피해방지해조
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 도시하천 예·경보 시스템을 활용한 친수공간 안전도 향상방안 - 도림천을 중심으로
영문 : Safety improvement plan of the waterfront space using urban flood forecasting and warning system focused on the Dorim stream
과제 팀명
피해방지해조
지도교수
문*일 교수님
개발기간
2021년 3월 ~ 2021년 6월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 토목공학과 20188600** 이*현(팀장)
서울시립대학교 토목공학과 20188600** 김*아
서울시립대학교 토목공학과 20188600** 김*애
서울시립대학교 토목공학과 20188600** 신*을
서울시립대학교 토목공학과 20168600** 이*호
서울시립대학교 토목공학과 20188600** 한*은
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
◇ 강우시 도림천의 친수공간 이용 안전도 향상을 위한 예·경보 시스템과 대피시설 설치 ◇ 기존의 기술 조사 및 기대효과 고찰 ◇ 대피시설 설계 및 작동기준 설정
개발 과제의 배경
◇ 지난 29년간 세계 평균 기온은 약 0.9도 상승했지만, 한반도는 약 1.4도 상승해 평균 상승률이 2배 가까이 이르고 있는 것을 보면 한반도의 평균 온도는 지구 평균보다 빠르게 상승하고 있다. 우리나라의 여름철 평균 강수량은 1980년대 700mm 이하였으나, 지난해 여름 역대 최장기 장마로 인해 전국 평균 780mm 이상이 내리는 이상 기후를 겪었다. 또한, 시간당 30mm 이상의 집중호우의 발생빈도는 1980년대에 비해 2000년대에 약 30% 이상 증가했다. 이로 인해 작년 한 해 전국에서 약 1조2천585억 원의 피해가 발생하였다. 따라서, 서울시의 침수취약지역 중 하나인 도림천 역시 안전도 향상의 필요성이 대두되고 있다. 그래서 서울시에서는 집중호우로 인한 피해가 계속됨에 따라 수십 년간 빗물 저류조와 빗물펌프장, 하수관거 등을 개보수하였다. 하지만 상류 구간(관악산 지역)제외 대부분 경사가 완만한 평탄지를 이루는 전형적인 도심지인 도림천은 더딘 배수와 저지대의 특수함으로 인해 침수피해 극복이 어렵다. 그래서 과거부터 현재까지 계속된 도림천 관련 수해로 인해 2018년부터 관악구가 도림천 중심 멀티 재난 예·경보 시스템 사업을 진행하고, 뉴스, 라디오 등 여러 매체를 통하여 대피 안내방송이 시민들에게 송출되고 있지만, 경각심의 부재로 인해 최근 2020년까지 집중호우로 인한 지속적인 인명피해가 발생함에 따라 더 효과적인 대책 마련이 필요하다고 생각해 연구 과제로 선정하였다.
그림(1) 최근 29년 동안 평균 기온 특징
그림(2) 풍수해 인명피해 현황
개발 과제의 목표 및 내용
-목표
◇ 기존의 도림천에 있는 예·경보 시스템과 대피시설에 레이저, 접이식 대피 사다리, 간이 승강기를 추가로 설치함으로써보다 홍수시 더 확실하고 안전한 대피가 가능하게 하고, 그에 따른 인명피해 및 수해 감축이 목표이다.
-내용
1) 레이저
① 수문해석 모델(XP-SWMM, HEC-RAS)을 활용해 도림천 하천 특성을 분석하여 데이터 베이스 구축한다.
② 데이터 베이스를 활용하여 강우시 도림천 수위를 예측한다.
③ 도림천에 있는 기둥에 예측한 수위를 레이저로 쏘아 서울시 기준에 따라 서로 다른 색을 비춰 강우에 대해 예보 및 경보를 실시한다.
④ 색이 변하는 기준은 기존에 정해져 있는 서울시 홍수통제기준을 사용한다.
⑤ 기둥에 쏘는 레이저뿐만 아니라, 대피로 정보 및 강우 정보를 제공하는 레이저를 바닥에 쏜다.
2) 접이식 사다리
① 기존 도림천 홍수 시 사람이 고립되었던 장소나 인명피해가 발생했던 장소를 위주로, 대피로가 없는 반복개 끝에 하향개방 접이식 비상계단을 설치한다.
② 기존의 다락방 사다리와 대피시설의 결합으로 최대한 많은 구간에 대피시설을 마련한다.
③ 접이식이기 때문에, 홍수 전 평상시에는 작은 부피로 산책로의 공간을 침해하지 않고 하천의 미관을 해치지 않는다.
④ 접이식 대피 사다리 옆에 자동으로 사용할 수 있는 스위치를 배치하므로 여닫이에 편리성을 더한다.
⑤ 현재 설치된 비상계단과 달리 하천 밖으로 대피하는 것이 주목적이라기보다는, 잠시 머무를 수 있도록 따로 상판이 설계되어 사람이 비상계단 위에서 구조인력이 도착하기 전 임시로 대피하도록 한다.
3) 간이 승강기
① 기존 도림천의 대피로는 신체적 약자가 신속하게 대피하기 어렵다.
② 아파트 재난 상황 시 사용하는 대피 방법인 ‘살리고 승강기’와 유압식 리프트를 활용한 간이식 승강기이다.
③ 강우 시 승강기가 작동하기 위해 물에 잠기는 부분은 방수로 제작하여 여러 상황에 작동이 용이하게 한다. 간이 승강기에는 1인이 탑승하여 기존의 비상 대피로 상부로 대피한다.
④ 개발한 간이 승강기를 도림천의 범람 위험 구간마다 설치한다.
⑤ 노인과 어린아이 등 빠른 대피가 어려운 신체적 약자들이 직접 사다리나 계단을 오르지 않고도 자동으로 대피공간까지 빠르게 이동할 수 있게 돕는다.
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
1) 국내 사례
◇ 하천 위기상황 시스템 : 강우량, 하천 수위, 비상경보 상황, CCTV 등의 정보를 이용하여 문자전광판, 비상경보시설, 경광 등을 통해 하천 이용 시민에게 위기상황 전파 시스템
◇ 수위모니터링 시스템 : 수위 실시간 감시 및 수위모니터링 재난안전대책본부 수위자료 표출, 수위 상황에 맞는 대응조치 메시지를 발송 (수위 60%, 80%, 90% 도달 시)
◇ 내외수 연계 내수침수예측시스템 : 대규모 하천에 비해 도달시간이 상대적으로 짧은 도림천 같은 중소 규모 도시하천의 도시홍수 예보를 위해 초단기 강우 예측 기술과 우수관망 단순화 기술, 매개 변수 추정 기술 및 모니터링 기술, 내수침수 해석 기술 등의 핵심 기술을 이용하여 선행적인 예측을 통한 신속성과 도시홍수예보에 대한 정확성을 확보한 시스템.
2) 해외 사례
◇ 미국
그림(3) 미국의 예경보시스템
⓵ 선진수문예측 시스템(Advanced Hydrologic Prediction Service ; AHPS) : 미국 전역에 약 4000여 개 지점의 수위예측 지점자료를 바탕으로 홍수예보 관측자료를 제공하고, 13개의 하천 예보센터들과 정보를 공유해 하천 예보를 수행하고 있다. 기상청(NWS)에서 돌발홍수능지표(Flash Flood Guidance : FFG)를 적용하여 도시유역의 돌발홍수 예측 정보를 제공하고 있다.
⓶ 텍사스 FAS2 시스템(Bedient, 2003) : 레이더 강우 자료 기반의 시스템으로 레이더 강우 자료를 활용하여 계측한 강우량을 수문모형에 입력하여 유역 내 첨도 홍수량을 예측하고, 이 홍수량이 임계치를 초과하면 대피 경보를 발령하는 구조이다. 텍사스 휴스턴 의료지구에 대해 구축하여 환자들의 긴급대피에 활용되고 있다.
◇ 유럽
그림(4) 유럽의 예경보 시스템
⓵ 유럽 홍수 조기 경보시스템(European Flood Awareness System : EFAS) : 초국가적인 대유역 및 유럽 전역에서 홍수를 감시하고 예측하는 최초의 유럽 운영시스템으로 해당 국가 및 지역에 확률적 홍수예보, 중기홍수예보, 돌발홍수 지표 또는 영향 예측에 대한 정보를 제공하며 비상대응 합동센터(ERCC)에 유럽 전역 걸쳐 발생 중인 홍수 상황에 대한 정보를 제공한다. 개별적으로 영국 환경청에서는 지역별 실시간 홍수 발생 가능성 예측지도(Live Flood Warning Map)를 제공하는 시스템을 구축하고, 홍수 발생 가능성을 4단계로 구분하여 홍수에 사전 대비할 수 있도록 하고 있다.
⓶ 프랑스
ESPADA 시스템(Raymond, 2006) : 약 15만 명의 인구가 거주하며 가을에 상습적인 홍수를 겪는 프랑스의 Nemes 지역에 대하여 구축되었다. 레이더 강우 자료와 10개의 지상 강우 자료를 입력 자료로 하는 실시간 수문모형을 활용하여 유량을 예측하고, 이를 기반으로 44개의 미리 정해놓은 침수 시나리오 중 하나를 택하여 홍수경보를 발령한다.
⓷ 스페인(바르셀로나)
HIDROMET(2014) : 스페인 바르셀로나 지역에 대하여 구축된 실시간 내수침수경보 시스템으로 9.61 ㎢의 지역에 대하여 6분-1 ㎢의 레이더 강우 자료와 5분-9개의 지상관측 자료를 사용하여 향후 2시간 후의 강우를 예측한 후, 이를 MOUSE 내수침수 모형(Elliot et al., 2007)의 입력 자료로 활용하여 침수면적을 얻고 경보를 발령한다.
⓸ 덴마크
Hvidovre 시스템(Jensen, 2013) : 덴마크의 22개 도시유역에 대하여 구축되었으며, 5분 단위의 레이더 강우 자료를 실시간으로 얻고, 이를 시뮬레이션 기반의 강우-침수면적 관계의 입력 자료로 활용하여 침수면적을 얻는다.
3) 레이저 관련기술
◇ 바닥 광고
그림(5) 로고라이트 기능
바닥에 레이저를 쏘아 광고를 하는 로고 라이트라는 기술이 존재하다. 로고라이트를 통해 어두운 공간에서 일반적인 표지판의 식별 상의 문제점이나 기존의 LED Sign물 등의 가격적인 부담을 해소할 수 있다. 로고 라이트는 사람들에게 각종 정보를 손쉽게 전달할 수 있는 기능을 구비하고 있다.
4) 접이식 사다리 관련기술
다락방의 사다리에서 이용하는 접이식 사다리 기술이 존재한다. 다음과 같은 사다리의 형식을 아코디언 형식이라고 한다.
그림(6) 접이식 사다리
5) 간이 승강기 관련 기술
화재시 아파트 같은 구조물에서 사용하는 ‘살리고’승강기 기술이 존재한다. 하지만 ‘살리고’승강기는 하향식이므로 도림천에 적용시키기 위해 상향으로 바꾸는 기술이 추가적으로 필요하다.
그림(7) 살리고 승강기
- 기술 로드맵
◇ 기반 기술개발
- 강우 분석모형, HEC-RAS, GIS 프로그램을 활용한 XP-SWMM을 활용하여 강우 시 도림천 수위 변화를 분석 - 기존 예·경보 시스템 분석 - 기존의 분석 기술들을 종합해서 최적 운영시스템 콘텐츠를 구성 - 홍수 예·경보 시스템 통합 DB 구축 - 홍수 위험 및 침수예측 시스템에 실시간 제공되는 수문 자료(수위)의 정확도 확인
◇ 핵심 요소 기술개발
- 지형, 수문, 수리학적 침수 위험 지역에 특성 인자 분석 (11km의 긴 하천이 구간마다 다른 형상을 보이므로 이를 고려) - 침수 위험 지역에 특성 인자를 반영하여 대피 수단 설치 기준을 확립 - 수리학적 계산 모형 확립 - 예·경보 시스템 운영 가이드라인 적용성 검토를 통한 위험도 및 신뢰도 산정 (실질적으로 도림천에 적용할 수 있는지에 대한 가이드라인) - 최적 운영 기술 적용에 따른 침수피해 저감 분석
◇ 실증 연구 및 실용화
- 대피 방법, 대피 수단 운영 가이드라인 초안 제시 - 기존 시스템을 보완해서 최적 운영을 하고, 시스템 적용 및 효과 분석 - 기존 예·경보 시스템의 불확실성을 고려한 기존 관리시스템과 연계 방안 구축
◇ 최종 성과
- 보완된 홍수 예·경보 시스템 - 대피 방법 성능 평가 및 개선 - 개선 설계 가이드라인 제시 - 대피방안을 실제 시행할 때 안전성 시뮬레이션 (노인, 어린아이 등 노약자를 고려한 시뮬레이션)
시장상황에 대한 분석
◇ 도림천의 수방시설 현황 - 하천 위기상황 관리시스템 - 하수관로 수위모니터링 시스템 - 빗물펌프장, 수문 - 빗물 저류조 등 현재 도림천에는 하천 경사 급변부로 집중호우 시 수위 급상승이 우려되는 지역에 하천 위기상황 관리시스템이 설치되어 있으며 강우량, 하천 수위, 비상경보 상황, CCTV의 정보를 활용하여 문자전광판, 비상경보시설, 경광등을 이용함으로써 집중호우 시 하천을 이용하고 있는 시민에게 위기상황을 신속히 전파하고 있다. 더불어 하수관로 수위모니터링 시스템의 작동으로 실시간 수위를 감시하여 재난안전대책본부 수위자료를 표출하고, 수위 상황에 맞는 대응조치 문자메시지를 서울시, 자치구의 담당자들에게 자동으로 전송한다. 그 외에도 3개의 빗물펌프장, 5개의 수문, 3개의 빗물 저류조 등의 방재시설물이 존재한다.
그림(8) 현장조사로 발견한 도림천의 수방시설
◇ 도림천의 재난(기상)정보 수집 및 상황전파
재난(기상)정보를 기상청 홈페이지, 방재 기상정보(기상청), 홍수정보제공시스템(한강홍수통제소) 등의 정보 제공처를 통해 수집하여 단계별(예: 주의→재해경계경보→재해위험경보) 상황별 행동요령에 따라 상황을 전파한다.
◇ 지하주택 등 주거지 침수 대응
⓵ 공무원 돌봄 서비스
침수취약지역의 데이터베이스를 구축 및 상시 연락체계를 가동하여 비상연락망에 대한 SMS 자동통보시스템(실시간 수방 시스템)을 구축하여 자구적 수해예방 노력을 유도하고, 침수 이력이 있는 주택 등의 구민과 공무원을 1:1로 연결하며, 집중호우 예상 시 담당 공무원이 중점관리가구에 유선으로 연락한다. 또한, 방수판ㆍ자동 모터 점검과 가동지원 등 사전/사후로 관리한다.
⓶ 빗물받이 책임 관리제
빗물받이 관리자 지정 기준에 따라 평상시엔 미흡 사례를 신고받고, 기상특보 예보 및 발령 시 재난안전대책본부에서 빗물받이 관리자에게 문자를 발송한다.
⓷ 하수시설 현장기동복구반 운영
현장기동복구반을 구성하여 침수 우려 지역 순찰 및 배수로 정비 등 피해복구를 지원하도록 하며, 구(區) 재난안전대책본부와 협조 및 연락체계 유지를 통해 효율적인 운영이 가능하도록 한다. 그 외에도 주민센터와 구청 지원인력 또한 운영한다.
◇ 도로파손 및 도로침수에 따른 교통통제 매뉴얼에 따른 도로시설물 파손 초동조치 및 도로침수에 따른 교통통제를 한다.
◇ 하천 둔치위험 및 범람 등에 따른 주민대피 대피상황 기준 및 단계별 세부 행동요령에 따라 주민을 대피시키며, 하천 위기상황 관리시스템을 운영한다. 또한, 하천 출입통제 및 재난 경보방송으로 주민의 하천 출입을 완벽히 통제하도록 한다.
◇ 방재시설물 가동
빗물펌프장, 빗물 저류조의 방재시설물(수위 기준: 1.6m[1단계], 2.8m[2단계], 3.3m[3단계]) 등으로 분류하여 가동한다.
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
⓵ 홍수 시 신속한 대응체계 구축 가능
⓶ 예측 강우를 활용한 침수예측
⓷ 구간별 유역특성과 산책로 특징을 고려한 대피 방안 확립
⓸ 강우에 따른 도림천의 측정값 DB를 이용하여 침수예측 및 예보 산업의 기반을 조성
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
⓵ 하천 범람으로 인한 수해 감소
⓶ 사전에 재난 발생 가능성을 시각적으로 인지하여 대피해야한다는 경각심을 줌
⓷ 신체적 약자를 위한 대피시설 확보
⓸ 기존의 대피시설보다 더 많은 대피시설 확보
⓹ 도시 침수에 취약한 도림천의 대응시스템에 기초자료 제공 가능
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
구성원 및 추진체계
조장: 이승현
회계: 한채은
자료조사: 이동호, 김윤아
ppt: 신채을, 김윤애
설계
설계사양
제품의 요구사항
설계 사양
개념설계안
1. 레이저
⓵ 바닥 레이저
◇ 문구 및 디자인
현재 많이 사용되고 있는 바닥 광고를 하천에 적용한다. 도림천의 하천 특성상 반복개 구간이 많아 주위가 어두워 레이저의 가시성이 좋다. 또한, 기둥이 많이 존재해 레이저를 설치하기에 편리하다.
그림(9) 바닥 광고 예시
레이저를 통해 바닥에 제시된 도안을 비추어 사람들에게 경각심을 주어 대피를 유도한다. 모든 도안을 상시 띄우면 사람들의 반응이 무뎌질 수 있으므로 <그림2>는 강우 시에만 띄워 보다 큰 예방효과를 얻는다. 조사결과 강우시 사람들이 비를 피하기 위해 반복개 구간으로 들어가 오히려 인명피해가 발생하는 등의 문제가 확인되었다. 따라서 <그림2>은 보이는 것과 같이 도림천 진입을 금지하여 위와 같은 문제를 방지한다.
그림(10) 강우시 사용할 레이저도안
그림(11) 상시 사용 레이저 도안_1
그림(12) 상시 사용 레이저 도안_2
그림(13) 상시 사용 도안_3
<그림3,4,5>는 상시 띄워지는 도안으로 도림천 이용객들의 인식변화 및 대피로 정보제공을 목표로 한다. 도림천 산책로를 자주 이용하는 인근 주민 및 방문객들이 강우시 안전사고 및 하천 범람의 위험성을 인식하고 적절하게 대피할 수 있도록 한다. 도림천은 매해 안전사고가 발생하는 서울시 침수취약지역이다. <그림3>를 통해 이용객들에게 정보를 제공하여 도림천 산책시 경각심을 가질 수 있도록 한다. 현장조사를 통해 도림천의 대피로 정보제공이 부족함을 확인하였다. 도림천 산책로의 대부분은 반복개 부분으로 주위가 어두워 기존 대피로 안내문의 가시성이 떨어졌고 안내문의 수 또한 부족하였다. 따라서 가시성이 좋은 레이저를 이용해 <그림4>을 바닥에 쏘아 대피로 사이에 일정 간격으로 배치하여 기존의 안내문보다 효과적으로 정보를 전달한다. 구로디지털단지역 부근은 다른 부근보다 고립사고가 자주 발생하여 인명피해가 우려되는 구간이다. 따라서 <그림5>를 구로디지털단지역 부근에 띄워 그 구간을 지나는 이용객들이 위험 구간임을 인지하고 대피로를 숙지할 수 있도록 한다.
◇ 사용 레이저 : 바닥 광고용 로고 라이트
그림(14) 바닥 광고용 로고 라이트
기존의 바닥 광고에 쓰이던 로고 라이트를 이용하여 <그림2, 3, 4, 5의 도안들을 산책로나 바닥에 설치한다.
◇ 설치 간격 : 레이저는 도림천 총 11km를 100m 간격으로 총 110개를 설치한다.
⓶ 기둥 레이저
◇ 사용 레이저 : 로고 라이트 4구 롤링형
4구 각각에 통제기준에 따라 선정한 4가지 색을 대입한다. 호우 상황에 따라 실시간으로 정보를 받아 실시간으로 제어하는‘무비 라이트(아보네)’ 기종도 존재하지만, 시중 가격이 한 대당 대략 8백만원~1천만원으로 경제적이지 않아 상대적으로 저렴한 로고 라이트 4구 롤링형을 선택했다.
그림(15) 로고 라이트 4구 롤링형
시중의 로고 라이트 4구 롤링형은 실시간으로 정보를 받아들이지는 못하지만 기둥에 색을 입히는 용도로는 적당하므로 사용 가능할 것으로 보인다. 또한, 시중의 로고라이트 4구 롤링형은 일정 주기별로 구가 돌아가는 형식이나 본 조는 돌아가는 형식을 통제기준에 따라 실시간으로 사람이 구를 조절할 수 있도록 설계할 예정이다.
◇ 통제기준
기존의 서울시 홍수통제기준
둔치 주의: 초록색
둔치 대피: 노란색
홍수 주의: 주황색
홍수 경보: 빨간색
◇ 디자인 : 위의 통제기준 4구간을 색깔별로 나누어 레이저를 이용해 기둥에 비춘다.
그림(16) 통제기준별 색깔을 레이저로 쏜 기둥
위의 그림과 같이 홍수통제기준에 따라 지정된 색을 기둥에 쏴서 현재 어떠한 통제기준에 속하는지를 한눈에 보여준다.
◇ 설치 간격
도림천 반복개 구간: 6.1km
⓵ 문화교 ~ 도림교 1.8km
⓶ 도림교 ~ 신대방역 2번 출구 400m
그림(17) 문화교~ 도림교 ~ 신대방역 2번 출구
⓷신대방역~신대림교3.8km
그림(18) 신대방역 ~ 신대림교
⓸ 신도림역밑 75m
그림(19) 신도림역 밑
⓹ 신도림역삼거리 다리 36m
그림(20) 신도림역 삼거리 다리
조명설치 간격은 50m로 ⓵,⓶,⓷구간(6km)은 120개, ⓸,⓹구간에는 각각 1개씩 설치한다. 즉 총 122개의 레이저를 설치한다.
2. 접이식 사다리
◇ 접이식 계단이 아닌 접이식 사다리인 이유
- 안전: 사다리를 하향식으로 설치하기에 수압의 영향을 경사식인 계단에 비해 적게 받는다. 그러므로 수압에 대해 붕괴 위험이 적다.
- 공간 활용성: 접이식 사다리는 상향으로 접히므로 측면으로 접히는 접이식 계단과 비교하여 공간 활용성이 높다.
- 사용 편의성: 접이식 사다리는 기성품이 존재하므로 쉽고 빠른 개발이 가능하다.
- 쉬운 설치: 접이식 사다리는 접이식 계단보다 구조가 단순하기 때문에 설치가 쉽다.
- 미학: 평상시는 사다리가 완전히 숨겨져 있어서 산책로의 미관을 해치지 않는다.
◇ 접이식으로 하는 이유 : 현재 도림천의 구간별 대피로 수는 수위 급상승 시 긴급하게 대피할 수 있을 정도로 여유롭지 않다. 저렴한 비용으로 공간을 해치지 않으면서 구조되기까지 대피할 수단이 되어준다. ◇ 임시 대피시설인 이유 : 도림천에는 하천 상부에 도로, 지하철과 같은 도시기반시설이 많아서 직접적인 대피시설의 설치에 제한이 있다. 따라서 이러한 공간적인 한계를 극복할 수 있는 임시 대피시설인 접이식 사다리를 반복개 구간을 위주로 설치하여, 최대한 많은 구간에 대피시설을 마련하고자 한다.
◇ 능동적으로 대피 가능한 경우와 아닌 경우 분리 : 신체적 약자가 아닌 능동적으로 대피 가능한 요구조자를 위한 대피로이다.
◇ 반복개에 부착된 상판은 사람의 무게 외 다른 외력의 영향을 크게 받지 않으므로 적재용량 이상으로 사람이 타지 않도록 경고한다.
◇ 상판 옆면에 투명한 보호막을 설치하여 요구조자가 앉아있어도 낙하 위험을 느끼지 않게 한다.
◇ 사다리의 재료는 ‘⓵ 시공이 용이한가?, ‘⓶ 수명이 긴가?, ‘⓷ 쉽게 부식되지 않는가?’등을 기준으로 금속 중 알루미늄과 강철로 선정하였다. 먼저 금속을 선택한 이유는 금속 사다리의 적재능력은 200kg으로 목재 사다리의 적재용량인 100kg와 비교하여 2배가 크기 때문이다. 그리고 금속 중 알루미늄과 강철로 선정한 이유는 우선 두 금속 모두 수명이 길고 시공이 용이하다는 점을 만족하기 때문이다. 강철은 ‘⓵ 쉽게 부식되지 않는가’를 만족하지 않으나 별도의 부식 방지 코팅을 하여 부식을 최소화한다.
◇ 사다리 이용 가능한 사람의 무게 : 철제 사다리의 최대 적재능력은 200kg이지만 실제 도림천 범람시 수압 등 외부 요인을 고려하여 사다리 최대 적재량을 150kg으로 제한한다.
◇ 공학적 안정도 : 사다리의 경우 기성품으로 쓰이는 다락방 사다리(계단)과 같은 구조로 안정적이고, 요구조자가 임시로 대피해 있는 상판의 경우 현존하고 있는 대피시설의 한 종류이기에 안정적이다.
◇ 작동 방법 : 자동형으로 담당자가 전원 on, off 권한을 맡는다.
◇ 완전히 펼쳐질 때까지 걸리는 시간 : 15~20초로 설계한다.
◇ 접이식 사다리의 형태는 가장 일반적인 아코디언 형식이다. 아코디언을 작동시키듯 사다리를 접고 펼치므로 아코디언 형식이라 칭한다. 이 형식은 일정 크기로 당기면 손쉽게 사용할 수 있다는 편리함 덕에 접이식 사다리 형태로 흔히 사용된다. 주의할 점은 사다리의 부품이 가벼운 금속으로 시공되었기 때문에 사용 중 부품이 움직이지 않도록 최대 하중을 고려하여 설계해야 한다. 아코디언 형식은 크게 두 개 구간으로 나눌 수 있다. 첫 번째 구간은 가정집 창문 정도 크기로 상단에 연결되며 두 번째 구간은 긴 사다리 형태로 바닥에 펼쳐진다.
그림(21) 접이식 사다리 작동 형태
3. 간이 승강기
◇ 유압식 리프트를 사용하는 이유 : 기존에 존재하는 비상 대피로는 사다리를 타고 올라가 통로를 지나 대피로 계단에 도착하는 형식이다. 능동적인 대피가 가능한 사람들의 경우 기존의 비상 대피로를 이용하는 것이 크게 어렵지 않다. 그러나 어린아이나 노인, 다리가 다친 사람 등 신체적 약자들의 경우 사다리를 타고 통로까지 올라가지 못해 고립사고가 발생하였다. 따라서 사다리를 이용하기 힘든 신체적 약자들이 신속하게 비상 대피로 계단까지 대피하기 위해 유압식 리프트를 선택하였다.
◇ 도르래가 아닌 유압식 리프트를 선택한 이유 : 도르래는 무동력으로 전기를 사용하지 않아도 된다는 장점이 있지만, 간이 승강기를 사용할 시 신체적 약자들이 직접 페달을 밟거나, 손잡이를 돌려 비상 대피로 계단까지 올라가야 한다. 따라서 신체적 약자들이 도르래를 사용하여 대피하는 것은 유압식 리프트를 사용하여 대피하는 것보다 신속하게 대피할 수 없다고 판단하였다.
◇ 방수성 : 도르래와 달리 유압식 리프트는 전기를 사용하기 때문에 방수성이 필요하다. 따라서 유압식 리프트의 작동 장치는 물에 닿지 않도록 바닥이 아닌 반복개에 설치해야 하고, 전선은 방수 전선을 사용해야 한다. 또한 유압식 리프트의 재료는 물에 쉽게 부식되지 않는 금속을 사용해야 한다.
◇ 기본형태 : 기본형태는 화재시 아파트애서 대피할 때 사용하는 하향식 간이 승강기인 살리고 승강기의 형태를 참고하였다. 비상 대피로 계단 옆 바닥에 설치하고, 스위치를 누르면 유압식 리프트를 가리고 있던 덮개가 열리고 유압식 리프트의 상판이 나타나는 형태이다. 비상 대피로 계단까지 올라가면서 떨어질 위험이 있으므로 유압식 리프트 상판에 손잡이를 설치한다. (평상시에는 덮개로 가려져 있어, 간이 승강기를 고장없이 보다 오래 사용할 수 있도록 한다.)
◇ 승강기 이용 가능한 사람의 무게: 최대적재용량 300kg(최대 2인)으로 제한 도림천에 설치할 유압식 승강기는 상판 가용공간 크기의 한계와 도림천 범람 시 수압 등 외부 요인을 고려해야 한다. 따라서 상판에 최대 2인 탑승 가능함과 기타 요인을 고려하여 승강기의 최대적재용량이 500kg인 승강기를 설계 기틀로 선택해 최대적재용량을 300kg으로 제한한다.
◇ 공학적 안정도 : 다양한 용도의 유압식 승강기 및 테이블 리프트가 현재 기성품으로 존재하므로 범람 시 수압 및 외부 요인에 대해 안정하다고 판단되면 이 승강기는 공학적으로 안정할 것이다.
◇ 작동 방법 : 사용 대상이 신체적 약자이므로 작동의 편리성을 위해 버튼을 누름으로써 상승과 하강할 수 있게 설계한다.
◇ 대피하기까지 소요시간 : 약 30m/min의 속도를 가지므로 대피 구간의 연직 높이가 2.5m인 경우 작동 시간은 5초가 소요된다.
◇ 도림천 침수 위험구간 도림천은 서울시가 지정한 침수취약지역으로 그 중 구로디지털단지역 주변은 특별관리지역이다. 따라서 구로 디지털단지역 주변에는 그림(20)와 같은 대피로가 설치되어 있다.
그림(22) 서울 침수 취약지역
그림(20)과 같이 설치된 대피로는 상대적으로 거동이 불편한 신체적 약자들이 사용하기에는 어려움이 있다. 따라서 이미 설치되어 있는 사다리 부근에 간이식 승강기를 추가적으로 설치해 사회적 약자들이 쉽게 높은 곳으로 올라갈 수 있게 한다.
그림(23) 비상 대피로
◇ 평상시 관리방안
⓵ 간이식 승강기는 신체적 약자들을 위해 만들어진 대피 기구이므로 평상시에 다른용도로 사용되지 않도록 주의가 필요하다. 따라서 대피 외의 다른 용도로 승강기를 1회 사용 시 10만원, 2~3회 사용 시 20만원, 4회 이상 사용 시 30만원의 벌금을 부과하는 등의 노력이 필요하다.
⓶ 기기 노후화에 의해 기계의 정상적인 사용에 문제가 발생할 수 있으므로 1달에 1번 점검을 실시한다.
⓷ 강우 완료 시 토석류나 퇴적물들로 인해 승강기의 정상적 사용에 문제가 발생할 수 있으므로 도림천 환경정화 시 승강기 부근을 반드시 확인한다.
이론적 계산 및 시뮬레이션
1. 레이저
1.1 XPSWMM 모형이란 SWMM은 도시 유역내에서의 우수·하수 관망 설계를 위한 의사결정 지원 시스템으로 1971년 미국 EPA의 지원 아래 Metcalf&Eddy 사가 플로리다 대학 및 W.R.E와의 공동 연구로 도시유역 하수 시스템 내의 유량과 수질을 시뮬레이션할 수 있도록 개발되었다(EPA, 2004). 최초 개발된 SWMM모델에 새로운 보완 해석 방법의 지속적인 추가되면서 XPSWMM은 수리·수문 분석뿐만 아니라, 관내 하수 처리 공정, 오염물제어 장치 및 최적관리기법(BMPs)을 포함한 우수·하수 관망 시스템의 수질 분석까지 수행하는 링크-노드 개념의 모델로 발전하였다.
그림(24) SWMM 개요도
1.2 시간 분포 방법
◇ 시간분포 방법의 종류
-Mononobe 방법
-Huff 방법
-Keifer & Chu방법
-Pilgrim & Cordery 방법
-Yen & Chow 방법
-교호블록 방법(alternating block method)
이 중 huff 방법을 사용하였다.
◇ Huff의 4분위법 1967년 Huff는 미국 Illinois주의 강우기록을 통계학적으로 분석해 강우량의 시간적 분포를 나타내는 무차원 시간분포곡선을 제시하였다. d는 강우의 누가곡선을 이용해, 전지속기간을 4등분 하였을 때 최대강우가 각 분류된 구간의 어느 부분에서 나타나는지 조사했다. 즉, 강우지속기간을 4등분 하였을 때 강우 초기에 해당하는 처음 1/4구간을 제 1구간 호우, 2/4구간에 있으면 제 2구간 호우, 3/4구간에 있으면 제 3구간 호우, 그리고 마지막 구간일 경우 제 4구간 호우로 분류하였다. Huff 방법 분석결과 지속시간이 긴 경우(24시간 이상)에서는 4분위가 지배적이었으며, 중간정도의 지속시간에서는(12∼24시간) 3분위 호우가 지배적이었고, 그보다 짧은 지속시간의 경우 1분위와 2분위 호우가 많았다. 지속시간을 2분씩으로 선정하였기 때문에 2분위 호우를 선택하였다.
1.3 SWMM 강우유출분석 모의 결과 강우강도 10mm/h ~ 100mm/h 에 대한 홍수위 결과 데이터이며, 시간은 2분 단위로 120분까지 저장되었다. 분석지점은 현재 도림천의 홍수경보발령 기준지점과 침수취약지역(구로디지털단지역)이다. 데이터 상 침수가 일어난 부분은 회색으로 칠했다.
1.4 강우량에 따른 침수시간
1.5 레이저 작동 기준 기상청의 호우주의보 발령기준은 3시간 동안 60mm 이상, 12시간 동안 110mm 이상이고 호우경보 발령기준은 3시간 90㎜ 이상 또는 12시간 180㎜ 이상의 비가 예상될 때이다. 위의 표를 살펴보면 도림천은 강우량 기준 58분 동안 20mm가 내릴 때 침수되기 시작하고 이는 호우주의보 발령기준인 1시간에 20mm와 유사하다. 하지만 이는 도림천의 강우량에 따른 침수기준이므로 강우 시 레이저의 작동기준은 1시간 동안 10mm로 한다.
1.6 다리별 단면형상 및 홍수통제기준 (침수취약지역)
그림(25) HEC-RAS를 이용해서 구한 하천 단면 및 통제 기준 표시선
HEC-RAS를 이용하여 침수취약지역 6개(신림1교, 구로디지털단지역, 신대방역, 서울대 정문, 구로 1교, 관악도림교)의 하천 단면을 구하였다. 그리고 자치구별로 제공하는 홍수통제기준을 활용하여 위의 그림과 같이 각각의 하천 단면에 통제기준을 단계별로 표시하였다. 통제기준은 4가지 단계로 나뉜다. 1단계는 둔치주의로 초록색으로 표시하였고, 2단계는 둔치대피로 노란색, 3단계는 홍수주의로 주황색 마지막 4단계는 홍수경보로 빨간색으로 표시하였다. 원칙적으로 2단계인 둔치대피부터 4단계인 홍수경보까지는 하천 출입을 통제하나 이를 어기고 출입하는 이용객들에게 경각심을 주기 위해 1단계뿐만 아니라 2단계부터 4단계까지 기둥에 레이저를 이용하여 현재의 홍수 통제 기준을 보여준다.
2. 접이식 사다리
2.1 사다리 이론 및 시뮬레이션
2.2 사다리 안전성 및 사용성 검토 목록 실제 설계 시 여러 외부요소에 의한 안전성 및 사용성을 고려하여 역학적 설계를 진행하나 본 조에서 역학적 설계는 현실적으로 불가능하다. 따라서 산학 연구원님의 자문으로 역학적 설계 대신 안전성 및 사용성 검토 목록을 작성하였다.
사다리 하단부의 홍수 시 유수에 의한 수압 등에 대한 안전성 사다리(특히 상판)의 강우하중에 대한 안전성 사다리(특히 상판)의 (특히 홍수 시 동반되는) 풍하중에 대한 안전성 사다리의 적설하중, 지진하중 등 우발적 하중에 대한 안전성 사다리 설치 위치 상부에 이동하는 자동차, 전철 등 활하중에 대한 안전성 사다리의 상부 진동, 소음에 대한 사용성 사다리의 변형과 진동 등에 대한 기능 유지성 사다리의 처짐, 균열, 피로에 대한 사용성 재료의 방수성, 부식성 재료의 내화성 시공 시 기상 및 수문 조건의 안전성 (예. 공기 중 호우 기간 여부) 시공 시 하천의 수질에 끼치는 영향 정도 사다리 재료가 하천의 생태에 끼치는 영향 정도
2.3 국내 사다리 관련 제도 산업안전보건기준에 관한 규칙(고용노동부령 제251호 일부개정 2019.04.19.)에서는 제24조 사다리식 통로 등의 구조와 제67조 말비계가 본 과제에 해당되는 법령이다.
제3장 통로 제24조(사다리식 통로 등의 구조) ① 사업주는 사다리식 통로 등을 설치하는 경우 다음 각 호의 사항을 준수 하여야 한다. 1. 견고한 구조로 할 것 2. 심한 손상·부식 등이 없는 재료를 사용할 것 3. 발판의 간격은 일정하게 할 것 4. 폭은 30센티미터 이상으로 할 것 5. 사다리식 통로의 길이가 10미터 이상인 경우에는 5미터 이내마다 계단참을 설치할 것 6. 사다리식 통로의 기울기는 75도 이하로 할 것. 다만, 고정식 사다리식 통로의 기울기는 90도 이하로 하고, 그 높이가 7미터 이상인 경우에는 바닥으로부터 높이가 2.5미터 되는 지점부터 등받이울을 설치할 것 7. 접이식 사다리 기둥은 사용 시 접혀지거나 펼쳐지지 않도록 철물 등을 사용하여 견고하게 조치할 것 ② 잠함(潛函) 내 사다리식 통로와 건조·수리 중인 선박의 구명줄이 설치된 사다리식 통로(건조·수리작업을 위하여 임시로 설치한 사다리식 통로는 제외한다)에 대해서는 제1항제5호부터 제10호까지의 규정을 적용하지 아니한다.
2.4 사다리 작동 기준
도림천 하천 출입통제 및 재난경보는 둔치위험 (1단계), 둔치대피 (2단계), 홍수주의 (3단계), 홍수경보 (4단계), 하천범람 (5단계)로 나뉘어 있다.
따라서 홍수주의 (3단계)인 하천수위 2.3m 이상일 때 하천 내 전체 접이식 사다리를 가동 시작하고, 하천범람 (5단계)인 하천수위 3.5m 이상일 때 전체 접이식사다리를 가동 종료하여 사다리 붕괴에 의한 사고를 막는다.
3. 간이 승강기
3.1 유압식 리프트 정의
유체의 압력에너지를 힘이나 동력과 같은 기계적 일로 변환시켜주는 장치를 유압장치라고 한다. 유압장치는 실제 우리네 주변에서 다양한 형태로 접할 수있다. 수압기, 각종 유압기계, 자동차 브레이크, 유압잭 등 다양한 방면에서 사용하고 있다.
3.2 유압식 리프트 원리
유압장치가 작동할 수 있는 원리는 바로 파스칼의 원리이다. 파스칼의 원리란, 밀폐된 용기 속에 있는 비압축성 액체에 압력을 가하면 이 압력은 모든 방향, 모든 면에 동일한 크기로 작용한다는 원리이다. 밀폐 용기 속 비압축성 액체의 한 점에 압력을 증가시키면, 액체 내의 다른 모든 점의 압력이 그것과 동일한 크기만큼 증가한다. 파스칼의 원리는 유체 내부에서의 면적과 힘의 상관관계를 설명해 줄 수 있는 원리이다. 밀폐된 용기 속의 액체에 가한 힘이 작더라도, 다른 방향의 단면적의 크기에 따라 더 큰 힘을 낼 수 있겠다는 추론이 가능하고, 이러한 생각이 적용된 것이 유압장치이다. 파스칼의 원리가 접목된 예시로는 대표적으로 유압식 브레이크와 유압 실린더가 있다. 유압 실린더의 작동 원리는 먼저 유압펌프가 오일탱크에 들어 있는 유압유를 빨아들인다. 기계에너지가 유체에너지로 변환하는 구간으로 전기 펌프는 기계적 에너지를 펌프에 전달하여, 유압펌프의 내부도 회전운동을 하며 고압유를 생성한다. 그리고 압력과 방향이 제어되어 고압유는 압력 및 방향제어벨브로 이동한다. 제어된 압력유는 유량제어밸브를 거쳐 액추에이터로 들어가 작동시킨다. 이 구간에서 유체에너지가 다시 기계에너지로 변환된다. 유압유는 작업이 끝난 후 밸브를 거쳐 오일탱크로 복귀한다. 그리고 오일탱크 속에서 유압유는 다시 유압펌프로 들어가 고압유가 된다. 이렇게 계속 반복적으로 운동한다. 앞서 비상시 대피 방안으로 설계한 간이 승강기는 테이블 리프트를 사용한 것으로 테이블 리프트의 작동 원리는 유압 실린더의 신축에 의한 높이 조절이며, 전기에 의해 작동된다.
간이 승강기의 구성 재료는 부식이 적고 강도가 높은 알루미늄 합금이나 스테인레스를 사용한다.
3.3 간이 승강기 안전성 및 사용성 검토 목록
실제 설계 시 여러 외부요소에 의한 안전성 및 사용성을 고려하여 역학적 설계를 진행하나 본 조에서 역학적 설계는 현실적으로 불가능하다. 따라서 산학 연구원님의 자문으로 역학적 설계 대신 안전성 및 사용성 검토 목록을 작성하였다.
승강기의 홍수 시 유수에 의한 수압 등에 대한 안전성 승강기의 강우하중에 대한 안전성 승강기의 (특히 홍수 시 동반되는) 풍하중에 대한 안전성 승강기의 적설하중, 지진하중 등 우발적 하중에 대한 안전성 승강기의 변형과 진동 등에 대한 기능 유지성 승강기의 처짐, 균열, 피로에 대한 사용성 재료의 방수성, 부식성 재료의 내화성 시공 시 기상 및 수문 조건의 안전성 (예. 공기 중 호우 기간 여부) 시공 시 하천의 수질에 끼치는 영향 정도 승강기 재료가 하천의 생태에 끼치는 영향 정도
3.4 간이 승강기 작동 기준
도림천 하천 출입통제 및 재난경보는 둔치위험 (1단계), 둔치대피 (2단계), 홍수주의 (3단계), 홍수경보 (4단계), 하천범람 (5단계)로 나뉘어 있다.
따라서 홍수주의 (3단계)인 하천수위 2.3m 이상일 때 하천 내 전체 간이 승강기를 가동 시작하고, 하천범람 (5단계)인 하천수위 3.5m 이상일 때 전체 간이 승강기를 가동 종료하여 승강기 붕괴에 의한 사고를 막는다.
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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