용, 이태희(2009a), 압축파 속도를 이용한 철도 토공노반의 품질관리방안 : Ⅰ. 예비연구, 한국지반공학회 논문집, 제 25권 9호, pp No

56 2. 박철수, 목영진, 황선근, 박인범(2009b), 압축파 속도를 이용한 철도 토공노반의 품질관리방안 : Ⅱ. 적용성 검증, 한국지반공학회 논문집, 제 25 권 9호, pp 정영훈, 김학성, 변보현, 이진욱(2011), 고속철 도 노반의 최적단면 결정을 위한 실대형 모형시 험에서의 노반변형 계측, 한국철도학회, 2011년 도 정기총회 및 추계학술대회, pp Richart, F.E., Hall, J.R., and Wood, R.D. (1970). Vibration of Soils and Foundations, Englewood Cliffs, New Jersey, Prentice-Hall Inc. pp

57 Lotte Engineering 층간소음(공동주택 & Construction Technology 바닥충격음) 규제의 변화에 따른 대응방향 코일형 지중열교환기의 이론해 개발 및 수치해석 연구 기술연구 Technical Research 박스칸 기술연구원 토목기술팀 연구원 1. 서 론 1.1 개요 본 연구는 코일형 지중열교환기의 정확한 설계 개발을 위하여 코일형 지중열교환기의 열전달 메커니즘 특성 을 연구하였다. 이를 위해 코일형 지중열교환기의 3차원 코일 열원 형상과 유한한 코일 열원 효과를 고려한 3 차원 해석모델 spiral coil source model을 제안하였고 Green s function을 이용하여 해석해를 개발하였다. ABAQUS를 이용하여 3차원 코일 열원을 축대칭의 ring-coil 열원으로 가정하여 열전달 수치해석을 수행하 였다. 개발된 해석해는 열전달 수치해석모델의 결과와 비교를 통해 검토하였고 해석모델의 해석해 매개변수 연구를 통해 해석모델의 특성 파악 및 spiral coil source model을 통한 지반 내 열전달 특성을 살펴보았다. 1.2 해석해 모델 이론 열교환기 해석에서는 식을 간략하게 하긴 위한 여러 가정 사항들로 인해 해석의 오차와 한계가 있음에도 불구하고 여전히 간편함과 계산의 편의성 때문에 기존의 해석 모델(analytical model)의 해석해(analytical solution)를 사용하고 있다. 대표적으로 1차원 해석해를 기초로 한 전통적인 모델들이 있다. 그 중 제일 먼 저 개발되고, 가장 널리 이용되는 모델로 infinite line source model(무한선형열원모델)이 있다. Infinite line source model은 Kelvin의 열원모델을 열교환기에 적용하여 Carslaw & Jaeger(1947)의 의해 개발되었다. Ingersoll & Plass(1948)는 적분해 부분을 계산한 표를 제시하였다. 추가적으로 Bose(1991)는 적분해 부분 을 근사화한 간편 관계식을 제안하였다. 널리 이용된 또 다른 모델로는 infinite cylindrical source model(무한

58 56 원통열원이론)이 있다. Infinite cylindrical source model은 먼저 Carslaw & Jaeger(1947)에 의해 언급되었으나 그 후 Ingersoll & Zobel(1954)에 의 해 제안되었다. 또한 무한열원이 아닌 유한열원으로 2차원 해 석모델로 Eskilson(1987)은 finite line source model을 개발하였다. 그러나 기존의 해석 모델들 은 지열교환기가 에너지 파일로 시공됨에 따라 두 꺼워진 파일 반경과 파일의 열용량을 무시하기 때 문에 short term 해석에 한계를 보이며 또한 짧아 진 파일의 길이 때문에 열원을 무한으로 가정한 모델들의 long term 해석에서의 한계점을 보인다. 최근에는 코일형 열교환기의 해석모델들이 개발되 고 있다. Man 외(2010)은 코일형 열교환기 특성 을 고려한 새로운 solid cylindrical source model 을 1차원과 2차원 모델로 개발하였고 또한 Cui 외 (2011) 역시 코일형 열교환기 특성을 고려한 transient ring-coil source model을 1차원과 2차원 모델로 개발하였다. 구분 Unit dry density γ (kn/m 3 ) Void ratio e 1.3 수치해석 모델 ABAQUS를 이용하여 열응답시험(Yoon 외, 2011) 을 수치적으로 묘사하였다 (그림 1 & 2). 수치해석 을 위한 코일 열원의 3-D외형을 ring-coil형태로, 그리고 ring-coil의 3-D외형을 axisymmetric 조건 을 이용하여 2-D화하였다. 코일 열교환기의 사용 된 파이프의 외경 25mm이며, ring-coil의 코일 간 의 간격은 50mm이다. 연직 파이프는 axisymmetric 조건이기 때문에 파이프 외경의 반인 15mm 가 사용되었으며 연직 깊이는 4000mm(4.0m)이 다. 균질한 주문진사 지반에 HDPE 파이프로 구성 되어 있으며, 수치해석에 사용된 물질의 열물성값 은 표 1에 나타나 있다. mesh의 형상은 그림 1을 통해 볼 수 있다. 열전 달은 전도에 의해서 일어나며 각각의 매질의 접촉 면 조건은 완전 접촉으로 설정하였다. Thermal conductivity λ (W/m) Specific heat capacity c (J/kg.K) 주문진사 표 1. 주문진사의 열물성값 그림 1. 열응답 시험 장비 및 코일형 열교환기

59 코일형 지중열교환기의 이론해 개발 및 수치해석 연구 그림 2. 열응답시험 수치해석 모델 모식도 2. Spiral coil source model 및 해석해 개발 2.1 Spiral coil source model Spiral coil source model은 코일의 복잡한 형 태를 고려한 코일형 열교환기이다. Spiral coil source model의 해석해는 코일 열원을 Green s function을 이용하여 유도하였으며 코일 열원의 3 차원 형상과 유한한 코일 열원 효과를 고려한 3차 원 해석모델이다. Spiral coil source model의 코 일 열원은 그림 3에 있는 지반 내에 설치된 코일형 열교환기의 형상과 같다. 코일의 반경은 r0, 코일의 깊이는 h, 코일 회전수는 N이며 지반 내에 설치된 코일형 열교환기의 열전달을 수식화하기 위해 다음 의 가정들이 필요하다. 회전된 코일만이 열원으로 존재하며 지표면으 로부터 깊이 h까지 위치한다. 코일 열원의 질 량, 열용량, 두께는 무시한다. 파일 길이(코일 깊이)당 열전달율 ql은 초기시간 t=0부터 일정 하다. (3) 열교환 대상인 지반은 균일한 초기 온도 t0를 가진다. (4) 매질의 경계인 지표면 z=0인 지점은 일정한 온 도를 유지한다. 57 (1) 지반은 균질한 무한 매질이며 운도 변화에 따른 지반의 열물성은 변하지 않는다. (2) 코일 열원은 연직 파이프(outlet pipe)가 없는 그림 3. Spiral coil source model No

60 주어진 코일 열원(반경 r 0, 깊이 h, 회전수 N)을 다음과 같이 수식화된다. q l ( u, t) = ( u s( z)), for 0 z h N = Number of coil turns rc d - h y 0 서 열원 sz ( ) = ( r0cos( wz), r0sin( wz), z) x 이며 파수 ω=2nπ/h이다. 주어진 가정들과 코일 열원의 초기 조건들과 경계 조건들을 transient 3-D 전도 문제로 직 표에 수식화하면 다음과 같다. y N = Number r 0 of coil turns q h = ad q + Qut 위에 (,) 주어진 코일 열원(반경 for z > 0 0 r0, 깊이 h, 회전수 x zn) function이다. t ( u,0) º 0 을 다음과 같이 수식화된다. for z > 0 그림 3. Spiral coil source model 위에 주어진 코일 열원(반경 r 0, 깊이 h, 회전수 N)을 다음과 같이 수식화된다. (,) ut = 0 for z = 0 따라서 위식을 대입하고 적분 순서를 바꾸어 계산 q Q( u, t) l ( u s( z)), for 0 z h rc d y = - N = Number 에 설치된 열교환기 문제는 z>0인 반무한 h 공간이므로 y y of coil r turns Mirror 0 0 y image 하면 최종적으로 method를 이용하여 다음과 같은 식을 구할 수 있다. 0 x0 en s function을 수정하여 풀면 다음과 같은 spiral coil x0 source zx x model의 있다. 해를 얻게 된다. q 여기서 열원 sz ( ) = ( r0cos( wz), r0sin( wz), z) t 그림 3. Spiral coil source 이며 파수 model ω=2nπ/h이다. 2 2 l (,) u t = 여기서 G% F( xyz,, ) ( z- z ) ( z+ z ) ( u, 열원 t; x r0cos( wz ), y r0sin( wz ), z, t ) dz dt rc òò 0 0 위에 위에 주어진 = 코일 가정들과 열원(반경 = 코일 r 0, 열원의 깊이 h, 초기 회전수 조건들과 N)을 다음과 있다. 경계 조건들을 같이 q t 수식화된다. transient 1 h l 3-D 4 전도 a( t-t ) 문제로 4 a( t-t ) 직 4 a( t-t ) N = Number of coil turns q (,) ut = e ( e e ) dz dt 이며 교좌표에 파수 ω=2nπ/h이다. q수식화하면 다음과 같다. 2 2 F( xyz,, ) ( z z) ( z z) q Q( tu, t) l 1 ( u - + h -s ( z)), for - 0 z h - l 4 a( t-t ) 4 a( t-t ) 4 a( t-t ) = 위에 주어진 q rc = 가정들과 e a D q + Qut (,) 코일 열원의 ( e 초기 e for 조건들과 ) dz dt 3/2 3/2 (4 pa ) rcò d h 3/2 3/2 (4 pa ) rcò - 0 ( t- t 0 0) ò 2 2 F( xyz,, ) ( z- z ) ( z+ z ) N = Number of coil turns = - q t 1 h h rn = Number 0 N = Number of coil turns of coil turns l 4 a( t-t ) 4 a( t-t ) 4 a( t-t ) h h q (,) ut = e ( e e ) dz dt 3/2 3/2-0 ( t- t 0 z > 0 0) ò q h l(4 paerfc ) ( ra cò - ( 0 - u(, tz - )/2 t at0) erfc( A ( u, z 0) ò + )/2 at ) z = dz 경계 여기서 조건들을 t 열원 transient sz ( ) = ( 3-D r0cos( 전도 wz), 문제로 r0sin( w직교좌 z), z) 이며 파수 ω=2nπ/h이다. 4 pl ò 그림 3. Spiral coil source model q h ( uz, ) ( uz, - + ) l erfc( A ( u, z )/2 at ) erfc( A ( u, z - + )/2 at ) 서 F( x, y, z ) = xq ( + u,0) y + º r for > 0 0-2xr0cos( wz ) -2yr0 sin( wz ) = dz 위에 주어진 가정들과 코일 열원의 r 0 위에 표에 주어진 수식화하면 코일 열원(반경 다음과 r 0, 같다. 깊이 h, 회전수 초기 N)을 조건들과 다음과 이다. 같이 경계 수식화된다. 조건들을 transient 3-D 전도 문제로 2 직 q (,) ut = 0 z 된 spiral coil source model의 해는 시간 적분항 for 1/(t-t ) z = 3/2 0 여기서 A( 4 uz, pl ò - 0 ± ) = Fxyz (, A, ( uz ), + ) ( z± z ) A( uz, - + ) 이다. 교좌표에 q 수식화하면 다음과 같다. 의 특성 때문에 수치 적분 계산의 움이 발생된다. Q( u, t지반에 그러므로 ) l q ( u설치된 s 계산을 ( z)), 열교환기 for그림 향상하시기 0 3. z Spiral 문제는 h coil source model 위하여 z>0인 변환을 반무한 하였다. 공간이므로 양의 상수 Mirror A가 image 있다고 method를 이용하여 위에 주어진 rc d r = - 0 r 2 0 r 0 여기서 A( uz, ± ) = Fxyz (,, ) + ( z± z ) 이다. 코일 = a D 열원(반경 q + Qut (,) r 0, 깊이 zh, 회전수 for N)을 다음과 z > 0 같이 수식화된다. 2 Green s function을 수정하여 풀면 z 다음과 같은 spiral coil source model의 해를 얻게 된다. 하고 x = A/ (4 q a t( t-t )) z 2.2 검증 및 비교 Q( u, t) = l ( u s z)), 로 for변수 0 z 치환을 h 적용해보면 시간 적분항은 다음과 같이 표현된 qrc ( u,0) d - 여기서 열원 º sz ( 0) = 그림 ( r q 0cos( 3. Spiral wz t 그림 ), r coil 0sin( wzfor ), z) 0 l q (,) u t = G% 그림 3. Spiral source 3. Spiral coil model z이며 > source coil 파수 source model ω=2nπ/h이다. 그림 2.2 model ( u, t; x = r 2.2 검증 4는 검증 및 수치해석과 비교 해석해 모델 간의 비교 결과이다. spiral coil source mo 위에 주어진 및 비교 0 0 0cos( w ), y = r0sin( wz ), z, t ) dz dt 위에 코일 q (,) ut = 0 c òò for z = 0 여기서 A 위에 주어진 열원(반경 열원 주어진 가정들과 sz 코일 r ( ) = 코일 열원(반경 0, 깊이 h, ( r0cos( 코일 열원(반경 wz열원의 ), r 회전수 0, r 깊이 N)을 0sin( r 0, 초기 w깊이 z h, ), z 회전수 다음과 조건들과 ) h, 이며 회전수 N)을 같이 경계 파수 N)을 다음과 수식화된다. 조건들을 ω=2nπ/h이다. 다음과 같이 가장 그림 transient 같이 수식화된다. 근접한 4는 수식화된다. 수치해석과 결과를 3-D 전도 보이고 문제로 해석해 있다. 직모델 반면, 간의 line 비교 source 결과이다. model은 spiral 온도를 coil 과소하게 source t 1 - q 2 그림 4는 수치해석과 해석해 모델 간의 비교 결 4 a ( t t ) 4a - -x 2 2 e위에 교좌표에 주어진 지반에 dt 수식화하면 가정들과 2 설치된 코일 다음과 F( xyz,, ) ( z- z ) ( z+ z ) 3/2 A e t 지반에 설치된 열교환기 q dx 문제는 z>0인 1 h ( t- t ) A ò 열교환기 열원의 같다. cylindrical source model은 온도를 과대하게 예측하는 결과를 보여주고 있으며 Q( u, t) = l q q 초기 문제는 조건들과 z>0인 경계 반무한 조건들을 공간이므로 transient 3-D Mirror 전도 문제로 image 직 method를 이용하여 Q( u, t) l u s( lz)), for 0 z h 반무한 4 a( t-t공간 ) 4 a( t-t ) 과이다. 4 a( t-tspiral ) 교좌표에 q Green s 수식화하면 function을 rc = 다음과 d 가장 근접한 결과를 보이고 있다. 반면, line source model은 온도를 과소하 Q ( u, t) s( = z)), l = ( u s( z)), - for 0 z h rc d for - 0 z h rc d - 해석해 4at 같다. e ( e -e ) dz dtcoil source model은 수치해석과 가 3/2수정하여 0 3/2 (4 pa ) rcò 풀면 다음과 ( t- t 0 0) ò 같은 spiral cylindrical 모델의 coil source source 이론적 model의 model은 가정과 일치하고 해를 온도를 얻게 과대하게 있다. 된다. 예측하는 결과를 보여주고 있으 q = a D q + Qut (,) for z > 0 여기서 열원 이므로 t = sz ( a D ) qmirror = + ( Qut r(,) paimage q t æ method를 A ö 이용하여 Green s 장 근접한 결과를 보이고 있다. 반면, line source (,) = 2 erfc l u t = function을 여기서 F( x, y, z ) = x + y + r -2xr0cos( wz ) -2yr0 sin( wz ) 수정하여 A 0ç G% for > 해석해 모델의 이론적 가정과 일치하고 있다. 0cos( 여기서 0 t u, t 0 풀면 4a t ; x = r0cos( wz ), y = r0sin( wz ), z, t ) dz dt q ( u,0) 여기서 열원 sz ( ) w= z), º 0 열원 sz ( r0 ) cos( sin( w = ( r z rc òò 0cos( ), rz) 0 wsin( z), 이며 rw 0sin( z), 파수 zw) z), ω=2nπ/h이다. 이며 z) q ( u,0) º 0 è for ø for z > 0 이며 파수 파수 ω=2nπ/h이다. 40 ω=2nπ/h이다. FEA 위에 주어진 위에 가정들과 다음과 z > 0 같은 spiral coil model은 온도를 이다. 위에 주어진 코일 주어진 가정들과 열원의 가정들과 코일 초기 코일 열원의 조건들과 열원의 초기 경계 초기 조건들과 조건들을 조건들과 경계 transient 경계 조건들을 3-D 조건들을 transient 전도 문제로 transient 3-D 전도 직과소하게 예측하고 있으며, cylindrical 4 a( t-t ) source model은 온도를 과대하게 예측하는 2 2 q (,) ut 도출된 spiral coil source model의 F해는 ( xyz,, ) 시간 ( z- 적분항 z ) ( 1/(t-t ) z+ z ) 3/2 3-D 전도 문제로 문제로 직 Spiral coil model q (,) ut 의 특성 때문에 수치 적분 계산의 2 source 2 = = 00 erfc( x) = e - model의 x t dx 해를 q for for z 얻게 된다. 1= 0z = 0 Line 직model 교좌표에 수식화하면 h Cylindrical FEA 교좌표에 교좌표에 수식화하면 다음과 같다. l 4 a( t-t ) 4 a( t-t ) 서 어려움이 x p ò = 수식화하면 다음과 다음과 같다. model 같다. Spiral coil model 는 발생된다. complementary 문제는 3/2 그러므로 3/2error 계산을 e function이다. 향상하시기 ( e -위하여 e 변환을 ) dz dt 하였다. 양의 q 지반에 설치된 열교환기 상수 A가 있다고 (4 pa ) 문제는 rcòz>0인 0 반무한 ( tz>0인 - t 0 0) 반무한 ò 공간이므로 공간이므로 Mirror Mirror image image method를 method를 이용하여 이용하여 Line model = a D q + Qut q(,) function을 수정하여 2 풀면 다음과 같은 spiral coil source model의 결과를 해를 얻게 보여주고 된다. Green s = q Cylindrical model 있으며, 이런 양상은 두 해석해 모 가정하고 function을 a D = q + aqut D (,) for z > 0 t q + Qut 수정하여 (,) x = A/ (4 풀면 a ( tfor 다음과 -t )) zfor > 같은 로 z > 변수 spiral 0 치환을 coil source 적용해보면 model의 해를 시간 얻게 적분항은 된다. 25다음과 30 같이 표현된 t 58 t 서 위식을 대입하고 여기서 qt l F( x, y, z ) = x + y + -2xr0cos( wz ) -2yr0 sin( 다. 적분 순서를 바꾸어 계산하면 최종적으로 다음과 델의 wz q ( u,0) º 0q u t = G% ( u, t; x = r ) q 이론적 같은 이다. 0cos( wz ), y = r0sin( wz ), z, t ) dz dt 식을 가정과 구할 일치하고 수 있다. rc òò t l0 0 q(,) ( u,0) 도출된 t = q ( º u0 for z > 0,0) spiral G% ( coil u, t; x Asource = r0cos( model의 wz ), y = r0 해는 sin( wz시간 ), z, t적분항 ) dz dt 1/(t-t ) 3/2 0 의 특성 때문에 수치 적분 계산의 2 2 t rc òò º 0 for zfor > z > 0 q (,) ut = F( xyz,, ) 2 4 a ( t t ) 4a ( z- ) ( z+ z ) q (,) ut t - 어려움이 q 발생된다. 1 h - - l x - q= (,) ut 0 for z = 0 = 0 for z ò e 그러므로 dt 4 a( t-t ) = 2 계산을 for = 0 4 a( tz-t ) 0 3/2 A e= 향상하시기 0 4 a( t-t ) = e ( e dx 위하여 변환을 하였다. 양의 상수 A가 있다고 3/2 3/2 ( t- t 0 0 ) A ò -e 2 ) dz dt2 지반에 설치된 (4 pa ) rcò 2( t- t0) ò F( xyz,, ) ( z- z ) ( z+ z ) 지반에 열교환기 q t 4at 가정하고 x = A/ (4 1 h 지반에 설치된 문제는 l a ( t-t )) 4 a( t-t ) 4 a( t-t ) 4 a( t-t ) = 설치된 열교환기 z>0인 열교환기 문제는 반무한 문제는 z>0인 공간이므로 e z>0인 반무한 로 ( 변수 e 반무한 공간이므로 Mirror image 치환을 -e공간이므로 Mirror method를 적용해보면 ) dz dt Mirror image 시간 image method를 이용하여 적분항은 method를 이용하여 10 다음과 이용하여 15 Green s function을 같이 표현된 여기서 F( x, y, z 3/2 3/2 Green s (4 pa ) = x rc+ ò0y ( t+ -r 0t -2xr0 cos( pa wz ) -2yr æ0 sin( Awz ö ) 이다. 다. 0) ò Green s function을 수정하여 풀면 function을 수정하여 다음과 수정하여 풀면 같은 풀면 다음과 spiral 다음과 같은 coil source 같은 spiral spiral coil model의 source 해를 coil source model의 얻게 된다. model의 해를 해를 얻게 얻게 된다. 된다 = 2 erfc 도출된 spiral coil source model의 해는 시간 여기서 A 적분항 ç 41/(t-t ) at 3/2 10 q t l q t 의 특성 때문에 수치 적분 계산의 q (,) u t = t 2A 2 2 t 1 - è ø 어려움이 여기서 발생된다. F( x, y, q Elased time (min) l q (,) u tg % z그러므로 l) = x + y 2 q= ( u, t; x r (,) = G0% cos( ( u, t 4 a ( t ) 4a - 계산을 + r0 -향상하시기 2xr0cos( w -위하여 ) -2yr x 0변환을 sin( wz 하였다. ) 이다. 양의 상수 A가 있다고 ò e G; w% xz ( ), u= dt, tr y ; 0 = xcos( r0sin( 2 = rw 0cos( z ), wyz w ), z= z 0 3/ A e ), r, t 0ysin( ) dz d = x rw dt 0sin( wz ), z, t ) dz dt rc òò = = z 0 0 ), z, t ) dz dt rc òò x 이다. ( t- t ) rc òò erfc( x) = e - da ò (a) 간격=5cm, 중심으로부터 측정위치=25cm 가정하고 도출된 spiral x = coil A/ (4 source a ( t-t )) model의 로 변수 치환을 x 4at 적용해보면 시간 적분항은 다음과 같이 표현된 여기서 x p ò 해는 시간 적분항 1/(t-t ) 3/2 Elased time (min) 2 2 F( xyz,, ) ( z- z ) ( z+ z ) 의 특성 때문에 수치 적분 계산의 q t F( xyz, 2 2 는, ) F( complementary xyz,, ( z) ) ( z- z ( z z) ) ( error z+ z ) function이다. FEA 다. 어려움이 발생된다. q1 h l t 4 a 그러므로 t 계산을 도출된 spiral coil q 1( t-t ) h 4 -a( t-t ) source 2model의 1 pa향상하시기 h 4 -a( t-t ) - æ해는 A 위하여 erfc 시간 ö - 변환을 - 하였다. 양의 상수 A가 있다고 (a) 간격=5cm, 중심으로부터 측정위치=25cm = l 4 a( -t ) l 4 a t-t 4 a( t-t ) ) 4 a( t- = 적t 4 a( t-t ) = e ( e ) 4 a( t-t ) 22 Spiral coil model A= e e e( e ) dz t 1-2 3/2 2 ( e -dt 3/2 3/2 -e ) dz dt 24 (4 pa ) rcò - e 0 ) 3/2 3/2 4 a ( t t 분항 따라서 1/(t-t ) 3/2 4a 3/2 - x 가정하고 e dt = 2 A ç 4a t ò x = (4 A/ pa (4) a ( t- rc 0 3/2 A e dx 위식을 의 특성 대입하고 때문에 수치 적분 적분 è순서를 계산의 ø ( t- t ) A òt ò)) ( t- 0 로 t0) ò Line model (4( dz dt pa t-) t rc 0 ( t- t 0 FEA 0) ò 0) ò 변수 치환을 적용해보면 시간 적분항은 다음과 같이 표현된 20 Cylindrial model 22 Spiral coil model 바꾸어 어 계산하면 최종적으로 다음과 같은 식을 구할 수 4at Line model 여기서 F다. ( x, y, z ) = 여기서 Fx ( x+, y x 려움이 여기서 여기서 발생된다. F, z+ erfc ( x ) r, = 0 ( xy ), x-2 그러므로 = z ) + xr pa= y0cos( x + e rw æ - 0y -z d계산을 x 2 향상하시기 위 x p ò A+ 2) rxr -2 ö 0 0 -cos( yr0 sin( 2xrw 0cos( z ) w-z w2 ) zyr ) 이다. 0-sin( 2yrw 0 sin( z ) w이다. z ) 20 Cylindrial model 이다. 도출된 spiral A = erfc 는 complementary error function이다. t 1 - A ç 4a t 2 4 a ( t t ) 4a 도출된 - è -ø x 하여 ò 변환을 espiral 3/2 하였다. dt coil = 2source model의 양의 상수 A ea가 dx 해는 시간 적분항 1/(t-t ) 있다고 가정하고 0 ( t- t ) 2 2 x erfc( x) e - dx 여기서 따라서 = A ò 3/2 16 도출된 coil source spiral coil model의 source 해는 model의 시간 적분항 해는 시간 1/(t-t ) 적분항 3/2 의 1/(t-t ) 특성 때문에 3/2 의 특성 수치 (a) 18 의 특성 때문에 적분 간격=5cm, 계산의 중심으로부터 측정위치=25cm 때문에 수치 수치 적분 적분 계산의 계산의 어려움이 발생된다. 어려움이 그러므로 14 어려움이 발생된다. 계산을 발생된다. 그러므로 향상하시기 위식을 x p ò 그러므로 계산을 4at 계산을 향상하시기 위하여 변환을 향상하시기 위하여 하였다. 위하여 변환을 양의 변환을 하였다. 상수 하였다. 양의 A가 있다고 양의 상수 상수 A가 있다고 A가 16있다고 2 2 대입하고 는 complementary 적분 순서를 error 바꾸어 function이다. 가정하고 x = A/ (4 a ( 시간 계산하면 최종적으로 다음과 같은 식을 구할 수 2 12 가정하고 xt-= t A)) 가정하고 x/ (4 로 = A a (/ t변수 (4 -t pa a )) 치환을 ( t-로 t æ)) 변수 적용해보면 A ö 14 = 2 erfc 로 변수 치환을 치환을 적용해보면 시간 적분항은 적용해보면 시간 다음과 시간 적분항은 같이 적분항은 다음과 표현된 다음과 같이 같이 표현된 표현된 다. 따라서 적분항은 위식을 다음과 대입하고 같이 적분 표현된다. 10 다. A순서를 ç 바꾸어 4a t 다. è ø 계산하면 최종적으로 다음과 같은 식을 구할 수 12 A t A A t a ( t t1) - 4a - t 2 x erfc( 1 - -x a ( t t ) x) = e 4a a ( t t ) dx 4a - x ò e dt = e2 3/2 - -x 3/2 여기서 ò ò e dt x p A= e2 dx 0 ( t- t ) dt = 0 3/2 는 2 A e d ( ) complementary A e x dx 8 Elased time (min) 0 ( t- t ) A ò 4at t- t A ò A ò error function이다. 4at at (b) 간격=5cm, 중심으로부터 Elased time (min) 측정위치=35cm pa æ A ö = 2 erfc pa pa æ Aæ ö A ö 그림 4. 수치해석과 해석해모델 비교 따라서 위식을 대입하고 = A ç 2 적분 4a= 2erfc 순서를 erfc바꾸어 계산하면 최종적으로 다음과 같은 식을 구할 (b) 수 간격=5cm, 중심으로부터 측정위치=35cm At è ø ç A 4aç t è 4a t è ø ø 그림 4. 수치해석과 해석해모델 비교 erfc( x) 2 여기서 = 2x erfc( x) = e - x dx complementary error 그림 5는 코일 간격에 따른 깊이 별 spiral source model의 온도변화 그래프 erfc e - x ( x d ) = x e - 여기서 x dx 여기서 p ò 는 x 여기서 p ò complementary x p ò 는 complementary error function이다. (b) 간격=5cm, 중심으로부터 측정위치=35cm 는 complementary error error function이다. function이다. 점차 그림 줄어들수록 5는 코일 깊이에 간격에 따른 따른 온도변화는 깊이 별 spiral 코일 source 열원 형상에 model의 따른 온도변화 파도형태에 그림 4. 수치해석과 해석해모델 비교 그래 화로 점차 수렴되는 줄어들수록 것을 깊이에 확인할 따른 수 있으며, 온도변화는 반대로 코일 코일 열원 간격이 형상에 증가할수록 따른 파도형태 온도 따라서 위식을 따라서 대입하고 따라서 위식을 적분 위식을 대입하고 순서를 대입하고 적분 바꾸어 적분 순서를 계산하면 순서를 바꾸어 최종적으로 바꾸어 계산하면 계산하면 최종적으로 다음과 나타난다. 같은 최종적으로 다음과 식을 화로 수렴되는 다음과 같은 구할 것을 같은 식을 수 확인할 식을 구할 구할 수 있으며, 수 반대로 코일 간격이 증가할수록 온 나타난다. Temperature rise ( o C ) Temperature rise ( o C ) Temperature rise ( o C ) Temperature rise ( o C )