< Previous58 자연,터널그리고 지하공간기술기사 4재난대응 지하구조물 상태 모니터링 최신기법<표 1> 지진에 의한 말뚝기초 손상(Bhattacharya et al., 2004)사례지진 말뚝기초 길이 (m)말뚝기초 단면 및 종류*상태10-storey Hokuriku building1964 니가타지진120.3m dia. RCCGoodNHK building120.35m dia. RCCPoorShowa bridge250.6m dia. Steel TubePoorNFCH building90.35m dia. RCC HollowPoorYachiyo Bridge110.3m dia. RCCPoorGaiko Warehouse 1983 츄부지진180.6m square PSCPoorLanding bridge1987 에지컴브지진90.4m square PSC HollowGood14-storey building in American park1995 고베지진332.5m dia. RCCGoodKobe Shimim hospital300.66m dia. steel tubeGoodHanshin expressway pier411.5m dia. RCCGoodLPG tank 101271.1m dia. RCCGoodLPG tank 106, 107200.3m dia. RCC HollowPoor4-storey fire house300.4m dia. PSCPoor3-storey building at Fukae200.4m dia. PSC HollowPoor (a) 평평한 지반에서의 건축물기초 손상(고베지진)(b) 말뚝기초 손상 위치 및 지층 정보(니가타지진)<그림 3> 지진에 의한 건축물기초 손상 사례(Bhattacharya et al., 2012)Vol. 21, No. 1 593. 건축물기초 손상 평가 가이드라인지진 발생이 빈번한 일본에서는 지진에 의한 시설물 손상이 매우 중요한 사안으로 1991년 일본건축방재협회(Japan Building Disaster Prevention Association)가 ‘철근콘크리트 건물의 지진 발생 후 손상 평가 및 재건 가이드라인’을 제시하였다. 이후 고베지진, 동일본지진을 겪으면서 실제 피해 사례를 분석하여 2001년, 2014년 두 차례 개정하였다(Nakano et al., 2004).<그림 4> 건축물 손상 평가 및 재건 조치 과정(Nakano et al., 2004)60 자연,터널그리고 지하공간기술기사 4재난대응 지하구조물 상태 모니터링 최신기법가이드라인에서 손상 평가 대상은 그림 4와 같이 기초와 상부구조물로 나뉘며, 기초는 말뚝기초와 매트기초로 구분하여 적용한다. 기초의 손상 정도는 건축물의 침하량(S)과 기초의 기울기(θ)에 따라 표 2와 같이 심각, 보통, 경미, 영향없음 네 등급으로 평가한다. 기초의 기울기는 전체 상부구조물을 기준으로 서로 수직하는 주축방향의 기울어진 정도를 측정하고 식 (1)을 이용하여 전체 기울기를 구한다. (1)고베지진 후 피해를 입은 건물 하부를 굴착하여 기초 상태를 조사하였고 다음과 같은 결과가 도출되었다. 표 2에 제시된 기준값은 이 결과에 근거를 두고 결정되었다.① 1/100 rad. 이상 기울어진 건물의 말뚝기초는 모두 손상되었음.② 1/100-1/300 rad. 사이 기울어진 건물의 2/3 정도에서 말뚝기초 손상이 확인되었음.③ 매트기초가 1/150 rad.보다 작게 기울어진 건물은 손상이 없었음.④ 침하량이 0.3m 이상인 경우 말뚝기초에 대규모 손상이 발생하였음.⑤ 침하량이 0.1-0.3m 사이인 경우 말뚝기초에 약간의 손상이 발생하였음.⑥ 0.05m 이상 침하가 발생한 매트기초는 보수되었음.<표 2> 침하량과 기울기에 따른 건축물기초 손상 평가(Nakano et al., 2004)한편 일본에서는 문부과학성 지원으로 ‘아시아‧ 태평양 지역에 적절한 지진‧ 해일 재해 경감 기술 개발 및 체계화 연구(EQTAP)’가 수행되었으며, 일본 건축연구소(BRI)는 EQTAP 프로젝트에 참여하여 ‘건축물 및 주택 관련 지진 재해 조사 방법’ 연구를 1998년부터 4년간 수행하였다. 최종 성과물로 작성된 ‘지진에 의한 건축물 피해 시 손상 조사 방법 가이드라인’(2002)에 따르면 건축물 기초 손상 평가는 그림 5와 같이 발생 후 시간 경과에 따라 단계별로 진행된다. 마지막 단계에서는 전문가 조사로 건축물기초의 손상등급이 판정되는데 이때 손상 조사방법으로 하부지반을 굴착하고 육안으로 관찰하는 것 외에 시추 등으로 투입이 가능한 경우 시추공 카메라 또는 말뚝 내부 공내 경사계를 사용하는 방법, 해머로 말뚝 두부를 가격하고 가속도 센서로 반사파를 측정하는 PIT(pile integrity test), 손상된 콘크리트 말뚝기초에서 나오는 음향방출(acoustic emission)을 측정하는 방법을 제시하고 있다.Vol. 21, No. 1 61<그림 5> 지진에 의한 건축물기초 손상 평가 흐름도(BRI, 2002)4. 사용중인 지하구조물 모니터링 방법광섬유 센서, 압전 센서를 이용하여 현재 사용중인 말뚝기초의 건전도를 모니터링하는 방법이 개발되고 있다. 광대역 스펙트럼의 빛을 광섬유 브래그 격자(Fiber Bragg grating, FBG)에 입사시키면 격자 간격에 따라 좁은 대역의 특정 파장만 반사되어 돌아오는 특성이 있는데, 이때 온도와 변형률이 반사되는 파장에 영향을 미치므로 돌아오는 빛의 파장을 측정하면 온도나 변형률의 변화를 측정할 수 있다. Kister et al.(2007)는 그림 6과 같이 FBG 센서가 현장의 혹독한 작업 환경에서도 작동할 수 있도록 보호시스템을 제작하여 현장타설 말뚝기초의 철근 케이지에 부착하였으며, 콘크리트 양생 기간부터 13층 건축물의 완공 때까지 온도와 변형률 변화를 모니터링하였다. 그 결과 공사 진행에 따른 변형률 증가 양상과 함께 콘크리트 중량, 지반융기, 건축물 하중으로 인한 역3자형의 특이한 변형률 분포까지 확인할 수 있었다. 이 건축물은 향후 신축 계획이 있으며 지속적으로 모니터링을 수행하여 말뚝 재사용 여부 판정을 위한 건전도 평가 시에 활용할 예정이다.62 자연,터널그리고 지하공간기술기사 4재난대응 지하구조물 상태 모니터링 최신기법(a) FBG 센서 설치 위치 및 보호 시스템(b) 말뚝기초 깊이에 따른 변형률 분포<그림 6> FBG sensors를 이용한 콘크리트 말뚝기초 변형률 모니터링(Kister et al., 2007)Feng et al.(2016)의 연구에서는 PZT(Lead Zirconate Titanate) 압전소자를 이용하여 센서를 제작하고 콘크리트 말뚝기초의 양 끝단에 각각 액추에이터와 수신기로 배치하였다. 그리고 배경잡음과 주변 환경조건을 감안하여 상대적으로 고주파수 범위(100Hz–150kHz)의 응력파를 통과시킨 뒤 수신된 신호를 분석하면 기초의 손상 형태를 추정할 수 있다고 가정하였다. 대표적 손상 사례로 그림 7(b)와 같이 4개 형태(부분적 또는 전반적인 점토 관입, 시공이음, 균열)를 적용하고 수신된 신호를 웨이블릿 패킷 변환에 기반하여 분석한 결과, 에너지지수를 통해 손상 감지와 형태 구분이 어느 수준 가능함을 확인하였다.교토대 연구팀도 ‘지반-기초 및 상부구조물의 위험성 평가를 위한 모니터링 시스템 검증’ 프로젝트의 하나로 건축물기초, 기간시설, 라이프라인 등 지반구조물이 지진 발생으로 입은 손상을 평가하는데 드는 시간과 비용을 줄일 수 있는 모니터링 시스템(그림 8)을 연구하고 있다. 시스템 구성요소를 보면, 무선 침하계가 건축물 및 라이프라인 인근 지반 내 설치되며 말뚝기초에 변형률 측정용 광섬유센서와 손상 감지를 위한 진동센서, 무선 경사계가 설치된다. 라이프라인 모니터링 목적으로는 고정밀 온도센서가 사용된다.Vol. 21, No. 1 63(a) 센서 구조(b) 응력파의 손상영역 통과(c) 손상 종류에 따른 에너지 지수<그림 7> PZT 압전소자 센서를 이용한 콘크리트 말뚝기초의 손상 평가(Feng et al., 2016)<그림 8> 지하 지진손상 모니터링 시스템(Kyoto Univ., 2016)64 자연,터널그리고 지하공간기술기사 4재난대응 지하구조물 상태 모니터링 최신기법2015년 10월에 세계 최대 진동대실험 시설인 E-defense에서 그림 9와 같은 직경 8m, 높이 6.5m의 토조에 직경 15cm의 철근콘크리트 말뚝기초와 강관 말뚝기초 축소모형을 설치하고 모니터링 시스템의 적용성 검증을 위한 실험을 수행하였다. 그 결과 기초에 부착된 경사계 정보를 통해 가진 즉시 말뚝기초가 기울어진 것을 감지할 수 있었고 광섬유센서 정보로부터 말뚝기초의 잔류변형률을 신속하게 추정할 수 있었다.5. 복합재난대응연구단 지하구조물 손상 모니터링 시스템4개 정부출연연구기관으로 구성된 복합재난대응연구단은 개방형 플랫폼 기반 초고층‧복합시설 재난재해 대응 통합 CPS(cyber-physical system) 구축을 목표로, 초고층 건축물과 지하 복합시설에 지진, 화재, 도심지 침수와 같은 재난이 일어났을 때 시민들의 피해를 줄이고 신속하게 대응・복구할 수 있는 기술 개발 연구를 수행하고 있다. 현재 재난 발생 시 효과적으로 대처하기 위한 정보수집, 분석‧ 예측, 대응‧ 복구 관련 요소기술을 개발 및 검증하고 있으며, 개발된 기술을 통합, 운영할 수 있는 플랫폼 개발도 함께 진행하고 있다. 여러 요소기술 가운데 지진 관련 정보수집을 위해 음향방출(acoustic emission, AE)과 미소진동(micro-seismicity, MS) 센서를 이용한 구조물기초 손상 모니터링 시스템 개발도 진행 중이다(그림 10). AE/MS는 재료 파괴와 같이 국부적인 위치에서 급격하게 에너지가 방출될 때 생성되는 탄성파(ASTM, 2017)이며, 두 센서 간에는 감지하는 신호의 주파수 대역에 차이가 있다. 콘크리트나 암반이 심각한 파괴 상태에 이르기 전 신호를 감지하기 때문에 심부 지하연구실, 광산, 댐 등의 지하구조물 균열 발생 모니터링 목적으로 활용되고 있다. 건축물기초는 넓은 면적의 매트기초와 수십, 수백 개의 말뚝기초가 모니터링 대상이며 각 구성요소들을 개별적으로 모니터링하기보다 정밀성이 다소 떨어지더라도 전체 구조를 감시하는 것이 효율적으로 판단된다. AE/MS는 센서 배치에 따라 광역 체적 모니터링(volumetric monitoring)이 가능하므로 본 연구단에서는 AE/MS 모니터링 적용 범위를 건축물기초로까지 확장하고자 하는 것이다. 현재 개발 중인 통합 모니터링 시스템을 간략히 소개하면 시스템은 크게 두 부분이 결합된 형태로 첫째, 그림 10(b)와 같이 여러 센서가 매트기초에 설치되어 부등침하 등에 의한 매트기초 자체 균열 발생 시, 또는 지진으로 인한 매트기초와 말뚝기초 접합부, 말뚝기초 두부의 손상 발생 시 생성된 탄성파를 감지하여 손상 위치를 추정하는 시스템이다. 센서 <그림 9> 손상 모니터링 시스템 적용성 검증을 위한 진동대실험(Kyoto Univ., 2016)Vol. 21, No. 1 65배치 과정에서 사용자에게 가이드라인를 제공하여 가능한 한 비용효율적으로 운영되도록 하며, 추정 위치는 작은 삼각형 영역 형태로 제시된다. 시스템의 둘째 부분은 모멘트 작용 등으로 상대적으로 취약한 외곽부 말뚝기초, 지반불량 구역 내 말뚝기초 내부에 그림 10(c)와 같이 시공 중 설치된다. 기초 손상 위치 추정 장치는 원통형 관 형상의 외측부와 그 속을 채우고 있는 코어부로 구성된 이종 결합체로서 두 부분은 동적 특성이 다른 재료로 제작된다. 설치 후 구조물이 사용되는 중에 지진, 굴착 등에 의한 지반활동으로 말뚝기초에 인장이나 전단파괴 등이 발생하면 설치된 추정 장치에서도 동일 심도에서 손상이 발생한다고 가정할 수 있다. 말뚝기초에 삽입된 결합체의 코어부 상단 중심과 외측부 바깥쪽에는 손상 발생으로 결합체에서 전파되어 오는 신호를 감지할 수 있는 센서가 각각 부착되며, 자료처리장치에서는 각 센서가 수집한 정보를 비교하여 신호 도달 시차로부터 손상 발생 심도를 추정한다. 이와 같이 수집 및 분석된 정보는 최종적으로 통합 플랫폼을 통해 그림 10(d)와 같이 기초 상태 정보를 알려주고 이력 관리를 위해 특정 데이터를 저장한다.(a) 일반적인 초고층건축물 기초 구조(b) 음향방출 센서를 이용한 손상위치 추정(c) 기초 손상심도 추정 장치 (d) 모니터링 시스템 대시보드<그림 10> 건축물기초 손상 모니터링 시스템 개요도6. 맺음말2016년과 17년 사이 한반도 동남권 지역에서 비교적 큰 규모의 지진이 발생하면서 많은 건축물, 시설물이 지진의 영향을 받았다. 큰 규모의 지진이 발생한 다음 지진하중에 노출된 건축물을 안전하게 재사용하거나 재건하기 위해서는 기66 자연,터널그리고 지하공간기술기사 4재난대응 지하구조물 상태 모니터링 최신기법초와 주변 지반의 위험성을 조사하는 과정이 필수적이며, 상시 모니터링한 결과가 있다면 현황 파악에 매우 유용할 것이다. 중국, UAE, 미국에 이어 네 번째 초고층 보유국이며 도심지 중심부에 많은 고층 건물들이 밀집된 환경에서, 일본이 1995년 고베지진 이후 관련 연구를 시작했던 것처럼 우리 역시 사용 중인 건축물기초 등에 대한 건전도 모니터링 기법 개발에 관심을 기울여야 할 때다. 때마침 센서 분야의 놀라운 기술 발전으로 작고 가벼우며 경제성 있는 센서 개발이 예전보다 수월해진 상황이므로 이를 적극 활용한다면, 향후 건축물기초 모니터링 수준을 한 단계 향상시켜 건축물 안전성을 높일 수 있는 기술 개발이 가능할 것으로 기대한다.※ 본 기사는 국가과학기술연구회 융합연구단 사업(No. CRC-16-02-KICT)의 지원으로 작성되었습니다.참고문헌1. 김현우, 오태민, 이종원, 김민준, 백용. 수치모델링을 이용한 기초 손상 심도 추정 장치의 적용성 연구, 한국방재학회 논문집 (in press).2. 문기훈, 김지영, 박재근, 김주연, 2015, 구조물 건전성 모니터링 시스템을 이용한 초고층 구조물의 재난관리, 한국공간구조학회지, 15(1), 22-29.3. 복합재난대응연구단, 2018, 개방형 플랫폼 기반 초고층‧복합시설 재난재해 대응 통합 CPS 구축 중간점검보고서.4. ASTM, 2017, Standard Guide for Acoustic Emission Examination of Concrete Structures (E3100-17).5. Bhattacharya, S., Madabhushi, S.P.G., Bolton, M.D., 2004, An alternative mechanism of pile failure in liquefiable deposits during earthquakes, Geotechnique, 54(3), 203-213.6. Bhattacharya, S., Sarkar, R., Huang, Y., 2012, Seismic design of piles in liquefiable soils, New Frontiers in Engineering Geology and the Environment (Y. Huang et al. eds.), 31-44.7. BRI (Building Research Institute), 2002, Guideline for Damage Survey Methods of Earthquake Disaster Related with Buildings and Houses.8. Feng, Q., Kong, Q., Song, G., 2016, Damage detection of concrete piles subject to typical damage types based on stress wave measurement using embedded smart aggregates transducers, Measurement 88, 345-352.9. Kister, G., D. Winter, Y.M. Gebremichael, J. Leighton, R.A. Badcock, P.D. Tester, S. Krishnamurthy, W.J.O. Boyle, K.T.V. Grattan and G.F. 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Tokimatsu, K., Tamura, S., Suzuki, H., Katsumata, K., 2012, Building damage associated with geotechnical problems in the 2011 Tohoku Pacific Earthquake, Soils and Foundations, 52(5), 956-974.[본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]Vol. 21, No. 1 67기술기사 51. 서 론남북철도 연결은 국민의 정부, 참여정부 시대부터 2013년 박근혜 정부의 유라시아 이니셔티브 선언을 지나 현재 정권에 이르기까지 남북한의 최대 현안 중 하나이다. 이는 남북철도 연결을 통하여 남북한 긴장완화뿐만 아니라 상호간 경제발전에 미칠 파급력이 매우 크기 때문이다. 교통 인프라 특히 철도의 연결은 남북한을 잇는 가장 실효적인 수단인 동시에 그 결과가 경제통합에 기여하는 바가 매우 클 것으로 기대된다. 또한, 한반도는 동북아를 중심으로 반경 2,000km 이내 지역에 약 14억 명의 인구와 대도시가 분포하고 있어 동북아 물류중심지로의 여건을 충분히 갖추고 있다. 이에 남북철도 연결에 따른 물류 혁신이 가능할 것으로 예측된다.남북철도 연결을 위하여는 남북통합에 대한 분위기 조성, 남북경협에 대한 국민적 합의, 남북한을 포함한 주변국의 정치상황 및 역학관계 등 복잡한 문제들이 산재되어 있다. 하지만, 이러한 문제들에 앞서 북한철도의 정확한 현실을 파악하고 남북철도 연결을 위하여 필요한 조치들에 대하여 미리 대비할 필요가 있다. 본 기사에서는 이러한 점에 초점을 맞추어 북한철도의 현황 및 남북철도 연결 시 고려해야 할 사항들에 대하여 정리하였다.2. 북한철도 현황2.1 북한철도 일반사항북한의 교통망은 주철종도(主鐵從道)라고 말할 정도로 철도교통에 대한 의존도가 높다. 특히 화물의 경우, 철도 의존도는 더욱 높으며 화물 수송의 약 90%를 철도가 담당하고 있는 것으로 알려져 있다. 여객 수송은 약 62% 정도를 철도가 분담하며 화물과 여객을 포함하여 전체 교통 분담률은 약 86% 수준이다 [1].북한철도 현황과 TKR 연결문지호강원대학교 건축 ‧ 토목 ‧ 환경공학부 조교수Next >