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- 기후변화 대응 항만설계 기준 개선방안 연구
- 이종인 교수(전남대학교 해양토목공학과)
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chonnam.ac.kr - : 해안항만실험센터
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안녕하세요. 메이트릭(Materic) 회원 여러분!
오늘 인터뷰에서는 해양 토목 분야에 대해 이야기를 나누어 보도록 하겠습니다. 토목공학 분야는 최근 보다 경제적이고 안전하면서 편리한 시설물을 건설하기 위해서 많은 발전을 하고 있는데요. 특히 그 중에서도 해양 토목분야가 가파른 성장세를 보이고 있습니다. 최근 기후변화로 인해 심해설계파 증대나 해수면 상승 등 설계 외력이 증가함에 따라서 이에 대응하는 항만 구조물을 설계하는 연구가 활발히 진행되고 있는데요. 오늘 인터뷰에서 만나보실 분은 이런 연구를 하고 계신 분입니다. 바로 전남대학교 해양토목공학과 이종인 교수님이신데요. 오늘은 특별히 이런 대형 연구실에서 인터뷰를 진행해 보도록 하겠습니다.
1. 지금 교수님께서 하고 계신 연구에 대해서 간략한 설명 부탁드리겠습니다.
수행하고 있는 연구는 주요 내용이 항만구조물 설계를 하는데 있어 여러 가지 요소 기술이 존재를 하는데요. 그 요소 기술을 전체를 할 수는 없고요. 중요한 사실(fact)을 선정해서 수리실험이라는 기법을 이용해서 연구를 수행하고 있습니다.
2. 최근 지구온난화로 인해서 해수면이 상승을 하면서 연안 지역의 피해가 더욱 심해지고 있잖습니까? 이런 해안항만 시설물의 설계에서 가장 기초가 되는 기준에 대해서 설명 부탁드리겠습니다.
해안항만 구조물을 설계하는데 있어서 기본이 되는 기준선은 있습니다. 항만이라는 것이 최근에 만들어진 것이 아니라 아주 오래전부터 만들어졌기 때문에 많은 경험식, 실험식, 이론식을 이용한 항만 설계기준은 국내에도 있습니다. 그러나 설계 기준이 우리나라 자체의 기준이라기보다는 일본이나 외국의 기준을 많이 도입을 해서 만들어진 것이므로, 현재 있는 기준을 조금씩 개선하자는 내용의 연구가 되겠습니다.
3. 우리나라의 항만 해양시설물 설계를 위한 심해설계파가 한국 해양과학기술원에서 산정한 전 해역 심해설계파를 기초로 하고 있지 않습니까? 그런데 최근 우리나라에서도 지구온난화에 따른 대형태풍도 일어나고 있고 많은 변수들이 생기고 있어, 이러한 항만 설계기준의 개선이 필요하다는 목소리가 높아지고 있습니다. 그래서 그러한 연구들을 많이 진행되고 있다고 합니다. 이러한 심해 설계 해석을 재산정 하기 위해서는 어떠한 요소들이 필요할까요?
심해 설계파를 연구하는 국가에서 주도적으로 수행하고 있습니다. 연구기관은 정부 출연기관에서 주로 산정을 하고 있습니다. 근데 지금 말씀하신 것처럼 기후변화라는 것은 장기적인 관점이기 때문에 오랫동안 관측 자료가 필요할 것입니다. 제가 알기로는 심해 설계파를 추산하는 방법은 기상도, 태풍에 바람의 강도나 과거의 기록을 가지고 추산하게 되는데요.
현재 국내에서는 항만 구조물 설계의 50년 빈도 설계파를 적용합니다. 이러한 파량이 왜 중요한 이유는 경사식 구조물이라고 하는 피복 블록의 중량을 산정하는데 파고의 상승에 비례합니다. 예를 들어 설계 파고가 7m와 설계 파고가 8m라 하면 1m 밖에 차이가 나지 않지만 상승에 비례하니까 실제 중량은 약 1.5배 정도가 차이가 나는 겁니다. 항만구조물이 짧은 구조물이 아니라 수km로 만드는 구조물이기 때문에 이런 중량이 1.5배가 되는 것은 건설비가 굉장히 많이 소요됩니다. 그래서 심해설계파를 조금 더 정확하게 추정하는 것이 경제성이나 구조물 안정성 측면에서 상당히 중요한 항목이라 할 수가 있습니다.
4. 최근 교수님께서 개인 단위로 60억 원이 넘는 연구비를 수주하셨다고 들었습니다. 정말 대단한 연구결과가 기대가 되는데요. 이 연구 사업에 대해 설명 부탁드리겠습니다.
항만 설계 기준에 있어 실제 실무자들이 설계를 하다 보니 개선을 해야 되겠다 또는 설계 지침이 없어서 새로 만들어야겠다는 것들을 정해 우선적으로 6개항목에 대해 실험을 수행하고 있습니다.
대표적인 것으로는 인공 림프에 대한 지침은 국내에는 없는 실정이고 해외의 것을 사용하고 있는데 좀 개선을 하자는 것입니다. 그리고, 현재 구조물의 구조형식이 인공 케이슨[caisson] 형태를 많이 쓰이는데 인공케이슨에 미치는 파력에 대한 추산식이 명확하게 되어있지 않습니다.설계 정립이 되어있지 않아서 거기에 대한 것을 연구하는 것입니다.
그리고, 구조물 대부분의 방파제는 직선 형태만 존재하는 것이 아니라 공명부가 존재합니다. 공명부는 기존에 있는 산정식으로는 안정성을 확보하기 어렵습니다. 지침에 없는 부분을 실험을 통해서 저희에게 지침을 만들어 주는 것이고요. 최근에 대형 태풍으로 인해서 항만구조에 피해가 종종 발생하는데 많은 부분이 공명부에서 피해가 발생을 했습니다. 그 문제는 설계 지침 자체가 미흡하기 때문이라고 판단하고 있습니다.
월파량과 전달율이라는 것이 있는데요. 항만구조는 월파를 허용하는 구조물입니다. 왜냐하면 월파를 허용하지 않으면 많은 공사비가 들기 때문에 어느 정도의 월파는 허용하는데 그렇게 하면 그 양이 얼마 정도 되는지 예를 들어 기하학적인 제원과 파랑에 대해서 상호간섭에 의해서 월파량을 정량적으로 평가를 해서 실험을 하지 않아도 설계할 때 도움이 될 수 있도록 지침을 만들어 주는 것이 우리 과제의 가장 큰 내용입니다.
5. 금방 말씀하신 월파량과 전달율 산정 기술에 대해서도 좀 궁금한데요. 이 기술에 대해서 설명 부탁드리겠습니다.
월파량[quantity of overtopping, Rate of overtopping, 越波量]은 파도가 구조물을 넘어서 후면으로 전달되는 양을 월파량이라고 합니다. 월파량은 각 구조형식에 따라서 제한치가 있습니다. 왜냐하면 월파로 인해서 항내측이 있는 구조물이 파괴가 될 수도 있고요. 항내측을 부두로 쓴다고 하면 부두의 많은 화물들이 적재되어 있는데 침수가 발생할 수도 있습니다. 그래서 허용치 내에 들어와야 하기 때문에 구조형식별로 파의 제원에 따라서 어느 정도가 발생하는지 실험적으로 검토를 하고 있습니다.
전달율[transmissibility, 傳達率]은 항의 가장 기본적인 목적이 바깥쪽은 파도가 세더라도 항내측은 파를 조금만 작게 만들어서 선박이 물건을 내리거나 실고 갈 때 훨씬 쉽게 하기 위함인데 월파로 인해서 이러한 전달파가 커지게 되면 항의 고유기능이 떨어질 수가 있겠죠. 그에 대한 값을 정량적으로 평가해서 제공을 하는 것입니다. 근데 이론적으로는 사실 쉽지가 않습니다. 그래서 대부분의 외국뿐만 아니라 우리나라도 대부분 수리실험을 통해서 산정식을 제시를 하고 있는 실정입니다. 그리고, 또 하나 부족한 게 대부분의 실험 산정식들은 구조물에 파가 직각으로 들어가는데 대한 산정식인데, 항만을 만들다보면 구조형상에 따라 파가 오목하거나 볼록한 형태가 존재할 수 밖에 없어요. 오목부에서는 월파가 직각으로 들어갈 때보다는 많이 증폭이 될 수 있는데 이러한 증폭량이 어느 정도인지를 산정을 해서 설계에 참고할 수 있도록 하는 내용이 되겠습니다.
5-1. 파고에 따라 시설물이 안전성을 검토하는 실험
이 장치가 파도를 인위적으로 만드는 실험 시설이고요. 우리가 원하는 파도를 만들어서 파고에 구조물이 안전한지 그리고, 원하는 속력이 나오는지를 검토하는 것입니다. 실험에서 문제가 없어야지만 실제 바다에 그대로 설치를 하게 되는 실험시설이 되겠습니다.
5-2. 파고 증가로 인한 후방 방파제 설계 실험
실험을 하는 목적은 기존에 있는 방파제의 설계 파고가 증가가 되어 보강 설계를 하기 위함입니다. 기존 구조물의 안정성이 확보가 되지 않으니까 좀 더 보강을 해서 피해가 발생하지 않도록 하는 것이 정부 과제가 되겠습니다. 여기 실험실에 있는 것이 우리나라에 가장 많이 있는 경사식 구조물이라는 방파제 형태인데요. 여기에서 주로 실험 하는 항목이 여기 앞에 있는 블록을 보강하기 위한 항목들에 대해서 연구하고 있습니다. 지금 보시면 파도가 구조물을 넘어가게 됩니다. 넘어가는 양을 월파량이라고 표현을 해요. 이 월파량으로 인해 생기는 파가 윗면에서 발생하게 됩니다. 이러한 파를 전달파라고 해서 전달율이라고 표현을 합니다.
가장 중요한 것이 구조물의 안정성, 두 번째는 수비적인 학습인데 월파량이 대우면의 중요도에 따라서 허용하는 범위가 있습니다. 그 범위에 만족하는지를 실험으로 입증하는 사례가 되겠습니다.
5-3. 인공림프 설계 기술 실험 연구
이 실험은 인공 림프를 만들기 위해서 과제해석 수행을 하고 있는 부분입니다. 인공 림프라고 하면 약간 어색할 수도 있는데요. 우리가 휴양지에 가면 바깥쪽 파도는 세더라도 우리가 접하고 있는 해안 가까이는 파도가 굉장히 작습니다. 그 이유가 전면에 산호초가 있어서 큰 파도가 깨져 작은 파가 전달되는 것입니다. 그 원리를 인공적으로 적용을 한 시설입니다. 이러한 시설을 전면에 설치를 해서 큰 파도를 지금 보시는 것처럼 파도를 좀 줄여서 뒤쪽에 영향이 적게 가도록 하는 것입니다.
인공 림프는 해외에서도 많이 사용을 하고 국내에서도 많이 설계를 하고 있습니다. 연안 침식, 동해안에 침식이 문제가 많이 되었는데 침식을 저감하는 방법, 그리고 기존 구조물의 보강이 어려우면 전면에서 파를 감쇄시켜서 그 구조물에 미치는 영향을 적게 만들어 구조물이 안전할 수 있도록 설계하는 시설이 되겠습니다.
인공 림프에 대한 설계 기준은 해외에만 있기때문에 국내의 환경과 맞게 설계하고 있습니다. 서로 사용하는 방법이 다르기 때문에 국내 지침을 만들어주는 것이 저희 과제의 가장 큰 목적 중 하나가 되겠습니다. 보시는 것이 복합형인데요. 앞에는 이러한 데드락(DeadLock) 블록만 이용하게 된다면 물이 통과하게 됩니다. 장점이 있는 반면에 성능이 조금 떨어집니다. 뒤에 있는 부분은 불투과성 형태가 되겠습니다. 이러한 불투과성 형태는 성능은 좋은데 또 단점이 존재합니다. 그래서 여러 가지 형태를 가지고 실험을 하고 있고요. 지금 보시는 것은 복합형입니다. 서로의 장점을 취해서 좀 더 효율적인 구조 형상을 찾아보기 위해 실험을 수행 중에 있습니다.
5-4. 직립유공케이슨 미치는 산정식 실험연구
직립 구조물의 형태는 보통 벽으로 막혀있는 형태가 있고요. 대표적인 형식 중 하나가 직립식이 인데 대표적인게 직립유공케이슨입니다. 현재 하고 있는 과제는 크게 두 가지인데요. 직립유공케이슨에 미치는 영향을 파악하는 과제, 지금 현재 보시는 이 실험은 케이슨 전면에 이런 블록들이 있습니다. 이 블록의 주목적은 전면에 있는 기초적인 사석이 이탈되지 않도록 보호하는 것인데요. 전면에 있는 피복제의 중량을 산정한 산정식이 실제 산정된 결과와 실제 실험결과가 차이가 좀 나긴 납니다. 이러한 산정식을 개선하기 위해서 실험을 수행중에 있습니다.
두번째 과제는 유공케이슨 같은 경우가 직립무공케이슨에 비해 파합이 감소한다고 하는데요. 어느 정도 감소하는지가 명확하게 알려져 있지 않습니다. 그래서 파합을 산정하는 과제를 수행을 하고 있습니다. 파합을 산정을 해야지만 구조물의 안전한 설계가 가능하기 때문입니다.
5-5. 3차원 케이슨 전면 안정성 평가 실험.
해안측 실험에는 2차원 실험과 3차원 실험으로 나눌 수 있는데 지금 보시는 실험은 3차원 실험이 되겠습니다. 조금 전에 보셨던 것처럼 케이슨 저면의 안정성을 평가하는데 파가 구조물에 경사지게 들어갈 때 어떠한 영향을 미치는지를 실험을 하고 있고요. 현재 실험장면은 파량에 따라 발달하는 부속성분을 계측하고 있습니다. 저면에 있는 블록들의 안정은 유속에 따르기 때문에 입사각에 따라 어느 정도 빨라지고 파고가 어느 정도 증폭되는지를 검토하고 있는 실험이 되겠습니다.
6. 기존 연구에 의하면 유공방파제가 받는 파력이 무공방파제의 절반 이하인 것으로 알려져 있는데요. 그럼 직립 케이슨 방파제보다 유공케이슨 방파제를 사용하면 어떠한 점이 더 보완이 되는 건가요?
직립 케이슨에 비해서 유공 케이슨의 파력이 절반 이하라 명확하게 말하기는 조금 어렵고요. 구조의 형상에 따라 다를 수 있고요. 장점이라고 보면 말씀하신 것처럼 파력은 저감이 됩니다. 무공 케이슨은 외에서 오는 파가 동시에 구조물에 작용을 하지만 유공 케이슨은 일부 전면에 유공부가 존재합니다. 그래서 전면에 부딪히는 파합과 잠시 후에 아주 짧은 시간이겠지만 후면에 부딪히는 파합에 위상차가 존재합니다. 순간적인 파합이 감소한다는 거죠. 그렇게 해서 구조물이 좀 더 슬림화 될 수 있는 장점이 있고요. 유공 케이슨의 또 하나 장점은 무공 케이슨은 파가 갔을 때 반사가 굉장히 심합니다. 항내에 설치하게 되면 예를 들어 완전 반사라고 표현을 하는데요. 파도가 1m 들어가게 되면 완전 반사가 되면 파고가 2배로 증폭하게 됩니다. 아무래도 선박을 운영하는데 문제가 될 수 있겠죠. 유공 케이슨을 설치하게 되면 반사율을 40%가 감소가 된다는 것입니다. 좀 더 효율적인데 비해, 경제성 측면에서 불리하다고 할 수 있습니다.
7. 이 수중 구조물 설계에 있어 여러 가지 신기술이 개발되고 있는데, 현재 수중 구조물 설계 기술의 수준이 어느 정도까지 올라와 있고 해결해야 할 과제들이 어떤 것들이 있는지 궁금합니다.
수중 구조물이라고 하면 사실은 신기술이라고 하기 보다는 기존의 자연에 존재하는 형태입니다. 인공 림프라고 하는데요. 우리나라도 해외에서 처럼 인공 림프를 설치해서 연안 침식을 저감시키는 노력을 하고 있고요. 우리 과제에서 이 내용을 하는 이유는 국내는 이런 설계 지침이 정립이 되어있지 않습니다. 외국의 자료를 참고하여 국내 환경에 맞는 설계 지침을 수립하는데 서로 해양 특성이 다르고, 사용하는 구조 형식이 다르기 때문에 해외자료를 참고는 그걸 그대로 인용하기에 미흡한 부분이 있기에 우리가 연구를 통해 정리를 하고 있습니다.
8. 이번 연구가 항만 기준을 담당하는 실무 종사자들에게 현장에서의 어려움을 해소하고 향후에도 체계적인 설계기준을 마련하는데 많은 도움이 될 것 같습니다. 향후 체계적인 설계 기준 마련에 있어서 어떠한 점이 정부차원에서 보완되어야 할까요?
항만 설계 기준을 개선하자는 타이틀로 하는 과제는 국내에서 처음이지 않나 싶습니다. 많은 종사자들이 실무에 있어 애로점을 느끼는 것을 우선과제로 수행하고 있습니다. 실제 실무자들에게 물어보고 가장 필요한 것 상위 몇 개를 골라 우선과제로 수행하고 있습니다. 설계 기준이라 하면 외국에 있는 기준을 많이 도입했었는데 경제성이나 여러 가지 측면에서 완전하게 새로운 것을 만드는 것은 어렵다고 생각합니다.
하지만 국내에 맞는 일부라도 조금씩 개선하는 그런 연구가 지속적으로 수행되었으면 좋겠습니다. 현재 항만 쪽에 엔지니어링 업체가 해외 진출을 위해 굉장히 많이 노력하고 있습니다. 또 다른 문제는 우리나라에 있는 설계 기준이 해외에도 적용될 수는 없다는 것입니다. 왜냐하면 각 나라마다 설계코드가 있기 때문입니다. 정부차원에서 엔지니어링 업체를 도와줄 수 있는 것은 설계 기준의 국제화, 그리고 해외 기준을 좀 더 쉽게 접근할 수 있게 지원이 필요하다고 생각합니다.
9. 이 영상을 보고 있는 이 비슷한 분야에 종사하고 있는 분들에게 한 말씀 부탁드리겠습니다.
지금 국내에서 해안 항만 분야를 하고 있는 대학원생 수가 많지는 않을 겁니다. 하지만 우리 해양 항만 분야가 설계나 시공 분야는 상당한 수준에 있다고 생각을 합니다. 하지만 아쉬운 점이 있다면 이러한 기술을 선도하지는 못하고 있다고 생각이 듭니다. 현재 대학원생들이 꾸준히 연구해서 우리 설계에 대한 부분이 세계 수준에 도달할 수 있도록 노력해 주셨으면 감사하겠습니다.
* 인터뷰 진행: 정민경 리포터
* 촬영 및 편집 : 박수진 (event1412@hanmail.net)
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