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1. 수치해석모델을 활용하여 다양한 붕괴 시나리오를 시뮬레이션함으로써 교량 붕괴 원인을 정밀하게 분석하고, 유사한 사고를 방지할 수 있다.
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2. 모형 제작을 통한 실험 결과와 수치해석 결과를 비교함으로써 해석모델의 정확도를 높이고, 실제 교량 설계 및 보수 계획에 활용 가능하다.
 
====경제적, 사회적 기대 및 파급효과====
 
====경제적, 사회적 기대 및 파급효과====
내용
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1. 붕괴 위험 요소를 사전에 식별하고 예방 조치를 강화함으로써 긴급 복구 비용을 절감하고, 교량의 수명을 연장하여 장기적인 경제적 이익을 창출할 수 있다.
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2. 선진적인 해석기법과 실험 데이터를 기반으로 교량 설계 및 유지보수 기술을 발전시켜 국가 인프라의 신뢰성을 높이고, 해외 기술 경쟁력 강화에 기여 가능하다.
  
 
===기술개발 일정 및 추진체계===
 
===기술개발 일정 및 추진체계===

2025년 5월 27일 (화) 22:34 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 교량 붕괴 사고 사례 모형 제작과 수치해석 비교 분석 - 세종포천고속도로 사례를 중심으로

영문 : Comparative Analysis of Case Model of Bridge Collapse and Numerical Analysis – Focusing on the case of Sejong Pocheon Expressway

과제 팀명

03조

지도교수

조수진 교수님

개발기간

2025년 3월 ~ 2025년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 토목공학과 20228600** 박*준(팀장)

서울시립대학교 토목공학과 20208600** 김*윤

서울시립대학교 토목공학과 20188600** 김*현

서울시립대학교 토목공학과 20208600** 신*필

서울시립대학교 토목공학과 20208600** 김*수

서울시립대학교 토목공학과 20198600** 문*찬

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

서론

본 프로젝트는 서울-세종 고속도로 공사 현장에서 발생한 붕괴사고의 원인을 분석하고, 이를 통해 향후 유사 사고 예방 및 구조물 안전성 향상을 위한 개선 방안을 도출하는 것을 목표로 한다. 이에 본 연구는 사고 사례 분석, 축소 모형실험, 수치해석을 종합적으로 수행하여 사고 메커니즘을 규명하고자 한다.

본론

첫째, 사고 사례 데이터 수집 및 분석 단계에서는 서울-세종 고속도로 붕괴사고와 관련된 조사 보고서, 언론 보도, 공공데이터를 바탕으로 사고 발생 지점, 붕괴 형태, 시공 단계, 사용 재료, 지반 조건, 기상 상황 등을 종합적으로 분석한다. 이를 통해 붕괴의 주요 원인과 발생 메커니즘을 파악하고, 축소모형 설계의 기초 자료로 활용한다. 둘째, 모형실험 및 검증 단계에서는 분석된 사고 요인을 반영하여 축소모형을 제작하고, 실험을 통해 구조물의 거동, 붕괴 진행 양상, 주요 취약부를 재현하고 관찰한다. 이를 통해 붕괴 발생 조건 및 시나리오를 검증하고 실험 데이터를 확보한다. 셋째, 수치해석 프로그램 활용 단계에서는 ANSYS 프로그램을 이용하여 축소모형실험에서 얻은 데이터를 기반으로 구조물의 응력 분포, 변형 양상, 붕괴 시 하중 전달 경로 등을 해석한다. 실험 결과와 수치해석 결과를 비교 분석하여 해석의 신뢰성을 확보하고, 붕괴 메커니즘에 대한 이해를 심화한다.

결론

본 프로젝트를 통해 축소모형실험과 ANSYS 수치해석을 연계한 분석을 수행함으로써 서울-세종 고속도로 붕괴사고의 주요 원인과 구조적 문제를 명확히 규명할 수 있을 것으로 기대한다. 이를 토대로 붕괴 사고 예방을 위한 설계 및 시공 개선안과 관리 대책을 마련하여, 향후 대형 공공 인프라 건설 현장에서의 안전성을 높이는 데 기여하고자 한다.

개발 과제의 배경

◇ 지난 25일 오전 경기도 안성시 서운면 산평리 소재 서울세종고속도로 천안~안성구간 9공구 천용천교 건설 현장에서 교량 거더가 붕괴하는 사고가 발생해 4명이 숨지고 5명이 크게 다쳤다. 사고가 발생한 곳은 서울세종고속도로 천안∼안성 구간 9공구 중 충남 천안과 경기 안성의 경계쯤 있는 청룡천교 건설 현장이다. 교각의 높이는 구간별로 다르지만, 최고 52m이며, 상판이 떨어진 구간 거리는 약 210m로 파악됐다. 사고의 정확한 원인은 아직 조사 중에 있다. 당시 다리 상판 위에서는 작업자 10명이‘빔 런처(Launcher)’ 장비로 철제 빔을 거치하는 작업을 하던 중이었다. 세종에서 서울로 올라가는 상행선 구간은 이미 설치가 돼있었고, 하행선에 상판을 설치하기 위해 런처를 옮기는 작업 중 사고가 난 것으로 파악됐다. 런처와 작업자들은 함께 바닥으로 추락해 잔해에 매몰됐다. 위 사고에대해 수치해석 모델과 모형 제작을 통해 사고의 원인을 정밀하게 분석해 보고, 차후 발표될 사고 분석 결과와 비교하고자 한다.

붕괴.png

개발 과제의 목표 및 내용

이 프로젝트의 목표는 서울-세종 고속도로 제9공구 교량 거더 붕괴 사고를 수치해석 모델과 모형제작을 통해 구조적으로 재현, 분석함으로써 사고의 주요 원인 가능성을 공학적으로 도출하는 데 있다.

1. 본 연구는 교량 거더 붕괴 사고의 원인을 분석하고, 정부에서 수행한 조사 결과와 비교하여 차이점을 도출하는 것을 목표로 한다. 연구팀은 총 6명으로 구성되며, 수치해석 모델 분석팀(3명)과 모형 제작 및 분석팀(3명)으로 나누어 각 분야별 연구를 진행한다.

2. 수치해석 모델 분석팀은 MIDAS, ANSYS 등의 엔지니어링 시뮬레이션 프로그램을 활용하여 붕괴 당시 거더의 형상과 가해진 하중을 모델링하고, 이에 따른 변형과 붕괴 원인을 분석한다. 특히 빔 런처, 풍하중 등의 요인을 고려하여 붕괴 메커니즘을 정량적으로 평가한다.

3. 모형 제작 및 분석팀은 붕괴 직전의 교량 형상을 축소 모형으로 제작하여 다양한 하중 조건(예:풍하중, 충격 하중, 빔 런처 등)을 시뮬레이션한다. 이를 통해 실제 붕괴 과정에서 발생한 구조적 취약점을 검토하고, 재료의 강도 및 연결부의 변형 특성을 분석하여 보고서를 작성한다.

4. 각 팀이 수행한 연구 결과를 비교·분석한 후 최종 보고서를 작성하여 붕괴 원인을 논리적으로 추론한다. 이를 통해 정부 조사 결과와의 차이를 검토하고, 연구 결과가 향후 교량 설계 및 안전 평가에 실질적으로 적용될 수 있는 시사점을 도출하는 것을 목표로 한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

  • 전 세계적인 기술현황

기술현황01.png


- 교량 축소 모형을 이용한 붕괴 사고 분석 사례는 없음

설명 : 자료조사 결과 교량의 축소 모형을 제작하여 붕괴 사고를 분석한 사례는 없었음. 대신 저수지를 1/50 축척 모형을 제작하여 원심모형실험을 수행한 사례는 확인함. 이 모형 실험을 통해 월류시 실제 저수지의 붕괴를 막을 수 있는 방법을 찾는 등 유의미한 결과를 도출함. 이를 바탕으로 교량 붕괴 사고 분석 시에도 축소 모형을 사용하여 붕괴 원인을 조사하는 기술의 정당성을 확인할 수 있음.

참고자료 : 교육과학기술부의 연구자료 ‘원심모형실험을 이용한 저수지 월류시 제체보호공법 개발’ 자료 3p(하단부 ‘3) 원심모형실험 결과 ~’ 내용), 5p(‘3.1.2 저수지 모형 제작’ 내용)

종합해보면, 각 기관의 사고사례 조사 과정은 ‘1. 현장 조사 → 2. 데이터 수집 → 3. 구조적/실험적 분석 → 4. 프로그램 활용 분석’ 순을 공통으로 따르고 있다. 핵심은 사고 분석을 위해 하나의 방법만을 사용하지 않고 다방면에서 분석한다는 점이다. 다양한 자료를 찾아본 결과 교량 축소 모형을 이용해서 붕괴 사고를 분석한 사례는 없었으나, 토목 구조물에서 축소 모형을 이용해서 붕괴와 관련된 실험을 한 사례를 바탕으로 축소 모형을 이용한 교량 붕괴 사고 분석을 수행하고 수치해석 소프트웨어를 활용하여 사고 원인을 도출하고자 한다.

  • 기술 로드맵

로드맵01.png

시장상황에 대한 분석

  • 시장성 분석

1. 수치해석과 모형 제작 분석 기법의 시장에서의 실효성

-산업적 및 시장적 수요최근 서울 세종 고속도로 교량 붕괴 사고, 시흥 교량 붕괴 사고 등 다양한 붕괴사고가 발생하고 있다. 또한 노후화된 인프라의 증가로 추가적인 교량의 붕괴 위험성이 있다. 이를 해결하기 위해 다양한 사고 사례 분석 기법과 이를 통한 사고예방법이 필요하다. 기존의 사고 사례 분석 기법은 정량적인 방법이 아니라 전문가의 주관적인 판단에 따라 붕괴 원인을 도출하거나, 경험적 분석에 의존하는 경우가 많으며, 통제하기 어려운 변수들에 의해 비합리적인 결과를 얻을 수 있는 가능성이 있다.따라서 아래 사고 사례 분석 기법을 사용하여 사고 발생 원인을 정량적으로 평가하고, 건설 현장에서의 구조물 사용 간의 환경 상황을 최대한 동일하게 하여 변수를 통제하고, 사고 발생 원인을 정밀하게 판단할 수 있다.

-수치해석 모델

수치해석 모델을 통한 사고사례 분석 기법은 교량의 구조적 특성, 하중 분석, 붕괴 메커니즘 등을 정밀하게 예측할 수 있으며, 유한 요소 해석, 구조적 시뮬레이션, 동적 해석 등 다양한 기법을 활용해 교량 붕괴 시나리오를 예측하고, 교량에 미치는 영향 분석을 할 수 있으며, 교량 붕괴 시 붕괴 원인은 찾을 때 더욱 정확하고 효율적인 분석을 할 수 있다. 또한 빅 데이터와의 결합으로 과거의 유사한 붕괴 사고의 사고 원인을 파악하여 해당 붕괴 사고에서 가장 가능성 높은 붕괴 원인을 추론할 수 있고, 붕괴 사고의 데이터들을 데이터베이스에 저장하여 건설 현장에서, 혹은 구조물의 사용 중에 빈도수가 높게 일어나는 사고원인을 파악하여 교량의 사고를 예방하고 교량의 설계 및 보수를 최적화하는 데 유리하다.

-모형제작 기법

실제 교량에 대한 실험은 큰 비용과 시간이 소요된다. 반면에 모형제작을 통한 사고사례 분석기법은 교량의 전체적인 규모와 특성을 반영한 물리적 모형 제작을 통해 시간과 비용 절감을 실현할 수 있다. 또한 해당 모형을 이용한 실험은 교량의 특수한 사용 조건이나 예외적인 사고 발생 가능성을 평가하는 데 유용하며, 실험적 검토와 함께 다양한 붕괴 시나리오를 실험적으로 테스트할 수 있어 실제 사고의 교량의 반응을 보다 정확하고 직관적으로 이해할 수 있다.

2. 경쟁력 분석 및 차별화 요소

기존의 교량 사고 분석 기법에 반해 해당 기법은 엔지니어링 프로그램을 활용한 정밀한 분석과, 다양한 데이터를 바탕으로 붕괴 사고를 다각화한 시각으로 볼 수 있다. 또한 각 교량의 환경 및 사용조건에 맞춘 수치해석 모델과 모형 제작을 통해 각 교량 사고의 맞춤형 설루션을 제공할 수 있다. 또한 수치해석 모델과 함께 AI를 적용하면 교량에 발생할 수 있는 다양한 사고 시나리오를 기계학습 기반으로 예측 및 예방할 수 있다. 이를 통해 교량의 안전성을 강화해 교량 사고로 인한 인명피해와 경제적 손실을 줄이며, 교량의 모형화와 시뮬레이션을 통해 비용과 시간을 절감한 사고 원인 분석이 가능해진다.

  • 사회성 분석

1. 국민 안전 인식 제고

 서울–세종 고속도로 사고는 교통 인프라에 대한 국민 신뢰를 심각하게 훼손한 사례로 평가된다. 이러한 사고는 단순한 구조물 붕괴를 넘어 국민들이 일상에서 느끼는 불안감을 증폭시키고, 공공 인프라 전반에 대한 신뢰 하락으로 이어진다. 따라서 사고에 대한 심층적인 분석과 구체적인 예방 방안 제시는 국민의 안전 체감도를 실질적으로 향상시키는 역할을 수행한다. 국민이 체감할 수 있는 안전성은 단순히 기술적 완성도를 넘어서, 사회적 신뢰의 복원과도 직결된다. 안전 인프라에 대한 신뢰 회복은 곧 공공정책의 정당성을 뒷받침하고, 지역사회 통합 및 정책 수용성 강화로 이어질 수 있다. 이러한 점에서 본 프로젝트의 사회적 효과는 상당히 크다고 할 수 있다.

2. 예방적 안전 관리 강화

 본 프로젝트는 사고 이전 단계에서부터 잠재적 위험요소를 탐지하고 제거하는 ‘예방 중심 안전 관리 체계’를 지향한다. 수치해석 기반의 사고 위험 분석은 구조물 내외부의 결함을 파악할 수 있으며, 사고 발생 전 조기 대응을 가능하게 한다. 이는 시공 및 유지관리 단계에서 정량적 데이터를 활용한 객관적 의사결정을 가능케 한다. 이러한 체계는 안전 관리의 신뢰성을 향상시키고, 사회 전체의 위기 대응력을 한층 강화 시킬 수 있다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

1. 수치해석모델을 활용하여 다양한 붕괴 시나리오를 시뮬레이션함으로써 교량 붕괴 원인을 정밀하게 분석하고, 유사한 사고를 방지할 수 있다.

2. 모형 제작을 통한 실험 결과와 수치해석 결과를 비교함으로써 해석모델의 정확도를 높이고, 실제 교량 설계 및 보수 계획에 활용 가능하다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

1. 붕괴 위험 요소를 사전에 식별하고 예방 조치를 강화함으로써 긴급 복구 비용을 절감하고, 교량의 수명을 연장하여 장기적인 경제적 이익을 창출할 수 있다.

2. 선진적인 해석기법과 실험 데이터를 기반으로 교량 설계 및 유지보수 기술을 발전시켜 국가 인프라의 신뢰성을 높이고, 해외 기술 경쟁력 강화에 기여 가능하다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

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설계 사양

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개념설계안

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이론적 계산 및 시뮬레이션

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상세설계 내용

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결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

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포스터

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관련사업비 내역서

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완료작품의 평가

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향후계획

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특허 출원 내용

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