KICT 한국건설기술연구원

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• 스마트 모듈러 중층한옥의 개발 스마트 모듈러 중층한옥의 개발 ▲ 임석호 국민생활연구본부 선임연구 스마트 모듈러 한옥의 개념 스마트 모듈러 중층한옥이란 우리 전통 한옥의 한 칸을 입방체 모양의 모듈로 선제작하고 현장에서는 이들을 레고블록과 같이 상호 조립하여 결과적으로 성능이 우수하고 신속하게 완성되는 복층한옥을 말한다. 즉 우리의 전통한옥에 현대적인 모듈러 공법을 접목시킨 탈현장 공법(Off Site Construction)이다. 전통 한옥이 갖고 있는 불편한 거주환경 등을 개선하고 성능이 우수하면서 경제성도 갖춘 한옥이 개발되었다. 한국건설기술연구원에서는 2021년 강재와 목재의 융복합기술과 구조용 집성재(GLT)를 활용하여 설계·시공기술의 고도화 및 프리패브 비율 80% 이상의 스마트 모듈러 중층한옥을 선보이게 되었다. 우리의 전통한옥은 현장 시공기술을 근간으로 하기에 매우 비싸고 단열 및 차음 등 주택성능에 문제를 안고 있다. 이를 해결하기 위하여 2017년 6층 공동주택 실증화 사업을 성공적으로 마친 한국건설기술연구원의 모듈기술을 활용하여 한옥에도 아파트에 상응하는 주택성능 및 경제성과 시공성을 확보할 수 있었다. 연구과정에서 양중과 적층까지 고려한 접합기술을 개발하고, 단층으로 이루어진 기존의 한옥 모듈을 2층 이상의 중층화로 구현하는 동시에 중층한옥의 주요의장요소인 동시에 구조재로서 계획된 발코니를 계자난간의 형태로서 구조적 안전성을 향샹시킬 수 있는 스마트 기술을 개발하였다. 결과적으로 공기단축은 1/2 이상을 구현하고 기존의 평당 1200만 원대의 한옥을 중층화의 효과 등을 통하여 30% 이상 절감시킬 수 있는 기술적·경제적 향상의 교두보를 확보하였다. 모듈러 한옥의 특징으로서 재사용 및 재활용, 이동성을 검증하기 위하여 해체 후 바로 재조립을 일차적으로 실시한 후, 이에 대한 일련의 성능평가를 실시하는 일련의 과정을 통하여 스마트 중층한옥의 시공성과 기술성 실증을 수행하였다. 본 기술은 그림 1과 같이 과거 한옥 연구단과 모듈러 공동주택실증연구단을 기반으로 발전시켰다. 본 연구는 2019년부터 2년간 한국건설기술연구원의 중소기업지원과제의 결과로서 수행되었다. 스마트 모듈러 중층 한옥의 주요 기술 가. 구조용 집성재(GLT)를 활용한 목조모듈러 주택개발 중층 모듈러 한옥을 위해서는 구조적 안전성이 검증된 구조용 집성재를 사용하여야 한다. 이를 위해 융복합 접합부 디테일을 개발하고, 개발 접합부는 수평, 수직으로의 접합과 양중을 위한 양중고리도 장착하였다. 스마트 모듈과 성능개선을 위해서는 외벽체에 신소재를 활용하여 에너지를 획기적으로 절감하는 패시브화를 도모하여야 한다. 특히 구조용 집성재는 현재 우리나라가 간벌기로 많은 수요를 창출하여야 하는 상황에서 대형 원목보다는 그 보다 작은 목재를 겹쳐 활용할 수 있는 집성목 개발이 필요하다. 그림 2와 같이 목조모듈 상호 접합부의 경우, 강재 철물을 사용하여 중층화를 구현한 것으로 건축 후에는 외장마감재로 처리되어 기존전통한옥의 모습을 잃지 않도록 하였다. 연구과정에서 실제 이러한 목조모듈을 제작한 후, 양중테스트를 통하여 구조적 안전성을 검토 하였다(그림 3). 나. 모듈러 한옥의 표준화 기술 중층 모듈러 한옥의 경제성을 확보하기 위해서는 무엇보다도 모듈의 표준화와 규격화가 반드시 선행되어야 한다. 이를 위해 그림4와 같이 MC설계를 활용하여 모듈의 규격화와 모듈에 적용되는 주요 주택자재 및 부품의 우선치수를 유지하도록 하여 대량생산을 통한 규모의 경제를 구현하고자 하였다. 다. 모듈러 한옥의 조립 및 시공기술 표 1은 앞서 설명한 기술을 실증화하기 위하여 경기도 양평의 모듈러 한옥 조립 및 시공과정을 보여준다. 모듈은 3m×6m 정규격 3개와 half 모듈 1개로 건축되어 총 3.5개의 모듈로 구성되었고 총 연면적 28평 규모의 2층 모듈러 한옥으로 지어졌다. 조립시간은 3일 정도가 소요되었으며, 이후 관련 기밀성능 및 차음성능 등 일련의 거주성능시험이 시행되었다. 또한 스마트 한옥이라는 제목에서 보여주듯이 BIPV를 외벽면에 부착한 후, 이로부터 자체 생산된 태양에너지를 활용하여 이를 한옥 내부의 조명에너지 등에 사용함으로써 친환경 한옥으로서의 모습도 갖추고 있다. 특히 스마트 한옥을 구현하기 위하여 고단열 대형 외장마감일체형 패널을 사용하여 접합부를 최소화하였고 이로부터 기밀성능과 차음성능 및 단열성능 등을 향상시키고자 하였다. 이를 일련의 검증 및 성능평가과정을 거침으로서 기존 전통 한옥의 부족한 거주성능을 획기적으로 개선 할 수 있는 토대를 마련하였다. 맺음말 우리가 기차를 타고 여행을 가거나 인근의 나지막한 산이라도 올라가 보면 눈앞에는 과거 새마을 운동의 연장선상에서 맥을 이어 어느덧 우리나라 특유의 전경으로 익숙해져 있다. 이제 우리도 10대 경제대국에 올라선 현시점에서 국격에 상응하는 주거의 품격과 정체성을 고민해야 할 시점이라 생각된다. 유럽의 스위스 등을 여행하게 되면 아름다운 자연과 완전히 어우러진 주택의 모습에 경탄과 함께 한없는 부러움에 빠져들게 된다. 해당국의 정부는 오래전부터 탁월한 혜안을 갖고 국가적 차원에서 체계적인 경관관리와 주택유지를 위하여 적지 않은 예산을 투자하였을 것이다. 우리도 이에 못지않은 자연과 우리의 자연지형에 가장 잘 어울리는 한옥을 보유하고 있음에도 국적 미상의 아파트와 저급한 연립주택 그리고 조악한 개별 주택으로 뒤덮인 지금 우리의 국토와 자연을 정비하고 되살릴 수 있는 국가적 전환기를 마련해야 하지 않을까? 본 연구는 이러한 배경에서 시작되었다. 우리 전통주거 한옥은 높은 가격과 공기지연 그리고 열악한 거주환경 등으로 오랫동안 외면 받아왔다. 이제 현대 건축기술을 접목한 전통 한옥의 대중화가 시도되어야 한다. 우리 국민 누구나 누릴 수 있는 전통 한옥의 모습을 꿈꾸어 본다. 과거 산발적으로 시도되었으나 번번히 과거의 전통한옥에 대한 지나친 아집과 독선 그리고 경제성 부족이라는 장애물 앞에 좌절되었던 것이 부인할 수 없는 현실이다. 이에 한옥 공동주택과 공공건축물 그리고 각종 문화 및 관광 부대시설 등 다양한 한옥 건축물에 과감한 현대 공법과 기술을 접목시킨 우리 K-한옥의 비상을 기대한다. 건축연구본부 게시일2021-07-21 조회수 37
• 사업용 차량 정보 기반도로 위험정보 공유 시스템 개발 현황 사업용 차량 정보 기반도로 위험정보 공유 시스템 개발 현황 ▲ 양충헌 인프라안전연구본부 연구위원 들어가며 교통수단의 다변화에 따른 다양한 교통정보 서비스에 대한 요구가 증가하고 있다. 이는 커넥티드 차량에 대한 국가 차원의 시범사업 결과가 이러한 사실을 말해주고 있다. 지난 2012년 미래창조과학부(현 과학기술정보통신부)에서 수행한 교통정보 관련 설문조사 결과에 따르면, 일반 운전자가 필요하다고 생각하는 정보는 ‘노면상태’와 ‘악천후 시 도로 기상정보’가 각각 92.8%, 95%로 조사된 바 있다. 이러한 정보를 공공과 민간이 각각 개별적으로 수집·처리·제공하기 위해서는 많은 시간과 비용이 필요하며, 정보 신뢰성과 정확도 측면에서의 표준 가이드라인도 마련되어야 한다. 따라서 2017년 이후에 기존 공공 중심의 정보 수집 인프라 투자에서 민·관이 서로 정보를 공유하고 협력할 수 있는 방안을 모색하였다. 그 결과로 민간은 교통정보에, 공공은 도로 안전정보에 각각 초점을 맞추어 정확한 정보를 생산하고 서로 필요한 부분을 적극적으로 공유하는 정책으로 전환되고 있다. 도로 안전정보는 사업용 차량에 장착된 디지털 운행기록계와 소형 카메라를 통해 실시간으로 수집한다. 수집한 정보는 정보 공유 시스템에서 도로 속성정보와 융·복합되어 도로 구간별 위험 정도를 계량화한다. 국내·외 공유 시스템 개발 현황 최근 4차 산업혁명에 따라 보다 혁신적인 공공서비스 모델에 대한 검토가 활발히 이루어지고 있다. 필요한 정보자원은 인프라, 데이터, 서비스 등으로 구분하여 정의된다. 초기 공공 서비스 모델은 정부에서 먼저 인프라와 서비스를 구축하고 서비스 제공 기반에서 데이터를 제공하는 형태였다. 이후에 민간에서도 자체 인프라 및 서비스를 구축하고 데이터를 제공하기 시작했다. 그러나 공공과 민간이 서로 필요한 데이터를 공유하는 것이 가장 이상적인 것으로 간주된다. 국내의 정보화는 1978년 초기 전산화 개념에서 출발하여 2000년대 전자정부 사업에 이르기까지 급속도로 진행되어 왔으며, 국가정보화를 위한 여러 구상들이 중앙정부 차원에서 계획·실행되었다. 특히, 국토교통부에서는 국토 공간정보 융·복합 강화와 IT를 활용한 건축, 부동산 민원서비스 강화를 위해 건축행정시스템·부동산종합 공부시스템·지리정보시스템·공간빅데이터체계·도시계획정보체계·건설 CALS/건설산업정보시스템·하천종합정보시스템을 구축·운영하고 있다. 해외는 국내보다 공공과 민간의 정보 공유가 훨씬 활발한 특성이 있으며, 비실시간성 정보보다는 실시간 정보 제공에 초점을 맞추고 있다. 유럽과 북미 선진국에서는 2010년대 중반부터 공공과 민간의 정보 공유를 위한 연구개발 및 민·관 협의가 많이 진행되고 있다. 유럽 ITS협의체(민관협동)에서 추진한 트랜스포테이션 매니지먼트(Transportation Management; TM) 2.0 플랫폼을 통해 기존에 공공과 민간이 각자 개별적으로 보유하던 교통 데이터를 공유할 수 있도록 하였다. 실제 상용화까지는 총 34개의 민간 기업과 정부기관이 참여한 것으로 총 3년 정도 소요되었다. 이를 통해 공공의 교통관제센터와 민간 정보서비스 업체는 상호 보완적인 관계가 될 수 있었다. 또한, 미국의 웨이즈 데이터 쉐어링은 클라우드 기반의 시스템으로 애플리케이션을 통해 도로 관리기관과 프로브 차량 데이터를 실시간으로 공유하도록 구성되어 있다. 국내·외 연구동향을 살펴본 결과, 공공과 민간 또는 민간과 민간이 서로 보유한 정보 소스를 공유함으로써 새로운 시장을 개척하거나, 공공성이 높은 정보 서비스를 제공하는 것이 현재의 추세임을 확인하였다. 맞춤형 도로 위험정보 제공 알고리즘 사업용 차량에서 수집한 정보를 기반으로 도로 구간의 위험 정도를 최종 사용자가 쉽게 이해하고 활용할 수 있도록 계량화할 수 있는 알고리즘을 개발하였다. 따라서 국가 표준 노드링크체계를 기반으로 해당 도로 구간에 대한 위험정보 제공이 가능하다. 도로 위험 알고리즘은 총 4가지 형태의 알고리즘으로 구성된다. 우선, 도로 위험(도로 파손)정보 제공 알고리즘(Road Hazard Algorithm-Pothole)은 사업용 차량에서 수집한 파손 정보와 해당 구간의 평균 통행속도 정보를 기반으로 한다. 이는 도로 파손으로 인한 도로 구간별 상대적 위험도를 나타낸다. Xtfd는 t시간 동안 사업용 차량이 도로 파손을 감지한 비율, CVpass는 t시간 동안 특정구간을 통과한 총 사업용 차량 대수, CVpotholedetection는 t시간 동안 특정구간을 통과한 사업용 차량 대수 중 도로파손을 감지한 차량 대수를 나타낸다. 도로위험(안개)정보 제공 알고리즘(Road Hazard Algorithm-Fog)은 사업용 차량에서 검지한 안개 정보와 해당 구간의 평균 통행속도 정보를 기반으로 안개로 인한 도로구간별 상대적 위험도를 나타낸다. Xtfd는 t시간 동안 사업용 차량이 안개를 감지한 비율, CVpass는 t시간동안 특정구간을 통과한 총 사업용 차량 대수, CVfogdetect는 t시간 동안 특정구간을 통과한 사업용 차량 대수 중 안개를 감지한 차량 대수를 나타낸다. 도로위험(결빙)정보 제공 알고리즘(Road Hazard Algorithm-Road Freezing)은 사업용 차량에서 검지한 결빙 정보와 해당 구간의 평균 통행속도, 도로 기하구조 특성, 교량 통과여부, 기상청 정보를 기반으로 결빙으로 인한 도로 구간별 상대적 위험도를 나타낸다. λ trfd는 t시간 동안 사업용 차량이 결빙을 감지한 비율, CVpass는 t시간동안 특정구간을 통과한 총 사업용 차량 대수, CVr fdetect는 t시간 동안 특정구간을 통과한 사업용 차량 대수 중 결빙을 감지한 차량 대수,c는 t시간 동안 결빙을 교량에서 감지한 사업용 차량의 비율, λbd는 t시간 동안 결빙을 구배 구간에서 감지한 사업용 차량의 비율, Ww는 t시간 동안 기상청 제공 현재 날씨(또는 예보)중 강수 확률을 고려한 가중치를 나타낸다. 도로 위험(안개 및 결빙)정보 제공 알고리즘(Road Hazard Algorithm-Road Freezing & Fog)은 사업용 차량에서 동시에 검지한 결빙 및 안개 정보와 해당 구간(링크)의 평균 통행속도, 도로 기하구조 특성, 교량 통과 여부, 기상청 정보를 기반으로 결빙 및 안개로 인한 도로 구간별 상대적 위험도를 나타낸다. λt ffd는 t시간 동안 사업용 차량이 안개와 결빙을 동시에 감지한 비율, CVpass는 t시간 동안 특정 구간을 통과한 총 사업용 차량 대수, CVr fdetect : t시간 동안 특정 구간을 통과한 사업용 차량 대수 중 안개와 결빙을 동시에 감지한 차량 대수, λbd는 t시간 동안 결빙을 교량에서 감지한 사업용 차량의 비율, λgd는 t시간 동안 결빙을 구배 구간에서 감지한 사업용 차량의 비율, Ww는 t시간 동안 기상청 제공 현재 날씨(또는 예보) 중 강수 확률을 고려한 가중치를 나타낸다. 위 (1)-(4)식에서 실시간 구간 평균 통행속도와 기상청 예보 정보를 활용하는 경우, 결빙 위험 정도는 실시간성을 가진다고 판단할 수 있으며, 과거 정보를 활용하는 경우, 비실시간성을 가진다고 판단한다. 알고리즘에 사용되는 구간 평균 통행속도는 비실시간인 경우 교통량 정보시스템 DB로부터 해당 구간의 과거 속도 이력 정보를 활용하고, 실시간인 경우 국토교통부의 국가교통정보센터에 연계되는 구간 평균속도 정보를 활용한다. 사업용 차량 정보 기반 도로 위험정보 공유 시스템 개발 현황 사업용 차량의 DTG 및 블랙박스 영상에서 추출한 자료를 가공·처리한 도로 위험정보(도로파손, 결빙, 안개)와 도로 속성자료를 융합한 새로운 정보 콘텐츠를 공공과 민간에 공유하기 위한 정보 공유시스템을 그림 1과 같은 개념으로 구축하였다. 정보공유시스템은 사업용 차량에서 수집·가공 처리된 도로 위험자료를 도로 속성자료와 혼합하여 운전자는 물론 도로관리자의 필요에 맞게 정량화하고 그림 2와 같이 다양한 형태(예 : text, index, visualization)로 제공할 수 있도록 구성되어 있다. 정보 공유 방식은 위치정보(GIS 기반 표출 포함) 오픈 API를 기반으로 하는데, 이는 대부분의 정보공유콘텐츠가 위치정보임을 고려한 것이다. 최종 공유 방식은 국토교통부 공공 포털 오픈 API 형태를 준용하였다. 이러한 방식은 현재 여러 민간 정보서비스 업체도 적용하고 있다. 도로 속성자료는 도로관리통합시스템(Highway Management System)에 DB화되어 있는 자료를 활용하였다. 이 시스템은 국토교통부에서 운영하고 있는데, 일반국도 유지관리 업무 절차의 체계적인 관리와 업무를 데이터 기반으로 분석·관리하여 궁극적으로 효율적인 도로관리 운영 업무를 수행하기 위한 것으로 다양한 도로 속성자료를 포함하고 있다. 정보 활용 측면에서는 노선 정보·도로대장 정보·교량 정보·터널 정보·포장 정보·교통량 정보 등이 있다. 맺는말 사업용 차량 도로 위험정보 공유시스템은 도로구간에 따른 도로 위험정보를 제공할 수 있기 때문에 도로 이용자 및 도로 관리자에게 실질적인 도움이 될 수 있다. 시스템에 내재된 알고리즘 성능 평가를 위해 실제 테스트베드에서 수집된 정보를 기반으로 검증을 수행하였다. 산출된 도로 위험정도 지표는 현장검증과 담당 관리자의 협의를 통해 검증하였다. 본 연구를 통해 도출되는 도로 위험정보는 단계적으로 민간 교통정보 시스템과의 연계 및 공유를 통해 도로 이용자에게 추가로 정보 제공이 가능하다. 이를 통해 노면결빙, 도로파손, 안개 등으로 인한 교통사고를 예방하는 효과가 있을 것으로 기대된다. 도로 안전에 있어서 긍정적인 편익을 제공할 수 있고, 향후 자율주행 및 C-ITS의 상용화 시에도 매우 중요한 정보를 제공하는 소스로 사용될 수 있을 것이다. 도로교통연구본부 게시일2021-07-21 조회수 28
• 위성강우를 이용한 북한 홍수분석(2020년 8월 홍수사례) 위성강우를 이용한 북한 홍수분석(2020년 8월 홍수사례) ▲ 김주훈 국토보전연구본부 연구위원 / 최윤석 국토보전연구본부 수석연구원 위성강수 수자원 및 대기과학 분야에서 원격탐사 기술은 지구 강수를 관찰하는 데 많은 도움을 주는 기술로 인식되고 있다. 위성자료를 이용한 강수 추정은 지상관측소 및 기상레이더와 비교하여 광역적 공간범위를 대상으로 하며, 지속적이고 균일한 강수를 생산한다는 장점을 갖고 있다(Hong et al., 2016). 위성을 이용한 강수추정은 1960년 4월, 최초로 기상영상을 제공하기 위해 TIROS-1(Television Infra Red Observation Satellite)위성이 발사되면서 시작되었다. 1979년에 Arkin에 의해 적외선(IR) 자료를 이용한 강수추정 방법이 제시되었고, 1987년 다중 채널의 수동 마이크로파 복사계인 SSM/I(Special SensorMicrowave/Imager)를 탑재한 DMSP(Defense Meteorological Satellite Program) 위성의 발사로 강수추정에 대한 연구가 활발하게 이루어지게 되었다. 이후 전지구 강수량 추정의 중요성이 부각되면서 1990년대에 미국 NASA는 Missionto Planet Earth Program에 의해 우주공간으로부터 강수량을 측정하는 연구가 본격적으로 시작되었다. 실질적인 위성강수 자료 생산은 1997년 미국 NASA와 일본 JAXA(Japanese Aerospace eXploration Agency) 공동으로 열대지역과 아열대지역(35°N-35°S)의 강우를 추정하기 위해 TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission) 위성이 발사되었으며, 본격적으로 강우와 관련된 수문학적 지식을 획득하기 시작하였다. 1997년 TRMM 위성이 발사된 이래로 TMPA(Multi-satellite Precipitation Analysis), 미국 NOAA의 기후예측 센터의 CMORPH(NOAA CPC Morphing), 일본 JAXA의 GSMaP(Global Satellite Mapping of Precipitation) 등 다수의 다중위성강수가 생산되고 있다(김주훈 등, 2015). 2014년 GPM Core 위성은 TRMM 위성을 대체하기 위한 것으로 GPM 미션으로 생산되는 IMERG 위성강수는 시·공간 해상도가 크게 향상되어 60N-60S의 공간적 범위에 대하여 시간해상도 30분, 공간해상도 0.1도의 위성강수 자료를 생산하고 있다. 이러한 위성강수 자료는 일반적으로 전 세계 강수량에 대한 지식과 글로벌 생태-수문학적 모델의 개발을 촉진하고 있으며, 광역적 혹은 지역적 홍수를 분석하기 위한 수문학적 연구에 다양하게 적용되고 있다(Hong et al., 2019). 특히, 동아시아, 동남아시아, 아프리카 등지에는 수문학적 미계측 지역이 많기 때문에 위성강수 자료를 이용한 강수량 평가에 대한 연구가 다수 진행되고 있다. IMERG, GSMaP 등의 위성강수자료는 그림 1과 같은 GPM 위성군의 정보를 결합하여 지구 표면 대부분의 강수량을 추정한다. 그림 2와 같이 전지구 규모의 강수량 자료를 생산하고 있으며, 미국 NASA에서는 IMERG(30분 시간해상도와 0.1deg. 공간해상도), 일본 JAXA에서는 GSMaP(1시간 시간해상도와 0.1deg. 공간해상도) 위성강수자료를 생산하고 있다. 위성강우 활용 북한 홍수 분석 북한에 대한 수문기상학적 정보는 북한의 언론보도와 WMO를 통해 북한 27개 관측소의 6시간 간격의 강우량 정보를 획득할 수 있다. 그러나 필자가 기상청 기상자료개방포털 사이트의 자료검색에서 2020년 7월 28일 03시부터 8월 7일 09시까지 북한 27개 관측소의 강우량 자료를 분석한 결과, 결측률이 42.8%로 북한에서 관측되는 강수 자료는 전체 시계열 자료 확보가 곤란하며, 자료의 신뢰성도 확신할 수 없는 단점이 있다. 2020년 6월 6일 방송된 MBC의 통일전망대 프로그램에서 탈북민 출연자가 언급한 “수령님도 속이는 기상예보사”와 기상청 대변인이 언급한 “날씨 예보는 충성심만으로는 안된다.”와 같이 북한의 기상예측 및 관측 기술은 남한의 90년대 수준으로 평가되고 있다. 이 글에서는 2020년 8월에 북한에 많은 피해를 입힌 호우에 대하여 위성으로부터 관측된 자료를 이용하여 북한 강우현황을 분석하고 강우-유출 모형을 이용하여 개략적인 홍수량을 추정한 결과를 제시함으로써 위성강수자료를 이용한 북한 지역의 강우 및 홍수특성 등을 추정하였다. 위성강우의 정확도 분석을 위해 북한과 인접한 연천군의 한강수계 3개 관측소(청양리, 오덕초교, 상리초교)와 GSMaP 위성강우의 총강우를 분석한 결과 상관계수가 0.996 정도로 위성강우의 정확도가 매우 높은 것으로 평가되었으나 지상계측강우보다 과소추정되고 있어 위성강우 보정계수 1.69를 고려하여 북한 지역의 강우량 분포를 그림 4와 같이 산정하였다. 홍수량 평가를 위한 분석도구는 한국건설기술연구원의 GRM 모형을 이용하였다. 북한 지역에서의 관측유량이 없기 때문에 모의 결과를 검증하기 어렵다. 그러므로 GRM 모형에서 제시하고 있는 기본매개변수를 이용하여 유출을 모의하고 별도의 관측 유량을 이용한 모형 보정은 수행하지 않았다. 이에 따라 이 글에서 제시하고 있는 모의유량은 실제 값이 아닌 추정치 임을 밝힌다. 유출모의 시 댐, 유역변경 등에 의한 영향은 고려하지 않았으며, 모든 유량이 자연유출되는 상황으로 모의하였다. 모의 영역(그림 4)은 북한 전역과 압록강 및 두만강 유역에 속해 있는 중국 및 러시아 지역을 일부 포함하였으며, 임진강과 북한강은 남한 지역이 일부 포함되었다. 유출모의에 적용된 강우 자료는 2020년 8월 1일 00시 00분~8월 16일 00시 00분의 기간에 대해서 보정된 위성강우를 적용하였으며, 강우자료의 시간 간격은 1시간이다 그림 5는 한탄강 철원군(한탄대교) 지점에 대해서 보정된 위성강우자료를 이용하여 모의된 유량과 관측 유량을 비교한 수문곡선이다. 한탄대교 지점의 유역 면적은 약 1,014㎢으로 유역의 약 50%가 북한지역에 속해 있으며, 상류 북한 지역에 유역 면적 약 50㎢ 정도의 저수지가 있다. 그림 5에서 한탄대교 지점의 모의된 유량은 관측수문곡선의 상승과 하강의 경향은 잘 반영하고 있지만 8월 5일 15시 경에 발생한 첨두홍수량은 관측값(4,785㎥/s)에 비해서 과대 추정(6,048㎥/s) 되었다. 이러한 모의결과는 유출모형을 보정하지 않고 모형의 기본값을 그대로 적용한 것과 북한 지역에 다수 분포하고 있는 댐과 유역 변경등의 영향을 반영하지 않은 것 등 복합적으로 작용한 것으로 판단되며, 이러한 사항들이 보완될 경우 북한 지역의 홍수량 추정값의 정확성을 향상시킬 수 있을 것이다. 위성강수자료는 강수의 지상 관측 자료가 없거나 지상관측에 대한 공간 및 시간적 범위가 열악한 지역의 지상관측 자료를 대체할 수 있으며, 공간 확대에 대한 통일된 정보를 제공해 주는 장점이 있다. 향후 본 연구를 통해 얻어진 결과를 반영하여 북한을 포함한 한반도 전체에 대한 강수량의 정확도를 평가하는 연구를 수행할 계획이다. 수자원하천연구본부 게시일2021-06-29 조회수 200
• 탄소는 줄이고 건강은 좋아지는 생태건축 탄소는 줄이고 건강은 좋아지는 생태건축 ▲ 김현수 국민생활연구본부 선임연구위원 / 이지영 국민생활연구본부 박사후연구원 Net Zero 시대 생태건축의 의미 소득 수준의 향상과 함께 시민들의 환경의식이 높아지면서 건강한 생활환경에 대한 관심도 나날이 증가하고 있다. 미세먼지, 라돈 문제에 이어 바이러스 감염으로 인한 팬데믹까지 발생하면서 환경과 건강에 대한 관심이 더욱 높아졌다. 자연 환경도 보호하고 사람의 건강도 지킬 수 있는 새로운 건축 대안의 모색이 필요한 상황이다. 이런 관점에서 생태건축은 좋은 대안이 될 수 있다. 생태건축은 인간과 건축 환경 그리고 생태계 사이의 연관 관계를 이해하고 균형을 유지하여, 살기 좋고 온전한 환경을 미래세대에 남겨주고자 하는 다양한 건축적 시도가 종합되어 탄생했다. 1980년을 전후로 독일 베를린의 건축가들이 인간과 건축 환경 및 생태계의 상호관계를 고려하는 여러 가지 건축 동향을 한 데 묶어 생태건축(Ökologisches Bauen)으로 정의하였다. 이후 2007년에 독일 지속가능한 건축협회(Deuche Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen)가 설립되면서 지속 가능한 건축(Nachhaltiges Bauen)이라는 용어로 보급이 더욱 확산되었다. 우리나라에서 생태건축은 친환경 건축, 녹색건축 등의 용어와 구분없이 혼용되고 있다. 제도권에서 일반적으로 사용하고 있는 녹색건축이 추구하는 바도 생태건축과 다르지 않다고 생각한다. 다만, 경제적, 사회적, 기술적 요인 등으로 인해 오늘날 우리나라 건축 시장에서 녹색건축으로 인정받은 건축물을 생태건축으로 분류하기에는 상당한 차이가 있다고 생각한다. 최근에 정부가 공공건축물의 ZEB(Zero Energy Building) 인증을 의무화하고 2050년까지 온실가스 순배출량을 ‘0’으로 만들겠다는 정책목표를 밝힘에 따라 생태건축 활성화의 필요성이 더욱 높아진 상황이다. 지금까지는 건축물의 환경성을 높이기 위해 운영 단계에서 이산화탄소 배출을 줄이는 데 집중해왔다. 그러나 강화된 Net Zero 정책 목표를 달성하려면 건축 재료의 채취와 생산 과정에서 발생하는 내재에너지를 줄이는 노력이 병행되어야 한다. 독일 DGNB(독일 지속가능한 빌딩 협회)의 분석에 의하면 지속가능한 건축 기술을 적용한 건축물의 경우 내재에너지(Embodied Energy) 절감에 따른 이산화탄소 배출 저감량이 Zero Energy House 수준의 건축물에서 50년간 절감하는 이산화탄소 배출량과 유사하다고 한다. 건물의 에너지 성능이 낮은 과거와 달리 제로에너지 수준으로 높아진 건축물에서는 내재에너지로 인한 이산화탄소 배출 저감이 상대적으로 중요해졌다는 의미다. 따라서 전 생애주기에 걸쳐 이산화탄소 배출과 환경 영향 최소화를 지향하는, 그래서 내재에너지가 낮은 장점을 가지는 생태건축이 Net Zero 시대에 부합하는 건축 대안으로서 중요한 의미를 가진다. 국산 목재를 활용한 생태건축시스템 개발 한국건설기술연구원은 2018년부터 국토교통연구개발 사업의 일환으로 국산 목재를 100% 활용하는 생태건축시스템을 개발하고 있다. 이 연구에서는 다음과 같이 생태건축의 특성을 규정하고 ‘공업화 생태건축시스템’의 실증을 추진하고 있다. • 자연의 순환체계(생태계)에 순응하여 환경오염과 환경부하를 최소화하면서, 건강한 생활을 가능하게 하는 건축 • 생태계의 공기, 물, 에너지 및 자원 순환을 거스르지 않는 자재와 설비로 에너지 자원 순환형 건축시스템을 구축 • 현대 건축의 환경문제와 건강문제(sick building syndrome)를 통합적으로 해결하는 지속 가능한 건축 위와 같은 생태건축 시스템은 재생 가능한 자연 소재 활용으로 LCA평가 기법의 Scope 3에 해당하는 내재에너지를 대폭 절감할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 유해물질 배출이 없고 축열과 습도 조절기능을 가지는 내장재 활용으로 건강한 실내 환경을 조성하는 좋은대안이 될 것으로 기대한다. 콘크리트를 환경 친화적으로 만드는 에코 시멘트 개발 전 생애주기에 걸쳐 이산화탄소 배출과 환경영향 최소화를 지향하는 생태건축도 기초나 골조는 콘크리트를 사용하는 경우가 많다. 심지어 연구진이 개발한 것과 같은 목구조 생태건축시스템을 적용할때에도 건물 기초에는 시멘트를 결합재로 하는 콘크리트를 주로 사용한다. 구조적 안전성이나 경제성을 고려할 때 다른 대안을 찾기가 쉽지 않기 때문이다. 이런 점에 착안하여 연구단은 먼저 이산화탄소 배출과 환경영향을 최소화할 수 있는 에코 시멘트를 개발했다. High Sulfated Calcium Silicate Cement로 이름 붙인 에코 시멘트는 BSEN 15743이 정한 Super Sulfated Cement의 조성비를 따라 제조한 것으로, 고로슬래그 미분말을 80% 정도 사용하고 포틀랜드 시멘트양은 최소화하는 대신에 소석회를 사용하여 개발하였다. 에코 시멘트의 활용 가능성을 검증하기 위해 시중에 유통되는 슬래그 시멘트 및 포틀랜드 시멘트와 비교하여 콘크리트 물성 실험을 수행한 결과, 적어도 일정 영역에서 에코 시멘트의 활용이 가능함을 알 수 있었다. 슬럼프 값은 에코 시멘트를 사용한 콘크리트와 포틀랜드 시멘트를 사용한 콘크리트가 유사하게 나타났으며, 공기량은 세 가지 콘크리트가 매우 유사하였다. 에코 시멘트의 28일 재령압축강도는 포틀랜드 시멘트 콘크리트의 강도가 유사하였다. 포틀랜드 시멘트의 6.2%에 불과한 에코 시멘트의 환경영향 에코 시멘트의 환경영향(Environmental footprint)을 포틀랜드 시멘트 및 슬래그 시멘트와 비교 분석해보았다. LCA 기법을 활용하는 동시에 EU의 Product Environmental Footprint(PEF) Guide를 따라 영향범주(Impact category)별로 제시된 평가모델을 사용하여 환경영향을 산정하였다. 다만, 에코 시멘트는 바이오소재를 사용하지 않기 때문에 ‘기후변화(바이오소재 포함)’ 범주를 제외한 15개 영향범주에 대한 환경영향을 산출하였다. 산정 결과는 영향범주별로 환경영향의 상대적인 비교가 가능하게 정규화(normalization)하고, 여기에 일반인이 인식하는 영향범주별 환경영향의 중요도를 반영한 가중화 결과이다. 가중화 인자는 EC(European Commission) JRC(Joint Research Center)에서 PEF 평가를 위해 개발한 인자를 적용하였다. 표 2에서 에코 시멘트의 환경지수(Eco-index)는 3.13E-04이다. 이는 에코 시멘트 1kg에 의해 발생된 환경영향이 한 사람이 1년간 발생시킨 환경영향의 3.13E-04배인 것을 의미한다. 이에 비해 슬래그 시멘트의 환경지수는 에코 시멘트의 7.3배이고, 포틀랜트 시멘트는 16.2배이다. 달리 말하면, 에코 시멘트의 환경지수는 슬래그 시멘트의 13.7%, 포틀랜드 시멘트의 6.2%로 다른 시멘트에 비해 현저히 환경영향이 낮다는 것을 보여준다. 주요 영향범주별 환경영향 비교 에코 시멘트의 영향범주별로 환경영향은 기후변화, 인체독성(비발암), 미세먼지 순서로 나타났다. 기후변화 영향의 경우 포틀랜드 시멘트, 슬래그 시멘트, 에코 시멘트의 탄소발자국이 각각 1.2kgCO2e, 0.53kgCO2e, 0.07kgCO2e이다. 에코 시멘트의 탄소발자국이 포틀랜드 시멘트의 5.8%, 슬래그 시멘트의 13.2% 수준으로 현저히 낮음을 알 수 있다. 다르게 설명하면 포틀랜드 시멘트 또는 슬래그 시멘트 대신에 에코 시멘트를 사용하면 시멘트 1kg당 무려0.46~1.13kgCO2의 이산화탄소 배출을 줄일 수 있다는 의미이다. 가중화 환경영향이 두 번째로 큰 인체독성(비발암) 경우 그림 4에서 보는 바와 같이 포틀랜드 시멘트와 슬래그 시멘트의 영향이 에코 시멘트보다 7~17배가 크다. 에코 시멘트의 비발암 인체독성 영향이 다른 시멘트의 5.8%, 13.3% 수준이다. 여기서 CTUh(Comparative Toxic Unit for human)는 인체독성 단위로 발암 또는 비발암 영향을 발생시킬 확률을 의미한다. 따라서, 에코 시멘트가 인체에 비발암 영향을 일으킬 확률은 포틀랜드 시멘트의 5.8%, 슬래그 시멘트의 13.3% 정도로 낮은 것으로 이해할 수있다. 또한 에코 시멘트가 인체에 발암 영향을 일으킬 확률도 다른 시멘트의 15.0%, 31.4% 수준으로 낮게 나타났다. 가중화 환경영향이 세 번째로 큰 미세먼지는 최근 국민 관심사로 대두된 환경문제이기도 하다. 세계보건기구(WHO)도 미세먼지인 PM2.5를 1급 발암물질로 분류하고 있다. 그림 5는 에코 시멘트와 다른 시멘트의 PM2.5 발생량을 비교한 것이다. 이 그림에서 에코 시멘트는 포틀랜트 시멘트의 6.2%, 슬래그 시멘트의 12.6% 정도로 PM2.5 배출이 낮은 것을 알 수 있다. 비교 검토한 시멘트를 에코 시멘트로 대체할 경우 1kg당 0.08~0.17g의 PM2.5를 줄일 수있는 결과이다. 맺는말 연구진이 개발한 에코 시멘트를 중심으로 생태건축 시스템의 환경 및 건강 영향을 살펴보았다. 에코 시멘트를 사용하면 시멘트 1kg당 무려 1.13kgCO2 또는 0.46kgCO2의 이산화탄소 배출을 줄일 수 있다는 사실은 매우 고무적이다. 환경지수 분석 결과로 알 수 있듯이 에코 시멘트의 환경영향은 시중에서 유통되고 있는 슬래그 시멘트의 13.7%, 포틀랜드 시멘트의 6.2%로 현저히 낮다. 인체 독성 측면에서도 그 영향이 현저히 낮아 탄소는 줄이고 건강은 좋아지는 생태건축’의 실현 가능성을 확인할 수 있었다. 향후 후속 연구를 통해 보다 종합적이고 구체적으로 생태건축시스템의 환경성과 건강성을 제시 할수 있을 것으로 기대한다 건축연구본부 게시일2021-06-29 조회수 212
• 지능형 가상 지반데이터 및 다짐 관리 기술을 적용한 스마트 토공 플랫폼 개발 지능형 가상 지반데이터 및 다짐 관리 기술을 적용한 스마트 토공 플랫폼 개발 ▲ 최창호 미래융합연구본부 연구위원 들어가며 도로, 철도, 지하라이프라인 등의 시설물의 설계, 시공, 유지관리 단계에서 구조물의 상태 정보를 수집·분석하여 인프라가 지능화되고 건설공정이 자동화되는 4차 산업혁명이 건설산업에서도 진행되고 있다. 4차 산업혁명은 「초연결·지능화 혁명」으로 정의될 수 있으며, ICBM(IoT, Cloud, Big Data, Mobile)은 이를 뒷받침하는 핵심 요소기술이다. 특히, 국내 이동통신사를 중심으로 기술 상용화가 이루어진 5G 통신 기술은 교통·주거·도시 인프라의 초연결·지능화를 가능케 하고 있다. 건설산업 분야도 「초연결·지능화 혁명」이라는 기술 패러다임 변화에 발맞추어 기술 혁신을 수행하고자 정부는 ‘Smart Construction 2025’를 비전으로 설정하였고, ‘스마트 건설기술 로드맵(2018)’을 발표하여 첨단기술을 기반으로 건설산업의 새로운 도약기회를 마련하고자 하는 정책을 추진하고 있다. 본 연구는 이러한 건설산업에 불어오는 스마트기술 도입 및 개발의 일환으로 다양한 인프라 구조물 중에서 도로건설에 초점을 맞추어 수행하였다. 도로구조물 건설공사에서 토공사 비중은 20~30%로 높은 비율이며, 토공사 과정 중에 시공 품질 확인을 위한 불필요한 반복 작업으로 인해 생산성이 저하되고 있다. 스마트 기술을 활용하여 토공사의 생산성을 향상시키기 위한 가상의 지층·지반 정보 예측과 실시간으로 공사의 품질을 관리할 수 있는 스마트 토공시스템 프로토타입을 개발하였다(한국건설기술연구원 2020). 스마트 토공 시스템 개발의 핵심 기술 도로 토공 공사의 경우 반복적인 공정으로 수행되므로 대표적으로 스마트 건설기술이 적용될 수 있는 분야이다. 이와 연계되는 기술적 과제는 측량·설계·시공·검사의 건설 단계에서 인력 측량에 의한 3차원 공사 현장과 2차원 설계도면의 정보 괴리를 해결하고, 반복되는 시공 및 검측 과정의 비효율성 문제를 해결하며, 인력에 의한 품질 확인 등으로 인하여 과도한 작업 시간 및 장비 소요의 급증 문제를 해결하는 것이다. 이를 위해서는 토공 구조물의 기하구조와 공사중에 발생하는 건설정보를 종합적으로 관리하기 위한 디지털 플랫폼과 지반의 속성정보를 보다 정확히 예측하고, 공정별 품질을 자동화된 방법으로 모니터링할 수 있는 기술개발이 필요하다. 본 연구에서는 토공 프로젝트에서 지층 조건 분석, BIM, Big Data, 스마트 센싱 기술 등을 융합하는 기술을 개발하였다. 토공 자동화 관리를 위하여 스마트 토공 플랫폼의 요구사항 정의, 아키텍쳐 설계, 플랫폼 prototype 개발, 지층 층상정보 예측기술, 토공 품질관리 기술등 스마트 토공 플랫폼을 단계적으로 개발하였다. 그림 1은 본 연구의 목표를 달성하기 위한 핵심기술들을 요약하여 보여주며, 토공 작업 전주기 동안의 지능화를 달성하기 위하여 아래의 3개 핵심요소 기술을 개발하였고 3개 기술별 정의는 표 1에 제시되었다. 그림 2는 전주기 관리 플랫폼이 부재하는 경험적 설계/시공 프로세스와 지능형 플랫폼 기반 설계·시공 프로세스에 해당하는 토공분야의 핵심 구성 기술을 상호 비교한다. 각각 측량설계, 지반속성, 성토다짐 관리에 대한 항목으로서, 본 연구를 통해 첨단 ICT 기술을 이용하여 토공의 측량-설계-시공-검사 전주기에 걸친 자동화의 핵심기술을 개발하였다. 신경망 센서로 많은 위치에서 구조물의 변형률을 계측하기 위해서는 광섬유 기반 분포형 계측 기술이 필요하다. 그동안 개발된 분포형 계측 기술은 계측 간격, 계측 정확도, 계측 시간 등에서 콘크리트 구조물의 모니터링 용으로 적합하지 않다. 본 연구에서는 전문 기관과의 협업을 통해 이러한 문제점들을 해결하는 분포형 계측기를 개발하였고, 다양한 실험을 통해 성능을 검증하였다. 그러나 개발된 분포형 계측기는 동적 계측이 쉽지 않은 문제점이 있어 이를 해결하기 위해 준분포형 동적 계측기에 대해서도 연구하였으며, 개발된 시제품에 대한 다양한 검증을 통해 적용 가능성을 확인하였다(그림 2) BIM 기반의 스마트 토공 플랫폼 스마트 건설기술을 활용한 토공 전주기(조사/설계/시공/검사)를 관리할 수 있는 스마트 토공 플랫폼을 개발하였다. 그림 3은 플랫폼 아키텍쳐의 기본 개념을 보여주고 있다. 스마트 토공 플랫폼은 크게 ‘지형 및 지반 BIM 생성 시스템’, ‘지반 속성 예측 시스템’, ‘다짐 시공 가시화 시스템’ 으로 구성되며, 각 프로그램에 입출력되는 데이터 및 결과물이 프로세스 전 단계에서 통합되도록 플랫폼을 개발하였다. 다짐 관리 프로그램에서는 도로 토공 현장을 대상으로 다짐 시공 및 관리정보를 입력받아 날짜와 지반 층별로 장비의 이동경로, 다짐 횟수, 다짐 속도, CMV(Compaction Meter Value, 다짐품질 정보) 등을 가시화하고 각 결과를 그래프로 도식화하여, 사용자가 손쉽게 정보를 확인하고 관리할 수 있는 기능을 가지고 있다. 3개 주요 서브 모듈의 기능은 아래와 같다. 지반 속성정보 예측 정확도 향상 기술 지형 및 지반 정보를 정확히 예측하는 것은 토공사를 설계하고 수행하는데 있어 가장 기초적인 작업이다. 본 연구에서는 토공사 현장에서 보다 정확한 토공량 예측 및 관리를 수행하기 위해, 3차원 영상,빅 데이터 및 인공지능을 활용해 지형 및 지반정보를 신뢰성 있게 예측하는 기법을 개발했다. 우선, UAV(Unmanned Aerial Vehicle)를 통해 취득된 영상을 정합해 고정밀 건설지형도를 제작하고, 표준화 된 시추조사 자료를 인공지능 학습 DB로 활용해 미시추 구간의 지반정보 예측을 위한 인공신경망 모델을 제시하였다. 개발된 지형 및 지반정보 예측기술을 통해 토공사 현장에서 보다 정확한 토공량 예측 및 관리가 가능하며, 예측된 정보는 스마트 토공 플랫폼의 3차원 기본맵을 구성하는 데 활용될 수 있다. 본 연구의 인공신경망 기반 지반 속성정보 예측 모델 개발 및 적용 과정은 그림 4와 같다. 우선 국토지반정보 통합 DB센터의 시추공 정보를 표준화해 인공지능 학습 DB를 생성했다. 이후 시추공의 x, y, z좌표 및 층상정보(매립토층, 퇴적층, 풍화토층. 풍화암층, 암층)를 각각 독립변수 및 종속변수로 설정하고 다중 계층 신경망 모델을 학습시켜 지반 속성정보 예측 모델을 개발했다. 예측 과정을 자동화하고 실무자가 쉽게 활용할 수 있도록 예측 기법을 자동화한 프로그램을 개발하였다. 개발된 프로그램에 토공사 현장에서 취득한 실제 시추공 자료를 입력하면, 입력된 현장의 정보들이 인공신경망을 통해 학습되고, 미시추구간의 정보를 예측해 3차원 지반 층상정보를 제공한다. 지능형 성토-다짐관리 기술 도로 건설 공정 중 성토 작업 시에 지반이 일정 크기 이상의 강도를 가지기 위한 다짐 작업이 진행되며, 다짐 작업 후에 품질검사를 하는 것이 필수적이다. 현재 롤러 이동에 따른 대상 성토체의 다짐 횟수는 롤러 작업자의 기억력에 의존하므로 정량적인 다짐 장비의 이동 횟수를 파악하기 어려운 실정이다. 또한 일정한 규격으로 다짐 작업이 이뤄지지 않아 과다짐과 과소다짐이 발생하여 도로 품질저하 현상이 발생하고 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 위치기반의 정확한 다짐 장비 패턴분석 및 지반 응답 특성 분석을 통한 지능형 품질관리 시스템 연구를 수행하였다. 연구 내용으로는 GPS 기반 다짐 장비의 위치 정보를 실시간으로 활용하여 장비 이동패턴을 분석하고, 롤러의 진동원에 의한 가속도를 측정하여 FFT 변환을 통한 진폭과 주파수를 산정하고, CMV분석을 거처 지반 다짐도를 간접적으로 분석하였다. 분석한 결과를 활용하여 다짐도를 가시화할 수 있는 시스템을 개발하고, 이를 고속도로 건설 토공사 현장에 시험 적용하였으며, 계측된 위치 및 다짐도 품질 데이터를 실시간으로 토공 플랫폼에 제공하였다. 그림 5는 다짐 관리 데이터와 장비 라이브러리를 다짐 관리 시뮬레이션 모듈에서 연동 및 계산하는 프로세스를 보여준다. GPS 데이터에 따라 장비의 이동에 따른 다짐 경로 및 지역, 횟수 등을 확인하여 가상시뮬레이션을 수행할 수 있고, 시간, 장비 속도, 위치, CMV 값을 통한 다짐도 등의 데이터를 분석하고 다짐 관리 데이터의 통계 자료를 파악할 수 있도록 구성되어 있다. 현장 시험 적용 사례 본 연구에서 개발한 스마트 토공 플랫폼을 고속도로 건설 토공사 현장에 시험 적용하였다. 그림 6은 지형 및 지반 BIM 구축 모듈을 적용하여 생성된 해당 현장의 BIM 모델을 보여준다. Drone으로 측정된 데이터를 바탕으로 지형 모델을 생성하고, 지반 정보가 담긴 지반 시추공 데이터를 바탕으로 지반 모델을 생성하였다. 플랫폼 내에서 선택버튼을 통해 지형뿐만 아니라 지반을 구성하고 있는 토사, 풍화암, 기반암을 3차원 정보로 각각 확인할 수 있다. 그림 7은 실제 고속도로 건설 현장에 적용한 지능형 가상 지반데이터 및 다짐 관리 기술을 적용한 스마트 토공 시스템을 보여준다. 롤러의 이동 및 지반반력 계측 정보를 바탕으로 해당 성토층에서의 다짐도 품질관리 결과를 확인할 수 있으며, 모델위에 표기된 컨투어는 롤러 장비의 이동에 따라 계측된 CMV 다짐도 값의 예를 보여주고 있다. 맺음말 본 연구에서는 스마트 기술을 융합하여 토공 공정 단계별 지능화로 토공 생산성을 향상할 수 있는 방안 및 기술을 개발하였다. 건설 공사의 일반적인 절차인 측량⇒설계·계획⇒시공⇒품질검사 등의 전주기적인 스마트 토공 프로세스 구현을 위한 기술수요를 바탕으로, ①BIM 기반의 스마트 토공 플랫폼, ② 지반 속성정보 예측 정확도 향상 기술, ③ 지능형 성토-다짐관리 기술에 초점을 맞추어 요소기술을 개발하였다. 연구를 통해 스마트 토공 플랫폼 설계, 데이터 기반의 지반 층상정보 예측을 위한 지반조사 자료 분석 및 체계 구축, 지능형 성토-다짐관리 프로세스 설계와 토공 플랫폼의 프로토타입 개발 연구를 완료하였다. 또한 실제 고속도로 건설 현장을 플랫폼 내에서 지형·지층 모델로 구현하고 실시간으로 성토 다짐품질을 관리하는 기술을 시험 적용하였다. 본 연구를 통해 도로건설 토공사현장에서 품질 데이터 및 데이터 플랫폼의 활용방안을 제시하였고, 성토체의 다짐 품질 분석을 위해 위치정보 및 지반 응답 분석 결과를 분석하고 가시화하는 절차를 제시하였다. 미래스마트건설연구본부 게시일2021-05-27 조회수 467
• 국내외 도시재생지역에서의 노후건축물 그린리모델링 주요 기술 동향 국내외 도시재생지역에서의 노후건축물 그린리모델링 주요 기술 동향 ▲ 이종원 국민생활연구본부 전임연구원 국내 도시재생지역에서 이루어지는 사업은 국가 및 지자체 단위로 진행되며, 도시재생이 주요 목적이라 건물을 포함한 주변 구성요소(골목길, 담벼락 등)의 환경개선 사업이 많다. 이 글에서는 집수리, 리모델링 등 건축물 개선사업이 포함된 터새로이 사업, 동행사업, 서울형뉴딜 골목주택 외관사업, 경기도 도시재생마중물사업과 그린리모델링 관련 개선기술에 대하여 중점적으로 조사하였다. 또한, 노후건축물 성능개선을 위해 사용하는 주요 리모델링 기술요소는 다양하게 존재한다. 그 중에서 건물에너지와 관련이 있는 노후건축물 그린리모델링과 관련한 쿨루프, 옥상방수, 창호교체, 외벽단열, 구조 측면에서 탄소섬유시트, 철골브레이스 보강법 등에 대하여 실제 사례위주 내용을 소개하고자 한다. 국내 도시재생지역에서의 노후건축물 그린리모델링 주요 기술요소 조사 (1) 쿨루프 도시 열섬현상 주요 원인으로 지목되는 건물 옥상 등에 햇빛 열의 반사 및 방사효과가 있는 밝은색 도료 등을 칠해 열기가 지붕에 축적되는 것을 줄이는 공법이다. 여름철 건축물 실내온도가 4~5도 정도 감소하여 30~40%의 냉방에너지를 절감한다. 겨울 난방에도 큰 영향을 끼치지 않으면서 여름철 뜨거운 햇빛을 차단해 주기 때문에 에너지 절감 및 온실가스 감축에 도움이 된다. 옥상녹화와 비교해 비용이 ¼ 정도로 적게 소요되며 옥상녹화는 콘크리트 지붕에만 적용이 가능한데 비해 쿨루프는 어떤 지붕면에도 시공이 가능하다. 환경부에서 시행하는 지자체 기후변화대응 지원사업을 통해서 서울특별시 관악구와 도봉구, 충청남도 청양군, 공주시, 서천군, 광주광역시 북구, 경상북도 김해시 등 지차체에서 에너지 취약계층 거주 건축물 위주로 쿨루프 사업을 시행하고 있다. 2) 옥상방수 건축물의 지붕이 낡아 틈이 벌어지는 등의 이유로 누수가 진행 중인 건물에 지붕방수 등의 지붕 보수작업을 수행한다. (3) 창호교체 로이유리 복층창, 삼중창, 단열프레임 등의 요소로 창호의 단열성능과 차음 및 기밀성능을 향상시킨 창호시스템으로 냉난방비를 절약할 수 있으며, 불활성 기체충전 등으로 단열성능을 강화할 수 있다. 시스템창과 복합하여 사용이 가능하다. (4) 외벽단열 건축구조체를 기준으로 실내 혹은 실외 측에 단열재를 붙이고 마감하는 방법이다. 외단열 시공 시 단열재가 연속하여 건물을 감싸 내단열 시스템보다 외벽/내벽/슬래브 등 접합부위 열손실이 적으며, 내단열 시공 시 단열불연속부위가 발생하여 내부결로 발생이 쉽다. 그러나 내단열시 야간외기도입을 하지 않는 건물에서는 축열부하가 작아 외단열보다 유리하다. (5) 탄소섬유시트 보강 탄소섬유시트 공법은 콘크리트 구조물의 내하력 증진에 뛰어난 성능을 가지고 있으며 시공 편리성으로 인해 토목 및 건축분야 콘크리트 구조물 보강에 다양하게 적용되고 있다. 인장강도가 약 30,000kgf/cm2으로 강재의 약 10개가량의 강도를 보유하고 있다. 두께가 얇고 방향성이 있어 보강 시 구체의 변화가 적고, 적층량에 따라 보강량을 조절할 수 있다. (3) 창호교체 로이유리 복층창, 삼중창, 단열프레임 등의 요소로 창호의 단열성능과 차음 및 기밀성능을 향상시킨 창호시스템으로 냉난방비를 절약할 수 있으며, 불활성 기체충전 등으로 단열성능을 강화할 수 있다. 시스템창과 복합하여 사용이 가능하다. (6) 철골브레이스 보강 수평력에 저항하기 위하여 철골브레이스를 설치하여 골조를 보강하는 방식으로서, 외부착과 내부착이 있다. 높은 강도와 동시에 강성도 충분히 높게 되며 RC벽 증설보다 경량으로 보강되므로 필요 시 건축물 내력저하 없이 적당한 크기의 개구부 설치가 가능하다. 조사한 기술요소 중 그린리모델링에 있어 필수적으로 사용되는 기술로 창호교체 및 외벽단열이 있으며 사업에 따라 냉난방설비 교체, 옥상보수, 내진보강 등의 기술이 추가적으로 사용되고 있다. 쿨루프의 경우에는 실내온도저감 뿐만 아닌 열섬완화를 위해 환경부 및 지자체에서 적극적으로 추진하고 있다. 구조관련 기술요소인 탄소섬유시트 및 철골브레이스 보강 사례를 보면 주로 도시재생지역보다는 노후된 공동주택 및 중소형 이상 건물에서 사용되고 있다. 국외 노후 도시재생 사례 중 노후 건축물 개선을 위해 중점적으로 사용한 요소기술 국내에서 사용하는 노후건축물 주요 기술요소는 대부분 국외에서 유사하게 적용되고 있었으며, 추가적으로 적용되고 있는 기술인 GAP solution이라는 외벽자재와 기존 건축물의 설비 효율개선을 위한 레트로 커미셔닝, 에너지 절감 및 쾌적성 향상을 위한 조명 디밍제어에 관하여 기술하고자 한다. (1) GAP solution GAP solution은 벌집 형태의 미세한 다각형 기둥이 격자무늬로 배열되어 있는 solar comb를 유리판과 공기층 사이에 끼워넣은 외벽자재이다. 겨울철 태양의 고도가 낮을 때는 일사광선이 solar comb격자를 통과하여 공기층까지 침투할 수 있고, 반대로 여름에 태양의 고도가 높을 때는 일사광선이 solar comb에 의해 차단되는 원리로 사용된다. 이로 인해 여름철 냉방부하와 겨울철 난방부하를 동시에 감소시킨다. GAP Skin and solar comb GAP Air GAP Water (2) 레트로 커미셔닝 (Retro-Commissioning) 레트로 커미셔닝은 이 전까지 커미셔닝을 진행하지 않은 기축건물에 대한 커미셔닝으로, 기축건물의 성능이 유지되고 있는지 조사하고 지속적으로 유지하거나 더 향상시키도록 방안을 강구하는 절차이다. 커미셔닝을 진행하지 않은 건물은 설계와 운용상에 결점이 있을 수 있고, 이 경우 건물의 최초 운용 시점에서부터 가지고 있던 문제를 발견하기가 쉽지 않다. 또한, 건물의 리모델링을 수차례 반복하는 경우 기존 설계상에 없던 결점도 발생할 수 있는데, 레트로 커미셔닝은 이러한 문제점을 발견하고 해결책을 제시한다. (3) 조명 디밍제어 (Dimming Control) 조명에 대한 밝기제어는 에너지절감, 실내 재실환경 향상, 그리고 조명장치의 수명 연장과 같은 여러 이점이 있다. 조명 밝기제어는 재실자가 직접 조절하거나, 자연채광으로 인한 실내조도에 따르거나, 또는 미리 설정된 스케줄에 따를 수 있다. 형광등, 백열등, HID(High-Intensity Discharge) 램프 등 조명기구에 따라 전압조절 또는 안정기를 제어하여 조도를 조절하나 색온도, CIR(Color Rendering Index)가 함께 변하기도 한다. 국외 도시재생 사례에서 사용된 그린리모델링 기술요소는 크게 외벽단열, 창호단열, 옥상녹화, 보일러설치 등 국외 도시재생사례 중 주거단지별 리모델링으로는 외벽단열, 보일러설치 및 배관구축이 행해지며 소규모 단지별 리모델링으로는 외벽단열, 환기설비, 신재생(태양광, 태양열, 지열 등)설비가 설치된다. 건물별 리모델링은 창호교체, 외벽단열, BEMS, 환기설비 등 더 세부적인 리모델링이 행해지는 것으로 판단된다. 조사한 국외사례에서의 그린리모델링 기술요소 비율은 벽체단열과 관련된 부분이 20%로 가장 많았으며, 두 번째로 환기설비와 관련된 부분이 13%로 많이 적용되었다. 벽체단열은 모든 사례에서 적용되었고, 환기설비는 절반 이상의 사례에 적용되었다(독일 도시재생 사례 2건, 영국 도시재생 사례 3건, 스위스 그린리모델링 사례 2건, 오스트리아 도시재생 사례 1건, 미국 도시재생 및 그린리모델링 사례 3건으로 총 11건의 사례에서 그린리모델링 기술요소를 조사). 벽체단열, 20% 환기시설(전열교환기/열화수장치/외기도입), 13% 가스/콘덴싱보일러 9% 태양광(PV패널), 7% BEMS/원격제어시스템/DDC제어, 7% 단열창호(복층유리/삼중창) 6% 배관 및 펌프개선 6% 태양열, 6% 지열히트펌프, 6% 절약형조명(재실/동작센서, 조명제어), 6% 열교개선, 2% 기밀성 강화, 2% 고반사지붕마감, 2% 옥상녹화, 2% 열병합발전소, 2% 우수재활용, 2% 외기냉수냉방, 2% 냉동기교체, 2% 향후 연구 방향 우리나라 건축물 전체 720만 동 중 약 75%인 540만 동이 준공 후 15년이 지난 노후건축물이다. 2020년 7월 한국판뉴딜이 선언됨으로써 그린뉴딜사업의 성공적인 수행을 위해 노후건축물 그린리모델링에 대한 사업뿐만 아니라 신기술 연구개발을 통한 장기적인 시각이 필요하다. 또한, 건물자체만의 그린리모델링의 영향효과범위를 마을, 지역단위로 광범위하게 분석하기 위해서는 도시재생사업과 연계하여 연구해 나갈 필요가 있다. 아울러, 기후위기시대를 당면하여 2020년 12월 탄소중립 2050 선언으로 그린리모델링에 대한 체계적이고 과학적인 증거기반의 기술, 정책, 제도 마련이 필요하며 특히 노후건축물에 거주하는 취약계층에 대한 공정한 전환과 보호책 마련이 필요하다. 건축연구본부 게시일2021-05-27 조회수 289
• 신경망 센서 개발 및 이를 활용한 콘크리트 시설물의 스마트 모니터링 기술 개발 신경망 센서 개발 및 이를 활용한 콘크리트 시설물의 스마트 모니터링 기술 개발 ▲ 박영환 인프라안전연구본부 선임연구위원 콘크리트 신경망 센서:인체 내 신경망 모사(FRP+광섬유) 콘크리트에 설치되는 광섬유 기반 신경망 센서를 활용한 스마트 관리 광섬유(FRP 신경망 센서)/FRP / 광섬유 -> 내구성 우수 다측정 계측 기능 콘크리트 부재(철근_연결광 섬유 - 계측, 데이터 수집) 들어가며 2019년 12월 31일 기준으로 우리나라 전체 도로교 35,902개 중 콘크리트 교량은 81.7%를 차지하고 있으며, 터널 2,682개는 모두 콘크리트 시설물로서 오늘날 대부분의 SOC 인프라 시설물은 콘크리트 구조물이다. 콘크리트 구조물은 다양한 요인으로 노후화되고, 과다 하중 등으로 인해 구조적인 안전성이 저하된다. 그러나 현재까지도 콘크리트 구조물의 안전관리 및 유지관리는 주로 인력에 의한 육안 점검에 의존하고 있으며, 주관적이고 정성적인 수준에 머무르고 있어 안전성 평가 결과에 대한 신뢰성 및 실시간 상태 파악과 대응 측면에서 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 기존의 포인트형 센서의 문제점을 극복할 수 있는 내구성과 신뢰성이 우수한 광섬유 기반 콘크리트 매립형 분포형 센서(콘크리트 신경망 센서)를 개발하고, 이를 콘크리트 구조물에 설치하여 인체의 신경망처럼 많은 위치에서 콘크리트 구조물의 변형률을 측정할 수 있게 하며, 이를 이용하여 콘크리트 구조물의 스마트 안전관리를 가능하게 하는 기술을 개발하였다 콘크리트 신경망 센서:인체 내 신경망 모사(FRP+광섬유) 콘크리트에 설치되는 광섬유 기반 신경망 센서를 활용한 스마트 관리 광섬유(FRP 신경망 센서)/FRP / 광섬유 -> 내구성 우수 다측정 계측 기능 콘크리트 부재(철근_연결광 섬유 - 계측, 데이터 수집 -> 평가,분석 및 모니터링) ->기존 센서 문제(고비용, 저내구성, 신뢰성 미확보, 리드선 문제 등) 해결 신경망 센서 개발 본 연구에서 개발한 콘크리트 신경망 센서는 내구성과 신뢰성이 뛰어난 광섬유를 기반으로 하고 있다. 광섬유는 손상에 취약하여 이를 콘크리트에 매립하는 것이 곤란하므로 원형의 FRP(Fiber Reinforced Polymer, FRP) 봉 속에 광섬유를 내장시켜 광섬유를 보호하는 방법을 고안하였으며, 이를 효율적으로 생산하는 제작 기술을 개발하였다. 이를 위해 인발공법(pultrusion)과 제직인발공법(braidtrusion)을 검토하였으며, 품질관리 측면을 고려하여 인발공법에 의한 제작 기술을 채택하였다. 신경망 센서가 콘크리트 부재의 거동을 제대로 파악하기 위해서는 콘크리트와 일체성이 확보되어야 하므로 이를 위해 신경망 센서의 표면 형상 및 표면 처리 기술에 대해 연구를 수행하였다. 신경망 센서를 콘크리트에 설치한 후 이를 계측기와 연결하기 위해서는 FRP 봉에서 광섬유를 추출해야 한다. FRP 봉은 열경화성 수지로 제작되므로 광섬유의 추출이 용이하지 않아서 이에 대한 기술 개발이 필요하다. 본 연구에서는 가열 추출, 기계적 추출, 화학적 추출 등에 대해 연구·검토하여 광섬유의 추출이 용이한 최적의 기술을 개발하였다. 신경망 센서로 많은 위치에서 구조물의 변형률을 계측하기 위해서는 광섬유 기반 분포형 계측 기술이 필요하다. 그동안 개발된 분포형 계측 기술은 계측 간격, 계측 정확도, 계측 시간 등에서 콘크리트 구조물의 모니터링 용으로 적합하지 않다. 본 연구에서는 전문 기관과의 협업을 통해 이러한 문제점들을 해결하는 분포형 계측기를 개발하였고, 다양한 실험을 통해 성능을 검증하였다. 그러나 개발된 분포형 계측기는 동적 계측이 쉽지 않은 문제점이 있어 이를 해결하기 위해 준분포형 동적 계측기에 대해서도 연구하였으며, 개발된 시제품에 대한 다양한 검증을 통해 적용 가능성을 확인하였다(그림 2) FRP 신경망 센서 개발 FRP 신경망 내 광섬유 배치 방안(분포형, 이산형의 조합) FRP 신경망 센서 제작 기술 콘크리트와 부착 성능 확보를 위한 표면 처리 기술 FRP 신경망 센서 최적 배치, 설치 및 시공 기술 FRP 신경망 센서활용 기술, FRP 신경망 센서 이용 스마트 모니터링 기술등 광섬유 추출·보호·연결 기술등 광섬유 직경 0.3mm이용 분포형 광섬유 계측기 개발 5cm 간격으로 측정 가능한 분포형 광섬유 기반 계측기 동적 측정이 가능한 FBG기반 준분포형 계측기 콘크리트 부재 콘크리트 신경망 센서(직경 0.3mm이하) 신경망 센서 활용 기술 개발 신경망 센서의 개발 목적은 콘크리트 부재에 발생하는 변형률을 직접 계측하는 것이므로 콘크리트와 신경망 센서 간의 일체 거동을 확보하는 것은 계측 신뢰도의 보장을 위해 필수적인 사항이다. 즉 신경망 센서를 구성하고 있는 FRP 봉의 표면과 이를 둘러싸는 콘크리트 간에는 계측 신뢰성 확보에 요구되는 성능 이상의 부착력을 확보하여야 한다. 본 연구에서는 이를 위해 다양한 표면 처리에 대해 검토하였고, 부착실험을 통해 적합한 표면 처리 방안을 도출하였다. 개발된 신경망 센서를 콘크리트 부재 내에 설치한 후 가력 실험 중에 얻어진 신경망 센서 측정값과 기존의 검증된 센서(전기저항식 변형률 센서, FBG 광섬유 센서) 값을 상호 비교하여 신경망 센서가 구조물 모니터링 용으로 적합한 정확도를 보유하고 있음을 확인하였다. 신경망 센서의 설치 방법은 신설 구조물과 기존 구조물이 다르다. 신설 구조물인 경우에는 철근을 따라 신경망 센서를 설치하므로 비교적 쉽게 설치할 수 있지만, 기존 구조물인 경우에는 콘크리트 표면에 홈을 만들고 접착제를 이용하여 신경망 센서를 매립하는 방식을 취한다(그림 3). 신설 콘크리트 구조물기존 콘크리트 구조물 시공 시 철근 따라 시공 - 콘크리트 부재 - 콘크리트 신경망 센서, 철근, 연결광섬유, 계측 데이터 수집 콘크리트 구조물 콘크리트 표면에 접착제를 이용 매립 - 콘크리트 신경망 센서, 접착제 신경망 센서는 광섬유를 이용하므로 기존의 광통신망을 이용하여 데이터를 원격으로 취득할 수 있는 장점이 있다. 즉, 다수의 구조물에 설치된 신경망 센서들을 광통신망에 연결시키고 기지국 또는 통합 관리사무소의 광 계측기로 각각의 신경망 센서를 계측하는 것이 가능해져 많은 구조물들의 안전성을 효율적으로 관리할 수 있다(그림 4). 광통신망을 활용한 스마트 안전관리 안전관리 통합 플랫폼 Big Data 수집/분석/처리 광센서 계측기(interrogator) 광통신 기지국 or 통합 관리사무소(광센서 계측기 보유) SOC 인프라시설물 관리기관/담당자(정부/지자체/공공기관) 기존 광통신망 매립광센서(건축물/다중이용시설/에너지시설등) 매립광센서(교량) 매립광센서(지반구조/수리구조/해양구조) 매립광센서(터널/도로) 디지털 트윈 기반 스마트 모니터링 기술 개발 구조물에 설치된 신경망 센서 데이터를 활용하여 구조물의 손상을 감지, 평가 및 예측하기 위해 디지털 트윈 기술을 활용하였다. 디지털 트윈은 실제 구조물을 컴퓨터 속에서 구현한 컴퓨터 모델(디지털 모델)을 의미한다. 센서 데이터를 반영한 디지털 트윈을 활용하면 실제 구조물에서 발생할 수 있는 상황을 컴퓨터로 시뮬레이션 함으로써 실제 구조물의 현재 상태를 파악하거나 예측하는 것이 가능해져 구조물의 상태와 안전성을 효율적으로 관리할 수 있다(그림 5) 디지털 트윈을 구축하고 이를 이용하여 구조물의 성능을 평가하기 위해서는 유한요소 해석 프로그램이 필요하다. 기존의 상용 프로그램은 신경망 센서를 구현할 수 없을 뿐 아니라 가격이 고가이며 라이선스 문제 등이 있어 본 연구에서는 자체 해석 엔진을 개발하였다. 가속도 데이터를 사용하여 디지털 트윈을 구축하면 구조물의 전체 거동 변화는 감지할 수 있지만, 국부적인 손상은 감지하기 어렵다. 그러나 신경망 센서의 변형률 데이터를 활용하여 디지털 트윈을 구축하면 전체 거동 변화를 감지할 수 있을 뿐만 아니라 유지관리 측면에서 중요한 국부 손상을 감지할 수 있는 장점을 가진다. 본 연구에서는 신경망 센서의 특성을 반영하기 위해 변형률 기반의 모델 업데이팅 기술을 개발하였고, 이를 자체 해석 엔진과 연동시켜 구조물의 손상 및 성능을 평가할 수 있는 통합 디지털 트윈 시스템을 개발하였다(그림 6). 신경망 센서가 적용된 실제 교량에 대해 현장 재하시험을 통해 구조물의 성능을 평가하는 기존의 방법과 재하시험이 필요 없는 통합 디지털 트윈 시스템 결과를 비교함으로써 개발기술의 적용성을 검증하였다. 그림 5 디지털 트윈 기반 스마트 안전관리 개념 및 연구내용 디지털 트윈 : 컴퓨터 속에 구현된 실제 구조물의 아바타 - 구조물에 설치되는 센서(신경망 센서 포함) 데이터와 연계해 구조물 분석, 평가, 모니터링 Physical system - 광섬유 센서 등 계측 데이터 Interface - Big data(디지털 트윈 기반 스마트 모니터링 실시간 구조물 상태감지 실시간 구조물 손상진단 실시간 구조물 성능평가 Digital Twine(Cyber System) - 실시간 구조물 상태 반영 연구수행내용 자체 구조해석 프로그램 개발 신경망 센서 활용 모델 업데이팅 기술 손상 시나리오 개발 및 AI구현 기술 콘크리트 구조물 성능 평가 기술 디지털 트윈 구현 및 운용 기술개발 디지털 트윈 기반 스마트 안전관리 계측 결과와 비교를 통해 구조물의 안전성 검증 구조물 실시간 상태 감지 ->신속한 조치 가능 구조물의 손상 상태 파악->보수/보강 계측 센서의 신뢰성(오류) 검증 사고 시 대응 조치에 대한 판단 근거 제공 그림 6 디지털 트윈 기반 스마트 모니터링 기술 개발 흐름도 시작 신경망 센서로 계측 되는 상시 진동 변형률 데이터만으로 DT기반 안전성 평가 가능 -> 기존의 재하시험 기반 안전성 평가 방법 대체 변형률 기반 디지털 트윈 구축(Model Updating) 기존기술 : 가속도 기반 개발기술 : 변형률 기반 신경망 센서 설치 유한 요소 모델링 신경망 센서 응답 계측 디지털 트윈 구축 디지털 트윈 운용기술(System Identification) - 국부손상 반영 기술 - 이상 상태 판단 기술 - 디지털 트윈 활용 손상 시나리오 구축 - 구조물 성능 평가 기술 - 통합 디지털 트윈 시스템 성능 평가 - 손상시나리오 구축 응답 상시 계측 이상 응답? '예'이면 - 디지털 트윈 재 구축 '아니오'이면 - 응답 상시 계측 디지털 트윈 재 구축 종료 맺음말 본 연구에서는 콘크리트 구조물의 상태를 과학적이고 효율적으로 관리하기 위하여 광섬유 기반 신경망 센서와 관련 계측기를 개발하였고, 다양한 실험을 통해 성능을 검증하였다. 구조물의 안전성과 손상을 평가하기 위해 신경망 센서 데이터를 활용하는 디지털 트윈 기법을 개발하였으며, 현장 적용을 통해 그 가능성을 검증하였다. 본 연구에서 개발된 기술은 신설 및 기존 콘크리트 구조물에 모두 적용이 가능하며, 향후 콘크리트 구조물의 스마트 모니터링에 기여할 것으로 기대된다. 인프라안전연구본부 게시일2021-04-19 조회수 678
• VR/AR 기반 스마트건설 시뮬레이션 기술 VR/AR 기반 스마트건설 시뮬레이션 기술 ▲ 서명배 미래융합연구본부 수석연구원 건설과 가상현실 기술 만남 국토교통부는 ’18년에 건설분야 경쟁력 향상과 안전성 제고를 위해 4차 산업혁명에서 취급하고 있는 최신 ICT 기술을 건설분야에 접목해서 생산성을 높일 수 있는 「스마트건설기술로드맵」을 발표하였다. 이는 최근 건설현장의 고령화, 근로시간 단축, 숙련 인력의 급격한 감소 등에 따른 대응전략 마련이 절실함에 따라 첨단 ICT 기술을 건설분야에 접목하여 건설 혁신 성장에 투자하면서 미래시장을 선점하고자 하는 정부의 의지가 포함되어 있다. 스마트 건설기술이란 건설에 3D 모델링 기술인 BIM(Building Information Modeling), 드론, 로봇 , IoT, 빅데이터, AI, VR/AR, Mobile 등을 융합하는 기술로 건설 전 단계에 걸쳐 스마트 건설기술을 적용하는 것을 말한다(그림1). 설계 패러다임 변화 2D설계 단계별 분절 3D설계 전단계 융합 적용기술 Lidar, Camera활용 건설부지 정보 수집 Big Data활용 시설물 계획 VR 기반 대안검토 BIM기반 설계자동화 시공 패러다임 변화 현장생산 인력의존 모듈화,제조업화 자동차,현장관제 적용기술 Drone을 활용한 현장 모니터링 Big Data활용 시설물 계획 장비자동화 및 로봇 시공 3D 프린터를 활용한 급속시공 유지관리 패러다임 변화 정보단절 현장방문 주관적 정보피드백 원격제어 과학적 적용기술 센서활용 예방적 유지관리 Drone을 활용한 시설물 모니터링 AI기반 시설물 운영 이와 관련하여 약 20년 전부터 건설분야에서는 고성능 재료 개발 및 적용이 증가하고 있으며 최근에는 탄소섬유가 철근 또는 철근망을 대체하는 소재로 활용되고 있다. 탄소섬유는 굵기는 머리카락의 약 1/10 정도이나 철보다 인장강도가 10배 이상 강한 소재이다. 건설재료로 탄소섬유의 가장 큰 장점은 녹슬지 않는다는 것이다. 이러한 탄소섬유 필라멘트를 1만 개에서 5만 개까지 모아서 직경이 2~5mm가 되는 다발로 만들고 이 다발로 간격이 2~4cm의 격자모양을 갖는 텍스타일 그리드 보강재를 제작할 수 있다. 텍스타일 그리드는 콘크리트나 모르타르의 보강재로 사용할 수 있고 모르타르를 결합재로 사용하는 경우 텍스타일 보강 모르타르(Textile Reinforced Mortar, TRM)라고 한다(그림 1). TRM 설계 및 시공 시 텍스타일 그리드의 비부식성으로 인하여 내구성 확보를 위한 피복두께가 필요 없기 때문에 구조물을 아주 얇게 시공할 수 있는 장점이 있다. 건설분야의 경우 3차원 정보모델인 BIM(Building Information Modeling) 활용이 의무화 되는 추세이며 이를 기반으로 VR/AR/MR 기술 및 첨단 센싱장비 등이 결합된 새로운 시장의 요구가 증가하고 있다. GS건설의 경우 2016년에 BIM 기반의 현장 장비 시뮬레이션을 활용한 최적의 공법을 제시해 전 세계 선진 건설사를 제치고 1조 7천역 규모의‘싱가포르 차량기지 프로젝트’를 단독 수주하는 성과를 거둔 바 있다. 가상건설 시뮬레이션 기술은 발주자, 시공사, 설계사, 민원인 등 다수의 이해당사자간 설계 성과품 검토, 시공성 검토, 유지관리에 활용 가능하여 기존 건설 프로세스 혁신 가능성이 높으며, 스마트시티와 연계하여 디지털 트윈(Digital Twin) 기반기술로 활용이 가능하다. 또한 가상현실 기술을 단순히 시각적으로 활용하는 것이 아닌 사용자 경험 및 체험기반의 기술로 발전시키고 이를 근간으로 법률검토, 안전검토, 설계인증, 가상건설 등에 활용 가능성이 매우 높다. 가상건설 기술의 궁극적인 목적은 프로세스 혁신을 기반으로 건설산업의 생산성 및 품질향상을 가능하게 하고 다양한 시뮬레이션 및 의사결정을 통해 건설산업의 기반기술을 지원하는 것이다. 국내외에서는 어떻게 활용되고 있으며 기술의 현 주소는 실제로 가상현실(VR, Virtual Reality) 기술은 설계단계, 증강현실(AR, Augmented Reality)과 혼합현실(MR, Mixed Reality) 기술은 시공 및 유지관리 단계에서 활용가능성이 높다. 미국 AECOM, 미국 Marquette 대학 등에서는 건축물설계, 도시설계, 도로설계 등에서 VR 기술을 활용한 의사결정에 활용하고 있으며, 핀란드 VTT, 미국의 Bently 등에서는 시공/유지관리 분야에서 AR 기술을 주로 활용하고 있으며 그 외에도 일본을 중심으로 VR 기반 재난/재해 시뮬레이션, 민간기업을 중심으로 AR, MR을 활용한 교육 및 협업분야에 활용되고 있는 것으로 조사되었다(그림2). 기획/설계 도시설계(핀란드, VTT) 설계 검토(미국, AECOM) 극지 시공성 검토(미국, Maquette Univ.) 시공/유지관리 현장공정관리(핀란드, VTT) 지하상수도 고나리(한국, (주)태후) 가상건설 시공 시뮬레이션(한국, (주)태성에스엔아이) 재난/재해 쓰나미 시뮬레이션(일본, 도쿄중앙대) 화산재 시뮬레이션(일본, 고베대) 지진 시뮬레이션(일본, 고베대) 교육 및 협업 원격 프로젝트 협업기술(미국, CDM Smith) 현장 교육 기술(미국, GE) 사전시공 교육(영국, Baibur Beaty) 가상현실 기술, 건설 분야 활용이 더딘 이유와 해결 방법은? 국내의 경우 가상현실 기술을 건설분야에 접목하기 위한 다양한 사례가 있으나 발주처 의사결정 지원, 프로젝트 수주, 대형 건설사들이 홍보 및 분양을 위해 사이버 모델하우스에서 주로 활용하는 등 업무에 제대로 적용되는 사례는 많지 않다. 최근 BIM이 활성화 되면서 BIM 모델링 저작도구와 호환되는 VR도구를 활용해 단순한 설계검토를 하는 사례는 증가하고 있으나 이마저도 프로토타입 수준이다. 본 연구진은 2016년 국내 최초로 한국건설기술연구원에 구축된 3면기반 대형 가상실증실험실을 활용하여 다양한 가상건설 시뮬레이션 실험을 진행하던 중 실제로 건설분야에서 사용되는 3D 도면인 BIM도면을 가상현실 환경 투사시 다양한 시뮬레이션을 위한 추가 작업에 많은 시간이 소요되고 도면의 재활용도 어렵다는 사실을 알게 되었다. 결국 가상현실 기술을 건설에 접목시 큰 효과가 있음에도 좋은 품질의 가상현실 콘텐츠를 제작하기 위해서는 많은 인력과 시간이 소요되고 이에 따른 경제성이 확보되지 못해 시장이 활성화되고 있지 못하고 있는 것이다. 이에 본 연구진은 건설 분야 3D 모델인 BIM을 근간으로 가상현실 시뮬레이션 변환시 동일한 품질을 유지하되 기존보다 시뮬레이션 만드는 시간을 단축하여 비용을 절감하고 단순히 설계검토, 간섭체크, 시공검토가 아닌 건설분야에 가상현실 기술을 활용시 최적의 효과가 있는 최적의 활용사례(Best Practice) 시뮬레이션을 개발하고 현장 적용을 통해 효과를 검증할 경우 새로운 시장개척이 가능하다는 판단을 하게 되었으며 이러한 부분을 해결하기 위해 관련 연구를 진행하였다(그림3). 그림3 기존 기술 한계 및 가상건설 기술 활성화 전략 기존사례의 경제성, 시장성 분석 건설+VR 접목에 대한 사례는 많으나 특정 수요자 기반이며 퀄리티가 낮음 3D 콘텐츠를 제작하고 VR/AR환경에 접목하기 위한 경제성, 시장성 기대불만 건설+가상현실 적용분야 검토 가상현실 기술을 활용하여 건설 시공상의 불확실성이나 리스크 사전 예방 및 제거 기획/설계 분야는 VR기술, 시공/유지관리/교육분야는 AR기술이 활용가능성 높음 BM 데이터와 연계하여 VR/AR 시뮬레이션시 콘텐츠 제작에 필요한 인력 및 비용을 줄일 수 있다면 경제성, 시장성이 높을것으로 기대 가상건설 기술을 활성화하기 위한 최고의 전략은? BM to VR/AR 생산성 및 경제성 향상을 위한 핵심 기술 및 플랫폼 개발 기존 기술 단순 모사가 아닌 VR/AR 기술을 활용했을 때 효과가 극대화 될 수 있는 분야 발굴 및 실효성 검증을 통한 신시장 개척(Uhreel ↔ Real 상호보완 : Digital Twin기반 기술) BM to VR/AR을 위한 제작 가이드, 발주 가이드 및 활용가이드 제작 그림 4 Auto Material 기능 적용 전과 후 (a) 재질 매핑 전 (a) 재질 자동화 매핑 후 가상건설 활성화 첫 단추, 가상현실 콘텐츠 제작 생산성 향상 BIM 모델을 활용하여 가상현실 콘텐츠를 제작함에 있어 고품질이 아닌 단순히 모니터에서 평면 기반 VR 기술로 사용하고자 하면 지금도 간단한 도구를 쓰면 활용 가능하다. 하지만 기술의 발전으로 사용자의 눈높이가 높아지고 머리에 착용하는 VR 안경(HMD, Head Mounted Display)을 활용해 몰입감이 높은 실제와 같은 시뮬레이션 구현을 위해서는 많은 인력과 시간 투입이 필요하다. 실제로 200메가 규모의 플랜트 시설을 기반으로 어지러움을 느끼지 않는 최소의 기준 120FPS(Frame Per Rate)를 충족하는 컨텐츠를 제작하기 위해서 초벌데이터 분석, 데이터 경량화, 오브젝트 최적화까지 약 3개월의 시간이 필요함을 알 수 있었다. 본 연구에서는 고품질의 BIM 데이터를 가상현실 환경에서 구현하는데 있어서 시간과 비용을 줄이기 위해 기존의 BIM 데이터를 VR로 변환하는 시간(BIM to VR)을 줄이기 위해 물리적인 데이터 양을 줄이는 경량화와 불필요한 BIM 속성을 자동으로 제거하는 속성 경량화 알고리즘을 개발하였으며, 아무것도 입혀지지 않은 빈 3D 모델을 근간으로 고품질의 콘텐츠 제작을 위해 BIM 모델 속성을 추출해서 건설분야에 가장 많이 활용되는 텍스쳐(재질)를 자동으로 매핑시켜 수작업을 줄여줄 수 있는 Auto Material 기술을 개발하였다. 관련된 핵심기술은 민간기업 기술이전 되었으며 H건설 가상현실 컨텐츠 제작에 실제로 활용되었다. 또한 본 기술을 검증하기 위해 200메가 규모의 10개의 파일을 근간으로 테스트를 진행하였으며 재질매핑 분야의 경우 기존보다 50% 시간이 단축되었으며 ’20년 3월에 한국정보통신기술협회(TTA)에서 성능에 대한 인증을 획득하였다. 가상건설 시뮬레이션 플랫폼, 최적의 활용사례 개발 및 현장적용 가상건설을 활성화하기 위해서는 발주처, 설계사, 시공사 등 다양한 이해당사자가 효과를 체감할 수 있는 최적의 콘텐츠를 제작하고 현장적용을 통해 효과를 검증해 내는 작업이 매우 중요하다. 이에 연구 초기에 다양한 이해당사자 등을 대상으로 최적의 시뮬레이션 콘텐츠를 고민하였으며 한국건설기술연구원이라는 공공기관의 특수성상 공공성, 시급성, 파급성을 고려하여 시뮬레이션을 개발하였다. VR 기술은 3D 모델을 기반으로 한 사전검토에 강점이있어 화재 및 소음 시뮬레이션 콘텐츠를 개발하였다. 화재 시뮬레이션의 경우 화재발화위치, 화재크기 등을 임의로 조정할 수 있으며 3D 모델 속성 정보가 연동되어 불길이 번져나가는 속도를 시뮬레이션 할 수 있다. 이 기술은 향후 사용자 경험기반 소방설계에도 활용이 가능하다. 또한 시각적인 효과가 가미된 소음 시뮬레이션을 개발하여 향후 민원 대응 등이 가능한 콘텐츠를 개발하였다(그림 5). AR 및 MR 기술은 현장에서 시설물 유지관리 및 성능평가 등에 활용 가능하다. 본 연구에서는 AR 기반 철도 시설물 성능평가, AR기반 터널 시설물 유지보수, MR 기반 화재 현장교육, 경관검토, 장비 원격제어 기술을 개발하였으며 지자체 및 현장 등에 실제 적용함으로서 가능성을 검증하였다(그림 6, 7). 이러한 시뮬레이션을 위해서는 BIM 도면이 필요하나 현재 BIM을 제작하는 저작도구들이 다양한 점을 고려하여 3D 중립파일 포맷인 FBX를 활용하여 시뮬레이션 플랫폼을 개발하였다. FBX 파일을 불러와 데이터 경량화, Auto Material을 수행하고 각각의 시뮬레이션을 Add-In 형태의 플러그인을 재작하여 기본 속성(화재 및 소음 크기, 체험자의 위치 등)만을 셋팅 후 도면에 탑재할 경우 다양한 환경에서 시뮬레이션이 가능하도록 플랫폼 형태로 제작하였다(그림8, 9). 본 과제에서 개발된 핵심 시뮬레이션 기술의 검증을 위해 고양시, 서울교통공사, 대곡-소사 4공구 복합터널 현장 등에 적용하여 기술의 효과를 검증하였다. 또한 핵심기술 해외진출 노력의 일환으로 BIM to VR 핵심기술을 사우디 신도시 개발 프로젝트(Neon City)에 적용하기 위해 ’20년 2월 사우디 왕자 소유의 기업인 Tanal Group과 MOU를 체결하였으며 현지 연구소 설립, 공동연구, 핵심기술이전 등을 위한 논의가 진행중이다. 맺음말 본 연구를 통해 가상건설 시장 활성화를 위한 가상현실 시뮬레이션 콘텐츠 제작에 필요한 생산성 향상기술, 7개의 최적의 활용사례 개발 및 현장적용, 핵심기술 민간기업 기술 이전 등을 진행하였다. 건설 분야의 AR/VR/MR 융합기술은 코로나19에 대응가능한 언텍트 핵심기술이며 향후 폭발적 성장이 예상되기 때문에 기술경쟁력을 갖추어 미래 건설시장을 선점하고 추가적인 성공사례 개발, 응용분야 연구, 비즈니스 모델 발굴, 관련 산업 활성화를 위한 제도적인 지원 등 다각도의 추가 연구 진행이 필요할 것으로 예상된다. 더불어 스마트 건설 가상화 시뮬레이션 연구는 기존 건설산업의 시간적, 공간적 제약을 극복하고 경제성, 다양성, 실용성을 확보할 수 있기 때문에 향후 신규시장 개척을 위한 기초기술로 활용할 수 있을 것이라 판단된다. 미래스마트건설연구본부 게시일2021-04-19 조회수 708
• Tech-lead형 액상화 피해 예측 가시화 시스템 및 고효율·저비용 액상화 보강공법 개발 Tech-lead형 액상화 피해 예측 가시화 시스템 및 고효율·저비용 액상화 보강공법 개발 ▲ 한진태 인프라안전연구본부 연구위원 들어가며 우리나라는 지진이 자주 발생하는 미국, 일본 등에 비하여 비교적 지진에 안전한 지역이라고 알려져 왔지만 2016년 경주 지진, 2017년 포항 지진으로 인하여 지진에 대한 국민적 관심과 우려가 커지고 있다. 특히 지난 2017년 포항지진으로 인해 1978년 이후 국내 지진계기 관측 사상 최초로 지반 액상화 현상이 발생하였다. 액상화 현상은 일반적으로 모래로 구성된 지하수 아래의 포화된 지반이 지진과 같은 반복하중에 의해 고체에서 액체와 유사한 상태로 변해 지지력을 잃는 상태를 말한다. 따라서 액상화가 발생한 지반 위에 구조물이 있을 경우 침하, 떠오름 등에 따른 피해가 발생할 수 있다. 미국, 일본, 뉴질랜드 등에서는 이러한 지진발생 시 액상화 현상으로 인해 건축물 및 인프라 구조물에 많은 피해가 발생한 바 있으며, 국내에서도 액상화 현상과 관련하여 포항 지진 이전에 삼국사기, 조선왕조실록, 승정원일기 등에서 피해 사례가 기록된 바 있다. 정부는 2018년 지진방재 개선대책을 통해 지진 연구 개발을 강화하면서 액상화에 대해서는 설계 기준 개선 및 액상화 위험지도를 작성하는 연구를 추진하기로 하였다. 한국건설기술연구원에서도 2018년부터 2020년까지 임무형 주요사업으로 ‘Tech-lead형 액상화 피해 예측 가시화 시스템 및 고효율·저비용 액상화 보강 공법 개발’ 과제를 수행한 바 있다. 이 글에서는 연구과제에서 개발된 핵심 성과 및 향후 활용 방안에 대해 소개하고자 한다. 연구목표 지진 시 지반 액상화 피해 예측을 위하여 국토지반정보 포털시스템 연계 GIS기반 위험도 가시화 시스템 및 액상화 지반 고효율·저비용 보강공법 개발 추진분야 지진 액상화 위험지도 개발 LPI 지수 및 LSN지수활용 2차원 지진시 액상화 위험 지도 구축 안전을 기반 3차원 액상화 위험지도 구축 액상화 위험지도 가시화시스템 액상화 위험지도 국토지반 정보 포털 시스템 연계 가시화 시스템 개발 3차원 지하공간 통합지도 연계 지진대비 보강 및 대응 지진 시 도심지 고효율·저비용 지반 액상화 보강공법 개발 현장실험을 통한 검증 및 실용화 지반 액상화 위험지도 액상화 위험지도를 작성하기 위해서는 액상화 평가를 위한 기본 지반 물성 데이터 수집, 데이터 품질 확보, 액상화 평가, 액상화 평가 지수 표출의 단계를 거쳐야 하며, 각 단계에 대한 표준화를 통해 국내 실정에 적합한 액상화 위험지도를 구축할 수 있다. 기본 데이터로 액상화 평가 대상 지역의 토질정보가 수집되어야 하는데, 한국건설기술연구원에서는 국토교통부의 위탁을 받아 지반조사 성과의 정확한 구축, 국가예산 절감 및 업무 효율화 등을 위하여 국토지반정보 포털시스템(www.geoinfo.or.kr)을 운영하고 있다. 지반조사 성과발생 현장에서 직접 전산 입력하도록 하고, 시추정보 활용·유통을 위한 유통체계를 구축하였는데, 현재 전국 29만여 공의 시추정보가 수집되어 있다. 따라서 국토지반정보 포털시스템을 이용하여 해당 지역의 토질정보를 기본 데이터로 수집할 수 있으며, 자료 검증 및 데이터 미확보 지역의 자료 확보를 위해서는 추가 시추조사를 수행하여야 한다. LPI = 0 액상화 위험도는 매우 낮음. 액상화에 관한 상세한 조사는 일반적으로 불필요 0 ＜ LPI ≤ 5 액상화 위험도 낮음. 특히 중요한 구조물의 설계시 보다 상세한 조사가 필요 5 ＜ LPI ≤ 15 액상화 위험도는 높음. 중요한 구조물에 대해서 보다 상세한 조사가 필요. 액상화 대책 요구됨 15 ＜ LPI 액상화 위험도는 매우 높음. 액상화에 관한 상세한 조사와 액상화 대책 불가피 확보된 지반 정보에 대해 신뢰도를 높이기 위한 품질 관리 절차를 진행한 뒤, 액상화 평가를 수행하게 된다. 액상화 평가는 지진하중과 지반의 액상화 저항성을 비교하여 안전율 값으로 나타내게 된다. 액상화 안전율은 지중의 특정 깊이(특정 지층)에서 액상화 발생유무를 나타내는 값이다. 하지만 지중에서 발생한 액상화가 항상 지표면까지 영향을 미치는 것은 아니며, 지표 1m 이하에서 액상화가 발생했을 경우와 지표 10m 이하에서 액상화가 발생했을 경우 지표면에 미치는 영향은 다르다. 또한, 액상화 위험지도를 작성하기 위해서는 3차원 데이터인 깊이 방향의 액상화 안전율을 지표에서의 대푯값인 2차원 데이터로 변환할 필요가 있다. Iwasaki 등은 액상화 안전율에 심도에 따른 가중치를 곱하고 이를 적분하여 얻어지는 LPI(Liquefaction Potential Index)를 제안하였고, 이값을 이용하여 2차원 액상화 위험지도를 작성하였다. 본 연구에서는 세계 최고 수준의 해상도를 갖는 격자망 크기(250m×250m)로 2차원 액상화 위험지도를 작성하였다. 또한, 지중 내 20m 깊이까지 1m간격으로 지반의 액상화에 대한 안전율 정보가 표출되는 3차원 액상화 위험지도를 작성하였다. 액상화 위험지도 가시화 시스템 본 과제에서는 앞서 소개한 2차원 및 3차원 액상화 위험지도 작성 기술을 바탕으로, 지반 정보DB인 국토지반정보 포털시스템과 연계된 액상화 평가 및 가시화 자동화 시스템을 개발하였다. 액상화 평가 및 가시화 자동화 시스템은 시추정보 추출, 시추정보 품질 확보, 지반응답해석, 액상화 평가, 위험지도 작성 및 국토지반정보포털시스템 연계 등 일련의 과정을 자동화하였다. 국토지반정보 포털시스템과 연계된 액상화 평가 및 표출 자동화시스템은 기초 정보인 시추정보가 업데이트 될 경우 액상화 위험지도도 빠르게 갱신할 수 있다. 따라서 지진재난 대책 관련 전문가들이 보다 편리하게 액상화 관련 정보를 활용할 수 있게 되며, 3차원 액상화 위험지도는 지진 시 지중 내 안정성을 평가하기 위한 기초 자료로 활용될 수 있다. 액상화 지반 보강 공법 본 과제에서는 액상화 위험지도 개발과 더불어, 방향성 굴착기술을 활용하여 기존구조물 하부의 액상화 위험지반을 경제적이며 효율적으로 보강할 수 있는 새로운 액상화 보강공법을 개발하였다. 액상화보강 그라우팅에 특화된 방향성 굴착장비를 신규 제작하였으며, 액상화 위험도가 높은 지반을 대상으로 장비의 성능검증 및 현장실험을 통한 액상화 보강효과를 분석하였다. 현장실험 결과 신규 제작된 액상화 보강용 방향성 굴착장비의 굴착성능은 확보한 것으로 나타났다. 노후된 실제 학교 건축물을 대상으로 기존 보강공법과 신규 개발한 액상화 보강공법의 경제성 및 효율성을 비교 분석한 결과, 기존 공법 대비 약 18.5%의 비용절감 효과가 있음을 확인하였다. 공사시간은 기존 보강공법 대비 약 8.4% 절감되므로 신규 보강공법의 작업효율이 더 뛰어남을 알 수 있었다. 또한, 액상화 보강 그라우팅 공법에서 약액 그라우팅과 압밀 그라우팅 설계 및 적용 시 고려해야 하는 주요 영향 인자를 선별하였으며, 약액 그라우팅과 압밀 그라우팅에 대하여 각각 수치해석과 축소모형실험을 수행하여 보강 지반 조건에 따른 구근의 침투·팽창 범위 및 형상, 유효 반경을 평가하였다. 이를 바탕으로 실제 액상화 취약지반 보강을 위한 그라우팅 공법 시공 시 참고해야 할 그라우트 주입 가이드라인을 정립하였다. (1) 방향성 굴착 장비(HDD)를 이용하여 목표지점까지 굴착 방향성 굴착장비-롯드-기존구조물(그라우팅계획범위)-방향성 굴착 전용비트 - 액상화 발생 가능 지반 (2) 목표지점 도달 후 내부비트 및 센서부 회수 방향성 굴착장비-롯드-롯드와 외경비트 회수-기존구조물-그라우팅주입시스템-앵커형 고정장치 - 액상화 발생가능지반 (3) 롯드 및 비트 내부 빈 공간을 통해 그라우팅 주입 시스템 사입 방향성 굴착장비 - 롯드- 기존구조물 - 내경비트 및 센서부 회수 - 방향성 굴착 전용비트 - 액상화 발생 가능 지반 (4) 그라우팅 주입 시스템을 지반에 고정한 후 롯드와 외경비트 회수 그라우팅장비 - 기존구조물 - 지반보강을 위한 수평 그라우팅 실시 (5) 그라우팅 주입용 팩커를 인발하면서 순차적으로 액상화 보강재 주입 방향성 굴착 장비 - 롯드 -기존구조물 - 그라우팅 주입시스템 삽입 - 앵커형 고정장치 - 액상화 발생 가능지반 (6) (1)~(5)번 과정을 반복하면서 액상화 방지를 위한 지반보강 완료 그라우팅 장비 - 기존 구조물 - 수평그라우팅을 이용한 지반보강 완료 맺음말 지진 시 최초로 보고된 지반 액상화 현상은 우리나라에서도 지진이상부 구조물 뿐만 아니라 기초 지반에도 심각한 피해를 일으킬 수 있음을 보여준 사례이다. 액상화 위험지도는 내진설계를 위한 예비평가로 활용 가능하며, 지진 발생 이후에는 육안으로 확인 불가능한 지중 내 피해 상황을 예측할 수도 있다. 따라서 국내 액상화 위험지도 구축 및 표준화는 필수적이며, 지진 발생이 빈번하고 액상화가 발생하기 쉬운 매립 지반이나 모래층으로 이루어진 지역부터 순차적으로 작성이 이루어져야 한다. 이 글에서 소개한 3차원 지진 액상화 위험지도는 국토교통부 사업인 ‘지하공간통합지도’와 연계하는 연구도 진행중이다. 이를 통해서는 지표면 아래 매설된 각종 상하수도나 통신장비 등의 지진 피해를 예측하고 사전 대책을 체계적으로 수립할 수 있다. 또한 지하공간개발 및 지하안전관리 분야에서 보다 합리적이고 효율적인 체계구축이 가능할 것으로 전망된다. 향후 액상화 위험지도와 상부구조물 또는 지중구조물의 피해를 예측하는 연구도 필요하다. 현재 액상화 위험지도는 지진 시 지반의 위험성을 시각화한 기본 자료인데, 시설물의 지진 피해를 예측하는 지진피해 통합시스템 구축 시 본 자료를 활용하게 되면 더욱 정확하고 신뢰도 높은 지진 피해 예측이 가능할 것이다. 인프라안전연구본부 게시일2021-03-24 조회수 645
• 텍스타일 활용 고성능 건설자재 및 콘크리트 구조물 성능향상 기술 개발 텍스타일 활용 고성능 건설자재 및 콘크리트 구조물 성능향상 기술 개발 ▲ 김형열 인프라안전연구본부 선임연구위원 연구배경 건설재료 중에서 경제성, 시공성, 내구성 등을 종합적으로 고려할 때 가장 보편적으로 사용되는 재료는 콘크리트이다. 과거에는 많은 양의 콘크리트를 사용하여 튼튼하게 구조물을 시공하는 것이 당연시 되었으나 시멘트는 1t 생산 시 약 0.8t의 이산화탄소가 발생하기 때문에 건설에서 시멘트 사용량을 감소시키는 것이 필요하게 되었다. 또한, 콘크리트 보강재로 사용되는 철근의 부식으로 인하여 잦은 유지보수가 발생하고 있어 비부식성 보강재의 적용이 필요하게 되었다. 한편 우리나라는 물론 대부분의 선진국이 고령화 사회로 진입함에 따라 장래에는 숙련된 건설노동자를 적기에 시설물 유지관리시장에서 구할 수 없는 시대가 도래할 것으로 예측되므로 앞으로는 최소한의 유지관리만을 필요로 하는 건설재료와 시공법이 필요하게 되었다. 이와 관련하여 약 20년 전부터 건설분야에서는 고성능 재료 개발 및 적용이 증가하고 있으며 최근에는 탄소섬유가 철근 또는 철근망을 대체하는 소재로 활용되고 있다. 탄소섬유는 굵기는 머리카락의 약 1/10 정도이나 철보다 인장강도가 10배 이상 강한 소재이다. 건설재료로 탄소섬유의 가장 큰 장점은 녹슬지 않는다는 것이다. 이러한 탄소섬유 필라멘트를 1만 개에서 5만 개까지 모아서 직경이 2~5mm가 되는 다발로 만들고 이 다발로 간격이 2~4cm의 격자모양을 갖는 텍스타일 그리드 보강재를 제작할 수 있다. 텍스타일 그리드는 콘크리트나 모르타르의 보강재로 사용할 수 있고 모르타르를 결합재로 사용하는 경우 텍스타일 보강 모르타르(Textile Reinforced Mortar, TRM)라고 한다(그림 1). TRM 설계 및 시공 시 텍스타일 그리드의 비부식성으로 인하여 내구성 확보를 위한 피복두께가 필요 없기 때문에 구조물을 아주 얇게 시공할 수 있는 장점이 있다. 기술 개발 현황 이 글에서는 TRM 활용 기술 중에서 한국건설기술연구원(이하 건설연)에서 성능검증이 완료된 프리캐스트 TRM 패널 기술, TRM 뿜칠 보강 기술, 콘크리트 포장 TRM 덧씌우기 기술을 소개하고자 한다. 건설연에서 개발한 텍스타일 보강 콘크리트 기술은 기존 국외기술대비 크게 두 가지 특징을 갖는다. 첫 번째는 텍스타일 그리드의 표면을 마모재로 코팅하여 부착성능을 해외제품 대비 약 190% 향상시켰다. 두 번째는 텍스타일 보강 콘크리트가 기존 콘크리트에 비하여 아주 얇게 시공되는 것을 고려하여 사용되는 모르타르의 염해저항성능은 기존 모르타르 대비 3배, 화학적 저항성능은 기존 대비 2배이상 향상시켰다. 프리캐스트 TRC 패널 활용 기술 텍스타일 그리드 보강재와 모르타르를 사용하여 두께 15~20mm 정도로 얇게 제작한 패널을 TRM 패널이라고 한다. 건설연에서는 얇게 제작된 프리캐스트 패널을 탈형이 필요 없는 영구거푸집은 물론 콘크리트 구조물 보강 목적으로 활용하는 방안을 개발하였다. 제설제를 사용하는 도로시설물이나 해양환경에 노출된 항만구조물은 염해피해 특히 염화물로 인한 철근부식과 철근부식으로 인한 콘크리트 균열, 박리, 탈락이 쉽게 발생하고 있다. 최근 설계사례에 따르면 항만 잔교식 구조물의 바닥판 피복두께를 최대 130cm까지 설계하고 있다. 콘크리트 구조물 시공시 본 연구에서 개발한 두께 20mm TRM 패널을 영구거푸집으로 적용하는 경우 콘크리트 양생 후 탈형이 필요 없고 TRM 패널과 콘크리트 구조물이 일체화되어 하중저항성능은 약 1.5배로 증가하는 효과가 있었다. 또한, TRM에 사용하는 모르타르는 염해저항성능과 화학적 저항성능이 우수하여 구조물의 내구수명을 증가시킬 수 있는 장점도 있다. 한편, 노후 콘크리트 구조물의 보강공사에서 프리캐스트 TRM 패널을 거푸집 겸 보강재로 적용할 수도 있다. 건설연에서는 TRM 패널을 구조물 표면에 앵커로 고정한 후 패널과 구조물 사이 틈새에 그라우트 재료를 주입하여 구조물을 보강하는 공법(TRM 패널 보강공법)을 개발하여 특허를 출원하였다. 특히, TRM 패널 보강공법은 작업공간이 협소하여 뿜칠시공이 곤란한 현장이나 항만 잔교 바닥판 하면 등 기존 공법 시공시 해양오염의 우려가 있는 경우 패널 거치 후 그라우트 충진만으로 급속시공이 가능한 장점이 있다. TRM 패널 공법으로 보강된 슬래브에 대한 파괴실험 결과에 따르면 보강 전과 비교했을때 파괴하중이 1.5배로 증가하여 보강효과가 우수함을 알 수 있었다. TRM 뿜칠 보강 기술 노후 콘크리트 구조물 보강공사에서 TRM은 인력이나 기계화 시공이 가능하다. 다만, 기존 국외에서 개발 및 적용되고 있던 TRM 뿜칠 공법에서는 시공과정에서 텍스타일 그리드를 구조물에 견고하게 고정하는 적절한 방법이 없었다. 따라서 곡면을 갖는 구조물, 슬래브하면에 TRM을 뿜칠로 시공하는 과정에 그리드가 탈락하는 사고가 종종 발생했다. 건설연에서는 TRM 뿜칠 시공법에서 구조물 벽체 또는 하면에 그리드를 빠르고 견고하게 고정할 수 있는 방법을 개발하여 특허를 출원하였고, 실제 콘크리트 박스구조물을 대상으로 시험시공을 실시하여 시공성 및 시공품질 확인을 마쳤다. TRM 뿜칠로 보강된 콘크리트 슬래브에 대한 파괴실험 결과에 따르면 보강 전과 비교했을때 파괴하중이 2배로 증가하여 보강효과가 우수함을 알 수 있었다. 콘크리트 포장 TRM 덧씌우기 콘크리트 포장은 아스팔트 포장에 비하여 수명이 길지만 표면이 노후화되거나 손상이 발생하는 경우 부분적으로 보수하는 것이 곤란하였다. 또한, 두께 300mm인 포장면을 전면 교체하는 경우 교통통제로 인한 사회적 비용이 증가하고 막대한 콘크리트 폐기물 발생으로 인하여 폐기물처리비용이 발생하고 있다. 본 연구에서는 세계 최초로 노후한 콘크리트 포장의 표층을 TRM으로 덧씌우기 하는 보수공법을 개발하였다. 개발된 기술은 노후 콘크리트 포장의 표층을 100mm 절삭한 후 그 위에 텍스타일 그리드 보강재와 콘크리트를 타설하여 포장면을 재생(덧씌우기)하는 공법이다. 개발된 기술에 대한 세 차례의 실내 성능실험을 거쳐 2020년 6월 경기도 연천에 위치한 SOC실증연구센터에 테스트베드를 구축하였다. 테스트베드 구축결과, 본 보수공법은 기존 공법에 비하여 폐기물 발생이 최소화되며, 시공이 간편하고 급속시공이 가능한 것으로 확인되었다. 현재 테스트베드에 대한 모니터링이 진행 중이며 포장가속시험(총15,000회 반복) 결과, 현재까지 보수된 단면에 누적된 손상이 없는 것으로 파악되었다. 맺음말 국토교통부 기반시설 관리 기본계획(2020.2)에 따르면 노후시설물을 준공 후 30년으로 기준으로 했을 때 우리가 매일 이용하는 도로, 철도 등 사회기반시설의 37%는 노후시설물이고 20년 후에는 80%로 증가될 예정이다. 노후시설물은 예산부족 등의 이유로 일시에 교체할 수 없으므로 수시로 유지보수를 실시하여 성능을 유지해야 하고 성능이 부족한 시설물은 보강 또는 성능개선공사를 실시하여 안전을 확보하고 시설물의 사용수명을 늘리는 것이 필요하다. 텍스타일 보강 콘크리트 기술은 기존 콘크리트 기술에 비하여 얇게 시공할 수 있고 내구성 및 구조성능 또한 우수한 것으로 파악되었다. 한편, 탄소섬유와 모르타르 또는 콘크리트 모두 불연소재이기 때문에 내화성능이 우수하여 화재위험에 노출된 건축물, 지하철 등 시설물 보강에 효과적으로 활용할 수 있을 것으로 판단된다. 한편, 개발된 기술의 경제성 분석 결과에 따르면 기존 공법에 비하여 최대 40% 비용절감이 가능하여 실용화를 위한 경제성도 확보된 것으로 파악되었다. 건설연에서는 텍스타일 보강 콘크리트 기술의 실용화를 위하여 대상시설물 및 공종에 따라 최적화를 실시하고 실제 시설물에 적용한 후 장기 모니터링을 실시할 예정이다. 인프라안전연구본부 게시일2021-03-24 조회수 491

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