토사재해에 대비한 보강 조적조 벽체의 구조성능 및 현장 실증 평가
Structural Performance Evaluation and Field Validation of Reinforced Masonry Walls for Slope Failure Mitigation
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Abstract
산지 인근 주거지역은 산사태나 토석류와 같은 토사재해에 지형적으로 취약하여 유사시 건축물 붕괴와 인명 피해로 이어지는 사례가 많다. 그러나, 기존 대책은 대부분 사방댐 등 외부 방호시설에 의존하고 있어 상시적으로 발생할 수 있는 토사재해에 대해 건축물 및 인명 피해 억제는 한계가 있다. 따라서, 본 연구는 토사재해에 특화된 보강 조적조 벽체의 구조 성능 평가를 수행하고, 현장 적용성을 평가하였다. 대상 건축물은 판넬조로 수치해석을 통해 토사하중에 저항성이 가장 높은 조건을 표준모델로 결정하고, 산사태 시뮬레이터에 의해 그 유효성을 검증하였다. 수치해석에서 변위를 비교한 결과, 조적조 벽체에 종⋅횡철근이 모두 적용된 MWTHVR 0.4 m 모델이 토사하중에 가장 높은 응력분산을 나타내었다. 이 모델을 기초로 산사태 시뮬레이터에 의해 토사충돌(속도 4.5 m/s)을 재현한 결과, 해당모델은 파손이나 밀림현상 없이 높은 저항성을 유지하였다. 해당 모델을 기초로 공간성, 비용 효율성, 시공체계, 기간 및 유지관리 측면에서 시공규칙을 설정하고 현장에 설치한 결과, 모든 항목에서 시공규칙과 실제 결과가 잘 부합하였다. 이러한 결과는 해당 공법이 현장에 일반화될 수 있는 높은 잠재성을 보여주는 동시에 향후 건축물 붕괴와 인명피해 저감을 위한 구조적 대책 수립 및 세부 기준 마련에 기여할 것으로 기대된다.
Trans Abstract
Residential areas near mountainous terrains are topographically vulnerable to debris-related disasters, such as landslides and debris flows, which often cause structural failure and casualties. Existing countermeasures primarily rely on external protective structures, such as check dams, whose capacity to prevent direct structural and human losses from such events is limited. In this study, the structural performance and field applicability of a reinforced masonry wall system, designed specifically for debris impact, were evaluated. Numerical simulations of a typical panel house structure revealed the most resistant configuration under debris loading. The optimal model (MWTHVR 0.4 m), reinforced with both vertical and horizontal rebars, demonstrated outstanding resistance to displacement distribution. Full-scale debris-impact simulations, performed using a landslide simulator (velocity 4.5 m/s), further confirmed the model’s resistance to displacement distribution and damage (or failure). An analysis based on predefined construction criteria, including spatial requirements, cost efficiency, construction system, duration, and maintenance, showed excellent consistency between the expected outcomes and the results obtained from the field pilot installation. These findings demonstrate the potential of the proposed method for field implementation, highlighting a structurally viable countermeasure for reducing structural failures and casualties in slope disasters.
1. 서 론
우리나라는 국토면적 대비 산지가 70%로 산사태와 토석류(이하 ‘토사재해’)에 취약한 지형적 특성을 지니고 있다(NGII, 2008). 특히, 급경사지 인근은 토사하중에 비교적 저항력이 낮은 비 RC 건축물(판넬조, 조적조, 목조 등)이 다수 분포하며, 마을물길에 접한 건축물도 많아 집중호우철이 되면 토사재해 위험이 가중되는 환경에 노출되어 왔다. 이와 같은 토사재해 위험성은 국내외에서도 다수 보고된 바 있는데, 대표적으로 2010년 중국 저우취(Zhouqu)에서 토석류로 인해 약 200여채의 건물파괴와 1,700명 이상의 사상자를 유발하였으며(Wang, 2013), 2014년 미국 워싱턴주 오소(Oso) 산사태는 40채의 건물파괴와 43명의 인명피해를 발생시켰다(USGS, 2019). 2018년 미국 캘리포니아주 몬테시토(Montecito)에서는 토석류로 인해 400채 이상의 건물붕괴와 23명의 사상자가 발생하여 지역사회에 심각한 피해를 초래하였다(USGS, 2019; Kean et al., 2019).
국내에서는 2023년 7월 중부지방에 호우가 집중되면서 토사재해로 인해 25명의 사망자가 발생하였으며, 100채 이상의 건축물을 파손시켰다(NDMI, 2023). 피해 건축물은 Fig. 1과 같이 다양한 구조형식을 포함하며, 주요 피해 유형은 건축물 벽체붕괴와 토사류 유입에 따2025-11-13른 매몰로 나타나는 특징이 있었다. 이러한 사례들은 토사재해가 인명피해에 이르는 과정에서 공통적으로 건축물의 파손과 상호 밀접하게 관련되고 있음을 보여준다.
Types of Damaged Structure
국립재난안전연구원(NDMI)은 해당재해 발생 당시 인명피해가 집중된 경북 및 충청 지역 내 8개 사고 현장을 대상으로 광범위한 파손과 완전하게 파괴된 건축물 총 107채의 구조형식을 대상으로 조사하였다. 그 결과, 경량 판넬조가 56채(48%)로 가장 높은 비율을 차지하였고, 조적조가 37채(37.5%), 목조 및 토담조가 13채(12%) 순으로 나타났다.
특히, 판넬조는 기초가 결여되었거나 부실하여 토사류에 의해 하류로 이탈한 경우도 있었다. 이는 건축물의 구조 형식뿐만 아니라, 기초 유무도 피해 규모를 결정짓는 요인 중 하나로 작용할 수 있음을 나타내었다(NDMI, 2023).
한편, 토사재해에 의한 건축물 붕괴는 토사가 밀려 내려오는 속도와도 관계되는데, 일례로 토석류는 고밀도의 토사와 암석을 동반해 이동하며, 건축물과 충돌 시 4~5 m/s의 속도로도 종종 100 kPa를 초과하는 동적 압력을 가할 수 있는 것으로 알려져 있다(Cui et al., 2015). Kang and Kim (2016)은 2011년 토석류 피해를 입은 건물 25채를 대상으로 현장을 조사한 결과, 비 RC 구조물(목조, 조적조, 판넬 등)은 충격압 30 kPa 초과시 완파가 발생한 반면, 동일한 조건에서 RC 구조물은 경미한 손상이 있음을 제시하였다. 이러한 결과는 토사재해의 속도와 압력이 다소 낮더라도 측면 저항력과 에너지 소산 능력이 부족한 비 RC 구조물에 벽체 붕괴, 기초 파괴, 건축물 전도 등 치명적인 영향을 미칠 수 있다는 기존의 연구결과와도 잘 일치하고 있다(Jakob et al., 2012; Prieto et al., 2018; Lee et al., 2024; Liu et al., 2024). 따라서, 토사재해는 건축물 붕괴가 인명피해를 유발 요인임을 인식하고 단순히 사방댐이나 외부 방호시설에 의존하는 방식에서 벗어나 상시적으로 토사충격에 대비할 수 있는 건축물 피해저감 전략으로 전환할 필요가 있다. 이러한 전략이 실현되기 위해서는 토사류가 건축물 하부를 타격하여 국부적인 파손면적이 상부로 전이되는 경향을 고려하여(Fig. 1 참조), 기초부와 벽체하부를 중심으로 한 보강 방식이 현실적인 수단이 될 수 있다.
그동안 건축물 피해를 저감하기 위한 보강 연구는 주로 건축물 내 보강재 적용, 탄소 섬유 강화 폴리머(CFRP), 방호벽 설치, 보강토벽 시공 등의 공법이 활용되어 왔다(Popescu and Sasahara, 2009; Canelli et al., 2012; Leonardi et al., 2014; Vagnon, 2020; Li et al., 2021), 그러나, 실제 산지 인근의 지형특성 및 건축물 분포특성을 고려 시 협소한 건축물 부지, 불규칙한 지형 및 지질, 도로 접근성과 같은 복합적 요인을 공통적으로 충족시킬 수 없다는 제약사항이 존재하였다. 또한, 보강 연구도 소형 실험이나 수치해석에 국한되어 있어 실제 재해 조건과 구조물 간의 상호작용을 충분히 반영하지 못할 가능성도 존재한다(Leonardi et al., 2014; Wang et al., 2024; Riccio et al., 2024). 예를 들어, Kean et al. (2019)은 정교한 모델을 사용하더라도 미국 캘리포니아 몬테시토에서 실제로 손상된 건물의 50%만 예측할 수 있다고 언급하였다. 이러한 맥락에서 공간적 제약사항을 극복하기 위한 전략수립이 필요하며, 실험에서는 실규모 건축물 구성에 의한 구조적 취약성과 이를 보강한 조건에서 건축물의 토사 저항력을 검증할 필요가 있다.
따라서, 본 연구에서는 NDMI에서 운영 중인 산사태 시뮬레이터를 활용하여 사면 하류부에 실규모 판넬조를 배치하고 토사하중으로 인한 건축물 취약성과 보강 조적조 벽체가 적용된 건축물의 저항력 개선 효과를 평가하고자 한다. 이 과정에서 첫 번째 단계는 정적 구조해석을 통해 결정된 보강 조적조 벽체의 최적모델을 선정하고, 두 번째 단계는 실험 시뮬레이터에 의해 그 실증성을 검증한다. 세 번째 단계는 협소부지 적용성, 시공성, 소요비용, 유지관리의 다섯 가지 측면에서 시공규칙을 마련하고 실제 토사재해 우려 지역에 입지한 일부 주택에 보강 조적조 벽체를 시범 적용하여, 현장 적용성을 평가한다.
2. 토사재해에 따른 판넬조의 재해 취약성
2023년 경북 예천군 감천면 진평리에서 토사재해로 인해 2명의 인명피해가 발생하였다. Fig. 2는 토사재해 개요를 보여준다. 산마루 집수지점에서 시작된 표층붕괴(Fig. 2(a))는 토층의 세굴 등으로 토사가 계곡지형으로 유실(Fig. 2(b))되었다. 첫 번째 합류지(Fig. 2(c))에서 유출수 흐름에 의해 붕적층이 붕괴되고 연행작용을 통해 계곡 내 토사가 하류로 이동하였다. 토사물 이동 과정에서 인근 사면에서 발생된 토사물(Fig. 2(d))은 계곡을 따라 추가로 합류부(Fig. 2(e))에 도달하였다. 이러한 과정에서 합류부로부터 약 50 m 아래에 위치한 판넬주택은 약 100 m 떨어진 하류부로 휩쓸려가 완파된 상태로 발견되었다(Fig. 2(f)). 산간 인근의 건축물은 종종 기초부가 결여되거나 부실한 경우가 있으나, 이 사례는 기초부가 존재하고 있었다. 이러한 결과는 판넬조가 타 건축물에 비해 완파유형과 범위가 더 넓을 수 있음을 의미하며, 특히 산지인근에 가장 많은 분포를 보이고 있다는 점에서 본 연구는 판넬조를 우선순위 검토대상물로 선정하였다.
Overview of Debris Flow Event in Jinpyung-ri, Yecheon County, Korea (July 2023)
3. 실험사면 및 건축물 구성
3.1 실험사면 규모 및 장치
실험사면 구성은 국립재난연구원(NDMI)의 산사태 시뮬레이터(8 m (H) × 20 m (L) × 4 m (W))를 활용하였다. Fig. 3은 산사태 시뮬레이터를 보여준다. 산사태 시뮬레이터의 주요 장치는 수위 조절장치, 강우 시뮬레이터, 지하수 유입 장치(Trigger)로 구성된다. 수위 조절장치는 사면 상류부에서 유입수에 의해 사면을 포화시키기 위한 용도로 활용된다. 강우 시뮬레이터는 노즐 속도, 회전 및 펌프 압력을 제어하여 최대 120 mm/hr까지 조절할 수 있다. 지하수위 유입장치는 사면바닥부에서 물을 방출하여 인위적으로 사면토체의 슬라이딩을 유도하는 목적으로 활용된다. 사면 슬라이딩 과정은 7개의 영상촬영장치(CCTV)를 통해 전 구간에 걸쳐 기록되었다.
Landslide Simulator
3.2 실험조건 및 활용재료
실험사면은 4~5 m/s 속도로 슬라이딩을 유발할 수 있도록 NDMI에서 개발된 최적화 프레임워크에 따라 축조되었다(NDMI, 2023). Fig. 4는 본 연구에서 구성된 실험사면 모식도를 보여준다. 구체적으로, 사면은 배면수위와 강우량만으로 사면의 두꺼운 토양층(H = 1.4 m)과 낮은 투수성(5.58 × 10-5 m/s) 등 다양한 제약조건이 존재하므로, 고속의 슬라이딩을 재현하기 어렵다. 따라서, 실험사면 바닥내 침투를 촉진시키기 위한 필터층으로 경사형 모래층(Sand layer)을 적용하였다. 여기서, 필터층은 침투수를 사면경사가 변화하는 지점까지 운반하여 사면바닥 포화를 유도한다. 이러한 과정이 성립되기 위해서는 동일한 사질계열의 흙에서도 투수성이 확보될 수 있는 조건이 형성되어야 한다.
Experimental Slope Schematic
USACE (2000)에서는 침투수가 정체되지 않고 배수되기 위한 조건으로 필터의(경사형 모래층) 투수계수가 보호하려는 재료보다 최소 5배 이상을 가질 것으로 권고하였으며, Bell (1993)은 과도한 침식을 피하고 적절한 배수성능을 기대하기 위한 투수계수 범위를 10~100배로 제시하였다.
본 실험과 관련하여 사면과 경사형 모래층의 투수계수 차이는 약 28배로 침식, 토사혼입, 그리고 필터층으로 기능하기 위한 충분한 투수계수 조건을 충족하고 있다. 따라서, 이러한 조건이 반영된 경사형 모래층은 사면 상부에 접하고 있는 수위로부터 더욱 원활한 침투를 유도하여 침투 유동성을 높일 수 있는 수단이 될 수 있다.
사면구성에 소요된 총 토사용량은 110 ton이며, 강우는 사면 붕괴 시 시간당 50 mm의 강도로 분사되었다. 사면각도는 전면이 30°, 배후사면은 40°이며, 소단은 0.45 m의 폭을 가진다. 수위는 높이 0.3 m를 유지하였다. 여기서, 수위가 0.3 m를 초과하는 경우, 사면 중앙부에 파이핑 가능성뿐만 아니라 사면 상부 포화로 인해 국부적인 사면붕괴로 이어질 수 있는 기존실험 결과에 기반한다(NDMI, 2023). 사면축조 시료의 물리특성은 실내실험 결과 화강암 풍화토(SM)였으며, 경사형 모래층은 빈입도 모래(SP)로 나타났다. 토양의 물리적 특성 상세 및 입도특성은 Table 1과 Fig. 5에 나타내었다. 실험사면은 중장비에 의해 사면하부로부터 층다짐되었고, 건조밀도는 사면전반에 걸쳐 1.4~1.6 g/cm3로 나타났다.
Physical Properties of Soil
Particle Size Distribution Curve
3.3 실규모 실험모델 구성
본 연구에서는 실규모로 무보강 판넬조와 보강 조적조 벽체가 적용된 판넬조를 제작하여 실험에 활용하였다. 무보강 판넬조는 Fig. 6(a)와 같이 건축물 바닥면이 3.0 m (H) × 3.6 m (L) × 3.6 m (W)이며, 벽체높이 1.2 m 지점에 창문(개구부)이 배치되었다. 보강 조적조 벽체 모델은 Fig. 6(b)와 같이 판넬조(3.0 m (H) × 2.0 m (L) × 2.0 m (W)) 외벽을 U자 형태로 둘러싼 형태로 제작되었다. 기초부는 3.6 m (L) × 3.6 m (W)으로 바닥면으로부터 높이 0.2 m에 위치한다.
Types of Experimental Models
보강 조적조 벽체는 철근이 삽입되지 않은 조적조 블록모델과 조적 블록 구멍에 종철근과 횡철근(D19: 19 mm)을 삽입한 모델로 분류된다. 조적조 블록은 기초와 연결 후 시멘트 모르타르로 충진함으로써 일체화된 벽체를 가지도록 설계되었다. 해당 시공방식은 고도의 기술이나 전문 장비 없이도 현장에서 개인 단위로 구현 가능하다는 점에서, 현장 적용성이 높도록 구성되었다. 두 모델의 차이점은 건물 바닥면 치수는 동일하지만, 보강 조적조 벽체가 적용된 모델은 기초가 추가되어 건물 폭이 다소 상이하다는 점이다. 다만, 유사하중을 받는다고 가정한다면, 벽면적이 좁은 조건에서 토사충격에 대한 하중분담률이 작아지므로, 보강 조적조 벽체의 저항성을 보다 보수적인 조건에서 평가할 수 있다.
두 모델의 외벽에는 토사충격력을 계측할 수 있도록 로드셀(Range: 5,000 kPa)이 바닥면으로부터 0.2 m 간격으로 설치되어 있다. 여기서, 로드셀에 의한 토사 충격력은 외부하중이 벽체에 충돌 시 벽체표면에 동적압력이 전달되며, 이 압력은 반력으로 표현된다. 이러한 원리에 따라 구조물의 취약부를 찾는데 유용하게 활용될 수 있다. 이 충격력이 발현되기 위해 기초부는 두 모델 모두 자유변형이 가능하도록 바닥면을 고정하였다.
3.4 수치해석 입력 파라메터 및 모델구성
토사하중 하에서 보강 조적조 벽체의 저항성을 효과적으로 발휘할 수 있는 모델을 산출하기 위해 정적해석을 수행하였다. 해석모델은 Fig. 7과 같이 무보강 조건(unreinfoced model, UM), 보강 조적조 벽체 두께(masonry wall thickness, MWT)별로 각각 0.3 m, 0.4 m, 0.5 m 조건, 종철근이 적용된 보강 조적조 벽체(vertical rebar masonry wall thickness, MWTVR), 종⋅횡철근이 적용된 보강 조적조 벽체의 두께(vertical and horizontal rebar masonry wall thickness, MWTHVR)로 구성되었다. 단, 보강 조적조 벽체의 두께 모식도는 유사하므로 Fig. 7에서 벽체 두께 0.4 m와 0.5 m 조건은 생략하였다.
Types of Analysis Model
토사 충격력은 방호벽 및 구조물에 작용하는 충격하중을 정량적으로 추정할 수 있는 경험적 모델이 활용되었다(Proske et al., 2010; Cui et al., 2015). 토사류의 평균 유속은 5 m/s이며, 유동높이(h)는 판넬조의 개구부가 위치하는 높이 1.0 m로 설정하였다. 이에 따른 최대 충격압은 Eq. (1)과 같다.
Pstatic과 Pdynamic은 각각 정적압력과 동적압력으로 Eq. (2)와 같이 나타낼 수 있다.
α 와 β는 Froude 수(Fr) 계수로 Proske et al. (2010)에 따라α는 5.38 Fr-1.5, β는 4.18 Fr-2.18로 정의된다. 각 유속 조건에 대응하는 Froude 수는 0.96~1.60 범위로 계산되었으며, 최대 충격압은 약 139~221 kPa로 도출되었다. Table 2는 해석에 적용된 재료의 입력파라메터를 보여준다.
Parameters Used for the Analysis
콘크리트 탄성계수(Ec)는 일반화된 경험식 8,500
Analysis Case Conditions
4. 결과 및 고찰
4.1 최대변위 및 변위분포
토사류 유속 5 m/s 조건에서 건축물에 충돌 시 변위 거동은 벽체의 유무 및 두께와 철근 보강 조건에 따라 명확한 차이를 나타내었다. Fig. 8은 벽체 하단부에서 산출한 최대 변위 분포이며, Fig. 9는 시간경과에 따른 변위거동을 보여준다.
Displacement Distribution
Displacement-time History
무보강 조건(UM)에서 벽체중앙은 응력집중으로 인해 과도한 변위가 발생하였으며, 최대변위는 약 10 m에 근사하였다. 이 결과는 벽체 하단부는 콘크리트 재료로 구성된 기초부보다도 취약함을 보여주며, 외부 토사하중에 대한 저항력이 없어 완파 또는 전도될 가능성을 보여준다. 철근이 적용되지 않은 벽체(MWT 0.3 m, 0.4 m, 0.5 m)는 두께가 커지고 철근이 추가될수록 변위분포가 현저하게 작아지는 경향이 나타났으나(MWTVR 0.4 m, MWTHVR 0.4 m), 변위-시간 이력을 고려 시 수치적인 차이는 미미하였다.
이러한 차이는 약 10 m의 변위가 발생된 무보강 모델(UM)과 다르게 벽체두께가 적용된 조건 이후부터는 일정수준의 강성이 확보되므로 응력이 분산될 수 있는 조건이 형성되었다고 볼 수 있다. 따라서, 시간-변위 그래프는 변위가 낮게 산출된 것으로 분석되었다.
전체적으로, 변위 분포경향을 고려할 때 벽체두께의 증가만으로 변위의 분산이 제한적이며, 종⋅횡철근이 적용된 MWTHVR 0.4 m가 토사하중 작용 시 구조적 안전성 측면에서 높은 성능을 기대할 수 있으므로, 실증실험 모델로 선정되었다.
4.2 대형실험에 따른 실증성 검증
사면 슬라이딩은 2023년 NDMI에서 개발된 최적화 프레임워크에 의해 재현되었으며(NDMI, 2023), 대형 실험사면에서 슬라이딩 속도는 4.46~4.60 m/s 범위로 측정되었다. 이는 NDMI 시뮬레이터의 이론적 최대 슬라이딩 속도(5.11 m/s)의 약 87~90%에 해당하며, 이 속도 범위는 사전에 설정된 비 RC 건축물의 완파범위에 해당된다. 이 속도범위는 Cui et al. (2015)의 토석류 실험결과와 유사하여 본 실험에서 구현된 시뮬레이션의 유동 조건이 실제 사면 슬라이딩 현상을 현실적으로 반영하고 있음을 나타내었다. 이러한 조건하에서 실규모 무보강 판넬조와 MWTHVR 0.4 m이 적용된 판넬조에 대하여 토사 충돌 시에 따른 충격력을 비교⋅분석하였다.
Figs. 10과 11은 사면에서 슬라이딩 전후 무보강 판넬조와 MWTHVR 0.4 m 판넬조를 보여준다. 무보강 판넬조는 토사하중이 작용하는 1.2초 동안 기초로부터 이탈하여 약 15 m 하류로 이동하였다. 반면, MWTHVR 0.4 m 판넬조는 토사하중 하에서도 변형과 변위는 관찰되지 않았다. 이러한 결과는 Fig. 12에 제시한 바와 같이 로드셀에 의해 계측된 충격력 결과로부터 설명될 수 있다.
Unreinforced Panel Structure
Panel Structure with RMWT 0.4 m
Measured Debris Impact Pressure
무보강 판넬조는(UM) 기초바닥 상부 0.2 m 높이에서 약 40 kPa의 최대 충격력이 기록되었는데(Fig. 12(a)), 이는 기초바닥 상부지점이 슬라이딩 되어 내려온 토체하중 전체를 부담하는 지점에 위치한다. 따라서, 충격압은 급증한 형태를 가진다. 이 충격력 수준은 심각한 손상 한계치에 해당되며, 35~50 kPa 범위의 충격 압력에서 비보강 조적 주택의 파괴가 시작되는 범위와도 잘 일치하고 있다(Kang and Kim, 2016; Li et al., 2017).
비록 건축물의 구조 형식에는 차이가 있으나, 판넬 건축물을 포함한 다양한 보강되지 않은 비 RC 건축물에 파괴를 유발할 수 있는 충분한 임계점이 될 수 있다. 그러나, 유사 하중 하에서도 MWTHVR 0.4 m 판넬조는 파손이나 붕괴가 발생하지 않았다는 점에 주목할 필요가 있다. 이러한 차이는 벽체 높이별에 따른 충격력 결과로 설명된다. 무보강 판넬조는 0.8초 시간대에서 충격력의 최대 지점에 도달한 이후 1초 시간대에서 0으로 수렴하였다. 이는 토사하중이 판넬조에 집중응력으로 작용하고 있어 후속적으로 밀려들어오는 토사에 대해 저항력을 지속적으로 유지할 수 없는 상태로 볼 수 있다. 또한, 1초 시간대 이후부터는 Fig. 12(a)와 같이 반복적인 비선형 진동이 관찰되었는데, 이러한 진동 특성은 구조적 안정성이 저하된 경량⋅연성 건축물이 장시간 자유진동을 나타내는 반응과 유사하다(Zeng et al., 2015; Li et al., 2017). 따라서, 현장조사 및 실증실험 결과와 같이 무보강 판넬조는 토사하중에 취약한 조건임을 알 수 있으며, 토사류에 의해 건축물이 하류로 이탈할 수 있는 개연성이 충분한 것으로 판단된다.
MWTHVR 0.4 m 모델의 최대 충격력은 Fig. 12(b)와 같이 약 42 kPa로 유사하였으며, 2.5초 시간대에서 빠르게 감쇠하여 20~25 kPa 수준을 유지하였다. 이 과정은 초기상태에서 최대 충격력 발생 이후 지속적으로 작용하는 하중에 대해 저항력이 유지되고 있으므로, 보강 조적조 벽체가 응력분산 효과가 높음을 의미한다. 또한, MWTHVR 0.4 m 판넬조의 기초부가 이탈되지 않은 원인은 종철근이 기초부와 접합되어 있어 기초 정착력 향상과 변위 억제에 기여한 것으로 분석되었다. 결과적으로, MWTHVR 0.4 m는 토사하중 저항에 특화된 방식으로 실증성이 검증되었다고 할 수 있다.
한편, 실증실험에서 충격압은 해석모델과 유사 속도였음에도 불구하고 정적해석에서 산출된 결과보다 작게 나타났는데, 이는 해석모델에 적용된 경험식이 토질 특성이나 건축물 강성 등 과대평가되었을 가능성도 시사한다. 그러나, 보강 조적조 벽체적용 유무에 따른 건축물의 저항성 효과가 실증실험과 일관되게 도출되었다는 점에서 MWTHVR 0.4 m 모델은 신뢰성을 가진 것으로 판단된다. 따라서, 본 연구에서는 MWTHVR 0.4 m 모델을 현장 실증을 위한 설계모델로 결정하였다.
4.3 시공규칙 마련 및 현장 실증 사례
토사재해가 우려되는 지역 내 주택이 입지하는 경우 주거지 이전은 재해 위험을 회피할 수 있는 확실한 수단이다. 그러나, 거주지 이전은 주민 생활권, 재정적 여건 등 다양한 요인으로 인해 현실적으로 실현되기 어려운 경우가 많다. 이러한 환경에서 토사재해 방지에 특화된 보강 조적조 벽체는 거주환경을 유지하면서도 상시적으로 피해를 최소화할 수 있는 구조적 대응 수단이 될 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 토사재해 우려지역내 위치하고 실제 토사재해 발생 가능성이 높은 지점에 입지한 목조주택을 대상으로 시범 구축을 수행하였다.
주택의 배후산지는 Fig. 13과 같이 다섯 개의 계곡과 네 개의 합류부가 존재하며, 목조주택 방향으로 유수 흐름방향이 형성되어 있었다. 거주민에 따르면, 과거로부터 토사재해가 지속적으로 발생되어 앞으로도 위협을 느낀다고 언급하였다. 따라서, 거주민 요청에 따라 해당 지자체와 협의하고 현장에 보강 조적조 벽체를 설치하였다. 이를 위한 사전단계에서 공간성, 비용효과, 시공성 및 시공기간, 유지관리의 다섯 가지 항목을 설정하고, 다양한 제약조건에 만족할 수 있도록 시공규칙을 정립하였다.
Site Layout of MWTHVR 0.4 m
시공규칙 항목 중 공간성은 건축물 배후사면이 가깝게 위치하여 부지가 협소한 경우도 많으므로, 시공(자재운반)을 수행할 수 있는 최소 폭 1.5 m 이상으로 결정하였다. 비용항목은 기초부, 철근 및 시멘트 등 부수 재료비를 포함하여 보강 조적조 벽체 높이 1.2 m, 길이 10 m를 기준으로 내역을 산출한 결과, 250만원 이내로 책정되었다. 이 조건에서 시공기간은 2일 이내이다. 시공체계는 장비 의존도가 낮고, 도로 접근성이 불리한 산간지역에서도 적용 가능하여야 하므로, 인력기반 설치로 제한하였다. 유지관리의 경우 토사재해에 의해 손상 시까지 영구 구조물로 활용가능하므로, 별도의 유지관리는 요구되지 않는다. Fig. 14는 목조주택 상부에 꺾임형 보강 조적조 벽체(MWTHVR 0.4 m)의 시범 구축 사례를 보여준다. 보강 벽체(높이 1.2 m, 길이 4 m)는 토사류를 벽체 꺾임부에서 우회시킴으로서 목조주택을 보호할 수 있도록 시공되었다. 완공 이후 공간성, 비용효율, 경제성, 시공기간, 유지관리에 대한 적합성 검토 결과는 Table 4에 나타내었다. 공간성은 사유지나 부지공간이 협소한 곳에 적용되기에 충분하였으며, 비용은 250만(원) 이내를 만족하였다. 비용효율은 일반적인 사방댐 건설비용(평균 3억원)보다 약 99% 절감할 수 있어 경제성이 높은 것으로 평가되었다. 해당 시설물의 부지는 중장비가 들어올 수 없는 환경이지만, 인력만으로도 충분한 시공이 가능하였으며 시공 소요일은 2일 이내였다.
Conceptual Model of Debris-flow Process
Construction Standards and Results
전체적으로 시범지구에 적용된 결과는 시공규칙과 실제 결과가 잘 부합하였으며, 이는 해당 공법이 획일화된 방법으로 현장에 일반화할 수 있는 잠재성을 보여주었다. 본 연구결과는 보강 조적조 벽체 설계부터 현장 적용에 이르기까지 전 과정을 실증함으로서 향후 토사재해 우려지역 내 입지한 주택에 대해 안전 인프라 구축을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
5. 결 론
본 연구는 보강 조적조 벽체의 구조적 성능과 현장 적용성 평가를 위해 수치해석, 산사태 시뮬레이터에 의한 실험 검증, 시범구축을 통해 현장적용성을 평가하였다. 보강 조적조 벽체는 5 m/s 속도를 가지는 토사류 조건하에서 조적조 벽체 두께가 증가된 모델, 종철근 모델, 종⋅횡철근 모델에 대해 각각 수치해석을 수행한 결과, 단순히 벽체 두께 증가보다 철근이 적용된 조건이 가장 높은 저항성을 보였다. 특히, 종⋅횡철근이 모두 적용된 MWTHVR 0.4 m 모델은 전체 구조에 걸쳐 변위를 저감시킴으로서 본 연구에서 검토된 모델 중 구조적 안정성이 가장 높은 것으로 나타났다. 이러한 결과를 기초로 MWTHVR 0.4 m 모델을 산사태 시뮬레이터에 실규모로 구축하였다. 실험에서는 약 4.6 m/s의 속도를 가지는 슬라이딩에 의해 무보강 판넬조가 하류부로 15 m 이탈한 반면, MWTHVR 0.4 m 모델이 적용된 판넬조는 파손이나 변위없이 안정적인 상태를 유지하였다. 이러한 결과를 토대로 현장 적용성과 공간적 제약사항을 판별하기 위해 공간성, 시공성, 경제성, 시공기간, 유지관리의 다섯 가지 시공규칙을 마련하였다. 현장실증은 실제 토사재해 우려 지역 내 목조주택을 대상으로 하였으며, 현장시공 결과를 비교한 결과, 시공규칙과 시공결과에 모든 항목이 부합하여 현장 적용성이 높은 것으로 평가되었다. 이러한 결과는 보강 조적조 벽체가 현상에서도 토사재해 위험을 상시적으로 대응할 수 있는 수단이 될 수 있음을 시사하며, 나아가 정책적 대책 수립 및 세부기준 설정에 대한 토대마련에 기여할 것으로 기대된다.
감사의 글
본 연구는 행정안전부 국립재난안전연구원의 지원(“실증실험 기반 토사재해 취약성 평가기술 개발”, “주요 2025-07-01”)에 의해 수행되었습니다. 이에 감사드립니다.