1. 서론
최근 이상기후로 인한 강우강도 증가와 자연녹지의 개발 및 도시화로 인하여 연결 관거 및 하도의 홍수방어능력을 초과하는 우수유출 빈도가 급증하고 있다. 또한, 도시 개발에 따른 불투수면의 증가는 강우시 홍수 피해를 가중시킬 뿐만 아니라 도시지역의 침투량 감소를 가져와 지하수의 고갈 및 도시하천의 수질악화로 연결되며, 녹지 공간 감소로 도시 내 열섬현상을 가져오는 등 많은 문제를 야기하고 있다. 이러한 수자원 환경의 변화에 따라 홍수방재를 위한 유출저감과 도시침수 예방, 초기 빗물처리, 비점오염원의 저감 등 물과 에너지순환체계를 회복하기 위한 침투저류시스템 기술개발에 대한관심도와 수요가 점차 증가하고 있으며, 최근 플라스틱 재료를 활용한 빗물저류조의 개발로 그 효율성을 다시 주목받고 있다(Choi et al., 2012; Lee et al., 등 2013; Andoph et al., 2001; Faram et al., 2004; Nouveau et al., 2007, 2008).
일본의 경우, 플라스틱제 저류조 관련기술은 1998년도 이후 현재까지 계속 성장해 오고 있으며, 그 시공사례를 살펴보면, 1998년 100건 미만에서 2012년 현재 3000건 가량으로 사업용량 및 영역이 크게 확대되고 있다. 향후 지속적인 활용증가와 저변의 확대가 예상되고 있으며, 이에 따른 관련기술에 대한 연구가 활발히 지속적으로 추진 중에 있다(Furukawa, 2011).
국내의 경우, 빗물저류조는 “물의 재이용 촉진 및 지원에 관한 법률규칙(Ministry of Environment, 2014)”에 의거 지붕면적 1,000 m2의 건축물에 필히 저류조를 설치하고, 그 용량은 “지붕의 집수면적 ×0.05 m 규모이상”으로 규정하고 있으며, 재해예방과 대체수자원 확보를 위한 정부의 노력이 확대되고 있다. 그러나, 관련 기술개발 및 연구의 부족으로 국내에 시판 중인 플라스틱제 저류시스템은 모두 일본의 제품을 그대로 수입하거나 국내 업체가 공동 출원하여 판매하고 있으며, 플라스틱 구조물의 활용에 대한 설계 및 시방규정도 일본의 설계기준을 준용하고 있다. 따라서 국내의 도시환경, 강우강도, 우수 특성, 그리고 설계조건과 하중조건, 유지관리 등 여러 측면에서 국내 실정을 고려한 최적의 한국형 빗물저류시스템의 개발은 필수불가결한 사업이며, 국가 재난 및 물 확보차원에서 개발이 시급한 실정이다.
본 연구는 P.P(Polypropylene)을 이용한 빗물저류조의 개발로서 95%이상의 공극률과 외력에 대해 충분한 내하력을 가지면서 유지관리를 위한 저류조 내부 접근의 편리성을 갖는 구조체를 개발하는 것이다. P.P 저류조는 내부에서 독소가 발생하지 않아 하천으로 유입시 오염이 발생하지 않고, 경량으로서 가볍고 조립이 간편한 특징을 가지고 있으며, 친환경적이고 시공성, 경제성이 우수한 장점을 가지고 있다.
공극률 95% 이상을 확보하고 상재하중과 DB-24 트럭하중에 대한 안전성을 확보하기 위하여 유한요소해석을 이용한 구조해석을 하였으며 최적의 구조 요소 배치를 계획하였다. 설계된 빗물저류조의 최대 내력을 평가하기 위해 저류조 상면에 등분포 하중을 가하면서 정적재하시험을 실시하였으며,그 분석 결과로부터 각 시험체에 대한 하중-변위 관계, 최대내력 및 최대변위 그리고 구조적 성능 평가를 하였다.
2. 제작공법 및 빗물저류조 시스탬
2.1 제작공법
(1) RC(Reinforced Concrete)공법
빗물저류조를 제작하는 가장 일반적인 공법으로서 기초 지반을 처리한 후, 철근콘크리트 구조물을 원하는 형상에 따라 제작하는 공법이다. 구조물의 특성상 인장과 압축에 저항하며 내진에 대한 저항력이 높다. 그리고 현장의 환경 변화에 따른 대처가 유연하며 기존의 암거 접속부 및 유출부 작업이 타 공법에 비해 양호하다. 또한 내부 월류벽 및 점검로 형상에 제약 없이 적용이 가능하며 내구성도 우수하다. 그러나 강성 구조체로서 연약지반에는 사용할 수가 없으며, 공사기간이 길다.
(2) PC(Prestressed Concrete)공법
빗물저류조의 일정 부재를 공장에서 Precast화하고 현장에서 박스형 구조물로 조립하여 PC 강연선으로 결합시켜 저류조를 구축하는 공법이다. 본 공법은 기존의 RC공법보다 품질이 보장되고 강도와 내구성이 우수하며 공기를 줄일 수 있는 이점이 있어서 많이 사용되고 있다. 또한 조립 직후 되메우기 작업으로 주변 통행이 가능하며, 소음이 적고 유지관리가 용이하며, 저류조 유입부 부분에 월류벽을 설치하여 부유물이 빗물저류조 전체에 확산되는 것을 방지 할 수 있다. 그러나다른 공법에 비해 공사비가 높고 결합부에 대한 추가적인 방수작업이 필요하며, 특성상 저류조 유출입부에 별도 시설이 필요하며 이음부가 많다.
(3) P.P(Polypropylene) 공법
대상 부지에 기초 지반 처리를 실시 한 후, P.P 재질의 구조요소부재를 조립하면서 적층시켜 전체 시스템을 구성하고, 적층 후 차수 혹은 침투 시트를 감싸 저류조를 구축하는 공법이다. P.P 재질을 기본재료로 사용하기 때문에 타 공법과 달리 양생기간이 필요 없고 공사기간을 50%이상 단축시킬 수 있으며, 조립식이라 시공이 간편하고 재활용 측면에서 매우 유리하다. 그리고 내구성은 반영구적으로 유지관리가 용이하고, 경량으로 가볍기 때문에 연약지반에 유리하다는 이점과 함께 운반이 용이해 대형 중기가 불필요하다. 저수 용량과 무관하게 그 규모측면에서는 소규모 또는 대규모의 빗물저류조에 적용이 가능하다. 한편, 저류조의 재질 특성상 재료비가 저렴하며 소음, 분진 등이 시공 중 공해가 거의 발생하지 않으며 작업공정의 간편성으로 인한 적은 인력 투입으로 공사가 가능하고 유지관리가 쉬워, 경제성이 높다. 따라서, 본 연구에서의 빗물저류조는 P.P를 이용하는 것으로 하였다.
2.2 빗물저류조 시스템
Fig. 1은 본 연구의 빗물저류조를 나타낸 것으로 1개 유닛(Unit)는 정육면체 형태로 4개의 작은 세그먼트로 구성되며, 유닛 중앙부에는 종방향으로 강관을 배치하여 구조적 안정성과 향후 저류조 내부의 유지관리가 가능토록 공간을 확보하도록 하였다.
각각의 세그먼트는 리브(rib)형태의 격자형 구조로써 최대저류용량을 확보할 수 있도록 계획하고 사방으로 연결 조립이 가능하도록 4개의 세그먼트가 1유니트를 구성하도록 하였다. 각 유닛은 2층 이상 혹은 병렬 구조체 형태의 시공이 가능하며, 종방향으로는 전단 연결 부재에 의해 연결할 수 있도록 하였으며, 필요시 우각부에 긴장재 장착구를 설치하여 일체화할 수 있도록 하였다.
3. 구조해석 및 설계
3.1 재료물성시험
본 빗물저류조 제작에 사용될 P.P 수지의 물성을 조사하기 위해 KS M ISO 1873-2:2011을 표준으로 사출성형에 의한 평활시험편을 제작하였다. 시험체 제작에 사용된 폴리프로필렌 수지는 롯데 케미칼에서 생산되는 J-150이다. 시험편은 성형 플라스틱의 시험조건에 관한 규격인 KS M ISO 527-2:2008의 시험편 제작규격에 따라 제작하였으며, 시험체는 동규격의 1A형 시험편이다.
사출성형은 KS M ISO 1873-2:2011에 제시된 시험체의 사출성형 조건을 만족하도록 하였다.
폴리프로필렌 수지 평활시험편에 대한 재료적 물성을 조사하기 위해, 사출 성형한 다목적 시험편 5개와 굴곡시험편 15개를 사용하여 재료의 인장강도, 신장률, 굴곡강도, 충격강도등을 한국건설생활환경시험연구원에 의뢰하여 시행하였다. Table 1은 재료 물성 시험결과이다.
Table 1
Material properties of P.P specimens
| Items | Units | Results | Note |
|---|---|---|---|
| Tensile strength | MPa | 30.6 | |
| Elongation | % | 9.4 | |
| Bending strength | MPa | 41.6 | |
| Impact strength | kJ/m2 | 1.7 | (+23±2)°C |
| 1.4 | (−20±2)°C |
시험결과로부터 빗물저류조 구조체의 구조해석 및 응력 평가시 인장강도를 30.0 MPa로 설정하여 설계에 반영하였다.
3.2 설계조건
저류조는 지중에 설치되는 구조체로서 상부의 토피 1 m와 저류조 최대 심도 4 m를 기준으로 설계한다. 단면의 형상과 관련해서는 여러 가지 형상의 저류조가 가능하나 각 유닛의 조립과 확장을 고려하여 육면체 형태로 계획하였고 세그먼트각 면에 조립을 위한 구조상세를 반영하고, 중앙부는 유지관리를 위한 통로 설치를 위하여 강관을 포함한 원형단면을 포함시켰다.
토피 상부에는 표준 설계트럭 하중인 DB-24하중을 고려하고 토피에 따른 등가하중으로 39.000 kN/m2을 고려한다.
저류조의 구성 재료인 폴리프로필렌과 관련된 설계조건은 재료물성시험에 근거하여 단위중량은 0.9 kN/m3, 인장강도는30 N/mm2, 초기탄성계수는 1500 N/mm2을 사용한다.
3.2 구조해석
구조해석은 빗물저류조에 작용하는 토압과 상재하중 및 트럭하중에 대한 안전성을 확보하기 위하여 유닛의 P.P 판 두께와 보강리브의 위치, 형상 등을 결정하기 위하여 수행되었으며, 빗물저류조의 각 방향별 부재요소에 대하여 3차원 SHELL요소를 이용한 유한요소해석을 수행하였다. 빗물저류조 단면의 결정을 위해서 기본 단면을 기준으로 해석을 수행한 후, 각 부재요소에 대해 보강판을 추가하거나 형상을 변경하여 발생응력이 허용응력 이하가 되고 국부적인 발생변위도 허용될 수 있는 범위 이하가 될 때까지 반복적으로 해석을 수행하였다. 여기서, 허용응력과 허용변위는 관련 기준이 없기 때문에 허용응력은 인장강도의 50%이하(최대응력 15 MPa), 허용변위는 부재 치수의 1/100(6 mm)로 정하고 판부재내에서 면내 및 면외응력의 집중이 가장 적게 발생하도록 하면서 향후 사출이 가능한 리브 배치와 최소 공극률 95% 이상을 확보할 수 있도록 적절한 보강리브 두께와 배치를 해석과 설계를 통하여 시행착오적으로 정하였다.
해석은 그 목적이 단면의 설계에 있으므로 가장 큰 하중을 받는 최하단 세그먼트에 대해서만 수행되었으며 유닛에 관한 해석은 세그먼트 연결부에 대한 해석 모델링의 어려움과 해석결과의 의미가 크지 않음을 고려하여 해석하지 않았으며 실험적으로만 평가하였다.
세그먼트 해석은 각 요소의 하중작용면을 따라 상부판부재, 측벽 판 부재, 중간리브 부재 등 각 부재 요소별로 세분화시켜 정적 하중을 재하하여 해석하였으며 경계면의 위치에 따라 고정지점, 힌지지점, 자유단 등으로 적용하였다. Table 2는 제안된 세그먼트의 구조 요소별 해석 결과 중 일례로서 하면의 판 부재에 대한 해석결과를 나타낸 가장 큰 토압과 수압 및 자중이 작용하는 경우에 대한 것이다. 여기서, Smax는 최대 주응력, Smin은 최소 주응력, Dis는 최대 국부 변위이다.
3.3 구조설계
빗물저류조의 기본 세그먼트에 대해 설계하중 조건에 의한 구조해석을 실시하고 그 분석 결과로부터 최적의 요소 배치와 요소별 판 두께를 결정하였으며, 그 결과에 근거한 세그먼트의 상세도면은 Fig. 2와 같다.
빗물저류조를 개발함에 있어 저류용량의 최대화를 위한 세그먼트의 설계는 공극률로 평가되며, 설계기준에 의한 최대강성과 함께 고려되어야 한다. 즉, 저류시설의 공극률은 도시홍수저감 능력을 반영하는 중요한 데이터라 할 수 있다.
Fig. 2의 설계결과에 기초하면 본 연구에서 개발한 빗물저류조의 공극률(1-시설부재의 체적/시설의 전체 용적)은 95.5%로서 타 공법인 RC, PC, 파형강관 등의 75~85% 수준에 비하여 매우 높은 저류용량을 확보할 수 있다.
4. 성능실험 및 평가
4.1 정적실험
빗물저류조 구조체의 성능 평가를 위해 세그먼트 4조를 볼트로 결합한 유닛 구조부재를 대상으로 구조내력 및 파괴거동을 실험적으로 분석하였다. 저류조 시험체는 설계 결과로부터 얻은 기본단면을 기준으로 하여 유지관리 통로로 사용될 단면 중앙에 강관을 삽입한 단면을 기본시험체로 하였으며 시험체 기호는 S로 표기하였다.
비교 시험체는 기본시험체에 강관을 제외하고 동등한 성능을 가지도록 보강 리브를 배치한 것으로 R로 표기하였다. 이는 강관을 설치할 경우 시공 및 조립과정이 복잡해지고 경제적으로 불리할 수 있기 때문이다. 시험체 SR은 보강리브의 배치와 강관을 설치한 것으로 공극률을 확보하면서 성능을 극대화 시키는 경우 단면 성능의 향상 정도를 평가하기 위한 것이다. 시험체는 총 3가지 타입으로 제작하였으며, Table 3에 나타내었다. Fig. 3은 시험체의 실험 셋팅 전경을 나타낸 것이다.
Table 3
List of Test specimens
| Specimens | Steel pipe | Stiffened rib | Note |
|---|---|---|---|
| SP-S1 | ○ | × | Base type |
| SP-S2 | ○ | × | Base type |
| SP-R1 | × | ○ | Stiffened rib |
| SP-R2 | × | ○ | Stiffened rib |
| SP-SR1 | ○ | ○ | Base+Steel pipe |
| SP-SR2 | ○ | ○ | Base+Steel pipe |
빗물저류조의 성능 평가는 외부 하중에 대한 구조체의 내력을 평가하는 것이 목적이므로 저류조 시험체 상부에 등분포하중을 재하 하여 최대하중과 변위를 측정하였다. 빗물저류조는 지중에 설치되므로 토압을 받지만, 토압은 상재하중에 의한 영향을 감소시키는 되는 효과를 나타내므로 상부의 등분포하중에 의한 구조체의 성능평가는 문제가 없을 것으로 판단된다.
4.2 시험결과
(1) 파괴거동
빗물저류조 시험체에 하중이 재하되면 외측으로 타원형태의 변형이 나타나며 저류조의 중앙부에는 원형 공간이 있기 때문에 좌우측으로는 외측으로 늘어나고 상하로는 줄어드는 현상이 나타난다. 그 후 외측변형이 점차 커지게 되면 보강리브간의 국부영역에서 변형의 한계에 이르고, 부분적으로는 면외 방향으로의 파단현상이 나타난다. Fig. 6은 극한하중 재하시의 빗물저류조의 변형양상을 나타낸 것이다.
시험체는 내부 중앙에 원형단면이 있기 때문에 상하로 큰 변형이 발생하게 되면 내부의 원형단면은 아치 형태로 변하게 되고 상부의 재하하중은 아치 형상으로 분배되면서 더 원할 하게 전달된다. 따라서 구조체는 파괴이전에 상당히 큰 변형이 발생하게 되며 전체적인 분괴나 파괴 없이 국부적인 좌굴이 발생하거나 보강리브가 탈락하는 등의 국부적인 파괴현상이 나타나게 된다. 따라서 구조체에 과 하중이 작용하더라도 파괴이전에 상당히 큰 연성거동을 하는 것을 알 수 있으며, 이는 본 구조체의 활용측면에서 매우 유리한 거동이며, 갑작스런 붕괴에 따른 이상거동에 충분한 내하력과 연성능력을 확보하고 있음을 알 수 있었다. 실제로 본 실험에서는 국부적인 좌굴이나 보강재의 국부적 변형의 발생으로 재하하중의 증가가 없이 변형만이 발생할 때 실험을 종료하였으나 시험체 모두 완전한 파괴에 이르지는 않았다.
(2) 연직변위
대상 시험체에 대한 재하시험 결과로부터 하중-연직변위 곡선(게이지 번호 Ch5)을 정리하여 나타내면 Fig. 7과 같다. 최대하중은 보강리브와 강관이 설치된 RS1, RS2 시험체가 가장 높고, 보강리브만 있는 보강형시험체 R1, R2와 강관이 설치된 기본형 시험체 S1, S2의 최대 내력은 비슷한 것으로 나타났다. 따라서, 기본형 시험체에 보강리브를 설치하여 보강하면 기본형 시험체에 강관을 설치한 경우 만큼의 내력을 증가시킬 수 있다는 것을 알 수 있었다.
하중증가에 따른 최대연직변위는 보강형 시험체 R1, R2가 가장 작고, 강관이 설치된 보강형 시험체 RS1, RS2가 가장 크게 나타나고 있다. 또한, 강관이 설치된 기본형 시험체 S1, S2의 최대연직변위는 RS1, RS2 시험체에 준하는 정도의 변위를 나타내고 있어 강관 설치시 최대 변위량이 크게 나타나며, 변형에너지의 증진효과가 있음을 알 수 있었다.
(3) 수평변위
대상 시험체에 대한 재하시험 결과로부터 하중-수평변위 곡선(게이지 번호 Ch4)을 정리하여 나타내면 Fig. 8과 같다. 여기서, 수평변위는 저류조의 외측에서 측정한 변위로서 내측에서 측정한 수평변위보다 이음부의 벌어짐, 국부적인 좌굴, 강관이 있는 경우 강관의 강성에 의한 내부의 저항력 증가 등으로 인해 약간 크게 발생하므로 외측에서 변위를 측정하는 것이 바람직하다.
최대내력은 강관이 설치된 보강형 시험체 RS1, RS2 시험체가 가장 높고 보강리브만 있는 시험체 R1, R2와 강관만 있는 기본형 시험체 S1, S2의 내력은 비슷한 것으로 나타났다. 이는 연직변위에서의 결과와 동일하며, 기본형 시험체에 보강리브를 설치함으로서 기본형 시험체에 강관을 설치한 경우만큼의 내력을 발휘함을 알 수 있었다.
하중증가에 따른 최대수평변위는 강관이 설치된 보강형 시험체 RS1, RS2이 가장 크게 나타났으며 보강형 시험체 R1, R2와 강관이 설치된 기본형 시험체 R1, R2는 거의 동일하게 나타났다. 이로부터 보강형 시험체는 변위에 있어서도 강관이 설치된 경우만큼의 변위 연성능력을 갖고 있음을 알 수 있었다.
(4) 최대내력
시험체별 최대 내력과 그 때의 연직변위 및 수평변위를 정리하여 나타내면 Table 4와 같다. 최대내력은 보강형 시험체와 강관을 설치한 기본형 시험체가 비슷한 내력을 발휘하고 보강형 강관설치 시험체가 가장 큰 내력을 발휘하는 것을 알 수 있었다.
Table 4
Test results for load capacity and displacements
강관이 설치되지 않은 보강형 시험체 R1, R2를 기준으로 강관만 설치된 기본형 시험체 S1, S2의 최대 내력의 비는 0.96~1.10으로서 내력은 거의 유사한 것을 알 수 있다. 또한, 동일기준에서 강관이 설치된 보강형 시험체 RS1, RS2의 최대 내력의 비는 1.26~1.44로서 약 30% 정도의 내력증가가 나타났다.
최대 내력에서의 연직변위는 시험체 R1, R2를 기준으로S1, S2 시험체는 0.89~1.11로서 거의 유사하고, RS1, RS2 시험체는 0.96~1.26로서 크게 나타남을 알 수 있었다. 또한, 최대 내력에서의 수평변위는 시험체 R1, R2를 기준으로 S1, S2시험체는 1.25~1.76, RS1, RS2 시험체는 1.13~1.69로서 크게 나타났으며, 연직변위보다도 더 크게 나타나고 있다.
이는 연직변위에 대해서는 강관과 세그먼트가 모두 압축이 되기 때문에 변형정도는 비슷하게 나타나는 반면, 수평방향에 대해서는 하중증가에 따라 강관과 세그먼트의 이격이 발생하고 강관의 수평 변형보다 강성이 약한 세그먼트의 외측 변형이 더 크게 발생하기 때문인 것으로 판단된다.
이러한 결과로부터 강관이 없는 보강형 시험체 R1, R2는 연직방향에 대해서는 강관이 설치된 시험체와 유사한 변형이 발생하고, 수평방향에 대해서는 하중의 분산에 의해 변위가 더 적게 발생하는 것으로 판단된다. 따라서, 보강형 시험체 R1, R2에 있어 최대내력은 강관을 설치한 기본형 시험체와 유사하며 연직변위 및 수평변위 측면에서는 다른 시험체보다 성능이 다소 우수한 것으로 판단된다.
4.3 성능평가
빗물저류조의 구조적 성능은 빗물저류조가 받는 설계하중과 정적재하실험 분석 결과로부터 얻어진 최종 내력과의 비를 안전율로 정의하였다. 저류조에 재하되는 하중은 저류조의자중, 상재토피하중, DB-24의 트럭활하중을 시험체의 재하면적으로 환산하면 등가하중은 21.4 kN이 되며, 최대내력과의 비로 안전율을 계산하면 Table 5와 같다.
Table 5
Safe factor for applied load of test specimens
빗물 저류조가 받는 작용하중에 대해 강관설치 기본형 시험체인 SP-S의 안전율은 3.53이상, 보강형 시험체인 SP-R의 안전율은 3.35이상, 그리고 강관설치 보강형 시험체인 SP-RS의안전율 4.63이상으로 나타나고 있어 시험편의 형상과 강관 설치 여부와 상관없이 전반적으로 구조적 내력에 대해서는 충분한 안전도를 확보하고 있는 것으로 나타나 구조적 거동이 매우 우수함을 알 수 있다.
5. 결론
본 연구에서는 P.P를 이용한 빗물저류조의 개발과 구조적 성능평가에 대한 실험적 연구 결과를 나타낸 것으로 그 내용들을 정리하면 다음과 같다.
(1) 빗물저류조는 P.P(폴리프로필렌) 재료를 이용하여 재료의 특성과 친환경적, 시공적, 경제적 측면에서의 장점을 최대한 활용하고, 공극률(빗물저장효율) 95% 이상을 확보하면서 작용하중에 대한 구조적 성능도 확보할 수 있는 빗물저류조의 개발이 가능함을 입증하였다.
(2) 심도 5 m에 설치할 계획으로 제시된 설계 단면으로 설계하중에 대한 안전율 3.0 이상의 단면 내력을 확보할 수 있으며, 보강리브와 강관 등의 설치로 단면내력에 대한 안전성을 더 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
(3) 빗물저류조의 구조적 성능 확보를 위해서는 하중에 대한 안정성 외에 국부적인 변형 또는 변위에 대한 안정성 확보기준의 정립에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
(4) 본 연구의 빗물저류조는 일반적인 콘크리트류의 빗물저류조에 비하여 공극률을 극대화시킬 수 있고 구조적 성능을 확보함과 동시에 친환경적, 경제적 측면의 효율성이 매우 높으므로 재해예방과 수자원 확보를 위한 기술의 하나로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
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