현장계측 데이터를 이용한 일평균 대기온도 산정방법과 동상방지층 설계를 위한 동결지수 보정 Computing Procedure of Daily Average Air Temperature using Field Data and Frost Index Calibration for Anti-Frost Heave Layer Design원문보기
도로의 동상방지층을 설치하기 위하여 동결심도(동결관입깊이)를 산정하는데, 동결지수는 $0^{\circ}C$ 이하의 기온과 영하온도의 지속시간을 곱한 값을 연간을 통하여 누계한 수치로 표시된다. 따라서, 일평균 대기 온도를 구하는 방법이 동결지수에 영향을 미칠 수 있다. 기상청의 경우 1999년을 기점으로 이전에는 1일 4회 평균 대기온도 제공하였으며, 현재는 1일 8회 평균 대기온도를 제공하고 있다. 본 연구에서는 이러한 일평균 대기온도를 산정하는 방법이 동결지수의 산정결과에 미치는 영향을 확인하기 위하여 한반도 남부(동결지수 $350^{\circ}C{\cdot}$일 미만) 6개 지역을 현장조건(저성토부, 절성경계부 및 절토부)에 따라 구분하여 15개소에 대하여 현장계측시스템을 구축하였다. 그리고 현장계측시스템으로부터 얻어진 대기온도를 통하여 동결지수를 산정하고 상호 비교분석 하였다. 비교분석 결과 일반적으로 1일 4회 평균 대기온도를 사용한 경우가 1일 8회 평균 대기온도를 사용하는 경우보다 약 3% 전후 큰 것으로 나타났으며, 본 연구 지역에 대한 동결지수를 결정할 때 동결지수를 보정할 수 있는 보정식을 제안하였다.
도로의 동상방지층을 설치하기 위하여 동결심도(동결관입깊이)를 산정하는데, 동결지수는 $0^{\circ}C$ 이하의 기온과 영하온도의 지속시간을 곱한 값을 연간을 통하여 누계한 수치로 표시된다. 따라서, 일평균 대기 온도를 구하는 방법이 동결지수에 영향을 미칠 수 있다. 기상청의 경우 1999년을 기점으로 이전에는 1일 4회 평균 대기온도 제공하였으며, 현재는 1일 8회 평균 대기온도를 제공하고 있다. 본 연구에서는 이러한 일평균 대기온도를 산정하는 방법이 동결지수의 산정결과에 미치는 영향을 확인하기 위하여 한반도 남부(동결지수 $350^{\circ}C{\cdot}$일 미만) 6개 지역을 현장조건(저성토부, 절성경계부 및 절토부)에 따라 구분하여 15개소에 대하여 현장계측시스템을 구축하였다. 그리고 현장계측시스템으로부터 얻어진 대기온도를 통하여 동결지수를 산정하고 상호 비교분석 하였다. 비교분석 결과 일반적으로 1일 4회 평균 대기온도를 사용한 경우가 1일 8회 평균 대기온도를 사용하는 경우보다 약 3% 전후 큰 것으로 나타났으며, 본 연구 지역에 대한 동결지수를 결정할 때 동결지수를 보정할 수 있는 보정식을 제안하였다.
The frost depth(frost penetration) is used to install anti-frost heave layers in pavement designs. The freezing index is calculated by an annual accumulated value of multiplying the period of time with temperatures below zero, and the corresponding temperature. Therefore, the DAAT(daily average air ...
The frost depth(frost penetration) is used to install anti-frost heave layers in pavement designs. The freezing index is calculated by an annual accumulated value of multiplying the period of time with temperatures below zero, and the corresponding temperature. Therefore, the DAAT(daily average air temperature) calculation method may play an effect on the FI(freezing index). The Weather Observatory used to supply 4 average air temperatures per day, but currently supplies 8 per day. With this study, we divided the southern part(below FI=$350^{\circ}C{\cdot}day$) of the Korean peninsula into 6 areas according to site conditions(low embankment, embankment-cutting slope, and the cutting slope) and established a field measurement system for 15 positions to check the effects on the result of FI according to differing DAAT calculation methods. The air temperatures obtained by the field measurement system was used to calculate and compare the FI. As a result, the freezing index calculated based on the $DAAT_4(T_4)$ is normally greater by 3% than the one on $DAAT_8(T_8)$. In addition, the calibration equation for the freezing index using air temperatures was proposed through the research.
The frost depth(frost penetration) is used to install anti-frost heave layers in pavement designs. The freezing index is calculated by an annual accumulated value of multiplying the period of time with temperatures below zero, and the corresponding temperature. Therefore, the DAAT(daily average air temperature) calculation method may play an effect on the FI(freezing index). The Weather Observatory used to supply 4 average air temperatures per day, but currently supplies 8 per day. With this study, we divided the southern part(below FI=$350^{\circ}C{\cdot}day$) of the Korean peninsula into 6 areas according to site conditions(low embankment, embankment-cutting slope, and the cutting slope) and established a field measurement system for 15 positions to check the effects on the result of FI according to differing DAAT calculation methods. The air temperatures obtained by the field measurement system was used to calculate and compare the FI. As a result, the freezing index calculated based on the $DAAT_4(T_4)$ is normally greater by 3% than the one on $DAAT_8(T_8)$. In addition, the calibration equation for the freezing index using air temperatures was proposed through the research.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 한반도 남부(동결지수 350℃ · 일 미만) 6개 지역을 저성토부, 절성경계부 및 절토부로 구분하여 15개 단면에 대하여 현장계측시스템을 구축하고, 계측시스템으로부터 얻어진 대기온도를 통하여 산정된 동결지수와 기상청 자료로부터 얻어진 동결지수의 비교 검토 연구를 수행하고자 한다.
본 연구에서는 일평균 대기온도의 산정방법이 동결지수에 미치는 영향을 현장계측시스템으로 얻어진 6개 지역 15개 단면에 대하여 평가하였으며, 평가 결과는 다음과 같다.
가설 설정
온도 센서의 경우 대기, 아스팔트 콘크리트 층(표층 및 기층) 및 포장 하부(보조기층, 동상방지층 및 노상)에 대하서 설치하였다. 함수센서의 경우는 아스팔트 콘크리트 층을 불투수층으로 가정하고 포장 하부에만 적용하였으며, 체적함수비(VMC, Volumetric Moisture Content)로 측정된다. 포장 하부에 매설된 온도센서와 함수비 센서의 설치위치는 그림 3과 같이 층 중앙부에 매설하였고, 노상층의 경우 노상층의 최종면으로 부터 15cm 하부에 매설하였다.
제안 방법
03. 10까지 2년간의 겨울철 계측 자료로 부터 현장 동결지수를 산정하였으며, 산정된 현장 동결지수인 FI4(1일 4회 평균 현장대기온도)와 FI8(1일 8회 평균 현장대기온도)를 나타내었다. 표 4와 그림 5를 살펴보면 단면 구분 없이 일반적으로 FI4가 FI8보다 0% ~ 6% 큰 것으로 나타났다.
2. 기상청과 현장계측시스템으로부터 얻어진 대기온도 데이터를 바탕으로 동결지수를 1일 4회 평균 대기온도와 1일 8회 평균 대기온도에 대하여 각각 산정하였다. 산정결과 기상청의 경우 -2% ~ 1%인 것으로 나타났으며, 현장계측 시스템의 경우 1% ~ 6%로 나타났다.
에 가깝다는 것을 확인하였다. 그러나, 동결지수를 산정하기 위하여 사용되는 누적 대기온도는 T4를 사용해야 하기 때문에 본 연구에서는 T4와 T8을 사용하여 산정된 FI4와 FI8의 회귀분석을 그림 7과 같이 수행하였으며, 식 (2)와 같은 회귀식을 구하였다. 회귀식을 이용하여 보정한다면, FI8은 약 3% 정도 커질 것으로 예상된다.
김영진(2009)은 한반도 89개 포장국도에서 측정한 동결깊이와 기상청 측정 기온으로부터 산정한 동결지수를 함수로 하여 동결깊이 산정식(안)을 제시하였다. 또한 지역별, 음/양지 조건별에 따른 동결깊이의 차이와 국내외에서 이용하고 있는 동결깊이 산정식들과 산정 결과의 차이에 대하여 분석하였다.
현장계측시스템 구축 단면의 설계정보를 표 1에 나타내었다. 본 연구에서 구축된 현장계측시스템은 신설도로의 시공과 동시에 계측시스템을 구축하였으며, 안동, 김천, 부여 및 보성 계측시스템의 경우 실시설계보고서를 바탕으로 표 1에 구축 단면의 설계 정보를 정리하였다. 그러나 합천과 장성의 경우 실제 계측시스템을 구축한 단면의 설계정보를 조사하지 못하여 옆 공구의 설계정보를 인용하였다.
대상 데이터
아스팔트 콘크리트 포장의 온도와 함수비 특성을 평가하기 위하여 그림 2와 같이 한반도 남부지역(동결지수 350℃ · 일미만)의 6개 지역에 현장계측시스템을 설치하였다.
현장계측 시스템은 온도센서와 함수센서로 구성되어 있으며, 단면별로 각각 26개와 15개씩을 적용하였다. 적용된 온도 센서는 일본 Yamari사의 Thermocouple K-type이며, 함수센서는 미국 Campbell사에서 제작한 TDR 방식의 CS616 함수센서로 그림 3과 같이 배치하였다. 온도 센서의 경우 대기, 아스팔트 콘크리트 층(표층 및 기층) 및 포장 하부(보조기층, 동상방지층 및 노상)에 대하서 설치하였다.
아스팔트 콘크리트 포장의 온도와 함수비 특성을 평가하기 위하여 그림 2와 같이 한반도 남부지역(동결지수 350℃ · 일미만)의 6개 지역에 현장계측시스템을 설치하였다. 현장계측 시스템은 온도센서와 함수센서로 구성되어 있으며, 단면별로 각각 26개와 15개씩을 적용하였다. 적용된 온도 센서는 일본 Yamari사의 Thermocouple K-type이며, 함수센서는 미국 Campbell사에서 제작한 TDR 방식의 CS616 함수센서로 그림 3과 같이 배치하였다.
성능/효과
1. 현장계측시스템으로부터 얻어진 대기온도에 대하여 1일 4회 평균과 1일 8회 일평균 대기온도를 1일 24회 일평균 대기온도와 비교하였으며, 1일 4회 평균보다 1일 8회 일평균 대기온도가 잠재적 참값인 1일 24회 일평균 대기온도에 가까운 것으로 나타났지만, 그 차이는 모두 ±1℃ 편차를 보여 일평균 대기온도에 대한 오차는 크지 않은 것으로 나타났다.
3. 현장계측 데이터로부터 산정된 1일 4회 평균에 대한 동결지수와 1일 8회 평균에 대한 동결지수의 회귀 분석을 수행하였으며, 현장계측시스템이 구축된 6개 지역에 대한 보정식을 제안하였으며, 보정식을 1일 8회 평균 대기온도에 대한 FI8에 적용하면 약 3% 정도 동결지수가 커질 것으로 기대된다.
기상청과 현장계측시스템으로부터 얻어진 대기온도 데이터를 바탕으로 동결지수를 1일 4회 평균 대기온도와 1일 8회 평균 대기온도에 대하여 각각 산정하였다. 산정결과 기상청의 경우 -2% ~ 1%인 것으로 나타났으며, 현장계측 시스템의 경우 1% ~ 6%로 나타났다. 이러한 차이는 기상청과 현장의 표고와 측정 조건의 영향인 것으로 사료되며, 이에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 사료된다.
권기철(2004)은 노상토의 동상 및 동결 · 융해에 의한 강성도 감소 특성을 평가하기 위하여, 국내 7종의 노상토에 대하여 개방형 동상시험 및 삼축 압축시험을 수행하였다. 시험결과 시험에 적용된 세립분이 작은 노상토의 동상민감도는 보조기층의 동상에 비하여 작은 것으로 나타났다. 김영진(2009)은 한반도 89개 포장국도에서 측정한 동결깊이와 기상청 측정 기온으로부터 산정한 동결지수를 함수로 하여 동결깊이 산정식(안)을 제시하였다.
전 절에서 T4와 T8을 현장계측 자료를 바탕으로 산정하였으며, 표 2와 그림 4를 통하여 T8이 잠재적인 참값인 T24에 가깝다는 것을 확인하였다. 그러나, 동결지수를 산정하기 위하여 사용되는 누적 대기온도는 T4를 사용해야 하기 때문에 본 연구에서는 T4와 T8을 사용하여 산정된 FI4와 FI8의 회귀분석을 그림 7과 같이 수행하였으며, 식 (2)와 같은 회귀식을 구하였다.
즉, 표준편차가 작을수록 추정치들이 참값 주변에 집중되기 때문에 유효성이 좋은 것으로 평가되며(Wilks, 1995), 표 2와 그림 4를 살펴보면 T4보다 T8이 잠재적 참값에 가까운 것으로 나타났지만 그림 4를 살펴보면 T4와 T8 모두 T24와의 편차가 ±1℃ 영역에 90% 이상 포함되는 것을 알 수 있다.
(기상청 1일 8회 일평균에 대한 동결지수)을 표 3에 나타내었다. 표 3을 살펴보면, FIFMA,4와 FIFMA,8간의 차이는 크지 않은 것으로 나타나고 있으며, FIFMA,8에 대한 FIFMA,4의 비율은 -2% ~ 6%인 것으로 나타나고 있다. 그러나 보성의 경우 FIFMA,4와 FIFMA,8가 각각 16과 17로 두 동결지수간의 차이에 의미가 없다고 본다면, 실질적으로 기상청 대기온도로부터 얻어지는 FIFMA,4와 FIFMA,8간의 차이는 크지 않은 것으로 사료된다.
후속연구
이러한 차이는 단면이나 지역적인 특성 보다는 절토단면의 방향성의 영향을 받는 국부적(지역적)인 문제인 것으로 추정된다. 또한 기상청 대기온도로 계측자료로부터 얻어진 FIFMA, 4와 FIFMA, 8 간의 차이보다 현장에서 더 큰 차이를 보이는 것은 기상청과 본 연구에서 구축된 현장계측시스템과의 고도 차이와 지형적 차이인 것으로 사료되며, 이러한 차이를 발생시키는 원인 및 보정 방법에 대한 연구는 추가적으로 수행할 계획이다. 또한, 표 4와 그림 6에서 김천 절성경계부의 동결지수는 다른 두 단면에 비하여 작은 값을 보여주고 있다.
산정결과 기상청의 경우 -2% ~ 1%인 것으로 나타났으며, 현장계측 시스템의 경우 1% ~ 6%로 나타났다. 이러한 차이는 기상청과 현장의 표고와 측정 조건의 영향인 것으로 사료되며, 이에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
기상청 기후통계지침(2007)애 따르면 일평균 대기온도의 정의는 무엇입니까?
이러한 동결지수는 0℃ 이하의 기온과 지속시간의 곱한 값을 연간 누계한 수치로 표시되며, 대기온도는 일평균 대기온도를 사용하게 된다. 일평균 대기온도란 기상청 기후통계지침(2007)에서 ‘일평균 값은 정시 또는 매 시-24회의 1일 합계 값을 자료수로 나눈 값’으로 정의하고 있으며, 정시관측 값을 사용하는 것을 표준으로 한다. 여기서 정시관측이란 정해진 시간(fixed hour)에 기상관측을 실시하는 것을 말한다.
1999년을 기준으로 일평균 대기 온도를 구하는 방법은 어떻게 다릅니까?
따라서, 일평균 대기 온도를 구하는 방법이 동결지수에 영향을 미칠 수 있다. 기상청의 경우 1999년을 기점으로 이전에는 1일 4회 평균 대기온도 제공하였으며, 현재는 1일 8회 평균 대기온도를 제공하고 있다. 본 연구에서는 이러한 일평균 대기온도를 산정하는 방법이 동결지수의 산정결과에 미치는 영향을 확인하기 위하여 한반도 남부(동결지수 $350^{\circ}C{\cdot}$일 미만) 6개 지역을 현장조건(저성토부, 절성경계부 및 절토부)에 따라 구분하여 15개소에 대하여 현장계측시스템을 구축하였다.
국내의 경우 도로의 동상설계시 어떠한 방법을 사용합니까?
도로는 기후환경에 노출되어 있기 때문에 강우에 대한 배수뿐만 아니라 동상에 따른 피해를 최소화 할 수 있도록 구조설계를 해야 한다. 국내의 경우 도로의 동상설계시 일반적으로 완전방지법, 노상동결관입허용법과 감소 노상강도법을 사용토록 하고 있으며, 특히 완전방지법과 노상동결관입허용법으로부터 얻어진 동결심도 중 작은 값을 사용하여 동상방지층을 설치하고 있다. 이때 동결심도(동결관입깊이)는 동결지수로부터 산정된다.
참고문헌 (16)
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국토해양부(2008) 국도건설공사 설계실무 요령.
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김영진, 홍승서(2009) 동결지수와 전국 장국도에서 실측한 동결 깊이의 관계, 한국지반환경공학회논문집, 한국지반환경공학회, Vol. 10, No. 4, pp. 15-24.
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조명환, 이윤한, 진정훈, 심재필(2010) 아스팔트 콘크리트 포장의 표층 포설에 따른 노상토의 함수비 및 온도의 변동 특성 연구, 제36회 정기학술대회 논문집, 대한토목학회.
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Wilks, D. S. (1995) Statistical Methods in the Atmospheric Sciences, Academic Press, p. 467.
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