1. 서론
2. 재료 및 방법
2.1 토석류 방호시스템
2.2 재료 특성
2.3 안전성 판정 기준
2.4 토석류 방호시스템의 수치해석
3. 결과 및 고찰
3.1 수치해석 결과
3.2 완충 스프링의 하중 분담율
3.3 신규 토석류 방호시스템 개발
4. 결론
1. 서론
최근 기후변화로 인한 태풍의 강도 및 집중호우의 발생 빈도가 증가되어 농촌지역의 산사태 피해 발생 가능성이 높아지고 있다. 그러나, 지금까지는 산사태에 대한 공학적인 안정성 평가 체계가 미흡하여 산사태 피해 저감과 효율적인 산지의 관리를 위한 산사태 방재 시스템에 대한 선진화가 필요한 실정이다.
산사태 방재대책으로 사방댐은 콘크리트 타입으로 계곡에 설치되어 상류로부터 상당량의 유송잡물이 계곡의 소하천에 쌓여 제 역할을 못하게 되는 경우가 많은데 비해 네트형 토석류 방호시스템 공법은 지형 여건에 따라 설치가 가능하고 유지보수가 용이한 장점이 있으며 퇴적된 토석류 또한 어렵지 않게 제거할 수 있고 추가 설치의 용이성과 공사 기간이 짧은 장점이 있어 최근 많이 활용되고 있다(Cho et al., 2016; Kim et al., 2018; Lee, 2018).
토석류와 관련한 연구로서는 Yamamoto et al.(1998)이 사방댐 형식 변화에 의한 토석류의 충격력 실험을 수행하고 자갈 시료를 이용하여 투과형 및 불투과형 사방댐 모형 구조물이 받는 충격력을 측정하고 개별요소법을 이용한 수치해석을 통해 검증한 바 있다. Kim et al.(2010)은 토석류 충격력 특성평가를 위한 모형실험을 수행하고 토석류에 영향을 미치는 토질의 입자 크기 구성비에 따라 충격력의 양상이 다양하게 나타남을 보고하였으며, Ro et al.(2015)은 토석류 충격력에 의한 유도벽의 영향성을 검토하였다.
강연선을 재료로 하는 링네트의 탄소성 변형을 이용하여 토석류의 충격하중을 흡수하는 링네트 공법의 현장실험에서 링네트는 250kJ∼3000kJ 이상의 높은 에너지를 흡수할 수 있지만 토석류의 유동흐름으로 링네트에 작용하는 충격력은 하부구간이 상부구간에 비해 최대 38% 증가함에도 불구하고 링네트공법에서 충격저항력은 전 구간이 동일한 것으로 설계되고 있다(Wendeler et al., 2007).
Cho et al.(2016)은 네트형 토석류 방호시스템이 기존 불투과형 사방댐과는 다르게 네트를 통해 물과 세립토가 자유로이 이동 가능하여 기존의 사방댐 보다는 구조물에 작용하는 하중이 적은 것으로 알려져 있지만 현장조사 결과 토사와 유송잡물 등이 혼재되어 네트에 적재할 경우 구조물에는 투수성 불량으로 토압 이외에도 추가적 수압이 작용함을 지적하였다.
지금까지의 연구에서는 토석류 방호시스템의 충격력과 충격력에 의한 유도벽의 영향성, 사방댐 형식 변화에 따른 토석류의 충격력 분포 특성 등에 관한 연구가 수행되었으나 네트형 토석류 방호시스템의 완충스프링의 충격완화 효과와 관련한 연구는 미미하였다.
본 연구에서는 동적 충격하중이 토석류 방호시스템에 작용할 때 완충 스프링의 충격완화 효과를 분석하기 위해 완충 스프링의 자유장에 따른 수치해석을 수행하고 완충 스프링의 하중분담율에 대하여 고찰하였다. 또한 쐐기형 완충 스프링과 기존 완충 스프링에 대하여 토석류에 의한 동적 충격하중의 크기에 따른 인장강도 특성을 비교･분석 하였다. 본 연구는 농촌지역의 산사태 피해를 최소화 하는데 네트형 토석류 방호시스템의 기초자료로서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
2. 재료 및 방법
2.1 토석류 방호시스템
2.1.1 개요
Fig. 1과 같이 지주 강관, 와이어 로프와 완충 스프링으로 구성된 토석류 방지시설을 기반으로 경제성과 시공성, 안전성 등이 확보된 토석류 방호 시스템을 개발하기 위하여 기존의 토석류 방호 시스템 및 신규 시스템에 대한 수치 해석적 검토를 수행하고 비교･분석하였다.
2.1.2 작용하중 선정
토석류 방호시스템에 작용하는 하중은 현장의 지형, 설치 위치, 토석류 크기 등에 따라 다양하게 작용한다. Fig. 2와 같이 네트형 토석류 방호시스템에 토석류의 하중이 작용하는 경우 작용하중의 크기를 정확하게 산정할 수 없어 국･내외의 산사태시 발생하는 토석류로 인한 건물의 손상정도와 동적 충격압을 토석류 방호 시스템에 작용하는 하중으로 Table 1과 같이 고려하였다.
Table 1에서 토석류 방호시스템에 작용하는 하중은 일반 주택의 심각한 손상을 야기 시키는 하중 값인 0.015MPa∼0.030MPa과 철근 콘크리트 건물의 경미한 손상을 야기 시키는 하중 값인 0.035MPa을 작용하중으로 설정하여 검토하였다.
Table 1. Impact load and damage of buildings due to debris flow during landslide in Korea
2.2 재료 특성
2.2.1 재료 규정
토석류 방호시스템에 사용하는 재료는 지주 강관, Plate, 와이어로프, 완충 와이어로프, 완충 단부장치(Plate 및 아이볼트), 완충 스프링, 록 볼트 등이 있으며, 이들의 제조 및 품질 규정은 Table 2와 같이 한국산업규격(KS)에 따른다. 와이어로프, 로크, 이탈방지 와샤, 스프링 등으로 조립된 와이어로프를 완충 와이어로프로 칭하며, Fig. 3에서 보는 바와 같다.
Table 2. Regulation of Materials Used (Korean Industrial Standard (KS))
2.2.2 재료의 기준과 규격
토석류 방호시스템에 사용하는 지주 강관에 대한 기계적 특성은 Table 3과 같다.
와이어로프는 KS D 3514에 적합한 제품으로서 외접원 직경은 16mm이상으로 사용하며 168kN 이상의 하중을 견뎌야 한다. 와이어로프는 강연성의 수가 6개이며, 1개의 강연선의 소선수는 25가닥으로 보통 Z(Φ16이상×6× 24)꼬임으로 되어 있으며, 소선의 지름은 0.88mm, 아연 부착량은 85g/m2 이상이다.
로크 및 와샤는 완충 스프링과 와이어로프를 연결하는 것으로 내구성을 갖기 위해 도금을 하여야 하는데, 로크는 알루미늄 혹은 KS D 3503(일반구조용 압연 강재)로서 직경이 ∅30mm이상으로 프레스로 압축 처리한 후 용융아연 도금처리하고, 와샤는 A와 B로 구분하여 제작하며 재료는 KS D 3503(일반 구조용 압연 강재)로 A와 B 공히 직경이 10mm 이상을 사용하고, 용융아연도금 처리한다.
완충 스프링은 KS D 3579(스프링용 실리콘 크롬강 오일 뎀퍼선)에 적합한 제품으로서 선경은 12mm이상으로 하고 내구성을 위해 아연도금으로 방청처리 하며, 이에 따른 제조규격은 완충 스프링의 설치 위치에 따라 Table 4와 같다.
와이어 클립은 KS D 3503(일반구조용 압연 강재) 규정에 의해 3/4″, 5/8″ 크기로 제작하며, 인장하중 내력은 35.3kN이상이어야 한다.
플레이트와 지주 강관을 연결하는 앵커 볼트의 재료 특성은 Table 5와 같다.
Table 3. Mechanical properties of steel pipe column
Table 4. Specifications of buffer-spring
| Classification | Spring thread thickness | Internal diameter | Free field | Spring parameter |
| Center spring | ∅13.5 | ∅50± 2.0mm | 300± 2.0mm | 11.5N/mm |
| End spring | ∅13.5 | ∅35± 2.0mm | 150± 2.0mm | 56.8N/mm |
Table 5. Material characteristics of anchor bolt
2.3 안전성 판정 기준
2.3.1 적용 방법
토석류 방호시스템에 대한 수치해석 결과 안전성 검토는 Table 6과 같은 허용 응력법을 사용하였다.
2.3.2 재료의 허용응력
토석류 방호시스템에 사용하는 주요 재료에 대한 허용응력은 Table 7과 같다.
2.3.3 재료 시험
토석류 방호시스템에 사용하는 주요 재료 중 완충 스프링(선경 13.5mm, 자유장 300mm)과 와이어로프(φ16)에 대하여 재료의 항복하중 및 파단하중을 확인하기 위하여 인장시험(완충 스프링은 압축)을 하였다. 시험 결과는 Table 8과 같다.
Table 8에서 와이어로프는 사용 재료의 파단하중은 177.7kN로 기준인 168kN 이상을 나타내고 있어 이는 안전성 기준에 충족되고 있다.
완충 스프링 세트는 인장(완충 스프링은 압축)시험 시 와이어로프의 고정 슬리브가 41.6kN에서 파괴된 것을 볼 때 이는 토석류에 의해 와이어로프에 작용하는 동적 충격하중이 고정 슬리브의 파괴하중보다 작으면 안전함을 확보할 수 있다. 고정 슬리브의 안전성은 토석류 방호시스템에 작용하는 하중 크기와 완충 스프링의 자유장에 의한 수치해석 결과에 의해 판단하였다.
고정 슬리브의 허용하중은 파괴하중에 대하여 기계 구조물 등에 사용하는 안전계수 3.0을 적용하여 산정한 값인 13.8kN을 허용하중으로 설정하였다.
Table 6. Methods of safety review
| Application | Classification | Remarks |
| Permissible stress method | Steel structure | Steel and wire members |
Table 7. Allowable stress for main materials
Table 8. Test results of main materials
2.4 토석류 방호시스템의 수치해석
토석류 방호시스템에 작용하는 하중으로는 주로 토석류에 의한 하중으로써 이는 하중 작용 시 동적 충격하중으로 작용하고 있다. 이에 따른 동적 충격하중은 토석류에 의해 콘크리트 구조물 등에 미치는 손상정도를 고려하여 0.015MPa와 0.030MPa, 0.035 MPa가 작용하는 것을 고려하였다.
동적 충격하중이 토석류 방호시스템에 작용할 때 동적 충격하중의 완화를 위해 가로 방향의 와이어로프 중간에 완충 스프링을 설치한 것으로 하였으며, 이때 완충 스프링의 충격 완화 효과를 분석하기 위해 완충 스프링의 자유장이 300mm와 250mm에 대한 토석류 방호시스템의 각 부재에 발생하는 부재력을 산정하고 이에 대한 안전성을 제고하기 위하여 범용적으로 사용하고 있는 SAP 2000 프로그램으로 수치해석을 수행하였다.
2.4.1 모델링
수치해석을 위한 토석류 방호시스템의 3D 모델링은 Fig. 4에서 보는 바와 같이 지주는 강관, 동적 충격완화와 토석류 방지는 와이어로프와 완충 스프링, 그리고 지주 상단을 지지하는 와이어로프로 구성하였다.
지점인 지주 강관의 하단은 고정으로, 강관의 상단과 지주 상단지지 로프가 연결되는 부분은 힌지로, 마지막으로 지지 로프의 정착은 고정으로 하였다. 구성한 모델링의 폭과 높이는 각각 2.0m로 하고, 와이어로프 간격은 높이방향(세로 방향)으로는 0.2m, 폭방향(가로 방향)으로는 2@0.3+0.8+2@0.3m로 각각 배치하였다. 완충 스프링은 구성 모델의 가로 방향의 와이어로프 중간에 설치하였다. 토석류 방호시스템의 수치해석 시 완충 스프링 세트는 토석류에 의한 동적 충격하중을 감소시킨 후 와이어로프에 의해 토석류 하중을 받는 것으로 가정하였으며, 이때 완충 스프링과 와이어로프를 고정시키는 슬리브는 파괴되지 않는 것으로 가정하였다.
2.4.2 재료의 물성치
토석류 방호시스템을 구성하는 재료에 대한 물성치는 Table 9에 나타낸 바와 같고, 작용하중에 따른 지주 강관 재료의 특성은 Table 10에서 보는 바와 같다.
Table 9. Material properties
Table 10. Characteristics of materials in holding steel pipe
2.4.3 작용 하중
토석류에 의한 동적 충격하중은 등분포하중으로 작용하지만 이를 와이어로프에는 적용하기가 어려워 집중하중으로 환산하여 재하 하였다. 동적 충격하중에 의한 완충 스프링에 대한 효과는 스프링이 받을 수 있는 y축 방향(세로 방향)의 흡수하중(스프링이 받을 수 있는 하중)을 동적 충격하중(토석류 하중)이 작용하는 x방향의 반력하중으로 산정하여 재하 하였다. 즉 동적 충격하중인 등분포 하중을 집중하중으로 환산한 하중에 완충 스프링의 흡수하중인 반력하중을 차감하여 적용하였다. 작용하중이 0.015MPa일 때 완충 스프링의 자유장이 250mm인 재하 하중도는 Fig. 5와 같다.
3. 결과 및 고찰
3.1 수치해석 결과
작용하중이 0.015MPa이면서 스프링의 자유장이 250mm일 때에 대한 수치해석 결과, 부재력도는 Fig. 6과 같고, 이에 대한 부재의 최대 부재력 값은 Table 11과 같다.
또한, 작용하중이 0.015MPa이면서 스프링의 자유장이 300mm, 작용하중이 0.030MPa이면서 스프링의 자유장이 250mm, 작용하중이 0.030MPa이면서 스프링의 자유장이 300mm, 작용하중이 0.035MPa이면서 스프링의 자유장이 250mm, 작용하중이 0.035MPa이면서 스프링의 자유장이 300mm에 대한 각각의 부재력 값은 Fig. 7에 나타내었다.
Table 11. Values of member forces (Applied load 0.015MPa, spring thread thickness 13.5mm, free field 250mm)
3.1.1 안전성 검토
토석류 방호시스템의 각 부재에 대한 안전성 검토는 허용응력으로 검토하며, 검토 결과 작용하중이 0.015MPa일 때 지주 강관은 ∅139.8, t=4.5mm, 작용하중이 0.030MPa와 0.035MPa일 때 지주 강관은 ∅216.3, t=7.0mm로 안전한 것으로 나타났으며, 와이어로프는 검토한 모든 작용하중에 대하여 ∅16, A=103.7mm2으로 안전한 것으로 나타났다.
3.2 완충 스프링의 하중 분담율
토석류 방호시스템을 검토한 결과 작용하중을 1차적으로 완충 스프링이 감소시킨 후 나머지 하중을 와이어로프를 통하여 지주 강관과 지지 와이어로프에 전달하고 있는 것으로 나타났다. 여기서 지지 와이어로프는 강관에 비하여 강성이 아주 작아 적은 부재력만 분담하고 주 부재력은 지주 강관이 분담하는 것으로 해석되었다. 그리고 완충 스프링은 작용하는 하중 크기와 스프링의 강성에 따라 토석류에 의한 동적 충격 하중을 일정 비율로 완화시키고 있음을 알 수 있다.
완충 스프링에 의한 토석류의 동적 충격하중 감소비율은 동적 충격하중 크기에 따라 구한 값은 Table 12와 같다.
Table 12. Reduction rate of dynamic impact load due to buffer-spring
3.3 신규 토석류 방호시스템 개발
기존의 완충 스프링 세트에 대한 인장시험에서 파괴 시 와셔부분의 볼트가 먼저 이격 발생 후 루크 부분이 밀려나는 문제를 개선하기 위해서는 와셔의 볼트를 대체 할 수 있는 방안이 요구된다. 본 연구에서는 쐐기를 활용하여 인장강도를 증진할 수 있는 방안을 고찰하였다.
와이어 루크와 와셔 사이에 쐐기를 결합하여 와셔와 루크에 걸리는 하중을 분산시켜 인장강도를 증진 시키는 방법으로 쐐기형 완충 스프링 세트를 개발하였다. 실제 쐐기를 제작하기 전에 설계도면을 바탕으로 3D프린터를 이용하여 쐐기모형을 제작하여 결합 결과, 삽입은 가능하나 예상했던 호환성 정도가 떨어져 지지대 역할을 제대로 하지 못하는 것으로 판단되어 상부를 더 두껍게 하는 등의 설계 변경을 하여 추후 금속으로 가공하였다(Fig. 8∼Fig. 9).
쐐기형 완충 스프링 세트 인장시험 결과, 기존의 완충 스프링 세트의 인장시험 보다 높은 값을 나타내는 것으로 보아 쐐기의 역할이 와셔부분의 하중분산 역할을 담당하는 것으로 판단되며, 쐐기의 결합방식이나 재료에 있어서 보완이 된다면 더 큰 하중을 견뎌낼 것으로 판단된다(Fig. 10).
쐐기형 완충 스프링 세트의 성능을 검증하기 위한 쐐기 결합 인장강도 시험을 실시하였다(Fig. 11). 시험에 사용된 기기는 계명대학교 첨단건설재료시험센터의 500kN 피로시험기(MTS)를 활용하였으며 양쪽 와이어에 안정화된 지그를 부착하여 인장력을 가하여 진행하였다.
토석류 방호시스템에 사용하는 주요 재료 중 와이어로프(φ16)와 완충 스프링(선경 13.5mm, 자유장 300mm)에 대하여 재료의 항복하중과 파단하중을 확인하기 위하여 기존 토석류 방호시스템의 완충 스프링 세트와 개발한 완충 스프링 세트에 대하여 시험을 수행하였다. 시험 결과는 Table 13과 같다.
Table 13에서 와이어로프는 기존 사용 재료와 같으며, 이는 사용 재료의 파단하중 기준인 168kN 이상인 177.7kN을 나타내고 있어 안전성 기준에 충족되고 있어 추가적인 시험은 수행하지 않았다.
쐐기형 완충 스프링 세트는 인장(완충 스프링은 압축)시험을 수행한 결과 기존의 완충 스프링 세트보다 성능이 개선되어 파단하중이 87.64kN으로 나타났다. 이는 기존의 완충 스프링 세트가 41.6kN에서 파괴된 것을 볼 때 약 2.1배의 성능 개선효과를 확인 할 수 있었다. 여기서 개발한 완충 스프링 세트의 허용하중은 파괴하중에 대하여 기계 구조물 등에 사용하는 안전계수 3.0을 적용하여 산정한 값인 29.2kN을 허용하중으로 설정하였다.
Table 13. Test results of main materials
신규 토석류 방호시스템에 작용하중은 기존의 토석류 방호시스템과 같이 주로 토석류에 의한 하중으로써 이는 하중 작용 시 동적 충격하중으로 고려될 수 있다. 이에 따른 동적 충격하중은 토석류에 의해 콘크리트 구조물에 미치는 손상정도에 따라 기존의 토석류 방호시스템에 작용하는 하중보다 다소 큰 0.040MPa와 0.045MPa, 0.050 MPa가 작용하는 것을 고려하였다(Fig. 12).
본 연구에서 개발하여 제시한 토석류 방호시스템에 대하여 수치해석 한 결과 작용하중이 0.040MPa일 때 지주 강관은 ∅267.4, t=6.0mm, 작용하중이 0.045MPa와 0.050 MPa일 때 지주 강관은 ∅267.4, t=7.0mm, ∅267.4, t=9.0 mm로 안전하며, 와이어로프는 검토한 모든 작용하중에 대하여 ∅16(6×25), A=103.7mm2로 안전한 것으로 나타났다.
토석류 방호시스템의 완충 스프링 세트에 작용하는 최대 인장력은 작용하중이 0.050MPa, 완충 스프링의 자유장 300mm일 때 최대 인장력은 약 24.8kN으로 나타났다. 이는 기존의 완충 스프링 세트의 허용하중 13.4kN보다 커서 기존의 완충 스프링 세트로는 불안전하지만 개발한 완충 스프링 세트의 허용하중 29.2kN보다 작아 개발한 완충 스프링 세트로는 안전한 것으로 나타났다. 기존 시스템과 신규 개발 시스템에 대하여 시험한 결과와 수치해석 시 적용한 부재 및 수치해석 결과를 비교해 보면 Table 14와 같다.
Table 14에서 토석류에 의한 동적 충격하중이 0.035MPa이하가 작용하는 토석류 방호시스템에서는 기존의 토석류 방호시스템으로 안전하지만 동적 충격하중이 0.035MPa이상 작용하는 토석류 방호시스템에서는 기존의 토석류 방호시스템의 완충 스프링 세트가 불안전한 것으로 나타났다. 쐐기 완충 스프링 세트로 이루어진 토석류 방호시스템은 동적 충격하중이 0.035 MPa∼0.050MPa 작용 시에도 안전한 토석류 방호시스템을 구축할 수 있는 것으로 나타났다.
Table 14. Comparison table of conventional and developed debris flow system
4. 결론
본 연구에서는 동적 충격하중이 토석류 방호시스템에 작용할 때 완충 스프링의 충격완화 효과를 분석하기 위해 완충 스프링의 자유장에 따른 수치해석을 수행하고 완충 스프링의 하중분담율에 대하여 고찰하였다. 또한 쐐기형 완충 스프링과 기존 완충 스프링에 대하여 토석류에 의한 동적 충격하중의 크기에 따른 인장강도에 대한 비교･분석을 수행하였다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
(1) 기존의 완충 스프링 세트가 토석류 하중 작용에 따른 항복파괴 시 와셔부분의 볼트가 먼저 이격이 발생한 후 루크 부분이 밀려나는 문제를 해결하기 위해 와이어 루크와 와셔 사이에 쐐기를 결합하여 와셔와 루크에 걸리는 하중을 분산시켜 인장강도를 증진 시키는 방법을 적용한 쐐기형 완충 스프링 세트를 개발하였다.
(2) 토석류에 의한 동적 충격하중의 크기가 0.035MPa이하에서는 기존의 완충 스프링 세트로 구성한 토석류 방호시스템으로도 안전하지만 토석류에 의한 동적 충격하중이 0.035MPa이상에서는 불안전한 것으로 나타나 유익성이 떨어지는 것으로 사료된다.
(3) 동적 충격하중이 0.035MPa∼0.050MPa에서 기존의 완충 스프링 세트보다 안전성이 2배 우수한 쐐기형 완충 스프링 세트로 토석류 방호시스템을 구성하여 사용한다면 산사태 시 토석류에 의한 인명 손상이나 건축물 및 도로 시설물 등의 파손과 손실을 방지하는데 효과적일 것으로 사료된다.
