제133회 토목시공기술사 1교시 기출문제&참고답안

 

제133회 토목시공기술사 1교시 참고답안

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1. 건설자동화기술

건설자동화기술은 전통적인 건설공사에 로봇, 정보통신(IT), 인공지능(AI) 등 첨단 기술을 융합하여, 건설 생산 과정의 일부 또는 전부를 자동화함으로써 생산성 향상, 안전사고 저감, 품질 확보를 목표로 하는 기술을 총칭합니다. 단순 반복적인 작업을 기계가 대체하고, 사람은 고부가가치의 관리 업무에 집중할 수 있도록 합니다.

1) 주요 자동화 기술

• 건설기계 자동화: GPS, 각종 센서를 부착한 건설기계(MG/MC)가 설계 도면에 따라 자동으로 정밀 작업을 수행합니다.
• 건설 로봇: 철근 조립, 용접, 도장, 위험물 처리 등 인력이 수행하기 어렵거나 위험한 작업을 로봇이 대신합니다.
• 모니터링 자동화: 드론, CCTV, IoT 센서 등을 활용하여 공정 현황, 안전 상태, 품질 등을 실시간으로 원격 모니터링합니다.
• 공장 제작 (PC 공법): 공장에서 부재를 자동화된 설비로 제작한 후, 현장에서는 조립만 하여 품질을 균일화하고 공기를 단축합니다.

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2. 비용분류체계(Cost Breakdown System)

비용분류체계(CBS)는 건설 프로젝트의 총비용을 체계적으로 관리하고 통제하기 위해, 전체 비용을 공종별, 자원별, 부위별 등 일정한 기준에 따라 계층적으로 분할한 구조를 말합니다. 이는 예산 수립부터 집행, 성과 측정까지 비용 관리의 근간이 되는 핵심적인 도구입니다.

1) 목적 및 기능

• 정확한 예산 수립: 세분된 항목별로 비용을 예측하여 전체 예산의 정확도를 높입니다.
• 효율적인 비용 통제: 계획 예산과 실제 투입 비용을 항목별로 비교 분석하여 초과 비용 발생 시 원인을 신속하게 파악하고 대응할 수 있습니다.
• 성과 측정의 기준: 작업분류체계(WBS)와 연계하여 기성고 관리(EVM)의 기초 자료로 활용됩니다.
• 데이터 축적 및 활용: 향후 유사 프로젝트의 견적 데이터베이스로 활용하여 사업 관리 역량을 향상시킵니다.

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3. 순환골재 콘크리트

순환골재 콘크리트는 건설 현장에서 발생하는 폐콘크리트를 파쇄, 분리, 선별 등의 공정을 거쳐 생산된 **순환골재**를 사용하여 만든 콘크리트입니다. 건설폐기물 재활용을 통해 천연자원 고갈 문제를 해결하고 환경을 보호하기 위한 친환경 콘크리트 기술입니다.

1) 장단점

구분	내용
장점	- 환경 보호: 천연골재 채취로 인한 자연 파괴를 줄입니다. - 건설폐기물 저감: 폐콘크리트 매립량을 줄여 환경오염을 방지합니다. - 자원 재활용: 한정된 자원을 효율적으로 재활용할 수 있습니다.
단점	- 품질 변동성: 원재료인 폐콘크리트의 품질이 균일하지 않아 순환골재의 품질 변동이 클 수 있습니다. - 성능 저하 우려: 일반적으로 천연골재 콘크리트에 비해 강도, 내구성, 건조수축 등의 성능이 다소 저하될 수 있습니다. - 엄격한 품질관리 요구: 이물질 함유량 등 KS 규격에 맞는 엄격한 품질관리가 필요합니다.

관련 법령

「건설폐기물의 재활용촉진에 관한 법률」에서는 순환골재의 사용을 의무화 및 권장하고 있으며, 품질 기준은 **KS F 2573 (콘크리트용 순환골재)**에 규정되어 있습니다.

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4. 항타 보조말뚝

항타 보조말뚝은 말뚝을 타입할 때, 해머의 타격 에너지를 말뚝에 효율적으로 전달하고 **말뚝 머리(두부)의 파손을 방지**하기 위해 말뚝과 해머 사이에 설치하는 부속 자재를 총칭합니다. 주로 **쿠션(Cushion)**이나 **돌리(Dolly)**, **파일 헬멧(Pile Helmet)** 등이 이에 해당합니다.

1) 주요 기능

• 말뚝 두부 보호: 해머의 강력한 충격이 말뚝에 직접 전달되는 것을 막아 균열이나 파손을 방지합니다.
• 타격력의 균등 분배: 충격 에너지를 말뚝 단면 전체에 균일하게 분산시켜 편심 타격을 방지합니다.
• 소음 및 진동 저감: 타격 시 발생하는 소음과 진동을 일부 흡수하는 역할을 합니다.

2) 재료 및 관리

재료로는 견고한 목재, 석면, 합성수지 등이 사용되며, 반복적인 타격으로 인해 성능이 저하되므로 시공 중 주기적으로 상태를 점검하고 손상 시 즉시 교체해야 합니다.

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5. 숏크리트의 응력측정

숏크리트 응력측정은 터널의 1차 지보재인 숏크리트 라이닝에 발생하는 응력의 크기와 분포를 계측하는 것입니다. 이를 통해 숏크리트가 지반의 하중을 얼마나 효과적으로 지지하고 있는지, 그리고 안정성에 문제는 없는지를 정량적으로 평가할 수 있습니다.

1) 측정 목적

• 숏크리트 지보 기능 평가: 숏크리트가 받는 응력이 허용치를 초과하지 않는지 확인합니다.
• 터널 안정성 평가: 측정된 응력 변화를 통해 지반 이완이나 추가 변위 발생 등 터널의 안정 상태를 예측합니다.
• 설계 검증 및 보강: 실제 발생 응력과 설계 시 예측값을 비교하여 설계의 타당성을 검토하고, 필요시 추가 지보재(락볼트 등) 보강 여부를 결정합니다.

2) 측정 방법

측정 기기	측정 원리
숏크리트 응력계(압력계)	숏크리트와 암반 사이에 설치하여 접촉 압력을 직접 측정하거나, 숏크리트 내부에 매설하여 내부 응력을 측정합니다.
변형률계	숏크리트 내부에 변형률계를 매설하여 변형률을 측정한 후, 탄성계수를 이용하여 응력으로 환산합니다. (응력 = 탄성계수 × 변형률)

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6. 하중전달계수(J)

하중전달계수(J, Load Transfer Factor)는 콘크리트 포장에서 줄눈(Joint)으로 분리된 한쪽 슬래브에 차량 하중이 가해졌을 때, 이 하중이 인접한 슬래브로 얼마나 잘 전달되는지를 나타내는 무차원 계수입니다. 즉, **줄눈부의 하중 전달 효율**을 정량적으로 평가하는 지표입니다.

1) 개념

하중이 없는 쪽 슬래브의 변위(δ_u)를 하중이 가해진 쪽 슬래브의 변위(δ_l)로 나눈 값으로 표현할 수 있습니다. (J = δ_u / δ_l) 하중 전달이 전혀 안되면 J=0, 완벽하게 전달되면 J=1에 가까운 값을 가집니다.

2) 중요성 및 영향인자

• 중요성: 하중전달계수가 높을수록 슬래브 끝단에 발생하는 응력과 처짐이 감소하여, 줄눈부의 파손(스폴링, 단차 등)을 방지하고 포장의 내구성을 향상시킵니다.
• 영향인자:
  • 다웰바(Dowel Bar): 하중 전달에 가장 결정적인 역할을 합니다.
  • 골재 맞물림(Aggregate Interlock): 균열면의 골재가 서로 맞물려 하중을 전달합니다.
  • 줄눈 폭 및 슬래브 두께: 줄눈 폭이 좁고 슬래브가 두꺼울수록 유리합니다.

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7. 널말뚝식 안벽

널말뚝식 안벽(Sheet Pile Quay Wall)은 항만에서 선박이 접안할 수 있도록 만든 계류시설의 한 종류로, 강재 널말뚝(Steel Sheet Pile)을 연속적으로 지반에 박아 전면의 토압과 수압을 지지하는 벽체를 형성하는 구조물입니다. 시공 속도가 빠르고 다양한 지반 조건에 적용 가능하여 널리 사용됩니다.

1) 종류

• 자립식(Cantilever) 널말뚝 안벽: 널말뚝의 근입 깊이에 의한 수동토압만으로 외력에 저항하는 방식으로, 안벽 높이가 비교적 낮을 때(4~5m 이하) 적용됩니다.
• 타이로드(Tie-rod)식 널말뚝 안벽: 널말뚝 배후에 앵커(Anchor) 구조물을 설치하고 타이로드로 연결하여 벽체를 지지하는 방식으로, 가장 일반적이며 높은 안벽에 적용됩니다.

2) 장단점

장점	단점
- 시공이 비교적 간단하고 공사 기간이 짧다. - 가물막이 역할도 겸할 수 있다. - 유연한 구조로 지반 변위에 대한 적응성이 있다.	- 강재 부식에 대한 대책이 필요하다. - 배후 지반의 지지력이 약한 경우 적용이 곤란하다. - 항타 시 소음 및 진동이 발생한다.

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8. 진행성 여굴

여굴(Overbreak)은 터널 굴착 시 계획된 굴착선보다 더 많이 파이는 현상을 말하며, 진행성 여굴은 초기 굴착 후 시간의 경과에 따라 암반의 이완이 점차 심화되면서 여굴이 지속적으로 확대되는 현상을 의미합니다.

1) 발생 원인

• 지질학적 요인: 절리, 단층 등 불연속면이 많거나 풍화가 심한 불량한 암반에서 주로 발생합니다.
• 시간 의존적 변형: 굴착 후 응력 해방으로 인해 암반이 시간이 지남에 따라 점차 변형(Creep)하면서 이완 영역이 확대됩니다.
• 시공 관리 부실: 지보재(숏크리트, 락볼트 등) 설치가 지연될 경우, 암반의 초기 변위를 억제하지 못해 진행성 여굴로 이어질 수 있습니다.

2) 문제점 및 대책

• 문제점: 숏크리트 등 지보재 물량 증가로 인한 공사비 상승, 주변 구조물 침하 유발, 심할 경우 터널 붕괴의 원인이 될 수 있습니다.
• 대책: 막장 관찰(Face Mapping)을 통해 지질 상태를 철저히 파악하고, 굴착 후 신속하게 지보재를 설치하여 초기 변위를 억제하는 것이 가장 중요합니다.

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9. 온도균열 지수

온도균열 지수(Thermal Crack Index)는 매스 콘크리트 등에서 수화열로 인한 온도 변화로 발생하는 인장응력에 대해 콘크리트가 균열에 저항할 수 있는 능력을 정량적으로 나타내는 지표입니다. 이 지수를 통해 온도균열 발생 가능성을 사전에 예측하고 제어할 수 있습니다.

1) 산정 방법

온도균열지수 = 콘크리트의 인장강도(f_t) / 최대 인장응력(σ_t,max)

2) 판정 기준 및 활용

• 균열 발생 가능성 판정: 일반적으로 온도균열지수가 **1.0 이상**이면 균열 발생 가능성이 낮은 것으로 판단합니다. (구조물의 중요도에 따라 1.2 ~ 1.5의 목표 균열지수를 설정하기도 함)
• 균열 제어 대책 수립: 만약 계산된 균열지수가 목표치보다 낮을 경우, 재료 변경(저발열 시멘트 사용), 프리쿨링, 파이프쿨링 등 온도균열을 제어하기 위한 대책을 수립하는 근거로 활용됩니다.

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10. 마이크로 파일(Micro Pile)

마이크로 파일은 직경 300mm 이하의 소구경 천공 말뚝으로, 천공 홀 내부에 철근이나 강봉 등 보강재를 삽입하고 압력 그라우팅을 실시하여 지지력을 확보하는 현장타설말뚝의 일종입니다. 협소한 공간이나 저진동/저소음 시공이 요구되는 곳에 주로 사용됩니다.

1) 주요 특징

• 협소 공간 시공: 소형 장비를 사용하므로 건물 내부 등 공간 제약이 심한 곳에서도 시공이 가능합니다.
• 저진동/저소음: 타입 말뚝과 달리 진동과 소음이 거의 없어 도심지 공사에 유리합니다.
• 높은 지지력: 압력 그라우팅을 통해 주변 지반과 강하게 맞물려 주면마찰력이 매우 큽니다.
• 다양한 적용성: 수직뿐만 아니라 경사지게도 시공할 수 있어 활용도가 높습니다.

2) 주 용도

구분	적용 사례
기초 보강	기존 구조물의 침하 방지를 위한 기초 보강(Underpinning)
신설 기초	공간 제약으로 대형 장비 진입이 어려운 곳의 신설 구조물 기초
사면 안정	활동면에 저항하는 억지 말뚝으로 사용하여 사면 안정성 확보

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11. 선박 충돌 방지공

선박 충돌 방지공은 교량, 해상풍력발전기 등 항로 주변에 위치한 주요 구조물이 운항하는 선박의 충돌로부터 보호하기 위해 설치하는 시설물입니다. 선박이 직접 교각 등에 충돌하는 것을 막고, 충돌 시 발생하는 막대한 운동 에너지를 흡수하거나 분산시켜 구조물의 붕괴를 방지하는 역할을 합니다.

1) 주요 기능

• 에너지 흡수: 펜더(Fender) 시스템 등을 통해 충돌 에너지를 흡수합니다.
• 선박 진로 변경: 구조물 전방에 인공섬이나 원형 돌핀(Dolphin)을 설치하여 충돌 전에 선박의 방향을 유도하여 빗나가게 합니다.
• 충격력 분산: 충격 하중을 넓은 면적에 분산시켜 구조물에 가해지는 집중 하중을 줄입니다.

2) 종류

• 방충공(Fender): 고무나 강재로 만들어 충격 에너지를 직접 흡수하는 장치입니다.
• 돌핀(Dolphin): 교각 주변에 별도로 설치하는 원통형 구조물로, 선박이 먼저 부딪히게 하여 교각을 보호합니다.
• 인공섬식 방호공: 교각 주위에 흙이나 암석으로 인공섬을 조성하는 가장 확실한 방법입니다.

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12. 댐체 재료 중 필터(Filter)재의 요구조건

필댐(Fill Dam)이나 하천 제방과 같이 흙으로 만들어진 구조물에서 **필터(Filter)**는 물의 통로 역할을 하면서도, 중심 코어(Core)존의 세립자가 유실되는 것을 방지하기 위해 코어와 사석존 사이에 설치하는 입상 재료층입니다. 필터의 기능 실패는 파이핑(Piping) 현상을 유발하여 댐 붕괴의 직접적인 원인이 될 수 있습니다.

1) 필터재의 요구조건 (Filter Criteria)

필터재는 다음의 두 가지 핵심적인 요구조건을 동시에 만족해야 합니다.

1. 파이핑 방지 조건 (유실 방지 조건):필터의 입경이 너무 크면 코어의 흙 입자가 빠져나가므로, 필터 입자의 틈이 코어의 굵은 입자보다 작아야 합니다.
   (D₁₅)_Filter / (D₈₅)_Core ≤ 5
2. 투수성 조건 (배수 조건):필터의 투수성이 코어보다 나쁘면 코어 내부에 높은 간극수압이 발생하여 안정성을 해치므로, 필터는 코어보다 충분히 큰 투수성을 가져야 합니다.
   (D₁₅)_Filter / (D₁₅)_Core ≥ 5

※ D₁₅, D₈₅는 각각 통과중량백분율 15%, 85%에 해당하는 입자의 직경을 의미합니다.

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13. 분류체계를 고려한 스마트 안전장비

스마트 안전장비는 기존의 개인 보호구나 안전시설에 사물인터넷(IoT), 인공지능(AI), 통신 기술 등을 접목하여, 위험 상황을 사전에 감지하고 경고하며, 근로자의 상태를 실시간으로 모니터링하여 중대재해를 예방하는 차세대 안전 기술입니다. 효과적인 도입을 위해 다음과 같이 분류할 수 있습니다.

1) 분류체계별 스마트 안전장비

분류	주요 장비 예시
착용형 장비 (근로자 중심)	- 스마트 안전모/안전벨트: 충격 감지, 위치 정보(GPS), 비상호출(SOS) 기능 - 환경 센서: 유해가스, 산소 농도, 온도 등을 측정하여 경고
설치형 장비 (작업 공간 중심)	- AI CCTV: 안전모 미착용, 위험 구역 접근 등 불안전 행동 자동 감지 및 경고 - IoT 유해가스 감지기: 밀폐 공간의 가스 농도를 원격으로 실시간 모니터링
장착형 장비 (건설기계 중심)	- 충돌 방지 시스템: 건설기계 주변에 접근하는 근로자나 다른 장비를 감지하여 경고 및 자동 정지 - 크레인 와이어로프 인장계: 과하중을 실시간으로 감지하여 전도 사고 예방

관련 정책

국토교통부의 '스마트건설 활성화 방안' 및 고용노동부의 '스마트 안전장비 보급/확산 사업' 등을 통해 건설 현장의 스마트 안전 기술 도입을 적극적으로 지원하고 있습니다.