KICT 한국건설기술연구원

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• 열수송관 성능개선을 위한 의사결정 시스템 개발 열수송관 성능개선을 위한 의사결정 시스템 개발 ▲ 공명식 KICT 지반연구본부 전임연구원 들어가며 1980년대 후반부터 서울과 수도권 신도시 지역을 중심으로 보급되기 시작한 지역난방시스템은 열펌프, 열교환기 등 열원시설과 열수송관, 순환펌프 등 열수송시설로 구성되어 있다. 이중 열수송관은 핵심적인 열수송시설로 주거 및 상업용 건물에열에너지를 공급하기 위해 도심지 지하에 매설되어 있다. 고온(최대 120℃), 고압(최대 16bar) 조건에서 운영되는 열수송관의 안전성 향상을 위해 지난 30년간 소재 개발, 시공기술 발전이 진행되어 왔다. 다만, ’80~’90년대 시공된 열수송관의 노후화와 당시 소재·시공기술의 단점으로 인해 최근 지속적인 파손·누수사고가 발생하고 있다.열수송관 파손에 의한 피해를 근본적으로 줄이기 위해서는 파손에 의한 피해를 증가시키는 원인(공급온도, 압력 등)을 줄이거나, 파손가능성을 사전에 인지하고 대응하는 것이 필요하다. 전자의 경우 유럽에서 적용 중인 4세대 지역난방 기술(저온,저압)을 도입함으로써 해결할 수 있다. 그러나 저온, 저압조건의 열수송관 운영 시스템을 구축하기 위해 필수적인 열교환성능 향상 기술은 아직 미흡하여 단기간 내 실현 가능성이 낮은 것이 현실이다. 따라서, 열수송관의 파손 가능성을 정량적으로 분석하여 선제적으로 개선작업을 진행하기 위한 의사결정 도구가 필요하다. 한국지역난방공사, GS파워㈜ 등 대규모 집단에너지 사업자들은 자체적으로 구축한 열수송시설 통합정보 및 유지관리 시스템을 통해 시설물 설계, 시공, 유지관리 과정에서 수집되는 정보를 정형화된 디지털 데이터로 관리하고 있다. 구축된 데이터베이스를 기반으로 열수송관의 파손가능성을 정량적으로 분석하는 평가모델을 통해 위험도가 높은 구간을 선별하고, 해당 구간에 대한 성능개선 여부를 판단하는 의사결정 모델을 도입하고 있다. 이 글에서는 지역난방시스템을 40~50년 이상 운영해 온 유럽 선진국의 시스템 운영기술 현황과 국내 집단에너지 사업자들이 열수송관 등 시설물 성능개선을 위해 도입한 의사결정시스템, 그리고 기반시설관리법과 연계한 열수송관 성능평가및 성능개선의 미래 방향성에 대해 소개하고자 한다. 유럽 선진국의 지역난방시스템 운영 및 기술개발 현황 독일, 네덜란드, 오스트리아 등 유럽 선진국은 최소 30년 이상의 지역냉난방시스템 운영 노하우를 보유하고 있으며, 저비용·고효율의 4세대 지역난방 기술을 10년 이상 연구하는 등최신 지역난방 기술을 선도하고 있다.독일 지역난방협회(AGFW)에서는 자산관리도구를 통해 재고관리, 통계적 노후화 모델 및 재료(관종 등) 기반의 서비스 수명 모델 등을 활용하고 있으며 이를 바탕으로 지역난방시스템유지관리 전략을 수립하고 있다. 특히 열수송관의 잔존 수명예측의 정확도와 운영 데이터의 적합한 처리를 위해 노력하고있으며 유럽 또는 독일 내 기후목표 달성을 위해 시스템 평가기준을 강화하고 있다. 독일의 지역난방사업자들은 비용 측면에서 효율적인 열공급시스템을 운영하기 위해 관경과 압력을조절하여 소비자에게 적정한 수준의 유량을 공급하고 있다.단, 유량과 소비자 연결(Service Connection) 개수 및 공급온도와의 상관성을 고려하고 있으며, 특히 4세대 지역난방에 따른 저온수 공급으로 세밀한 운영 노하우가 필요한 상황이다.이에 지난 1년간의 운영데이터를 기반으로 열부하와 온도 변화를 조사하여 개별적, 종합적인 열공급 시스템 운영 방안을 마련하고 있다.독일 율리히연구소(Forschungszentrum Jülich)에서는 열공급뿐만 아니라 전력, 가스 공급체계를 통합한 스마트 에너지 그리드를 운영하여 개별적인 공급체계 운영 시에는 고려할 수 없었던 시너지 창출 효과를 기대하고 있다. 이를 위해 각기 다른 공급체계를 운영할 경우와 통합 공급체계를 운영할 경우를상정하여 각각에 대한 모델링 및 시뮬레이션이 가능한 도구(HeatNetSim)를 개발하였다.네덜란드에서는 기존 천연가스를 활용한 열공급시스템의문제점을 분석하여 지역난방시스템 고도화를 위한 모델(Dynamic GROW)을 개발하였다. 해당 모델은 열수송관의 크기와 배치, 생산주기 등을 전략적으로 구성하기 위해 물리적·비용적 측면을 모두 고려하고 있다.오스트리아 최대 규모의 비영리 연구소인 오스트리아 기술연구소(AIT)에서는 가상의 지역 간 열전달 네트워크(HTN)를구성한 후 각 지역에서 발생한 재생 가능한 열원, 지역 내열공급 네트워크, 열저장 설비를 상호 연결한 경우(연결률90%)와 지역별로 개별적인 지역난방시스템을 운영한 경우각각에 대해 위험 저감 효과를 분석하였다. 그 결과, 지역 간열전달 네트워크를 통해 각 지역이 분리되었을 때 발생할 수있는 위험률(열공급 중단 등)을 저감하는 효과가 나타났다.유럽 기술개발 사례를 통해 에너지 절약과 4세대 지역난방을 결합함으로써 재생에너지를 활용한 저온 열원의 활용성을 향상시키고 고온, 고압조건의 열수송관에 의한 파손피해를 저감할 수 있을 것으로 판단된다. 국내 열수송관 의사결정 시스템 도입 현황 국내 최대 규모 지역난방시스템을 운영 중인 한국지역난방공사는 한국건설기술연구원과 열수송관 건전화 사업 추진방안 연구(2017~2020), 안전관리 기술정보 공유 및 기술교류 업무협약 체결(2021) 등 지속적으로 현장데이터 공유 및의사결정 기술 개발 현장 적용을 통한 협력사업을 이어 나가고 있다. 특히 열수송관을 포함한 열수송망 통합관리시스템인 ‘한난맵’을 2021년부터 운영하여 관리대상 시설물 정보를 손쉽게 파악할 수 있도록 하였으며, 한국건설기술연구원에서 제공한 열수송관 위험예측 기반 의사결정 지원 모델을한난맵에 적용하여 성능개선구간 선정기준으로 활용하고 있다. 이 외에도 GS파워㈜, 서울에너지공사 등 타 지역난방 사업자들 역시 한국건설기술연구원의 위험도 분석 모델을 도입하여 고위험구간 선정 등 의사결정에 활용하고 있다. 열수송관 성능평가 및 성능개선 미래 방향 수도, 전기, 가스 등과 같은 유통·공급시설에 포함된 열수송관은 ‘지속가능한 기반시설관리 기본법(이하 기반시설관리법)’에 따라 안전성, 사용성, 내구성 등을 종합적으로 고려하여 선제적으로 관리해야 하는 기반시설물 15종에 포함되어 있다. 기반시설관리법에서는 시설물의 유지관리 및 성능개선을 위해 최소유지관리기준(동법 제11조), 성능개선기준(동법 제13조)을 설정하고 성능평가(동법 제12조)를 실시해야 함을 명시하고 있다. 해당 법률에 따라 시설물별로 진단 및 평가 기준을 마련해야 하며, 한국에너지공단의 주도로 열수송관 역시 2024년 말까지 성능평가 기준을 마련하기 위한 정책연구를 진행하고 있다. 단순히 장기간 사용된 열수송관의 노후화만을 고려해 사용기간에 따라 성능개선 대상을선정하던 과거의 평가방식에서 벗어나기 위해서는 성능평가기준 수립 시 데이터 기반의 위험도 분석 모델이 반영되어야하며, 이를 통해 파손 사고가 발생하기 전에 선제적인 시설물 개선이 이루어져야 한다. 또한 4세대 지역난방 도입에 필요한 열교환설비 고도화 및 운영 노하우 습득을 위해 유럽과의 지속적인 기술 교류가 필요할 것으로 판단된다. ――――――――――――――――― 참고자료 • K e r s t i n S e r n h e d a n d M i k a e l J o n s s o n ( 2 0 1 6 ) , R i s kmanagement for maintenance of district heating networks,The 15th International Symposium on District Heating andCooling, Seoul, South Korea, pp.381~393. • Kong, M. S. and Kang, J. M. (2021), Methodology for Estimatingthe Probability of Damage to a Heat Transmission Pipe,Journal of the Korean Geo-Environmental Society, Vol.22,No.11, pp.15~21 (In Korean). • Nicolas Marx ( 2023), Heat transmission network designoptimization and robustness analysis for a case study inTyrol, 9th International Conference on Smart Energy Systems,Copenhagen, Denmark, pp.103-104. • Stefan Hay, Heiko Huther, Sebastian Grimm, PakdadLangroudi, Ingo Weidlich, Ingo Kropp ( 2023), SustainableAsset Management District Heatinga Future Perspective,9th International Conference on Smart Energy Systems,Copenhagen, Denmark, pp.340-341. 지반연구본부 게시일2024-02-22 조회수 1660
• 함선 내 유류화재 대응을 위한 자동소화 기술 개발 함선 내 유류화재 대응을 위한 자동소화 기술 개발 ▲ 박진욱 KICT 화재안전연구소 전임연구원 들어가며 자율형 초동진압 소화 체계는 해군 함정의 격납고나 민간 선박의 화물 적재구역 등 넓은 규모의 격실 공간에서 효율적인 화재 대응을 위한 신개념 소화체계이다. 화재 발생 초기에 고성능의 감지기를 통해 신속하게 화재를 감지하고, 자율적으로 화원에 소화수를 조준 분사하여 초기에 화재를 억제함으로써 대형화재를 방지하거나 진압할 수 있다. 이러한 자율형 초동진압 소화 체계는 함정에 대한 화재 안전성 증대 및 운용인력 축소(운용비용 절감)의 필요성 부각에 따라 산업통상자원부와 방위사업청의 지원으로 수행 한 ‘자율형 초동진압용 소화체계 개발(’19년 6월~’22년 5 월)’ 과제를 통해 성공적으로 개발을 완료하였다. 다만, 개발된 자율형 초동진압 소화 체계는 일반 화재에 국한하여 신속한 소화수 분사를 통해 초기 화재에 대응하는 기술이다. 실제로 함정에서 빈번히 발생하여 각종 위험을 초래하고 있는 유류화재에 대한 대응에는 한계가 있다. 따라서, 유류화재 대응을 위한 자율형 소화 체계의 기술 고도화 및 실제 시장 보급을 위한 실용화 연구가 이어서 시작되었다. 이 글에서는 함정 유류화재 초동진압용 자율형 소화 체계와 소화 성능 검증을 위한 절차에 대해 간단히 소개하고자 한다. ‘함정 유류화재 초동진압용 자율형 소화체계 개발’과제는 상기 자율형 초동진압 소화 체계의 기술 고도화와 실용화를 위해 ‘민군기술실용화연계사업’의 일환으로 시작되었다. 연구 기간은 2년(’23년 7월~’25년 6월), 총예산 30억 원이 투입되어 한국건설기술연구원, 한국기계연구원, ㈜수퍼센츄리, 충남대학교, 육군사관학교 등 총 5개의 기관이 공동으로 연구를 착수하였다. 본 과제의 주요 목적은 자율형 초동진압 소화 기술의 유류화재 감지, 소화, 내환경성 증대, 해상상태에서의 조준 성능 등 기술적 측면을 강화하여 실제 함정 격실 환경 모형에서의 체계 연동 실험을 통한 성능을 일차적으로 검증하고 최종적으로는 실제 해군 함정에 장착하여 실환경 테스트를 수행하는 것이다. 일반 과제에서 말하는 실용화와는 달리 민군사업의 특성상 실용화의 요건을 시장 보급이 아니라 사용 대상이 되는 해군 함정에서의 실 환경 테스트를 최종 목표로 하는 특징을 가진다. 유류 화재 대응을 위한 기술적 고도화를 위해 화재 감지 정확도 향상의 목적으로 기존 3채널(RGB/IR/UV) 방식에 라이다(LiDAR)를 추가하였으며, 유류화재에 대한 다양한 화재 데이터 구축을 통해 화재 및 비화재에 대한 정확도를 향상시킨다. 또한, 유류화재 소화 기술로 원거리에서의 포 분사에 의한 소화 방식을 채택하였다. 기존 기술의 소화 범위 10 m 에서 24 m로 분사 범위를 확대하였으며, 장애물 유무에 따라 개활화재와 차폐화재로 구분하였다. 주요 대상 공간인 격납고의 경우 주요 적재물인 함재기나 헬기가 화재 시 화재 감지 및 소화 활동에 장애물이 될 수 있으므로 소화 성능 시 주요 항목으로 분류하였다. 함정의 특성상 전시에도 문제없이 운영되기 위해 소화 모니터와 분석 및 제어장치에 대한 타당한 내환경성 목표를 수립하였으며, 소화 모니터와 화원의 자유도 운동 기능을 추가하여 해상상태와 동일한 조건에서의 조준 성능을 확보하고자 한다. 포 소화 기술에 대한 유류화재 소화 성능 기준 포 소화 기술은 일반적으로 물에 의한 소화 방법으로 효과가 적거나 또는 화재가 확대될 위험성이 있는 가연성 액체 등의 화재에 대한 소화를 위해 사용되는 기술로 소방청 고시 「포소화설비의 화재안전기술기준(NFTC 105)」와 「포소화 설비의 화재안전성능기준(NFPC 105)」에 의해 설치·유지 및 안전관리에 필요한 사항을 규정하고 있다. 고시에서는 특수 가연물을 저장·취급하는 공장 또는 창고, 차고 또는 주차장, 항공기격납고, 발전기실 및 각종 기전실 등 대상 공간에 따라 적용 형태를 포워터스프링클러설비, 포헤드설비, 고정 포방출설비, 압축공기포소화설비, 호스릴포소화설비, 포소화전설비 등으로 구분한다. 설비 성능과 관련하여 형태별 팽창비 및 바닥면적 또는 방호면적별 방출량을 정의하고 있으나 소화 성능에 대한 부분은 포함하지 않는다. 포 소화 약제에 대한 소화성능은 「ISO 7203-1, Fire extinguishing media-Foam concentrates」와 「KS B ISO 7203-1, 소방-소화약제-포원액-제1분: 비수용성 액체에 적용되는 상부주입식 저팽창 포원액 사양」에서 제시하고 있는 화재 소화 성능 실험을 통해서 검증되고 있다. 해상에서 운영되는 선박 및 함정 관련 기준을 살펴보면, 해양수산부 고시 「선박소방설비기준」에서 고정식저팽창 및 고팽창포말소화장치에 대한 전반적인 사항을 다루고 있으나, 소화 성능에 대한 검증 기준은 부재한다. 이러한 이유는 육상의 사례와 같이 국제해사기구(International Maritime Organization)의 「IMO MSC1/Circ.1312, Revised Guidelines for The Performance and Testing Criteria, and Surveys of Foam Concentrates for Fixed Fire-Extinguishing Systems」에서 소화약제에 대한 소화 성능 시험 기준을 따로 다루기 때문으로 분석된다. IMO 기준에서는 사용연료, 초기조건(온도 및 풍속), 원형 화재 모형 규격, 시험절차, 소화 성능 판단 기준들을 제시하고 있다. 또한, 육상에서 적용되고 있는 「ISO 7203- 1」, 「KS B ISO 7203-1」와 해상에서의 「IMO MSC1/Circ.1312」의 기준이 동일하므로, 본 과제에서는 가장 관련성이 깊은 국제해사기구 「IMO MSC1/Circ.1312」를 참조하여 원거리 포 분사 에 대한 소화 성능 검증 절차를 수립하고자 한다. 함정내 자율형 소화 체계의 유류화재 대응 소화 성능 검증 절차 수립 기존 초동진압용 자율형 소화 시스템의 유류화재 대응을 위하여 포 소화 기능을 접목하였으며, 이에 대한 성능 평가 및 실용화 시 성능 목표에 충족한 설비의 성능이 확보될 수 있는 성능 검증 절차 계획을 수립하였다. 과제 초기인 현재 소화 성능 검증 절차의 전반적인 사항을 수립한 후 함정 격납고 모형에서의 화재 진압 실험을 반복적으로 수행하여 상세 사항을 도출하고, 다음 연도인 2차 연도(2024년)에 상세사항이 반영된 최종안을 확보하고자 한다. 소화 성능을 검증하기 위한 환경 조건은 전술한 바와 같이 「IMO MSC1/Circ.1312」의 화재 성능실험에 대한 내용을 준용하였다. 이외 본 과제에서 개발하고자 하는 소화 체계의 특성상 원거리에서 분사가 되어야 하는 조건 등을 고려하여 환경 조건 적합한 사항들을 추가적으로 정리하였다. 함정의 특수성(대공간, 함재기 및 헬기 운용)을 고려하여 유류화재 시 효과적 대응이 가능한 수준의 명확한 소화 성능 및 시험절차를 제시하였다. 성능 검증 실험 장소 및 초기 조건 -실험 장소: 헬기 등을 탑재할 수 있는 대형 함정 격납고의 절반 규모를 모사한 함정 격납고 모형 (길이 20 m x 폭 5 m x 높이 5 m) -초기 조건: 주위 온도 15±5℃, 연료 온도 17.5±2.5℃, 수온 17.5±2.5℃, 포 수용액온도 수온 17.5±2.5℃, 최대풍속(시험모형 근처에서) 3 m/s --화원 연료: n-heptane 개활화재 -정의: 목표 화원(화재 모형)과 포 소화 모니터 사이에 차폐물이 존재하지 않는조건 -화원 (원형 화재 모형): 테두리로부터의 안지름 2,400±25 ㎜,깊이 200±15 ㎜, 철판의 공칭두께 2.5 ㎜: 면적 4.52 ㎡ -개활화재 성능 검증 실험 절차 ① 소화 모니터의 풍하 방향으로 원형 화재 모형을 목표 거리 20 m에 위치 ② 원형 화재 모형에 약 90 L의 담수를 담고 모형의 바닥이 완전히 물로 덮였는지 확인 ③ 4.5 ㎡ 원형 화재모형에 7분 이상 연소 가능한 n-Heptane 주입 ④ 연료를 넣은 후 5분 이내에 원형 화재 모형에 점화 ⑤ 점화 후 10초 경과 시점에 초동진압용 자율형 소화체계 가동 ⑥ 화재감지 후 모니터 작동에 의해 포 방사 개시로부터 소화시간 측정 차폐화재 -정의: 목표 화원(화재 모형) 상단 또는 포 소화 모니터 사이에 차폐물이 존재하는 조건(화원 상단에 헬기 모형을 차폐물 위치 시킬 예정) -화원(사각형 화재 모형): 면적 3.0 ㎡(면적 외 개활화재 조건과 동일) -차폐화재 성능 검증 실험 절차 ① 소화 모니터의 풍하 방향으로 원형 화재 모형을 목표 거리 20 m에 위치 ② 원형 화재 모형에 약 90 L의 담수를 담고 모형의 바닥이 완전히 물로 덮였는지 확인 ③ 3.0 ㎡ 원형 화재모형에 7분 이상 연소 가능한 n-Heptane 주입 ④ 연료를 넣은 후 5분 이내에 원형 화재 모형에 점화 ⑤ 점화 후 10초 경과 시점에 초동진압용 자율형 소화체계 가동 ⑥ 화재감지 후 모니터 작동에 의해 포 방사 개시로부터 소화시간 측정 소화 성능 판단 기준 소화 시간 5분 이내 완전 소화 시 성공 (소화 시간은 포 방사 시작부터 화원내 모든 화염이 없어졌을 때로 정의하며, 화염 유무는 육안으로 판단) 맺음말 함선 내에서 발생되는 화재에 효율적으로 대응하기 위해 지난 3년간의 연구를 통해 자율형 초동진압용 소화체계를 성공적으로 개발하였으며, 이를 통해 전 세계적으로 자동 소화 기술에 대한 선도와 첨단화의 가능성을 확인하였다. 이어지는 실용화 과제를 통해 유류 화재에 대한 원거리 대응 능력을 확보하고, 실제 해군 함정 또는 선박에 적용하여 효용성을 검증하고자 한다. 더 나아가 함정 외에도 대심도 대공간, 전기차 배터리 화재 등 현대의 산업 변화에 대변되는 핵심 분야와 관련하여 화재 안전을 확보할 수 있는 소방·방재분야의 미래 핵심기술로 도약하기를 기대해 본다. ――――――――――――――――― 참고자료 • 한국기계연구원(2023), 함정 유류화재 초동진압용 자율형 소화체계 개발. 연구개발계획서. • 박진욱, 유용호, 김휘성, 전길송, 유정훈(2023) 함정 유류화재 초동진압 용 자율형 소화 체계에 대한 성능 검증 절차 수립 연구, 2023년도 한국 화재소방학회 추계학술대회 논문집, pp. 148. • KS B ISO 7203-1(2019), 소방-소화약제-포원액-제1부 : 비수용성 액 체에 적용되는 상부주입식 저팽창 포원액 사양 • I S O 7 2 0 3 - 1 ( 2 0 1 9 ) , F i r e e x t i n g u i s h i n g m e d i a - F o a m concentrates-Part 1: Specification for low-expansion foam concentrates for top application to water-immiscible liquids • International Maritime Organization(2009) “Revised Guidelines for The Performance and Testing Criteria, and Surveys o 전체 게시일2024-02-22 조회수 1181
• 동절기 혹한 기후에 대응할 고성능 콘크리트 시공 기술 개발 동절기 혹한 기후에 대응할 고성능 콘크리트 시공 기술 개발 - 영하 15℃ 온도 조건에서 활용할 수 있는 고성능 콘크리트 시공 기술 개발 - AI를 활용한 동절기 현장 시공관리시스템 개발 한국건설기술연구원(이하 KICT)이 영하 15℃ 혹한 기후 대응을 위한 고성능 콘크리트 시공 기술과 AI 기반의 동절기 시공관리 시스템을 개발했다. 경기도 북부나 강원도 그리고 접경지역은 국내 다른 지역과 다르게 동절기가 긴 기후 특성이 있다. 이 지역에서 건설공사가 진행되면 충분한 공사 기간을 확보하기 어렵다. 뿐만 아니라, 공사의 준공 기한을 맞추기 위해서는 동절기에도 공사를 진행할 수밖에 없다. 동절기 공사는 극한의 온도 조건을 고려하여 재료 관리, 콘크리트 타설, 양생 등 철저한 동절기 공사계획 수립이 필요하다. 그러나 일부 현장에서는 동절기에 타설된 콘크리트의 재료 불량, 양생기간 부족 등의 품질관리 문제가 지속적으로 발생하고 있다. 이러한 품질관리 문제 때문에 콘크리트의 적정 강도를 확보하지 못해, 인명피해를 포함한 다양한 사고로 이어진다. 또한, 매년 동절기 콘크리트 보온양생 작업 시 갈탄 연료 사용에 의한 일산화탄소 질식 사고가 끊이지 않고 있다. 2021년 한국산 업안전보건공단에서 발표한 자료에 따르면 최근 10년 간 건설업 질식 재해사고 25건 중 17건이 콘크리트 보온양생 작업 중에 발생한 것으로 나타났다. 이에 KICT 남북한인프라특별위원회 연구팀은 동절기에 충분한 공사 기간 및 품질 확보를 위하여 시스템 개발에 나섰다. 혹한 기후 조건에서도 건설시공이 가능한 ‘고성능 콘크리트 배합 기술’과 에너지 사용량을 최적화시킨 ‘저비용·고효율의 양생 기술’, 콘크리트의 품질 관리가 가능한 ‘AI 기반 동절기 시공관리 시스템’ 이 개발 성과이다. 구체적으로 동절기에 고성능 콘크리트의 초기 강도 향상을 위해, 구성 재료 선정과 다양한 역학적 성능 검증 등을 통해 최적의 배합을 도출하였다. 결과적으로 국 내 최초로 초기 응결 시간을 16% 단축하였고, 콘크리트 타설 후 1일 만에 거푸집 탈형 강도 14 MPa(메가파 스칼, ≒140kgf/㎠) 이상인 19.6MPa(≒196kgf/㎠)을 확보하였다. 동절기에 콘크리트 품질 확보를 위해선 콘크리트의 보온 및 가열 양생은 필수적이다. 기존에는 화석 난로처럼 콘크리트 보온 및 가열을 위해 화석연료와 메탄올 성분의 원료를 용기에 담아 건물 내부에서 가열하였다. 다만 이러한 양생 방법은 열효율이 매우 낮고 내부 공간에서 상하부 간의 온도편차가 크다. 또한 열원이 위치한 부위만 부분적으로 과열되어 열변형으로 인한 균열과 화재 발생 우려가 있어 담당자가 상주하여 관리해야 한다는 단점이 있다. 이에 나노 탄소 기반 재료가 포함된 면상 발열 시트를 활용하여 낮은 전기 공급으로도 높은 열효율을 기대할 수 있는 저전력·고효율 양생 기술을 개발했다. 면상 발열 시트란 얇은 면상의 전도성 발열체 위에 금속 전극을 설치한 후 절연 처리하여 면 전체가 발열되는 시트이다. 개발 기술은 기존 공법의 문제점인 국부적인 온도 집중 현상을 해소할 수 있다. 또한 보온양생 시 화석연료를 통한 가열이 필요하지 않기 때문에 일산화탄소 질식 사고를 예방할 수 있고, 이산화탄소 배출이 없어 탄소중립 기여 효과가 있을 것으로 기대된다. 향후 국내 동절기 공사뿐만 아니라 몽골, 러시아, 우크라이나, 중국 등의 북방지역으로 기술을 확대 적용해 나갈 예정이다. 더불어 동절기 안전한 현장 관리를 위해 ‘AI 기반 동절기 시공관리 시스템’을 새롭게 개발하였다. 개발된 시공관리 시스템은 기상청의 실시간 기상정보를 반영하여 예기치 못한 기상변화에 대응할 수 있도록 설계했다. 딥러닝 AI 기술을 기반으로 건설 환경에 최적화된 배합 정보를 제공하고, 외부 온도 및 압축강도와 양생 일정 정보를 제공하여 콘크리트의 품질관리가 가능하다. 또한, 웹 기반으로 개발된 시스템이기에 노트북을 비롯한 PC, 태블릿, 스마트폰 등 다양한 기기에서 실행이 가능하며 공간적 제약 문제를 해결하였다. 본 연구는 과학기술정보통신부의 지원으로 KICT 주요 사업 ‘남북한 공동번영을 위한 인프라 통합·연계 기반 구축 연구(2021~2023)’의 예산을 지원받아 진행되었다. 전체 게시일2024-01-29 조회수 1142
• 지속가능한 도로 이용을 위한 솔루션! 박층연속철근콘크리트 덧씌우기 포장 공법 지속가능한 도로 이용을 위한 솔루션! 박층연속철근콘크리트 덧씌우기 포장 공법 ▲ 전성일 KICT 도로교통연구본부 수석연구원 우리나라 노후 도로포장 연장의 증가와 함께 도로포장 유지보수 비용이 급증하고 있다. 또한 노후 도로에서는 움푹 팬 형태의 파손들이 있는데 이것이 교통사고 위험성을 증가시키고 있다. KICT 도로교통연구본부 전성일 수석연구원은 안전한 도로주행과 지속가능한 도로 이용을 위해 노후화된 도로를 효과적으로 보수할 수 있는 기술을 소개한다. 안녕하세요, 개발 기술에 대한 소개를 부탁드립니다. “안녕하세요. 운전하다 보면 교통량이 많은 곳은 노후화가 빨리 일어나서 도로 중간중간에 움푹 팬 자국을 많이 보실 겁니다. 아스팔트 포장에서는 이것을 포트홀이라 하고, 콘크리트 포장에서는 이것을 스폴링이라 부릅니다. 포트홀과 스폴링은 자동차가 도로를 주행함에 있어 큰 위험 요소로 다가오니 보완이 필수적입니다. 해당 기술은 이러한 노후화 도로를 상대로 개발되었습니다. 노후화된 시멘트 콘크리트 포장도로를 효과적으로 유지보수할 수 있는 공법이며, 크게 두 가지 기술로 나누어져 있습니다. 첫 번째 기술은 콘크리트 재료 기술로 콘크리트 배합 과정에서 고흡수성수지(SAP: Super Absorbent Polymer)를 첨가하여 내부 양생 효과를 얻게 하는 기술입니다. 내부 양생은 콘크리트 내부 습도가 낮아질 때 물을 미리 흡수한 SAP가 다시 물을 방출하여 콘크리트 내부 습도를 높게 유지하는 것을 말합니다. 저희는 이걸 SAP 콘크리트라고 불러요. 이 내부 양생 효과로 인해 SAP 콘크리트는 일반 콘크리트에 비해 상대적으로 안정적인 수화반응을 하고, 수축이 저감되며 표면부 마모 저항성이 크게 향상되는 장점이 있습니다. 두 번째 기술은 철근을 자동 배근하면서 콘크리트를 포설하는 시공 기술입니다. 저희는 이 시공 기술을 구현하기 위해 3번의 시행착오를 거쳐 국내외적으로 유일한 전용 포 설 장비를 개발하였습니다. 본 시공 장비의 가장 주요한 특징은 콘크리트 공급용 스프레더(spreader), 철근 자동배근용 튜브(tube), 콘크리트 포설용 오거(auger), 다짐용 진동판, 그리고 마감용 롤러튜브(roller tube)와 슈퍼스무서(super smoother)를 하나의 장비에 일체화했다는 것입니다. 이와 같은 일체화 장비를 사용할 경우 공용 중인 도로에서 교통차단을 최소화하고 시공 효율성을 극대화할 수 있는 장점이 있습니다. 이 두 가지 기술을 조합한 ‘박층 연속철근콘크리트 덧씌우기포장 공법(UT-CRCP)을 개발했습니다.” 해당 기술을 개발하게 된 배경이 궁금합니다. “2022년 우리나라 도로포장 유지보수비용이 1조 원을 초과한 사실을 알고 계신가요? 2013년 대비 약 2배 정도 증가한 수치입니다. 한국도로공사의 경우 전면적인 유지보수가 필요한 노후 도로포장 연장이 현재 약 300 km입니다. 그런데 2040년엔 약 3,000 km 까지 급증할 것이라는 거죠. 2040년 고속도로 전체 노선에 약 60%가 노후 도로포장이 된다는 의미입니다. 이와 같은 노후 도로포장 연장의 증가는 국가 재정에 상당한 부담을 줄 수밖에 없어요. 장기적으로 도로 이용자의 안전에도 영향을 미칠 수 있습니다. 또 하나는, 우리나라 시멘트 콘크리트 포장의 형식은 대부분 줄눈 콘크리트 포장입니다. 이 포장 형식은 6 m마다 가로 방향줄눈(joint)을 설치하는데, 오래 사용하면 줄눈부를 중심으로 파손이 발생합니다. 파손이 시작되면 연쇄적으로 파손 부위가 확대되고 급속도로 노후화가 진전되겠죠. 이 때문에 도로 이용자들이 많은 불편을 호소하기도 합니다. 공학적 관점에서 적절한 보수를 통해 노후화 진전을 억제하는 것이 궁극적으로 예산을 절감할 수 있는 유일한 방법입니다. 그러나 그 동안 우리나라에서 적용된 보수 방법들은 열화된 콘크리트를 제거하고 새로운 콘크리트를 타설하는 방식으로 이어져 왔습니다. 타설 후에는 기존 포장과 동일한 위치에 줄눈을 설치하는데 일정한 공용기간이 지나면 이 줄눈 부위를 중심으로 재파손이 발생하게 되어, 충분한 공용수명을 확보하지 못하는 단점이 있었습니다.이러한 문제를 극복하고자 줄눈 콘크리트 포장(JPCP) 위에 연속철근 콘크리트 포장(CRCP)을 설치하는 설계 개념을 고안했어요. 기존 열화된 콘크리트를 일부 제거한 후 새로운 콘크리트로 덧씌우기할 때 종방향 철근을 배근해요. 그런데 완성된 도로포장 보수단면은 별도로 줄눈을 설치하지 않아도 됩니다. 이건 기존 콘크리트 포장의 가장 큰 약점을 제거했다는 의미가 됩니다. 일반적으로 CRCP는 균열 발생을 허용하는 포장 형식으로 균열 폭이 1 mm 이하로 유지되어 장기 공용성능이 우수한 것으로 알려져 있어요. 이 UT-CRCP 공법을 적용할 경우 도로 포장체가 JPCP 거동에서 CRCP 거동으로 전환된다는 사실을 장기 계측을 통해 확인했어요. UT-CRCP 공법이 우수한 장기공용성능을 나타낼 수 있다는 직접적인 증거가 되죠. 기존 기술들의 한계를 극복하고 신설 도로포장에 준하는 성능을 확보할 수 있다는 점. 또 장기적으로 국가 예산을 절감할 수 있는 기술이라고 말씀드릴 수 있습니다.” 기존에도 이와 같은 포장 공법이 있었나요? “미국에서 10년 전에 이와 유사한 형태로 시험시공이 된 사례가 있습니다. 최근에도 텍사스주 패리스(paris) 인근 도로에 적용되기도 했죠. 그러나 설계, 재료, 시공 방법에 큰 차이가 있어요. 이번에 KICT에서 개발한 이 공법은 ’CRCP on JPCP’ 개념을 구현할 수 있는 최적화된 기술이라고 감히 말씀드립니다.” 해당 기술은 현재 성능을 검증받은 상태입니다. 이 기술이 건설 신기술 인증을 받기까지 수많은 노력이 있었을 텐데, 앞으로의 계획이 궁금합니다. “저희는 이 기술을 도로포장 유지보수 분야에 적용될 수 있도록 개발하였습니다. 이 공법은 2년의 기획과 5년의 연구개발을 통해 나오게 되었죠. 연구개발 단계에서 네 번의 시험시공을 거쳤어요. 이 중 두 번은 공용 중인 국도에 적용했습니다. 이를 통해 연구 기간 내에 공법을 완성해 중소기업에 기술이전을 한 상태입니다. 말씀하신 바와 같이 건설 신기술 인증까지 마친 상태죠. 물론 연구자로서 여전히 부족한 부분이 있다는 것을 인정합니다. 향후 본 기술이 실질적인 적용 과정에 다다를 때 부족한 부분을 지속적으로 개선하여 공법의 완성도를 꾸준히 높여가겠습니다.” 앞으로 이루고자 하는 연구성과나 목표가 있을까요? “개발 기술과는 조금 다른 이야기이긴 하지만, 포틀랜드 시멘트는 지구온난화의 주범으로 취급당할 때가 있습니다. 포틀랜드 시멘트 생산과정에서 다량의 탄소가 발생한다는 것은 너무나 잘 알려진 사실이죠. 그런데 포틀랜드 시멘트의 주원료인 석회석에 열을 가할 때 그 자체에서 탄소가 발생한다는 사실은 많이 알려지지 않았어요. 인류가 석회석을 가공하여 결합재로 사용한 것이 약 9,000년을 넘었습니다. 가장 값싼 방법으로 결합재를 생산할 수 있기에 건설재료로 여전히 활용되고 있는 것입니다. 최근 탄소저감을 위한 시멘트 대체 재료 연구들이 있었지만, 실제 현장에 적용할 수 있는 방안은 아직 마련되지 못했습니다. 저는 탄소 발생량을 저감시키기 위해 포틀랜드 시멘트 사용량을 줄이는 것에 동의해요. 하지만, 이를 해결하기 위해 ‘대체 재료 사용’이 아닌 ‘장수명’이 대안일 수 있다고 생각합니다. 오래 사용하여 시멘트 사용량을 줄이자는 것입니다. 물론 이와 같은 논의가 과거에 없었던 것은 아니지만, 구체적인 액션 플랜을 만들지는 못하였습니다. 저는 이에 대한 노력이 다시 시작될 필요가 있다고 생각합니다. 현재 콘크리트 포장도로 설계수명은 20년입니다. 실제 공용 수명은 이보다 짧을 때도 있습니다. 이에 50년 성능, 아니 100년 성능을 목표로 한 콘크리트 포장도로를 구현할 수 있는 개념 및 공법이 필요하다고 생각하며, 이에 대한 연구 개발을 이어가고 싶습니다.” 도로교통연구본부 게시일2024-01-29 조회수 2200
• 확대마디 철근을 이용한 콘크리트 부재의 비접촉식 연결 방법 확대마디 철근을 활용한 콘크리트 부재의 비접촉식 연결 방법 ▲ 김건수 KICT 구조연구본부 수석연구원 들어가며 우리나라는 급격한 고령화 사회를 맞이하고 있다. 이로 인해 산업활동 인구가 급격하게 감소하고 있으며, 건설산업 역시 이러한 영향을 크게 받고 있다. 건설노동자 대부분은 외국인 으로 대체되고 있으며 숙련공의 숫자는 점점 줄어들고 고령 화되고 있다. 이러한 사회적 문제는 국내 건설산업의 경쟁 력을 크게 저하시키는 원인이 되며, 결국 그 피해는 국민에 게 돌아가게 되어 있다. 이를 해결하기 위한 방법으로 탈현 장(Off-Site Construction) 공법이 떠오르고 있다. 탈현장 공법 은 사전 제작된 부재들을 현장으로 운송하고, 현장에서는 최 소한의 조립만으로 시공을 마무리 짓는 공법을 말한다. 현장 작업을 최소화한다는 점에서 보면 현재 우리나라 건설 현장의 문제점을 해결할 수 있는 좋은 방법이다. 교량, 터널, 옹벽과 같은 기반 시설의 탈현장 공법으로는 프 리캐스트 공법이 가장 대표적이며, 한국건설기술연구원에서 는 대형 구조물에 프리캐스트 공법을 적용하기 위한 많은 노 력을 해오고 있다. 프리캐스트 콘크리트 공법은 여러 조각 으로 나누어 제작된 철근 콘크리트 부재들을 건설 현장으로 운반한 후에, 마치 블록을 조립하듯이 연결하여 하나의 구조 물로 만들어내는 공법이다. 별도의 제작장에서 부재들을 제 작하므로 품질 확보가 용이하고 시간과 비용을 절약할 수 있 는 장점이 있다. 하지만 일반적인 현장타설 공법과는 다르게 각각의 프리캐스트 부재들을 연결시키는 새로운 작업이 요 구된다. 프리캐스트 콘크리트 구조물에서 가장 취약한 부분 이 바로 부재 사이의 연결부이다. 연결부 작업이 불량한 경 우에는 균열 등으로 인한 누수와 같이 사용성에 영향을 미치 는 문제뿐만 아니라, 심할 경우 구조물의 안전성과 안정성에 도 큰 영향을 미칠 수 있다. 프리캐스트 구조물에서 연결부가 미치는 영향을 최소화하 기 위해서는 ①현장에서 작업이 단순해야 하고, ②구조적으 로 충분한 안전성을 확보해야 하며, ③범용적인 설계가 가능 하여 우수한 확장성과 적용성을 가져야 한다. 또한 장기적인 관점에서 이러한 특징들은 현장 시공의 100% 자동화를 가능 하게 하는 중요한 요소들이다. 이 글에서는 프리캐스트 구조 물 연결부의 시공을 개선한 비접촉식 커플러 기술을 소개하 고자 한다. 비접촉식 커플러(Contactless Coupler)란? 비접촉식 커플러는 철근과 콘크리트 사이의 부착력에 의 해 힘을 전달하는 매커니즘을 가지고 있다. 주철근의 부착 력에만 의존하는 기존 이음방식인 겹이음 공법과 달리, 비 접촉식 커플러는 주철근의 부착력을 극대화하기 위한 수단 으로 확대마디(Expanded Rib)와 콘크리트 구속효과를 활 용하기 위한 띠철근(Spiral Bar)이 활용된다. 비접촉식 커플 러의 인장저항 매커니즘은 ①프리캐스트 연결부 인장력 발 생, ②인장력으로 인한 주철근(확대마디 철근)의 부착응력 발생, ③부착응력 전달(확대마디 철근→띠철근), ④띠철근 에 결합된 연결 철근의 인장저항 순서로 진행된다. 비접촉 식 커플러 시스템에서 최종적으로 응력을 전달받는 연결 철근들의 총 단면적은 주철근 단면적보다 넓어야 하며, 응 력 전달을 위한 확대마디 및 띠철근 역시 중요한 설계 요 소이다. 비접촉식 커플러 기술 현황 및 방향 이 글에서 소개하는 비접촉식 커플러 기술은 주철근에 커 플러를 직접 끼워 넣는 번거로움을 개선한 기술로, 확대마 디 및 띠철근에 의해 개선된 철근의 부착력만으로 프리캐 스트 콘크리트 부재에 힘을 전달하는 방식이다. 지난 3년간 비접촉식 커플러의 성능을 검증하기 위한 다양한 실험이 수 행되었다. 휨하중 및 인발하중을 받는 프리캐스트 연결부에 대한 실험을 통하여 구조성능을 확인하였다. 또한 8 m 높 이의 옹벽 실험체를 대상으로 하는 실물실험 및 밀폐된 박 스 구조물에 수압을 가하는 수밀성 테스트도 수행하여 현장 적용성을 확인하였다. 비접촉식 커플러의 핵심기술은 국내 특허 등록 및 출원한 상태이며, 해외 진출을 위한 PCT 출 원을 완료한 상태이다. 앞으로도 지속적인 연구개발을 통해 비접촉식 커플러의 ‘최적 설계 기술개발’, ‘연결부 시공 자동 화 기술개발’, ‘비접촉식 커플러의 경량화 및 모듈화 기술개 발’ 등을 수행할 예정이다 ――――――――――――――――― 참고자료 • Kim, K. S., Park, K. T., & Park, C. (2022). Structural behavior of expanded rib steel bars used in reinforced concrete beams. Results in Engineering, 14, 100455. • Kim, K. S., Park, K. T., Jung, K. S., Kim, R. E., Ali, T., & Park, C. (2023). Development of a novel connection method using expanded rib and spiral bars for reinforced concrete beams with cold joints. Engineering Structures, 295, 116863. • Ali, T., Kim, R. E., Kim, K. S., & Park, K. T. (2023). Nonlinear finite element modeling and parametric analysis for the design implication of expanded rib steel bars in RC beams. Developments in the Built Environment, 16, 100242. • 한국건설기술연구원. 철근부착력 증가장치 및 이를 이용한 프리캐스트 구조물 시공방법, 특허 출원번호 10-2021-0081441, 출원일 2021년 6 월 23일, 등록일 2023년 8월 14일. • 한국건설기술연구원. 중간부를 나사가공한 확대마디 이형철근 및 그 확 대마디 조립방법, 특허 출원번호 10-2022-0152611, 출원일 2022년 11월 15일. • 한국건설기술연구원. 비접촉식 커플러 이를 이용하여 제작된 프리캐스 트 구조물 및 그 시공방법, 특허 출원번호 10-2022-0093607, 출원 일 2022년 7월 28일. • 한국건설기술연구원. 비접촉식 커플러 이를 이용하여 제작된 프리캐스 트 구조물 및 그 시공방법, 특허 출원번호 PCT/KR2023/010116, 국제 출원일 2023년 7월 14일. 구조연구본부 게시일2024-01-29 조회수 2064
• 해외 탄소배출 감축을 위한 아스팔트 포장 분야의 저탄소 기술 변화 해외 탄소배출 감축을 위한 아스팔트 포장 분야의 저탄소 기술 변화 ▲ 김영민 KICT 도로교통연구본부 연구위원 들어가며 지구 온난화로 폭염, 폭설, 태풍, 산불 등 이상기후 현상이 세계 곳곳에서 나타나고 있다. 높은 화석연료 비중과 제조업 중심의 산업구조를 가진 우리나라도 최근 30년 사이에 평균 온도가 1.4℃ 상승하며 온난화 경향이 더욱 심해졌다. 국제사회는 기후변화 문제의 심각성을 인식하고 이를 해결하기 위해 선진국에 탄소배출 감축 의무를 부여하는 ‘교토의정서’ 채택(1997년)했다. 이어 선진국과 개도국이 모두 참여하는 ‘파리협정’을 2015년 채택하여 탄소배출을 위한 범세계적인 목표 이행을 위해 많은 노력을 기울이고 있다. 기후변화에 관한 정부 간 협의체(IPCC, Intergovernmental Panel on Climate Change)는 2100년까지 지구 평균온도 상승폭을 1.5℃ 이내로 제한하기 위해서는 전 지구적으로 2030년까지 이산화탄소 배출량을 2010년 대비 최소 45% 이상 감축하여야 하고, 2050년에는 탄소중립(Net-zero) 달성을 목표로 제시하였다. 이에 따라, 세계 각국은 2016년부터 자발적으로 온실가스 감축 목표를 제출했고, 모든 당사국은 2020년까지 ‘파리협정 제4조 제19항’에 근거해 지구 평균기온 상승을 2℃ 이하로 유지하고, 나아가 1.5℃를 달성하기 위한 장기 저탄소 발전 전략(LEDS)과 국가 온실가스 감축 목표(NDC)를 제출하기로 합의하였다. 아스팔트 포장 분야에서도 이산화탄소 배출 저감을 위한 노력이 진행되고 있으며, 미국 아스팔트포장협회(NAPA, National Asphalt Pavement Association)는 아스팔트 포장 산업의 Net-zero 탄소 배출을 위한 목표 및 전략을 발표하였다. 우리나라도 마찬가지로 관계부처 합동으로 ‘2050 탄소중립 추진 전략’을 마련하고, 에너지 주공급원을 화석원료에서 신재생에너지로 전환 및 확충은 에너지 전환 가속화와 철강, 석유화학 등 탄소 다배출 업종의 기술 개발 지원을 통해 고탄소 산업구조 개혁을 추진하고 있다. 이 글에서는 세계 여러 나라에서 추진하고 있는 아스팔트 포장 분야의 탄소배출 감축을 위한 저탄소 기술을 살펴보고, 우리나라의 저탄소 아스팔트 산업이 나아갈 방향을 모색하고자 한다. 해외 Net-Zero 추진 전략 (1) 영국(Net zero highways) 영국은 전체 가정의 80%가 자동차를 소유하고 있고, 화물의 79%가 도로를 이용하여 운송이 이루어지므로 많은 인적·물적 자원들이 도로 운송체계에 의존하고 있다(Transport Statistics Great Britain, 2020). 그러므로, 파리협약에 따른 영국의 탄소배출 저감 전략에 도로 분야의 탈탄소화 전략이 높은 비중을 차지하고 있다. National Highway는 영국 교통부의 지원을 받아 고속도로와 간선도로의 설계, 운영, 유지관리 등의 표준을 설정하는 정부기관으로서, 영국 도로의 운송 및 건설에 관한 Net-Zero Highway 2050 계획을 발표하였다. Net-Zero Highway 2050 계획은 2030년까지 전체 고속도로를 관리하고 운영하는 데 필요한 각종 자체 시설물(가로등, 관리 사무실 포함)의 조명을 LED 제품으로 전환하여 기업 탄소 배출량의 75% 감소하고, 유지관리 및 도로 순찰용 차량의 70%를 전기 또는 하이브리드 차량으로 전환하는 등 기존의 자체 시설물에 감축 가능한 모든 탄소를 줄이는 데 계획을 제시하였다. 또한 2040년까지 고속도로의 포장 수명을 장기간 유지하고 도로포장 재료(아스팔트, 시멘트, 콘크리트 등)의 생산을 포함하여 자재 운송, 유지 관리 및 포설 작업 시에 발생하는 배출량의 Net-Zero 하는 것을 목표로 하고 있다. 2050년까지 도로를 이용하는 운송수단(대중교통, 화물차 등)의 전기 에너지 활용을 지원하는 EV 충전 서비스 및 에너지 저장시설 확충을 통해 운송 수단의 탈탄소화를 추진할 계획이다. (2) 미국(The Road Forward) 2022년 1월, 미국 NAPA는 2050년까지 Net-Zero 탄소 배출을 달성하기 위한 아스팔트 포장 산업 목표로 ’The Road Forward’ 비전을 발표하였다. NAPA는 기후 관리를 위한 아스팔트 포장 산업의 Net-Zero 탄소배출을 위해 4가지 산업 목표와 이를 이행하는 각각의 전략을 제시하였다(NAPA, 2023). 먼저, 산업 목표 ①은 2050년까지 아스팔트 생산 및 건설 과정에서 Net-Zero를 달성하며, 이를 위해 아스팔트 공장에서 대체 및 재생 가능 연료의 사용과 아스팔트 혼합물의 생산온도를 낮추는 WMA(Warm-Mix Asphalt) 기술의 사용을 장려한다. 산업 목표 ②는 장수명포장 기법의 채택을 확대하여 도로포장의 내구성을 증대함으로써, 잦은 유지보수 공사로 인한 건설장비 및 교통체증으로 인한 작업구간 내 차량의 탄소배출을 줄이는 것을 목표로 하고 있다. 그리고 산업 목표 ③은 BMD(Balanced Mix Design)와 공용성능 지표를 연계한 LCA를 활용하여 모든 재활용 아스팔트(RAP)를 관리함으로써 2050년까지 Net-Zero 자재 공급망을 구축한다. 또한 저온 중앙 플랜트 재생기술과 저온 및 고온 현장 아스팔트 재활용 기술을 발전시켜 RAP 함량을 40% 이상 증가시키는 것을 목표로 하고 있다. 산업 목표 ④는 아스팔트 혼합물 생산과정에서 필요한 전력을 재생 가능한 에너지로 전환해서 전기 집약도를 줄이고 전기 에너지 효율성을 높여 아스팔트 산업의 자체 탄소배출량을 줄여 탄소상쇄(carbon offset)를 확보하도록 권장하고 있다. 바이오 오일 아스팔트(Bio oil-asphalt) 바이오 아스팔트란 바이오 오일(목질 섬유형, 돼지분뇨형,폐유형)을 증류, 추출 산화 과정을 거쳐 중합 처리한 제품으로 아스팔트의 개질제, 희석제 또는 대체 재료로 사용된다(Zhangqi, 2022). 바이오 오일의 주요 성분에는 에테르,에스테르, 알데히드, 케톤, 유기산 등이 포함되어 있어, 석유아스팔트를 바이오 바인더로 대체하거나 개질이 가능하다(Cao et, al,. 2014). 바이오 바인더는 석유 아스팔트를 직접 대체(100% 대체율)하거나, 석유 아스팔트를 개질하기 위한 개질제(대체율은 10% 미만)로 활용되며, 석유아스팔트를 혼합하기 위한 희석제(대체율 25%~75%)로 사용된다. 또한 바이오 아스팔트는 석유 아스팔트에 첨가하여 개질 또는 혼합한 것으로 천연 아스팔트보다 아스팔트 바인더의 전단강도 및 저온성능과 내노화성이 높은 것으로 평가되고 있다. 최근 주목 받는 바이오 오일은 리그닌을 활용한 제품이다. 리그닌(lignin)은 관속식물(vascular plant)과 일부 조류(algae)의 세포 조직을 지지하는 중요한 구조 물질을 형성하는 유기폴리머(organic polymer) 중 하나이며, 목재나 풀의 20~40%를 차지하고 있다. 유기 폴리머인 리그닌은 일반적으로 점도와 점성이 높고 다른 물질과 혼합이 잘 이루어지지 않아 종이를 만드는 제지공정 과정에서 대부분 폐기 처분하였다. 그러나 최근에는 리그닌의 열분해과정에서 수소 첨가 분해를 통해 점도와 점성을 낮추고 발열량(HHV)을 높인 리그닌 혼합 오일은 기존의 항공유와 유사한 품질기준을 만족시켰으며, 2027년부터 시행되는 항공유 온실가스 감축 규제에 적용할 것으로 기대되고 있다(Kim, et,al., 2020). 리그닌을 활용한 대체 연료의 주요 장점은 산업 활동을 통해 공기 중으로 배출된 이산화탄소를 장기간 격리(sequestration)시키는 특성이다. 네덜란드의 Wageningen University & Research에서는 아스팔트 바인더의 50%를 리그닌으로 대체한 바이오제닉 아스팔트를 통해 기존의 아스팔트에서 배출되는 연간 550 kt의 이산화탄소를 30~60%까지 감소시킬것으로 예상되며, 이는 유럽시간에서 확장되고 있는 연간 아스팔트 1,100만 톤에 적용할 경우, 연간 최대 12,000톤의 이산화탄소 배출을 감소할 것으로 예상하고 있다(Christian, et,al,. 2022). 바이오 숯 아스팔트(Bio-char asphalt) 바이오 숯(char) 아스팔트는 식물성 기름, 바이오매스 재료 및 바이오 기반 폴리머와 같은 재생 자원을 아스팔트에 활용한 기술이다. 바이오 숯은 탄소성 물질로 산소 농도가 낮은 조건에서 농업 폐기물 및 목재 칩과 같은 유기 물질을 연소시킬 때 형성된다. 바이오 숯은 고유한 다공성과 탄소 음성(inherent porosity and carbon negativity)적인 특성으로 인해 아스팔트의 휘발성 유기 화합물(VOC)을 흡착하고 생산공정에서 발생되는 이산화탄소 배출량을 최대 50%까지 감소시킨다(Zhou et al. 2020). 또한 아스팔트 포장의 내구성을 향상시켜 포장체의 수명을 연장함으로써 재포장 주기를 확대한다(Abe et al., 2022). 이러한 장점으로 기후변화에 관한 정부 간 협의체(IPCC)에서는 바이오 숯을 이용한 아스팔트를 저탄소 기술로 인정하고 탄소 감축을 위한 지속적이고 경제적인 해결책으로 기대된다. 기후변화 시대에 저탄소 아스팔트 포장 기술의 나아갈 방향 전 세계가 기후변화 및 이상기온 현상에 따른 인류 생존의 위협을 받는 현시점에서 모든 산업분야에서 저탄소 및 탈탄소화 정책의 추진은 전 인류의 최대 당면 과제이다. 2015년 파리협약에 따라 선진국뿐만 아니라 개도국도 탄소 감축목표를 설정하고 감축목표 달성을 위해 국가 경제구조의 개혁과 변혁이 요구되고 있다. 우리나라도 향후 5년간(2023~2027년) 약 89.9조 원의 예산 투입을 통해 탄소중립 산업의 핵심기술 개발과 건축 분야의 제로에너지·그린 리모델링를 추진하고, 전기 및 수소차량 보조금 지원을 통한 수송 부문 등의 온실가스 감축 사업 진행을 통해 경제·사회 전반에 걸친 탄소중립과 녹색성장 추진을 위한 ‘한국 2050 탄소중립’ 계획을 실행하고 있다. 지금까지 아스팔트 포장 산업은 많은 이산화탄소를 배출하고 환경에 악영향을 미치는 산업으로 인식되었다. 그러나 재활용 아스팔트 포장(RAP), 중온 아스팔트(WMA), 현장 저온 재생 아스팔트 포장 등과 같이 저탄소 아스팔트 포장 기술 개발을 위한 노력은 계속되어 왔다. 전 지구적인 저탄소 및 탈탄소화가 요구되는 현 시점에서 아스팔트 포장 산업은 기존의 저탄소 아스팔트 기술의 고도화를 통해 100% 재생 아스팔트 기술뿐만 아니라 바이오 기반의 대체 아스팔트 개발과 같은 Net-Zero 신기술 개발에 박차를 가해야 할 것이다. 이를 위해서는 저탄소 아스팔트 포장용 폐기물 및 재생 기술 사용에 관한 기존 연구를 체계적으로 검토하고 과학적으로 평가를 통해 구현 가능한 현장 적용 기술 체계의 마련이 요구된다. 과거 도로포장 건설 산업이 환경 오염 산업이라는 오명을 벗고 인류의 번영과 보존에 기여할 수 있는 친환경 핵심 산업으로 거듭나기 위해서는 아스팔트가 석탄연료인 석유의 부산물을 원재료로 활용하기보다는 근본적으로 원재료 자체가 환경에 무해한 친환경 재료로 탈바꿈할 수 있는 기회가 되었으면 한다. ――――――――――――――――― 참고자료 • Kim Yoonsoo, Shim Jingi, Choi Jae-Wook, Suh Dong Jin, ParkYoung-Kwon, Lee, Ung, Choi Jungkyu, Ha Jeong-Myeong,Continuous-flow production of petroleum-replacing fuels fromhighly viscous Kraft lignin pyrolysis oil using its hydrocrackedoil as a solvent, Energy Conversion and Management,Volume 213, 2020, • Christian Moretti, Blanca Corona, Ric Hoefnagels, Marco vanVeen, Iris Vural-Gürsel, Tobias Strating, Richard Gosselink,Martin Junginger, Kraft lignin as a bio-based ingredient forDutch asphalts: an attributional LCA, Science of the TotalEnvironment, 806(1), 2022 • Zhengqi Zhang, Ying Fang, Jianhua Yang, Xinjun Li, Acomprehensive review of bio-oil, bio-binder and bioasphaltmaterials: Their source, composition, preparationand performance, Journal of Traffic and TransportationEngineering (English Edition), Volume 9, Issue 2, 2022, pp 151-166, • Cao, W. Zhang, X. Qi, X. 2014, Advances in bio-asphaltresearch. Petroleum Asphalt, 28 (5) (2014), pp. 1-5 • Abe, A.A.; Rossi, C.O.; Caputo, P. Biomaterials and TheirPotentialities as Additives in Asphalt binder Technology: AReview. Molecules 2022, 27, 8826. • NAPA, ASPHALT PAVEMENT INDUSTRY GOALS FORCLIMATE STEWARDSHIP: TOWARD NET ZERO CARBONEMISSIONS, https://www.asphaltpavement.org/climate/industry-goals. 2023 • Wang, H., Han, H., Song, H., et al., 2019. Progress in pyrolysisof lignin and its model compounds. Chemical Industry andEngineering Progress 38 (7), 3088e3096. • Zhou, X. Moghaddam, T.B. Chen, M. Wu, S. Adhikari, S.Biochar removes volatile organic compounds generated fromasphalt. Sci. Total Environ. 2020, 745, 141096. • Yaro, N.S.A.; Sutanto, M.H.; Habib, N.Z.; Usman, A.; Kaura, J.M.;Murana, A.A.; Birniwa, A.H.; Jagaba, A.H. A ComprehensiveReview of Biochar Utilization for Low-Carbon FlexibleAsphalt Pavements. Sustainability 2023, 15, 6729. https://doi.org/10.3390/su15086729 도로교통연구본부 게시일2023-12-18 조회수 2831
• 나노소재를 이용한 수소가스 저장 기술 나노소재를 이용한 수소가스 저장 기술 ▲ 백소영 KICT 환경연구본부 수석연구원 들어가며 수소를 저장 및 운송하는 방법은 몇 가지가 있는데, 대표적으로 ①기체 상태의 수소를 약 700 bar로 압축해 고압가스로 저장하는 방법, ②-253℃로 냉각해 액화상태로 저장하는방법, ③고체 금속상에 화학적으로 흡수시키는 방법, ④암모니아 또는 액상유기화합물(LOHC, Liquid Organic HydrogenCarrier)로 저장하는 방법이 있다. 첫 번째 방법은 고압가스의 수용성과 함께 큰 저장탱크가 필요하며, 수소가스의 부피가 크기 때문에 높은 압축에너지가 필요하다. 두 번째 방법은 극저온 액체이기 때문에 많은 금전적 투자가 필요하고, 리필 과정에서 보일오프(boil-off) 등 다양한 손실 발생 과정이 항상 존재한다. 현시점에서 수소를 이용할 때 가장 큰문제는 수소의 저장과 운송 문제이다. 고압으로 압축한 기체수소는 폭발위험성과 함께 저장 및 운반에 각별한 주의가 요구되며, 수소는 560℃ 이상의 열이 공급되었을 때 자연적으로 폭발하기 때문에 위험에 대한 관리가 중요하다. 또한 비용적으로 보면 천연가스 개질을 통한 수소의 생산원가는 kg당 2,500원 정도인데 수송과 저장에 드는 비용은 kg당5,000원으로 2배 이상 높다. 따라서 최근에는 수소 저장 및운송의 경제성과 안전성 측면으로 인해 재료/합금에 대한흡착 또는 흡수를 통한 소재 내 가스 저장을 향한 관심이 증가하고 있다. 기존 가스 저장 방법 수소를 저장 및 운송하는 방법은 몇 가지가 있는데, 대표적 으로 ①기체 상태의 수소를 약 700 bar로 압축해 고압가스 로 저장하는 방법, ②-253℃로 냉각해 액화상태로 저장하는 방법, ③고체 금속상에 화학적으로 흡수시키는 방법, ④암모 니아 또는 액상유기화합물(LOHC, Liquid Organic Hydrogen Carrier)로 저장하는 방법이 있다. 첫 번째 방법은 고압가스 의 수용성과 함께 큰 저장탱크가 필요하며, 수소가스의 부 피가 크기 때문에 높은 압축에너지가 필요하다. 두 번째 하나 이다. 인구의 증가와 생활양식의 변화로 인해 세계적으로 에 너지 수요가 증가하고 있으나, 한정된 자연 자원이 급속하 게 고갈되고 있는 동시에 지구온난화 등 환경 문제가 심각해 져 에너지 위기가 가속화되고 있다. 실제로 전 세계 화석연 료 비중은 82%이며, IEA(국제에너지기구)는 향후 10년 이내 에 화석연료 사용량이 정점에 도달하고 신재생에너지 역할 이 커질 것으로 전망하였다. 이러한 상황에서 수소는 에너지 요구를 충족시키기 위한 수단으로 대두되고 있다. 수소를 태워서 에너지를 발생하게 될 때 가솔린의 세 배에 달하는 열량을 방출할 수 있으며 연료 전지 방법을 이용하여 전기를 생산할 수 있다. 만약 재생 가능한 에너지원인 수력, 태양, 풍력과 같은 자원을 활용하여 수소를 생산할 수 있게 된다면, 수소는 재생 연료로도 사용될 수 있다. 또한, 수소는 환경적으로도 이산화탄소 배출이 없어 현재의 화석연료나 원자력과는 비교할 수 없는 장점이 있기 때문에, 수소에너지 는 미래의 궁극적인 대체 에너지원 또는 에너지 운반체로 간 주하고 있다. 소재 내 가스 저장 방법 수소를 소재 내에 저장하는 방법은 크게 물리적 흡착 (Physisorption)과 화학적 흡수(Chemisorption)로 구분되어 결 합할 수 있다. 우선 화학적 흡수 방법 중 금속수소화물은 고 체를 금속상에 화학적으로 흡수시키는 방법으로 금속 원자 사이사이에 수소를 이온화하여 저장하게 된다. 이러한 금속 수소화물 중에서 가장 잘 알려진 유형은 표 1과 그림 1에 표 시된 AB5, AB2, A2B 및 AB 타입이며 압축가스 및 극저온 액 화 수소 저장 방법에 비해 높은 부피 밀도로 저장할 수 있다. 수소를 소재 내에 저장할 수 있는 또 다른 방법은 활성탄, 흑 연, CNT(탄소 나노튜브)와 같은 다양한 탄소 물질을 통해 저 장하는 물리적 흡착 방법이다. 위와 같은 탄소 소재들은 높 은 비표면적과 밀도가 낮은 다공성 미세 구조로 인해 높은수소 저장량을 갖는다(표 1, 그림 1). 물리적 흡착과 화학적 흡수 방법을 에너지 측면에서 비교해 보면, 화학적 흡수의 경우 수소와 저장물질의 결합에너지 는 100 kJ/mol 이상인 반면, 물리적 흡착의 경우 에너지는 10 kJ/mol 혹은 그 이하의 값을 갖는다. 다시 말하면, 화학적 흡수 방법은 수소와 금속 간의 결합력이 높기 때문에 650℃ 이상의 고온을 사용해야 수소를 탈착하여 이용할 수 있고, 반대로 물리적 흡착은 수소와 고체 표면이 물리적인 힘, 즉 반데르발스 힘에 의해서 흡착이 되어있기 때문에 수소를 탈 착하는 데 높은 온도와 많은 에너지가 필요하지 않다. 물리적 결합은 흡/탈착 속도가 빠르게 되어 수소의 저장 과 탈착을 신속하게 할 수 있다는 장점이 있으며, 이 때문 에 화학적 결합에 비해 물리적 결합을 가지는 수소저장이 저장 및 활용에 에너지 측면에서 많은 장점을 갖게 된다. 또 한 화학적 결합 중 높은 엔탈피가 방출되는데 이는 소재의온도를 상승시켜 수소의 효율적인 방출을 방해하여 수소저장의 가역성을 방해할 수 있다. 다공성 나노소재 내 수소저장 물리적 흡착 방법을 이용한 소재 내 수소 저장에 있어 가장 큰 핵심은 비표면적이 얼마나 넓으냐 하는 것이다. 물리적 결합 을 하는 대표적인 소재는 활성탄, 탄소 나노튜브, 활성 탄소 섬 유, 탄소 나노섬유와 같은 다양한 탄소 나노구조물질이 있으 며 수소 흡착량은 소재의 기공 크기에 따라 달라진다. 나노소 재의 기공은 마이크로(micro, <2 nm), 메소(meso, 2~50 nm), 매 크로(macro, >50 nm) 기공으로 나누어지며 물리흡착 기반의 수소저장량은 일반적으로 미세한 기공 구조나 표면에 수소 분 자가 흡착되는 과정을 말한다. 문헌에 따르면 0.6~0.7 nm 크 기의 마이크로 미세 기공을 가지고 있는 재료가 수소 분자를 높은 비율로 흡착하는 것으로 알려져 있다. 이는 흡착재료의 메시 구조나 표면 특성에 기인한 것으로 수 소 분자가 물질 표면에 흡착하고 상호 작용하여 저장되게 된다. 또한 흡착소재의 수소 저장량은 미세기공의 비표면적 (SSA, Specific Surface Area)에 따라 결정된다고 알려져 있 다. 탄소 물질과 수소 사이의 결합은 비교적 약하며, 흡착 에 너지가 낮기 때문에 나노튜브와 같은 좁은 틈새 채널에 수소 가 흡착될 가능성은 배제된다. 즉, 소재의 표면적이 높을수 록 수소 저장 용량이 높아진다는 것을 의미한다. 많은 문헌 에서 수소 흡착은 작동 온도 및 탄소 재료 유형에 관계없이 소재의 비표면적(SSA)에 선형적으로 의존한다고 결론지었 으며, 다공성 탄소소재의 기공크기를 조절한 후 높은 압력조 건에서 수소를 저장할 경우 미국 에너지부(DOE)의 수소저장 목표를 달성할 수 있는 것으로 보고되었다. 맺음말 수소는 앞으로 어떠한 방법으로든 활용될 것이라고 누구나 예상하며, 특히 수소 저장 소재는 미래의 깨끗한 에너지 공 급과 탄소 중립을 위한 중요한 역할을 할 것으로 기대되고 있다. 향후 소재 제조 연구에서는 친환경적이며 탄소발자국 을 줄이는 방법으로 바이오매스를 활용하여 소재를 제조하 는 연구가 활발해질 것이며, 현실에 더욱 적합한 결과를 도 출할 수 있는 연구가 지속해서 진행될 것이다. 그뿐만 아니 라 수소 저장 소재의 생산 및 제조 비용을 줄이는 경제성 개 선과 같은 지속적인 연구와 혁신을 통해 더 효율적이고 경제 적인 솔루션을 개발하는 노력이 계속되어야 할 것이다. ――――――――――――――――― 참고자료 • Mohan, M., Sharma, V. K., Kumar, E. A., & Gayathri, V. (2019). Hydrogen storage in carbon materials—A review. Energy Storage, 1(2), e35. • Prabhukhot Prachi, R., Wagh Mahesh, M., & Gangal Aneesh, C. (2016). A review on solid state hydrogen storage material. Adv. Energy Power, 4(11). 환경연구본부 게시일2023-12-18 조회수 3328
• 건축 분야 Generative Design 기법을 활용한 설계자동화 기술 건축 분야 Generative Design 기법을 활용한 설계자동화 기술 ▲ 이재욱 KICT 미래스마트건설연구본부 수석연구원 들어가며 세상은 끊임없이 변화하고, 이러한 변화의 흐름 속에서도 건 축 분야는 그 중심에서 지속적인 진화를 이어가고 있다. 최 첨단 기술의 도입, 혁신적인 건축 재료의 개발, 그리고 지속 가능한 건축에 대한 고민은 현대 건축의 주요한 핵심 키워드 로 자리 잡고 있다. 이 모든 변화의 중심에서 핵심 연구를 주 도하며 새로운 패러다임을 제시한 학자가 있다. 그는 이미래 박사다. 이미래 박사는 건축설계뿐만 아니라 그것이 인간과 환경과의 상호작용에서 어떤 역할을 하는지에 대한 깊은 연 구에 몰두해 왔다. 건물은 단순한 물리적 공간 이상의 의미 를 지니며, 사회, 경제, 환경적 측면에서도 중요한 영향을 미 친다는 것이 그의 주장이다. 그러한 연구 활동 중 이미래 박 사는 수년간 건축설계의 효율성과 창의성에 대한 연구를 진 행하며, 새로운 방법론을 찾기 위한 끊임없는 탐구의 여정 을 거치고 있었다. 그는 전통적인 건축설계 방법이 한계에 도달했다고 느꼈고, 무언가 혁신적인 접근 방식이 필요하다 고 생각했다. 그러던 어느 날, 그는 'Generative Design' 혹은 ' 생성적 설계'라는 기법을 발견하게 된다. 이 기법은 ‘그동안 의 건축설계 방식을 완전히 뒤바꾸어 놓을 것’이라는 희망을 이미래 박사에게 안겨주었다. 생성적 설계는 이미래 박사가 직접 모든 디자인의 디테일을 고민하는 것보다, 컴퓨터가 그 의 연구 가설과 원칙을 기반으로 다양한 설계 옵션을 빠르게 생성해 주는 방식이었다. 이미래 박사는 컴퓨터에 특정 조건 과 목표를 입력하면 되었다. 예컨대, "이 건물은 에너지 효율 성이 높아야 한다" 혹은 "이 구조물은 지진에도 견딜 수 있어 야 한다"와 같은 연구 가설을 기반으로 한 조건들이었다. 최 초의 시도에서, 그는 이 기법의 효과에 매우 놀랐다. 컴퓨터 는 그의 가설을 기반으로 수많은 가능성을 제시해주었고, 이 미래 박사는 이 중에서 가장 연구 목표에 부합하는 설계를 선택할 수 있었다. 생성적 설계를 도입한 뒤, 이미래 박사의 연구는 새로운 차원의 문제 해결 능력을 보여주게 되었다. 이 기법은 그에게 연구의 새로운 경로를 제시해 주었고, 이 미래 박사는 이를 통해 건축 분야의 미래를 위한 새로운 기 준을 설정할 수 있게 되었다. 설계자동화(Generative Design) 개념과 현황 건설 분야에서 설계자동화의 전체적인 프로세스는 세 가지 단계로 정리할 수 있다. 이에 따라 설계 알고리즘의 기술 개 발 방향에 대하여 정리하였다. Stage 1: 문제 정의를 다양화할 수 있는 세부적인 속성들의 종류를 정의하고 종류에 따른 레벨을 설정한다. Stage 2: 문제 정의의 조합에 따라 각각의 위상 최적화된 설 계안들을 생성한다. Stage 3: 생성된 설계안들을 평가 기준들에 따라 검토하고, 대표 설계안들을 선택한다. 첫 번째 단계: 대지 선정, 초기 설정 및 문제 정의 대지의 크기와 형태를 결정하기 시작하였다. 일반적인 10 m ×10 m의 대지를 기준으로 선정하였다. 이 대지 내에 그리 드 형태로 점을 배치하였으며, 대지 내, 총 441개(21x21)의 점을 설정하였다. 이후, 문제를 정의하는 데 필요한 다양한 속성들을 선정하였고, 각 속성에 대한 레벨을 설정하여 문제 를 세부적으로 정의하였다. 두 번째 단계: 점 선택, 사각형 생성 및 설계안 생성 임의로 설정된 144개의 점 중 4개를 무작위로 선택하였다. 선택된 점을 기준으로 500~1200 mm 크기의 사각형을 생 성하였다. 이 사각형들을 다양한 조합으로 배치하는 대안을 만들었다. 정의된 문제와 속성의 조합을 바탕으로 위상을 최 적화한 설계안들을 또한 생성하였다. 세 번째 단계: 결과물 출력, 검토 및 설계안 선택 설계자동화 알고리즘을 활용하여 결괏값을 무작위로 출력하 였다. 출력된 결과는 그림 3과 같이 나타났다. 추가로, 출력 된 결과 중에서 더 다양한 대안들을 추출하였다. 생성된 설계 안들은 다양한 평가 기준에 따라 검토되었고, 이 검토를 통해 대표적인 설계안들을 선정하였다. 1. 산업 분야의 적용: Generative Design은 건축, 제품 설 계, 자동차 공학, 항공우주 공학 등 다양한 분야에서 활용 되고 있다(그림 1). 2. 소프트웨어 발전: Autodesk의 Fusion 360, Rhino와 Grasshopper와 같은 도구들은 Generative Design 기능 을 제공하며, 이런 도구들의 발전으로 인해 디자이너들은 복잡한 알고리즘을 직접 작성하지 않아도, 생성적 설계를 쉽게 적용할 수 있게 되었다(그림 2). 3. 환경 및 지속 가능성: 현대 건축 및 제품 설계에서 환 경친화적이고 지속 가능한 설계의 중요성이 부각되면서, Generative Design은 이러한 목표를 달성하기 위한 주요 도구로 인식되기 시작했다. 4. 교육 및 연구: 전 세계의 주요 대학 및 연구기관에서는 Generative Design에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으 며, 다음 세대 디자이너와 엔지니어들에게 이 기술을 교육 하는 프로그램들도 강화되고 있다. 5. 제한사항 및 도전 과제: 물론, Generative Design도 완 벽하지 않다. 현실 세계의 복잡한 제약 조건과 인간의 세밀 한 취향을 완벽하게 반영하는 것은 여전히 도전적인 부분이며, 이를 위한 연구와 개발이 지속해서 이루어지고 있다. 설계자동화(Generative Design) 기술 개발 방향 건설 분야에서 설계자동화의 전체적인 프로세스는 세 가지 단계로 정리할 수 있다. 이에 따라 설계 알고리즘의 기술 개발 방향에 대하여 정리하였다. Stage 1: 문제 정의를 다양화할 수 있는 세부적인 속성들의 종류를 정의하고 종류에 따른 레벨을 설정한다. Stage 2: 문제 정의의 조합에 따라 각각의 위상 최적화된 설계안들을 생성한다. Stage 3: 생성된 설계안들을 평가 기준들에 따라 검토하고, 대표 설계안들을 선택한다. 첫 번째 단계: 대지 선정, 초기 설정 및 문제 정의 대지의 크기와 형태를 결정하기 시작하였다. 일반적인 10 m×10 m의 대지를 기준으로 선정하였다. 이 대지 내에 그리드 형태로 점을 배치하였으며, 대지 내, 총 441개(21x21)의 점을 설정하였다. 이후, 문제를 정의하는 데 필요한 다양한 속성들을 선정하였고, 각 속성에 대한 레벨을 설정하여 문제를 세부적으로 정의하였다. 두 번째 단계: 점 선택, 사각형 생성 및 설계안 생성 임의로 설정된 144개의 점 중 4개를 무작위로 선택하였다.선택된 점을 기준으로 500~1200 mm 크기의 사각형을 생성하였다. 이 사각형들을 다양한 조합으로 배치하는 대안을만들었다. 정의된 문제와 속성의 조합을 바탕으로 위상을 최적화한 설계안들을 또한 생성하였다. 세 번째 단계: 결과물 출력, 검토 및 설계안 선택설계자동화 알고리즘을 활용하여 결괏값을 무작위로 출력하였다. 출력된 결과는 그림 3과 같이 나타났다. 추가로, 출력된 결과 중에서 더 다양한 대안들을 추출하였다. 생성된 설계안들은 다양한 평가 기준에 따라 검토되었고, 이 검토를 통해대표적인 설계안들을 선정하였다. 설계자동화(Generative Design) 기술의 미래 방향 설계 분야는 미래에 인공지능(AI)과의 융합을 통해 더욱 발전하게 될 것이다. Generative Design에서 활용될 AI는 디자이너의 이전 작업 패턴과 선호도를 학습하게 될 것이며, 이러한 데이터를 기반으로 더욱 정교하고 효율적인 설계 제안을 창출해낼 것이다. 이로 인해 디자이너는 기술적 한계를 뛰어넘어 더 큰 비전을 실현하는 데 필요한 지원을 받게 될 것이다. 또한, 미래의 설계자동화 도구는 디자이너에게 실시간피드백을 제공하게 될 것이다. 이 기능은 설계 과정에서의신속한 조정과 피드백을 가능하게 하여, 다양한 요구 사항과 변수에 즉시 대응하는 설계의 효율성과 타당성을 높이게 될것이다. 분야 간의 통합은 Generative Design의 미래 방향으로 확고하게 자리잡게 될 것이다. 건축, 제품 설계, 기계 공학 등의 전문 지식이 하나로 통합되어, 더욱 통합적이고 종합적인 설계 해결책을 제공하게 될 것이다. 마지막으로기술적 진보에도 불구하고, 인간 중심의 접근 방식은 미래의 설계자동화에서도 핵심적인 역할을 하게 될 것이다. 사용자의 요구와 편안함을 중심으로 한 설계의 궁극적인 목적은변하지 않을 것이며, 설계자동화 기술은 이를 지원하여 미래의 설계 패러다임을 정립해 나갈 것이다. ――――――――――――――――― 참고자료 • Oh, S., Jung, Y., Kim, S., Lee, I., & Kang, N. (2019). Deep generative design: Integration of topology optimization and generative models. Journal of Mechanical Design, 141(11), 111405. • D i n o , I . G . ( 2 0 1 6 ) . A n e v o l u t i o n a r y a p p r o a c h f o r 3 D architectural space layout design exploration. Automation in construction, 69, 131-150. • Lee, J., Cho, W., Kim, S., Sohn, D., & Lee, J. (2023). Conceptual design algorithm configuration using generative design techniques. KIEAE Journal, 23(1), 5-12. 미래스마트건설연구본부 게시일2023-12-18 조회수 2252
• 비접촉식 관입량 측정 장치를 활용한 스마트 말뚝 시공관리 기술 개발 비접촉식 관입량 측정 장치를 활용한 스마트 말뚝 시공관리 기술 개발 ▲ 서승환 KICT 지반연구본부 수석연구원 들어가며 국내에서 PHC 말뚝(Prestressed High-strength Concrete pile)과 같은 기성말뚝은 기술 발전으로 초고강도 및 복합 말뚝 등의 형태로 발전하였고, 그 활용도는 날로 증가하고 있다. 반면에 말뚝의 시공관리에 있어서는 동재하시험이나 정재하시험의 횟수 등 제한된 관리 규정만 있으며, 전체 말뚝에 대한 시공관리 방법은 명확하게 규정되어 있지 않다. 국내 대부분의 기성말뚝 시공현장에서는 전체 물량의 1%에서 최대 3%의 말뚝에 대해 동재하시험을 수행하여 지지력을 확인한 후, 말뚝의 최종 관입량(Set value)을 측정하여 관리 기준값으로 설정한다. 이후 나머지 97～99%에 해당하는 말뚝은 시공 직후 최종 관입량을 측정하여 관리 기준값과 비교 후 적정성을 판단하고 있다. 최근에는 도심지 내 공사가 늘어나면서 소음, 진동 문제로 인해 항타말뚝 대신 매입말뚝의 적용이 증가하고 있다. 국내 매입말뚝 시공방법은 선 굴착 후 최종 항타공법이 대부분으로 실제 매입말뚝 시공관리 또한 드롭해머를 이용한 최종 단계의 항타 관입량으로 관리하는 것이 일반적이다. 최종 항타 시 관입량 및 타수의 측정은 오래전부터 수기 측정방식에 의해 이루어지고 있다(Ha et al., 2003; Yun et al., 2005). 이러한 수기 측정에 의한 방법은 이상적인 환경에서의 측정이나 작업자가 작업 내용을 충분히 이해한 후 최대한 주의를 기울여서 실수를 최소화할 때 정확한 계측치로 볼 수 있다. 하지만 수기 측정 방법에 대한 표준화 및 기준이 없고, 수작업으로 인해 기록지 판독이 어려운 경우도 많다. 측정 신뢰도뿐만 아니라 작업자의 안전성에도 문제가 된다. 인력에 의한 관입량 측정 시 상부 오거(auger)에 붙어있는 굵은 점토와 자갈 덩어리 및 항타기 부속물 등의 낙하로 인해 큰 인명피해를 유발할 수 있다. 이에 항타 시공 시 항타 관입량의 측정 신뢰성과 측정 시 작업 안전성을 확보하기 위해 인력이 아닌 기계를 활용한 자동계측 방법이 요구되면서 이에 대한 다양한 연구가 수행되어 왔다. 이 글에서는 비접촉식 관입량 측정기술 개발 현황을 살펴보고이러한 비접촉식 관입량 측정 장치를 활용하여 항타공식의 신뢰성 향상 방법에 대해 소개한다. 비접촉식 관입량 측정기술 개발 현황 오래전부터 항타말뚝에서 인력에 의해 관입량을 측정하는 문제점들에 대한 논의가 시작되었고, LVDT(Linear Variable Differential Transformer) 이용, 연속적인 관입량을 측정하는 방법, 광학식 변위계나 레이저 센서, 레이저 스캐너 등을 이용하는 방법들이 소개되었다. 하지만, 이 같은 방법들은 작업자의 안전성, 측정범위의 한계, 주변의 환경적인 요인에 의한 오차가 발생하는 등 많은 문제점을 안고 있다. 또한, 대부분의 방법이 현장에서 계측한 데이터를 실내로 이동, 해석을 진행해야 하는 번거로움이 있었다. 이를 개선하기 위하여 국내 산업계 및 연구소 등에서는 원거리에서 카메라를 이용한 비접촉식 실시간 항타 관입량 측정장치들을 개발하였다. 표 1은 대표적인 항타 관입량 측정 자동화 기술 특징을 나타낸 것이다. 2000년대 중반에는 말뚝에 특수 고안된 표식을 부착하고 디지털 라인스캔 카메라를 이용한 비접촉식 변위측정 장치인 항타품질 분석시스템이 개발되었다. 이후 2010년대 초반에 디지털 영상기법을 활용한 말뚝품질 관리 시스템에 관한 연구개발이 시작되었다. 개발된 두 영상장치 모두 인력에 의해 측정되는 관입량에 비해 우수한 정밀도와 정확도를 제공하였지만, 실제 현장 사용성 등의 한계로 활발한 적용으로 이어지지는 못하였다. 최근에는 매입말뚝 측량장비인 전자레벨기를 활용한 최종관입량 자동 측정시스템이 산업체로부터 개발되었다. 이 장치는 레벨측량 표식지를 드롭해머에 부착하고 일정 거리가 떨어진 위치에서 매 항타 직후 해머의 레벨을 측량하여 말뚝의 관입량을 산정하면 조종석 모니터에서 실시간으로 확인하는 방식이다. 리바운드양은 측정하지 못하지만, 최종 항타 시 관입량만 검토하는 현재 말뚝 시공관리 방법에서는 비교적 편리하게 현장에 적용할 수 있다. 한편, 말뚝의 관입량 자동 측정을 위해 일체형 드롭해머 장치가 개발되기도 하였다. 이 장치는 드롭해머 시스템 내부의 센서를 기준으로 하강된 램과 케이스의 변위량을 그래프로 나타내어 관입량을 측정하도록 되어 있다. 외부에 별도의 측정장비가 필요 없고, 시스템적으로 해머의 낙하고를 일정하게 유지할 수 있는 장점이 있다. 반면에, 램의 위치변화를 측정하기 때문에 말뚝 관입량은 측정할 수 있지만 리바운드양은 측정이 어렵다. 하지만 이러한 방법은 말뚝의 변위를 직접 측정하는 것이 아닌 해머와 케이싱의 변위를 측정하는 방법으로 관입량 이외의 말뚝 리바운드양을 정확하게 산정하기에는 근본적으로 한계가 있다. 국외에서 항타 관입량을 측정하는 기술로는 대표적으로 호주에서 개발한 PDM(Pile Driving Monitor)이 있다. PDM 장비는 말뚝에 반사테이프를 붙이고 일정 거리 이상 떨어진 위치에서 광학렌즈 장치를 이용해 항타에 의한 반사테이프의 움직임을 실시간으로 기록함으로써 말뚝의 관입량과 리바운드양을 측정할 수 있다. 이렇게 측정된 관입량과 리바운드양은 동재하 공식을 이용하면 매 항타 시 지지력을 추정할 수 있다. 이러한 장치를 활용하여 미국 오하이오주에서는 말뚝 설계 시 모든 말뚝을 PDM을 이용해 관리하면 저항계수를 크게 적용할 수 있도록 하였고, 호주 퀸즐랜드주에서는 말뚝의 시공관리에 있어서 일부 말뚝에는 동재하시험(PDA)을 수행하고 나머지 모든 말뚝에는 비접촉식 관입량 측정 장치를 이용해 관리하도록 설계 매뉴얼에 표기되어 있다. 비접촉식 관입량 측정 장치를 활용한 항타공식의 신뢰성 향상 방법 항타공식(driving formula)은 말뚝의 항타 시공 시 해머로부터 말뚝에 전달되는 항타에너지와 항타에 의해 말뚝이 지반에 관입되는 관입량 사이의 관계로부터 말뚝의 동적지지력을 추정하는 방법이다. 항타공식으로 지지력 산정 시 반드시 들어가야 하는 요소가 관입량(s)과 리바운드양(c)이다. 그러나 현재 국내 대부분 현장에서는 최종 관입량을 인력으로 측정하거나 측정 정확도 및 신뢰도가 낮은 방법을 통해 측정하여 정확한 관입량 측정이 어렵고, 특히 리바운드양은 측정이 불가능한 경우가 많다. 인력으로 측정 시에는 드롭해머를 사용하는 매입말뚝의 경우 관입량 측정값의 정확도가 떨어지고, 리바운드양을 측정함에 있어서는 그 정확도가 현저히 저하된다. 최근 국내에서 개발된 관입량 자동측정장비들은 말뚝의 관입량 측정에만 초점을 맞추어 리바운드양 측정이 불가능하거나 신뢰성에 문제가 있을 수 있다. 따라서, 정확한 리바운드양을 측정하기 위해서는 항타 시 말뚝 자체의 움직임을 광학렌즈 또는 고속카메라 등을 활용하여 산정한 리바운드양을 적용할 경우 신뢰도가 높아진다. 최근 한국건설기술연구원에서 개발한 KPM(KICT Pile driving Monitor) 장비는 매 항타 시 정확한 관입량 및 리바운드양 측정이 가능하여 항타공식에 적용 시 추정 지지력의 신뢰도를 향상시킬 수 있다. KPM 장치에서는 말뚝의 움직임과 관련하여 관입량(Set), 리바운드양, 그리고 관입량과 리바운드양의 합인 DMX 값을 제공한다. 동재하시험으로부터 얻은 지지력과 항타공식으로부터 얻은 지지력은 근본적으로 차이가 발생하며, 이 차이는 말뚝의 관입량에 따른 함수를 통해 확인할 수 있다. 따라서, 시공 시 동재하시험으로부터 얻은 지지력과 항타공식으로부터 얻은 지지력과의 관계를 확인하여 항타공식에 보정을 해주면 항타공식으로부터 말뚝의 지지력을 산정하는 데 신뢰도를 향상시킬 수 있다. KPM 장비에서는 이와 같은 관계를 동적감쇠계수(dynamic reduction factor, χ)로 표현하였다. 이 계수는 테스트 시 전체 저항에서 정적 성분을 추정하기 위해 동적지지력 공식에 적용할 수 있으며, 동재하시험을 통해 시험 말뚝의 CAPWAP(Case Pile Wave Analysis Program) 정적 저항과 Hiley 공식으로 산정한 저항 추정지를 나누어 표현한다(Seo et al., 2022). KPM의 큰 장점은 매 항타 시 실시간으로 정확한 관입량과 리바운드양의 정량적 측정이 가능하고, 보정계수를 통한 동적항타 공식의 신뢰도를 높일 수 있다. 초기 프로그램 세팅에서 EMX 값과 보정계수 값을 입력하면 매 항타 시 측정되는 관입량과 리바운드양을 이용하여 항타 당 지지력평가가 자동으로 이루어질 수 있다. 이때 지지력 식에 DMX와 보정계수를 도입하면 최종적으로 다음과 같은 변형된 항타공식(Modified Hiley Equation) 식(1)과 같이 나타낼 수 있다. 그림 1은 현장 실험을 통해 시험 말뚝에 대한 보정계수를 통해 변형된 항타공식을 적용한 경우의 결과를 나타낸다. 보다 상세한 도출 과정은 Seo et al.(2022)에 기술되어 있다. 맺음말 한국건설기술연구원에서는 비접촉식 말뚝 관입량 측정 장치 개발 및 이를 활용한 동적항타공식의 신뢰성 향상을 위한 연구를 수행하고 있다. 비접촉 방식의 관입량 측정 장치는 작업자의 안전 확보 및 측정 신뢰도 향상을 위해 반드시 도입이 필요하며, 특히 관입량과 리바운드양을 모두 측정하는 것이 장치의 활용도를 높일 방법으로 판단된다. 이를 위해서는 항타 패턴이 정확히 분석될 수 있도록 높은 샘플링과 진동 영향을 최소화하기 위한 조치가 필요하다. 지금까지 항타공식으로 말뚝의 지지력을 산정하는 방법은 그 신뢰도가 낮은 것으로 인식되어 왔으며, 안전율을 일반적인 말뚝 설계 시의 안전율보다 2배 이상인 6.0으로 사용하는 등의 문제로 실무에 적용되지 않고 있다. 그러나 앞에서 소개한 바와 같이 항타 시 말뚝에 전달되는 해머에너지를 정확히 산정하고, 말뚝의 관입량과 리바운드양을 정확히 측정하고, 동재하시험으로부터 얻은 신뢰도가 높은 지지력과 비교를 통한 적절한 보정 방법을 적용하면, 항타공식으로 산정하는 지지력 값의 정확도가 상당히 개선될 수 있을 것으로 기대된다. ――――――――――――――――― 참고자료 • H a , I . S . , H a n, S . S . , H a n, S .G . , a n d K i m, M.M ( 2 0 0 3) , Measurement of pile rebound and penetration using laser sensor, Proceeding of Korean Society of Civil Engineering,pp. 3257-3262. • Yun, H.S., Seok, J.W., Hwang, D.J., and Kim, M.M. (2005), Quality control of driven piles using DPRMs, Proceeding of Korean Society of Civil Engineering, pp. 3945-3948. • Seo, S., Kim, J., Choi, C., and Chung, M. (2022), A study on non-contact penetration and rebound measurement device for quality control in driven piles, J. of the Korean Geotechnical Society, Vol. 38, No.11, pp.97-106. 지반연구본부 게시일2023-11-27 조회수 1873
• 노후건축물 디지털 안전정보(구조·화재) 구축 및 관리시스템 개발 노후건축물 디지털 안전정보(구조·화재) 구축 및 관리시스템 개발 ▲ 김태형 KICT 건축연구본부 수석연구원 들어가며 건축물의 노후화가 급격히 증가하는 추세로 30년 이상 경과한 노후건축물은 전체 동수의 1/3 이상을 차지한다. 정부는 건축물 안전사고 예방 및 효율적 관리를 위하여 지난 2020년 5월 「건축물관리법」을 시행하였으나, 현재 개별 건물단위 인력 중심으로 조사·점검 등이 실시되고 있다. 또한, 신축 건축물에 대한 구조·화재 기준은 지속적으로 강화되어 선진국 수준을 확보하고 있으나, 기존 건축물 유지관리는 지자체에서 실효적 정책시행을 위한 제도적·기술적 기반이 부족하다. 이에 기존의 막대한 인력·예산·기간이 소요되는 현장 중심의 건축물 조사·점검 체계를 원격·무인화하고, 취약건축물의 선별 및 체계적인 안전관리를 통해 사전 예측·예방 관리체계로 전환이 필요한 시점이다. 하지만, 안전 사각지대에 놓인 기존 중·소규모 건축물은 대부분이 최소 정보인 도면 등 기초 안전정보가 없고, 점검 비용이 많이 들어 현실적으로 자체 점검은 어려운 실정이다. 또한, 자동화된 정보 취득 및 점검 기술은 항공·기계 등 고부가가치 산업 위주로 발전되었으며, 건설 분야는 SOC시설물을 중심으로 개발되고 있으나 중·소규모 민간 건축물에 적용할 수 있는 저비용 기술은 현저히 부족한 상황이다. 따라서 이와 같은 문제를 해결하기 위한 방안으로 ① 기존 도면의 방대한 비정형 데이터로부터 건축물 안전정보를 신속하게 선별 인식·추출 및 디지털 변환할 수 있는 건축물 안전정보 디지털화 기술, ② 드론·영상장치 등을 이용한 현장 원격·자동화 정보조사 및 점검하는 건축물 현장조사 점검기술, ③ 지자체 연계 광역 단위 디지털 안전정보 구축, 통합관리 서비스 기술 등의 개발이 필요하다. 노후건축물의 디지털 안전관리 요소기술을 제안한 내용은 그림 1과 같다. 이 글에서는 국토교통부 국가 R&D로 추진 중인 ‘광역 단위 노후건축물 디지털 안전워치 기술 개발(’22. 4.~’25. 12.)’ 연구내용을 소개하고자 한다. 디지털 안전관리 시스템 개발 방향 본 연구의 목표는 디지털 기술 활용을 통한 인력 기반 안전관리 대비 건축물 1개동 현장조사·점검시간 50% 단축 실현이다. 대상 건축물은 현행 건축물관리법에서 제외된 임의관리 대상 중 안전사고 위험성 및 시급성이 높은 30년 이상 다중이용 노후건축물로 하였다. 1) 안전정보 디지털화 기술 안전정보 디지털화 기술은 무인기, 이미지 스캔 등을 이용하여 기존 노후건축물 안전정보1의 신속조사 및 구조·화재 위험도 평가에 활용 가능한 디지털 정보모델을 구축하는 기술이다. 세부 요소기술로는 건축물 안전정보 표준 데이터 모델 구축, 2D 도면 안전정보 추출 및 BIM(Building Information Modeling) 디지털화 모듈 개발, 도면 미보유 건축물 안전정보 선별 등이다. 2) 신속 현장 조사·점검 기술 신속 현장 조사·점검 기술은 무인이동체 활용을 통해 노후건축물의 영상취득 및 결함을 탐지하여 구조·화재 관련 안전을 원격 점검하는 기술이다. 세부 요소기술로는 건축물 외부 형상 정보 자동 생성 및 안전점검 기술, 건축물 실내·외 공간 정보 자동생성 및 안전점검 기술, 원격·자동화 안전점검 기술 등이다. 3) 광역 단위 디지털 안전관리 기술 BIM-GIS 기반 광역 단위 건축물 디지털 안전관리 체계를 마련하고, 디지털 안전정보와 점검결과 등 안전관리 시스템 구축 관련 서비스를 제공하는 기술이다. 세부 요소기술로는 디지털 안전정보 통합관리 서비스 구축, 광역 단위 건축물 디지털 안전관리 기술 실증, 노후건축물 안전관리 활용 확대 제도·정책 제안 등이다. 기대효과 및 맺음말 향후 기술개발을 통해 국제 표준 기반(IFC, Industry Foundation Classes)의 기존 건축물 안전관리 업무에 활용 가능한 표준데이터 모델 확보 및 인공지능 기반 설계도서 내 안전정보 추출 등이 가능할 것이다. 또한, 도면 미보유 노후건축물 대상의 현장 정보 구축 및 실내·외 무인 안전점검 기술을 확보하는데 밑거름이 될 것으로 예상된다. 본 기술의 고도화를 통해 안정적으로 적용된다면 기존의 막대한 시간과 비용이 소요되는 인력기반의 노후건축물 관리체계를 자동화함으로써 인력·시간·비용을 획기적으로 절감할 수 있을 것이다. 또한, 궁극적으로 광역단위 안전관리 체계 구축을 통하여 노후 취약 건축물의 안전 위험을 사전에 발견하고 사고를 예방하여 안전사고 예방뿐만 아니라 안전에 대한 사회적 불암감을 해소할 수 있을 것으로 기대한다. ――――――――――――――――― 1 . 공간정보(형상, 치수 등), 건축정보 ――――――――――――――――― 참고자료 • 국토교통부, ‘건축물관리법’, 2020 건축연구본부 게시일2023-11-27 조회수 2171

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