SOC SOC Solution조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 도시침수 방지 및 시민보건안전을 위한 빗물받이 개선

영문 : improve street inlet for urban flood inundation prevention and civil health safety

과제 팀명

쏙쏙 해결하조 (soc soc solution)

지도교수

문영일 교수님

개발기간

2019년 9월 ～ 2019년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 토목공학과 20148600** 김** (팀장)

서울시립대학교 토목공학과 20168600** 김**

서울시립대학교 토목공학과 20168600** 문**

서울시립대학교 토목공학과 20168600** 우**

서울시립대학교 토목공학과 20168600** 이***

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

노면에 흐르는 빗물은 도로의 측구로 유입되어 빗물받이를 통하여 차집 된다. 도로의 측구는 노면수를 빗물받이까지 이동시키는 중요한 역할을 할 뿐만 아니라 도로에서 유일한 배수 수로의 역할을 담당하고 있어 그 형상과 규모에 대해 많은 연구가 수행되었다.
따라서 우리는 상용화 가능한 합리적인 새로운 빗물받이 모델을 고안하여 도시 침수의 주된 원인인 오물 퇴적으로 인한 빗물받이 막힘 문제를 해결한다.

개발 과제의 배경

최근 들어 환경의 변화로 인한 국지적인 집중호우가 우리나라 뿐 만 아니라 세계 곳곳에 빈번하게 발생한다. 이러한 집중호우는 불투수 면적이 크고 도달시간이 매우 짧은 도시지역에 천문학적인 수치의 피해를 주고 있으며, 더욱이 인구가 집중되는 거대도시화로 인하여 그 피해는 날로 늘어 가고 있는 실정이다. 따라서 도시지역을 대상으로 하는 홍수저감시설의 연구는 필수적이며, 효율적인 배수 시스템을 갖추는 일은 시급하다.
도시지역에서 대부분의 빗물은 도로를 통해 이동하기 때문에 도로에 설치되어 있는 빗물받이와 같은 배수실설의 배수능력을 분석하는 것은 매우 중요하다. 배수능력의 분석 없이 무작위로 설치되어있는 배수시설은 제 기능을 다하지 못함을 물론이고, 오히려 주택가 침수피해의 결정적 원인을 제공한다.
배수시설의 기능 저하에는 여러 가지 이유가 있겠지만, 자갈, 토사 및 기타 유송잡물에 의하여 비롯되는 박힘 현상이 주요한 원인이 된다. 배수 시설의 통수능을 이상적으로 분석하여 설치하여도, 막힘 현상을 고려하지 않는다면 결과적으로 빗물배제능력의 저하로 이어지게 되는 것이다. 막힘 현상은 지역별, 관리정도, 유송잡물의 종류, 경사 등의 변화에 따라서 막힘의 정도, 형태가 매우 다양하므로 여러 가지 조건에서 연구를 할 필요성이 있다.
외국의 경우에는 빗물받이의 형태, 크기, 위치, 설치방법, 설치간격 등에 관한 연구를 꾸준히 해왔으며, 최근에는 유입구에 막힘(Clogging)에 관한 연구가 활발히 진행중이다.
최근들어 국내에도 빗물받이의 중요성을 인지하고 연구가 활발히 진행되고 잇지만 아직까지는 측구 빗물받이에 한정 되어 있으며, 빗물받이 막힘에 따른 차집효율의 변화 등에 대한 것은 미비한 실정이다.
이러한 점들을 고려할 때, 침수 피해로부터 시민들의 재산을 보호하고, 불편을 덜어주기 위해 합리적인 배수시설이 필요하다. 이런 배수시설의 특성을 연구함에 있어서 도로의 표면에서 일차적으로 빗물 배제에 커다란 역할을 하고 있는 빗물받이의 연구가 우선시 되며, 이를 바탕으로 도로 조건에 따른 빗물받이의 적정한 모델을 연구하여 도시 홍수피해를 경감시켜야 한다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 도시 침수의 주된 원인인 오물 퇴적으로 인한 빗물받이 막힘 문제를 해결한다.
    : 막힘을 해결하면 악취, 청결 문제 또한 해결된다.

◇ 상용화 가능하고 제작 및 설치 측면에서 경제적인 빗물받이 모델을 개발한다.
    : 건기 시 빗물받이 덮개 폐쇄 가정

◇ 문제 발생 원인을 차단하는 빗물받이 모델과 인식 개선을 유도하는 빗물받이 모델을 혼용한다.

◇ 빗물받이 개폐 및 청소(인력)에 관한 행정제도 개선 제안과 캠페인 활동을 수반한다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 기존 고안된 빗물받이 덮개 중 상용화 되지 못한 제품을 활용 및 개선하여 기술성과 상용성을 극대화 시킨다.

◇ 궁극적으로 도시침수 발생 가능성을 낮추고 침수 피해 또한 절감 할 수 있을 것이다.

◇ 빗물받이 기능을 사용하는 기간은 365일 중 60일 밖에 되지 않는다. 때문에 건기 시 빗물받이를 완벽히 차단기술을 도입하여 빗물받이로 인해 발생하는 다양한 문제점들(아래열거)을 해결한다.

① 각종 쓰레기가 하수 본관 유입구를 막아 발생하는 배수 문제

② 개방된 하수관으로 인해 내부로부터 유출되는 악취 문제

③ 빗물 외 각종 오염물들의 퇴적으로 인한 악취 문제

④ 해충의 서식지화 된 빗물받이를 통해 드나드는 해충 문제

⑤ 지속적인 청소작업과 우기 전 특별청소에 드는 막대한 인력과 비용 문제(각 지자체마다 1억~10억)

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 건기에는 폐쇄한다는 기본 가정 하에 빗물받이 덮개만을 새로이 고안하여 설치하는 것이므로, 막대한 비용과 혁신적인 스마트 기술을 요구하지 않는다. 따라서 경제성과 시공성 등을 고려했을 때, 시급한 현 상황을 타개할 수 있는 가장 효과적인 대안이 될 것이다.

◇ 빗물받이 개폐에는 결국 사람의 노동력이 필요하다. 현재 고령화 사회로 접어들며 노인 일자리 창출은 매우 시급한 문제이다. 이는 현 정부에서 가장 화두로 삼고 있는 ‘일자리 늘리기’ 문제와도 즉결된다.

◇ 캠페인 실시 등으로 시민들의 주체의식을 유도하여 쓰레기 투기 자체를 줄이고, 궁극에는 시민의식을 향상 시킬 수 있는 좋은 기회가 될 것이다.

설계

설계사양

제품의 요구사항

차량하중을 견딜 수 있는 주철을 물결무늬인 폭이 있는 곡선 형태로 구부리고 이러한 주철 여러 개를 교차 연결하여 하나의 우수용 배수 받이 덮개로 만든다. 곡선 형태인 하나의 주철은 쉽게 구부러지지 않을 만큼의 강도가 있어야하며 적당한 폭을 가져야한다. 또한 측면으로 빗물이 충분히 배수될 수 있도록 주철의 각도가 충분히 휘어있어야 하며 동시에 도로주행을 방해 할 만큼의 급격한 각도로 노출되어있으면 안 된다.

설계 사양

기존의 빗물받이는 사람들이 무심코 버리는 쓰레기로 인해 기존에 설계했던 것보다 배수구의 배수가능 면적이 줄어들어 제대로 된 기능을 수행하지 못하고 있는 실정이다. 이러한 문제는 악취를 유발하거나 도시미관을 해칠 뿐만 아니라 도시 홍수의 주된 원인이 되고 있다. 
따라서 물결무늬를 인용한 3차원 빗물받이는, 위에서 보았을 때 빗물받이가 완전히 막힌 것과 같은 착시 효과를 주어 사람들이 빗물받이 틈새로 쓰레기를 버리지 못하게 하고 덮개 위에 이물질이 끼거나 막혔을 때 측면배수를 통해 원활한 배수가 이루어지도록 하는 것에 주 목적을 두고 있다.
또한 빗물받이의 3차원적인 형상은 빗물 흐름에 조도를 주어 난류를 형성하게 함으로서 흐르는 빗물을 효과적으로 배수할 수 있도록 한다.

개념설계안

이론적 계산 및 시뮬레이션

기존에 통상적으로 사용되는 (40cm X 50cm) 크기의 격자형 빗물받이 모델에 비해 새로 개발된 모델이 50%효율이 좋을 것이라는 가정하에 기존 격자형 모델이 가진 배수면적의 절반을 만족하도록 설계하였다.

또한, 실험을 위한 작품제작은 상용화될 크기의 40%로 축소하여 제작하였다.

상세설계 내용

설계 결과를  토대로 가장 이상적인 형태인 5개의 웨이브 , 5/2주기를 기준으로 하였다.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

◇ 본 연구는 도로 측구에 매설된 우수 관거와 함께 새로운 빗물받이 모델을 개발하여 현 빗물받이 모델의 문제점을 해결하고 배수효율을 최적화하는 설계모형을 제시하였다.

최적설계를 하기 위해서 비용을 최소화하며 수학적 조건을 만족하는 배수면적과 철제 물결의 경사와 구배의 최적조합을 시행착오법 (Trial and Error) 을 이용하여 산정하였다.

◇ 기존의 격자식 스틸 그레이팅 빗물받이 모델보다 본 모형은 쓰레기 및 오물의 퇴적가능성과 퇴적된 쓰레기 처리 비용 면에서 더 좋은 결과를 줄 수 있다.

따라서 본 연구에 의한 결과는 우수관거 위 빗물받이의 새로운 형상의 모델이 그 모델의 구체적이고 적정한 치수 설정과 함께 고려될 때 보다 효율적이고 경제적인 공사 시행이 가능함을 보여 주고 있으며, 아울러 본 모형은 빗물받이 설계에 있어서 대상지의 확률강우량, 홍수발생 가능성, 침수 가능성과 정도에 따라 수치를 다르게 적용하는 것이 가능한 모형이 될 것이다 . 또한 본 모형은 기존의 매설된 우수관거 위에 스틸 그레이팅 교체만으로 쉽게 사용할 수 있다. 
만약 차가 거의 다니지 않는 도로와 고속도로처럼 다양한 무게의 차들이 지속적으로 지나다니는 도로같이 도로의 용도가 다를 시에는 3차원 우수 배수 장치의 강도를 고려하여 적합한 구역에만 설치하거나, 스틸의 강도를 조절하는 등으로 모형을 사용할 수 있을 것이라 판단된다. 
다만, 횡경사의 변화 및 곡선 부와 같이 노면 조건이 변화되는 구간의 경우 실험식의 보정 및 기타 제약 조건들에 대한 세밀한 추후 연구가 필요하며 이에 따른 본 모형의 개선이 필요하다.

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

⇒ 5/2*5개 : 5/2 물결 주기, 다섯 개의 웨이브를 표준형으로 설정 결과 값은 예상대로 위의 형상이 가장 빠른 배수(0:52:39)를 만족하였다.

⇒ 2/2*5개, 5/2*5개, 7/2*5개 : 동일한 5개의 웨이브를 가진, 주기별 차이 비교군 결과 값은 같은 5개의 웨이브일 때, 표준형(반원개수:50)이 가장 배수가 잘 되었다.

2/2주기(반원개수:20), 7/2주기(반원개수:70)를 비교하였을 때, 반원의 개수 더 많고 (= 배수면적은 동일) a값: 타원의 장축이 더 짧은 빗물받이 형상이 배수가 더 오래 걸리었다. 
즉 같은 웨이브 개수일 때, 주기가 짧은 빗물받이 형상이 배수효율이 낮다.

⇒ 5/2*4개, 5/2*5개, 5/2*6개 : 동일한 주기를 가진, 웨이브 개수별 차이 비교군 결과 값은 같은 5/2 주기를 가졌을 때, 표준형(반원개수:50)이 가장 배수가 잘 되었다.

 4개의 웨이브(반원개수:40), 6개의 웨이브(반원개수:60)를 비교하였을 때, 반원의 개수 더 많고 (= 배수면적은 동일) b값: 타원의 단축이 더 짧은 빗물받이 형상이 배수가 더 오래 걸리었다. 
즉 같은 주기일 때, 웨이브 개수가 많은 빗물받이 형상이 배수효율이 낮다.

⇒ 모든 빗물받이에 낙엽이 쌓였을 때, 배수 시간 비교

결과 값은 물결무늬 빗물받이에 낙엽이 쌓였을 때 배수시간은 형상 별 큰 차이가 없었다. 하지만 격자식 빗물받이와 물결무늬 빗물받이 위에 낙엽이 쌓였을 때 배수시간을 비교해보면, 격자식 빗물받이에서 배수시간이 비교적 훨씬 길어짐을 알 수 있다.

결과적으로 다섯 개의 웨이브, 5/2 주기의 빗물받이 형상이 가장 효과적인 빗물받이 형상임을 알아냈으며, 주기가 짧을수록 웨이브 개수가 많을수록 빗물받이의 배수효율이 낮아진다는 것을 알 수 있다. 또한 빗물받이에 오물(장애물)이 퇴적 되었을 때, 격자식보다 물결식 빗물받이 모델이 더 잘 대처함을 알 수 있다.

포스터

완료작품의 평가

기존 시스템에 빗물받이 판만을 교체하는 방식으로 실제 현장에 적은 비용으로 적용 가능하다. 하지만 3차원 적인 모양으로 노면에서 튀어나와 있는 형상이기 때문에 다소 주행에 방해가 될 수 있다는 단점이 있다. 때문에 덮개의 곡률을 결정할 때 주행성과 배수용량을 고려하여 적절한 합의점을 찾는 것이 관건이다.

향후계획

설계 내용을 토대로 부족한 내용을 보완하여 특허 등록까지 진행한다.

특허 출원 내용

(발명의 주요 내용)

본 고안은 도로에 위치하는 우수 배수장치에 관한 것으로서, 기존에 도로에 매립되어있는 배수로는 그대로 하고 기존의 평면형태의 스틸 그레이팅 만을 교체하는 방식이다. 기존의 평면적인 그레이팅 형태에서 탈피하여 여러 개의 물결모양이 나란히 위치하도록 하여 위에서 보았을 때 완벽히 차단되어 있는 듯 한 효과를 주어 쓰레기와 같은 이물질이 들어갈 틈을 없애는데 주 목적이 있다. 빗물은 기존의 빗물받이와 달리 측면으로 배수되는 형식이며 재질은 차량의 하중을 견딜 수 있는 주철제를 이용한다.

(특허 출원 연혁)

◇ 서울시립대학교 도시홍수연구소와 연계하여 본 팀의 개발 제품(3차원 도로 우수 배수 장치)의 특허 출원을 제시하였다.

2019년 10월 30일 - 지식재산 상담소(6차)에 신청하여 IP진흥팀장님과 특허, 실용신안, 디자인 등 지식재산권 출원에 대해 상담을 진행하였다.
2019년 11월 20일 - 일차적으로 국내 출원 발명 신고서를 작성하였고, 신고서를 바탕으로 평가받아 서울시립대 산학협력단의 지원이 결정되었다.
2019년 11월 28일 – 일차 발명 신고서의 수정사항을 정정하였고, 산학협력단을 통해 담당 변리사와 매칭 되었다.

현재 개발과제 제품의 신규성과 진보성을 인정받아 도시홍수연구소, 산학협력단과 함께 특허 출원을 준비 중에 있다.

2019년 12월 초 – 변리사와의 만남 및 상담 예정
2019년 12월 말 – 최종 특허 출원서 작성 및 제출 예정
2020년 2월 – 특허 출원 가능 여부 확정