Development of the Personal Disaster Evacuation Apparatus in Case of the Life Damage by the Landslide (II) - Focusing on the Numerical Analysis and the Object Load Test -

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산사태로 인한 인명피해 대비 개인용 재난대피기구 개발 (Ⅱ) - 수치해석 및 실물재하 시험 중심으로 -

Development of the Personal Disaster Evacuation Apparatus in Case of the Life Damage by the Landslide (II)

- Focusing on the Numerical Analysis and the Object Load Test -

김정면^*･ 황대원^*･ 박성용^**･ 임창수^***･ 연규석^****･ 김용성^****†

Kim, Jung Meyon ･ Hwang, Dea Won ･ Park, Sung Yong ･ Lim, Chang Su ･ Yeon, Kyu Seok ･ Kim, Yong Seong

Abstract

Recently the life damage is increasing due to the house disruption and burying accident by the landslide, and most of the damages are concentrating on the agricultural area. This study is a basic study for developing the personal disaster evacuation apparatus that can be installed in the house for the people in agricultural area vulnerable to the disaster in case of the landslide. This study carried out the numerical analysis and the object load test on the personal disaster evacuation apparatus. As a result of this study, it was judged the life damage could be minimized if the personal disaster evacuation apparatus using the glass fiber reinforced plastic (GFRP) materials was installed in the steep slope-land with a high possibility of the disruption.

Keywords:Landslide; Life damage; House disruption; Burying accident; People vulnerable to the disaster

* Ph. D. Candidate Student, Dept. of Regional Infrastructure Engineering, Kangwon National University

** Senior Researcher, National Disaster Management Institute, Ministry of Public Safety and Security

*** Researcher, Rural Development Administration, National Institute of Agricultural Sciences

****Professor, Dept. of Regional Infrastructure Engineering, Kangwon National University

† Corresponding author

Tel.: +82-33-250-6463Fax: +82-33-251-6463 E-mail: [email protected]

Received: August 28, 2016 Revised: September 5, 2016 Accepted: September 11, 2016

Ⅰ. 서 론

최근 전 세계적으로 이상기후 현상에 의한 기상이변에 따른 자 연재해의 발생횟수가 많아지고 있으며, 산업사회의 고도화에 따 른 위험에너지의 증가 및 재난약자의 사회구조적 취약성 증가로 인해 자연재난 발생 시 인명 및 재산피해가 점차 증가하고 있는 추세이다. 국내는 외국의 지진이나 쓰나미와 같은 대규모 자연재 난 보다는 약 80 % 이상이 풍수해로 인한 피해이며, 주로 태풍을 위시한 집중호우에 따른 홍수, 산사태 등이 대부분을 차지하고 있 다 (National Emergency Management Agency, 2015).

특히 산사태 피해의 주요원인은 집중호우에 따른 지반의 연약 화로 인해 발생되는 토석류로 인한 주택붕괴 및 매몰사고가 대부 분을 차지하지만, 토석류 주요발생 인자는 지질 및 지반 요인, 식 생 및 토지이용 요인, 지형경사도 등으로 발생 메커니즘이 매우 복잡하여 산사태 발생 가능성을 사전에 예측하기 매우 어렵다.

최근 산사태로 인한 피해를 최소화 하고자 재난 예 ․ 경보 시스 템 구축과 관련된 연구와 사업이 활발히 이루어 지고 있으나, 대 부분이 국가적 차원의 광역적 시스템 개발 위주로 추진되고 있고, 주로 도심지 및 인구밀집지역, 산업단지 지역으로 진행되고 있기 때문에 도심지와 지역적 특성이 상이한 농촌지역에 직접 적용하 기에는 어려움이 있다. 또한, 국내 농촌지역의 취락특성은 뒤로는 산을 등지고 앞으로는 물을 내려다보는 배산임수 지역에 위치하 고 있어 집중호우 및 태풍으로 인한 산사태에 매우 취약한 구조이 다 (Kim et al., 2015).

1999년부터 2011년까지 13년간 산사태로 인한 지역별 재해 발생 현황 및 비중을 분석한 결과를 살펴보면 (Kim et al., 2013) 강원, 경북, 경남 순으로 산사태 재해가 빈번하게 발생하며, 주로 서울, 부산 등 도심지 보다 농촌지역에서 산사태 재해가 자연재해 의 많은 부분을 차지한다. 농촌지역은 노인 등 재난약자의 비율이 높은 인구분포 특성상 일반 성인 보다 반응이 느린 재난약자의 인 명피해는 심각한 실정이다. 따라서 산사태로 인한 인명피해를 최 소화 할 수 있는 실효적 방안으로 주택 내 설치가 가능하고 보관

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Fig. 1 Cross-section plan of Personal Disaster evacuation apparatus

(a) 3D Modeling

(b) Nodal point for disaster evacuation apparatus Fig. 2 Basic modeling for analysis of disaster evacuation apparatus

with GFRP materal 이 용이하며, 누구나 쉽게 재난을 사전에 인지하여 대피할 수 있

는 개인용 재난대피기구 개발이 시급히 요청되고 있다.

본 연구에서는 산사태로 인한 주택붕괴 및 매몰사고에 대비하며 안전성 및 사용성을 만족할 수 있는 개인용 재난대피기구 개발을 위 하여 낙석 및 토석류 하중특성을 고려하여 산정된 재하하중과 재료 시험을 통해 얻은 유리섬유강화플라스틱 (Glass Fiber Reinforced Plastic: GFRP)의 물성치를 적용하여 수치 시뮬레이션을 수행하 였다. 또한 재난대피기구 (1 Segment) 실물을 제작하여 재하시 험을 수행하였으며 수치해석 결과을 비교·분석하여 GFRP 재료 를 활용한 개인용 재난대피기구에 대한 안전성을 검증하였다.

Ⅱ. 수치해석을 통한 개인용 재난대피기구 안전성 분석

1. 해석 모델링

가. 해석 프로그램 및 순서

개인용 재난대피기구의 해석을 위한 수치해석 프로그램은 범 용적으로 사용하고 있는 Sap2000을 사용하여 3D Shell 요소 해 석을 수행하였다. Sap2000 프로그램은 유한요소법 (Finite Element Method)을 사용하여 다양한 조건에 대해 해석할 수 있는 공인된 프 로그램이다. Sap2000을 이용한 개인용 재난대피기구의 수치해 석을 위한 순서는 구조물의 물성치 및 모델링 등의 치수를 맞추기 위한 단위입력, 구조물 모델링, 단면정의, 경계조건 입력, 하중 종 류에 의한 하중 Case 설정, 해석 및 결과정리 순으로 진행하였다.

나. 개인용 재난대피기구 모델링

개인용 재난대피기구는 평상시에는 일정한 장소에 보관하였 다가 산사태 등의 위험이 예상되는 시기에 사람이 실제 거주하는 주택 내에 설치하여 인명피해를 최소화 하는 시설로써 이동성과 사용성을 고려하여 조립식으로 계획하였으며, Fig. 1과 같이 허 리를 약간 굽혀서 이용할 수 있는 높이 1.15 m와 2인이 누워서 잠 을 잘 수 있는 폭 1.50 m, 길이 2.0 m를 확보할 수 있도록 하였다.

특히 농촌지역 인구의 대부분을 차지하며 산사태 발생 시 인명 피해의 대부분을 차지하는 노인을 고려하여 가벼우면서 내구성이 우수한 유리섬유강화플라스틱 (Glass Fiber Reinforced Plastic : GFRP) 재료를 사용한 Barrel Shell 형상의 구조물로 계획하였 다. 해석을 위한 모델링은 계획단면을 토대로 3차원 Shell 입체구 조로 모델링 하였으며, 1 Segment를 50 cm로 하여 4 Segment의 부재크기 20~25 cm의 요소 부재로 구성하였다 (Fig. 2).

수치해석에서 사용한 재료의 설계정수는 동반논문에서 제시 된 시편시험 결과의 탄성계수, 인장 및 굽힘강도에 대한 평균값을 적용하였다.

2. 개인용 재난대피기구 안전성 기준

개인용 재난대피기구의 구조적 안정성 판정에 대한 정립된 기 준이 없으므로 허용 응력법을 기준으로 하여 안전성에 대한 판단 기준을 설정하였다. 허용응력은 일반적인 구조재료에 대한 기준 을 정한 후 안전성 여부를 판단하고, 사용성에 대한기준은 처짐 (변위)를 기준으로 하여 아래와 같이 설정하였다.

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Table 1 The allowable stress values of GFRP materials

Division Member thickness (mm) Yield stress (kN/m²) Allowable stress (kN/m²)

Tensil test 16 206,200 137,500

Flexural test 16 262,000 174,600

Shear (58% of tensile value) 16 119,600 79,700

Table 2 Criteria for deflection(displacement) of GFRP materials

Division Maxium dimension

of the member (m)

Allowable displacement ratio (%)

Allowable displacement (cm)

Allowable displacement of the crown 1.25 4.51 5.64

Allowable displacement of the convergence

(space of inside) 1.50 4.51 6.77

Table 3 Load case acting on disaster evacuation apparatus

Load Case Load combination

Case 1 Self-weight

Case 2 Self-weight + Rockfall load on central part of crown

Case 3 Self-weight + Rockfall load on one side of crown

Case 4 Self-weight + Distributed load of debris flow on one side (dynamic load) Case 5 Self-weight + Distributed load on debris flow all parts (dynamic load)

가. 허용 응력값 선정기준

일반적으로 건축물이나 토목 구조물에서 강재의 안전계수는 1.5~2.2정도 사용하고 있지만 개인용 재난대피기구에서는 항상 하중이 작용하는 구조물이 아니고 특정한 상태에서 일시적으로 하중이 작용하므로, 이를 고려하여 기존 토목구조물에서 사용된 안전계수의 최소값인 1.5를 적용하여 재료시험에서 얻어진 항복 응력의 66.7 %를 허용응력에 안전성 기준값으로 Table 1과 같이 선정하였다.

나. 처짐(변위)에 대한 기준

처짐에 대한 허용기준은 부재응력이 허용응력 내에 있으면서 최대의 변위를 허용하는 처짐 (변위) 값으로, 재료의 허용응력 산 정에 사용된 안전계수 1.5를 동일하게 적용하여, 휨강도 시편 시 험 시 (순지간 200 mm)의 항복강도의 평균 변위값 13.47 mm의 66.7 %를 개인용 재난대피기구 크기에 비례한 값을 처짐에 대한 기준으로 다음 Table 2와 같이 선정하였다.

3. 재하하중 및 하중케이스

개인용 재난대피기구에 작용하는 하중은 낙석하중과 토석류 동적 충격하중으로 구분하여 적용하였다. 낙석하중의 경우 1, 5 등급의 하중인 4 kN, 30 kN을 재하하여 최대응력이 발생 할 수 있도록 하였으며, 토석류 동적 충격하중은 1, 2등급의 하중인 15

kPa, 30 kPa을 구조물에 동적인 분포하중으로 재하 하였다.

개인용 재난대피기구 하중케이스는 기구 천단부에 집중하중 으로 재하하는 방법으로 대표적인 하중인 재난대피기구의 자중, 낙석에 대한 집중하중, 토석류에 의한 동적 분포하중을 Table 3 과 같이 조합하였다.

4. 수치해석 결과 및 고찰 가. 수치해석 결과

개인용 재난대피기구에 대한 수치해석 결과 발생응력은 340 kN/m²~39,680 kN/m²로 Fig. 3 및 Table 4와 같이 모든 하중 Case에 대하여 허용응력 이내로 안전한 것으로 나타났으나, Fig.

4 및 Table 5와 같이 변위의 경우 재난대피기구의 자중만을 재하 한 Case1을 제외한 Case2~Case5에서 허용변위를 초과하는 것 으로 나타났다.

나. 수치해석 고찰

수치해석 결과 발생응력의 경우 모든 하중 Case에 대하여 안 전하지만 변위는 Case 1을 제외하고는 허용변위 기준치를 초과 하는 것으로 나타났다.

개인용 재난대피기구의 변위에 대한 안전성 판단기준은 현재 정립된 기준이나 선행 연구 등이 전무한 최초 연구로 허용변위 선 정 시 시편시험에서 측정된 변위값에 허용응력설계법의 안전계

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(a) Stress for load case 2 (b) Stress for load case 3

(c) Stress for load case 4 (d) Stress for load case 5

Fig. 3 Major stress for each load cases Table 4 Major stress value for each load cases

Load Case Crown

(kN/m²)

Left sidewall (kN/m²)

Right sidewall (kN/m²)

Central part of bottom (kN/m²)

Case 1 750 340 340 770

Case 2 37,510 23,510 23,520 7,900

Case 3 52,380 31,760 31,860 9,780

Case 4 34,390 39,680 38,880 19,730

Case 5 19,460 37,400 37,760 18,080

Fig. 4 Major displacement for each load cases

Table 5 Major displacement value for each load cases

Load Case Crown (cm) Left sidewall (cm) Right sidewall (cm) Central part of bottom (cm)

Case 1 -0.05 0.03 -0.03 -0.19

Case 2 -6.12 4.49 -4.49 3.10

Case 3 -8.47 6.19 -6.19 3.90

Case 4 -5.38 15.32 18.48 6.15

Case 5 5.18 -5.61 5.62 -6.37

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Fig. 5 Major stress for each load cases (E=24.5GPa) Table 6 Major stress value for each load cases (E=24.5GPa)

Load Case Crown (kN/m²) Left sidewall (kN/m²) Right sidewall (kN/m²) Central part of bottom (kN/m²)

Case 2 37,507 (37,507) 23,511 (23,511) 25,513 (23,513) 7,919 (7,919)

Case 3 51,360 (53,873) 32,872 (32,127) 32,874 (32,125) 9,372 (9,760)

Case 4 35,112 (34,390) 39,915 (39,709) 37,509 (36,523) 19,994 (21,146)

Case 5 17,721 (19,460) 32,472 (37,027) 34,909 (37,720) 16,738 (18,184)

here, ( ) : values of von Mises stress When 3-D, _^

_ _^ _ _^ _ _^ _{ }^  _^  _^  or

_^

 _^ _^ __ __ __ _{ }^  _^  _^  When 2-D, _ _ _ , _^_^ _^ __ _{ }^

Fig. 6 Major displacement for each load cases (E=24.5GPa)

(6)

Table 7 Major displacement value for each load cases (E=24.5GPa)

Load Case Crown

(cm)

Left sidewall (cm)

Right sidewall (cm)

Central part of bottom (cm)

Case 2 -2.25 1.65 -1.65 1.14

Case 3 -3.11 2.27 -2.27 1.43

Case 4 2.26 5.62 6.77 -1.97

Case 5 1.89 2.06 -2.05 -2.40

(a) Setting process for attachment of the gauge

(b) The process of connecting the gauges to the terminal

(c) Setting conditions for 3D test

(d) Destruction state of the side wall portions and the crown portions (1)

수 1.5를 적용한 기준으로 추후 지속적인 연구를 통한 재정립이 필요하다. 또한 개인용 재난대피기구는 기존의 영구 구조물과는 달리 산사태 발생 우려가 큰 여름철 우기시에 한시적으로 주택 내 에 설치되는 임시구조물로 변위발생에 따른 구조물의 손상보다 는 주택붕괴 및 매몰로부터 사용자의 생명을 보호해 줄 수 있으며 산사태 하중에 대하여 취성적인 파괴보다는 큰 변위가 발생하여 도 연성파괴를 유도 할 수 있는 강도적인 측면에서 우수한 임시구 조물 개발에 주안점을 두고 있다.

그러나 본 연구에서는 위에서 제시된 안전성 판단기준을 만족 하면서 개인용 재난대피기구 양산을 위한 GFRP 재료의 물성치 선정 시 기준이 되는 기초자료로 활용될 수 있도록 하기 위하여 기존 문헌 및 설계 자료에서 제시된 GFRP의 일반적인 탄성계수 값 (14~49 GPa)의 범위 내에서 시편시험 시 측정된 탄성계수 8.98 GPa을 증가시켜 수치해석을 수행한 결과 탄성계수 24.5 GPa에서 발생응력 (Fig. 5, Table 6) 및 변위가 (Fig. 6, Table 7) 제시된 허용기준을 만족하는 것으로 나타났으며, 응력 검토 시에는 방향별 최대 응력과 조합응력인 Von Mises 응력으로 추 가 검토하였다.

Ⅲ. Segment에 대한 실물 재하시험

유리섬유강화플라스틱 (GFRP) 재료로 이루어진 개인용 재난 대피기구에 대한 안전성 여부를 판단하기 위하여 앞서 Ⅱ장에서 수행한 이론적인 수치해석의 결과와 실물 형상에서의 발생하는 재하시험 결과를 비교 ․ 분석하여 개인용 재난대피기구의 제작 및 수치해석 시 활용할 수 있도록 하기 위해 실제 계획 단면크기와 같은 1 Segment (L=50 cm)에 대하여 다음과 같이 실물 재하시 험을 수행하였다.

1. 실물 재하시험

가. 실물 재하시험 과정

개인용 재난대피기구에 하중 재하 시 구조물의 변위를 측정하 기 위하여 주응력이 발생할 가능성이 큰 천단부와 양 측면부, 바 닥 중앙부에 각각 Strain Gage을 부착하였으며, 시험준비 및 하

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(e) Destruction state of the side wall portions and the crown portions (2)

(f) Destruction state of the side wall portions and the crown portions (3)

Fig. 7 Setting and Destruction progress state for 3D real test

(a) Time and strain relationship (b) Time and strain relationship

(c) Displacement process for each portions (d) Time and displacement for each portions Fig. 8 3D Real test results

Table 8 Major Displacement and Stress value for the 3D real test result

Division Crown Left sidewall 1 Left sidewall 2 Right sidewall Central part of ottom

Yield load Disp. (cm) 6.58 0.93 1.12 1.45 0.37

Stress (MPa) 17.14 2.43 2.91 3.77 0.96

Ultimate load Disp. (cm) 11.17 2.46 2.53 3.49 0.41

Stress (MPa) 19.90 4.43 4.56 6.18 0.73

중재하 후 파괴과정은 Fig. 7과 같다.

나. 실물 재하시험 결과

Fig. 8 및 Table 8의 실물 재하시험 결과 하중의 경우 항복하중 1.92 kN, 극한 (파괴)하중 1.94 kN이 측정되었으며, 항복하중 작용시 변위는 0.37 mm~6.58 mm, 발생응력 0.96 MPa~17.14 MPa로 나타났다. 또한 극한 (파괴)하중의 경우에는 변위 0.41 mm~11.17 mm, 발생응력 0.73 MPa~19.90 MPa로 나타났다.

천단부에서 하중이 발생되는 시험조건 상 천단부에서 최대변위 및 응력이 발생되는 것으로 나타났으며, 좌·우 측벽부의 경우 최 대변위 및 응력의 14 %~22 %의 범위의 값이 측정되었다.

2. 실물 재하시험 Modeling에 대한 수치해석 결과 수치해석은 실물 시험 시와 같은 1 Segment 조건으로 입체 모 델링 한 후 실물 재하시험과 같은 항복하중 (1.92 kN) 및 극한하 중 (즉 파괴하중: 1.94 kN)을 천단부에 작용하였다. 부재 물성치 의 경우 시편시험의 결과를 적용하였으며, 또한 부재 두께는 실제 실물 제작시 적용된 두께 1.2 cm를 적용하여 분석한 응력과 변위 에 대한 주요 결과는 Fig. 9, 10, Table 9와 같다.

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Fig. 9 Major results for numerical analysis to modeling of the 3D real test (Case in Applied Yield load)

Fig. 10 Major results for numerical analysis to modeling of the 3D real test (Case in Applied Ultimate load)

Table 9. Major Displacement and Stress value for the 3D real test result

Division Crown Left sidewall 1 Left sidewall 2 Right sidewall Central part of bottom

Stress (MPa) 28.38 14.91 16.09 16.09 3.95

Stress (MPa) 30.89 15.94 17.55 17.55 4.42

3. 실물 재하시험과 수치해석과의 결과 및 고찰 개인용 재난대피기구에 작용하는 응력과 변위의 관계를 규명 하기 위해 실물 재하시험 및 수치해석을 수행하였으며, 그 결과를 비교해 보면 다음 Table 10과 같다.

실물 재하시험과 수치해석를 비교한 결과 각 부위에 대한 응력 과 변위가 각각 다르게 나타남을 Table 10에서 알 수 있으며 그 원인에 대하여 분석한 결과는 다음과 같다.

첫째, 수치해석 시에는 실제 발생한 파괴변위에 대한 소성힌지 의 영향을 반영할 수 없는 강성부재로 해석되기 때문에 각 부위에 대한 응력과 변위 차이가 크게 나타남을 볼 수 있다.

둘째, 실물 재하시험 시 첫번째로 파괴변위가 발생하는 천단부 의 일부가 소성힌지 역할을 수행하면서 하중을 벽체나 저판에 일 부만 전달한 상태에서 천단부가 완전히 소성힌지가 될때까지 하 중을 수반한 후에 벽체나 저판에 하중을 전달하므로써 응력과 변 위가 수치해석 결과에 비하여 작게 나타남을 알 수 있다.

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Table 10 Stress and displacement comparison for numerical analysis and 3D real test

Division Crown Left

sidewall 1

Left sidewall 2

Right sidewall

Central part of bottom

3D real Test

Stress (MPa) 17.14 2.43 2.91 3.77 0.96

Stress (MPa) 19.90 4.43 4.56 6.18 0.73

Numerical analysis

Stress (MPa) 28.38 14.91 16.09 16.09 3.95

Stress (MPa) 30.89 15.94 17.55 17.55 4.42

셋째, 실물 재하시험 결과 파괴변위가 발생하는 부위에서는 소 성힌지 역할을 한 후에 다른 연결 부재에 추가적인 하중을 전달하 는 관계가 있음을 알 수 있으므로 이를 고려할때 일반적인 변위에 대한 기준보다는 다소 큰 허용변위에 대한 기준을 설정하므로써 변위 기준에 의한 탄성계수값이나 부재두께의 감소 효과에 따른 경제성과 무게 감소에 의한 사용성이 개선되는 효과를 기대할 수 있다.

넷째, GFRP 재료로 된 개인용 재난대피기구의 수치해석 시 변위 허용기준을 구조물 크기 치수의 7 %, 즉 최대변위값의 약 78.3 %를 허용하여도 안전하게 저항할 수 있음을 알 수 있다 (파 괴시의 최대 변위: 11.17 cm).

다섯째, 본 연구에서 적용한 Barrel Shell 형상의 개인용 재난 대피기구에 대한 변위 기준 값은 제시한 기준 값보다 약 40 %를 증가시켜 높이 방향으로는 8.75 cm, 횡방향으로는 10.5 cm 적용 할 수 있음을 알 수 있었다.

Ⅳ. 결 론

본 연구는 개인용 재난대피기구 개발을 위하여 동반논문에서 제시된 재하하중 및 GFRP 재료의 물성치를 적용하여 수치해석 을 통한 안전성 검토를 수행하였으며, 개인용 재난대피기구 (1 Segment) 실물을 제작하고 재하시험 및 수치해석을 비교 ․ 분석 하여 GFRP 재료를 활용한 개인용 재난대피기구에 대한 안전성 을 검증을 수행하였으며, 본 연구를 통해 얻어진 결론은 다음과 같다.

1. 재료의 강성이 작으면서 부재 두께가 얇은 개인용 재난대피 기구의 안전성 검토 시에는 조합응력인 von Mises 응력으 로 검토하여야 충분한 안전성을 확보할 수 있다.

2. 수치해석 결과 개인용 재난대피기구의 안전성은 허용 응력 보다 변위 기준에 지배적임을 알 수 있었다.

3. GFRP 재료로 된 개인용 재난대피기구의 수치해석 시 변위 허용기준을 구조물 크기 치수의 7 % (즉 최대 변위값의 약 78.3 %)를 허용하여도 안전함을 알 수 있었다.

4. 수치해석 및 실물 재하시험 결과 산사태 및 급경사지 붕괴의 가능성이 큰 재난위험지역에 GFRP 재료를 활용한 개인용 재난대피기구를 설치할 시 인명피해 최소화에 기여 할 수 있 을 것으로 판단된다.

사 사

본 연구는 농촌진흥청 공동연구사업 (과제번호: PJ01089103) 의 지원에 의해 이루어진 것임

REFERENCES

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3. National Emergency Management Agency, 2015. Disaster Annual Report, Korean.