KICT 한국건설기술연구원

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• TBM 자동 운전을 위한 운용 시스템 개발 TBM 자동 운전을 위한 운용 시스템 개발 ▲ 최순욱 KICT 지반연구본부 수석연구원 들어가며 인구 구조의 변화 (고령화)로 인해 생산 가능 인구가 감소하고 건설업의 열악한 근로환경에 기인하여 건설 현장에 청년층의 유입과 숙련 노동자는 감소하는 추세이다. 건설 분야 근로자 중 청년층 (15~29세)의 유입은 지속적으로 감소하고 장년층 (55세 이상)의 비율은 보다 빠르게 증가하여 건설업은 전 산업 평균에 비해 빠른 속도로 고령화가 진행되고 있다(그림 1). 또한, 2000년 초반을 지나면서 전 산업의 재해율은 점차 감소하는 데 반해, 건설업의 재해율은 고령화가 급속하게 이루어지는 시점을 기준으로 다시 증가하는 추세를 보인다 (그림 2). 고령화와 숙련 노동자의 감소는 건설공사 목적물의 품질 저하뿐만 아니라 사고위험 증가에 영향을 주고 있다. 즉, 결과적으로 생산성 감소와 재해율 증가의 원인이 되고 있다는 의미이다. 건설 산업의 생산성 증가율은 전체 산업 분야 중에서 최하위 수준이며, 우리나라를 비롯하여 전 세계적으로 건설 산업의 생산성을 향상시키기 위해 다양한 정책을 추진하고 있다. 각 국에서는 건설 산업에 신기술 적용을 통한 생산성 향상을 추진하고 있으며, 일례로 영국의 ‘Construction 2025’, 일본의 ‘i-Construction’이 진행되고 있다. 국내에서는 국토교통부가 ‘제6차 건설기술진흥기본계획 (2018~2022)’을 통해 ‘스마트 건설을 통한 생산성 향상’을 추진하고 있으며, ‘제4차 과학기술기본계획 (2018~2022)’의 건설·교통 분야의 중점과학기술에 ‘지속가능한 인프라 구조물 건설기술’이 포함되었다 (과학기술전략연구소, 2019). 이 글에서는 국토교통부 산하 국토교통과학기술진흥원에서 기획·관리하고 한국도로공사 (사업단)에서 추진하고 있는 스마트건설기술연구사업의 2중점분야 5세부과제 ‘도로구조물 원격·자동화 시공 기술 개발’ 중 TBM (Tunnel Boring Machine) 자동운전을 위한 운용시스템 개발에 대하여 소개하였다 (그림 3). 머신러닝 기반 터널 기계화 시공 (TBM) 자동화 기술 개발 스마트건설기술연구사업의 5세부 과제는 도로구조물 건설 공기 25% 이상 단축을 목표로 시공 과정을 혁신시키기 위한 연구과제이다. 특이한 점은 도로구조물에 대한 시공을 주제로 하다 보니 주요 구조물인 교량과 터널에 대한 시공기술이 함께 포함되었다는 점이다. 이 과제에서는 VR·로봇·머신러닝 등을 활용하여 건설공사에 포함된 위험한 작업·인력에 의한 의사결정 등 생산성 저해 요인을 해소하고 건설 공기를 25% 이상 단축시킬 수 있는 교량·터널 원격·자동화 시공 기술을 개발하는 것을 목표로 한다. 이 글에서는 데이터 (TBM 지반/굴진데이터)와 머신러닝 기술을 활용하여 TBM 장비 운전을 자동화하는 터널 분야 자동화 시공 기술에 대해서 설명하였다. 해당 기술은 5세부 과제의 세부기술 3으로서, ‘머신러닝 기반 TBM 스마트 운용 기술’이라는 주제로 TBM 시공에서 얻는 지반정보와 굴진정보를 기반으로 지반에 따른 TBM 운전 경험 데이터를 사전 처리하여 머신러닝 기법으로 학습시키고 있다. 그 결과는 추후 자동운전으로 가기 위해 운전 작업 일부를 자동화함으로써 운전자 (operator)의 작업부담을 경감시켜주는 것을 목표로 하고 있다 (그림 4). 머신러닝을 위한 TBM DB 및 시스템 구축 데이터 기반 학습을 통해 예측을 수행할 수 있는 머신러닝은 산업 전반에 걸쳐 사용되고 있으며, 건설 분야에서도 그 활용이 증대되고 있다. 특히 시공 전반이 장비 기반으로 진행되는 TBM 분야는 자동화에 대한 관심이 높으며, 해외에서는 일정한 지반조건에서 AI 알고리즘을 이용한 부분적인 TBM 운전 자동화가 이루어진 바 있다. TBM 작업에 영향을 주는 장비성능, 운전자, 현장상황, 지반 조건과 같은 요소 중 지반조건은 굴진성능에 큰 영향을 주는 요소이다. 이러한 이유로 다수의 TBM관련 논문에서 지반조건에 따른 굴진성능의 예측을 다루었으며, 지속적으로 연구되고 있다. 머신러닝 기법을 적용한 TBM 운전 자동화 관점에서 살펴보면, 지반데이터는 굴진데이터와 유기적인 관계가 있기 때문에 지반데이터와 굴진데이터가 결합된 데이터 세트 (data set)가 필요하다. 따라서 TBM 운전 자동화에 머신러닝을 적용하기 위해서는 항상 두 가지 데이터를 같이 수집해야 한다. TBM의 굴진데이터는 수백~수천 개의 항목으로 구성되어 있기 때문에 머신러닝을 위한 목표 (target)와 특징 (features)의 선택이 중요하다. 예를 들어 목표는 운전자에 의해 조작되는 TBM 굴진속도, 스크류 컨베이어 속도가 될 수 있고, 특징은 추력 (thrust), 토크 (torque), 회전속도 (RPM), 전방압 (face pressure) 등을 선택할 수 있다. 학습 데이터 세트 구성 시 일반적으로 데이터 테이블의 칼럼 (column) 제목이 되는 특징은 굴진데이터뿐만 아니라 지반데이터를 같이 구성하여 지반과 굴진데이터가 결합된 학습이 이루어지도록 해야 한다. 이때 특징의 선택은 그림 5와 같이 상관도 분석과 같은 데이터 분석 또는 전문가의 기술적 판단에 근거하여 수행될 수있다. 위 과제에서는 TBM 현장의 지반데이터와 굴진데이터를 수집하여 DB화하고, 데이터 세트를 구성할 수 있는 TBM DB 관리시스템 (TBM DB Management System, TDMS)의 설계 및 플랫폼 구축과 TBM 자동 운전을 위한 TBM 자동운전시스템 (TBM Auto Operation System, TAOS)에 대한 설계 및 플랫폼 제작이 같이 진행되고 있다 (그림 6). TBM 자동운전시스템은 DB 관리시스템에서 작성된 데이터 세트를 학습하여 설정된 목표에 대한 최적의 머신러닝 알고리즘과 하이퍼파라미터 (hyperparameters)를 도출한 다음, TBM 제어부와의 연결을 통해 운전의 일부를 자동화하는 시스템이다. 아직 TBM의 자동 운전은 세계적으로도 연구단계에 있기 때문에 현장 적용에 있어서도 조심스러운 접근이 필요하다. 본 과제에서는 현장 적용 시 TBM 운전자가 직접 조작하는 수동방법과 시스템에 의한 자동방법을 운전자 판단에 근거하여 변환하여 사용할 수 있도록 시스템을 구성하고 있다. 머신러닝 기법을 이용한 토압식 쉴드 TBM의 굴진성능 예측 다음은 위 과제에서 하천 하부의 토사지반을 통과하는 토압식 실드 TBM 터널 구간의 지반데이터 및 굴진데이터와 몇 가지 머신러닝 기법을 사용하여 실드 TBM의 굴진율을 예측한 결과 예이다. 데이터 전처리 (pre-processing) 과정으로 굴진데이터의 다양한 전압 측정값, 계측 온도, 위치 및 자세 정보와 같은 특징을 삭제하여 주요 지반과 굴진데이터 항목 15개를 선정하고 데이터 값과 평균의 차이를 표준편차로 나누어 표준화 (standardization)를 적용하였다. 그리고 결측치 처리는 결측 값이 존재하는 데이터 전체를 제거하는 방식을 사용하였다. 특징들 간의 유의성 검증 (0.05이하)과 다중공선성 만족여부 (VIF 10이하)를 판단하였고 하이퍼파라미터는 그리드서치 (GridSearchCV) 기법을 사용하여 결정한 다음, 학습데이터와 테스트데이터의 비율을 8:2로 적용하였다. 결과에 대한 예측성능은 RMSE (Root Mean Square Error)와 결정계수 (coefficient of determination)를 사용하였다. 학습결과는 표 1, 그림 7과 같다. 7가지 예측 모델의 성능을 비교한 결과, 앙상블 (ensembles) 모델인 그랜드 부스팅 (GradientBoosting)과 서포트 벡터 머신 (Support Vector Machine)이 분석한 데이터 세트에 대해서 토압식 실드 TBM 굴진성능 예측에 적합한 것으로 나타났다. 그러나 이 결과는 단일 현장의 데이터를 기반으로 도출된 것으로 다양한 현장의 데이터를 이용한 결과를 확인할 필요가 있다. 맺음말 머신러닝을 이용한 TBM의 운전 자동화를 위해서는 현장의 지반정보와 굴진정보를 수집하고 이를 이용하여 학습에 적합한 데이터 세트의 구성과 분석이 필요하다. TBM의 굴진정보는 수백~수천 개의 항목으로 구성되어 있기 때문에 머신러닝을 위한 목표 (target)와 특징 (features)의 선택에서부터 난관을 맞이하게 되며, 그 전에 장비로부터의 온전한 굴진정보 수집에서 어려움이 발생한다. 또한, 수백 미터 간격으로 수행되는 지반정보의 부족 역시 머신러닝을 적용하는 데 문제로 다가온다. 머신러닝에서 좋은 결과를 내기 위해서는 양질의 데이터를 확보하는 것이 중요하다. 이제 국내에서도 TBM 데이터 수집의 중요성을 인식하고 있지만, 아직까지 파편적인 데이터 세트 구성만이 가능하다. 데이터 기반으로 높은 학습 성능을 보여주기 위해서는 모두의 관심이 필요한 상황이다. 굴삭기를 비롯하여 많은 건설중장비가 자동화에 속도를 내고 있으며, TBM 자동화 분야에서도 일부 성과가 나타나고 있다. 인력 부족과 생산성 증가를 위해서 장비의 자동화는 건설 분야를 비롯하여 산업 전반의 대세이다. 따라서 TBM 자동화 분야에서도 지속적인 연구가 필요하다. 지반연구본부 게시일2022-10-25 조회수 963
• 건설장비 자동화 및 장비연동 품질관리 디지털화를 통한 스마트 건설기술 개발 건설장비 자동화 및 장비연동 품질관리디지털화를 통한 스마트 건설기술 개발 ▲ 조진우 KICT 지반연구본부 수석연구원 ▲ 최창호 KICT 지반연구본부 연구위원 들어가며 건설 산업은 낮은 생산성과 시공품질 저하 문제 등으로 위기 상황에 직면해, 국가 차원의 건설 자동화 기술 사업을 추진하고 있다. 정부는 제 6차 건설기술진흥기본계획을 통해 ‘SmartConstruction 2025’를 비전으로 설정하고 스마트 건설 자동화 기술 도입을 위한 스마트 건설 전략 로드맵을 수립하였다. 또한, 2018년 4월에 발표된 ‘국토교통과학기술 연구개발 종합계획’에서는 융합기술을 통한 건설 지능화 실현을 위하여 건설 자동화 분야를 전략목표로 제시하고 있다. 도로 건설공사는 선형적이고 반복적인 공사 특성으로 인한 건설장비 의존도가 높아 타 건설공정에 비해 자동화 적용을 통한 공정 개선이 상대적으로 양호한 분야이나 현실은 그렇지 못하다. 자동화 공정 적용이 어려운 사유는 아래와 같이 분석될 수 있다. (1) 불도저·그레이더·롤러 등 도로 공사에 사용되는 장비 작업 시 운전자 숙련도에 따른 시공 품질 편차에 의한 재시공 증가 (2) 노동 집약적이고 반복적인 작업으로 인한 열악한 근로 환경 및 작업자 위험 노출 (3) 시공 중에 도로 품질을 확인할 방법이 없어 시공 지연으로 인한 장비 대기시간이 길어지고, 검측에 소요되는 시간 역시 공사 원가에 상당한 영향을 미침 이러한 문제를 해결하고자 현재 글로벌 건설장비 제조회사·건설 자동화 솔루션 회사 등을 중심으로 도로 공사 자동화 기술을 개발하고 있으며, 건설장비 자동화 기술 확보가 늦은 국내 건설장비 산업과 종합 건설사의 시공 경쟁력 확보를 위하여 정부 주도의 대규모 투자를 통한 유관 기술의 도약을 유도하고 있다. 또한, 향후 건설시장이 자동화 장비와 이를 통한 자동화 시공 위주로 재편될 경우, 국내 건설기업이 해외 글로벌 건설장비 기업의 자동화 시공 및 관리 서비스를 제공받는 형태로 사업 참여 범위가 축소될 수 있다. 따라서 자동화·디지털 시공 관리 기술 개발을 통한 시공 경쟁력 확보 방안 마련이 시급한 상황이다. 이 글에서는 스마트 건설장비를 활용한 도로 건설현장의 자동화 및 디지털화 현황과 앞으로 추진해야 할 과제에 대하여 논의하고자 한다. 도로 건설장비 자동화 및 현장관리 디지털화 기술의 국내외 현황 최근 들어 스마트 건설에 대한 관심이 높아지면서 도로 건설 현장에서도 건설 자동화 기술을 적용하고자 하는 노력이 증가되고 있다. 도로 건설현장의 자동화 기술 발전 흐름은 가장기초적인 기술로서 운전자에게 장비의 위치정보를 알려주는 머신 가이던스 (MG, Machine Guidance) 기술로부터 시작하여, 장비의 위치정보뿐만 아니라 장비제어가 가능한 머신 컨트롤 (MC, Machine Control) 기술, 운전자 없이 MC 기술이 적용된 건설장비를 원격 제어하는 기술, 최종적으로는 인공지능을 이용하여 자율주행과 자율시공이 가능한 완전 무인화를 목표로 기술개발이 진행되고 있다. Caterpillar, Komatsu 등의 해외 주요 건설장비 제작사의 경우 범용 장비인 굴삭기를 중심으로 다양한 장비에 대한 머신 가이던스와 더불어 작업 자동화가 가능한 장비 상용화를 진행하고 있고, Trimble, Leica와 같은 센서 솔루션 공급업체는 MG와 MC 기술을 위주로 한 애프터마켓용 제품을 중심으로 상용화를 진행하고 있다 (그림 1). 국내의 경우 건설장비는 굴삭기와 지게차 위주로 생산되기 때문에 굴삭기 중심의 MG 및 작업 자동화 기술 개발이 이루어지고 있으나, 해외 선진 장비보다 MG 및 MC 장비의 상용화가 늦어지고 있다. 현대두산인프라코어·현대건설기계 등의 건설장비 제조업체들은 자사 굴착기에 외산 MG 기술을사용자가 옵션으로 장착할 수 있도록 하는 서비스를 출시하였으며, 빠르게 자체 MC 기술 상용화에 노력하고 있다. 자율 주행과 인공지능, 관제 분야는 국가 주도의 R&D 사업으로 활발하게 진행 중이며, 종합 건설시공사 중심으로 지능화 기술을 작업장 안전 관점에서 시범적으로 적용하고 있다. 시공 현장의 각종 데이터에 대한 수집·모니터링·분석·예측·공유를 위한 건설 특화 플랫폼 서비스 또는 솔루션에 대한 수요가 증대되고 있다. 특히 건설현장의 각종 환경·사람·중장비 등에서 생성되는 데이터를 IoT 기술을 활용하여 실시간으로 수집하고, 이를 클라우드 기반의 빅데이터 기술로 정제 후, 사무실과 시공현장의 각종 디지털 기기를 통한 공유를 목적으로 하는 지능형 IoT 플랫폼에 대한 관심이 증대되고 있다 (그림 2). 인프라킷 (Infrakit)은 도로포장이나 철도건설 같은 건설현장 특화 IoT 서비스 플랫폼 제공기업으로서 도로·철도 등 인프라 건설에 특화된 서비스를 SaaS (Software as a Service) 형태로 제공한다. 오피스 데스크톱 버전과 모바일 버전 등 N-Screen에 특화된 인프라 건설 관련 제반 관리 서비스를 2D MAP과 3D 모델링 공간 맵핑 기술을 활용하여 제공한다. 미국의 건설 특화 플랫폼 회사인 Tenna의 경우 각종 건설 중장비의 Fleet Management를 시작으로, 각 건설 장비·도구의 현황을 파악하고 이에 대한 효율적인 제어·관리를 목적으로 하는 ONE Platform이라는 솔루션을 제공하고 있다. 독일의 대표적인 도로 건설분야 중장비 전문 기업인 Wirtgen Group의 경우 특히 도로포장 다짐 관련 중장비에 IoT 기술을 접목한 도로 품질의 실시간 현황 확인 및 리포트를 위한 Witos Paving 솔루션을 출시하여 독일뿐만 아니라 북미 시장에 진출하고 있다. WITOS Paving은 도로포장의 품질데이터를 IoT를 통해서 실시간으로 수집하고, 해당 데이터의 품질 요소를 판별하여 현장 시공 관리자에게 모바일 어플리케이션으로 리포트를 해주는 서비스이다. 국내의 경우 최근 IoT 및 네트워크 기술을 바탕으로 건설 플랫폼 기술이 개발되고, 관련 연구가 진행되고 있으나, 관련 기술의 급격한 발전에도 불구하고 현장 적용성을 확보한 플랫폼은 부족한 실정이다. 디지털 기반 도로건설현장 자동화 도로 건설현장 자동화의 가장 근본적인 전제조건은 공사의 자동화 및 품질관리의 디지털화로 요약할 수 있다. 이를 위해서는 ICT 기술과 로봇 기술을 적용한 건설장비를 활용하여 도로공사를 자동화하고, 장비와 연동하여 시공품질을 실시간으로 디지털화하여 평가·관리할 수 있는 시스템이 개발되어야 한다. 시공 자동화와 품질관리 디지털화 기술의 정의는 아래와 같다. (1) 시공 자동화: 인구 고령화와 숙련자 확보의 어려움을 극복하고 작업측량 공정 제거를 통한 생산성 향상을 위한 건설장비 작업 자동화, 자율주행 및 원격제어 기술 (2) 품질관리 디지털화: 도로 시공의 작업 연속성을 확보하고 품질관리 데이터의 획득 및 분석작업의 효율화를 통한 생산성 향상을 위한 국내 건설 환경을 고려한 품질관리 업무의 자동화·최적화 기술 이러한 건설장비 자동화 추세에 따라 건설장비에 요구되는 기능적 요구사항도 변화하고 있다. 과거에는 전통적으로 기계산업 분야인 소재·부품·제어시스템 분야의 중요성이 높았다. 현재와 미래의스마트건설 시대에는 기계산업 분야인 자동제어시스템을 기본으로 하여 건설산업 분야인 자동화된 건설장비를 활용하기 위한 작업공간 인식기술, 작업모드 및 시나리오 생성 기술의 중요도가 높아지고 있다. 따라서 시공 현장의각종 데이터에 대한 수집·모니터링·분석·예측·공유를 위한 건설 특화 플랫폼 서비스 또는 솔루션 개발에 집중할 시기라고 판단된다. 특히 건설현장의 환경·사람·중장비 등에서 생성되는 디지털 데이터를 IoT 기술을활용하여 실시간으로 수집하고 이를 클라우드 기반의 빅데이터 기술로 정제·분석 후 현장에 즉시 활용하여 건설현장의 생산성을 향상시키는 지능형 IoT 플랫폼의 중요도가 높아질 것으로 예상된다. 그림 3은 디지털 기반 도로 건설현장 자동화의 4단계를 개념적으로 보여주고 있다. ① 장비 관제, ② 자동화된 장비를 활용한 현장시공, ③ 현장 데이터 수집·정제, ④ 데이터 분석·예측으로 구성되며 도로건설 전 단계의 디지털 데이터는 플랫폼에 저장되어 분석된다. 건설 자동화 실현을 위한 최우선 과제는 기준화 자동화 장비 도입에 따른 건설 생산성 향상은 단일 자동화 기술의 적용에 의한 장비 자동화를 포함하여 전체 건설 시공 프로세스의 자동화 개선을 도모하는 것을 목적으로 해야 한다. 즉, 자동화 장비를 사용하여 작업을 하는 경우에 작업속도는 기존 장비와 비슷하거나 오히려 늦을 수도 있으며, 향후 자동화 수준이 증가할수록 작업속도는 더 늦어질 수 있다. 결론적으로 자동화 장비 사용에 따른 생산성 향상 효과는 자동화 장비를 통한 실시간 디지털 데이터를 통하여 측량·검측·품질검사 등의 전후 공정을 생략할 수 있는 데서 나오는 것이다 (그림 4). 따라서 자동화 장비 도입에 따른 건설 자동화 표준공정 및 기준 제시가 최우선으로 뒷받침되어야 한다. 표 1은 국외 자동화 장비 기반 토공사 품질관리 기준을 나타내고 있다. 오스트리아 (RVS 8S.02.6,1990)를 시작으로 독일 (Research Society for Road and Traffic, 1994), 스웨덴 (Vagverket, 1994), 국제지반공학회 (ISSMGE, 2005), 미국 (FHWA, 2014; AASHTO, 2020), 일본 (국토교통성, 2020)에서 지능형 다짐 기반 토공사 품질관리 기준을 제시하고 있다. 대부분의 국외 기준에서는 지능형 다짐값과 일점시험 (평판재하시험 등)의 상관관계 분석을 통해 목표 지능형 다짐값 (Intelligent Compaction Measurement Value, ICMV)을 결정하고 (시험시공), 이 값을 바탕으로 토공사 품질을 관리 하도록 하고 있다 (본 시공). 일본 (국토교통성, 2020)은 지능형 다짐값을 활용하지 않고, 스웨덴 (Vagverket, 1994)에서는 지능형 다짐값을 현장 토질시험 위치를 찾기 위한 제한적인 목적으로 활용하는 수준이다. 각 기준의 품질관리 절차는 전반적으로 유사하지만, 목표 지능형 다짐값의 결정방법 및 이를 활용한 품질관리 상세기준은 상이하다. 스마트건설사업단 3세부 과제인 ‘디지털 기반 도로 건설장비 자동화 기술 개발’에서는 국외 토공 자동화 품질관리 기준 분석 결과 및 자체 테스트베드 적용 결과를 종합하여 목표 지능형 다짐값 (ICMV)의 결정방법과 이를 활용한 품질관리 상세기준을 결정하였다 (지능형 다짐공 표준시방서: KCS 10 7070 (2021), 그림 5). 자동화 장비 기반 토공사 품질관리 절차를 살펴보면 시험 표 1 국외 품질관리 자동화 기술 관련 기준 사례 (한국건설기술연구원, 2021) 시공을 통해 품질관리 목표 지능형 다짐값 (Intelligent Compaction Measurement Value, ICMV)를 결정한 뒤, 이를 기준으로 토공사 품질관리를 수행하게 된다. 시험시공 단계에서는 지능형 다짐값 (ICMV)과 현장 토질시험 (평판재하 시험 혹은 들밀도 시험) 결과를 회귀분석하고, 현장 토질시험 결과가 다짐판정 기준에 부합할 때의 ICMV를 목표 지능형 다짐값으로 결정하게 된다. 본 시공 단계에서는 현장을 2,000~4,000 ㎡ 단위로 분할하여 단계적으로 시공하며, 시공 중 ICMV를 측정하여 ① 측정된 ICMV의 평균값이 목표 지능형 다짐값의 105% 이상이어야 하고, ② 목표 ICMV 값의 70% 이하의 영역이 전체 영역의 10% 이하가 되도록 규정하고 있다 (그림 6). 맺음말 이 글에서는 스마트 건설장비를 활용한 건설 현장의 자동화 및 디지털화 현황과 앞으로 추진해야 할 2개의 핵심 기술을 제안하였다. 첫 번째로 인구 고령화와 숙련자 확보의 어려움 이 글에서는 스마트 건설장비를 활용한 건설 현장의 자동화 및 디지털화 현황과 앞으로 추진해야 할 2개의 핵심 기술을 제안하였다. 첫 번째로 인구 고령화와 숙련자 확보의 어려움 지반연구본부 게시일2022-10-25 조회수 2444
• Tech-lead형 액상화 위험지도 구축기술 고도화 연구 Tech-lead형 액상화 위험지도 구축기술 고도화 연구 ▲ 한진태 KICT 지반연구본부 연구위원 ▲김종관 KICT 지반연구본부 수석연구원 ▲박가현 KICT 지반연구본부 수석연구원 들어가며 2017년 포항지진 시 국내 계기지진이래 최초로 지반 액상화 현상이 공식적으로 보고되었고 이에 따라 국민적 불안감이 증대되었다(그림 1). 액상화 현상은 일반적으로 건축물 및 인프라의 피해를 유발한다. 2011년 발생한 뉴질랜드 Christchurch Earthquake와 일본 The off the Pacific Coast of Tohoku Earthquake의 사례를 보면 건축물의 침하 및 부등침하, 지하 맨홀 및 하수관거의 부상에 따른 피해, 도로 침하, 모래 분사에 따른 시설물 피해 등 큰 경제적 피해를 초래한다. 따라서 지진 시 액상화 발생 가능성이 높은 지역의 사전 예측을 위한 국내 액상화 위험지도 개발이 필요하다. 본 연구팀은 1단계 연구인 ‘Tech-lead형 액상화 피해 예측 가시화 시스템 및 고효율·저비용 액상화 보강공법 개발(2018~2020)’을 통해 한국건설기술연구원에서 위탁 운영하고 있는 국토지반정보 포털시스템의 지반시추 자료 데이터베이스를 기반으로 국내 액상화 위험지도 개발 및 결과 표출 시스템을 시범 구축하였다. 이를 통해 데이터베이스 변화에 따라 효율적 갱신 및 관리가 가능해졌다. 개발된 액상화 위험지도 작성 시스템을 바탕으로 각 지자체별 액상화 위험도 구축을 통해 액상화 위험지역의 파악 및 사전대응이 가능하다. 한편, 액상화 위험지도를 지자체 GIS 시스템에 적용하여 활용하기에 앞서 각 지자체별로 자체 개발한 GIS 시스템을 개발운영하고 있기 때문에 프로토콜 매칭 및 데이터표준화에 관한 연구가 필요하다. 또한, 향후 지자체에서 액상화 위험지도를 재난재해 대응, 도시계획 등에 활용할 수 있도록 도시모형연계 방안에 관한 연구가 필요하다. 이와 더불어 1단계에서 개발한 액상화평가 프로그램 및 데이터 품질관리 등 액상화위험지도 구축기술 고도화를 통해 액상화 위험지도의 신뢰도를 제고할 필요가 있다. 본 연구의 1단계에서는 국토지반정보 포털시스템과의 연계를 통한 액상화위험도 평가 및 액상화위험지도 작성에 중점을 두었다면, 2단계(그림 2)에서는 액상화 위험지도의 신뢰도를 향상시키기 위한 고도화 연구를 수행하였다. 액상화 위험지도를 지자체에 적용하기 위해 액상화 위험지도 프로토콜매칭 및 데이터 표준화 연구를 진행하였고, 3D 도시모형 연계 액상화 시뮬레이션 프로토타입을 구현하였다. 최종적으로 2단계 1차년도(2021년)에는 서울특별시 공간정보 플랫폼(Virtual Seoul) 내 2D 액상화 위험지도를 탑재하는 데 성공하였으며, 2차년도(2022년)에는 서울특별시 공간정보 플랫폼내 3차원 액상화 위험지도 탑재를 추진할 예정이다(한국건설기술연구원 2021). 액상화 위험지도 구축기술 고도화 액상화 위험도 자동평가 프로그램의 기본 개념은 1단계 연구사업 ‘Tech-lead형 액상화 피해 예측 가시화 시스템 및 고효율·저비용 액상화 보강 공법 개발(2018-2020)’에서 정립하였다. 기존의 프로그램은 액상화 평가 자동화 및 국토지반정보 포털시스템과의 연계에 주안점을 두었다면 본 연구에서는데이터 품질관리, 광역단위 평가, 다수 지진파에 대한 액상화평가 수행을 추가하여 액상화 위험도 자동 평가 프로그램을 고도화하였다. 데이터 품질관리는 지반정보 데이터(심도, 지층종료, SPT 타격횟수, SPT 관입깊이 등)가 액상화 평가에 적절한지 검토하는 절차이다. 먼저 지층정보 데이터 중 심도데이터 불일치 유무, 지층종류 불일치 유무를 1차적으로 판단하여 필터링을 수행하며, 2차로 SPT실험 데이터 중 타격 횟수가 50회 이상이거나 관입깊이가 30cm 이상인 경우 이상치로 간주하고 제외한다. 실제 현장에서 SPT 실험 수행 시 관입깊이가 30cm를 넘거나 타격횟수가 50회를 넘는 경우가 실무상 존재하긴 하나 데이터베이스상의 데이터에서 이를 판단하기 어려운 점과관입깊이와 타격횟수가 반대로 입력된 것으로 의심되는 데이터가 존재하여 판단에 어려움이 있으므로 결과의 신뢰성을 확보하기 위해서 액상화 평가 시 제외하는 알고리즘으로 구성하였다. 다음으로 다수 지진파에 대한 액상화 평가를 수행하기 위해 7개의 지진파에 대하여 순차적으로 지반응답해석을 수행하고 각각의 응답해석결과를 바탕으로 액상화 평가를수행한 후 평균값을 결과로 도출하도록 구성하였다. 이를 통해 지진파 선정으로 인한 편차를 줄일 수 있다. 또한, 액상화 위험지도의 신뢰도를 향상시키기 위한 방법으로 앞서 설명한 품질관리 절차 이외에도 인공지능을 이용하여 지반정보를 자동으로 품질관리 하는 방안에 대하여 검토하였다. 그 결과, 본 연구에서 개발한 오토인코더 모델이 지반정보의 품질관리에 적절하게 사용될 수 있음을 확인하였다. 차년도에는 개발한 모델의 정확도 검증, 이상 여부를 판단할 수 있는 임계점 설정, 다양한 지역 데이터에 적용하여 본 모델의 적용성 확장, 알고리즘 개선 등 다양한 시도를 통해 인공지능을 이용하여 지반정보의 이상치를 탐지하는 데 있어서 보다 향상된 결과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다. 데이터 프로토콜 매칭 및 표준화 액상화 위험지도 서비스는 현재 표준모델에 따라 관계자에게 인쇄물 또는 전자문서 형태의 정적 지도로 제작·배포되고 있다. 정적 지도는 외부 환경과 관계없이 누구나 쉽게 열람 할 수 있다는 장점이 있으나, 제한된 용지 면적 내에 모든 항목을 표현해야 하는 제약으로 인해 세부적인 정보 취득이 매우 제한적인 단점이 있다. 현시점에서 액상화 위험지도의 최종 사용자는 행정안전부 또는 지방자치단체의 재난대응 부서가 해당한다. 이 경우, 전자문서 형식을 액상화 위험지도 서비스 방식으로 한정한다면 정보의 재편집 및 유관 행정업무에서의 활용(분석 등)이 매우 제한적이다. 따라서 향후 액상화 위험지도 서비스는 파일 시스템(File System) 중심의 서비스 제공 방식과 웹 서비스(Web Service) 중심의 서비스 제공 방식을 병행하여 제공할 필요가 있다. 본 연구에서는 액상화 위험지도의 파일 시스템 중심 서비스 제공 방식과 웹 서비스 중심 방식의 서비스 제공 방식에 대하여 검토하였고, 향후 지자체나 관련 부처의 상황에 따라 유연하게 액상화 위험지도를 활용할 수 있는 방안을 선제적으로 마련하였다. 액상화 시뮬레이션 프로토타입 구현 본 연구에서는 액상화 위험지도를 지자체에서 도심지 재난재해 위험도 관리 및 대응, 도시계획 등에 활용할 수 있도록 지형, 건물을 함께 3D로 시각화하고 연계하는 3차원 도시 시뮬레이션 활용 방안에 대해 검토하였다. 이를 위하여 지역별 상세자료 취득의 제약으로 인해 지질도 보간 및 시각화 테스트는 ‘경상북도 포항시’의 시추성과를 이용하여 구현하였으며, 3D 도시 모형 연계 시뮬레이션 테스트는 서울지역 액상화 위험도 모의 평가 결과를 토대로 ‘서울특별시 영등포구’로 설정하여 그림 3∼5와 같이 단계별로 구현하였다. 먼저, 서울특별시 일부 지역의 건물 높이 정보를 취득하여 ‘건물지반높이’와 ‘건물 높이’ 속성정보를 이용하여 LOD1 수준의 3D 건물을 시각화하였다. 이후 액상화 위험도 평가결과를 연계하여 건축물이 정착한 지반의 액상화 위험도와 함께 시각화가 가능하며, 경우에 따라 특정 위험수준에 위치한 건축물만을 선택적으로 시각화하는 것이 가능하다. 본 연구에서는 초고층 건물에 대한 선택적 시각화를 시도하여 시범적으로 액상화 위험지도의 3차원 도시 시뮬레이션 활용 가능성을 확인해보았다. 서울시 Virtual Seoul 시스템 내 2차원 액상화 위험지도 탑재 본 연구에서는 서울시를 대상으로 지반액상화 평가를 수행한 후 서울시 공간정보 플랫폼인 Virtual Seoul 내에 2차원 액상화 위험지도를 탑재하였다. 국토지반정보 포털시스템에서 제공받은 서울특별시 지반정보 DB자료는 총 24,327공이다. 여기서 1차 필터링(좌표데이터 검증) 및 2차 필터링(지층정보, 시험정보 존재확인)을 통해 전체 중 약 85%인 20,857공이 사용가능한 것으로 나타났다. 다음으로 데이터의 품질관리를 진행하였다. 지층정보 및 시험정보 품질관리 후 데이터 일치성 여부를 재검토한 결과 최종적으로 사용가능한 데이터는 총 13,236공으로 확인되었다. 이후, 7개의 지진파를 이용하여 액상화 평가에 사용하였으며 활용한 자세한 물성 정보 및 방법론에 관해서는 2020년도 연구보고서에 명시되어 있다(KICT, 2020). 본 연구팀은 액상화 위험지도 현장적용과 관련하여 2021년 2월부터 서울시와 지속적인 미팅을 통해 Virtual Seoul 내에 액상화 위험지도 적용방안에 관한 논의를 진행하였다. 그 결과 그림 6~8과 같이 서울시 공간정보플랫폼 Virtual Seoul 내에 2차원 액상화 위험지도를 현장적용하였고, 차년도에는 3차원 액상화 위험지도를 Virtual Seoul 내에 탑재할 예정이다. 맺음말 본 연구에서는 지진 시 액상화 발생 및 피해예측을 위해 1단계 연구인 ‘Tech-lead형 액상화 피해 예측 가시화 시스템 및 고효율·저비용 액상화 보강공법 개발(2018~2020)’에서 개발한 국토지반정보 포털시스템과 연계된 2차원 및 3차원 액상화 위험지도 작성기술 및 시스템을 바탕으로 지자체에 액상화 위험지도를 보급하고 상부 및 지중 구조물의 피해를 예측 가능하도록 하였다. 액상화 위험지도의 신뢰도를 향상시키기 위하여 데이터 품질관리, 광역단위 액상화 평가, 7개의 지진파를 통한 액상화 자동 평가 개선 등 액상화 위험도 평가기법 고도화 연구를 수행하였다. 지자체에 액상화 위험지도를 보급 및 적용하기 위하여 액상화 위험지도 프로토콜 매칭 및 데이터 표준화 연구를 진행하였고, 3D 도시모형 연계 액상화 시뮬레이션 프로토타입을 구현하였다. 2단계 1차년도에는 서울시 공간정보 플랫폼 Virtual Seoul 내에 2차원 액상화 위험지도를 탑재함으로써 본 연구 성과의 현장 적용성을 확인하였으며, 차년도에는 서울시 공간정보 플랫폼 Virtual Seoul 내에 3차원 액상화 위험지도까지 탑재하여 도심지 재난재해 대응 및 관리에 폭넓게 활용될 예정이다. 지반연구본부 게시일2022-05-26 조회수 1188
• 수중 건설 자동화를 위한 건설용 3D 프린팅 재료 개발 수중 건설 자동화를 위한 건설용 3D프린팅 재료 개발 ▲ 서은아 KICT 구조연구본부 전임연구원, 이호재 KICT 구조연구본부 수석연구원 들어가며 2024년 세계기상기구(WMO)는 ‘2023년 전 지구 기후현황 보고서’를 통해서 최근 10년 간 전 세계 해수면 상승 속도가 연간 4.77 mm로 이전 대비 2배 이상 빠르게 높아지고 있으며, 평균 해수면 온도가 사상 최고치를 경신함을 발표하였다. 전 세계 인구의 40%가 해안으로부터 100 km 이내에 거주하고 있어 해수면 상승으로 인한 거주공간 확보와 생존 문제를 당면하고 있다. 해양자원 확보와 생활영역 확장이 요구됨에 따라 연안공간의 수요가 증가하고 있으며, 향후 수중공간의 개발까지 확대되고 있다. 괌과 두바이, 몰디브 등에는 수중 5~6 m 깊이의 호텔·리조트를 건설하여 실제로 운영하고 있다. 국내에서는 현대건설과 한국해양과학기술원이 컨소시엄을 구성하여 울산광역시 울주군 바다에 2026년까지 해저과학기지 완공을 목표로 건설을 진행하고 있다. 또한 새로운 수중환경구조물 건설기술 개발을 통해 이상기후 등으로 더욱 증폭되는 태풍과 지진 등 자연재해 현장의 조속한 복구 및 방재 측면에서의 예방시설 축조가 증가할 것으로 예상된다. 수중환경 구조물 수요가 증가하고 있지만 수중 건설에 대한 시공과 품질관리는 현실적인 어려움이 많은 실정이다. 특히, 수중 건설 분야에서는 최근 잠수사의 부족 및 고령화로 인해 안전사고 위험성이 더욱 증가하고 있기 때문에 수중 건설 자동화 기술 수요는 점차 증가하고 있다. 그 외에도 각종 취·배수 구조물, 댐, 교량 수중부 등 다양한 수중 구조물의 보수·보강 자동화 기술에 대한 수요도 증가하고 있다. 수중 구조물 시공 시에는 내수압의 고성능 구조 및 재료 기술이 필수적으로 요구되며, 기상환경에 영향을 많이 받는 문제점이 있다. 시공 환경문제를 극복하기 위하여 수중로봇의 적용으로 잠수사 투입을 최소화하는 기술이 확대되고 있다. 수중로봇은 강한 조류에도 작업이 가능하고 수중에서 인력으로 작업하기 어려운 문제 해결과 실시간 촬영 및 센싱기술을 통하여 시공 정확도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 한국해양과학기술원에서는 수중 건설자동화에 대한 사회적 요구를 반영하여 2013년에 수중건설로봇사업단을 출범하였다. 이 사업단에서는 2019년까지 6년간 로봇기술을 개발하였으며, 2022년까지 4년간 실증 및 확산사업을 추진하였다. 특히, 수중로봇사업단은 수중용접, 해저케이블 매설, 수중구조물 설치, 파이프라인의 매설 작업을 수행하기 위한 경작업용 유영식 ROV(Remotely operated vehicle), 중작업용 유영식 ROV, 트랙기반 로봇 등 3종의 로봇을 개발하였다. 그러나 수중 구조물 on-site 시공기술의 부재로 인해 기술적 공백영역을 해소하고자 시공 자동화 방안으로 수중 건설용 3D프린팅 기술이 대두되었는데, 건설용 3D 프린팅 기술이 우주 주거환경 조성기술과 같은 극한 환경에서 적용할 수 있는 기술로 알려졌기 때문이다. 최근 해저도시 개발 및 수중과 연결된 해상구조물 건설 등 다양한 관점에서 추진됨에 따라 수중건설용 3D 프린팅 기술에 대한 연구가 전 세계적으로 확대되고 있다. 이 글에서는 수중 건설 자동화를 위한 건설용 3D 프린팅 재료 기술 개발 현황과 방향을 간단히 소개하고자 한다. 수중 건설용 3D 프린팅 재료의 요구성능 콘크리트는 거푸집 안을 잘 채울 수 있는 수준의 유동성이 항상 필요한 재료이다. 하지만 3D 프린팅용 재료는 반대로 출력 이후 형상을 유지하며 연속적으로 쌓아 올려야 하므로 재료 자체가 흐름성이 없으며, 외력에도 형상이 변화하지 않고 저항해야 하는 특성이 요구된다. 일반적으로 건설용 3D 프린팅 기술은 생산(production), 이송(pumping), 출력(printing)의 3단계로 구성된다. 시멘트계 재료는 시간이 지남에 따라 유동성이 줄어들고 경화되므로, 재료 개발은 생산부터 출력에 이르는 전체 시스템에 맞춰야 한다. 만약 재료가 빨리 경화하면 장비 내부에서 폐색이 발생하고, 유동성 감소가 느리면 재료가 적층되지 않는다. 시멘트계 재료는 원재료의 미세한 변화에도 물성 제어가 어렵고, 기온과 습도변화에 민감하기 때문에 건설용 3D 프린팅 재료 개발과 물성제어가 가장 어렵고 핵심적인 기술이다. 콘크리트는 시멘트, 물, 모래, 자갈의 혼합물로, 혼합 후 경화하는 데 최소 8시간 이상 소요된다. 경화 전에 물과 만나면 구성물이 씻겨 내려가므로 수중에서 콘크리트를 타설하는 것은 어려운 기술이다. 수중 건설용 3D 프린팅 재료는 출력성, 적층성, 치수안정성, 역학적 성능이 핵심이다. 3D 프린팅 재료의 이송 및 출력 성능은 유동성과 리올로지(rheology) 평가로 정량화할 수 있으며, 수중 불분리성 시멘트계 재료의 적용이 필수적이다. 일반적으로 레이어의 적층성과 치수안정성을 확보하기 위해서는 적층경로에 따라 노즐의 이동속도(적층속도)를 조절하는 방식을 사용한다. 대부분의 건설용 3D 프린팅 재료로는 물과 시멘트계 재료 및 잔골재를 혼합한 모르타르가 사용되고 있다. 3D 프린팅 기술이 현실적으로 사용되기 위해서는 현재의 모르타르 3D프린팅 기술보다 더 빠른 출력 속도가 요구되는데, 모르타르 3D 프린팅은 레이어(layer)의 1회 출력 면적을 향상시키는 데 제약이 있다. 하지만 굵은 골재를 혼합한 3D 프린팅 재료는 레이어 내부에 포함되어 있는 굵은 골재들이 지지력과 마찰력을 갖게 되어 레이어 높이를 증가시키기 수월해지는 장점이 있다. 이에 따라 2020년도 이후부터 건설용 기중 및 수중 3D 프린팅 기술에 굵은골재를 적용한 기술 연구가 전세계적으로 확대되고 있다. 수중 건설용 3D 프린팅 기술 성능 검증 한국건설기술연구원은 2020년부터 2022년까지 ‘수중 적층 타설용 콘크리트 복합재료 개발’ 연구를 수행하였다. 이 연구를 통하여 수중 적층 압축강도 30 MPa 이상, 수/기중 압축강도비 80% 콘크리트 복합재료와 1회 적층고 50 mm, 적층폭 100 mm 대응 수중 콘크리트 적층 실험장비를 개발하였다. 개발된 수중 건설용 3D 프린팅 기술은 대형 수조와 한국건설기술연구원의 방파제실험동에서 성능검증 실험을 수행하였다. 개발한 수중 건설용 3D 프린팅 기술을 수중과 기중 환경에서 동일한 조건으로 콘크리트 시험체를 제작하여 레이어 폭과 높이, 적층물의 총 높이, 압축강도를 측정하였다. 정수 조건인 수조환경에서 수중 적층 콘크리트의 압축강도는 62.8 MPa를 확보하였으며, 기중 압축강도 대비 99% 수준의 성능을 달성하였다. 수중 출력 부재의 레이어폭은 100 mm이상, 적층 두께는 52.9 mm, 부재 전체 높이에 대한 처짐량은 1 mm로 높은 치수안정성을 나타내었다(그림 1). 또한 한국건설기술연구원 방파제실험동에서 부산신항의 평균유속을 모사한 조건으로 수중 3D 프린팅 재료의 성능을 평가하였다. 출력 단계에서 3D 프린팅 재료의 분리는 거의 없이 형상을 유지하며 출력되었으며, 목표했던 탁도기준 50 mg/l를 달성하였다(그림 2). 이를 통하여 수중 및 유속환경에서의 건설용 3D 프린팅 기술을 활용하여 구조물 직접 시공이 가능함을 확인하였다. 맺음말 수중 건설용 3D 프린팅 기술은 해저도시, 심해기지 건설 등 수중 극한환경에서 적용할 수 있는 미래 선도적인 건설 융복합 분야의 원천기술이 될 것으로 예상된다. 하지만 수중 건설사업에 바로 적용하기 위해서는 해결해야 할 현실적인 문제들이 많기 때문에 현재 적용 가능한 분야를 도출하는 것이 필요하다. 수중 건설용 3D 프린팅 기술은 해조류 및 어패류의 생육환경에 맞춰 설계된 인공어초와 수중 구조물의 유실부를 형상에 맞게 제작할 수 있으며, 연안침식을 방지하기 위한 수중 구조물 제작에도 활용될 수 있을 것이다. 또한 이 기술에 적정한 보수 보강 기술을 추가로 개발함으로써 수중 구조물의 보수 보강을 자동화할 수 있을 것으로 예상된다. 이러한 노력을 통해 건설용 수중 3D 프린팅 기술이 실제 수중 구조물 보수 및 건설 현장에서 광범위하게 활용될 수 있기를 기대해본다. 참고자료 World Meteorological Organization(2024) 2023년 전지구기후현황, 1347, 3-7. 해양수산부 해양수산과학기술진흥원(2023) 수중 적층 타설용 콘크리트 복합재료 개발 최종보고서. 구조연구본부 게시일2025-02-24 조회수 90
• 차세대 원전 구조물 기술 개발 동향 차세대 원전 구조물 기술 개발 동향 ▲ 이종석 KICT 구조연구본부 선임연구위원 들어가며 ‘차세대 원전’이라고 하면 어떤 이미지를 떠올릴까? 대형 상용 원전의 경우 최신 한국형 원전 ARP1400을 개선한 더욱 용량이 크고 안전한 방식의 원전 혹은 최근에는 기존 대형 원전에 비해 1/3~1/5의 출력 규모인 SMR(Small Modular Reactor)로 불리는 소형 모듈형 원전을 생각하게 될 것이다. 그리고 대부분은 원전의 발전용량, 냉각방식, 제작방식 등 주로 원자로와 이와 관련된 원자력 기술을 떠올릴 것이다. 그러나, 여기서 간과하고 있는 중요한 부분은 ‘구조물’에 대한 고민이다. 원자력발전소(원전)에서 구조물은 원전의 안전을 담당하는 최후의 보루라고 할 수 있다. 즉, 원자로에 문제가 생겼을 경우 내부로부터의 폭발 압력을 버티고 저항하여 대형 사고로 이어지지 않도록 훌륭한 버팀목이 되며, 외부로부터의 충격, 예를 들면 미국의 911테러처럼 원자로 격납 건물에 대한 항공기 충돌에 대응하여 원자로를 지켜주기도 한다. 또한, 원자로에서 발생하는 각종 방사선에 대한 훌륭한 차폐막이 되어 외부 유출을 막기 때문에 국민의 안전을 생각 한다면 절대로 간과해서는 안된다. 물론 가장 중요한 것은 원자로 자체의 안전이겠지만, 원전 사고는 그 영향력이 매우 크기 때문에 최후의 보루는 구조물이 될 수밖에 없다. 이 글에서는 차세대 원전 구조물에 대한 기술을 소개하고자 한다. 원자력발전에 대한 세계적 동향 전 세계적으로 선진국에서는 태양열, 풍력, 지열, 조력 등 그린에너지 기술 개발이 활발히 진행되어 왔으며, 원자력발전의 경우 방사성 물질 등에 대한 환경적인 영향을 고려하여 탈원전의 기류를 타고 있었다. 그러나, 최근 에너지 부족, 탄소 저감 등의 커다란 벽에 부딪혀 점차 원자력발전으로 회귀 하는 양상을 보인다. 유럽연합(EU)은 2022년 2월 EU 그린텍소노미(Green Taxonomy)를 통하여 원자력발전을 친환경 에너지로 편입하여 친환경 에너지에 주는 여러 가지 혜택을 받을 수 있도록 하였다. 영국은 전력 생산량 중 원전 비중을 현재 15%에서 2050년까지 25%로 상향 추진하고 있다. 폴란드는 2043년까지 신규 원전 6기를 순차적으로 건설하는 것을 계획하고 있으며, 핀란드는 15년 만에 처음으로 신규 원전을 가동하기 시작했다. 프랑스도 2050년까지 신규 원전 6기를 건설하고, 추가로 8기를 검토하고 있다고 한다. 미국, 캐나다 등은 SMR과 같은 차세대 원전 개발에 집중하고 있는 양상이다. 특히, SMR의 경우 우리나라를 비롯하여 미국, 러시아, 중국 등 각국에서 70종 이상을 개발하고 있으며, 경쟁이 매우 치열하다. 우리나라는 2012년 SMART 원자로가 표준설계 인가를 받았으며, 현재 경쟁력을 더욱 강화한 i-SMR을 2028년 표준설계인가 취득 및 2030년 이후 상용화를 목표로 한국원자력연구원과 한국수력원자력이 개발하고 있다. 한편, 우리나라는 2009년 아랍에미리트(UAE) 바라카 원전 수주 이후 최근 체코 두코바니 원전 2기의 우선협상대상자로 선정되어 원전 수출국으로서의 입지를 다졌으며, 이를 바탕으로 향후 폴란드, 우크라이나, 사우디아라비아 등 원전 수주를 기대하고 있다. 차세대 원전 구조물 기술에 관하여 전 세계적으로 원전 구조물의 신규 건설은 상당히 진행될 것으로 보인다. 앞에서 설명하였듯이 원전 구조물은 매우 중요한 역할을 하고 있다. 원전 콘크리트 구조물은 1971년 착공 된 고리원전 1호기를 시작으로 지속적인 기술 발전이 이루어졌다. 특히, 우리나라 최초의 원전은 미국 웨스팅하우스의 기술로 설계되었으나 이후 지속적인 기술 개발을 통해 원자로뿐 아니라 원전 구조물에서도 독자적인 기술력을 확보하게 되었다. 구조물은 원자로를 비롯한 각종 기기 설비와 달리 한 번 건설하면 폐로 및 해체시까지 교체 없이 사용해야 하는 특성을 갖고 있다. 따라서 구조물의 설계와 시공은 장기적인 안전성 관점에서 접근해야 하기에 가급적 검증된 기술들을 적용하고자 하는 보수성이 저변에 자리 잡고 있다. 하지만 SMR이라는 기존의 원전에서 벗어난 새로운 형식의 원전이 개발되어 생활환경과 밀접한 관계를 맺게 되었으며, 수출을 목표로 하는 한국형 상용 원전은 기후변화 등으로 인한 극한 환경 또는 국가 간 분쟁환경에도 대응할 수 있는 구조물의 개발이 필요한 상황으로 탈바꿈하고 있다. 그렇다면, 원전 구조물에 대하여 어떤 이슈들이 있으며 이를 해결하기 위하여 어떤 기술이 필요한지 살펴보자. 먼저, 콘크리트는 중성자 차폐를 위한 가장 우수한 재료이다. 이에 원자로 옆에는 차폐 콘크리트가 시공되어 있으며 우수한 성능으로 차폐 임무를 담당하고 있다. 그러나 그림 2와 같이 원자로에서 나오는 열중성자에 콘크리트가 장기간 노출되면 콘크리트는 방사화가 진행되게 된다. 방사화된 콘크리트는 원전 수명종료 후 해체 시에는 중저준위 방사성 폐기물로 처리되어야 하므로 상당한 비용이 소요된다. 단지 비용뿐만 아니라, 핵폐기물 저장소가 부족한 우리나라의 실정에서는 방사성 폐기물 자체를 줄여야 하는 숙제도 안고 있기 때문에 처분공간의 문제가 발생하게 된다. 따라서 이러한 방사화를 줄일 수 있는 기술이 필요하며, 고리 1호기를 비롯하여 많은 원전이 향후 원전 수명종료 후 해체를 앞두고 있어 점점 더 심각한 문제가 될 수 있다. 중성자에 방사화가 되는 원소를 최소화한다는 것은 콘크리트에 사용되는 시멘트와 골재에서 중성자 방사화 원소를 줄여야 하므로 재료의 선별적 사용이 매우 중요한 이슈가 된다. 또한, 콘크리트의 자체적인 차폐 성능을 향상하기 위해서 과거에는 밀도가 높은 중량골재 등이 주로 사용되었다. 중량골재는 철광석과 같은 밀도가 큰 광물이 대부분으로 차폐에는 유리하지만, 중성자 방사화에 매우 취약하여 오히려 방사화를 부추기는 효과를 가져올 수 있어 사용하기 어려운 실정이다. 따라서, 중성자를 흡수하거나 산란시킬 수 있는 재료 등을 활용하여 콘크리트의 중성자 차폐 성능을 효과적이며 경제적으로 향상할 수 있는 기술이 이슈가 되고 있다. 한편, 원전 격납 건물 외벽은 원전 중대사고 시 내부 폭발에 대응하고, 외부 충격으로부터 방어하는 방벽으로써 중요한 역할을 하고 있다. 격납 건물 외벽은 최소 두께가 1.2m 이상이 되는 두꺼운 콘크리트이다. 한국형 원전의 경우 프리스트레스트 콘크리트(Prestressed Concrete)로 시공되어 있어 내부 폭발압력에 대한 대응능력이 매우 뛰어나다고 할수 있으며 항공기 등의 충돌에도 비교적 안전하다고 알려져 있다. 다만, 수출까지 목표로 하는 우리 상용원전은 국내 환경뿐 아니라 해외 환경까지 고려해야 한다. 특히 최근 러시아와 우크라이나 분쟁으로 자포리자 원전에 드론공격이 가해지는 등 원전 구조물의 안전성에 대한 요구는 더욱 높아지고 있다. 이런 상황에서 동유럽 국가 등 분쟁의 영향을 받을 수 있는 지역으로의 수출 시 다른 국가들과의 경쟁에서 우위를 점하기 위해서는 더욱더 안전한 원전임을 강조해야 한다. 이에 원전 격납 건물의 외벽은 더 높은 충격 저항 성능이 요구될 수밖에 없는 실정이다. 이를 위하여 격납 건물 외벽을 120 Mpa 이상의 초고강도 콘크리트로 시공함으로써 현재보다 최소 3배 이상의 강도를 확보하여 추가적인 충격저항 성능을 얻고자 하는 노력이 이루어지고 있다. 또한 이러한 강도의 증가가 실제 충격 저항 성능에 어느 정도 기여할 수 있는지를 도출하는 연구도 필요한 실정이다. 그러나, 초고강도 콘크리트를 매스 콘크리트(Mass Concrete)로 타설하는 것은 수화열, 거푸집 측압, 현장 시공방법 등에 있어 상당히 도전적인 기술이 될 것으로 생각된다. 마지막으로 원전 구조물의 수명에 대하여 살펴보고자 한다. 원자력 발전소는 설계수명 종료시점에서 가동기간 연장을 통하여 10년 혹은 20년을 추가로 사용할 수 있는지를 검토하는 것이 전 세계적인 추세이다. 원전 수명종료 후 해체 비용 및 신규 원전 건설 비용을 고려해 보면, 가동기간의 연장은 비용 측면에서 매우 유리하다고 할 수 있다. 그러나, 원전의 수명을 연장하여 활용할 경우, 내부의 설비들은 교체하여 사용할 수 있으나 구조물은 교체하여 사용할 수 없기 때문에 원전 구조물은 건설 당시부터 미리 충분한 수명을 확보할 필요가 있다. 최근에 건설되는 한국형 원전 구조물은 설계수명이 60년이므로 최소 80년, 안정적으로 100년 이상의 수명을 미리 확보할 필요가 있다. 이것은 국내뿐만 아니라 해외로 수출되는 원전 구조물에서도 동일하게 필요한 성능이라고 할 수 있다. 그러나, 해외의 경우 중동국가 등 환경이 우리나라와 극단적으로 다른 경우가 대부분이기 때문에 이러한 환경노출의 변화에도 대응하여 충분한 구조물 수명을 확보할 수 있는 기술이 필요하다고 할 수 있다. 이외에도 차세대 원전 구조물은 기존 원전 구조물이 가지고 있는 여러 가지 약점들과 걱정을 해결할 수 있는 능력이 있어야 하며, 이를 통하여 더욱 안전하고 방사성 폐기물이 적게 발생할 수 있는 환경이 만들어져야 할 것이다. 이를 위해서는 차세대 원전의 구조물 분야의 기술의 개발을 위한 꾸준하고 지속적인 노력이 필요하다고 하겠다. ――――――――――――――――― 참고자료 • 헤럴드경제(2022, 7월 6일) 그린워싱’ 논란…EU, 원자력 택소노미에 포함. • 뉴스1(2024, 8월 7일) 대형 원전부터 SMR까지…원전 시장 두드리는 건설사들. 구조연구본부 게시일2024-12-27 조회수 496
• 철도교, 체계적이고 효율적으로 유지 관리한다 철도교, 체계적이고 효율적으로 유지 관리한다 ▲ 서동우 KICT 구조연구본부 연구위원 신속 교체 및 급속 시공이 가능한 철도 하로교 기술 국내 철도교는 대체로 건설된 지 오래돼 다양한 문제점이 나타나고 있다. 노후화로 안전성에 대한 우려가 제기되는 것뿐만 아니라, 유지보수에도 상당한 경제적·인적 자원이 필요하다. 철도 교량의 노후화로 인한 불의의 사고를 예방하고, 인명과 재산 피해를 최소화하기 위한 기술이 개발됐다. 신속 교체 및 급속 시공이 가능한 철도 하로교 기술이 바로 그것이다. 철도 하로교는 무엇이며, 철도에서 어떤 역할을 하는 구조물인가요? 철도가 지나는 교량인 철도교에는 상로교(上路橋)·하로교(下路橋)·중로교(中路橋)가 있습니다. 이중 하로교는 주행로의 궤도를 지지하는 바닥판을 교량 거더의 하부에 배치한 구조로, 거더 아래에 공간 여유가 없는 경우 주로 활용됩니다. 최근 연구 중인 기술은 하로교에 적용할 수 있습니다. 기술을 개발하게 된 배경은 무엇인가요. 2020년 12월 기준으로 국내 철도시설 현황을 보면 교량은 총 3,514개소, 터널은 842개소, 역사는 696개소입니다. 이 수치에서 알 수 있듯이, 교량은 역사와 터널과 비교해 4배 이상 많아요. 그런데 이런 교량은 대체로 일제강점기나 산업성장기 때 건설된 철도시설로, 노후화가 매우 심각한 상황이에요. 게다가 최근 기상이변과 잦은 지진 발생으로 노후화된 철도 시설의 성능이 더욱 저하되고 있어요. 이는 열차의 안전 운행뿐만 아니라 이용자의 안전까지 위협하는 문제이죠. 국민의 생명과 안전을 확보하기 위해서라도, 하로교의 체계적인 관리와 유지를 위한 기술이 필요했습니다. 또한 사고나 재난이 발생해 하로교에 문제가 생겼을 때 신속하게 시설물을 유지보수 할 수 있는 기술이 부족했습니다. 사고가 발생하면 철도교 이용을 제한하는 시간이 길어집니다. 게다가 철도교 특성상 우회로를 확보하는 일이 불가능해요. 따라서 유지 보수나 개량을 위해 신속한 기술이 필요로 했죠. ‘신속 교체 및 급속 시공이 가능한 철도 하로교 기술(이하 하로교 기술)’을 더욱 자세하게 설명해주세요. 기존에는 이런 기술이 없었나요? 일반적으로 철도 하로교를 건설할 때 ‘강합성(SRC)’ 구조와 ‘프리스트레싱(PSC)’ 구조 두 가지 공법을 사용합니다. 강합성 구조는 강재 주거더와 가로보를 철근이 관통하여 일체로 타설하는 공법으로, 상대적으로 구조의 높이가 낮고 무거운 하중을 잘 견딜 수 있어요. 하지만 강철을 가공하는 데 비용이 많이 들고, 현장에서 철근을 가공하고 조립하며 콘크리트를 부어야 하기 때문에 시간이 많이 걸려요. 무거운 구조물을 사용해야 하므로 긴 다리에는 적용하기 어려워요. PSC는 종방향 거더와 횡방향 바닥판에 긴장력을 주는 방식입니다. 이는 콘크리트의 강도와 품질에 크게 영향을 받고, 현장에서 철근 조립과 콘크리트 타설 작업이 필요해요. 또 형고가 높아 다리의 개방감을 떨어뜨리고 SRC와 마찬가지로 40m 이상의 긴 경간을 만들기에는 어렵습니다. 프리캐스트 모듈러 하로교 기술은 빠르게 시공하기 위해 PC(Precast Concrete) 슬래브를 이용한 방법입니다. 이 방법은 현장에서 콘크리트를 부어 굳히는 시간이 필요 없고 계절에 따라 작업이 제한되지 않는다는 장점이 있습니다. 현재 기술은 어느 단계까지 와 있나요? 하로교 바닥판 위치에 따라 적용할 수 있는 다양한 형식의 구조를 개발하는 중에 있습니다. T형, 역T형, 초저형고 PSC 구조, 굴절형 강합성 바닥판 등이 있습니다. 강재 주거더를 사용해 횡방향으로 긴장을 주는 방식은 트럼펫이나 나선철근이 필요 없고, 일반 포스트텐션의 정착구처럼 힘이 집중되지 않습니다. 이런 구조는 국내외에서 아직 사례가 없습니다. 본 기술의 시장 전망은 어떤가요? 30년 이상 된 철도 교량과 터널의 노후화가 37% 이상으로 급속히 진행되고 있어, 철도 시설 개선을 위해 체계적인 기술과 경제적인 방법을 개발하는 필요성이 높아지고 있습니다. 2020년부터 2024년까지의 국가재정 운용계획에 따르면, 철도 및 도시철도에 대한 사회경제적 투자 계획은 2021년부터 도로에 비해 상당히 높아지고 있습니다. 특히, 교통 및 물류 분야에서는 철도 및 도시철도에 대한 투자 비중이 가장 크게 늘어나고 있습니다. 2022년에는 철도시설 및 안전설비의 확충 및 개량을 위해 약 2조 690억 원의 예산이 책정되어 있으며, 이는 분야별·연차별 예산 중에서 가장 큰 비중을 차지하고 있습니다. 즉, 선로 연장과 시설 노후화에 따른 유지보수와 개량 시장의 비중이 계속해서 증가하고 있으며 이에 대한 투자 예산이 증가하고 있기 때문에 시장 전망은 밝다고 할 수 있습니다. 본 기술을 실제로 적용했을 때의 효과에는 무엇이 있나요? 철도 하로교의 주요 문제 중 하나는 현장 작업량이 많다는 것인데, 프리캐스트 모듈러 철도 하로교를 사용하면 작업 시간이 약 83% 줄어든다는 것을 확인했습니다. 만약 이 연구 개발이 성공한다면, 공동연구기관인 코벡㈜에서 제작 및 시공 중인 철도 하로교의 공사비를 27m 및 40m 간격으로 사전 검토한 결과, 20% 이상 절감할 수 있을 것으로 기대됩니다. 공동연구기관과 중·장경간 철도 하로교의 공사비를 줄일 수 있는 방법을 검토한 결과, 강재 사용량이 공사비 증가에 가장 큰 영향을 미친다는 사실을 확인했습니다. 사전 검토 자료에 따르면, 현재 코벡㈜의 공사비는 다른 개량 업체에 비해 27m 간격에서는 약 33.5% 높고, 40m 간격에서는 약 38.4% 높다는 것으로 나타났습니다. 하로교 기술이 실제로 적용되면, 시간 단축뿐만 아니라 비용 절감이라는 다양한 효과가 발생할 것으로 예측되는데요. 그렇다면 앞으로의 연구 목표에는 무엇이 있을까요. 현재는 철도뿐만 아니라 소하천의 홍수 위험이 높아진 경우에 대비하여 강합성 라멘(저형고 교량 형식) 도로교의 교체를 목표로 새로운 기술을 개발하고 있습니다. 더불어 이 프로젝트는 중로교 형식에도 적용할 수 있도록 급속 시공 및 교체가 가능한 교량을 개발하는 것 또한 목표로 하고 있습니다. 무엇보다 철도교통이 정시·안전 운행할 수 있도록 하는 것은 국민 대다수의 편익에 절대적인 영향을 주는데요. 재해 발생 시 신속한 대응과 복구가 가능한 기술을 적용하여 불의의 사고를 예방하고 인명 및 재산 피해를 최소화하는 데 도움이 될 수 있기를 바랍니다. 구조연구본부 게시일2024-10-24 조회수 599
• 콘크리트의 나노미터(nano meter) 세계를 들여다보는 기술 콘크리트의 나노미터(nano meter) 세계를 들여다보는 기술 ▲ 이남곤 KICT 구조연구본부 수석연구원 들어가며 콘크리트는 물, 시멘트, 모래, 자갈로 구성된 지구상에서 많이 사용하는 인공재료 중 하나이다. 전 세계적으로 콘크리트 연간 생산량은 약 300억 톤이며, 우리나라에서는 연간 약 3억 톤이 생산되고 있다(York, I. N. et. al., 2021)(한국레미콘 공업협회). 우리가 살고 있는 아파트를 포함해 대부분의 건축물은 콘크리트로 지어져 있기 때문에 우리 생활과도 매우 밀접한 재료라고 할 수 있다. 그러나 일반인들에게 콘크리트라는 재료는 주로 부정적인 인식으로 자리 잡고 있다. 예를 들어 콘크리트의 주원료인 포틀랜드 시멘트는 생산과정 중에 다량의 이산화탄소를 배출해 지구온난화의 원인 중 하나로 알려져 있으며, 건설 산업에서 콘크리트 관련 부실시공으로 인해 구조물 사고 및 인명피해가 발생하기도 하는 등 콘크리트에 대한 대중적인 인식은 좋다고 할 수 없다. 콘크리트는 최소 4가지 이상의 재료가 혼입되어 제조된다. 물과 반응하여 굳어지는 특성, 그리고 콘크리트의 강도를 발현하는 물질의 복잡성과 낮은 결정성으로 인해 콘크리트의 성능을 예측하고, 제어하기가 매우 까다롭고 어렵다. 콘크리트에 대한 연구는 더 강하고, 더 오래가고, 더 환경친화적인 콘크리트를 만들기 위해 많은 연구자가 수십년간 노력해 오고 있다. 콘크리트의 대표적인 물성인 압축강도, 탄성 계수, 인장강도, 수축, 크리프, 응결, 유동성, 수화열 등에 대한 연구는 주로 매크로(macro, › 1mm) 또는 마이크로(micro, ‹ 1μm) 크기 수준에서 이루어지며, 마이크로 수준까지 연구 만으로도 충분히 위에서 언급한 물성에 대한 메커니즘 규명 및 성능 향상 연구가 가능했다. 또한, 분석 장비의 발달과 함께 마이크로 수준에서 콘크리트의 재료 및 미세구조 분석이 가능해 지면서 관련 분야 연구가 활발하게 이루어졌다. 그러나 마이크로 수준의 연구만으로는 여전히 밝혀지지 않은 콘크리트 정보가 존재하며, 풀어야 할 콘크리트의 재료적 문제가 있다. 콘크리트 공극 구조 분석 최근에는 고급 분석 장비 발달과 함께, 콘크리트에서도 마이크로미터 이하 수준에서 분석 연구가 가능해지고 있다. 콘크리트에는 다양한 크기의 공극이 존재하며, 이 공극들이 콘크리트의 물성과 매우 밀접한 관련이 있다. 예를 들어, 0.1mm 수준의 공극은 콘크리트의 동결융해저항성능, 염해저항성 과 관련이 높고, 0.1~1μm 수준의 공극은 압축강도, 탄성계수, 50nm 이하 수준의 나노 크기 공극은 수축, 크리프 등 과 연관성이 높다고 알려져 있다. 이러한 다양한 크기의 콘크리트 공극을 알아보기 위해서 기존에 여러 분석 장비가 존재 한다(그림 1). 현재까지 가장 많이 사용되는 공극 분석 장비는 수은압입법(Mercury Intrusion Porosimetry)이다. 정량적이고 손쉽게 측정이 가능한 장점이 있으나, 일반적으로 10㎚ 크기 이상의 공극만 알아낼 수 있는 단점이 있다. 또한, 콘크리트의 정확한 공극 구조를 관찰하기 위해서는 내부에 존재하는 물을 제거(건조)하는 과정이 필요한데, 이 건조 과정에서 내부 공극 구조가 손상되는 문제도 있다. 이 외에도, 질소흡착(Nitrogen Adsorption), 투과전자 현미경(Transmission Electron Microscopy: TEM), 주 사전자현미경(Scanning Electron Microscopy: SEM), Micro X-ray CT 등의 분석법이 있다. 더 작은 크기의 공극까지 알아볼 수 있는 분석 장비 중에서 최근에 활발하게 연구되고 있는 장비가 바로 H NMR(proton NMR 또는 Hydrogen-1 NMR)이다. 표 1 콘크리트 내부 공극 크기에 따른 분류(Monterio, P., 2006) 콘크리트 내부 공극 크기에 따른 분류(Monterio, P., 2006) 분류 모세관 공극(수) 겔 공극(수) 층간 공극(수) size 50nm이상 10~50nm 2.5~10nm 0.5~2.5nm 설명 50㎚보다 큰 공극은 보통 macro pore라 하며, 강도와 투수성에 영향 이 공간에 존재하는 물을 free water 라고 함 50㎚보다 작은 공극은 micro pore라 함 건조수축 및 크리프에 영향 C-S-H와 같은 수화물 표면에 물리적으로 결합된 물 상대습도 30% 이하의 강한 건조조건에서 증발되고 수축 발생 매우 작은 크기 공극이므로 강도와 투수성에는 영향이 적음 건조수축 및 크리프에 영향 C-S-H 구조의 공극 안에 결합된 물로서 존재 이 공간에 존재하는 물은 수소 결합에 의해 강하게 C-S-H 층에 결합되어 있음 상대습도 11% 이하의 강한 건조조건에서 증발되고 수축 발생 1 H NMR(Nuclear Magnetic Resonance) 분석 기술 개념 NMR이란 원자핵의 스핀 성질과 자기모멘트를 이용한 분광법이며, 자기장 내에서 원자핵의 자기모멘트에 특정한 외부의 에너지가 작용하여 그 에너지를 흡수하고 다른 에너지 준위로 전이하는 현상을 말한다. 1H NMR은 물 분자 속 양성자(proton)의 T2이완시간(spin- spin relaxation time)을 측정하여 콘크리트 내부의 물 분자가 존재하는 공간(공극)의 크기를 알아내는 방법이다. 콘크리트 내부에 존재하는 물은 건조과정 후에 그 공간이 공극이 되므로, 1H NMR과 같은 분석 방법을 사용하면 콘크리트의 공극 크기를 정량화할 수 있게 된다. 쉽게 말해 물을 사용하여 콘크리트 내부의 공극 구조를 관찰하는 분석법이다. 이 분석법은 콘크리트 내부 나노미터 크기의 작은 공극을 알아 볼 수 있으며, 별도의 건조과정이 필요없고 콘크리트가 굳기 전부터 굳은 후까지 실시간으로 측정이 가능하다. 이 방법을 통해 알아낼 수 있는 정보는 표 1과 같으며, 콘크리트 속에 존재하는 공극을 크기별로 알아낼 수 있다(그림 2). 예를 들어, Interlayer pore(층간 공극, 2.5nm 이하), gel pore(겔 공극, 2.5~10nm), capillary pore(모세관 공극, 10nm 이상)이다. 또한 각각의 공극 부피를 정량적으로 알아내는 것도 가능하다. 나노미터 수준에서 콘크리트 공극 구조 분석 1H NMR 분석법을 사용하여 콘크리트의 공극을 분석한 결과를 그림 3과 그림 4에 나타냈다. 해당 시편은 물/시멘트 비 0.4로 제조된 시멘트 페이스트로서 H NMR 분석을 수행한 결과이다. 1H NMR 신호를 통해서 계산된 피크에 대응하는 T2이완시간을 알 수 있고, T2이완시간은 물 분자가 존재하는 공극의 크기를 알 수 있게 된다. 일반적으로 T2 이완시간이 100μs(micro second)일 때 나타나는 피크는 ‘Interlayer water’를 의미하고, 300~500μs에서는 ‘Gel water’, 600~1000μs에서는 ‘Interhydrate water’(보통 Capillary water에 속함), 1000μs 이상은 ‘Capillary water’를 의미한다. 그림 3에 나타난 상대적 신호 강도를 정량화하여 계산한 결과는 그림 4와 같다. 그림 4는 시멘트 페이스트가 점차 수화함에 따라서 내부 공극수의 크기가 어떻게 변화하는지를 시간 영역으로 나타내고 있다. 초기부터 약 5시간까지는 시멘트 페이스트가 굳기 전 상태이므로 Capillary water만 측정된다. 수화가 시작되고 4~5시간부터 Interhydrate water가 발생하기 시작하고, 7시간부터 Gel water가 측정된다. 그리고 10시간 후부터는 Interlayer water도 확인된다. 기술 활용 방안 콘크리트가 굳기 전부터 내부의 공극 크기가 어떻게 변화하는 가에 대한 정보를 실시간으로 얻을 수 있는 것은 매우 의미 있는 연구이다. 이 기술은 콘크리트의 주요 물성인 자기수축, 건조수축, 크리프, 압축강도를 예측하는 데 활용될 수 있다. 장기 내구성 측면에서도 이 정보를 활용하여 콘크리트의 공극 구조 를 시뮬레이션 함으로써 동결융해, 염해저항성 등을 예측하고 판단하는 데 활용할 수 있는 가치 있는 정보라고 할 수 있다. 즉, 콘크리트에서도 나노 크기의 미시 세계 정보를 사용하여 거시 거동을 예측하는 연구가 가능하다. 향후, 이 분석기술은 더 안전하고 튼튼한 신규 콘크리트 구조물을 건설하기 위한 재료 설계에 활용될 수 있으며, 또한 기존 구조물의 내구도를 판단하는 근거로 활용될 수 있기를 기대해 본다. ――――――――――――――――― 참고자료 • 한국레미콘공업협회(http://www.krmcia.or.kr) • Anovitz L M Cole D. R. (2015). Characterization and analysis of porosity and pore structures. Reviews in Mineralogy and geochemistry 80(1), 61-164.) • Jennings H M Kumar A., & Sant, G. (2015). Quantitative discrimination of the nano-pore-structure of cement paste during drying: New insights from water sorption isotherms Cement and Concrete Research, 76, 27-36 • Monteiro, P. (2006). Concrete: microstructure, properties, and materials. McGraw-Hill Publishing. • York, I. N., & Europe, I. (2021). Concrete needs to lose its colossa carbon footprint. Nature, 597(7878), 593-594. 구조연구본부 게시일2024-08-28 조회수 823
• 산업시설물 PSA(Probabilistic Safety Analysis)의 필요성 산업시설물 PSA(Probabilistic Safety Analysis)의 필요성 ▲ 이세혁 KICT 구조연구본부 수석연구원 들어가며 산업시설이란 기업의 생산 활동을 위해 필요한 사회 기반 시설로 과거에는 공업단지로 불렸으나 근래에는 산업시설로 바뀌어 불리고 있다. 우리나라는 1962년 대규모 부지를 요하는 중화학공업 등으로 구성된 울산공업단지를 시초로, 1990년대 이후 소수 전문 인력을 갖춘 첨단·정보산업의 발달로 전국적으로 산업단지가 조성되었다. 다양한 산업시설물 중 중화학공업과 같이 큰 규모를 갖춘 대표적인 곳은 울산과 여수가 있다. 울산미포국가산업단지, 온산공업산업단지에는 아시아 최대 규모의 정유·화학산업단지가 구성되어 있다. 울산산업단지와 나란히 큰 규모를 자랑하는 여수국가산업단지는 석유화학단지 단일 규모로는 세계 1위 규모이며, 산업단지로서도 동양 최대 규모이다. 두 산업단지는 1970년대에 개발이 시작되었고, 최근에는 40년이 넘는 노후 설비 문제가 부각되고 있다. 실제로 200여 건의 크고 작은 폭발 및 화재 사고와 이로 인한 사망사고가 발생하였으며, 여수산업단지의 2021년 산재 신고는 최소 72건으로 파악되고 있다. 산업시설에서 발생하는 재난·재해 사고는 대부분 폭발과 화재이지만, 대규모 두 산업단지 인근인 2016년과 2017년에 발생한 경주·포항지역 지진으로 인해 경각심과 더불어, 특정 업체에서는 자발적으로 시설물 내진 성능 평가를 수행하고 있다. 하지만 이는 일부 움직임이다. 지진 위험도에 관한 많은 연구가 수행되어 온 원자력 발전소와 달리, 산업시설은 지진에 관한 연구가 상대적으로 부족한 실정이다. 지진은 매우 큰 파급력을 가진 자연재해이며, 특히 산업시설에 지진으로 피해가 발생하면 폭발과 화재로 이어지는 연쇄 재해(Na-Tech, Natural Hazard Triggering Technological Disaster) 발생 가능성이 있다. 이는 큰 사회적 재난을 초래할 수 있다. 실제로 1999년 터키에서 발생한 지진으로 산업 시설물에서 탱크 화재가 발생하였으며, 2011년 일본에서도 지진으로 인한 석유화학 탱크 폭발이 발생한 사례가 있다. 이 글에서는 원전 분야의 지진에 대한 확률론적 안정성 평가(PSA, Probabilistic Safety Analysis) 방법을 소개하고, 산업시설물 지진 PSA 기법 개발 현황 및 추후 지진 유발 폭발 및 화재와 같은 연쇄 재해 PSA 평가를 위한 향후 연구 방향성을 간단히 소개하고자 한다. PSA(Probabilistic Safety Analysis) PSA는 미국 EPRI(Electric Power Research Institute)를 중심으로 개발되었으며, 원자력 분야에서는 설계초과지진에 대한 원전 안정성 입증을 위해 필수적으로 수행된다. 원전의 Seismic PSA(SPSA)는 크게 Level 1, 2, 3으로 나누어져 있다. Level 2와 3은 원전 부지 밖의 평가를 수행하는 것이며, Level 1은 노심 파괴 확률 산정이라는 명확한 목적이 있다. 원전의 노심이 파괴될 경우 방사선 유출이라는 심각한 사고를 초래하기 때문에, 이를 대비하기 위해 많은 노력이 이루어지고 있다. 노심파괴 확률을 평가하는 SPSA를 수행하기 위해서는 원전이 위치한 부지에 대한 지진 재해도를 산정하고, 원전 부지 내 모든 시설 및 설비들에 대한 지진 취약도를 필요로 한다. 원전 시스템을 표현하기 위해서는 ETA(Event Tree Analysis, 사건수목 해석)와 FTA(Fault Tree Analysis, 고장수목 해석)가 사용된다. FTA는 하위 시스템의 모든 설비들의 관계도를 표현하며, ETA는 지진 유발의 하위 시스템 파괴확률을 이용하여 지진 사고 경위 시나리오를 표현한다. 최종적으로, 시스템에 대한 분석과 지진 재해도의 합성곱(Convolution)을 통해 노심의 연 파괴 빈도 확률이 산정되게 되며, 이를 이용하여 원전의 안전성 평가가 이루어진다(그림 1). 산업시설물 PSA 적용 가능성 검토 원전과 달리 산업시설은 그 종류가 다양하며, 가장 큰 차이점은 핵심 설비의 부재이다. 원전의 경우 노심의 안전이라는 최우선 목표가 있지만, 산업시설의 경우 공정에 따라 특성도 다를 뿐만 아니라 핵심 설비 개념이 존재하지 않는다. 즉, 공정 과정의 여러 설비가 동일하게 중요하며, 이러한 이유로 원전 PSA를 바로 적용할 수 없다. 또한, 국가시설인 원전과 달리 산업시설은 민간에서 운영되는 경우가 많으며 내부 사건·사고 또한 폐쇄적인 특성으로 알려져 있지 않기 때문에 사건 수목과 같은 사고 경위 분석이 필요한 경우 적용이 쉽지 않다. 산업시설물을 위한 PSA 기술 개발 산업시설 시스템 리스크 평가를 위해서는 정점 사건의 파괴확률 산정을 목표로 한다. 그 관계를 표현하는 고장수목이 적용하기 쉽고, 정점 사건으로는 다양한 산업시설의 일반적 적용성을 위해 특정 설비의 파괴가 아닌 운영과 관련된 사건(예: 운영 정지)이 적합하다. 정의된 정점 사건에 대한 고장수목 구축을 위해서는 공정 파악이 필수적이며, 이때 PFD(Process Flow Diagram), P&ID(Piping and Instrumentation Diagram) 등을 참고하여 단위·부공정의 기초 설비와 전체 공정의 관계를 파악할 수 있다. 구축된 고장수목은 기초사건에 입력된 설비들의 지진 취약도 정보를 기반으로 파괴확률을 산정할 수 있다. 그러나, 중간 사건에 해당하는 하위시스템의 파괴확률을 산정하거나 특정 하위시스템이 파괴되었을 때의 정점 사건 확률 혹은 관련 기초 설비들의 파괴확률 등을 역으로 산정하기에는 용이하지 않다. 이러한 유연한 의사결정을 수행하기 위해 구축된 고장수목을 베이지안 네트워크(Bayesian Network, BN)로 변환하여 사용한다(Zwirglmaier, 2016). 확률론적 시각 도구인 BN은 2000년대에 들어서 널리 사용되기 시작한 의사결정 방법론으로서, 확률변수 간의 관계를 CPT(Conditional Probability Table)로 정량화하고 이를 통해 모든 변수의 확률을 산정한다. 또한, 특정 변수에 대응하는 사건 정보가 주어졌을 때 주어진 정보에 기반한 다른 변수들의 확률이 재산정되어 그변화를 시각적으로 파악할 수 있는 장점이 있다(그림 2). 그림 3은 설명한 일련의 과정을 나타낸다. 산업시설물 PSA의 미래 방향 앞선 방법론은 대상 산업시설의 공정 프로세스 기반 고장수목 연계 BN 구축 과정을 소개하였다. 이 기법은 운영 정지 시 하위시스템 혹은 설비들의 원인 순위 결정이 가능하며, 이를 통해, 지진 재해 대응안 수립 혹은 보수·보강 우선순위를 결정할 수 있다. 이러한 방법론은 베이지안 네트워크 특성상 기존 원전 PSA보다 유연하며, 향후 지진 유발폭발·화재와 같은 연쇄 재해와 쉽게 연계될 가능성이 있다. 하지만, 원전 설비들의 지진 취약도가 구축되어 온 것과 달리, 다양한 산업시설과 그에 해당하는 많은 설비들의 지진 취약도는 구축되어있지 않은 실정이다. 많은 설비들의 지진 취약도 구축 및 맵핑 기술 개발과 더불어 연쇄 재해연구가 지속된다면 복합 재난재해에 대한 산업시설물의 안전한 미래를 확보할 수 있을 것이다 구조연구본부 게시일2023-09-26 조회수 670
• 탄소 배출은 이제 그만! 콘크리트가 CO2 먹는 시대 열린다! 탄소 배출은 이제 그만! 콘크리트가 CO2먹는 시대 열린다! - CO2나노버블 배합수를 활용한 이산화탄소 저장 콘크리트 제조 기술 개발 - 1 ㎥ 레미콘 생산에 1.0~1.8 kg CO2저장 가능 한국건설기술연구원이 지구 온난화의 원인 중 하나인 이산화탄소를 콘크리트 안에 저장하는 ‘나노버블을 활용한 CO2먹는 콘크리트’를 국내 최초로 개발했다. 콘크리트는 전 세계에서 가장 많이 사용되는 인공재료로 연간 300억 톤 정도 생산되며, 사회기반시설과 도시화 수요로 인해 사용량이 꾸준히 증가하고 있다. 단일 품목 임에도 불구하고 전체 온실가스의 5%가량을 차지할 정도로 콘크리트 생산(시멘트 포함)과정에서 막대한 양의 이산화탄소가 발생한다. CCUS 기술을 콘크리트에 적용한 ‘CCU for concrete(이하 CCU 콘크리트)’ 기술은 CO2를 콘크리트 생산에 활용하여 기후변화에 영향을 주지 않는 콘크리트를 의미한다. 2021년 Nature Communications 저널에 발표된 논문에 따르면, CCU 콘크리트는 이론적으로 2050년까지 0.1~1.4 Gt(기가 톤)의 CO2를 격리할 것으로 추정된다. CCU 콘크리트는 포집된 CO2와 콘크리트의 반응을 통해 미네랄화(광물탄산화)하여 CO2를 대기 중에 재방출 없이 안정적으로 콘크리트 내부에 저장할 수 있는 유일한 기술로 알려져 있다. 일반적으로 콘크리트는 대기 중의 CO2와 접촉하여 내부의 pH(수소 이온 지수)가 낮아지면서 알칼리성을 잃고 탄산화 반응을 하는 물질이다. 대기 중의 CO2농도는 400ppm으로 매우 낮아 이러한 탄산화 반응이 매우 서서히 진행되지만, 내구성이 약한 콘크리트에 둘러싸인 철근은 부식될 위험이 커질 수 있다. 그러나 CCU 콘크리트 기술은 고농도의 CO2를 의도적으로 콘크리트 내부의 물질과 반응하도록 유도한다. 이러한 화학반응을 통해 CO2를 강도 증진 물질인 탄산염 광물로 전환시켜 콘크리트 내부에 영구적으로 저장한다. 결과적으로 탄산염 광물이 콘크리트 미세조직의 밀도를 높여서 일반 콘크리트보다 강도와 내구성이 향상된 콘크리트를 제조하는 것이 가능하다. 즉, CCU 콘크리트는 단순히 CO2저장소로만 활용하는 것이 아니라 콘크리트 성능 향상 및 시멘트 사용량 감소 등 부가적인 효과를 기대할 수 있어 시장 잠재성이 매우 큰 기술이라고 할 수 있다. 이에 KICT 구조연구본부 연구팀은 콘크리트로 만들어진 건물이 이산화탄소를 효과적으로 흡수하고 저장할 수 있고, 동시에 콘크리트의 압축 강도 및 내구성도 향상할 수 있는 나노버블을 활용한 CO2먹는 콘크리트‘CEC(Carbon Eating Concrete)’를 국내 최초로 개발하였다. 일반적으로 콘크리트는 시멘트가루와 물, 골재를 반죽하여 혼합하는 방식으로 만들어진다. 연구팀은 나노버블을 사용하여 일반 대기압 조건에서도 CO2를 고농도로 저장 할 수 있는 CO2나노버블수를 개발하였다. ‘CO2나노버 블수’란 다량의 나노버블이 존재하는 물에 CO2가 고농도로 용해된 물을 말한다. 개발된 기술은 물(배합수) 대신에 CO2나노버블수를 산업부산물과 함께 콘크리트 생산에 활용하는 제조 기술이다. 첨단 분석 기술(라만 분광법)을 통해 CO2나노버블수 안에 존재하는 CO2가 콘크리트와 화학적으로 반응하는 것을 검증하였다. 개발된 기술은 1 m3의 콘크리트를 생산하면, 1.0~1.8 kg CO2를 콘크리트 내부에 직접적으로 저장할 수 있다. 이는 CO2 직접 주입 기술 분야의 세계 선도 기업인 캐나다 ‘카본큐어(Carbon Cure)’사의 직접주입법에 의한 CO2저장량과 유사한 수준이다. 추가로 연구팀은 CO2반응성이 높은 산업 부산물을 사용하여 시멘트 사용량을 절약할 수 있는 최적의 온습도 조건 및 배합기술을 적용한 ‘CEC’도 개발하였다. 개발 된 CO2양생 기술은 적은 양의 시멘트로도 콘크리트의 물리적 성능을 최대로 발현할 수 있다. 즉, 기존 증기 양 생 기술에 비해 콘크리트 생산에 더 적은 에너지가 소모 되며, CO2양생 기법을 적용하여 기존 대비 동등 이상의 압축 강도를 확보할 수 있다. 또한, 높은 CO2 저장 효율을 갖는 것이 큰 장점이다. 연구팀은 다양한 온도와 압력 조건의 CO2양생 환경을 모사하기 위해서 국내 최대 규모의 콘크리트용 CO2 고온 가압 양생 시스템을 구축하였다. 본 성과는 과학기술정보통신부의 지원으로 한국건설기술연구원의 주요사업 “친환경 Carbon Eating Concrete(CEC) 제조 및 활용 기술 개발 (2022~2024)” 과제를 통해 개발되었다. 구조연구본부 게시일2024-09-27 조회수 1200
• 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 1362

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