1. 서 론

건축물의 구조설계에서는 고정하중(dead load), 활하중(live load), 풍하중(wind load), 지진하중(seismic load), 적설하중(snow load) 등 다양한 외력을 고려하여 구조물의 안전성을 확보하여야 한다. 이들 하중 가운데 적설하중은 적설심과 적설의 단위중량을 고려해 산정해야 하는데, 적설의 단위중량은 기온, 강설 형태, 적설층의 압밀(compaction)과 변성(metamorphism), 융설 및 재동결 과정 등에 따라 시간적으로 변화하며(Elder et al., 1991; Sturm et al., 2010), 동일한 적설심이라도 적설의 밀도에 따라 구조물에 작용하는 하중은 크게 달라질 수 있다.

최근 기후변화의 영향으로 전 세계적으로 극한 강설사상의 발생 특성이 변화하고 있으며, 기존 설계기준에서 제시한 적설 조건을 초과하는 사례가 보고되고 있다. 특히 해양의 온난화로 인해 대기 중 수증기량이 증가하면서 수분 함량이 높은 습설(wet snow)의 발생 가능성이 커질 수 있으며, 이러한 습설은 동일한 적설심에서도 구조물에 훨씬 큰 적설하중을 유발할 수 있다(Sturm et al., 2010).

최근 한반도 주변 해역의 높은 해수면 온도는 겨울철 찬 공기가 해상을 통과하는 과정에서 대기로 공급되는 열과 수증기를 증가시켜 강한 눈구름의 발달에 기여할 수 있다. 실제로 2024년 11월 하순에는 우리나라 주변 및 북서태평양의 해수면 온도가 평년보다 약 1-4℃ 높았으며, 영하 30℃ 이하의 찬 공기를 동반한 상층 기압골이 유입되면서 서해상에서 큰 해기차가 형성되어 수도권을 중심으로 많은 눈이 내렸다(KMA, 2024). 구체적으로 2024년 11월 27일에는 서해 해수면 온도가 약 15℃, 700 hPa 고도의 기온이 약 -20℃로 약 35℃의 해기차가 형성되어 서해상의 눈구름이 강하게 발달한 것으로 분석되었다(KMA, 2025). 이 대설로 수원에서는 일최심신적설, 즉 하루 동안 새로 쌓인 눈의 최대 깊이가 32.3 cm, 일최심적설 43.0 cm가 관측되었으며, 인천과 서울에서도 11월 일최심신적설 및 일최심적설 최고기록이 경신되었다. 특히 서울의 2024년 11월 28일 일최심적설은 28.6 cm로, 근대 기상관측이 시작된 이후 11월 기준 최고기록에 해당하였다(KMA, 2024). 행정안전부가 발표한 피해 대응자료에는 같은 기간 용인 47.5 cm, 시흥 32.3 cm, 안성 31.9 cm의 일최심적설이 기록되었다(MOIS, 2025).

이에 따라 최근에는 장기간 적설관측자료를 이용한 빈도해석뿐만 아니라 적설밀도와 수상당량비(Snow-to-Liquid Ratio, SLR)를 함께 고려하는 관측 기반 설계 적설하중 산정방법의 필요성이 세계적으로 강조되고 있다(Jonas et al., 2009). SLR은 일정 기간의 신적설 깊이를 동일 기간의 액체상당 강우량으로 나눈 무차원 비로 정의되며(Judson and Doesken, 2000), 적설의 물리적 특성과 밀접한 관계를 가진다. 일반적으로 SLR이 작을수록 수분 함량이 높은 고밀도 습설을 의미하며, SLR이 클수록 밀도가 낮은 건설(dry snow)의 특성을 나타낸다(Baxter et al., 2005). 절대적인 국제 기준은 없으나, 일부 연구에서는 SLR 10을 기준으로 그 미만을 습설, 그 이상을 상대적으로 건조한 눈으로 구분한다(Doesken and Judson, 1997). 최근에는 적설심만으로는 실제 적설하중을 충분히 설명하기 어렵기 때문에, 적설심과 SLR을 함께 고려하는 연구가 활발히 수행되고 있으며(Jonas et al., 2009; Sturm et al., 2010), 설계 적설하중 산정에서도 이러한 관측 기반 접근방법의 중요성이 점차 증가하고 있다.

이와 같은 연구 동향을 반영하여 미국, 일본 및 유럽에서는 설계기준에 적용하는 적설하중 산정방법을 지속적으로 개선하고 있다. 미국토목학회(American Society of Civil Engineers, ASCE)는 ASCE 7-22에서 미국 전역의 장기간 적설관측자료를 기반으로 지역별 지상설하중 지도(Ground Snow Load Map)를 구축하고, 기온, 강수량, 해안으로부터의 거리 등을 고려한 적설심-하중 환산(depth-to-weight conversion) 기법을 이용하여 적설심을 적설하중으로 환산하도록 제안하고 있다(ASCE, 2022; Wheeler et al., 2022). 일본건축학회(Architectural Institute of Japan, AIJ)는 장기간 관측된 연최대 적설심과 연최대 적설하중을 이용하여 등가 단위 적설중량(equivalent unit snow weight)을 산정하는 방법을 제시하고 있으며, 최근에는 기온과 강수 특성을 반영한 적설하중 산정방법이 국제표준(ISO 4355) 개정 논의에 반영되는 등 설계 적설하중 산정방법을 지속적으로 개선하고 있다(AIJ, 2019).

국내 건축물 설계용 지상설하중 기준은 1982년 ｢건축물의 구조기준 등에 관한 규칙｣이 제정되면서 구체화되었다. 이 규칙에서는 지역별 적설량과 눈의 단위중량표를 제시하여 적설깊이와 눈의 단위중량을 바탕으로 설하중을 산정할 수 있도록 하였다. 이후 2005년에 기존에 분산되어 있던 구조설계 관련 규정을 통합한 현대적 형태의 ｢건축구조설계기준｣이 제정되었으며, 2009년에는 명칭이 ｢건축구조기준(KBC)｣로 변경되었다. 이 과정에서 극치분석과 재현기간 개념에 기초한 지상설하중 산정 체계가 정비되었다. 2016년에는 기존 KBC가 국가건설기준 코드체계인 KDS로 전환되면서 KDS 41 건축구조기준 체계가 확립되었다. 특히, 설하중 기준은 2014년 마우나오션리조트 체육관 지붕 붕괴 사고를 계기로 전면적인 재검토가 이루어졌으며, 기본 지상적설하중을 100년 재현기간(return period)에 해당하는 적설심을 바탕으로 산정하도록 기준이 강화되었다. 국가건설기준 체계에서 건축물 설계하중은 KDS 41 12 00으로 분류되며, 현재는 지상설하중을 기초로 평지붕설하중, 경사지붕설하중, 불균형설하중 및 국부설하중 등을 종합적으로 규정하고 있다. 2022년 설하중 개정에서는 기존의 행정구역 단위 설계기준을 보완하기 위해 등치선 방식의 설계용 지상설하중 지도가 도입되었다. 이를 통해 관측자료가 부족한 지역에서도 공간적으로 연속된 지상설하중을 산정할 수 있게 되었으며, 행정구역 경계에서 설계하중이 급격하게 달라지는 불연속성도 완화되었다. 이러한 개정은 설계 지상설하중의 공간적 신뢰성을 높이는 한편, 등치선 지도를 활용하는 국제 설계기준의 발전 방향과도 부합한다.

그러나 이러한 기준의 개선에도 불구하고 2022년에 개정된 KDS의 설하중 산정방법은 적설심을 적설하중으로 환산하는 과정에서 건설을 가정한 단위 적설중량(unit snow weight)을 적용하고 있다는 한계를 가진다(AIK, 2024). 즉, 적설심이 0.5 m 이하인 경우에는 1.0 kN/m³, 1.0 m 이하에서는 1.5 kN/m³, 1.5 m 이하에서는 2.0 kN/m³, 2.0 m 이하에서는 2.5 kN/m³, 그리고 2.0 m를 초과하는 경우에는 최대 3.0 kN/m³을 적용하며, 각 구간에서는 선형보간을 수행하도록 규정하고 있다. 이러한 방법은 계산이 간단하고 설계 적용이 용이하다는 장점이 있으나, 실제 습설 발생 가능성과 적설의 밀도 변화, 지역별 기후 특성을 직접 반영하지 못한다는 한계가 있다.

적설하중 기준의 개선 필요성은 국내 여러 선행연구에서도 제기되어 왔다. Yun et al. (2014)은 전국 69개 기상관측소의 적설자료를 이용하여 GEV 분포 기반의 설계 적설하중 지도를 제안하고, 습설 조건을 고려할 경우 일부 지역에서는 현행 기준이 적설하중을 최대 2-4배까지 과소평가할 수 있음을 보고하였다. Lee et al. (2015a)은 Hellmann 우량계 보정기법을 이용하여 신적설 단위중량을 추정하고, 기존 고정된 단위 적설중량을 적용할 경우, 상대적으로 온난하고 습한 강설 조건에서 실제 적설하중이 과소평가될 수 있음을 제시하였다. 또한 Lee et al. (2015b)은 2005년부터 2014년까지 발생한 건축물 붕괴 사례를 분석하여 76% 이상의 사례에서 실제 적설하중이 당시 설계기준을 초과하였음을 보고하였다. 이후 Lee and Jeong (2019)은 강원지역의 현장 관측을 통하여 적설심 증가에 따라 적설밀도가 증가하는 경향을 확인하고, 적설밀도의 시공간적 변동성을 설계기준에 반영할 필요가 있다고 지적하였다.

그러나 지금까지의 연구는 장기 적설심의 빈도해석, 적설밀도 산정 및 적설하중 평가를 개별적으로 수행한 경우가 많았다. 장기간 관측자료를 이용해 재현기간별 적설심을 산정하고, 현장 계측자료로부터 등가 단위 적설중량을 개발한 뒤, 이를 전국 규모의 설계 지상적설하중 지도 작성으로 연계한 연구는 매우 제한적이다. 최근 주목받고 있는 습설 현상과 기후변화에 따른 적설 특성의 변화를 함께 고려한 전국 규모의 설계 지상적설하중 지도도 아직 제시되지 않았다.

본 연구는 이러한 한계를 보완하기 위해 크게 (1) 장기 적설관측자료 구축 및 빈도해석, (2) 현장 실측자료를 이용한 등가 단위 적설중량 산정, (3) 설계 지상적설하중 지도 작성 및 적용성 평가의 세 단계로 수행하였다(Fig. 1). 먼저 전국 75개 종관기상관측소(ASOS)에서 20년 이상 관측된 연최대 적설심 자료를 이용하여 확률분포 기반의 빈도해석을 수행하고, 관측소별 100년 재현기간 적설심을 산정하였다. 다음으로 2023년부터 2025년까지 국내 3개 관측지점에서 동일 시점에 계측한 적설심과 적설하중 자료를 이용하여 국내 강설 특성을 반영한 등가 단위 적설중량 산정식을 개발하였다. 마지막으로 산정된 100년 재현기간 적설심과 제안된 등가 단위 적설중량을 결합하여 새로운 기본 지상적설하중을 산정하고, 공간보간을 통해 KDS 41 12 00에 적용 가능한 전국 지상적설하중 지도를 작성하였다. 또한 제안된 설계하중을 현행 기준과 비교하여 현행 기준 대비 지역별 설계 지상적설하중의 증감 특성을 분석하였다.

Fig. 1.

Overall procedure for deriving the revised ground snow load map using field measurement data

2. 자료 구축

2.1 적설자료 구축 및 빈도해석

빈도해석에는 기상청(Korea Meteorological Administration, KMA)에서 운영하는 105개 ASOS 관측소의 일최대 적설심(daily maximum snow depth, DMSD) 자료를 이용하였다. ASOS는 전국적으로 동일한 관측기준과 품질관리 절차에 따라 운영되는 국가기상관측망으로, 장기간의 연속 관측자료를 확보할 수 있다는 장점이 있다. 또한 관측자료의 신뢰성과 공간적 대표성이 높아 극치 빈도해석 및 설계기준 산정을 위한 기초자료로 널리 활용되고 있다. 일최대 적설심은 하루(00:00-24:00) 동안 관측된 최대 적설심으로, 해당일에 새롭게 내린 적설뿐 아니라 기존 적설층이 잔존한 경우 이를 모두 포함하는 값이다. 따라서 연최대 적설심은 구조물이 실제로 경험할 수 있는 최대 적설하중을 산정하기 위한 대표적인 극치자료로 활용된다.

극치 빈도해석의 신뢰성을 확보하기 위하여 관측기간이 20년 미만인 관측소는 분석에서 제외하였다. 일반적으로 극치수문해석에서는 재현기간 산정을 위한 안정적인 확률분포 추정을 위해 일정 이상의 장기 관측자료가 요구되며, 국내외 적설 및 수문 빈도해석 연구에서도 20년 이상의 관측기간이 최소 분석 기준으로 널리 적용되고 있다. 이러한 기준을 적용한 결과, 최종적으로 전국 75개 ASOS 관측소를 분석 대상으로 선정하였다(Fig. 2).

Fig. 2.

Locations of observation stations operated by the Korea Meteorological Administration (KMA)

선정된 관측소의 자료기간은 파주 관측소의 24년부터 전주 관측소의 94년까지 분포하였다. 전체 관측소 가운데 57개소(76%)는 40년 이상의 장기 관측자료를 보유하고 있었으며, 20-30년의 관측기간을 갖는 관측소는 7개소에 불과하였다. 따라서 대부분의 관측소는 연최대 적설심의 극치통계 특성을 분석하고 재현기간별 설계 적설심을 산정하기에 충분한 자료기간을 확보하고 있는 것으로 판단된다.

한편 독도에는 ASOS 관측소가 설치되어 있지 않고 자동기상관측장비(Automatic Weather System, AWS)만 운영되고 있어 적설심 관측자료가 충분하지 않아 빈도해석 대상에는 포함하지 않았다. 그러나 제안된 전국 지상적설하중 지도의 공간적 연속성과 우리나라 영토의 동쪽 경계를 표현하기 위하여 독도를 지도에 함께 표시하였으며, 독도의 기본 지상적설하중은 인접한 울릉도의 적설 특성과 기후환경이 유사하다는 점을 고려하여 울릉도와 동일한 값을 적용하였다.

2.2 적설심 및 적설하중 동시 관측

본 연구에서는 2023년부터 2025년까지 국내 3개 현장 관측지점에서 적설심과 적설하중을 동시에 계측하였다. 관측기간 동안 취득한 적설심과 적설하중 자료를 동일 시점 기준으로 매칭하여 분석자료를 구축하였다. 각 자료는 강설 발생 시 촬영 상태와 계측 품질을 검토한 후 품질관리를 수행하였다. 관측지점은 2023년에 설치된 충청북도 속리산 구병리, 2024년에 설치된 충남 호서대학교 아산캠퍼스, 그리고 2025년 3월에 설치된 강원도 대관령이다(Fig. 3). 각 관측지점은 설치 시기와 관측기간에는 차이가 있으나, 중부 내륙과 산악지역 등 서로 다른 기후 및 지형조건에서 발생하는 강설 특성을 반영할 수 있도록 선정하였다.

Fig. 3.

Field measurements of snow depth and snow load (a): Sokrisan, Chungcheongbuk-do; (b): Hoseo University, Chungcheongnam-do; (c): Daegwallyeong, Gangwon-do

각 관측지점에는 적설하중을 직접 계측하기 위한 로드셀(load cell) 기반 적설중량계와 적설심을 산정하기 위한 카메라 기반 적설심계를 함께 설치하였다. 이를 통해 강설 발생 시 동일한 시점의 적설심과 적설하중을 동시에 취득하였으며, 두 자료를 이용하여 적설의 등가 단위 적설중량을 산정하였다. 적설심과 적설하중을 동시에 관측하는 것은 적설밀도를 직접 평가하기 위한 필수 조건이다. 적설심만으로는 눈의 깊이만 파악할 수 있으며, 동일한 적설심이라도 적설의 밀도와 수분 함량에 따라 실제 구조물에 작용하는 하중은 크게 달라질 수 있기 때문이다.

적설하중은 직경 40 cm의 원형 적설판(snow plate)이 부착된 로드셀 기반 적설중량계를 이용하여 1분 단위로 계측하였다. 적설판은 강설 시 눈이 자연스럽게 쌓이는 기준면 역할을 하며, 적설판 위에 축적된 적설의 중량은 하부 로드셀을 통해 계측된다. 측정된 하중은 적설판의 면적으로 나누어 단위면적당 지상적설하중(kN/m²)으로 환산하였다. 적설판은 주변 지표면과 가능한 한 동일한 조건에서 적설이 형성될 수 있도록 수평으로 설치하였으며, 강풍이나 국부적인 적설 분포의 영향을 최소화하기 위하여 주변 장애물과 충분한 이격거리를 확보하였다. 또한 직경 40 cm의 원형 적설판은 현장 설치의 용이성과 계측 안정성을 동시에 확보할 수 있으며, 풍향에 따른 방향성 영향을 줄일 수 있다는 장점을 가진다.

적설심은 카메라 기반 영상관측 시스템을 이용하여 산정하였다. 카메라는 적설판과 기준 표적을 포함하는 관측영역을 연속적으로 기록하고, 일정 시간 간격으로 촬영하였다. 본 연구에서는 타원체 형상 보정기법을 적용하여 카메라 설치 각도에 따른 기하학적 왜곡을 보정하였으며, 이를 통해 적설심을 정량적으로 산정하였다. 카메라 기반 적설심계는 적설층을 직접 접촉하지 않는 비접촉식 관측기법으로, 적설층을 교란하지 않으면서 시간에 따른 적설심 변화를 연속적으로 관측할 수 있다는 장점을 가진다.

3. 결 과

3.1 적설심의 시공간적 변동성

전국 75개 ASOS 관측소의 연최대 적설심 자료를 분석한 결과, 우리나라의 적설은 지역에 따라 매우 큰 공간적 변동성을 나타내는 것으로 확인되었다(Fig. 4). 연최대 적설심의 평균은 제주 고산에서 1.7 cm로 가장 작았으며, 울릉도에서는 81.3 cm로 가장 크게 나타나 약 48배의 차이를 보였다. 또한 관측기간 동안 기록된 최대 적설심은 제주 고산의 7.5 cm에서 울릉도의 293.6 cm까지 분포하여 약 39배의 차이를 나타냈다. 이러한 결과는 우리나라의 적설환경이 지형 및 기후조건에 따라 매우 높은 공간적 이질성을 갖고 있음을 보여준다.

Fig. 4.

Comparison between average annual maximum snow depth and maximum observed snow depth

관측된 최대 적설심을 기준으로 관측소를 다섯 개의 적설 특성 구역으로 구분하였다(Fig. 5). 극심한 적설지역(Extreme Snowfall)은 최대 적설심이 200 cm를 초과하는 지역으로 울릉도 1개 관측소가 해당하였으며, 최대 적설심은 293.6 cm로 나타났다. 매우 많은 적설지역(Very Heavy Snowfall)은 최대 적설심이 100-200 cm 범위인 지역으로 대관령, 강릉, 속초, 동해, 삼척 및 태백이 포함되었으며, 대부분 태백산맥과 동해안에 분포하였다. 많은 적설지역(Heavy Snowfall)은 최대 적설심이 50-100 cm 범위인 지역으로 백령도, 부안, 정읍, 목포, 울진 및 영덕 등이 포함되었으며, 서남해안과 동해안 일부 지역에서 높은 적설이 관측되었다. 보통 적설지역(Moderate Snowfall)은 최대 적설심이 30-50 cm 범위인 지역으로 수도권과 충청권을 중심으로 31개 관측소가 포함되었으며, 적은 적설지역(Light Snowfall)은 최대 적설심이 30 cm 미만인 남해안 및 제주 지역의 31개 관측소로 구분되었다.

Fig. 5.

Spatial distribution of annual maximum snow depth at 75 ASOS stations in South Korea. Observation stations are classified into five snowfall categories: extreme, very heavy, heavy, moderate, and light snowfall

이와 같은 공간적 분포는 우리나라의 대표적인 강설 발생 메커니즘과도 일치한다. 동해안과 태백산맥 지역은 동해를 통과한 수증기가 산악지형에서 상승하면서 지형성 강설(orographic snowfall)이 발달하여 많은 적설이 발생하는 반면, 호남 서남해안 지역은 겨울철 한기가 황해를 통과하면서 형성되는 해기차 효과(sea-effect snowfall)의 영향을 크게 받는 것으로 알려져 있다. 또한 수도권과 중부 내륙은 두 강설 메커니즘의 영향을 모두 부분적으로 받으며, 남해안과 제주 해안지역은 상대적으로 겨울철 기온이 높아 적설 발생 빈도가 낮은 특성을 보였다. 이와 같이 분류된 적설 특성 구역은 이후 제시하는 설계 지상적설하중 분포와도 유사한 공간적 특성을 나타내며, 국내 설계 적설하중 산정에서 고려되어야 하는 대표적인 강설 기후구역으로 활용될 수 있다.

한편 제주도는 해안지역 ASOS 관측소만 운영되고 있어 실제 다설지역인 한라산 고지대의 적설 특성을 충분히 반영하지 못하는 한계가 있다. 따라서 본 연구에서 제시한 제주지역의 적설 특성은 해안지역 관측자료를 기반으로 한 결과이며, 향후 한라산 고지대의 장기 적설관측자료가 확보될 경우 보다 합리적인 설계 적설하중 산정이 가능할 것으로 판단된다.

관측자료의 시간적 변동성을 평가하기 위하여 변동계수(coefficient of variation, CV)를 이용하여 관측기간별 적설 특성을 비교하였다(Fig. 6). 분석 결과 대부분의 관측소에서 최근 10년(2015년 11월-2025년 3월)의 평균 CV가 가장 크게 나타났으며, 분석기간을 20년, 30년 및 전체 관측기간으로 확대할수록 평균 CV는 점차 감소하는 경향을 보였다. 이는 최근 강설이 과거보다 변동성이 커지고 있으며, 극한 강설사상의 영향이 상대적으로 증가하고 있음을 시사한다.

Fig. 6.

Comparison of coefficients of variation (CVs) for different observation periods

특히 최근 10년 동안 CV가 크게 증가한 지역은 밀양, 통영, 거제 및 남해와 같이 과거에는 적설 발생 빈도가 낮았던 남부지역에서 주로 나타났다. 이는 과거에는 드물었던 강설이 최근 들어 간헐적으로 발생하면서 연최대 적설심의 연도별 변동폭이 증가한 결과로 판단된다. 이러한 경향은 최근 기후변화에 따른 대기 및 해양환경 변화로 강설의 시공간적 변동성이 증가하고 있다는 기존 연구 결과와도 일치하며, 향후 설계 적설하중 산정 시 정상성(stationarity) 가정의 적절성을 재검토할 필요가 있음을 시사한다.

3.2 적설심 빈도해석

연최대 적설심 자료를 대상으로 확률분포 기반의 빈도해석을 수행하여 관측소별 100년 재현기간 설계 적설심(P₁₀₀)을 산정하였다. 빈도해석에는 GEV, Gumbel, Gamma 및 Exponential 분포를 적용하였으며, 각 확률분포의 매개변수는 확률가중모멘트법(Probability Weighted Moments, PWM)을 이용하여 추정하였다. PWM은 극치자료의 표본 수가 제한적인 경우에도 안정적인 매개변수 추정이 가능하고 이상치의 영향을 상대적으로 적게 받기 때문에 극치수문해석에서 널리 활용되는 방법이다. 각 확률분포의 적합성은 Kolmogorov-Smirnov (K-S) 검정을 이용하여 평가하였으며, 유의수준 5%에서 K-S 검정통계량이 가장 작고 p-value가 0.05 이상인 분포를 해당 관측소의 최적 확률분포로 선정하였다.

빈도해석 결과(Fig. 7), 전국 75개 관측소의 100년 재현기간 적설심은 지역에 따라 매우 큰 차이를 보였다. 가장 큰 설계 적설심은 울릉도에서 298.79 cm로 산정되었으며, 대관령(249.40 cm), 동해(144.86 cm), 속초(135.07 cm), 삼척(129.83 cm), 강릉(123.20 cm), 태백(116.28 cm) 순으로 나타났다. 이들 지역은 모두 태백산맥과 동해안에 위치하며, 겨울철 동해를 통과한 수증기가 산악지형에서 상승하면서 발생하는 지형성 강설의 영향을 크게 받는 지역이다.

Fig. 7.

Results of frequency analysis for 100-year return period snow depth (cm)

반면 서남해안 지역에서도 비교적 높은 설계 적설심이 산정되었다. 정읍은 75.61 cm, 부안은 66.65 cm, 임실은 55.52 cm로 나타나 서울(35.54 cm)과 인천(35.32 cm) 등 수도권보다 높은 값을 보였다(Table 1). 이는 겨울철 한기가 황해를 통과하면서 다량의 수증기를 공급받아 형성되는 해기차 강설(sea-effect snowfall)의 영향을 반영한 결과로 판단된다. 이러한 결과는 기존 설계기준에서 상대적으로 과소평가되어 왔던 호남 서남해안 지역의 적설 위험성을 다시 확인시켜 준다.

또한 동해와 삼척은 비교적 짧은 재현기간에서는 속초와 강릉보다 큰 적설심을 보였으나, 재현기간이 증가할수록 빈도곡선의 기울기가 급격히 변화하여 100년 재현기간에서는 유사한 수준으로 수렴하는 경향을 나타냈다. 이는 해당 지역의 극치 적설자료가 상대적으로 큰 변동성을 가지며, 극한 적설사상에 대한 민감도가 높음을 의미한다. 따라서 동일한 평균 적설심을 갖는 지역이라 하더라도 극치분포의 꼬리 특성에 따라 설계 적설심은 상당한 차이를 나타낼 수 있음을 확인하였다.

대표 관측소의 빈도해석 결과를 Table 1에 제시하였다. 전체 75개 관측소 가운데 57개소(76%)에서는 GEV 분포가 최적 확률분포로 선정되어 우리나라 연최대 적설심의 극치 특성을 가장 잘 설명하는 것으로 나타났다. 반면 Exponential 분포는 18개 관측소에서 최적 분포로 선정되었으며, 대부분 제주도와 남해안 등 적설 발생 빈도가 낮은 지역에 해당하였다. 이들 지역은 연최대 적설심이 0 또는 이에 가까운 값이 반복적으로 관측되어 시계열이 크게 편향되는 특성을 보였으며, 이로 인해 단순 지수분포가 상대적으로 높은 적합성을 나타낸 것으로 판단된다. GEV 분포가 전체 관측소의 약 76%에서 최적 모형으로 선정된 결과는 우리나라 연최대 적설심이 일반적인 극치확률분포 특성을 따르고 있음을 보여주며, 향후 국내 설계 적설심 산정에서도 GEV 분포를 우선적으로 적용할 수 있음을 시사한다.

본 연구에서 산정된 100년 재현기간 적설심은 이후 제안된 등가 단위 적설중량과 결합하여 기본 지상적설하중을 산정하기 위한 기초자료로 활용하였다.

3.3 관측자료 기반 등가 단위 적설중량(γeq) 산정식 개발

국내 겨울철 적설의 특성을 파악하기 위하여 관측자료를 이용하여 SLR을 산정하였다(Fig. 8). 앞에서 설명한 것과 같이, SLR 10을 기준으로 그 미만은 습설, 그 이상을 상대적으로 건조한 건설로 판단하였다. 분석 결과, 기온이 -10°C 이하인 경우에는 SLR이 약 14 부근에 분포하여 밀도가 낮은 건설의 특성을 나타냈다. 반면 국내에서 강설이 주로 발생하는 -10°C에서 0°C 사이에서는 SLR이 대부분 2-8 범위에 분포하였으며 평균값은 4.10으로 나타났다. 전체 90개 관측자료 가운데 SLR이 10을 초과한 사례는 약 7%에 불과하였다. 이는 국내 겨울철 강설의 대부분이 수분 함량이 높은 습설에 해당함을 의미하며, 2022년 KDS의 단위 적설중량 함수가 암묵적으로 가정하고 있는 건설 중심의 적설 특성과는 차이를 보였다.

Fig. 8.

SLR calculated from field measurements

이와 같은 결과는 최근 해외 설계기준의 개정 방향과도 일치한다. 일본건축학회(AIJ, 2019)는 연최대 적설하중과 연최대 적설심(d0)을 이용하여 등가 단위 적설중량(γeq)을 산정하도록 권고하고 있다. 또한 미국 ASCE 7-22에서는 장기간 관측자료를 이용하여 적설심을 적설하중으로 변환하는 depth-to-weight conversion 모델(Wheeler et al., 2022)을 개발하여 지역별 Ground Snow Load Map 작성에 활용하고 있다. 이처럼 최근의 국제 설계기준은 단순한 경험적 단위 적설중량 대신 관측자료 기반의 적설하중 산정방법을 적용하는 방향으로 발전하고 있다. 즉, 적설심(d)과 등가 단위 적설중량(γeq)을 이용하여 적설하중(Sg)을 계산하는 것이다(Eq. (1)). 여기서 단위 적설중량이 아닌 등가 단위 적설중량을 사용하는 것은 적설의 실제 단위중량은 기온, 강설 형태, 적설층의 압밀(compaction), 변성(metamorphism), 융설 및 재동결 과정 등에 따라 지속적으로 변화하기 때문이다. 따라서 설계 적설하중 산정에는 특정 시점의 단위 적설중량보다 이를 대표할 수 있는 등가 단위 적설중량 결정이 매우 중요하다.

본 연구에서도 동일한 개념을 적용하여 현장에서 관측한 적설심과 적설하중 자료를 이용하여 등가 단위 적설중량을 계산하고, 적설심과의 관계를 회귀분석하였다(Fig. 9). 선형함수, 지수함수, 로그함수 및 제곱근 선형함수(square-root linear function) 등 다양한 형태의 회귀모형을 적용하여 비교한 결과(Fig. 9(a)), 제곱근 선형함수가 관측자료에 대해 가장 높은 결정계수(R²)를 나타내는 동시에, 적설심 증가에 따른 등가 단위 적설중량의 증가 경향을 비교적 안정적으로 재현하는 것으로 나타났다. 특히, 본 연구에서 제안하는 산정식은 관측범위를 초과하는 적설심에 대해서도 적용될 수 있으므로, 회귀모형의 적합도뿐만 아니라 외삽 시 나타나는 함수의 거동도 함께 고려하였다. 선형함수와 지수함수의 경우 적설심이 증가함에 따라 등가 단위 적설중량이 지속적으로 증가하여 관측범위를 벗어난 구간에서 과도하게 큰 값을 산정할 가능성이 있는 것으로 판단하였다. 반면, 로그함수는 적설심이 작은 구간에서 등가 단위 적설중량이 급격히 감소하고, 적설심이 증가할수록 증가율이 지나치게 감소하여 큰 적설심에서는 값의 변화가 제한되는 특성을 나타냈다. 이에 따라 관측자료에 대한 적합성과 적설심 증가에 따른 물리적으로 합리적인 변화 특성, 그리고 외삽 시의 안정성을 종합적으로 고려하여 제곱근 선형함수를 최종 모형으로 선정하였다. 최종적으로 제안된 등가 단위 적설중량 산정식은 Eq. (2)와 같다.

Fig. 9.

Comparison of equivalent unit snow weight estimation methods and the KDS standard: (a) different estimation methods based on observed data; (b) proposed method compared with KDS 41 12 00(2022)

여기서 d0는 m 단위의 적설심이며, γeq는 kN/m³ 단위의 등가 단위 적설중량이다. 제안된 식은 적설심이 증가함에 따라 적설층의 압밀효과로 단위 적설중량도 증가하지만, 증가율은 점차 감소하는 실제 적설의 물리적 특성을 잘 반영한다(Fig. 9(b)).

3.4 기본 지상설하중 지도

각 관측소별 기본 지상설하중(Sg, kN/m²)은 100년 재현기간 적설심과 본 연구에서 제안한 등가 단위 적설중량을 이용하여 다음과 같이 산정하였다.

여기서 P100은 100년 재현기간 적설심(m)을 의미하며, γeq는 3.3절에서 제안한 관측 기반 등가 단위 적설중량 산정식(Eq. (2))을 이용하여 계산하였다. 산정된 기본 지상설하중을 이용하여 전국 규모의 설계 지상설하중 지도를 작성하였다.

공간보간은 수치표고모델(Digital Elevation Model, DEM)을 함께 고려한 불규칙삼각망(Triangulated Irregular Network, TIN) 기법을 이용하였다. 일반적으로 공간보간에는 Kriging 기법이 널리 사용되지만, 본 연구에서는 태백산맥과 소백산맥을 중심으로 나타나는 급격한 지형 변화와 동해안의 지형성 강설 특성을 보다 효과적으로 반영하기 위하여 TIN 기법을 적용하였다. TIN은 인접 관측소를 삼각망으로 연결하여 지형 변화에 따른 공간적 연속성을 표현할 수 있으므로, 산악지형과 해안지역이 복합적으로 분포하는 우리나라의 적설 특성을 재현하는 데 보다 적합한 것으로 판단하였다. 등고선은 0.5 kN/m² 간격으로 작성하였으며, 최소 기본 지상설하중은 0.5 kN/m²로 설정하였다. 또한 해상에는 적설관측자료가 존재하지 않으므로 해안 경계에서는 가장 인접한 관측소의 등고선을 해안선까지 연장하여 적용하였다.

제안된 기본 지상설하중 지도(Fig. 10)는 KDS 41 12 00(2022)와 비교하여 네 개의 주요 고하중 지역을 명확하게 나타냈다. 가장 높은 지상설하중은 울릉도와 독도에서 약 10.6 kN/m²로 산정되어 국내에서 가장 높은 설계 설하중 지역으로 나타났다. 동해안과 태백산맥을 포함하는 영동 산악지역에서는 3.5-8.5 kN/m²의 높은 지상설하중이 분포하였으며, 기존 기준의 최대값인 5.0 kN/m²보다 약 1.7배 크게 증가하였다. 이는 동해에서 공급되는 풍부한 수증기와 산악지형에 의한 지형성 강설 효과가 동시에 반영된 결과로 판단된다.

Fig. 10.

Comparison of ground snow load (kN/m²) contour maps between KDS 41 12 00(2022) and the proposed method ((a): KDS 41 12 00(2022); (b): revised ground snow load map)

또한 호남 서남해안에서는 1.0-2.0 kN/m² 수준의 지상설하중이 분포하여 기존 설계기준보다 최대 3.1배 크게 증가하는 것으로 나타났다. 이 지역은 겨울철 황해를 통과한 한기가 해기차 효과에 의해 강설을 발달시키는 대표적인 지역으로, 최근 증가하고 있는 습설 특성이 반영된 결과로 해석된다. 중부 내륙에서는 문경을 중심으로 태백산맥과 소백산맥이 만나는 지역에서 기본 지상설하중이 기존 0.5 kN/m²에서 약 1.5 kN/m²까지 증가하였다. 이것은 기존에 분석에 포함되지 않았던 문경 관측소가 추가되면서 공간적인 해상도가 증가한 결과이다. 반면 남해안 지역은 상대적으로 적설 발생 빈도가 낮아 최소 설계하중인 0.5 kN/m²가 유지되었다.

서울을 포함한 수도권에서도 기본 지상설하중이 기존 최소값인 0.5 kN/m²에서 약 0.9 kN/m² 수준으로 약 1.8배 증가하는 것으로 나타났다. 이는 최근 관측된 극한 적설사상과 관측 기반 등가 단위 적설중량을 동시에 반영한 결과로, 현행 설계기준이 수도권에서도 설하중을 다소 과소평가하고 있을 가능성을 시사한다.

4. 결 론

본 연구에서는 전국 75개 ASOS 관측소의 장기 적설관측자료를 이용한 빈도해석과 3개 현장 관측지점에서 계측한 적설심-적설하중 동시 관측자료를 이용하여 관측 기반 등가 단위 적설중량을 개발하고, 이를 적용한 새로운 기본 지상설하중 지도를 제안하였다. KDS 41 12 00(2022) 설계기준은 건설을 가정한 단위 적설중량을 이용하여 기본 지상설하중을 산정하는 반면, 본 연구에서는 실제 관측자료를 이용하여 적설심과 적설하중의 관계를 재평가함으로써 최근 증가하고 있는 습설 특성을 설계하중 산정에 반영하였다. 주요 연구 결과는 다음과 같다.

(1)전국 75개 ASOS 관측소의 연최대 적설심에 대한 빈도해석 결과, GEV 분포가 전체 관측소의 76%에서 최적 확률분포로 선정되었다. 이를 이용하여 산정한 100년 재현기간 설계 적설심은 제주 고산의 9.84 cm부터 울릉도의 298.79 cm까지 분포하였으며, 우리나라 적설환경의 높은 공간적 이질성을 확인하였다.

(2)연최대 적설심의 시계열을 분석한 결과 최근 10년 동안 대부분의 관측소에서 변동계수(CV)가 증가하는 경향을 보였다. 이는 최근 강설이 과거보다 변동성이 커지고 있으며, 극한 강설사상의 영향이 증가하고 있음을 시사한다.

(3)현장 실측자료를 분석한 결과 국내 겨울철 강설은 대부분 SLR 10 미만의 습설 특성을 나타냈으며, 평균 SLR은 4.10으로 분석되었다. 이러한 결과는 KDS 41 12 00(2022)가 가정하고 있는 건설 중심의 단위 적설중량과 차이를 보였으며, 관측자료를 이용하여 제안한 등가 단위 적설중량 산정식은 최근 국내 강설 특성을 보다 합리적으로 반영하는 것으로 판단된다.

(4)제안된 등가 단위 적설중량을 적용하여 산정한 기본 지상설하중은 현행 KDS 41 12 00(2022)보다 약 1.0-3.1배 크게 나타났다. 특히 서남해안과 중부 내륙지역에서 증가폭이 크게 나타났으며, 이는 최근의 적설심 증가와 습설 특성이 동시에 반영된 결과로 판단된다.

종합하면, 본 연구에서 제안한 관측 기반(observation-based) 지상설하중 산정체계는 장기 적설심 빈도해석과 실제 설하중 관측자료를 통합하여 국내 설계 설하중을 산정한 연구로, 제안된 기본 지상설하중 지도는 최근 증가하고 있는 습설과 극한 강설 특성을 반영함으로써 KDS 41 12 00의 설계 지상설하중 개정과 구조물의 적설 안전성 향상을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

5. 연구의 한계 및 향후 연구

본 연구에는 다음과 같은 한계가 존재하며, 향후 연구를 통해 지속적으로 보완할 필요가 있다.

첫째, 본 연구의 빈도해석은 연최대 적설심 시계열이 정상성(stationarity)을 따른다는 가정하에 수행되었다. 그러나 최근 대부분의 관측소에서 변동계수가 증가하는 경향이 확인되었으며, 이는 기후변화에 따라 적설심의 확률특성이 변화하고 있을 가능성을 시사한다. 따라서 향후에는 시간 또는 기후지수를 고려한 비정상성(non-stationary) GEV 모형을 적용하여 미래 설계 적설심을 산정할 필요가 있다.

둘째, 등가 단위 적설중량 산정은 총 90개의 적설심-적설하중 동시 관측자료를 이용하여 수행되었으며, 관측지점 역시 중부 내륙과 강원 산악지역의 3개 지점으로 제한된다. 특히 습설 발생 빈도가 높은 서해안 및 호남지역의 관측자료가 충분하지 못하므로, 향후 전국 규모의 적설하중 관측망을 구축하여 등가 단위 적설중량의 공간적 대표성을 향상시킬 필요가 있다. 또한 한라산과 독도 등 대표적인 다설지역에는 장기 ASOS 적설관측자료가 부족하므로, 이들 지역에 대한 관측망 확충 역시 요구된다.