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문제 정의
- 이러한 맥락에 준하여 장보고 과학기지(이하, 본기지)의 건설에 앞서 본기지와 동일한 건설공법의 건축물(이하, 가설캠프)을 이용하여 남극 현지에서 사전 시공을 행하였고, 남극 환경에서 건축물 운영 시 발생하는 현황조사를 실시하였다. 극지 건축물의 설계, 시공, 운전까지의 전 과정에서 얻어지는 모든 데이터와 내용들의 공유는 향후 극지에서의 건축물 건설기술 및 운영의 노하우 확보로 이어질 것으로 판단되므로 논문의 형식을 빌려 서술하고, 이를 본 논문의 목적으로 하였다.
- 본 논문은 우리나라가 남극대륙에 건설한 첫 번째 건축구조물의 설계, 시공 및 운전에 관한 내용을 다룬 것이다. 남극을 포함한 극한지 건설기술 수준이 선진국 대비 약 53%에 불과한 실정을 고려할 때, 본 분야에 대한 기술 개발과 더불어 정보 축적이 무엇보다도 시급한 상황이라 하겠다.
- 현지조사기간 13일 중 3일간 강설과 블리자드 현상이 발생하였고, 가설캠프를 중심으로 개활지와는 상이한 적설현상이 나타나 캠프간의 동선확보를 위한 제설작업이 강설 종료와 동시에 매번 실시되었다. 향후, 본기지 건설 기간 및 준공 이후의 기지운용단계에서 적설에 따른 유지관리 작업은 남극건축물 운용에 중요한 위치를 차지할 것으로 예상되며, 그 특징을 파악하고자 적설현황을 실측을 통하여 정리하였다.
제안 방법
- 가설캠프 선정부지가 비교적 평탄한 지역이었고, 기본 모듈의 바닥면과 지면사이에 30 cm의 이격공간이 있는 관계로 최소한의 부지평탄작업만을 한 후, 유압식 잭을 이용하여 기본모듈의 수평작업을 실시하였다. 부지평탄작업에 소요된 인력은 8명, 0.
- 가설캠프는 조사기간 이후 현지에 존치되므로 연중에 이른 남극의 현지 기상에 충분한 내구성을 가진 강성체 구조물로 계획하였다. 또한, 국내에서 남극 TNB까지의 이동은 국내 최초의 쇄빙선인 아라온호를 이용하므로 하나의 모듈(이하, 기본모듈) 크기는 20피트 해상용 컨테이너 사이즈인 길이 5.
- 가설캠프의 배치는 2010년 2월에 TNB현장에 설치한 AWS 기상데이터를 바탕으로 예상 주풍향을 북서풍으로 가정하고 바람에 의한 피해와 적설의 영향을 최소화하기 위해 3개동 모두 평행으로 북서-남동방향의 장축을 계획하였다. 그러나 헬기에 의한 로지스틱 경험의 부족으로 의도와는 상이한 방향으로 건물이 안착되어 [Figure 5]와 같은 배치가 되었다.
- [Figure 10]은 가설캠프 준공 이후, 2월 9일부터 14일까지 약 6일간의 가설캠프 실내외 온습도 현황을 정리한 것이다. 각 개설캠프이 기간 중 9일 18시경부터 익일 오전까지 강설이 있었으나, 그리고 12일 09시부터 익일 04시까지 강설현상이 발생하였으며, 대류난방방식 및 입식주거형태를 채용한 A동의 난방기기는 스토브를 사용하였고, 주간의 활동시간대에는 Off로, 야간시간대를 중심으로 운전이 실시되었다. 명확한 설정온도는 존재하지 않으며, 인체의 온열감각을 기준으로 작위적인 운전이 실시되어 최저온도 −2℃,최고온도 34℃ 사이의 매우 큰 온도변화가 나타났다.
- 기본모듈에 외벽을 결합하기 전, 모듈 하단부에 U-bar를 결합하는 작업을 실시하였다. U-bar는 외벽의 가결합에 사용되어 시공성을 향상시키는 역할을 하며, 리벳과 고장력 피스를 이용하여 결합시킨다.
- 또한, 가설캠프의 열적 성능을 위해 지붕과 외벽의 열관류율은 0.14W/㎡K, 출입문은 0.51 W/m2 K, 창호는 0.8 W/m2 K로 설계하였다.
- 표준 사용인원 15명과 최대 사용인원 24명을 수용하고 기본모듈의 크기를 고려하여 가설캠프를 총 3개동으로 구성하였으며, 현지 의복 착용 및 실내 활동성 등을 고려하여 2개동은 입식형 바닥을, 1개동은 좌식형 바닥으로 계획하였다. 또한, 외기 기상 변화를 실내에서 파악할 수 있도록 창호의 높이는 인체 시선에 위치시키고, 넓은 시야각에 의한 관측성 확보와 창호의 열적 취약성을 고려하여 창호의 사이즈는 프레임을 포함하여 가로 1 m, 세로 50 cm로 설계하였다.
- 먼저 구조용 각형 강관을 용접으로 연결하여 기본모듈의 구조체를 제작하였다. 이 과정에서 외벽패널을 고정할 때 이용되는 샛기둥(Stud)을 설치하고 이후 합판, 단열재, 각재, 강화마루 등의 재료를 이용하여 바닥공사를 완료하고, 필름, 합판, 단열재 등으로 내벽 및 내부 천장을 설치하였다.
- 먼저 제작공장에서 선적항까지는 차량운반을, 이후 선적항에서 남극 TNB해안까지는 아라온호를 이용한 해상운반을, 마지막 단계인 TNB해안에서 가설캠프 설치부지까지는 대형헬기(Kamov)를 이용한 공중운반을 실시하였다. 한편, 이번 조사기간 중 사용한 헬기의 1회 최대 양중 능력은 4톤이나, 안전율을 고려하여 각각의 포장 단위는 3.
- 본 절에서는 우레탄 외벽의 B, C동을 중심으로 가설캠프 시공순서에 대해 정리하였으며, 이해를 증진시키기 위해 [Figure 6]에 조립순서도를 표기하였다.
- 부지선정은 2010년에 이루어진 ‘사전남극현지조사’의 자료를 바탕으로 한 사전검토와 현장 확인 절차를 거쳐 이루어졌다.
- 외벽결합 이후 지붕패널 연결작업을 실시하였다. 각 동은 7개의 지붕패널 부재로 이루어져 있으며 외벽과 마찬가지로 모듈의 강재 및 스터드와 패널을 고장력 피스를 이용하여 결합하는 작업이다.
- 먼저 구조용 각형 강관을 용접으로 연결하여 기본모듈의 구조체를 제작하였다. 이 과정에서 외벽패널을 고정할 때 이용되는 샛기둥(Stud)을 설치하고 이후 합판, 단열재, 각재, 강화마루 등의 재료를 이용하여 바닥공사를 완료하고, 필름, 합판, 단열재 등으로 내벽 및 내부 천장을 설치하였다. 마지막으로 출입문과 조명 및 내부 수장공사를 거쳐 기본모듈을 완성하였다.
- 이러한 맥락에 준하여 장보고 과학기지(이하, 본기지)의 건설에 앞서 본기지와 동일한 건설공법의 건축물(이하, 가설캠프)을 이용하여 남극 현지에서 사전 시공을 행하였고, 남극 환경에서 건축물 운영 시 발생하는 현황조사를 실시하였다. 극지 건축물의 설계, 시공, 운전까지의 전 과정에서 얻어지는 모든 데이터와 내용들의 공유는 향후 극지에서의 건축물 건설기술 및 운영의 노하우 확보로 이어질 것으로 판단되므로 논문의 형식을 빌려 서술하고, 이를 본 논문의 목적으로 하였다.
- 온열환경 평가 및 공조방식에 대한 검토 역시 필요하다. 이번 가설캠프의 온열상태 파악을 위해 온습도를 측정하였고, 난방은 자동제어 및 목표값 설정 등이 불가한 방식을 사용하였다. 남극의 하계 기간중에는 백야현상으로 인해 24시간 일사가 발생하므로 PMV 등의 추가적인 실내 환경 및 거주평가가 이루어져야 할 것으로 보이며, 준공 이후 이 분야에 대한 연구를 추가적으로 행할 계획이다.
- 이후, 가설캠프의 기본모듈과 외장재 및 기타 건설관련 장비를 부지로 운반하는 작업을 실시하였다. 전술한 바와 같이 아라온호에서 부지까지의 운반은 대형헬기를 이용하였으며, 기본모듈 3개동과 건설자재 및 외벽이 적재되어 있는 컨테이너 4개를 포함, 도합 7차례의 운반을 실시하였다.
- 입식형 바닥의 난방은 등유 스토브를 이용한 대류난방 방식을, 좌식형 바닥은 필름 난방을 이용한 복사 난방 방식을 채택하였다.
- 이후, 가설캠프의 기본모듈과 외장재 및 기타 건설관련 장비를 부지로 운반하는 작업을 실시하였다. 전술한 바와 같이 아라온호에서 부지까지의 운반은 대형헬기를 이용하였으며, 기본모듈 3개동과 건설자재 및 외벽이 적재되어 있는 컨테이너 4개를 포함, 도합 7차례의 운반을 실시하였다. 해상의 아라온호와 부지까지의 거리는 직선거리로 약 2 km, 3분 내외의 비행거리이나 아라온호에서의 크레인작업 및 가설캠프 부지현장에서의 하역작업 등에 필요한 시간을 포함하여 1회 운반에 평균 약 40분이 소요되었다.
- 표준 사용인원 15명과 최대 사용인원 24명을 수용하고 기본모듈의 크기를 고려하여 가설캠프를 총 3개동으로 구성하였으며, 현지 의복 착용 및 실내 활동성 등을 고려하여 2개동은 입식형 바닥을, 1개동은 좌식형 바닥으로 계획하였다. 또한, 외기 기상 변화를 실내에서 파악할 수 있도록 창호의 높이는 인체 시선에 위치시키고, 넓은 시야각에 의한 관측성 확보와 창호의 열적 취약성을 고려하여 창호의 사이즈는 프레임을 포함하여 가로 1 m, 세로 50 cm로 설계하였다.
- 한편, 기본모듈 제작과 병행하여 외벽 및 지붕용 패널, 창호를 별도로 제작하였다. 각 건물에 적용되는 창호는 동일한 사이즈와 사양이다.
- 먼저 제작공장에서 선적항까지는 차량운반을, 이후 선적항에서 남극 TNB해안까지는 아라온호를 이용한 해상운반을, 마지막 단계인 TNB해안에서 가설캠프 설치부지까지는 대형헬기(Kamov)를 이용한 공중운반을 실시하였다. 한편, 이번 조사기간 중 사용한 헬기의 1회 최대 양중 능력은 4톤이나, 안전율을 고려하여 각각의 포장 단위는 3.5톤 이하로 계획하였다. 가설캠프 A동의 총중량은 4.
- 헬기를 이용한 운반부터 가설캠프 마감까지는, 기상악화로 인한 대기일 하루를 포함하여 총 6일이 소요되었으며, 이하에 전술한 가설캠프 시공내용을 일차별로 정리하였다.
대상 데이터
- 1일차에 투입된 작업인원은 5명이며 부지선정, 기본모듈 및 건설 컨테이너 운반과 가설캠프 A, B, C동의 배치가 이루어졌으며, 외벽 및 건축자재의 운반, 현장 적재 등이 이루어졌다. 2일차에 투입된 작업인원은 17명이며 기본모듈의 수평작업, 창호결합, A 및 B동의 외벽체 일부 결합 등의 작업이 이루어졌다.
- 2일차에 투입된 작업인원은 17명이며 기본모듈의 수평작업, 창호결합, A 및 B동의 외벽체 일부 결합 등의 작업이 이루어졌다. 3일차에는 B동 외벽결합, C동의 U-bar설치 및 외벽결합 등의 완료되었으며 투입된 인원은 3명이었다. 4일차에 이르러 A동 외벽완료, B, C동의 지붕패널 결합이 완료되었으며, 5일차에 마감작업이 이루어졌다.
- 가설캠프 1개동의 외벽은 곡면 형상성이 뛰어난 FRP(Fiber Reinforced Plastic)를 이용하였다. 국외의 극지건물 시공 실적을 참조한 후 적설의 피해 영향 감소가 예상되는 지붕 디자인을 실시하였으며1) 나머지 2개동은 우레탄 판넬을 이용하여 외부를 마감하였다.
- 가설캠프는 2010년 국내 모듈려 조립 공장에서 약 3개월의 기간을 거쳐 선(先)제작 되었으며, 전체 공정은 다음과 같다.
- 가설캠프 1개동의 외벽은 곡면 형상성이 뛰어난 FRP(Fiber Reinforced Plastic)를 이용하였다. 국외의 극지건물 시공 실적을 참조한 후 적설의 피해 영향 감소가 예상되는 지붕 디자인을 실시하였으며1) 나머지 2개동은 우레탄 판넬을 이용하여 외부를 마감하였다. 또한, 가설캠프의 열적 성능을 위해 지붕과 외벽의 열관류율은 0.
- 또한, 가설캠프 부지는 해안가에서 약 400 m 이격된 거리에 있으나 쇄빙선 및 바지선이 접안할 항만시설이 부재하고, 시공에 필요한 중장비 사용이 불가한 관계로 대형헬기를 이용하여 건설에 필요한 자재를 운반하였다.
- [Table 1]에 가설캠프 주요 부위의 열관류량을 정리하였다. 본 열적성능은 2010년 2월에 본기지 건설 부지에 설치한 자동기상관측시스템(AWS)의 데이터와 인근의 이탈리아 기지에서 보유한 20년간의 기상데이터를 바탕으로 설정된 것이다2).
- 본기지 및 가설캠프의 건설 지점은 동경 164°12', 남위 74°37'에 위치하며, 동남극 테라노바만(Terra Nova Bay, 이하 TNB)의 브라우닝 산 인근 지역이다.
- 해상의 아라온호와 부지까지의 거리는 직선거리로 약 2 km, 3분 내외의 비행거리이나 아라온호에서의 크레인작업 및 가설캠프 부지현장에서의 하역작업 등에 필요한 시간을 포함하여 1회 운반에 평균 약 40분이 소요되었다. 부지에서의 하역작업에 필요한 인원은 대형헬기의 조종인원을 제외하고 5명이다.
- 가설캠프 부지의 선정기준은 가설캠프 3개동 건설이 가능한 부지넓이, 부지평탄작업을 최소한으로 할 수 있는 지역, 본기지의 본관 및 부속건물동의 위치와 겹치지 않는 지역, 본기지에서 100 m 이내 거리의 4가지 항목에 근거하였다. 이를 바탕으로 본기지 중앙을 기준으로 북북서 방향으로 60 m 이격된 지점에 가설캠프 부지를 최종 선정하였다.
- [Table 3]은 일차별 작업내용 및 투입인원, 소요시간 등을 정리한 것이다. 이번 조사단에 가설캠프 시공을 위해 투입된 전문 인력은 1명이며, 시공 1, 2일차에는 사전 남극현지조사를 위해 탑승한 일반 연구자 17명이 건설에 참여하였다. 그러나 [Table 3]에서와 같이 1일차 작업에 투입된 인원은 5명으로 가용인원을 충분하게 활용하지 못했음을 알 수 있다.
- 연구의 일환으로 남극 대륙에 건설된 가설캠프는 본 기지 건설을 위한 ‘사전남극현지조사’ 기간 중에 건설되었다. 조사기간은 2011년 1월말에서 2월말의 35일이며, 이 기간 중 실제 남극 대륙에서의 체류는 13일간이다.
성능/효과
- 가설캠프는 조사기간 이후 현지에 존치되므로 연중에 이른 남극의 현지 기상에 충분한 내구성을 가진 강성체 구조물로 계획하였다. 또한, 국내에서 남극 TNB까지의 이동은 국내 최초의 쇄빙선인 아라온호를 이용하므로 하나의 모듈(이하, 기본모듈) 크기는 20피트 해상용 컨테이너 사이즈인 길이 5.89 m, 폭 2.34 m, 높이 2.27 m로 결정되었다.
- 명확한 설정온도는 존재하지 않으며, 인체의 온열감각을 기준으로 작위적인 운전이 실시되어 최저온도 −2℃,최고온도 34℃ 사이의 매우 큰 온도변화가 나타났다.
- 시공측면에서 볼 때, 남극 현지에서는 로지스틱에 대한 충분한 고려와 가조립 고정을 통한 사전 트러블 점검이 필요한 것으로 나타났다. 지형에 따라 상이하겠으나 남극의 지표는 쇄석, 빙하 또는 눈으로 덮여 있으며, 이곳에서의 건설공사는 이러한 지표상황의 인식하에 진행되어야 한다.
- 이어 외벽결합(80 man · hour, 29.5%)과 헬기에 의한 운반작업(30 man · hour, 11.1%)에 투입량이 집중되어 전체 투입량의 약 80%를 차지함을 확인하였다.
- 1%)에 투입량이 집중되어 전체 투입량의 약 80%를 차지함을 확인하였다. 특히 자재운반 및 헬기운반 등 로지스틱과 관련된 항목이 전체 투입량의 약 50%를 차지하는 것으로 나타났다.
- 현지조사기간 13일 중 3일간 강설과 블리자드 현상이 발생하였고, 가설캠프를 중심으로 개활지와는 상이한 적설현상이 나타나 캠프간의 동선확보를 위한 제설작업이 강설 종료와 동시에 매번 실시되었다. 향후, 본기지 건설 기간 및 준공 이후의 기지운용단계에서 적설에 따른 유지관리 작업은 남극건축물 운용에 중요한 위치를 차지할 것으로 예상되며, 그 특징을 파악하고자 적설현황을 실측을 통하여 정리하였다.
후속연구
- 이번 가설캠프 건설에는 항만 및 항만에서 부지까지의 운반로가 전무한 상황에서 헬기를 이용하였고, 그 결과 중량제한이라는 요소 때문에 기본모듈과 외벽체를 분리하여 현장에서 조립할 밖에 없는 제약이 존재하였다. 그러나 본 공사 시에는 바지선 등의 이용으로 이형 사이즈 생산 및 운반도 가능할 것으로 예상되므로 중량제약이 완화되고 외벽 일체형의 모듈 이용도 가능할 것으로 보인다. 이를 위해서는 국내에서 모듈 제작 후 사전 가조립을 통해 현장에서의 착오를 반드시 사전에 파악하는 과정을 거쳐할 것이다.
- 이번 가설캠프의 온열상태 파악을 위해 온습도를 측정하였고, 난방은 자동제어 및 목표값 설정 등이 불가한 방식을 사용하였다. 남극의 하계 기간중에는 백야현상으로 인해 24시간 일사가 발생하므로 PMV 등의 추가적인 실내 환경 및 거주평가가 이루어져야 할 것으로 보이며, 준공 이후 이 분야에 대한 연구를 추가적으로 행할 계획이다.
- 지형에 따라 상이하겠으나 남극의 지표는 쇄석, 빙하 또는 눈으로 덮여 있으며, 이곳에서의 건설공사는 이러한 지표상황의 인식하에 진행되어야 한다. 남극조약에 의해 도로포장 면적에 제약을 받으므로 비포장된 남극지형에 적절한 자재운반 도구의 개발 및 확보가 필요할 것이다. 또한, 남극 로지스틱과 연계한 치밀한 사전계획과 돌발상황에 대비할 수 있는 유경험자의 공사 참여도 반드시 고려해야 할 요소로 판단된다.
- 또한, 작업자들의 의복이 두껍고 낮은 기온에 의해 활동성이 떨어지는 점, 현장에 적합한 운반도구가 없었던 점 등이 현장운반에 가장 많은 투입량으로 이어진 것으로 보인다. 본공사 시, 외기 기상조건은 예측이 불가능하며 의복에 큰 변화를 줄 수 없다는 가정 하에 무엇보다 현장맞춤형 운반도구가 반드시 필요할 것으로 보인다.
- 우리나라는 1988년 킹조지섬(King George Island)에 ‘남극세종과학기지’를 건설하였으나 아남극권에 위치한 관계로 빙하, 천문, 우주, 운석연구 등의 남극 과학연구 활동 범위가 극히 제한되었다. 이번 장보고 과학기지를 통해 이 분야의 독자적인 연구진행이 기대되며, 1959년 12개국으로 시작하여 현재 49개국이 당사자로 있는 남극조약에서의 발언권도 힘을 얻을 것으로 보인다.
- 이상에서 남극대륙에 건설되는 건축물의 설계, 제작, 시공 및 운영에 관한 내용을 정리하였으나, 남극에서의 안전한 건축물 시공과 효율적인 운영을 위해서 이 분야의 적극적이고 추가적인 DB구축이 필요하다 하겠다.
- 본 기지에서 1년에 걸친 월동활동의 경우, 적설에 의한 영향은 더욱 심화될 것으로 보이며 이에 따른 제설작업 활동량의 증가도 당연한 수순이 될 것이다. 전술한 바와 같이 곡면의 지붕 디자인을 이용한 적설현상의 완화 등 향후 부속건물 추가 시, 적설피해를 줄이기 위한 고려가 반드시 필요하며 시뮬레이션 및 실측 등을 통해 디자인의 정량적 효과를 검증하는 과정이 필요할 것으로 보인다.
- 남극과 같은 극한지 건축물의 경우, 외기조건이 매우 혹독하고 건설에 필요한 충분한 기간을 확보하기 어려우며 건물 준공 이후의 거주환경 및 운영부분에 있어서도 일반 건물과는 많은 차이가 있어 충분한 연구 검토가 이루어져야 한다. 즉, 마스터 플랜부터 단열성능 및 건물형상 등의 계획적 측면, 단기간에 건설 가능한 시공, 에너지 보급과 사용량이 제한적인 지역의 거주환경 및 운영계획 등 총체적인 연구가 필요하고 하겠다.
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