신뢰성기반 한계상태 설계법 연구회 활동 소개



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김 현 기

위원장

국민대학교 건설시스템공학부 

교수

(geotech@kookmin.ac.kr)

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박 재 현

부위원장

한국건설기술연구원

박사 

(jaehyeon@kict.re.kr)

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김 한 샘

간사

한국지질자원연구원 

박사

(adoogen@kigam.re.kr)



1. 연구회 운영 개요


대부분의 지반은 고유의 복잡하고 예측하기 어려운 공학적 특성을 가지고 있어, 많은 지반 공학 설계 과정에 있어서 전통적인 해석 및 접근 방식을 사용하여 정확한 예측을 하는 것에 어려움을 겪는 경우가 많다. 하지만 이러한 불확실성과 변동성을 고려할 수 있는 지구통계학이나 데이터 공학, 기계학습 등의 해석 기법을 설계에 적용함으로써 보다 합리적이고 효율적인 공학적 해결방안을 제안할 수 있다. 


특히 최근 몇 년 동안 컴퓨터 하드웨어 및 소프트웨어의 상당한 혁신으로 인해 지반 공학 분야에서 이러한 기술 및 설계 코드의 적용 및 개발이 눈에 띄게 발전하였는데, 이에 본 연구회는 2013년에 설립되어 이러한 여러 이론 및 기법에 대한 개발 및 적용에 대한 연구를 진행하고 있으며 또한 여러 관련 연구자 및 실무자에 대한 교육 또한 실시하고 있다.


2. 세부활동 내역 및 성과


본 연구회는 다음 분야의 연구 및 기술개발과 교육을 실시하고 있다.


① 지구통계학(Geostatistics) 및 확률론적 지반조사

② 지반 특성의 불확실성을 고려한 거동 예측

③ 신뢰성 기반 설계(Reliability-based design) 및 리스크 기반 의사 결정 해석(Risk-based decision analysis)

④ 지반공학 하중저항계수 설계 규정(LRFD-type geotechnical design codes)의 연구 및 개정

⑤ 포렌식 지반공학 (Forensic geotechnical enginnering)

⑥ 데이터 공학 및 머신러닝 (Machine learning) 기법의 지반공학적 활용

⑦ ISSMGE 파트너 기술위원회: TC304, TC309, TC205


국내활동으로 최근에는 신뢰성기반 한계상태설계와 관련하여 당면한 현안 및 연구 동향분석을 주제로 학술발표회 전문세션을 다음과 같이 구성하고 운영하였다.


2018년 가을학술발표회: 지반구조물 신뢰성 설계

● 2021년 가을학술발표회: 지반구조물 과다설계에 대한 고찰

● 2022년 봄학술발표회: 포렌식 지반공학의 이해

● 2023년 봄학술발표회: 지구통계학 기법의 ASTM 설계 규정 소개 및 연구 동향


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2021년 가을학술발표대회 때는 다양한 지반구조물에 결정론적, 확률론적 설계법을 적용했을 때의 적정성과 관련된 세미나를 진행하였다. TC304에서 발행한 “ARE WE OVERDESIGNING?”이라는 주제의 설문조사 형태의 문제해결 보고서를 대상으로 하였으며, 크게 얕은 기초, 깊은 기초, 그리고 사면 설계 시 한정된 모래와 점토지반 조건에서 설계지반정수 산정의 불확실성 및 신뢰성 해석의 적정성을 분석함으로써 기존 설계법의 과다설계 가능성을 검토하였다.


2022년 봄학술발표대회에서는 중대재해처벌법과 관련하여 지반공학분야에서 시공 및 설계 과정에서 법적분쟁이 발생하였을 때 적절한 판결이 나올 수 있도록 기술적으로 지원하는 포렌식 지반공학의 일반적인 내용과 실제 국내 현장에서 발생한 지반공학적 사고에 대한 포렌식 조사 사례를 논의하고, 법적 적용 사항에 대해 전반적으로 살펴보았다. 다양한 지반관련 재난에도 최근 제정된 중대재해처벌법이 적용될 것이므로, 법 시행 이전과 비교하여 건설 프로젝트의 전생애주기에서 발생할 수 있는 여러 위험 요소에 대해 지반공학적 분석, 통계적 시뮬레이션과 법리적 해석 등을 통하여 근본 원인을 밝히는 포렌식 조사에 대한 관심도 함께 높아질 것으로 예상된다.


최근 열린 2023년 봄학술발표대회에서는 몇해전 ASTM에 등록된 지구통계학 기법을 기반으로 한 지반 조사 방법 및 3차원 지반 정보 분석에 대한 가이드라인을 소개하고 이의 국내 적용성을 고찰하는 자리를 마련하였다. ASTM 표준 가이드라인에서는 지구통계학 기반의 공간변동성 분석과 공간보간, 결과 표출을 위한 표준화된 해석 절차와 크리깅 및 시뮬레이션의 선정 방법 등을 규정하고 있다. Building Information Modeling이 건축에 이어 토목에서도 공공 공사 부분을 중심으로 적용되기 시작하면서 3차원 지반 정보에 대한 최적화된 데이터 베이스 구축 및 시각화의 표준화에 대한 필요성이 충분히 인식된 상황이므로, 향후 지구통계학이 적용된 지반조사 보고서 작성과 공간보간/시뮬레이션 기법의 활용 등을 주제로 한 기술세미나 등을 개최함으로써 해당 분야에 관심있는 여러 지반공학 전문가들과 심도있게 논의할 계획이다.


주요 국제활동으로 ISSMGE 파트너 기술위원회인 TC205/TC304/TC309의 주관의 여러 행사 및 기술 포럼 등에 지속적으로 참여함으로써 우리 학회의 위상 강화를 위해 노력하고 있다. 2017년 국제지반공학회가 우리나라에 열렸을 때는 본 연구회가 함께 주관이 되어 TC205/TC304의 논문 세션 및 위원회 정례 회의를 진행하였으며, 신뢰성 해석 관련 용어 사전(TC304 Glossary)의 한국어 용어 부분을 정리하였고 2020년에는 ASTM 지구통계학 규정의 개정작업에 참여하였다. 매년 개최되는 TC workshop과 국제 학술대회 및 국제 학생 논문 경진대회에 참여하여 일본, 중국 유럽, 미국 등 많은 나라에서 진행하는 우수한 최신 연구성과의 학술적 교류와 공동연구 기반 확대를 위해 노력하고 있다.


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3. 향후 활동계획 및 맺음말


본 연구회는 최근 4차 산업혁명 관련 기술과 관련하여 데이터 분석, 기계학습, 인공지능 기법을 지반공학에 적용하는 것을 주제로 전문세션, 기술세미나를 개최함으로써 지반공학 설계 분야의 미래 기술 발전을 위해 노력하겠다. 또한, 지난 수년간 코로나 팬데믹으로 제한이 많았던 대면활동 부분을 활성화하여 학술적 논의를 주로 했던 학·연 중심의 연구회 운영에서 설계 및 시공, 엔지니어링 등의 실무적 적용을 위한 기업 및 정부/지자체 전문가의 참여를 확대하여 추진할 계획이다. 참고로 올해 7월에는 미국 워싱턴 DC에서 GEORISK2023학회가 예정되어 있어 관련분야에 관심있는 많은 우리나라 지반공학 전문가들의 참여를 기대한다.




Korea Geotechnical Society - North America(KGS-NA) 2023 Annual Meeting

(Distinguished lecture series & KGS Young Scholar Award)



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안 진 우

The University of Texas at 

Rio Grande Valley 

토목공학과 조교수

(jinwooan@utexas.edu)

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김 용 제

Lamar University 

토목공학과 

조교수

(ykim3@lamar.edu)

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은 종 완

네브래스카 대학 

링컨 캠퍼스 

건설환경공학과 부교수

(jeun2@unl.edu)



우리 학회 북미지역위원회(KGS North America, NA)는 미국내에서 학업, 연구 그리고 실무를 진행하고 있는 지반공학관련 미국 대학원생, 박사후 연구과정, 현업 엔지니어, 그리고 미국 대학교 교수진들에게 한국지반공학회(KGS) 와 KGS-NA를 소개하고, 국내외 지반관련 정보를 전달하기위해 각 분기마다 Workshop, Seminar 또는 국내외 지반공학관련 저명인사들을 초청하여 Distinguished lecture series를 개최하고 있습니다. 또한 KGS-NA는 2023년부터 처음으로 KGS Young Scholar Award를 제정해서 KGS-NA Annual Meeting에서 수상자들에게 상을 수여하고, 수상자들의 연구를 소개하는 세미나를 개최하게 되었습니다.


이번 2023년도미국토목학회(American Society of Civil Engineers) 소속인 Geo-Institute(G-I) 주관으로 매년 개최되는 Geo-Congress의 특별 세션으로 KGS-NA Distinguished Lecture Series와 KGS Young Scholar Award 수상자들에 의한 세미나가 L.A. Convention Center에서 3월 26일 진행되었습니다. 특히 처음으로 북미 위원회와 한국 학생들이 주도 되는 모임에 미국에서 활동하는 지반공학자 40여명이 참석하여 다양한 지반공학 주제로 열띤 논의를 할 수 있는 유익한 시간이었습니다. 이번 Distinguished Lecture Series에 Korea Advanced Institute of Science and Technology(KAIST) 건설및환경공학과에서 학과장을 역임하고 있는 조계춘 교수가 초청 되었습니다. 발표 제목은 ‘Geotechnical Engineering for Sustainable Development’ 이었으며, 발표의 전반부에는 지반공학이 자연환경에 미치는 영향을 최소화하면서 지속가능한 발전에 기여할 수 있는 부분에 대하여 소개하였으며, 후반부에는 시멘트가 필요 없는 자연친화 미생물 고분자 물질(Microbial biopolymer)을 활용한 토양 안정화에 대하여 소개를 하였습니다. 조계춘 교수와 그 제자들이 20년 이상 지속해온 biopolymer 에 대한 종합적인 연구 성과를 청해 들을 수 있는 유익한 시간이었습니다.


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조계춘 교수의 발표를 마치고 뒤이어 2023 KGS Young Scholar Award 시상식이 있었습니다. KGS-NA 는 올해 처음으로 위 상을 제정, 총 7명의 대학원생 및 박사후 과정생을 선정해 KGS-NA Annual Meeting에서 상을 수여하였습니다. 첫 수상자들로 선정된 김종찬 박사, 이준호 박사, 주환익 박사과정, 최용진 박사과정, 박준수 박사과정, 노동화 박사 그리고 김인철 박사는 각자15분동안 자신의 연구논문을 발표하였습니다.


첫번째 발표자는 김종찬 박사였습니다. 김박사는 Georgia Institute of Technology에서 박사 학위를 받고 현재 University of California at Berkeley에서 박사후 연구원으로 재직중이며, 올해 가을학기부터 South Dakota School of Mines and Technology 토목공학과의 신임 조교수로 강단에 서게 되었습니다. 이날 그는 세가지 연구분야인 1) Hydrate-Bearing Sediments, 2) Freezing & Thawing, 3) Soil Liquefaction에 관해 간략히 소개하였습니다. 그의 연구는 다양한 토양 유형이 극한의 기후와 유효응력 조건에서 어떠한 변화가 발생하는지에 초점을 마치고 있습니다. 당일 발표는 흙의 액상화에 초점을 두어 “Cyclic Simple Shear Response of Well-Graded Sandy Gravel Soils in Constant Volume Conditions and its Post-Cyclic Responses”라는 주제로 진행되었습니다. 이 연구에서는 입도분포가 양호한 자갈질 흙도 현장 및 실험실 실험 결과 액상화에 취약할 수 있으며, 전단파 속도가 매우 빠를 수 있다는 것을 보여주었습니다. 


두번째 발표자는 이준호 박사로, 그는 Texas A&M University에서 박사 학위를 취득하고 현재 동대학에서 박사후 연구원으로 재직하고 있습니다. 또한 그는 Deep Anchor Solutions의 공동설립자 및 CTO로서 그의 연구는 실험을 통한 암석역학(Experimental rock mechanics), 해양지질학(Offshore geomechanics), 기술 및 제품 상용화(Commercialization)에 초점을 맞추고 있습니다. 당일 이박사는 “Optimal Design of a Deeply Embedded Ring Anchor in Soft Clay Overlying Bedrock under Vertical Loading”라는 주제로 Deeply Embedded Ring Anchor (DERA)라는 효과적이고 비용 효율성이 높은 앵커 시스템 개발에 관해 발표를 하였습니다. DERA는 상대적으로 옅은 퇴적층과 터빈 간격 및 수심과 같은 지리적 제약을 겪는 부유식 해상 풍력(Floating offshore wind) 현장에서 효과적일 수 있으며, 컴팩트한 크기, 다중라인 가능성 및 다양한 계류 시스템에 부착할 수 있는 가용성 등의 요인으로 인해 비용 효율적인 대안이 될 수 있음을 보여주었습니다.


세번째 발표자는 주환익 박사과정생이었습니다. 그는 Virginia Tech에서 석사 졸업 후 현재 동대학원에서 박사 과정 중에 있으며, 올해 5월 박사 학위를 취득할 예정입니다. 그는 심층혼합공법(Deep Mixing Method)와 관련하여 시멘트 처리된 토양 샘플의 강도시험 결과를 이용한 실험실 기반 연구를 수행하고 있습니다. 그의 주된 연구내용은 혼합물 설계 최적화, 유기물의 영향, 양생 중 압밀의 영향 등이 있으며, 이날은 “Influences of Curing Time and Temperature on the Strength of Cement-treated soil”라는 주제로 특히 양생시간 및 온도가 시멘트 처리 토양의 강도에 어떤 영향을 미치는지에 대해 발표를 하였습니다. 그는 시멘트 처리 토양의 강도는 시멘트의 양, 양생시간, 양생온도에 따라 증가하며, 동결온도에서는 경화시간 및 시멘트함량에 관계없이 강도발현이 거의 발생하지 않음을 보여주었습니다. 또한 경화 온도가 변경될 경우 저온에서 경화된 후 고온에서 경화된 샘플이 고온에서 먼저 경화된 샘플보다 강하다는 결과를 도출해 흥미를 자극했습니다.


네번째 발표자인 최용진 박사과정생은 부산대학교에서 석사 학위를 받고, 현재 University of Texas at Austin에서 박사 과정중에 있습니다. 이날 그는 “Graph Neural Network-based simulator for granular flows”라는 주제로 발표를 하였습니다. 그래프 구조의 데이터를 입력으로 사용하는 인공 신경망인 그래프 신경망(GNN)에 대한 기본 설명과 함께, 이 연구에서 어떻게 GNN을 사용하여 입상류(granular flow)에서 입자간의 상호작용을 학습시키는지 보여주었습니다. 기존의 확률론적 및 일반 머신러닝 기반의 대체 모델의 경우 일반화 할 수 없음에 반해, 이 연구에서는 산사태와 같은 지질공학적 위험을 평가 시 짧은 시간안에 입상 흐름 거동을 정확하게 시뮬레이션 할 수 있는 GNN을 사용하여 일반화 가능한 대체 모델을 구축하였습니다.


다섯번째 발표자는 박준수 박사과정생이었습니다. 그는 University of Colorado Boulder에서 석사 학위를 받고, 현재는 Louisiana State University에서 박사 과정중에 있습니다. 이날 발표 제목은 “Nest Construction Behaviors of Mud Dauber and Their Effects on the Mechanical Properties of Mud Dauber Nests” 이었으며, 흙의 공학적 특성(토양종류, 진동다짐, 대기건조)이 진흙 말벌(Mud Dauber) 둥지의 역학적 특성에 미치는 영향이라는 매우 흥미로운 조사결과를 발표하였습니다. 첫번째 파트에서는 진흙 말벌 둥지의 물리적 및 역학적 특성에 관해 이야기를 했는데, 그는 여기에서 둥지 샘플의 건조밀도가 표준 다짐시험에 의해 다져진 둥지 흙의 건조밀도와 비슷했음을 보여주고 이는 진흙 말벌의 다짐 기술이 충분히 효율적임을 의미한다고 했습니다. 두번째 파트에서는 대기 건조에 따른 진흙 말벌 둥지의 역학적 특성에 대해 발표했습니다. 대기 건조 중, 진흙 말벌 둥지는 수축이 제한되고 흡입응력 크기와 탄성계수가 크게 증가하는 것을 보여주었습니다. 또한 대기건조에 따른 흡입응력 증가로 전단강도가 증가함을 보여주었습니다. 그는 진흙 말벌이 사용하는 둥지공법은 토공사에서 지속가능한 발전을 유도할 수 있는 잠재력을 가지고 있다는 말로 발표를 마무리 지었습니다. 


마지막 여섯번째 발표자는 노동화 박사였습니다. 노박사는 한국과학기술원(KAIST)에서 박사 학위를 취득하였고 현재 University of Nebraska-Lincoln에서 박사후 연구원으로 연구를 수행하고 있습니다. 그는 “Low-cost multimode free-vibration decay column: small-strain stiffness and Attenuation” 이라는 주제로 발표하였습니다. 주된 연구내용은 적은 연구비를 이용해서 현재 주로 사용되고 있는 Stoke-type resonant column 장비의 성능을 구현하는 것이었습니다. 개발된 장비는 기존 장비의Solenoid-Magnet으로 구성된 구동판 대신 고무밴드를 이용하여 시료의 진동(vibration)을 만들었습니다. 그리고 Solenoid-magnet으로 이루어진 구동판을 사용하지 않으므로 counter EMF effect에서 생기는 bias를 피할 수 있으며, 고무밴드 길이를 조절하여 시료의 동적물성을 10-6 에서10-4 변위(Strain) 에서 측정이 가능한 것을 보여주었습니다. 그리고, 개발된 장비는 비틀림진동(tortional vibration)과 굽힘진동(Flexural vibration)에서 자유감쇠진동(Free-vibration decay) 동안 시료의 고유주기(resonant frequency)와 시스템의 에너지 감쇠(attenuation)을 각각 측정하여 전단탄성계수(shear modulus)와 영률(Young’s modulus) 그리고 두 모드의 에너지감쇠율을 도출해내었습니다(Damping ratio in both tortional and flexural modes). 마지막으로 고안된 장비는 압력챔버를 제거하는대신 진공펌프를 이용하여 시료에 유효응력을 만들어냈으며, 그로인해 다양한 계측센서 설치가 용이하고, X-ray 촬영장비를 사용할 수 있으므로 동적물성과 지반내부변화를 동시에 모니터링할 수 있는 잠재력을 가지고 있음을 보여주었습니다.


행사 당일 발표에는 참석하지 못하였지만 익일 University of California, Los Angeles(UCLA) 에서 따로 김인철 박사의 세미나 발표시간이 있었습니다. 김박사는 연세대학교에서 박사 학위를 받고, 현재는 University of Nebraska-Lincoln에서 박사후 연구원으로 재직중에 있습니다. 그의 연구분야는 1) 기후변화 구성요소의 추정 및 그들의 상호 연결성 분석을 통한 지반재해 예측, 2) 기후변화요소가 토질 및 지반구조물의 거동에 미치는 영향 분석, 3) 최적설계 및 지반재해 완화 기술 개발에 있습니다. 이날 김박사는 “Centrifuge Investigation of Groundwater Induced Footing Settlement in Sand Considering Rising and Falling GWL Phases”라는 주제로 기후변화가 지반침하 또는 옹벽붕괴와 같은 지반재해에 미치는 영향을 소개하였고, 특히 홍수로 인한 지하수위 변화와 관련된 여러가지 문제(지반침하, 지반구조물붕괴 등)를 원심모형실험을 통해 분석하였습니다. 실험 결과, 지하수위 변동은 기초침하를 유발하며 그 정도는 변동 횟수가 증가함에 따라 감소함을 보여주었고, 응력의 증가로 인한 추가적인 침하가 발생할 수 있음을 확인할 수 있었습니다.


Distinguished lecture series을 성공적으로 마치고 그 다음날(3월 27일), KGS-NA 위원회와 조계춘 교수는 UCLA 토목과 교수이자 학과장을 역임중인 Ertugrul Taciroglu박사의 초청을 받아 점심 식사 및 캠퍼스 투어를 진행한 후, UCLA 공대 건물에서 Seminar를 진행하였습니다.


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KGS-NA는 미국내 연구자 및 엔지니어들에게 한국지반공학회를 지속적으로 소개하고, 한국과 미국의 지반공학관련 기술 및 학술교류가 활발히 이루어질 수 있도록 중간다리 역할을 충실히 수행할 것입니다. 북미위원회(KGS-NA)에서 개최하는 Workshop, Seminar 그리고 Distinguished lecture series에 지반공학회원들이 많은 관심을 가져 주시기를 부탁드립니다.



안진우 교수는 단국대학교에서 건축공학으로 학사학위를 받고, 텍사스 주립대학교(The University of Texas at Austin)에서 토목공학으로 석사를 받았으며, 센트럴 플로리다 주립대(The University of Central Florida)에서 토목공학으로 박사학위를 취득한 후, The University of Mount Union 토목공학과 조교수를 거쳐 2023년 8월부터 The University of Texas at Rio Grande Valley에서 토목공학과 조교수로 재직할 예정이다. 우리 학회 및 미국지반공학회(ASCE G-I) 정회원이고 G-I Sustainability 위원회 멤버로 활동을 하고 있다.


김용제 교수는 일리노이대학교(University of Illinois at Urbana-Champaign)에서 토목공학으로 학사와 석사를 받고, University of Central Florida(UCF) 에서 지반공학으로 박사학위를 취득한 후 Texas State University를 거쳐 현재 Lamar University에서 토목공학과 조교수로 재직하고 있다. 우리학회 및 미국지반공학회(ASCE G-I) 정회원이고 G-I 토목지질학 및  지반조사 기술 위원회 멤버로 활동을 하고 있다. 


은종완 교수는 현재 우리 학회 북미지역위원회 위원장을 맡고 있으며 네브래스카 대학 링컨 캠퍼스 부교수이다. 연세대학교 사회환경시스템공학부를 졸업하고 동 대학원에서 석사를 취득 후, 미국으로 유학, 텍사스 오스틴 대학에서 지반신소재 (Geosynthetics)의 도로 구조물 적용으로 석사, 위스콘신 매디슨 대학에서 지반환경공학 분야로 박사 학위를 받았다. 우리학회 및 미국지반공학회(ASCE G-I) 정회원이고 G-I 불포화토역학, 지반환경공학, 지반신소재 기술 위원회 보드 멤버로 활동을 하고 있다. 




위원회 소식


지반IT융합 기술위원회


⊙일시 : 2023년 4월 19일

⊙장소 : 학회 회의실

⊙참석 : 총 7명(김태식(위원장), 남부현, 박민철, 송근목, 윤희정, 이강현, 정영훈) 


⊙회의내용 : 2023년 활동계획

    1. 학술발표회 전문세션 개최     

         - 봄학술발표회 전문세션          

            ● 원제안 키워드 : 드론 & 포인트 클라우드 분석        

            ● 전문세션 취소     

         - 가을학술발표회 전문세션          

            ● 원제안 키워드 : 인공지능         

            ● 주제 선정 및 발표자 섭외


2. 하계 기술세미나 개최     

     - 일시 : 7~8월 중 개최     

     - 주제 선정 및 발표자 섭외


3. 우리 위원회와 대한토목학회 전문연구위원회(건설드론위원회, 미래융복합기술위원회) 교류     

     - 건설드론위원회(위원장 : 김태식) & 미래융복합기술위원회(위원장 : 김영석) KSCE 컨벤션에서 통합 세션 운영 논의 중     

     - 지반공학 외 분야에서의 IT기술 활용에 대한 교류 기회

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