터널 ‘FEM 해석’ 플랫폼 통해 즉각 해석하고 안정성 확보한다
터널 ‘FEM 해석’ 플랫폼 통해 즉각 해석하고 안정성 확보한다
  • 전찬민 기자
  • 승인 2023.04.25 09:21
  • 댓글 0
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[공학저널 전찬민 기자] 터널 하면 가장 먼저 떠올리는 단어 중 하나가 바로 ‘막장’이다. 터널 안에서의 일은 3D 업종을 넘어서 죽음(death)을 포함한 4D 업종이라는 인식으로 인해 막장인생이라는 말까지 나오고 있다. 하지만, 이러한 위험을 ‘FEM 해석’이라는 터널에 대한 해석이 시작되면서 인식이 4D 업종에서 고급스러운 학문분야로 탈바꿈하고 있다.

공학의 꽃이라고 할 수 있는 FEM은 고급스러운 학문이자 컴퓨터 공학에서 최고의 기술들이 사용되는 분야다. 이러한 FEM 분야가 터널에 적용된다는 것은 터널을 한층 높은 공학의 반열로 끌어 올리는 역할을 했고, 이를 통해 사고가 나기 전에 안정성을 미리 검토해 안전한 터널 시공을 가능하게 만들었다.

현재 우리나라 FEM 기술은 세계적으로도 높은 수준으로 발전해 대부분 터널설계에서 해석을 하지 않는 프로젝트는 없을 정도이며, 해외에서는 터널설계 시 FEM 해석을 하지 않고 고전적인 방법으로 하는 반면에 국내에서는 ‘터널해석보고서’가 터널설계의 필수 납품 도서가 됐다.

터널 해석수의 경우에는 전 세계 터널 해석의 70% 이상 차지하고 있으며, 이는 터널공학자가 고급의 FEM을 하게 됐고 터널공학자란 타이틀을 자랑스럽게 여길 수 있도록 기반을 마련해 국제터널학회의 회장이 한국에서 나올 정도로 위상이 높아졌다. 또한, 에스와이텍(SYTEC), 마이다스아이티 등 원천기술을 보유해 국내에서 유한요소해석 툴을 개발, 판매하고 있는 기업들은 국제적으로도 기술력을 인정받고 있다.

특히, 에스와이텍의 터널과 지반에 관련된 FEM 유한요소 기술은 지하수의 흐름을 고려할 수 있는 국내 유일한 프로그램으로, 2006년 국제터널학회(ITA) 논문에 게재됐을 정도로 지하수 흐름과 지반역학에 관련된 수많은 프로젝트를 수행했다. 또한, 지반공학과 터널분야에서 해결하지 못한 문제들을 직접 개발하는 방식을 적용해 타의 추종을 불허하는 고도의 기술을 가진 프로그램을 개발하고 있다.

지하수 흐름이 민감한 프로젝트에서 기존 프로그램은 현실성이 떨어지는 결과가 생성되는 반면에, 에스와이텍에서 개발하고 구현하는 FEM툴에서는 지하수 흐름의 벡타를 스칼라로 환산하지 않고 흐름의 방향으로, 예를 들어 터널 바닥면에서 상향침투, 측면에서는 수평침투 등의 흐름의 방향을 고려할 수 있는 해석을 할 수 있다는 것이 장점이다. 또한, 최근 프로그램 개발 방식은 외부에서 개발한 코아를 수입하고 사용해 조립하는 방식으로 가격이 비싼 반면, 에스와이텍에서는 90%이상이 자체 개발한 툴을 이용하기 때문에 1/4가격으로 공급하고 있다.

뿐만 아니라 최근에 변경된 터널 내 화재에 대한 해석을 할 수 있는 모델을 한국건설기술연구원과 공동개발해 화재 시 콘크리트 탈락을 고려할 수 있는 KICT모델을 탑재한 기술을 기준이 변경되기 10년 전에 이미 개발해 선도적인 기술을 확보했다.

에스와이텍 안성율 대표이사(사진)는 “터널공학자가 막장인생을 사는 사람이 아니라 공학분야 최고의 학문인 FEM 기술을 다룬다는 사회적 이미지가 형성되고 있다”며 “또한, FEM 해석을 통해 막장에서 사고율을 현격히 줄일 수 있다는 것은 FEM의 가장 큰 효과라고 볼 수 있다”고 말했다.

그는 이어 “최근에는 해석속도가 빨라지고 있어 현장에서 수평보링으로 조사되는 자료를 보내면 플랫폼을 통해 바로 해석해서 안정성이 확보되는지를 현장에 알려 줄 수 있도록 하는 스마트 건설 시스템이 개발·적용되는 연구가 한창 진행 중”이라며 “터널의 FEM 해석은 터널 공학을 한층 높이는 공학기술과 접목되면서 수준 높은 분야로 새로운 인식이 심어지고 있다”고 덧붙였다.

이처럼 에스와이텍이 터널 FEM 해석 기술력을 확보할 수 있었던 것은 안성율 대표가 FEM에 대해 끊임없이 연구해온 결과라고 볼 수 있다.

안 대표는 FEM 분야의 최고에 있는 코넬대 Cooke 교수의 제자이자 국내에서 유한요소 대가로 알려진 이재영 교수에게 직접 유한요소를 배우고 FEM과 터널이 융합된 박사논문으로 학위를 받으며 30년 넘게 c++, 어셈블러를 연구하고 있다. 현재 플랫폼 개발에 직접 참여하면서 공학자를 위한 C#을 저술하고, Java, JSP, ASP 등 다양한 컴퓨팅 기술과 터널공학과 지반공학을 전공해 두 가지 분야를 융합하는데 전념하고 있다.

최근에는 국토교통부 공모에서 당선된 KPILE을 개발해 내진말뚝 설계와 기술마켓을 동시에 할 수 있도록 하는 플랫폼을 개발·운영하고 있으며, 현재까지 쌓은 경험을 바탕으로 하는 터널과 FEM기술을 MZ세대에 전달할 수 있는 해석전문 플랫폼(ADSOL)을 개발·운영하고 있다. 또한, 최근에 건축물 기초 구조기준이 변경될 것을 예견하고 5년 전부터 내진말뚝기술(특허 20여개)을 개발해 도입하고 있다.

무엇보다 플랫폼 개발의 목적은 그간의 모든 FEM과 터널 기술을 젊은 엔지니어들에게 전수하고자 하는 것이다. 정확한 지식을 가진 누군가가 잘 지도하고 가르쳐 주고 해석에 쉽게 접근할 수 있도록 하는 장을 만들어 준다면, 터널과 FEM 해석만 해도 멋진 삶을 살 수 있다는 것을 알려주고 싶다는 것이 안 대표의 생각이다.

안 대표는 “FEM에는 상당히 보이지 않는 많은 기술들이 있고, 개발과 이론 연구자들은 공학분야에서 사용되지 않는 분야가 없을 정도로 폭넓고, 깊고, 수학적이고, 무궁무진한 연구분야이기 때문에 FEM 전문가들은 죽는 날까지 컴퓨터 앞에 있다 죽는다는 얘기까지 한다”며 “젊은 엔지니어들이 이러한 FEM 매력에 빠질 수 있도록 FEM과 터널 기술에 대한 모든 지식을 온전히 공유할 계획”이라고 덧붙였다.


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