1. 서 론
최근 기후변화와 도시화가 급격히 진행되면서 홍수 및 침수 피해가 증가하고 있다. 특히 도시의 확장은 아스팔트 및 콘크리트와 같은 불투수층 면적을 증가시켜 자연적인 물순환을 방해한다. 이로 인해 강우 시 지표수가 빠르게 배수되지 못하고 하천으로 직접 유입되면서 도시 홍수의 발생 빈도와 규모가 확대된다. 도시 개발과 기후변화가 결합된 결과, 예측하기 어려운 국지적 폭우와 첨두 유출량 증가가 빈번히 발생하여 사회적, 경제적 피해를 유발하고 있다.
우리나라의 계절적 강수량 분포를 분석한 연구 결과에 따르면, 연 강수량의 절반 이상이 6월~8월의 여름철에 집중되어 있으며, 이는 특정 계절에 강수량이 편중되는 기후적 특성을 나타낸다. 이러한 기후적 특성은 도시 홍수 및 수자원 관리의 중요성을 시사하는 기초 자료로 활용될 수 있다(Jo et al., 1997).
또한, 서울특별시의 불투수 면적률은 52.9%로, 전국 광역지자체 중 가장 높은 비율을 기록하였다. 이는 도시화로 인해 불투수층이 증가하면서 빗물의 침투가 어려워지고, 물순환이 악화됨을 의미한다. 특히, 서울과 같은 대도시에서는 높은 불투수 면적률로 인해 빗물이 지하로 스며들지 못하고 지표면에 머무르며 유출량을 증가시키고, 집중호우 시 도로 침수 및 하수관로 과부하를 초래할 가능성이 높다(Ministry of Environment, 2023).
불투수층 증가가 홍수 피해 규모에 미치는 영향을 분석한 연구에서는, 불투수층이 확대될수록 강우 시 지표 유출량(runoff)이 증가하고 도시 내 물순환이 왜곡되어 침수 피해가 심화된다고 보고하였다. 이를 단계적 회귀분석을 통해 정량적으로 입증하였으며, 도시 내 효과적인 물순환 체계 개선이 필요함을 강조하였다(Lim, 2012).
이러한 문제를 해결하기 위해 도시 내 빗물 흐름을 조절할 수 있는 효과적인 관리 방안이 필수적이며, 그중 빗물저류조는 도시 홍수 문제를 해결하는 중요한 인프라로 주목받고 있다. 빗물저류조는 강우 시 유출량을 저감하고 하수도 시스템의 부담을 완화하며, 도시 침수를 예방하는 역할을 한다. 나아가, 빗물을 저장하여 재이용함으로써 수자원 관리 측면에서도 기여할 수 있다.
현재 빗물저류조는 주로 콘크리트와 플라스틱 재질로 제작되며, 각각의 장점과 단점이 존재한다. 콘크리트 저류조는 내구성이 우수하지만, 높은 생산 비용과 유지보수 비용이 발생하며, 환경적 측면에서 탄소 배출이 많다는 문제가 있다. 반면, 플라스틱 저류조는 경량으로 시공이 용이하지만, 장기적인 구조적 안정성이 낮고 대형 구조물에 적용하기 어렵다는 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 새로운 재료의 적용이 요구된다.
이에 본 연구는 기존 저류시설이 가진 콘크리트와 플라스틱 재질의 한계를 개선하기 위해 GMT (glass fiber mat-reinforced thermoplastics, GMT) 소재를 적용한 빗물저류조의 재료 및 구조 성능 시험과 거동 특성을 다양한 토피 두께와 하중 조건에서 분석하는 것을 목표로 한다. 특히, 실험적 방법과 유한요소 해석(finite element method, FEM)을 활용하여 저류조의 성능을 정량적으로 평가하고, 토피 두께 변화에 따른 상부 하중이 저류조에 미치는 변위를 분석하여 구조적 안전성을 검토하고자 한다. 본 연구를 통해 GMT 기반 조립식 빗물저류조의 실용성을 검증하고, 향후 설계 및 시공 가이드라인을 제공하는 데 기여하고자 한다.
2. 빗물저류조 종류 및 조립식 구조
2.1 빗물저류조 종류
빗물저류조는 구조적 특징과 재료에 따라 다양한 방식으로 분류되며, 대표적으로 프리캐스트 콘크리트(prestressed concrete, PC), 현장타설 콘크리트(reinforced concrete, RC), 플라스틱 적층식 방식이 있다.
PC 공법은 공장에서 미리 제작된 콘크리트 부재를 현장에서 조립하는 방식으로, 시공 기간을 단축하고 균일한 품질을 보장하는 장점이 있다. 특히 강성과 내구성이 뛰어나며, 조립 직후 되메우기가 가능하여 주변 환경에 미치는 영향을 최소화할 수 있다. 그러나 초기 제작 비용이 높고, 조인트 부분의 방수 처리가 필요하며, 유지보수 시 비용이 증가할 수 있다는 단점이 있다.
RC 공법은 철근과 콘크리트를 현장에서 직접 타설하여 구조물을 형성하는 방식으로, 부지 형태에 맞춘 설계와 시공이 가능하다. 강도가 높고 내부 설비 배치가 자유롭다는 장점이 있어 다양한 인프라 시설에 활용된다. 그러나 시공 기간이 길고, 비산 먼지와 소음 발생으로 인해 민원이 발생할 가능성이 있으며, 기후 및 계절적 요인에 의해 공사 일정이 지연될 위험이 있다.
플라스틱 적층식 공법은 조립식 플라스틱 모듈을 적층하여 빗물을 저장하는 방식으로, 시공이 간편하고 확장이 용이한 것이 특징이다. 공장에서 제작된 모듈을 현장에서 조립하는 방식이므로 공사 기간을 단축할 수 있으며, 소음과 비산 먼지를 최소화할 수 있다. 하지만 플라스틱 재료의 구조적 한계로 인해 높은 하중을 지속적으로 견디는 데 취약하며, 장기적인 압력 하에서 변형될 가능성이 있다. 또한, 특정 화학물질과 장기적으로 접촉하면 내구성이 저하될 수 있어 환경적 요인을 고려한 설계가 필요하다.
2.2 조립식 구조
본 연구에서는 빗물저류조의 기본 기능을 유지하면서도 효율성을 극대화할 수 있는 모듈형 조립식 구조를 채택하였다. 이 구조는 높은 강도를 유지하면서도 경량화가 가능하며, 현장에서 신속한 조립과 유지관리가 용이하도록 설계되었다. 특히, 90% 이상의 높은 저류 용적률을 달성하여 최소한의 설치 공간으로 최대한의 저류 용량을 확보할 수 있도록 하였다.
조립식 빗물저류조는 경사판, 지지재, 판재, 연결재, 차수 시트 및 보호 시트로 구성되며, Fig. 1과 같으며, 조립된 저류조는 Fig. 2와 같다. 판재는 저류조의 상부 및 하부에 배치되어 구조적 틀을 형성하고, 외부 압력 및 토압을 효과적으로 분산시킨다. 경사판은 빗물과 함께 유입된 이물질을 중앙 점검구로 유도하며, 엠보싱 처리된 표면을 통해 물의 흐름을 증가시켜 침전물의 이동을 촉진한다.
또한, 차수 시트는 물의 누수를 방지하며, 보호 시트는 외부 충격으로부터 구조를 보호하여 장기적인 안정성을 유지하는 역할을 한다. 모듈형 구조의 특징은 확장성과 조립의 용이성에 있으며, 기존 빗물저류조 시스템을 보다 효율적으로 개선할 수 있다. 특히, 경사판의 엠보싱 효과는 물의 흐름을 강화하고 침전물이 경사판 위에 쌓이지 않도록 하여 유지보수 부담을 줄이는 데 기여한다.
이러한 조립식 구조의 설계를 통해 유지관리 비용과 시간을 절감하고, 장기적인 안정성을 확보할 수 있다.
3. 재료 및 성능시험
3.1 적용 재료
본 연구에서 사용된 GMT는 유리섬유 매트와 열가소성 플라스틱(polypropylene, PP)으로 구성된 복합재료로, 경량성과 높은 인장 강도를 갖춘 구조적 소재이다. GMT는 자동차, 항공기, 건설 자재 등 다양한 산업 분야에서 널리 활용되며, 특히 경량화가 요구되는 구조물에서 강도와 내구성을 동시에 확보할 수 있는 재료로 주목받고 있다.
GMT는 PP 수지에 매트 형태의 유리섬유를 보강한 시트 형상의 열가소성 복합재료로, 자동차 경량화 및 각종 기능 부품의 요구 성능을 만족시킬 수 있다. 또한, 열경화성 복합재료의 취약점으로 지적되는 생산성, 재활용성, 내충격성이 우수하여 자동차 내⋅외장의 주요 부품으로 사용되고 있다(Kim et al., 2011).
GMT가 PP에 약 20~50%의 유리섬유 매트를 보강한 복합재료로, 높은 강도, 충격 저항성, 화학적 안정성, 저비용 및 빠른 가공 시간 등의 장점을 가진다고 보고하였다. 이러한 특성으로 인해 GMT는 자동차 부품뿐만 아니라 액화천연가스(LNG) 운반선의 단열재로도 활용 가능성이 연구되고 있다(Park et al., 2019).
GMT는 유리섬유를 부직포와 유사한 형태의 매트 구조로 배열한 후, PP 수지를 함침시켜 적층 구조를 형성하는 방식으로 제작된다. 일반적으로 2개의 유리섬유 층과 3개의 PP 층으로 구성된 5겹 구조를 이루며, 이는 섬유 배향을 최적화하여 다양한 방향에서의 응력을 효과적으로 분산시킨다. 이로 인해 GMT는 높은 인장 강도와 충격 저항성을 가지며, 기존 플라스틱 소재보다 향상된 기계적 성능을 제공한다.
GMT의 성형은 프레스 성형 공정을 통해 이루어진다. 이 과정에서 열을 가한 후 금형에 투입하여 원하는 형상으로 가공되며, 섬유 배향과 수지 함유율을 조절하여 강도와 유연성을 조절할 수 있다. 이러한 성형 방식은 대량 생산이 용이하며, 복잡한 형상의 구조물 제작에 적합하다. 또한, GMT는 금속 대비 경량화가 가능하며, 단위 무게당 높은 강도를 제공하므로, 빗물저류조와 같은 구조물의 재료로 적합하다.
3.2 시험 방법
본 연구에서는 GMT 소재로 제작한 빗물저류조의 성능 및 내구성을 평가하기 위해 다양한 시험을 수행하였다. 시험 항목으로는 압축강도 시험, 장기강도 시험, 내화학성 시험, 용적률 평가가 있으며, 이를 통해 GMT가 빗물저류조 재료로서 적합한지 검토하였다.
압축강도 시험은 저류조 매설 시 하중에 대한 안정성 확보 가능성을 평가하기 위해 수행되었다. 시험의 주요 목적은 시설물이 매설될 때 발생하는 연직하중에 대한 안정성을 검증하는 것이다. 압축강도 시험은 1 m3 용량으로 조립된 저류조를 사용하여 실시되었으며, 시설물이 견딜 수 있는 하중을 가할 수 있는 압축 시험기를 이용하여 최대 하중까지 재하한 후 그 강도를 평가하였다.
장기강도 시험은 장기간 지속되는 하중이 GMT의 변형 및 강도 변화에 미치는 영향을 분석하기 위해 수행되었다. 시험은 KS M 3006 (2013) 및 KS M ISO 899-2 (2012), ASTM D 2990 (2017) 규격을 따랐으며, 1,000시간 동안 지속적인 하중을 가한 후 변형률 및 강도 변화를 평가하였다. 본 시험을 통해 GMT의 장기 휨 탄성계수를 측정하고, 장기 사용 시의 내구성을 분석하였다.
내화학성 시험은 GMT가 다양한 화학 환경에서 성능을 유지할 수 있는지를 평가하기 위해 수행되었다. 해당 시험은 KS F 4911 (2012), KS M ISO 178 (2012) 및 KS M ISO 175 (2011)에 따라 화학약품처리 전⋅후 인장강도, 인열강도 및 굴곡강도를 측정하여 내구성 변화를 분석하였다. 대상 시편은 차수시트와 보호시트를 사용한 인장 및 인열강도 시험과 저류조 시편을 사용한 굴곡강도 시험으로 진행되었으며 모든 시편은 KS 규격에 따라 제작되어 인장 및 인열 시험은 500 mm/min, 굴곡강도 시험은 5.54 mm/min 속도로 수행되었다. 추가적으로 시험은 내식성이 없는 용기에 화학약품을 담아 시편을 침지한 후, 물성 변화를 평가하는 방식으로 진행되었다. 시편은 외부 환경과의 접촉을 방지하기 위해 밀봉된 상태에서 일정 기간 침지되었으며, 이후 세척 후 분석이 수행되었다.
용적률 평가는 GMT 기반 빗물저류조의 내부 용적 대비 실제 저장 가능한 용적을 측정하여 구조적 효율성을 분석하는 시험으로 진행되었다. 본 시험은 KS M 3016 (2011) 규격을 기반으로 수행되었으며, 직접 물을 주입하여 이론적 용적률과 실제 용적률을 비교 분석하였다.
3.3 시험 결과
3.3.1 압축강도 시험 결과
압축강도 시험은 빗물저류조 매설 시 발생하는 연직토압에 대한 안정성을 검증하기 위해 Fig. 3과 같이 수행되었다. 실험은 ASTM D 695를 참고하여 진행하였으며, 샘플크기는 저류조 원제품을 대상으로 하고 테스트 속도는 5 mm/min로 진행되었었다. 해당 시험은 중간부에 수평으로 지지역할을 할 수 있는 경사판이 없는 가장 취약한 구조에서의 수행하였다. 이러한 결과와 비교할수 있는 설계연직토압은 Eq. (1)과 같다.
여기서, Pv 설계연직토압(kN/m2), qv 사하중에 의한 연직토압(kN/m2), a 장기사용을 고려한 계수(4) q 활하중에 의한 연직토압(kN/m2)이다.
실험결과 저류조의 연직방향 변위가 29.56 mm일 때 파괴가 일어났으며 이때 압축응력은 480 kN/m2로 측정되었다. 이를 설계연직토압 식에 적용하면 설계 가능한 매립깊이는 6.57 m로 예측된다.
수평방향으로 작용하는 수평토압의 안전성을 검증하고자 Fig. 4와 같이 저류조의 측면으로 일축압축강도 실험을 진행하였으며, 설계수평토압은 Eq. (2)와 같이 산정하였다.
여기서, Ph 설계수평토압(kN/m2), K0 정지토압계수(= 0.5), h 매입깊이(m), q0 지표면에 작용하는 등분포하중(10 kN/m2)이다.
연직방향 변위가 14.14 mm에 압축응력 192.6 kN/m2로 파괴가 일어났다. 이러한 결과는 설계수평토압 식 산출에 의해 설계가능한 매립깊이는 20.84 m로 예측할 수 있는 수치이다.
3.3.2 장기강도 시험 결과
장기강도 시험은 GMT 소재의 장기적인 안정성을 평가하고 장기 설계 계수를 산출하기 위해 수행되었다. 본 시험은 KS M ISO 899-2 (2012) 및 ASTM D 2990 (2017) 규격 바탕으로 진행하였으며, 실험에 사용된 샘플은 해당 규격에서 제시한 샘플 크기(L80 × W10 × T4 mm)를 5개 제작하여 1,000시간이상 동안 시험을 진행하여 변형률을 측정하였다.
시험 결과, 50년 후의 예상 장기 계수는 3.92, 3.97, 3.6 등으로 도출되었으며, 이 중 신뢰도가 높은 3개의 값을 선택하여 평균 3.83을 장기계수로 산정하였다. 이후 안전 측면을 고려하여 최종 장기 계수는 4.0으로 결정하였다.
장기 계수는 크리프 데이터를 기반으로 산출되며, 시간에 따른 변형량을 분석하여 재료의 장기 거동을 평가한다. 본 시험에서는 1,000시간 동안 기록된 데이터를 기반으로 로그 함수와 회귀분석을 수행하여 50년 후의 변형을 예측하고 탄성계수를 도출하였다.
초기 탄성계수는 재료가 하중을 처음 받을 때 변형에 저항하는 강성을 나타내며, 초기 항복점에서의 응력과 변형률을 기준으로 계산된다. 장기 변형 계수는 1,000시간 동안 측정한 변형 데이터를 바탕으로 50년 후의 변형량을 예측하여 도출하였다.
또한, 장기강도 시험 결과를 바탕으로 빗물저류조가 50년 동안 구조적 안정성을 유지할 수 있는 하중을 분석하였으며, Fig. 5를 통해 0.6 m 이상의 토피에서 78 kN의 하중을 견딜 수 있고 50년 동안 취성 파괴가 발생하지 않을 것으로 예상된다. 해당 그래프는 시간 경과에 따른 변형률 변화를 나타내며, 실험 데이터를 기반으로 한 회귀분석 결과를 통해 장기적인 변형률 증가가 안정적인 범위 내에 있음을 보여준다.
3.3.3 내화학성 시험 결과
시험은 KS 기준에 따라 시편을 16일간 침지한 후 질량 변화 및 강도변화를 분석하였다. 해당 시편은 침지 전⋅후로 세척 및 건조 과정을 수행하였으며 질량변화결과는 Table 1과 같다. 해당 결과와 같이 휘발유 침전 시 4% 질량 증가가 확인 되었으며, 이는 휘발성 성분의 침투로 인해 재료 내부 구조가 변화한 것을 의미한다.
Table 1
Mass Change Before and After Chemical Immersion
Table 2와 같이 차수시트와 보호시트를 대상으로 한 기계적 특성변화에서는 대다수의 화학 환경에서 성능 저하가 크지 않았으나, 일부 강산 및 강염기 환경에서는 기계적 특성이 다소 감소하는 경향을 나타냈다. 특히, 황산(H2SO4) 및 염화나트륨(NaCl) 침지 시 인장강도와 인열저항의 감소가 가장 컸으며, 이는 특정 화학물질이 GMT의 화학적 안정성에 영향을 줄 수 있음을 시사한다.
Table 2
Change in Properties Before and After Chemical Immersion
저류조를 대상으로한 굴곡강도 변화로는 Table 3과 같으며, 질산(HNO3) 및 휘발유 침지 시 굴곡강도의 감소가 관찰되었으며, 이는 해당 화학물질이 소재 내부로 침투하여 물성을 저하시킬 가능성이 있음을 보여준다. 특히, 휘발유 침지 시험에서는 강도 변화율이 22.6%로 가장 높게 나타났으며, 이는 휘발유 성분이 GMT 내부로 침투하여 강도와 내구성을 감소시키는 것으로 분석된다.
Table 3
Change in Flexural Strength Before and After Chemical Immersion
| Category | Before Immersion (N/mm2) | After Immersion (N/mm2) | Change Rater (%) |
|---|---|---|---|
| Distilled Water | 66.2 | 64.8 | 2.1 |
| NaCl | 62.5 | 5.6 | |
| H2SO4 | 67.5 | 2.0 | |
| HNO3 | 60.8 | 8.1 | |
| NaOH | 66.2 | 0 | |
| Detergent | 65.2 | 1.5 | |
| Gasoline | 51.2 | 22.6 |
해당 내화학성 시험 결과와 같이 강산성 또는 석유화학 물질이 존재하는 환경에서의 장기적 사용 시, 추가적인 보호 조치가 필요할 가능성이 있다.
3.3.4 용적률 평가 결과
용적률 평가는 물 주입 실험을 통해 플라스틱 저류조의 저장 용량을 측정하는 방식으로 수행되었다. 실험 결과, 플라스틱 저류조의 저장 용적률은 약 93%로 측정되었으며, 이는 기존의 RC 및 PC 방식 저류조의 저장 용적률(75~85%)과 비교했을 때 더 높은 저장 성능을 제공함을 나타낸다.
이러한 결과는 플라스틱 저류조가 동일한 부피에서도 더 많은 빗물을 저장할 수 있도록 설계되었음을 의미한다. 또한, 높은 용적률을 통해 빗물 저장 공간을 효율적으로 활용할 수 있으며, 기존 저류조 대비 우수한 저장 성능을 확보할 수 있음을 확인하였다. 공극률 평가에 대한 실험 결과는 Table 4에 제시되어 있다.
4. 구조 해석 및 결과 분석
4.1 해석 모델
본 연구에서는 조립식 빗물저류조의 구조적 거동을 분석하기 위해 유한요소 해석을 수행하였다. 해석은 MIDAS GTS NX 프로그램을 사용하여 진행하였으며, 저류조의 변형과 안정성을 평가하는 데 중점을 두었다. 해석 대상 구조는 높이 0.988 m, 폭 1 m의 조립식 빗물저류조로, 실제 시공 환경을 반영하기 위해 다양한 배열 조건을 적용하였다.
해석 모델은 2 × 2 및 3 × 3 배열로 구성하여 각각 8개 및 27개의 저류조를 육면체 형태로 적층하여 모델링하였다. 이러한 배열 방식은 실제 현장에서의 하중 및 매립 조건을 고려하여 적용되었다. 저류조 하부에는 지지역할을 수행하는 콘크리트를 배치하였으며, 외부에는 측벽을 설치하여 구조적 안정성을 확보하였고, 모델링은 Fig. 6과 같다.
유한요소 해석에 사용된 지반 물성치는 기존 연구 결과 및 실험 데이터를 기반으로 설정되었으며, 해석에는 Mohr- Coulomb 모델을 적용하였다. 특히, GMT 소재의 경우 유리섬유 비율과 배열에 따라 물성을 조절할 수 있는 특징이 있어, 제조사에서 제공한 물성치를 반영하여 해석을 수행하였다. 콘크리트의 경우 콘크리트 구조 설계기준을 준수하여 물성을 설정하였고, Table 5와 같다.
Table 5
Physical Properties of Soil and Materials
| Items | Elastic Modulus (kN/m2) | Poisson’s Ratio | Unit Weight (kN/m3) | Friction Angle (°) |
|---|---|---|---|---|
| GMT | 4,500,000 | 0.3 | 10.89 | - |
| Concrete | 27,755,000 | 0.2 | 23 | - |
| Soil | 68,600 | 0.3 | 19 | 35 |
경계조건은 MIDAS GTS NX의 자동 구속 기능을 활용하여 적용되었다. 지반 모델의 좌우측(X방향)은 변위를 구속하였으며, 앞뒤축(Y방향) 또한 동일한 방식으로 설정되었다. 모델 하부는 X 및 Y 방향 변위를 구속하는 조건을 적용하여, 저류조가 실제 매립된 환경에서의 구조적 거동을 재현하였다.
매립 깊이는 1 m부터 6 m까지 1 m 간격으로 조정하여 해석을 수행하였으며, 이를 통해 토피 두께 변화에 따른 저류조의 구조적 영향을 분석하였다. 또한, 교통 하중을 고려하여 2단계 하중 조건을 적용하였으며, 이를 통해 매립 깊이 변화에 따른 저류조의 구조적 영향을 분석하였다.
1단계에서는 저류조 설치 직후의 초기 상태를 고려하여, 저류조의 자중과 매립된 토사의 하중을 받는 조건으로 설정하였다. 이는 공원, 녹지대 등에서 발생하는 일반적인 하중 조건을 반영하였다.
2단계에서는 20 t의 하중을 저류조 상부 중앙에 작용시켜 일반적인 도시 도로 및 주차장에서 발생하는 차량 하중을 반영하였다. 하중이 저류조 상부 중앙에 집중된다고 가정하여 변형 및 안정성을 평가하였다.
본 해석에서는 지하수위를 고려하지 않는 것으로 가정하였다. 이는 지하수의 부력 및 간극수압이 저류조에 미치는 영향을 배제하고, 교통 하중 및 토피 하중에 따른 변형을 보다 명확하게 분석하기 위함이다.
4.2 변위 결과
본 연구에서는 플라스틱 저류조의 변위 특성을 분석하기 위해 2 × 2 배열과 3 × 3 배열로 총 8개와 27개의 저류조를 육면체 형태로 쌓아 해석을 진행하였다. 해석 프로그램에서는 변위가 작은 부분은 파란색, 변위가 큰 부분은 빨간색으로 나타나며, 변위 크기에 따라 파랑, 초록, 빨강 순으로 변위를 시각적으로 표현하였다. 해석을 통해 도출된 변위 결과값은 Table 6에 제시되어 있다.
Table 6
Displacement Magnitude of 2 × 2 and 3 × 3 Arrangements according to Soil Cover Depth (mm)
| Type | Load (ton) | 1 m | 2 m | 3 m | 4 m | 5 m | 6 m |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2 × 2 | 0 | 1.57 | 3.49 | 5.23 | 6.82 | 8.29 | 9.67 |
| 3 × 3 | 20 | 2.92 | 4.16 | 5.79 | 7.30 | 8.70 | 10.01 |
4.2.1 압축강도 실험과 해석 결과 비교
압축강도 시험을 통해 실험 데이터를 확보하고, 이를 FEM 해석 결과와 비교하여 해석 모델의 신뢰성을 평가하기 위해, Fig. 7과 같이 하중-변위 곡선을 도출하였다. 그 결과, 실험에서 측정된 변위 값은 29.56 mm로 나타났으며, 해석에서 도출된 변위 값인 30.24 mm와 비교했을 때 오차율은 2.3%로 유사한 값을 보였다. 이를 통해 본 연구에서 수행한 유한요소 해석이 실제 구조물의 변형 거동을 적절히 반영하고 있음을 확인하였다.
4.2.2 2 × 2 배열의 변위 분석
2 × 2 배열의 변위 거동을 분석한 결과, 0 t 하중 조건에서는 깊이 1 m에서 각 저류조 상판 중앙에서 최대 변위가 발생하였다. 이는 상재 하중이 없는 상태에서 토압에 의해 중앙부에 응력이 집중되면서 변형이 일어난 것으로 판단된다. 반면, 2 m에서 6 m 깊이까지는 변위 형상이 유사하게 나타났으며, 저류조 상판의 모서리 부근에서 최대 변위가 발생하였다. 이는 상판의 구조적 특성에 기인하며, 상판의 모서리가 기둥으로부터 거리가 멀어 상대적으로 지지력이 약해지면서 변위가 집중된 것으로 해석된다.
20 t 하중이 가해진 경우, 토피가 1 m인 깊이에서부터 하중을 받는 상판의 모서리 부근에서 최대 변위가 발생하였다. 깊이 2 m에서 6 m 구간에서도 하중 증가에 따라 변위가 증가하는 경향을 보였으며, 이는 1 m 깊이와 유사하게 기둥을 통해 하중이 분산되면서 상판의 모서리에서 최대 변위가 나타나는 것으로 판단된다. 토피 6 m 조건에서 2 × 2 배열의 0 t 하중과 20 t 하중에 따른 변위 형상은 Fig. 8에 제시되어 있다.
4.2.3 3 × 3 배열의 변위 분석
3 × 3 배열로 구성된 저류조의 변위 거동을 분석한 결과, 깊이에 따라 변위 발생 위치가 변화하는 경향을 보였다.
0 t 하중 1 m 깊이에서는 지반 토압이 외곽 기둥에 집중되면서 외곽에 위치한 저류조 기둥 부근에서 최대 변위가 발생하였다. 2 m 깊이에서는 변위가 외곽에 위치한 저류조 상판의 중앙으로 확산되는 양상이 관찰되었으며, 토압이 균일하게 분포하면서 변형이 넓게 퍼지는 경향을 보였다. 3 m 깊이에서는 토압이 더욱 균등하게 작용하면서 정중앙에 위치한 저류조 상판의 모서리에서 최대 변위가 발생하였으며, 4 m 이상의 깊이에서는 정중앙에 위치한 저류조 상판의 중앙부에서 최대 변위가 발생하는 것으로 나타났다. 이는 깊이가 증가할수록 토피 두께가 증가하면서 지반의 영향이 외곽에서 내부로 점진적으로 확산되는 결과로 해석할 수 있다.
20 t 하중이 가해진 경우, 1 m 깊이에서는 토피 두께가 얕기 때문에, 상부 중앙에 집중된 하중으로 인해 저류조 상판의 정중앙에서 최대 변위가 발생하였다. 2 m 깊이에서는 지반을 통한 하중 분산이 이루어지며, 변위가 상판 모서리까지 확산되는 형상이 나타났다. 3 m 이상의 깊이에서는 지반 토압이 균일하게 분포하면서 정중앙에 위치한 저류조 상판의 중앙부에서 변위가 발생하는 거동이 확인되었다.
이와 같이, 3 × 3 배열에서는 깊이가 증가할수록 변위가 외곽에서 중앙으로 이동하는 경향을 보이며, 이는 깊이에 따른 지반 토압의 분포 변화가 변형 거동에 중요한 영향을 미치는 요인으로 작용하기 때문으로 분석된다. 토피 6 m 조건에서 3 × 3 배열의 0 t 하중과 20 t 하중에 따른 변위 형상은 Fig. 9에 제시되어 있다.
5. 결 론
본 연구에서는 GMT 소재를 활용한 빗물저류조의 성능을 실험 및 해석을 통해 평가하였으며, 그 결과를 다음과 같이 도출하였다.
(1) GMT는 높은 강도와 경량성을 동시에 제공하며, 장기강도 시험을 통해 50년간 취성 파괴 없이 안정적인 성능을 유지하는 것으로 나타났다. 이를 통해 장기 사용을 고려한 설계에서도 안전한 재료임을 확인하였다.
(2) 내화학성 시험을 통해 GMT 소재가 다양한 화학물질에 대해 전반적으로 높은 저항성을 가지며, 장기간 사용 시에도 물성 변화가 크지 않음을 확인하였다. 그러나, 강한 산성과 휘발유에 장기간 노출될 경우 강도가 저하될 가능성이 있으므로, 이러한 환경에서의 사용 시 추가적인 보호 조치가 필요할 것으로 판단된다.
(3) GMT 저류조의 저장 효율을 분석한 결과, 약 93%의 공극률을 기록하였다. 이는 기존 콘크리트 저류조 대비 20% 이상의 공간 절약 효과를 제공하며, 같은 용량 대비 저장 효율이 높은 빗물 저장 시설임을 나타낸다.
(4) 유한요소 해석(FEM)을 활용하여 다양한 토피 두께와 상부 하중 조건에서 저류조의 연직 변위를 분석하였다. 토피 두께가 증가할수록 상부 하중의 영향을 적게 받으며, 3 m 이상의 깊이에서는 지반이 하중을 분산시켜 변위 증가율이 점차 감소하는 경향을 보였다.
(5) 하중이 없는 경우에는 토피 두께를 얇게 설계하여 경제성을 확보할 수 있으며, 상부 하중이 크게 작용하는 조건에서는 토피 두께를 증가시켜 구조적 안전성을 확보하는 데 효과적인 것으로 나타났다. 이를 통해 GMT 저류조의 효율적인 설계 방향을 도출할 수 있었다.
향후 연구에서는 저류조하부 지반지지층 종류에 따른 안전성 및 상부 하중변화(편심)에 대한 거동특성등이 진행될 예정이며, 추가적으로 플라스틱 재사용을 촉진하기 위해 재활용 플라스틱에 유리섬유를 보강한 최적 비율의 복합소재 적용 방안을 검토할 예정에 있다. 이를 통해 플라스틱 사용량을 줄이고, 지속 가능한 저류조 설계 기술 확보를 위한 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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