[논문]국내 기후특성을 고려한 도로터널의 동결-융해 평가기준 연구

문준식; 안재욱; 김홍균; 이종건

doi:10.9711/ktaj.2020.22.1.121

국내 기후특성을 고려한 도로터널의 동결-융해 평가기준 연구
A study on freeze-thaw evaluation criteria for road tunnels considering climate characteristics 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.22 no.1, 2020년, pp.121 - 133

문준식 (경북대학교 토목공학과) , 안재욱 (한국시설안전공단 지반안전실) , 김홍균 (한국시설안전공단 지반안전실) , 이종건 (한국시설안전공단 지반안전실)

초록
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전 세계적으로 이상기후 현상의 빈도와 강도는 높아지고 있는 추세이다. 이는 인명과 재산에 직접적인 피해를 줄 수 있으므로 이상기후에 대응하여 적정한 유지관리 전략을 수립하고 실천하는 것이 중요하다. 한파 또는 폭설이 빈번하게 발생하는 한랭지역에 건설되는 시설물의 경우에는 다른 지역에 위치하고 있는 시설물에 비하여 동결-융해에 의한 피해를 많이 받을 수 있으며, 해를 거듭할수록 그 피해 정도는 증가할 가능성이 매우 높다. 그러나 동결-융해의 피해를 정량적으로 확인할 수 있는 명확한 기준과 이에 대한 대응방안은 아직 제시되고 있지 않은 실정이다. 따라서 실내 동결시험 결과를 기반으로 지역별 기후특성을 고려한 동결조건을 -14℃에서 1일, -7℃에서 2일 또는 -5℃에서 3일 지속될 경우로 선정하였으며, 그 결과, 강원지역의 대관령(8.3회), 철원(5.3회), 태백(4.9회)의 순으로 동결-융해 환경에 노출되어 있는 것으로 판단되었다. 이러한 연구결과를 기반으로 도로터널의 동결-융해 평가기준을 새롭게 제시하였다. 본 연구에서 제시된 도로터널의 동결-융해 평가기준은 추후 한랭지역 터널의 정량적 평가와 유지관리 전략의 수립 시 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Globally, the frequency and intensity of abnormal climate events are increasing. Since this can directly damage lives and property, it is important to establish and implement an appropriate maintenance strategy in response to abnormal weather. Facilities built in cold regions where cold wave or heavy snow occurs frequently can be more damaged by freeze-thaw than facilities located in other regions. However, there are no clear criteria for quantitatively identifying the damage of freeze-thaw and how to cope with it. Therefore, based on the results of indoor freezing tests, the freezing conditions considering regional climate characteristics were selected as one day at -14℃, two days at -7℃ or three days at -5℃. As a result, it was confirmed that they were in the freeze-thaw environment in order of Daegwallyeing (8.3 times), Cheorwon (5.3 times) and Taebeak (4.9 times) in Gangwon region. Through this study, the evaluation criteria of freeze-thaw of road tunnels were newly proposed. The freeze-thaw evaluation criteria of the road tunnel presented in this study can be used for the quantitative evaluation and maintenance strategy of tunnels in cold regions.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Temperature status and road tunnel maintenance costs in Gangwon area by year
표 Table 1. Evaluation criteria for freeze-thaw
표 Table 2. Time (min) to reach freezing temperature (0℃ and -2.2℃) of concrete lining No. 1, 2
표 Table 3. Heat transfer quantity analysis results
표 Table 4. Results of tunnel lining temperature change by duration due to ambient air temperature
표 Table 5. Freeze-thaw repetition index (X) by area
표 Table 5. Freeze-thaw repetition index (X) by area (continue)
표 Table 6. Freeze-thaw durability exposure (x) by area
그림 Fig. 2. Freeze-thaw effect analysis result graph
표 Table 7. Freeze-thaw impact analysis results
그림 Fig. 3. Status of freeze-thaw ratings by region
표 Table 8. Freeze-thaw criterion proposal

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 국내 기후 분석을 통해 동결-융해의 피해 가능성을 판단하여 그에 적절한 유지관리를 수행할 수 있도록 동결-융해 평가기준의 정립이 필요한 실정이다. 본 논문에서는 국내 ‧ 외에서 활용 중인 동해환경 및 동결-융해 평가기준을 기반으로 국내 기후조건을 고려한 평가를 실시하였다. 이를 위해 콘크리트 라이닝의 열류량 분석 결과를 활용하였으며, 국내 기후자료를 통해 정량적인 평가가 가능하도록 동결-융해 평가기준을 제안하였다.
본 연구에서는 도로터널의 동결-융해 평가기준을 개발하기 위하여 국내 ‧ 외 평가기준을 분석하고 콘크리트 라이닝이 추운 외기의 온도에 노출된 시간에 따른 온도변화를 예측하였으며 국내 기후특성을 고려한 지역별 동결융해 영향분석을 수행하였다. 향후 본 연구에서 제시한 동결-융해 평가기준은 국내 한랭지역의 정량적 평가와 각 등급에 적합한 유지관리 전략을 수립하는데 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

가설 설정

2℃, 최고 기온이 0℃인 일수를 동결-융해 반복지수(X)로 규정하고 있다. 터널 라이닝의 경우에는 수분과 지속적으로 접촉하고 있는 부재로 가정하였으며, 최근 10년(2008~2017년)간의 기후자료를 통하여 지역별 동결-융해 반복지수(X)를 분석하였다(Table 5).

제안 방법

1. 국내 ‧ 외 동결-융해 관련 기준은 동결-융해의 반복횟수를 기반으로 등급을 산정하고 있으나, 동결에 대한 정의에 다른 점이 존재하고 있어 국내 지역별 기후에 따른 분석을 실시하였다.
강원지역 중 대표적인 한랭지인 대관령의 기온을 분석한 결과와 강원도 도로터널의 보수 ‧ 보강에 투입된 유지 관리 비용을 비교 ‧ 검토하여 추운 기온이 터널 시설물의 열화에 미치는 영향을 살펴보았다. Fig.
강원지역의 기후적, 환경적 특성에 따라 동결피해를 받는 터널구조물은 일회성 피해가 아닌 구조물의 내구성능을 지속적으로 저감시킬 것으로 예상되므로 국내 기후조건을 고려하여 동결-융해의 정량적 평가와 동결피해 에 대비하여 적절한 설계 및 유지관리에 활용할 수 있도록 국내 도로터널의 동결-융해 평가기준을 Table 8과 같이 제안하였으며, 제안된 평가기준에 따른 지역별 등급 분포는 Fig. 3과 같다.
국내 기후자료를 기반으로 하여 지역별 동결-융해에 대한 영향을 분석하였다. 평가기준은 ｢시설물의 안전 및 유지관리 실시 세부지침｣에서 제시하고 있는 동해환경 평가기준과 FHWA에서 제시하고 있는 동결-융해 평가기 준을 적용하였다.
냉동챔버의 온도는 약-20~-25℃로 유지되도록 하였으며, 2차례의 실험을 실시하였다. 각각 5.
동결시험에 따라 콘크리트 라이닝의 온도를 약1℃의 변화하는데 드는 에너지와 시간과의 상관관계를 고려하여 약1~2℃로 유지되고 있는 터널 라이닝의 배면의 온도를 -2.2℃까지 떨어뜨리는데 걸리는 시간을 예측하였다. 이때 외기의 온도는 -14℃, -7℃, -5℃, -3℃로 가정하였을 경우 예측된 결과는 Table 4와 같다.
문준식은 연구 개념 및 설계하였으며, 안재욱은 데이터분석 및 원고 작성을 하였으며, 김홍균은 데이터수집 및 해석을 수행하였고, 이종건은 데이터 해석 및 원고 검토를 수행하였다.
및 3. -5℃에서 3일 이상 지속된 이후 0℃ 이상으로 상승한 경우의 총3가지 조건에 대하여 분석을 실시하였다.
본 동결시험의 경우, 일반 콘크리트 라이닝을 기준으로 터널 외기가 영하로 내려가는 경우에 영상의 온도로 유지되고 있던배면의 온도가 영하의 일정온도까지 내려가는데 걸리는 시간과 이때의 온도변화에 따른 열류량(W) 을 구하기 위한 시험으로서 콘크리트 내 ‧ 외부에 설치된 온도센서를 이용하여 각 부분에서의 시간에 따른 온도변 화를 측정하였다.
본 연구에서는 실내동결시험을 실시하여 열류량 공식에 의하여 콘크리트 상부표면의 온도를 1℃ 떨어뜨리는 데 필요한 일의 양인 열류량(W)을 산출하였으며, 이때 필요한 에너지(J)를 통해 외부 온도에 따른 콘크리트 라이 닝의 시간에 따른 온도변화를 예측하였다.
실제 터널 라이닝의 동결조건 검토를 위하여 실내 동결시험의 결과를 기반으로 열류량 분석을 실시하였다. 콘크리트 라이닝의 배면의 온도가 5℃일 때를 기준으로 1℃씩 온도가 내려갈 때의 콘크리트 라이닝 표면의 온도와 소요시간을 정리하였으며, 이때 콘크리트 배면의 온도를 1℃ 떨어뜨리는데 필요한 열류량 값(W)를 산정한 결과 평균적으로 약 6.
본 논문에서는 국내 ‧ 외에서 활용 중인 동해환경 및 동결-융해 평가기준을 기반으로 국내 기후조건을 고려한 평가를 실시하였다. 이를 위해 콘크리트 라이닝의 열류량 분석 결과를 활용하였으며, 국내 기후자료를 통해 정량적인 평가가 가능하도록 동결-융해 평가기준을 제안하였다.
-5℃에서 3일 이상 지속된 이후 0℃ 이상으로 상승한 경우의 총3가지 조건에 대하여 분석을 실시하였다. 최근 30년(1988~2017년)간의 기후자료를 통하여 지역별 동결-융해 반복조건(x)를 분석하였다 (Table 6).
콘크리트 라이닝의 한쪽 면은 냉동챔버를 통해 결빙이 되도록 하고 나머지 면은 상온을 유지할 수 있는 환경에 노출시켜 동결 시험을 실시하였다.
90 (J/s)가 사용되었으며, 이때 필요한 에너지는 평균 661,706 줄(J)이 필요한 것으로 분석되었다(Table 3). 터널 라이닝의 배면온도가 약1~2℃로 유지된다고 가정하였을 때, 동결 시험을 통하여 확인한 열류량 분석결과를 기반으로 터널의 외기 온도변화에 따라 라이닝이 동결되는 시간을 예측하였다. 터널 라이닝의 동결 및 융해로 인해 동해발생이 가능한 콘크리트 라이닝의 온도는 FHWA의 동결조건을 반영하여 약 –2.

대상 데이터

시험에 사용되는 콘크리트 라이닝은 일반적으로 터널 라이닝에 적용되는 두께(∆x) 인 300 mm이며, 콘크리트 라이닝 내부의 온도변화 분석을 위하여 라이닝 하부표면으로부터 각각 75 mm 간격(하부로부터 표면, 75 mm, 150 mm, 225 mm, 상부표면)으로 온도측정센서가 설치되었다(Jin and Hwang, 2017).

이론/모형

국내 기후자료를 기반으로 하여 지역별 동결-융해에 대한 영향을 분석하였다. 평가기준은 ｢시설물의 안전 및 유지관리 실시 세부지침｣에서 제시하고 있는 동해환경 평가기준과 FHWA에서 제시하고 있는 동결-융해 평가기 준을 적용하였다.

성능/효과

2. 국내 기준에서는 일 최저기온이 -2.2℃, 최고기온이 0℃인 일수로 평가하지만 국외 기준에서는 콘크리트 재료의 온도가 -2.2℃ 이하로 떨어지는 경우로 규정하고 있어 실내 동결시험을 통한 열류량 분석결과를 기반으로 외기의 온도가 -14℃에서 1일 지속될 경우, -7℃에서 2일 지속될 경우, -5℃에서 3일 지속될 경우를 콘크 리트 라이닝의 동결조건으로 판단하였다
3. 국내 기준에 따른 한랭지역은 경상북도 봉화(108.5회), 의성(104.9회) 및 충청북도 제천(95.8회)의 순으로 나타났으며, 국외 기준에 따른 한랭지역은 강원도 대관령(8.3회), 철원(5.3회) 및 태백(4.9회)의 순으로 나타났다.
각각 5.5℃ 및 6.6℃의 영상의 온도로 유지되고 있던 콘크리트 라이닝이 약 -20~-25℃에 노출된 이후 영하의 온도로 내려가는데 약 1,230분 및 1,450분으로 측정되어 약1일 정도가 소요되는 것을 확인하였으며, FHWA의 동결기준인 -2.2℃까지 내려가는데 약 1,830분 및 2,080분으로 측정되어 약 1.3일 정도가 소요되는 것을 확인하였다.
1(b) 는 강원지역 도로터널의 연도별 유지관리 비용 현황이다. 기온분석 결과와 유사하게 200년, 2004년 2007년에 많은 유지관리 비용이 투입된 것을 확인하였다.
대관령의 경우 지난 30년간 동결-융해 반복조건(x)에 따른 반복일수는 총248회로 나타났으며, 철원의 경우는 175회, 태백의 경우 145회, 홍천 144회 등 주로 강원지역에 많이 분포하고 있는 것을 확인하였다. 또한, 대관령, 태백 및 철원 등의 지역 외에는 주로 -5℃에서 3일 이상 지속된 경우가 다른 조건에 비하여 가장 많은 동결-융해 반복조건(x)을 만족하는 것을 확인하였다.
동결-융해 반복지수(X) 분석결과, 동결-융해의 반복이 가장 심한 동해환경에 해당하는 지역은 경상북도 봉화, 의성, 충청북도 제천 순으로 나타났다.
또한, FHWA의 동결-융해 반복조건에 따르면 우리나라의 약 84%는 동해의 영향이 없는 것으로 나타났으며, 대관령, 철원, 태백 등의 10개 지역이 Grade 1에 해당하는 것으로 나타났다. 이중 7개 지역은 강원지역을 포함하고 있어 동해의 영향을 많이 받는 지역이 적정하게 포함되어 있는 것으로 판단된다(Table 7).
대관령의 경우 지난 30년간 동결-융해 반복조건(x)에 따른 반복일수는 총248회로 나타났으며, 철원의 경우는 175회, 태백의 경우 145회, 홍천 144회 등 주로 강원지역에 많이 분포하고 있는 것을 확인하였다. 또한, 대관령, 태백 및 철원 등의 지역 외에는 주로 -5℃에서 3일 이상 지속된 경우가 다른 조건에 비하여 가장 많은 동결-융해 반복조건(x)을 만족하는 것을 확인하였다.
실험결과를 기반으로 외기의 온도에 따른 라이닝 온도변화를 예측한 결과, 터널 외기의 평균온도가 -14℃일 경우 영상 1~2℃의 온도로 유지되고 있는 콘크리트 라이닝을 -2.2℃까지 떨어뜨리는데 걸리는 시간은 약1.02일이 소요되는 것으로 확인되었다. 외기의 온도가 -7℃인 경우에는 약 2.
콘크리트 라이닝의 배면의 온도가 5℃일 때를 기준으로 1℃씩 온도가 내려갈 때의 콘크리트 라이닝 표면의 온도와 소요시간을 정리하였으며, 이때 콘크리트 배면의 온도를 1℃ 떨어뜨리는데 필요한 열류량 값(W)를 산정한 결과 평균적으로 약 6.90 (J/s)가 사용되었으며, 이때 필요한 에너지는 평균 661,706 줄(J)이 필요한 것으로 분석되었다(Table 3).

후속연구

국내 ‧ 외 평가기준의 적정성을 확인하기 위하여 국내 기후조건을 반영하여 평가기준에 따른 지역별 등급을 산 정할 필요가 있으며, 결과 분석을 통해 국내에 적합한 평가기준을 마련한다면 한랭지역의 구분 및 적합한 유지관 리 전략 수립 시 활용이 가능할 것이라고 판단된다.
동해환경 평가기준에 따르면 우리나라에 약70%는 최저등급인 c등급에 해당하며 a등급의 경우에는 2개의 지역만 해당하는 것으로 분석되었다. 그리고 c등급에 해당하는 지역 중에는 호남 및 영남 지역 등 강원지역에 비해 동해의 영향이 적은 지역이 다수 포함되어 있으므로 일부 보완이 필요할 것으로 판단된다.
국내의 터널의 동결-융해에 의한 피해는 강원지역을 중심으로 빈번히 발생하고 있으므로 콘크리트 라이닝 재료의 동결조건을 고려한 평가기준의 제시가 필요하다. 따라서 국내 기후조건을 고려하여 동결-융해 평가기준 을 제안하였으며, 연 평균 동결-융해 반복일이 3회 이상 지속되는 터널의 경우에는 적절한 대응책 마련이 필요할 것으로 판단된다.
연 평균 동결-융해 반복일수는 사용연수가 지남에 따라 축적됨으로 동결피해로 인한 내구성의 저하가 급속도로 진행될 수 있다. 따라서 연 평균 동결-융해 반복일이 3일 이상이 되는 경우 터널의 사용연수가 증가함에 따라서 동결피해가 발생할 위험이 있으므로 이에 적절한 대비책 마련이 필요할 것으로 판단된다.
본 연구에서는 도로터널의 동결-융해 평가기준을 개발하기 위하여 국내 ‧ 외 평가기준을 분석하고 콘크리트 라이닝이 추운 외기의 온도에 노출된 시간에 따른 온도변화를 예측하였으며 국내 기후특성을 고려한 지역별 동결융해 영향분석을 수행하였다. 향후 본 연구에서 제시한 동결-융해 평가기준은 국내 한랭지역의 정량적 평가와 각 등급에 적합한 유지관리 전략을 수립하는데 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구의 주요 결론을 요약하면 다음과 같다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	강원지역의 기후로 인해 해당 지역은 어떤 상황에 있는가?	강원지역은 지형적 특성상 동절기 기온은 평지보다 낮고 연중 강수가 있는 냉대습윤기후로 동결-융해 반복에 의해 터널 구조물의 열화가 진행되어 보수 ‧ 보강에 사용되는 비용이 필연적으로 증대될 수밖에 없는 상황이다. 이처럼 외부의 온도변화로 인하여 반복적인 동결-융해, 결로현상 등 외부 온도의 영향을 받지 않는 구간보다 콘크리트 라이닝의 품질이 좋지 못하게 된다(Park et al.
	강원지역은 어떤 기후를 가지고 있는가?	강원지역은 지형적 특성상 동절기 기온은 평지보다 낮고 연중 강수가 있는 냉대습윤기후로 동결-융해 반복에 의해 터널 구조물의 열화가 진행되어 보수 ‧ 보강에 사용되는 비용이 필연적으로 증대될 수밖에 없는 상황이다. 이처럼 외부의 온도변화로 인하여 반복적인 동결-융해, 결로현상 등 외부 온도의 영향을 받지 않는 구간보다 콘크리트 라이닝의 품질이 좋지 못하게 된다(Park et al.
	동결-융해 평가기준의 정립이 필요한 근거는 무엇인가?	이처럼 낮은 기온이 지속될 경우 동결-융해 등 환경적으로 불리한 조건에 의해 터널 라이닝의 품질이 상대적으로 떨어지게 되며, 누수 및 결빙이 반복적으로 발생하고 내 ‧ 외부 온도변화에 의한 결함이 가속되는 특징이 있다.

참고문헌 (8)

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Cheong, H.M. (2013), "Degree of damage risk by freeze and thaw of concrete structures in Korea", Proceedings of the 2013 Spring Conference on Korea Concrete Institute Conference, Yeosu, Vol. 25, No. 1, pp. 89-90.
FHWA (1996), Recommended HPC grade for given exposure condition, Federal Highway Administration.
Jin, H.W., Hwang, Y.C. (2017), "Experimental study on internal temperature change induced by heating element attached to tunnel ling surface", Journal of the Korean Geo-Environmental Society, Vol. 18, No. 11, pp. 35-40.
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Park, K.H., An, J.W., Park, S.H., Yoon, T.G. (2017), "A study on the development of maintenance system for tunnel with freezing-thawing damage", Geotechnical Hazard Mitigations: Experiment, Theory and Practice-Proceedings of the 5th International Conference on Geotechnical Engineering for Disaster Mitigation and Rehabilitation, Taipei, pp. 121-135.
SciTech (2013), Heat transfer in practice, pp. 2-500.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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