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문제 정의
- 본 연구에서는 기존의 방음벽 설계풍하중 산정방법의 문제점에 대한 대책으로 국토지리정보원에서 제공하는 1:5000 수치지형도와 Arc GIS를 이용한 정량적인 분석을 통하여 지표조도를 합리적이고 객관적인 방법으로 분류하며, 풍속방향에 대한 종단면도를 작성함으로써 지형경사에 의한 풍속증가를 고려하고, 최대순간풍속을 감안한 방음벽 설계풍하중 산정기법을 제안하고자 한다.
- 본 연구에서는 최근 지구 온난화로 인한 이상 기상현상으로 태풍과 강풍의 풍속 증가에 대비하여 풍하중을 받는 도로와 철도의 주요 시설물인 방음벽의 안정성과 경제성 확보 향상에 도움이 되고자 GIS 분석을 이용한 방음벽의 설계풍하중 산정기법을 개발하고, 실제 설계·시공된 방음벽 자료를 분석하여 기존의 설계풍하중과 제안식에 의한 결과의 비교를 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- (4) 기존의 방음벽 설계풍하중은 방음벽의 설계수명이 10～20년으로 짧은 것을 고려하여 거스트계수를 적용하지 않았으나, 최근 잦은 이상기후로 인한 태풍과 강풍의 크기가 강해지고 있으며 강풍의 최대순간풍속에 의한 시설물의 피해를 방지하기 위하여 거스트계수의 적용을 검토하였다. 거스트계수를 미고려시에는 기존의 방음벽 풍하중이 제안식 대비 88～256%의 하중으로 분석되었으며, 거스트계수를 고려한다면 기존의 방음벽 풍하중이 제안식 대비 53～92%에 불과한 것으로 분석되었다.
- GIS를 이용하여 분석한 지표조도계수와 풍속지형계수를 본 연구에서 제안한 풍하중 산정식에 반영하여 기존의 국도, 철도, 고속도로 방음벽 설계풍하중과 비교하였으며, 기존의 도로교설계기준(2012)과 건축구조설계기준(2012)의 풍하중 산정식에 GIS를 이용하여 정량적으로 분석한 지표조도계수와 풍속지형계수를 입력하여 풍하중 산정결과를 Table 7과같이 확인하였다.
- 건물의 수치지형모델링인 건물 DTM을 생성하기 위하여 건물 1층의 높이를 3.0m로 가정하여 수치지형도(ver.2)의 건물 레이어의 필드중 층수와 곱한 값을 사용하고, 건물외의 하천, 도로 등의 영역은 높이정보를 0으로 수정하여 건물절점과 병합하고 ArcGIS의 Feature vertices to point 기능을 이용하여 Figure 6과 같이 건물 DTM 절점을 생성한다.
- 기존의 방음벽 설계풍하중은 지표조도 II에 국한하여 계산된 수치이며, 도로교설계기준과 건축구조설계기준에 의해 설계풍하중을 산출하여도 지표조도의 결정에 따라서 설계 풍하중 크기가 크게 좌우되므로, 본 연구에서는 지표조도를 객관적이고 정량적으로 평가하기 위하여 Table 3의 지표조도 구분기준을 적용하였으며, Figure 2와 같이 국토지리정보원의 수치지형도(Ver.2.0)와 ArcGIS 프로그램을 활용하여 건물과 표고점, 등고선 레이어의 데이터를 목적에 맞게 변환하고, 높이별 분포비율에 따른 지표조도를 구분하였다.
- 현재 설계 때는 도로와 철도 노선방향의 종·횡단측량을 시행하지만, 횡단측량은 노선의 시공 범위내에서만 시행하므로 방음벽에 직각으로 작용하는 풍하중에 대한 지형경사를 구하기에는 자료가 부족하지만, 지표면의 표고가 입력되어 있는 수치지형도를 이용하여 GIS 분석을 시행하면 지형경사를 빠르고 경제적으로 산정할 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 GIS 분석을이용하여 보다 합리적이고 객관적인 방법으로 지표조도계수와 풍속지형계수를 고려하는 풍하중 산정 식 식 (3)과 설계기준풍속 계산식 식 (4)를 적용하고, 기존의 방음벽 설계풍하중 Table 1과 비교 분석을 통하여 경제성과 안정성을 확보하는 객관적인 방음벽 풍하중 산정기법을 제안하였다.
- 방음벽 설치 구간중 산과 가까워 지형에 의한 풍속할증을 고려할 수 있는 대구시 도동과 본리리 일대에 대하여 GIS를 이용하여 지형분석을 실시하고 풍속지형계수를 산정하였다. 풍속지형계수는 정점과 지표면의 높이차 또는 풍상측 경사면 수평거리에 따라 할증여부가 결정된다.
- 변환된 DEM의 데이터에서 최정점(가장 높은점)을 찾아서 방음벽 설치 위치와 연결하여 바람의 방향을 확인하고, 1m 간격으로 점 데이터를 생성하여 지형의 단면도를 작성하고 지형의 경사에 의한 풍속지형계수를 산정한다.
- 본 연구에서 적용한 지표조도 구분방법은 건물의 높이에 따른 지표조도 구분방법을 제시한 Table 3의 기준을 적용하여 도로교 표준시방서에서 사용하고 있는 I, II, III, IV로 구분하였으며, 가장 분포비율이 많은 지표조도를 대표 지표조도로 결정하였다.
- 6을 동일하게 적용하였다. 제안식에는 최대순간풍속에 의한 하중의 증가를 확인하기 위하여 최대순간풍속을고려하는 거스트계수의 적용과 미적용 조건일 때를 함께 비교하였다.
- 지표조도계수 산정을 위한 지표조도의 분석범위를 도로교 설계기준의 풍하중 참조지역 범위대로 방음벽의 높이 z에 100을 곱한 길이와 방음벽 연장의 2배 폭을 기준을 정했다. Figure 5는 본 연구에서 선정한 건물레이어의 검토범위이다.
- 풍속지형계수는 Figure 3과 같이 검토구간이 포함된 수치지형도에서 표고점과 등고선 레이어를 추출하고, 선형 (polyline) 레이어인 등고선 레이어에서 절점을 생성하여 표고점과 등고설 절점을 결합하여 벡터데이터 구조를 기반으로 하는 3D 모델링인 부정형 삼각네트워크(TIN) 모델링을 생성한다. 지형의 형상을 좀더 세밀하게 표현하기 위하여 부등 간격의 TIN모델을 등간격의 래스터 데이터 구조인 수치표고모형(DEM)으로 모델링으로 변환한다. 변환된 DEM의 데이터에서 최정점(가장 높은점)을 찾아서 방음벽 설치 위치와 연결하여 바람의 방향을 확인하고, 1m 간격으로 점 데이터를 생성하여 지형의 단면도를 작성하고 지형의 경사에 의한 풍속지형계수를 산정한다.
- 연구 대상지역인 대구광역시와 충남 논산시의 기본풍속은 도로교설계기준(2012)에서는 30m/s, 건축구조설계기준(KBC 2009)에서는 25m/s로 각 설계기준마다 풍속이 상이하여 각각의 설계기준에서 제시된 기본풍속을 적용하였다. 항력계수는 현재 방음벽 설계풍하중에서 적용하고 있는 토공부 1.2와 교량부 1.6을 동일하게 적용하였다. 제안식에는 최대순간풍속에 의한 하중의 증가를 확인하기 위하여 최대순간풍속을고려하는 거스트계수의 적용과 미적용 조건일 때를 함께 비교하였다.
대상 데이터
- 대구 도동 지역에 설치된 방음벽은 설계 높이 H=4.0m, 연장 L=200m로써 폭 400m, 1,000m와 길이 500m의 사다리꼴 형태의 검토범위를 대상으로 하였다.
- 대구 비산동 지역과 충남 논산시 신당리 주택가에 설치된 방음벽은 설계 높이 H=8.0m, 연장 L=200m로써 폭 400m, 1,320m와 길이 800m의 사다리꼴 형태의 검토범위를 적용하였으며, 대구 신암동 지역에 설치된 방음벽은 설계 높이 H=9.2m, 연장 L=200m로써 폭 400m, 1,460m와 길이 920m의 사다리꼴 형태의 검토범위를 대상으로 하였다. 대구 도동 지역에 설치된 방음벽은 설계 높이 H=4.
- 본 연구에서 제안한 설계풍하중 산정기법에 의한 결과와 기존의 방음벽 설계풍하중의 비교를 위하여 선정한 연구 대상지역은 주택과 중·고층 건물 등이 밀집되어 있는 도심지뿐만 아니라, 최근 방음벽이 농장과 주택이 산재되어 있는 농촌, 산지 등 도시 외곽지에도 설치되고 있는 현실을 감안하여 도심지와 교외, 농촌의 시공사례를 각각 분석하였으며, 본 연구 대상지역의 지표면 상태와 육안에 의한 지표조도 판정결과는 Table 4와 같다.
- 연구 대상지역인 대구광역시와 충남 논산시의 기본풍속은 도로교설계기준(2012)에서는 30m/s, 건축구조설계기준(KBC 2009)에서는 25m/s로 각 설계기준마다 풍속이 상이하여 각각의 설계기준에서 제시된 기본풍속을 적용하였다. 항력계수는 현재 방음벽 설계풍하중에서 적용하고 있는 토공부 1.
이론/모형
- Figure 9는 검토지역의 등고선 레이어를 나타내며, Figure 10은 점 데이터로 변환된 등고선 레이어와 지표고 데이터이다. 점 데이터는 불규칙적인 간격의 높이 데이터를 가지고 있어서 TIN보간법을 이용하여 Figure 11의 3차원 지표면인 TIN모델로 변환하고 이를 다시 동일한 간격의 레스터 데이터 모델인 Figure12의 지형 DEM 모델로 변환하였다.
성능/효과
- (1) 수치지형도와 GIS를 이용하여 풍하중 검토지역에 대한 불연속적인 간격의 벡터 데이터 공간정보를 동일 간격의 레스터 데이터 모델로 변환하여 장애물의 높이와 밀집도를 정량적으로 분석함으로써 지표조도의 객관적이고 합리적인 구분이 가능하였으며, 풍속방향의 지형도의 작성이 가능하여 신속하고 경제적으로 풍속지형계수의 산정이 가능하였다.
- (3) 우리나라의 고속도로와 국도, 철도의 종단선형은 급경사지가 없으나, 횡단면에서는 지형조건에 따라서 풍속지형계수가 1.017～1.0871로 산출되었으며,이로 인한 풍하중 증가는 4～18.2% 정도 발생함을 알수 있으나, 기존의 방음벽 설계풍하중에서는 계산에 반영되지 않았다. 최근에는 방음벽이 산악지에도 설치되고 있는 경향을 반영하여 경사지와 인접하여 시공되는 방음벽의 경우에는 풍속지형계수의 적용이 필요한 것으로 판단되며, 기존의 설계도서에서는 산출하기가 곤란한 풍속지형계수를 GIS를 이용하여 경제적이고 신속하게 풍속방향의 지형경사를 판단하고 풍속지형계수를 산출할 수 있었다.
- 거스트계수 미고려 조건에서 본 연구에서 제안한 기법으로 계산한 풍하중 ④는 지표조도 III인 도심지에서는 0.39~0.41kN/m2으로 분석되어 기존의 풍하중에 대비하여 39~59%의 하중을 보였으며, 지표조도 II인 교외지역에서는 0.56～0.64kN/m2으로 분석되어 기존의 풍하중에 대비하여 56~64%의 하중으로 분석되었다. 지표조도 I인 농촌지역에서는 1.
- 거스트계수를 고려한 제안식의 풍하중 ⑤와 기존방음벽 풍하중 ①을 비교하면, 제안식의 풍하중이0.91～2.06kN/m2으로 기존 풍하중 0.7～1.1kN/m2 대비 108～187%의 하중으로 기존의 풍하중보다 크게 분석되었다.
- (4) 기존의 방음벽 설계풍하중은 방음벽의 설계수명이 10～20년으로 짧은 것을 고려하여 거스트계수를 적용하지 않았으나, 최근 잦은 이상기후로 인한 태풍과 강풍의 크기가 강해지고 있으며 강풍의 최대순간풍속에 의한 시설물의 피해를 방지하기 위하여 거스트계수의 적용을 검토하였다. 거스트계수를 미고려시에는 기존의 방음벽 풍하중이 제안식 대비 88～256%의 하중으로 분석되었으며, 거스트계수를 고려한다면 기존의 방음벽 풍하중이 제안식 대비 53～92%에 불과한 것으로 분석되었다.
- 이는 건축구조설계기준(KBC 2009)에서는 대구와 논산지역의 기본풍속이 25m/s이며, 기존의 설계풍하중에서는 도로교설계기준(2000)의 대구와 논산 지역의 기본풍속을 30m/s로 적용하였기 때문에 지표조도 III에서는 건축구조설계기준(KBC 2009)에 의한 풍하중 결과가 기존의 설계풍하중보다 작게 계산되었다. 그리고 지표조도 I과 II인 지역에서는 지표조도의 적용의 차이와 거스트계수의 적용 때문에 기존의 설계풍하중보다 크게 계산되었다.
- 기존의 풍하중 ①은 전국의 지표조도를 II로 간주하고 풍하중을 0.7~1.1kN/m2으로 산정하였으나, 본 연구 대상지역에서 GIS를 이용한 정량적인 분류에 의하면 도심지 구간은 대부분 지표조도가 III으로 분석되었으며, 교외 지역은 지표조도가 II, 농촌 지역은 지표조도가 I로 분석되었다.
- 수치지형도에 의거 지형분석을 실시하고 바람의 방향을 고려한 풍속할증을 산정한 결과 대구시 도동은 8.71%의 풍속할증, 본리리는 1.97%의 풍속할증이 산출되었다. 풍하중은 풍속의 제곱에 비례하므로 이와같은 풍속할증은 도동에서는 18.
- 육안에 의한 지표조도 판정결과는 도심지에서는 III과 IV, 교외지역은 II와 III, 농촌지역은 II로 판정되었으나 GIS를이용한 정량적인 평가에서는 도심지 구간은 저층 건축물이 밀집한 지역, 중·고층 건물이 밀집한 지역 모두 III으로 분석되었으며, 교외의 산과 인접한 지역에서는 II로 분석되었고, 농촌지역은 개활지와 전형적인 농가밀집 지역 모두 I로 분석되는 등 현재 설계기준과육안 판정결과와는 다르게 분석되었다.
- 이러한 반복된 과정을 통하여 대구 도동 일대의 최정점은 106.3m, 최저점은 31.7m임을 확인하였으며,대구 본리리 일대의 최정점은 158.2m, 최저점은 45.5m, 방음벽 설치구간의 지표고는 52.4m임을 확인하였다. Figure 11과 같이 퐁속지형계수 검토범위내의 정점과 방음벽 검토 위치를 직선으로 연결한 후, 이전 단계에서 생성한 지형 DEM 모델의 높이 데이터에서 직선에 대한 1m 간격의 높이정보를 획득할 수 있다.
- 즉, 동일한 지역의 10m 높이의 방음벽에 지표조도 II를 적용 시에는 1.723 × (10 ÷300)0.16 × V10 = 1.0 V10이 되며, 지표조도 III을 적용 시에는 1.723 × (10 ÷ 400)0.22 × V10 = 0.765 V10이 되어 지표조도 III에서의 설계기준풍속은 지표조도II일 때보다 76.5%에 불과하며, 설계풍하중은 설계기준풍속에 비례하므로 지표조도 III의 설계풍하중은 지표조도 II의 설계풍하중의 58.5%에 불과하다.
- 97%의 풍속할증이 산출되었다. 풍하중은 풍속의 제곱에 비례하므로 이와같은 풍속할증은 도동에서는 18.2%, 본리리는 4.0%의 풍하중 증가가 나타났다.
후속연구
- 현재의 방음벽 설계기준을 그대로 적용 시에는 설계풍속이 도심지 구간에서는 과대평가, 농촌지역에서는 과소평가가 되었다. 이처럼 지표조도 조건은 전국을 동일한 조건으로 가정할 수 없으며, 지역별로 세부 검토 후 적용하여야 하며, 검토구간에 대한 지표조도의 구분을 GIS분석에 의한 정량적인 분석을 시행한다면 누구나 동일한 결과를 산출할 수 있는 객관적인 분석방법이 될것이다.
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