공극률 추정을 위한 투수 블록의 표면 이미지 분석

조상범 ( Sangbeom Jo ),김태진 ( Taejin Kim ),전지훈 ( Jihun Jeon ),김동근 ( Donggeun Kim ),손영환 ( Younghwan Son ) 한국농공학회 2022 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2022 No.-

투수 포장은 도시 내 불투수 면적을 줄여 우수의 표면유출을 감소시켜 물순환을 도시화 이전과 유사하게 함과 동시에 수질오염을 줄이고자 하는 방법인 저영향개발(LID; Low Impact Development)의 일환으로 주목받고 있다. 국내에서 투수 포장은 2000년대 후반부터 서울시를 중심으로 시공 및 관련 기준 등이 마련되고 있으며, 2019년 1월 환경부 고시에 따라 생태면적률에 포함됨에 따라 확대 적용이 예상되고 있다. 불투수 포장과 달리 포장 내부로 물을 투과시키는 형태인 투수 포장의 강도 및 투수 성능에 가장 중요한 인자는 공극률이며, 내부 공극의 존재로 인한 낮은 강도와 오염물의 유입 등에 의한 공극 막힘(clogging) 현상에 의한 투수성 저하가 투수포장에서 발생하는 주된 문제로 꼽힌다. 그러므로 투수 포장의 성능 증대를 위해 포장체의 공극률을 파악하는 것은 매우 중요하다. 투수 포장 중 하나인 투수 블록의 공극률 측정 방법은 수은압입법, 용적법 등이 있으나, 시험 장비가 복잡하거나 시험 시간이 길다는 단점이 있고, 블록 절단면 이미지, X-Ray CT 해석 등을 통해 공극률을 산정하는 방법도 연구되었으나 현장에서 간편한 이용이 어려운 실정이다. 이에 본 연구에서는 공극률의 추정을 위해 투수 블록의 표면 디지털 이미지를 분석하고자 하였다. 먼저, 단위시멘트량, 단위골재량, 골재 크기 등을 조절하여 투수 블록을 제작하였다. 제작된 투수 블록의 연속·전공극률을 용적법을 이용하여 산정하고, 광조건을 제어하여 투수 블록의 표면이미지를 획득하고 DIP기법을 이용하여 투수 블록 이미지 간의 화소값 분포 변화를 분석하였다. 이후, 투수 블록의 표면 이미지 데이터와 공극률 시험결과를 비교·분석하였다. 본 연구결과를 통하여 투수 블록의 공극률을 표면 이미지로부터 높은 정확도로 추정할 수 있을 것으로 판단되며, 투수 블록의 생산 후 검수, 포장 후 성능 평가 등에 이용될 수 있을 것으로 기대된다.

임도 기계화 작업장의 사면안정해석을 위한 현장조사 및 토질특성평가

조상범 ( Sangbeom Jo ),전지훈 ( Jihun Jeon ),김동근 ( Donggeun Kim ),김태진 ( Taejin Kim ),손영환 ( Younghwan Son ),임상준 ( Sangjun Im ),김태현 ( Taehyun Kim ),지병윤 ( Byeongyun Ji ) 한국농공학회 2021 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2021 No.-

동적콘관입시험 결과를 이용한 지반 공간변동성의 확률론적 특성화

조상범 ( Sangbeom Jo ),손영환 ( Younghwan Son ),김태진 ( Taejin Kim ),전지훈 ( Jihun Jeon ),유석철 ( Seokcheol Yu ) 한국농공학회 2023 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2023 No.0

최근 10년간 국내 비닐 온실의 누적 피해 면적은 11,748 ha로 전체 시설 채소 온실 면적의 22.4%를 차지하며, 자연재해로 인한 피해액은 연평균 291억원으로 기록되었다 (2011~2020년). 온실 내 기상 재해로 인한 피해의 94%는 태풍과 대설로 인한 것으로, 강풍으로 인한 피해는 골조 파손, 피복자재 이탈, 인발력에 의한 기초 인발 및 기초 지지력 감소, 지반 파괴 등이 주요한 문제점으로 나타난다. 온실의 기초는 농지에 설치되며 근입깊이가 얕기 때문에, 토층 상태를 고려하여 올바른 기초 형태를 선택하고 지반 보강 여부를 결정하는 것이 중요하다. 또한, 토양은 여러 요인에 의해 변동성과 불확실성을 내포하고 있어, 기초설계의 신뢰도를 높이기 위해 설치부지 토양의 확률론적 특성화가 요구되고 있다. 이에 본 연구에서는 동적 콘 관입 시험 결과를 활용하여 지반의 공간적 변동성을 확률적으로 분석하고자 하였다. 먼저 동적콘관입시험을 4m 간격으로 10회 수행하여 동적콘관입저항을 계산하였다. 8개의 시험 결과를 이용하여 이동창기법 (Moving Window Method)을 통해 균질층 경계를 검출하고 균질층 내에서 이방성 랜덤필드를 통해 지반의 공간변동성을 확률론적으로 특성화한 후 크리깅 기법을 이용하여 조건부 랜덤필드 (Conditional Random Field)를 구현하였다. 그리고, 2개의 동적콘관입시험 결과와 구현된 랜덤필드와 비교를 통해 결과의 정확성을 평가하였다. 추후, 본 연구에서 사용한 기법과 함께 동적콘관입시험 결과를 통한 지반정수 예측식을 적용하여, 온실 기초의 신뢰성 해석에 효과적으로 이용될 수 있을 것으로 기대된다.

산업부산물의 투수블록포장 재료 활용을 위한 공학적 적합성 평가 및 LCA 기반 탄소배출량 데이터베이스 구축

전지훈 ( Jihun Jeon ),김태진 ( Taejin Kim ),조상범 ( Sangbeom Jo ),김동근 ( Donggeun Kim ),손영환 ( Younghwan Son ) 한국농공학회 2022 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2022 No.-

산업부산물인 굴 패각과 Bottom ash는 각각 연간 약 20만톤, 110~180만 톤 가량이 발생하고 있으나, 낮은 재활용률로 인하여 각종 환경 문제를 유발하고 있다. 이에 따라, 안정적인 대량 처리를 위하여 건설재료로의 재활용 방안이 필요한 실정이며, 최근에는 천연 조립질 골재의 대체 재료로서의 활용 가능성이 다수의 선행연구를 통하여 제시되고 있다. 특히, 재활용 방안 개발 시 전과정평가(Life Cycle Assessment, LCA) 기반 탄소배출량 평가, 탄소저감 방안 도출 및 이를 반영한 설계, 공정 확립이 필요하나, 관련 연구 사례와 탄소배출량 데이터베이스가 미비하고 체계적인 평가 방법이 확립되어 있지 않아 합리적인 탄소배출량 평가가 어려운 실정이다. 이에, 본 연구는 굴 패각과 Bottom ash를 활용한 탄소저감형 투수블록 및 투수포장을 개발하기 위하여 각 재료의 물리·화학적 특성 시험을 수행하고, 그 결과를 토대로 투수블록 및 투수포장 재료로서의 적합성을 평가하였다. 또한, LCA 기반 탄소배출량 평가 시나리오를 설정하고, 재료의 획득, 가공, 투수블록의 제조와 투수포장의 시공까지 소요되는 세부 공정 각각에 대한 탄소배출량 자료를 수집하고, 적정성을 평가하였다. 본 연구의 결과는 산업부산물 기반 투수블록과 투수포장의 전과정평가(LCA)기반 탄소배출량 산정에 이용될 수 있을 것으로 판단되며, 최종적으로 저탄소 설계 및 공정을 확립하여, 산업부산물의 지속가능한 재활용 방안으로서 공학적 성능을 충족하면서 환경성과 경제성을 겸비한 산업부산물 활용 탄소저감형 투수블록 및 투수포장을 개발할 수 있을 것으로 사료된다.

영농형 태양광 구조물 기초의 안정성 평가를 위한 영농지역 소형말뚝기초의 현장재하시험 - 강관말뚝과 Screw Pile

김태진 ( Taejin Kim ),전지훈 ( Jihun Jeon ),조상범 ( Sangbeom Jo ),김동근 ( Donggeun Kim ),손영환 ( Younghwan Son ) 한국농공학회 2022 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2022 No.-

기후와 에너지 위기에 따라 태양광 발전 사업이 주목받고 있으나 무분별한 설치로 인하여 관심과 비판을 동시에 받고 있다. 영농형 태양광 발전은 작물 재배지 상부에 태양광 구조물을 설치하여 작물 생장과 태양광 발전을 동시에 할 수 있는 시스템으로, 부작용을 가져오지 않는 태양광 구조물 설치면적을 확보할 수 있게 되었다. 최근 영농형 태양광에 대한 연구가 다방면으로 진행되고 있으나 비닐하우스와 같은 설계기준이 존재하지 않아 다양한 형태의 구조물과 기초가 이용되고 있다. 영농지역의 지반은 일반적인 구조물 설치 지역과는 특성이 다르며 기초의 안정성을 확보하기 위한 작업이 제한적이기 때문에 영농형 태양광 시스템의 안전성과 활성화를 위해서는 영농지역에 적합한 기초의 형태를 제시할 필요가 있다. 태양광 구조물은 하중이 크게 작용하지 않는 소형 구조물로, 기초의 형태는 주로 직접기초가 적용되고 있다. 하지만 영농지역에서는 영농 면적의 감소와 영농작업의 방해를 최소화해야하기 때문에 말뚝기초 형식이 적용되어야한다. 따라서 본 연구에서는 영농지역에서 태양광 구조물의 기초로 이용될 수 있는 두 가지 말뚝의 형태에 대한 지지력을 분석하기 위하여 현장재하시험을 수행하였다. 시험에는 일반적으로 소형 구조물에 이용되는 강관말뚝과 영농지역에서 지지력과 시공성에 큰 이점을 가지는 screw pile을 이용하였다. 시험은 실제 작물이 재배되는 영농지역에서 수행되었으며 말뚝의 형태 별 지지력 특성을 파악하기 위하여 총 4가지 형태의 말뚝을 이용하였다. 현장시험 결과는 영농지역에서 말뚝의 지지력을 산정하고 적합한 기초의 형태를 제시하기 위한 자료로 이용될 수 있을 것으로 판단된다.

효소 생물자원을 이용한 농업환경폐기물 저감 기술의 국내 농업현장 적용을 위한 농업용 토양 특성 평가

전지훈 ( Jihun Jeon ),김태진 ( Taejin Kim ),조상범 ( Sangbeom Jo ),김기성 ( Keesung Kim ),손영환 ( Younghwan Son ) 한국농공학회 2022 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2022 No.-

최근 폐멀칭필름, 화학농약 등 농업 현장에서 발생하는 농업환경폐기물의 저감 필요성이 대두됨에 따라, 독일, 일본 등을 중심으로 미생물 또는 태양광 등에 의하여 짧은 기간에 친환경적 분해가 가능한 생분해성 플라스틱의 실용화 연구 및 산업화가 진행되고 있다. 우리나라에서도 지방자치단체를 중심으로 폐기물의 수거와 처리에 대한 지원 대책을 강구하고 있으며, 플라스틱의 생물학적 분해 기술에 대한 연구 개발 사례가 증가하고 있다. 폐효소를 이용하여 폐비닐을 분해하기 위해서는 효소가 실제 토양 환경 내에서 충분한 활성을 나타내어야 하며, 국내 농업용 토양 환경에서 플라스틱 분해 효소가 충분한 분해 효과를 나타내도록 토양의 입도, 배수성, 통기성 등 물리적 조건과 온·습도 및 pH, 염농도 등 화학적 조건에 따른 분해 성능을 검증하여, 효소 활성화를 위한 최적 토양환경 조건이 제시되어야 한다. 이에 따라, 본 연구에서는 국내 농업 현장에서 이용이 가능한 생분해 플라스틱 필름 및 효소 복합 소재를 개발하고 적용하기 위하여 국내 토양의 물리적 및 화학적 환경에 대한 다양한 조사를 수행하여 데이터베이스를 확보하였다. 또한, 지역별 입지조건과 다양한 대상 작물을 위한 농지를 모니터링 대상지로 선정하여 현장조사를 수행하고, 토양에 대한 물리, 화학적 특성을 평가하였다. 본 연구의 결과를 토대로 실제 다양한 토양환경을 고려하여 설계된 분해성능 검증 및 분해 촉진 성능 평가를 수행할 수 있을 것으로 판단되며, 국내 농업용 토양 특성에 적합한 폐비닐 분해 효소를 발굴하고, 효소 활성 극대화를 위한 최적 토양환경 조건이 제시될 수 있을 것으로 기대된다.

모형시험을 통한 소구경 스크류파일의 지지력 특성 분석 및 지지력 산정식의 개발

김태진 ( Jihun Jeon ),전지훈 ( Taejin Kim ),조상범 ( Sangbeom Jo ),손영환 ( Donggeun Kim ),유석철 ( Younghwan Son ) 한국농공학회 2023 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2023 No.0

최근 시공목적과 현장여건에 따라 소구경 말뚝기초의 이용이 증가하고 있으며 소구경 말뚝기초 중 스크류파일은 회전관입이 가능한 시공 장비의 보급과 발달 이후로 다양한 분야에 적용되고 있다. 특히 영농지역에서도 온실, 영농형 태양광, 그늘막 등 다양한 구조물에 대하여 소구경 스크류파일이 이용되고 있으며 구조물들이 고도화되고 대형화 되어감에 따라 소구경 스크류파일의 적용성이 높아지고 있다. 하지만 소구경 스크류파일에 대한 안정성을 평가하기 위한 연구가 부재하여 시공 시 적절한 지지력의 검토 없이 설치되고 있어 기초의 안정성이 우려되는 상황이다. 따라서 본 연구에서는 영농 현장에서 이용될 수 있는 소구경 스크류파일에 대하여 지반 조건과 근입깊이에 따른 모형 재하시험을 수행하고 지지력을 적절하게 산정하기 위한 방법을 제시하고자 하였다. 하중-침하 곡선의 형태를 분석하여 소구경 스크류파일의 지지 특성을 확인하고 점착력, 내부마찰각, 근입깊이에 따른 소구경 스크류파일의 지지력 변화를 분석하였다. 이에 따라 재하시험 결과의 분석 방법을 제안하였으며 case 별 지지력 산정 결과를 이용하여 지지력을 간편하게 산정하기 위한 지지력 산정식을 개발하였다. 개발된 지지력 산정식은 높은 정확도로 소구경 스크류파일의 지지력을 예측할 수 있는 것으로 나타났으며, 이를 통해 영농지역에 적용 시 현장조건을 고려하여 기초의 안정성을 확보하고 효율적인 설계가 가능할 것으로 판단된다.

산업부산물을 활용한 투수 콘크리트 블록의 공학적 성능 평가

전지훈 ( Jihun Jeon ),김태진 ( Taejin Kim ),조상범 ( Sangbeom Jo ),손영환 ( Younghwan Son ) 한국농공학회 2023 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2023 No.0

최근 모든 산업에서 환경 문제에 대한 관심이 증가하고, 각종 환경규제가 제정되고 있는 세계적 경향에 따라, 건설 산업에서도 지속가능성의 중요성을 인지하고 다방면의 노력을 기울이고 있다. 대표적으로, 학계, 산업계 전반에서 건설폐기물이나 타 산업의 부산물 등을 재활용하여 건설재료로 이용하려는 사례가 증가하고 있다. 여러 산업부산물 중에서, 굴 패각과 Bottom ash는 각각 수산업과 발전사업으로부터 생성되는 산업부산물이며, 재활용률이 낮아 매립, 야적에 따른 각종 환경 문제를 유발하고 있으므로 대량 처리를 위해서는 건설재료로의 재활용 방안이 필요한 실정이다. 이들은 천연골재에 비하여 경량인 특징을 가지며, 특히 굴 패각의 경우 콘크리트의 첨가제나 시멘트 주원료의 대체재로 이용되는 방안이 다수 검토되었다. 한편, 포장 블록은 보도, 차도의 포장에 이용되는 가장 중요한 건설 자재 중 하나로서, 최근에는 불투수면 증가, 기후 변화에 따른 물순환 문제에 대한 지속가능한 대응 방안으로서 투수 콘크리트 블록 이용이 확대되고 있다. 이에 따라, 본 연구에서는 굴 패각과 Bottom ash를 각각 투수 콘크리트 블록을 구성하는 시멘트와 굵은 골재의 대체 재료로 활용하는 방안을 검토하였다. 이를 위하여 각 재료의 대체율에 따라 공시체를 제작하고, 각각에 대한 휨강도 및 투수 성능을 측정하였다. 상기 시험 결과는 국내 투수 콘크리트 블록의 품질기준과 비교하여 평가되었으며, 이로부터 산업부산물의 재활용이 투수 콘크리트 블록의 품질에 미치는 영향을 논의하고 재료별 적정 대체율을 제시하였다. 본 연구에서 농어촌 지역 내에서 발생하는 산업부산물을 대량으로 재활용할 수 있는 방안을 제시함에 따라, 각종 오염 및 악취 등 환경 문제의 대응책이 될 수 있을 것으로 기대된다.

토양 표층 이미지 기반 밀도 예측을 위한 디지털 이미지의 적정 특징 추출 기법

김동근 ( Donggeun Kim ),김태진 ( Taejin Kim ),전지훈 ( Jihun Jeon ),조상범 ( Sangbeom Jo ),손영환 ( Younghwan Son ) 한국농공학회 2022 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2022 No.-

토양의 디지털 이미지에 나타난 정보를 바탕으로 토양 특성을 예측하는 연구는 현재 기존의 실험적 방법이나 센서를 이용한 방법을 대체하는 방법으로써 다수의 연구가 수행되고 있다. 디지털 이미지는 색상정보를 가지고 있는 픽셀의 집합으로 피사체의 색상이나 형태를 확인가능하다. 토양을 촬영한 디지털 이미지라면 피사체는 토양 입자 및 입자사이의 간극이 해당된다. 이때, 토양 이미지에서 간극은 토립자에 비해 어둡게 나타나기 때문에 토양 이미지의 색상분포를 기반으로 이미지에서 토립자 부분과 간극의 구분이 가능하다. 간극비는 토양의 밀도와 높은 상관성이 있기 때문에, 토양 이미지에서 간극부분의 면적을 정확히 추출 가능하다면 토양 밀도의 예측에 큰 도움이 될 수 있다. 간극부분의 추출은 디지털 이미지 프로세싱 기법 중 이미지 내의 물체와 배경을 구분하여 0 또는 1의 두 값으로 픽셀의 색상값을 재설정하는 이미지 이진화(image binarization) 기법을 통해 가능하다. 이때, 이미지 내의 물체와 배경을 구분하는 색상값을 임계값(threshold value)이라 하며, 이미지 이진화 기법은 이 임계값을 어떻게 설정하는지에 대한 알고리즘이다. 임계값의 설정 방법에 따라 이미지 내에서 간극의 면적이 다르게 나타나기 때문에 토양 이미지를 이용한 간극의 분석을 위해서는 적절한 임계값을 설정하는 것이 매우 중요하다. 그러나, 대다수의 연구에서는 특정 토양 이미지의 분석을 위해 임의의 임계값을 기준으로 간극을 구분하고 분석하고 있어 적절한 기준을 찾기가 어려운 실정이다. 이에 따라, 본 연구에서는 이미지 이진화 기법 중 토양 간극 면적 추출에 적합한 기법의 종류를 검토하고, 이를 바탕으로 토양의 밀도 예측을 위한 디지털 이미지 내 적정 특징 추출 기법을 제안하고자 한다. 토양 이미지를 대상으로 이미지 이진화를 위한 임계값 선정 알고리즘 중 global thresholding과 함께 대표적인 automatic thresholding 기법들에 대한 검토를 수행하였다. 본 연구의 결과는 추후 토양 특성 예측을 위한 디지털 이미지 데이터 베이스 구축에 기준이 되는 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

딥러닝 기반의 토양 특성 예측 기법을 위한 토양 표층 이미지의 적정 해상도 검토

김동근 ( Donggeun Kim ),김태진 ( Taejin Kim ),전지훈 ( Jihun Jeon ),조상범 ( Sangbeom Jo ),손영환 ( Younghwan Son ) 한국농공학회 2023 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2023 No.0

디지털 이미지 기반의 토양 특성 분석은 디지털 이미지 분석 기법의 장점인 신속성, 경제성 등으로 인해 기존의 실험적 방법을 대체할 수 있는 주요 수단으로 자리 잡고 있다. 특히, 딥러닝 기법을 통해 토양 표층 이미지를 분석하여 토양 수분, 밀도 등 대표적인 토양 특성에 대한 정밀한 예측이 가능해져 이미지 기반의 토양 특성 예측 기법의 활용도가 더욱 높아지고 있다. 토양 이미지에서 표현되는 대표적인 특징은 표층의 색상과 질감이다. 이중 색상은 토양 수분, 질감은 토양 밀도와 큰 연관성이 있는 것으로 알려져 있다. 디지털 이미지는 피사체와의 거리에 따라 촬영 면적이 달라진다. 가까운 거리에서 촬영하는 경우 높은 해상도의 이미지를 획득할 수 있으나 촬영 면적이 좁아진다. 반대로, 먼 거리에서 촬영할수록 해상도는 점차 낮아지나 더 넓은 면적의 이미지를 획득할 수 있다. 촬영거리에 따라 하나의 이미지에서 획득할 수 있는 정보의 양이 서로 상이하기 때문에 딥러닝 모델 구축 시 적정 촬영 면적을 결정할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 다양한 해상도의 토양 표층 이미지를 획득하여 모델을 구축하고, 이를 바탕으로 토양 표층 이미지 기반 딥러닝 모델의 적정 해상도를 제안하고자 한다. 토양 표층 이미지의 획득은 실내 스튜디오에서 진행하였다. 실내 스튜디오는 광 조건의 통제가 가능하며, 카메라의 수직 이동을 통해 다양한 해상도의 디지털 이미지를 획득할 수 있도록 설계하였다. 3종의 토양을 대상으로 다양한 함수비, 밀도 조건에서 토양 이미지를 획득하였다. 디지털 이미지의 해상도는 0.018, 0.029, 0.055 mm/pixel의 3가지이다. 토양 표층 이미지에서 색상, 질감, 형상 등을 대표할 수 있는 특성들을 추출하여 토양의 함수비와 밀도를 예측하기 위한 인자로 하였다. 본 연구의 결과는 토양 이미지 기반의 딥러닝 모델 구축 시 학습 자료의 해상도 결정을 위한 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.