KICT 한국건설기술연구원

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• 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 69
• 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 459
• 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 575
• 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 792
• 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 657
• 구조물 모니터링 내 Dataset Shift에 대한 이해 구조물 모니터링 내 Dataset Shift에 대한 이해 ▲ 진승섭 KICT 구조연구본부 수석연구원 들어가며 사회 기반 시설물은 국민의 편의를 도모하고 편익을 증진하는 공공 시설물로 우리나라 경제 발전을 견인하는 기반을 제공한다. 우리나라는 1970년대 급격한 경제성장과 함께 사회 기반 시설물이 집중적으로 건설되었으며, 향후 해당 시설물들의 노후화는 중요한 문제이다. 게다가 인구 노령화로 인한 관리인력 부족 등 사회 변화가 복합적으로 영향을 미칠 것으로 예상된다. 이러한 흐름 속에서 제한된 유지관리 예산을 토대로 사회 기반 시설물의 노후화 문제를 효과적으로 해결할 수 있는 많은 방법이 연구되고 있다. 건설뿐만 아니라 기계, 제조 등 다양한 분야에서도 대상 시스템의 결함, 손상 및 성능저하 등 유사한 문제가 발생하여 이를 해결하기 위한 연구 개발이 지속적으로 이루어지고 있다. 다양한 학제에서 공통적으로 지향하는 유지관리 패러다임은 ‘선제적 관리체계’로의 전환(shift)이다. 유지관리 패러다임은 그림 1과 같이 세 가지 접근법으로 구분할 수 있다. 가장 원시적인 패러다임은 사후 유지관리(reactive maintenance)로 문제가 발생할 경우 이를 사후에 처리하는 접근법이다. 문제가 발생하고 이를 인지하여 조치하기 때문에 사후조치 비용(repair cost)이 과도하게 발생할 수 있고, 직·간접적인 사회적 혼잡 비용도 유발한다. 이와 반대로 주기적인 점검과 유지보수를 수행하는 예방적 유지관리(preventive maintenance)가 있다. 사후 유지관리와 달리 구조물 시공 및 철거 전(생애주기)까지 과도한 점검 비용과 유지관리 비용(prevention cost)이 발생할 수 있다. 선제적 유지관리(proactive maintenance)는 구조물의 상태(성능)를 기반으로 유지관리 계획과 보수·보강 시점을 예측하고 필요할 경우 조치를 수행하는 방식이다. 이러한 접근법을 통해 유지관리 비용과 사후 조치 비용을 합친 총비용(total cost)이 가장 최적화되는 균형점을 지향하는 방법이다. 선제적 유지관리에서는 다양한 유지관리 의사결정(점검 계획 및 보수·보강)에 필요한 데이터를 상시계측 시스템을 통해 획득한다(구조물 모니터링). 인천대교와 같은 중요도가 높은 사회 기반 시설물에는 상시 계측 시스템이 구축·운영되고 있으며, 이를 통해 구조물 응답과 주변 환경인자(온도, 풍속 등)를 연속적 혹은 주기적으로 계측한다. 따라서 기존의 인력 점검체계에서와 달리 방대한 양의 데이터가 지속해서 생성되기 때문에 이를 처리하여 최종 사용자(관리주체)의 의사결정에 필요한 정보를 신속히 제공하는 ‘자율 모니터링 시스템(autonomous monitoring system)’이 요구된다. 자율 모니터링 시스템의 핵심 조건 중 하나는 사용자의 개입을 최소화하며 양질의 학습 데이터로부터 자율적으로 신뢰성 높은 분석을 수행하고 그 결과를 제공하는 것이다. 지속적으로 구조물 모니터링을 수행함에 있어, 공용 중에 발생하는 외부 변동(운영·환경조건 변화)으로 인한 응답 패턴의 변동성인 Dataset shift가 발생할 수 있다. 이러한 현상을 효과적으로 고려하는 것이 신뢰성 높은 자율 모니터링 시스템을 구현하는 데 매우 중요하다. 이 글에서는 구조물 건전성 모니터링 기술의 개념을 간략히 소개하고, 이를 토대로 실제 구조물에서 발생한 dataset shift의 사례와 이를 해결하기 위한 방법 중 하나인 온라인 학습 방법을 간단히 소개하고자 한다. 구조물의 내/외적 특수성(uniqueness)과 구조물 모니터링의 역할 건설 분야의 사회 기반 시설물은 기계 시스템 등과 달리 내/외적 고유한 특수성을 가진다. 동일한 구조 형식으로 설계할지라도 구조재료, 시공 방법·조건 등에 따라 발현되는 강성 및 거동 특성이 달라진다. 공용 중 노출되는 외력(차량 하중 등)과 노출 환경(온도, 습도 및 염분 등) 등 외부 환경이 공간(위치)과 시간(계절)에 따라 상이하다. 즉, 구조물마다 서로 다른 고유의 강성, 거동, 열화, 손상 특성을 가지기 때문에 구조물 상태의 단순 예측이 어려운 구조체이다. 구조물 모니터링을 통해 측정된 데이터는 공용 중에 발생하는 문제를 파악하고 해결할 수 있는 기초자료로 활용할 수 있다. 대표적인 예시로, 실시간 구조물 모니터링 중 이상 상태(손상)가 감지되면 그 결과를 관리자에게 신속하게 통보해줌으로써 시기적절한 의사결정(이용 제한 후 정밀 점검)을 할 수 있게 하며, 나아가 시간 이력 DB 구축과 이를 토대로 성능 예측 모형 개발에 활용될 수 있다. 진동 응답 기반 구조물 건전성 모니터링 구조물 건전성 모니터링(SHM; Structural Health Monitoring)은 ‘구조물에 설치한 다양한 센서로부터 구조물의 응답 및 외부 환경인자(온도, 습도 등)를 측정하여 구조물의 상태(건전성)를 실시간으로 진단하고 그 결과를 관리 주체에게 제공하는 기술’이다. SHM은 크게 공용 중인 구조물의 ①하중에 따른 응답의 입/출력 관계를 통해 상태를 평가하는 방법, ②응답만을 계측하여 상태를 평가하는 응답 기반 방법으로 구분할 수 있다(진승섭, 2017a). 입/출력 관계를 활용하는 평가 방법은 알려진 하중을 재하하기 때문에 구조물의 통제(blocking)가 수반된다(실무 적용의 어려움 존재). 반면 응답 기반(output-only) 평가 방법은 그림 2와 같이 별도의 구조물 통제 없이 상시 진동 응답(ambient vibration from acceleration)만을 계측하고, 이를 모달 해석(modal identification)을 통해 고유진동수(natural frequency)와 모드형상(mode-shape)과 같은 동특성(modal properties)을 추정하는 방법이다(진승섭, 2017b). 동특성은 구조물 고유의 물리적 특성으로, 구조 시스템(질량, 강성 및 경계조건 등)에 의해 결정된다. 구조물의 전역적인 거동 변화를 유발하는 심각한 손상 혹은 성능저하는 구조 시스템의 변화(강성 저하 혹은 경계조건 변화)를 유발하고, 이는 동특성의 변화로 연결된다. 진동 응답 기반 구조물 건전성 모니터링 기술은 실무에서 활용이 용이하다는 측면(사용통제 없이 상시 진동 응답 활용)에서 다양한 연구가 진행되고 있다. 진동 응답 기반 구조물 건전성 모니터링을 통해 ‘실시간 이상 상태 감지’, ‘역 해석을 통한 수치모델 개선’, ‘기계학습 혹은 시계열 모델링을 통한 예측모형 구축’ 등 유지관리에 활용할 수 있는 기초자료를 구성할 수 있다. 구조물 모니터링 내 Dataset shift 현상 동특성과 같은 구조물의 응답은 시간에 따른 외부 환경(온도, 파랑 등)의 변화에 의해 동특성의 특징이 달라질 수 있다(Peeters et al. 2001: Moser et al. 2011). 일례로 단순히 동특성의 변화만으로 이상 탐지를 수행할 경우 오보(false alarm)가 발생할 가능성이 높다. 이에 공용 중에 발생하는 다양한 외부 환경 변화로 인한 변동성을 고려하여 상태를 평가하는 것이 신뢰성 확보 측면에서 매우 중요하다(Deraemaeker et al. 2008). 그림 3은 3경간 프리스트레스트 콘크리트 교량(Z-24)에서 철거 전까지 1년간 측정한 고유진동수(저차 모드 4개)와 아스팔트 포장부의 온도 이력이다(Peeters et al. 2001). 철거 전까지 다양한 손상(교각 침하, 텐던 제거 등)을 점진적으로 유발하면서 손상에 따른 응답(고유진동수) 변화를 분석한 장기 계측 데이터이다. 교각의 침하 시스템(settlement system) 설치로 인해 불가피한 교각 부재의 단면손실이 1998년 8월 9일에 발생하였다. 하지만 손상에 의한 고유진동수 변화량(강성 저하로 인한 고유진동수 감소)은 온도에 의한 변화량(온도 영향으로 인한 고유진동수 증가)에 가려져 고유진동수의 저하 유/무를 쉽게 확인할 수 없음을 알 수 있다. 그림 4는 최초 손상이 발생하기 전(1997년 11월 11일~1998년 8월 8일)까지 Z-24 교량의 아스팔트 온도와 고유진동수 간의 패턴을 보여준다. 그림 4(a)에서 보듯이 아스팔트 온도에 따라 총 3가지 선형 패턴이 발생함을 알 수 있다. 그림 4(b)는 온도 변화(마커의 색상)에 따른 1차와 2차 고유진동수의 패턴 변화가 그림 4(a)에서 확인한 패턴에 따라 발생하는 것을 보여준다. 이는 계절별 온도 발생 범위에 따라 총 3가지 고유진동수(응답) 패턴이 생성되는 것을 의미한다. 즉 구조물의 내/외적 특수성에 따라 시간-종속적인 다양한 패턴(time-dependent pattern)이 발생할 수 있음을 의미한다. 기계학습 분야에서는 이러한 패턴 변화 현상을 Dataset shift라고 정의한다(Quinonero-Candela, J. et al., 2008). Dataset shift 해결을 위한 온라인 학습방법 앞서 살펴본 시간 종속적인 패턴 변화인 Dataset shift는 사전에 확인이 어려우며 장기 데이터 구축과 분석을 통해 파악할 수 있다(Peeters et al. 2001). 그동안 다양한 기법들을 이상상태 탐지 등의 유지관리 서비스를 위한 연구에 많이 적용되었으나, 앞서 언급한 Dataset shift에 대한 연구는 상대적으로 많이 수행되지 않았다(Jin et al., 2015). Dataset shift는 외부 변동(온도)에 의한 응답(고유진동수) 패턴이 시간(계절)에 따라 변화하면서 발생하는 문제이다. 이에 대한 근본적인 해결 방법은 변화하는 패턴을 가장 잘 모사할 수 있는 학습 데이터들을 선택적으로 추출(sampling)하고, 추출된 학습데이터를 활용하여 이상상태 탐지 등 유지관리에 필요한 평가모델을 생성하는 것이다(그림 5). 즉 지금까지 측정된 학습 데이터 전부를 사용하기보다 새로 측정된 데이터와 유사한 학습데이터만을 선별하여 현재 패턴을 가장 잘 모사하도록 학습모델(그림 5의 Model)을 적응적(adaptive)으로 생성하는 것이다. 이는 그림 6과 같이 복잡한 비선형적인 관계를 가지는 학습데이터 분포를 국부적인 선형 형태 영역으로 분할하여 표현하는 것과 동일하다. 즉 전체 영역에서 보면 비선형성을 가지는 곡선(그림 6의 왼쪽)이 작은 영역으로 세분화하면 선형인 직선의 결합(그림 6의 가운데)으로 표현할 수 있는 개념과 유사하다. 새로 측정된 데이터가 속하는 선형 구간의 학습데이터들을 선택적으로 추출하고, 이를 이용하여 학습모델을 생성한다(그림 6의 오른쪽). 이러한 선형 분할 과정은 학습 데이터 간 선형관계를 유지해주는 부수적인 효과가 있다. 이에 따라 복잡한 학습모델(비선형 모델)이 아닌 간단한 학습모델(선형 모델)을 사용하여 학습의 일반화 성능을 향상시킬 수 있다. 또한 전체 학습데이터가 아닌 일부 데이터만을 사용하기 때문에 연산 복잡도 역시 크게 감소시킬 수 있어 실시간 연산 및 낮은 컴퓨팅 자원을 가지는 연산장치에도 쉽게 적용이 가능하다. Dataset shift가 발생하는 Z-24 교량의 실시간 이상상태 탐지에 상기 학습 방식을 적용하였으며, 그 결과 다양한 초기조건에서 적은 오보(false alarm) 및 정확한 손상 발생 시점을 포착하였다(Jin et al., 2018: 진승섭 등, 2022). 향후 구조물 모니터링에 관한 연구 제언 구조물 모니터링 시스템의 핵심은 오보(잘못된 분석)를 최소화하여 분석 결과(상태 평가/예측)에 대한 신뢰도를 확보하는 것이다. 이로써 안정적인 모니터링과 의사결정이 지속될 수 있게 하는 것이다. 지속적인 구조물 모니터링을 수행함에 있어 공용 중 발생할 수 있는 Dataset shift는 신뢰성 확보의 가장 큰 걸림돌로 작용할 수 있다. 이러한 Dataset shift는 구조물의 내/외적 특수성으로 인해 사전에 파악하는 것은 매우 어렵다. 이 글에서 간략히 소개한 온라인 학습 방법은 이러한 문제를 해결할 수 있는 여러 방법 중 하나이다. 따라서 실제 현장에서 발생할 수 있는 다양한 Dataset shift에 적용 가능한 다른 대안들을 적용하고 서로 비교하는 과정을 통해 강건한 방법론을 개발하는 것이 중요하다. 개발된 방법론은 단순히 건설 분야의 모니터링 기술 개선을 넘어 다양한 학제에 적용 가능할 것이며, 나아가 미래 유지관리 분야의 혁신을 이끌어갈 수 있는 핵심기술 중 하나로 자리매김할 수 있을 것이라 생각된다. 구조연구본부 게시일2023-03-27 조회수 1049
• 특수교량 안전점검 로봇 활용 기술 특수교량 안전점검 로봇 활용 기술 ▲ 서동우 KICT 구조연구본부 수석연구원 들어가며 현재 국내 특수교량(계측시스템이 구축되는 케이블 지지교량을 통칭)으로 건설되는 구조물의 대부분은 사장교 또는 현수교로 건설되는 특수교량은 설계 시 요구되는 사용수명이 100년 이상이므로 구조물의 안정성·내구성·사용성 등이 필수적으로 확보되어야 한다(KSCE, 2006). 특수교량에서 핵심 부재 중 하나인 케이블의 손상은 교량의 안전성 저하 및 사용 수명을 단축시키는 주요 요인으로서 환경적인 요인(기후·하중·지진 등)뿐만 아니라, 화재나 충돌 등과 같은 예측하기 어려운 사고 등이 있다. 공용 중인 교량의 경우 케이블 손상이 발생하여 운용이 중단된다면, 이에 따른 경제적·사회적 손실은 막대하다(Na et al., 2014). 국내에서는 서해대교(사장교) 케이블 화재에 의하여 총 144개의 사장재 중 1개가 완전 파단되고, 2개가 부분적으로 손상되는 사고가 발생한 사례가 있다(Gil et al., 2016). 케이블의 안전 및 유지관리를 위한 다양한 점검기술의 개발 연구가 진행되고 있지만, 장비의 이동성 및 접근성의 한계로 대형 시설물인 특수교, 특히 케이블에 적용하는 데 한계가 있다. 이를 보완하기 위하여 비파괴검사가 가능한 케이블 점검 로봇 개발이 이루어지고 있다(Kim et al., 2014). 케이블에 적용하기 위해서는 점검 로봇에 무선시스템을 적용하고 자중을 최소화하여 현상 사용성을 확보할 필요가 있다. 이 글에서는 기존 점검 로봇의 단점으로 지적되었던 주행 안정성을 보완하고, 케이블 내부 손상여부를 파악하기 위한 전자기 센서를 탑재한 케이블 점검 로봇을 소개하고자 한다. 케이블 점검 로봇 설계 및 제원 케이블 점검 로봇 제작은 200mm 이상의 대구경 케이블 적용성 및 로봇 주행 안정성 확보에 중점을 두었다. 케이블 점검 로봇의 3차원 이미지 및 주요 장치에 대하여 그림 1에 나타내었다. 로봇의 제원은 510mm×610mm×710mm이고, 무게는 12.8kg으로 경량화하였다. 또한, 내구성능을 향상시키기 위하여 로봇의 프레임을 알루미늄으로 제작하였다. 케이블의 외관 촬영을 위해 고해상도 IP카메라(1920×1080 픽셀)를 설치하고 무선 와이파이 공유기로 실시간 케이블 촬영 이미지를 전송할 수 있고, 가속도 센서와 로터리 엔코더를 이용하여 로봇의 이동거리를 계산할 수 있도록 하였다. 등반 시 로봇의 흔들림을 최소화하면서 케이블에서 이동할 수 있도록 3개의 구동부 모터(IG-32GM, DC12)와 우레탄 바퀴를 장착하고, 가변 직경 조절부(140~300mm)를 만들어 바퀴와 케이블 사이의 부착력을 향상시켰다. 로봇의 무선 원격제어는 IEEE 802.11 an/ac 5GHz 2×2 MIMO를 사용하여 통신거리 10km, 최대 867Mbps 데이터 전송속도를 낼 수 있도록 제작하였다. 케이블 강선 손상 검출은 전자기 센서를 적용하여 검출하는 방식으로 그림 2와 같이 케이블의 파단(혹은 손상)이 발생하였을 경우, 손상 부위에서 양극성이 다시 나눠지는 원리를 이용하였다. 케이블 손상 검출을 위해 점검 로봇에 탑재되는 센싱 장치는 그림 3과 같이 케이블 직경에 따라 조절할 수 있는 관경 조절 장치와 케이블 표면을 이동하기 위한 롤러부로 구성된다. 그리고 케이블 손상 검출을 위한 전자기 센서는 롤러부의 중간 내부에 삽입되어 있다. 케이블 점검 로봇 성능 평가 케이블 점검 로봇의 주행 성능 평가를 위한 실내외 실험을 그림 4와 같이 실시하였다. 공용 중 교량의 현장 실험을 위하여 케이블 사고 이력이 있는 사장교 1개를 테스트베드 교량으로 선정하였다. 해당 교량은 단경간 타정식 강합성 사장교로서 경간장 400m, 너비 23.9m의 왕복 4차로로 되어있다. 현장 케이블( 200mm)은 경사각도 27.3도, 실내 실험은 45도에서 수행되었다. 검증 실험결과 등반속도(19cm/s)와 하강속도(20cm/s)로 평가되었으며, 하강 시 발생될 수 있는 미끄러짐에 의한 속도 증가의 경우 로봇이 효과적으로 제어하고 있음을 확인할 수 있다. 그리고 경사각도에 상관없이 주행 속도가 일정한 것을 확인하였다. 추가로 현장 실험에서는 3개의 카메라로 케이블 표면을 실시간 이미지 촬영하였는데, 그림 5와 같이 케이블 육안 점검이 가능한 수준임을 확인하였다. 성능 검증 실험 중 통신 관련 문제는 발생하지 않았다. 케이블 손상 검출 실험은 실내에서 실시하였다. 실내 실험에서 사용된 케이블 실험체는 현재 교량에 사용되고 있는 케이블의 한 종류로 내부 케이블은 1.57mm 강연선 7개로 구성된 1개의 번들(Bundle) 20본으로 구성되어 있다. 케이블 케이스의 경우, 주행 능력 실험에서 사용된 동일한 HDPE(고밀도 폴리에틸렌)관을 사용하였다. 케이블 손상 검출을 위하여 인위적으로 손상유형을 그림 6과 같이 모사하였다. 절단 손상의 경우는 단면 절단 정도에 따라 30%, 50% 그리고 100% 절단(파단)으로 세분화하였고, 이탈 손상은 케이블이 정리된 상태에서 외부로 돌출된 경우를 재현하였다. 단절의 경우 1개의 케이블을 짧게 제작하였다. 실내에서 실시한 실험 결과를 그림 7에 나타내었다. 그래프에서 X축은 시간이며, Y축은 전자기 센서 측정값으로 손상(절단)이 발생한 지점에서는 전자기 센서 측정값의 위상이 180도 변화함을 알 수 있다. 한편 단절에서는 전자기 센서 측정값의 위상이 변화하지 않지만, 자기장의 크기가 커짐을 확인하였다. 실험 결과의 신뢰성 확보를 위해서는 본 연구에서 진행된 것보다 더 다양한 손상 유형 및 반복성을 확보한 추가 실험이 필요하다고 여겨진다. 맺음말 이 글에서는 200mm 이상의 대구경 케이블 측정이 가능한 케이블 점검 로봇 개발에 대한 내용을 소개하였다. 개발된 케이블 점검 로봇은 주행능력, 주행 안정성 및 무선 통신 성능을 향상시켜 현장 적용성을 확대시켰다. 전자기 센서를 이용한 케이블 내부 손상 유무의 검출 가능성이 실내 실험을 통하여 검증되었다. 하지만 추가적인 실험을 통해 케이블 손상 유무 이외에 손상 정도 및 손상 종류를 판단할 수 있는 분석 알고리즘을 개발함으로써 점검 효율성을 보다 향상시킬 필요가 있다고 판단된다. 점검 로봇을 활용한 시설물 유지관리 기술이 지속적으로 발전되어 적용된다면 시설물 안전관리에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대한다. 본 케이블 점검 로봇은 국토교통부의 예산 지원으로 개발되었으며 현재 국토안전관리원으로 인계되어 일반국도 특수교 유지관리에 활용되고 있다. 구조연구본부 게시일2022-07-25 조회수 1561
• 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 1159
• 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 1314
• 건설 분야에서의 탄소섬유 강화 복합재료 활용 기술 건설 분야에서의 탄소섬유 강화 복합재료 활용 기술 ▲ 윤진영 KICT 구조연구본부 수석연구원 들어가며 탄소섬유는 철에 비해 무게가 5배 가볍고 강도는 10배 정도 강하다. 또한 탄소섬유는 내충격성, 내열성, 내부식성 등이 뛰어나 항공·우주·방위 산업 등의 고부가가치 복합재료의 핵심소재로 널리 활용되고 있다. 하지만 탄소섬유는 머리카락보다 얇은 5~10 μm 수준의 직경을 가진 수천 개의 실 가닥으로 구성되어 있어, 탄소섬유만으로는 원하는 재료 특성을 얻기 어렵다. 따라서 대부분 경우 탄소섬유와 수지를 이용한 탄소섬유 강화 복합재료(carbon fiber reinforced polymer, CFRP) 형태로 제작되어 활용된다. 일반적으로 CFRP는 접착력과 물성, 내화학성이 뛰어난 에폭시(epoxy)가 사용된다. CFRP는 가볍고, 강도와 탄성이 우수하며, 내부식성이 뛰어나 보수, 보강, 철근 대체, 콘크리트 보강 등 다양한 목적으로 건설 분야에 활용되어 왔다. CFRP는 판, 시트, 격자, 케이블 등 다양한 형태로 제작되어 활용될 수 있다. CFRP 판과 시트는 손상된 콘크리트 구조물 표면을 정리한 후 에폭시 등을 도포하여 부착하는 형태로 구조물 손상 부위 보수 및 인장력 보강 등의 목적으로 활용할 수 있다(그림 1). 한국건설기술연구원에서 개발한 프리캐스트 TRM 패널은 CFRP를 격자 보강재 형태로 제작한 후 활용하는 기술이다. 얇게 제작한 TRM 패널을 노후 시설물에 부착하여 콘크리트 구조물 보강 목적으로 활용할 수 있다(그림 2). 이외에도 CFRP는 원형봉, 여러 가닥을 꼬은 연선형 등의 케이블로 제작되어 PSC 텐던 목적으로 사용할 수 있다(그림 3). 국내에서는 프리프래그 방식으로 원형봉 형태의 CFRP 제작이 일반적이다(그림 4). 이러한 CFRP 케이블을 PSC 텐던으로 활용할 경우 긴장력 도입이 필요하며, 이를 위한 CFRP 케이블 정착장치 개발이 필요하다. 하지만 CFRP의 취성적인 거동, 복잡한 파괴모드, 섬유방향 외에 열악한 역학적 특성으로 현재 상용화 되어 있는 PS 강재 정착구를 활용할 경우 극히 낮은 하중상태에서 갑작스러운 균열 진전 및 파단이 발생할 수 있다. 이 글에서는 이러한 CFRP 케이블의 재료 특성을 고려하여 PSC 긴장재로 활용하기 위한 연구를 소개하고자 하며, 건설 분야에서의 복합신소재 활용 확대를 유도하고자 한다. CFRP 케이블 정착장치 개발 및 인장 성능 평가 CFRP 케이블을 PSC에 활용하기 위해서는 긴장력 도입을 위한 정착장치 개발이 필수적이다. 따라서 원형봉 형태의 CFRP 케이블에 적합한 정착장치를 개발하기 위해 ACI440.4R의 슬리브 압착 방식을 활용하였다(그림 5). 이때 정착구의 외경, 내경 및 CFRP 케이블의 지름 변화를 분석하기 위해 X-ray CT를 활용하였다(그림 6). X-ray CT는 육안검사가 불가능한 정착구 내 CFRP 케이블을 3차원 이미지로 분석할 수 있는 장점이 있어, CT 결과를 정착구 및 CFRP 케이블 외경 변화와 내부 손상 탐지 목적으로 활용하였다. 압착으로 인한 정착구의 외경 변화는 약 26 mm에서 24 mm 수준이며, 탄소섬유 케이블의 경우 지름이 약 10 mm에서 9.5 mm 수준으로 감소하였다. CT 분석 결과 압착 중 CFRP 케이블에 균열 및 손상이 발생하지 않은 것을 확인하였다. CFRP 케이블과 정착구의 성능을 평가하기 위해 인장 시험을 진행하였다. 그림 7과 같이 양단의 정착구를 지그로 고정하여 인장 시험을 진행하였으며, 인장강도와 탄성계수는 약 3,000 MPa과 180 GPa 수준으로 확인되었다. CFRP 케이블의 낮은 밀도(1.62 g/cm3)를 고려하였을 때 높은 비강도를 확인할 수 있다. 인장 시험 중 CFRP 케이블의 파단은 중심 부위에서 발생하였으며 정착구의 슬립을 발생하지 않았다. 이러한 성능 평가 결과는 KCL(한국건설생활환경시험연구원) 시험성적서를 통해 인증받았으며, 일본 Tokyo rope사의 CFCC 및 Mitsubishi사의 Leadline 제품보다 우수한 성능을 보유하고 있는 것으로 확인되었다. CFRP 케이블을 활용한 PSC 시험체 제작 CFRP 케이블의 최대 인장강도 대비 40% 수준으로 긴장하여 PSC를 제작하였다(그림 9). 이때 매끄러운 표면의 CFRP 케이블에 옥사이드 코팅 표면처리를 진행하여 콘크리트와 CFRP 케이블 간 부착강도를 확보하였다. CFRP 케이블의 긴장력은 정착구에 유압너트를 고정하여 확보하였다. 긴장력 도입 후 50 MPa급 고강도 콘크리트를 타설하여 PSC 시험체를 제작하였다. PSC 시험체의 구조 성능 시험은 한국건설기술연구원에서 진행하였다(그림 10). 맺음말 첨단 복합재료인 CFRP를 건설분야에 활용함으로써 건설기술의 새로운 도약의 밑거름이 될 수 있다. 하지만 CFRP는 취성적인 특성, 상대적으로 높은 가격, 복잡한 파괴모드 등의 이유로 제한적으로 활용되고 있다. 따라서 본 글에서 소개한 CFRP 케이블 활용 연구 외에도 다양한 연구를 통해 CFRP의 활용 범위를 확대하기 위한 노력이 필요하다. 구조연구본부 게시일2023-08-25 조회수 1814

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