재난재해 속 시설물 붕괴, 안전을 위한 대비책은?

Writer. 황진상(경운대학교 안전방재공학과 교수) / 김태훈(공간정보산업협회 공간정보기술연구원 팀장)

시설물 붕괴위험의 증가와 대응시스템의 필요성

모든 시설물은 시간경과에 따라 노후화되어 사용한계를 초과하여 활 용하는 경우 지속적인 유지보수와 안전성에 대한 모니터링을 필요 로 한다. 시간경과에 따른 자연적인 노후화 외에도 지반 상태의 변 화, 부실시공, 지진·태풍 등 시설물의 안전을 저해하는 다양한 요 인들로 인해 사용기간이 길지 않은 시설물에 대한 모니터링이 필요 한 경우도 많다.
최근 들어 시설물 붕괴사고가 다수 발생하여 국민들이 불안에 떨 고 있다. 판교 환풍구 붕괴사고, 리조트 붕괴사고, 경주 및 포항 지 진으로 인한 건축물 파괴 등 다양한 시설물 붕괴사고들이 발생하였 으며 큰 규모의 인적·물질적 피해로 인해 국민들의 일상생활을 위 협하는 불안요인으로 작용하고 있다. 붕괴사고 발생 위험성을 증 가시키는 요인 중의 하나는 재난위험시설로 분류되는 노후시설물 의 증가다.

(그림 1)은 2011년부터 2014년까지 서울특별시의 노 후시설물 수의 변화를 정리한 것이다. 퇴거조치가 이루어져야 하는 E등급 시설물의 수는 비교적 일정하게 유지되고 있으나 주요 부재 에 중대한 결함이 발생한 D등급 시설물의 수는 급증하고 있다는 사 실을 알 수 있다. 국내의 도시개발이 짧은 기간 내에 빠르게 진행된 점을 감안할 때 노후시설물의 수는 계속해서 증가할 것으로 예상되 며 이는 시설물 붕괴위험 위험이 점차 심각해 질 것을 시사한다(그 림 2). 이 외에도 건설공사현장에서 발생하는 건설가시설의 붕괴위 험 증가, 지진 등 재난발생 후 시설물의 내구성 저하 및 붕괴위험 증 대, 노후화된 대형 산업시설 붕괴로 인한 유해화학물질 유출 등 대 형 재난 발생위험 증대, 폭설, 집중호우 발생빈도 증가로 인한 시설 물 취약성 증대 등도 그 요인들이다(그림 3). 이러한 붕괴위험 발생 증가 경향을 볼 때 시설물 붕괴 재난으로부터 국민들을 보호하고 국 민의 안전과 안심을 정상화하기 위해서는 시설물의 붕괴 위험을 사 전에 감지하여 적합한 대응을 유도할 수 있는 체계의 도입이 필요한 것을 알 수 있다.

그림3. 최근 발생한 붕괴사고의 예

시설물 붕괴·변형 대응시스템의 정의와 기술구성요소

지능형 시설물 붕괴·변형 대응시스템은 점차 증가하는 붕괴재난 발 생위험에 효과적으로 대응하기 위하여 제시된 기술이다. 외적거동 등 시설물에 발생하는 다양한 변화를 실시간으로 모니터링하여 구조물의 상태를 지능적으로 분석하고 각종 이상이나 위험 발생 시 보수 보강 작업을 유도하고 심각한 경우 주변에 위치하고 있는 사람들에 게 위험을 알릴 수 있는 기술로써 이를 간략하게 정의하면 다음과 같 다(그림 4).

“공공·민간 시설물의 거동과 상태를 실시간 측정·모니터링 하여 안전·안심정보를 생산·공유함으로써 효과적인 대응을 유도하고 붕괴재난·불안으로부터 국민을 보호하는 체계”

지능형 시설물 모니터링 기술은 여러 센서, 플랫폼, 통신 등 다양한 요소기술들로 구성된다. 4개 부분 11개 기술로 분류할 수 있으며 각 기술들 내에서 세부 분류가 나누어지기도 한다. 이를 정리하여 표시 하면 (그림 5)와 같다.
센서 부문은 시설물의 거동을 감지하는 센서 기술과 센서에서 취 득한 데이터를 가공하고 상태를 분석하며 중앙관제센터로 전송하 는 센서노드 및 센서게이트웨이 기술로 구성된다. 플랫폼 부문은 시설물 모니터링 작업을 종합적으로 관제하고 정보를 취합·분 석하며 시설물 안전정보를 생산·공유하는 역할을 담당한다. 분 석 부문은 모니터링 대상 시설물의 취약점을 파악하여 예상되는 위험 거동 시나리오를 설정하고 센서의 종류와 부착대상지점을 결정하는 기술들로 구성된다.  통신 및 상황전파 부문은 사물인터넷 통신망 기술을 기반으로 센서에서 수집한 데이터와 센서 상 태 정보를 수집하고 유사시 위험상황을 효과적으로 전파하는 기 능을 담당한다.

그림4. 시설물 붕괴·변형 대응시스템의 정의

그림5. 시설물 붕괴·변형 대응시스템의 기술적인 구성요소

시스템의 기능과 역할

지진이나 노후화 문제 등으로 인해 구조적인 손상이 발생한 시설 물에 다수의 센서를 부착하면 각 센서는 시설물의 상태정보를 실 시간으로 측정하여 플랫폼으로 전송한다. 균열계는 건축물에 발 생한 균열의 폭 변화를 측정하고 경사계는 건축물의 기울기 변화 를 측정한다. 3축 가속도계는 건축물에 발생하는 진동과 기울기 변화를 동시에 측정하며 지능형 CCTV는 건축물의 변형량과 위치 변화를 측정한다. 각 센서에는 지능형 IoT 통신 모듈이 탑재되는 데 1초에 수십번 이상 수집되는 방대한 양의 센서 정보를 효과적 으로 요약하여 중앙관제시스템으로 전송하는 역할을 담당한다. 방대한 양의 센서 정보 전체를 중앙관제시스템으로 전송하던 기 존의 방식은 과대한 통신료를 발생시키기 때문에 지속적인 운영이 어렵다. 지능형 IoT 통신 모듈은 센서가 측정한 방대한 정보를 분 석하여 요약된 정보만을 전송할 수 있기 때문에 저렴한 IoT 통신망 의 활용을 가능하게 한다.

그림6. 시설물 붕괴·변형 대응시스템 플랫폼 부문 구동 화면

플랫폼은 각 센서에서 전송한 정보들을 분석하여 시설물의 붕괴 위 험도와 이상 상태를 실시간으로 분석하는 두뇌 역할을 담당한다. (그 림 6)에 예시한 바와 같이 플랫폼은 각 시설물에 대한 붕괴 위험 분석 결과를 종합적으로 표출하여 여러 건축물의 안전상황을 한 눈에 파 악하고 대응할 수 있는 과제 기능을 제공한다. (그림 6)에서 중앙에 표 시된 육각형은 하나의 시설물을 나타내는데, 붉게 표시된 육각형은 붕괴 위험이 발생했음을 의미하고 회색으로 표시된 것은 센서에 고 장이 발생하여 유지보수가 필요함을 의미한다. 이처럼 붕괴위험 관 리대상 시설물들의 상황을 종합적으로 표출할 뿐만 아니라 그림 오른쪽 부분에 나타낸 바와 같이 시설물별 상태를 표출하여 다수의 위 험 시설물을 효과적으로 관제할 수 있도록 지원한다. 또 상황전파시 스템은 플랫폼이 생산한 시설물 안전정보를 다양한 경로를 통해 시 민과 관계기관에 제공하는 기능을 수행한다.

적용방안과 기대효과

본 시스템은 위험시설물에 거주하거나 시설물 주변에서 활동하는 시 민들에게 안전·안심정보를 제공하는 목적으로 활용할 수 있다. 지진 발생 후 시스템이 가동되기까지 상황을 예를 들면 (그림 7)과 같다. 지 진으로 내구성이 약화된 건축물에 거주하는 시민들은 항상 불안할 수 밖에 없다. 지진으로 인해 발생한 건축물 벽면의 작은 균열 하나에도 시민들은 불안감을 느끼게 되어 정상적인 일상생활을 방해받게 된다. (그림 7)에 예시한 바와 같이 이러한 상태의 건축물에 센서를 부착하 고 그 안전도를 실시간으로 모니터링 함으로써 위험이 발생하지 않은 경우에는 안심정보를 제공할 수 있고 위험이 발생한 경우에는 시민들 의 즉각적인 대피 유도 및 관계기관의 신속한 대응을 유도하기 위한 안전정보를 실시간으로 제공할 수 있다.
본 시스템은 위험 시설물에 즉시적으로 적용하여 안전·안심정보를 생산할 수 있기 때문에 보수·보강 시행 전까지 시민의 안전 확보에 활용할 수 있을 뿐만 아니라 붕괴불안으로부터 시민들을 보호할 수 있기 때문에 향후 유용하게 활용될 것으로 기대된다.

그림7. 지진대비 시설물 붕괴·변형 대응시스템 활용 모델

2018-05-25T11:39:04+00:00