■ 하부 실리콘 플레이트의 두께에 따른 FCP 표면 오차에 관한 연구 - 김지혜·정경태·이동훈(한밭대)
최근 건설 산업의 디지털 전환과 동시에 비정형 건축물 시공기술에 관한 연구가 증가하고 있다.
비정형 건축물이란 전체 또는 일부가 사각형 형태를 벗어난 자유로운 형태의 건축물을 가리킨다. 이러한 건축물을 구성하는 부재로는 목재, 철재, 유리, 콘크리트 등이 사용되며 특히 콘크리트는 건축물 외피로서의 역할 수행에 탁월하고 유지 보수가 용이하다.
그러나 거푸집 제작에 있어 폐기물 발생과 형상 구현의 어려움 등 다양한 애로가 존재하며 관련 기술의 수준은 미흡한 실정이다.
일례로 기존 연구에서 개발된 하부 다점 프레스는 적용되는 거푸집의 재질과 규격에 따라 패널 형상의 정확도가 달라진다는 특성이 있다. 또한 기존 연구에서 적용된 하부 실리콘 플레이트의 두께는 10mm이였으나 최적 두께 선정에 관한 근거가 부족하며 실험을 통한 데이터 확보가 필요하다.
본 연구에서는 정밀한 비정형 콘크리트 패널(Free-form Concrete Panle)을 제작하기 위해 기존 하부 다점 프레스에 사용되는 하부 실리콘 플레이트의 두께에 따른 FCP의 표면 오차를 분석했다.
오차 분석 결과 하부 실리콘 플레이트의 두께가 얇을수록 표면 오차가 커지는 것을 확인할 수 있었으며 이는 콘크리트의 무게로 인한 처짐을 원인으로 판단했다. 또한 두께가 두꺼워질수록 곡면 말단에 오차가 발생했으며, 이는 두꺼운 실리콘의 탄성에 의한 들뜸을 원인으로 판단됐다.
이러한 연구는 기존 기술을 뒷받침할 근거로 활용될 수 있으며 고품질 FCP 제작 기술의 기초 연구가 될 수 있을 것으로 기대된다.
■ 건축물의 친환경 시공·해체를 위한 재료 분리형 GLT-steel 보 개발 - 방성준·오정권(서울대)
본 연구는 self-tapping screws로 구조용 집성재(glued-laminated timber, GLT)와 강판을 결합한 합성보를 개발하고, 탄소성해석을 통한 구조설계방법을 제시하고 있다.
개발한 합성보는 GLT와 강판이 self-tapping screws에 의해 기계적으로 합성되어 폐기 시 재료별 분리 배출이 가능하며, GLT는 압축력을, 강판은 인장력을 분담하고, GLT의 압축 거동으로 연성 거동이 확보되도록 설계됐다.
실험 결과, GLT 보는 인장 측 취성 파괴 후 하중 저항은 0으로 감소했지만, 개발한 합성보는 GLT 파손 후에도 약 30kN의 하중 저항을 유지하는 연성 거동을 보였다. 개발한 합성보의 휨 강성은 GLT 보 대비 58.5% 높았고, self-tapping screws 결합부 손상은 관찰되지 않았다.
이를 기반으로 힘의 평형 조건(GLT의 압축력 = 강판의 인장력)으로 소성 모멘트를 산정하고, 강판의 항복 강도로 개발 합성보를 설계할 수 있는 설계식을 정립했으며, 이를 통해 목구조 시스템의 안전성 및 신뢰성을 높이고, 모듈러 및 하이브리드 건축에 활용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.
■ 프리캐스트 콘크리트 모듈러 개발 및 현장 적용에 관한 연구 - 배규웅·부윤섭·신상민(한국건설기술연구원)
현재 건설현장에서는 시공 숙련인력 부족, 이상기후, 중대재해처벌법 등으로 현장 작업의 최소화를 강조하는 OSC(Off-Site Construction) 공법이 강조되고 있다.
본 연구에서는 PC 모듈을 적층하는 방식인 적층형 PC 모듈러를 개발하여 PC 모듈의 가장 큰 단점으로 부각되고 있는 단위 모듈의 무게를 약 20톤 정도로 줄여 양중 문제를 해결했다.
모듈 간 연결은 벽체와 슬래브 연결부 반복 이력시험을 통해 구조적 안전성을 확보하였다. 벽체 및 슬래브는 내화시험을 통해 법정 내화시간을 모두 만족하였으며, 목업 실증을 통해 기밀, 바닥충격음, 단열 등의 주거성능이 우수한 것으로 평가됐다.
개발된 PC 모듈러는 상가, 단독주택, 상가, 교회 등의 건축에 적용됐으며, 기숙사, 4층 이상의 단독주택, 리조트 등 많은 건축물에 대한 설계 실적을 보유하고 있어 공법의 활성화 분위기가 조성될 것으로 기대되고 있다.
■ 비정형 콘크리트 패널 표면공극 저감을 위한 자력다짐 장치 개발 - 윤종영(한밭대)
비정형 건축물은 전세계적으로 랜드마크 역할을 수행하며, 경제적·사회적으로 이윤을 창출하고 있다. 동대문 디자인 플라자(DDP)의 경우, 주변 상권 부활 및 생산 유발효과 등으로 약 8,966억원의 효과가 있을 것으로 분석되기도 했다.
이에 비정형 거푸집 관련 연구들도 수행되고 있다. 특히 비정형 콘크리트 패널(Free-form Concrete Panel)은 강성이 우수하며 비정형적인 형상으로 제작에 용이하다. 또한 사용되는 위치에 따라 각기 다른 곡면과 곡률을 요구하기 때문에 주로 맞춤 제작을 통해 활용되고 있다.
일반적인 거푸집의 경우, 콘크리트 타설 후 다짐 작업을 수행해 거푸집 내부의 공기를 외부로 배출시키지만, 비정형 거푸집은 다짐 작업 수행 시 측압 및 충격으로 인해 설계형상의 변형이 발생하는 등 오차가 발생한다. 현재 FCP 거푸집은 콘크리트 타설 후 다짐 작업 없이 수작업으로 제작되고 있는데, 표면공극이 발생하여 미관성, 내구성 및 품질 저하 등의 문제점이 있다.
이에 본 연구에서는 이를 개선하기 위해 비정형 거푸집 설계형상에 영향을 미치지 않으며, 표면공극 발생을 저감시키는 새로운 방안을 제시했다.
자력에 의해 회전되는 Spinbar는 PTFE Teflon(Polytetrafluoroethylene) 재질로 접착성이 낮고 회전식 운동에 유리하며 내화학성 및 온도 호환성이 좋은 특징이 있다. 따라서 이를 FCP 거푸집 내부에 배치하여 콘크리트 타설 시 자력으로 회전하는 방식으로 다짐작업을 수행하고자 한다.
기초 실험을 위해 기존 FCP를 제작하는 방식인 수작업 다짐으로 제작하는 대조군과 자력다짐을 수행하는 실험군으로 분류했다. KS F 2403에 의거해 40*160*40mm로 실험체를 제작했으며, 대조군은 상용품인 금속을 사용하고 실험군은 자력다짐을 위해 3D 프린터로 제작했다.
제작한 실험체를 통해 압축강도 및 휨강도, 표면공극 발생률을 분석했다. 압축강도 및 휨강도의 경우, 자력다짐과 같은 회전식 운동에 의해 재료 분리 및 강도 저하가 우려됐으나 1, 3, 7일 강도에서 개선된 것으로 나타났다.
표면공극 발생량은 대조군 및 실험군의 형상 스캔을 하여 설계형상과 데이터를 중첩시켰을 때 –0.2이상의 깊이를 지닌 부분을 공극으로 선정했으며, 이를 바탕으로 표면공극 발생률을 확인하였을 때, 대조군 5%, 실험군 4%로 저감된 것이 확인됐다.
이를 통해 비정형 콘크리트 분야에 있어 미관성 및 강도 증진으로 패널의 품질이 개선될 것으로 기대되며, 추후 연구를 통해 FCP 자동생산 장비에 적용해 검증에 나설 계획이다.
■ 콘크리트 압출 노즐의 요구사항 분석을 위한 비정형 패널 제작 실험 - 김혜권(한밭대)
최근 향상된 설계 및 시공기술을 바탕으로 비정형 건축물이 국가 경쟁력의 지표로 자리하며 설계 비율이 증가하고 있다. 그러나 비정형 거푸집의 설계는 첨단기술인 반면 제작은 인력이 사용되기 때문에 제작과정에서 오차가 발생하여 품질이 저하되고 있다.
이러한 문제점을 해결하고자 다양한 연구가 진행되고 있으며, 이를 바탕으로 FCP(Free-form Concrete Panel) 생산용 콘크리트 압출 노즐이 개발됐다. 그러나 이 기술은 수동으로 콘크리트를 압출하여 세밀한 압출량 조절이 불가하기 때문에 패널 형상에 맞춰 정량 압출이 되지 않으며 잔여물이 발생하는 단점이 있다.
이러한 한계를 개선하기 위해서는 패널의 오차 감소와 품질 향상을 위한 콘크리트 자동 압출 노즐 개발이 필요하며, 본 연구는 이를 해결하고자 비정형 패널 압출 실험을 통해 기존 노즐의 한계를 분석하고, 새로운 콘크리트 압출 노즐 개발을 위한 요구사항을 도출했다.
먼저 FCP 생산용 콘크리트 압출 노즐을 이용해 콘크리트 압출실험을 진행했으며, 3D 스캐너로 패널의 설계형상과 제작형상과의 형상오차를 비교분석했다. 3D 프린터로 제작한 비정형 거푸집(500*500*30mm)에 물시멘트비 38%를 최적 배합비로 설정하여 압출했으며, 건축물관련 건축기준의 벽체두께 허용오차인 3% 이내를 FCP 제작 허용오차의 기준으로 설정했다.
실험 결과 압출실험 1에서는 형상오차 분석 결과 ±4.010mm의 오차가 발생했는데, 스크류의 압력이 약하고 내부압력의 조절이 불가하여 세밀한 압출속도 제어가 불가능했다. 또한 콘크리트를 믹싱탱크에 정량 압송해도 콘크리트 양이 적을 경우 스크류에 헛돌면서 압력부족으로 압출이 불가하다는 점이 오차 발생의 원인으로 판단, 두 번째 압출실험을 진행했다.
압출실험 2에서는 콘크리트 양이 적을 경우 발생하는 문제점을 방지하기 위해 기존 콘크리트 양의 약 2배 증가시켜 압출실험을 진행, 형상오차 분석 결과 ±3.568mm의 오차가 발생했다. 콘크리트의 양을 늘렸지만 자동으로 정량의 콘크리트를 압출하지 못해 패널 두께가 불균일했으며, 개폐장치의 구조상 압출구를 차단해도 발생한 잔여물이 패널 형상에 영향을 미친다는 점이 오차가 발생한 원인으로 판단됐다.
이를 통해 압출실험 1에서 발생한 한계를 개선하기 위해 콘크리트 정량 압송이 가능한 펌프 장치와 콘크리트의 용이한 압출을 위한 압력 제어방식의 압출장치가 필요하다고 판단했다. 또한 압출실험 2에서 발생한 한계를 개선하기 위해 균일한 두께로 압출이 가능하고 콘크리트 끊김 현상 감소를 위한 압출구 디자인 변경과 잔여물이 발생하지 않는 개폐장치의 개발이 필요할 것으로 판단했다.
본 연구의 결과는 3D 프린팅 기술관련 건축분야 및 자동화 장비, FCP 생산 기술 발전에 기여할 것으로 기대되며, 또한 FCP 제작 및 생산을 위한 정보를 제공하고 비정형 건축물 패널 제작에 필요한 기술의 기초자료로서 의미를 가질 수 있다고 보인다.
■ 건설 메타버스 : 메타버스의 건설 산업 적용 활성화를 위한 영향인자 분석 - 유채연·김성진(한밭대)
메타버스(Metaverse)는 현실과 가상공간을 결합해 디지털로 확장된 세계를 구현하는 것을 가리킨다. 4차 산업혁명으로 인공지능, 빅테이터 등 과학기술이 발전함과 동시에 COVID-19의 발생으로 비대면, 온라인이 확산되면서 메타버스 기술이 주목받기 시작했다. 이는 타 산업과 메타버스의 접목의 활성화로 이어지고 있으나, 현재 건설 산업의 경우 메타버스 접목에 관한 연구는 미비한 실정이다.
건설 공사의 경우 현장에서 직접 관리하고 많은 사람들이 정보와 공사현황을 공유하는 특성을 가지며, 메타버스는 정보를 실시간으로 시각화하고 전달이 용이한 협업 공간을 제공할 수 있어 활용성이 뛰어날 것으로 판단된다. 이에 본 연구는 건설 산업의 메타버스 적용의 활성화를 위해 영향인자 분석을 진행했다.
시스템 다이내믹스(System Dynamics)는 시스템의 동태성의 원인인 시간, 구성요소들 간의 피드백, 정보 및 물질 흐름의 시간 지연을 모델화하는데 적합한 프로그래밍 도구로, 본 연구는 시스템 다이내믹스를 활용해 건설 산업에 메타버스를 적용했을 때의 시뮬레이션을 구현하기 위한 초기 연구로서 영향인자를 도출했다.
도출된 영향인자는 총 16개이며, 각 영향인자의 성격에 따라 4가지 분류로 나누고 정의했다.
메타버스 현장 구축을 위한 시스템적 요인에는 시스템 가용성, 메타버스 플랫폼 정확도, 메타버스 플랫폼 서버 성능, 메타버스 플랫폼 보안 수준, 현장 구현정도, 메타버스 플랫폼 비용이 있다.
사용기기 요인에는 컴퓨터 성능, 컴퓨터 가격, 외부 장치 호환성이 있다. 메타버스를 사용하는 사람 요인에는 사용자의 숙련도, 사용자의 소통 효율성, 사용자의 시야, 사용자의 경험횟수, 사용자 수가 있다. 마지막으로, 건설 현장 요인에는 작업 현장 규모, 현장 노동자 인원수를 도출했다.
새롭게 등장한 기술인 메타버스는 건설 분야와의 접목에 관련된 연구나 통계자료가 많이 축적되어있지 않은 상황으로, 본 연구는 건설 메타버스 연구의 초석으로서 후속 연구를 통해 CLD를 작성해 각 영향인자 간의 관계성을 파악하고, SFD 모델을 제작한 뒤 시뮬레이션을 진행해 활성화 효과를 검증할 계획이다.
이는 건설 산업 디지털화의 새로운 패러다임을 제시, 타 산업 대비 저조한 건설업의 생산성의 향상에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대되고 있다.
■ 3D 인필을 활용한 PC 모듈러 공법과 기존 공법과의 시공 프로세스 비교 연구 - 정준수·임석호·양현정(한국건설기술연구원)
국내 건설환경 변화에 따라 모듈러 공법을 포함한 탈현장 공법(공장제작방식 건설공법)에 대한 관심이 급증하고 있다. 다양한 탈현장(OSC) 공법이 선을 보이고 있는 가운데, 선두주자는 강재 기반의 박스형 모듈러공법이다.
강재 모듈러 공법은 기존 습식공법에 비해 공기단축에 의한 경제성 확보 측면과 프리패브 비율 등이 높아 요즘 건축시장 진입이 증가하고 있다. 하지만 최근 원자재 상승 및 환율 급등으로 습식공법 대비 경제성이 나빠지고 있다.
이에 강재-박스형 조합에서 벗어나 9-Matrix 기반의 OSC 공법간의 하이브리드를 해결책으로 보고 있어, 각 공법 간의 시공프로세스 비교연구를 진행하고 있다.
국내에서 보편적으로 사용하는 습식 콘크리트공법과, 관련 연구가 가장 활발히 이루어지고 있고 적용 실적이 많아 공업화 건축의 대표적인 공법으로 인식되고 있는 강재 모듈러 공법 및 강재 모듈러 공법의 경제성과 시공성을 개선한 3D 인필을 활용한 PC 모듈러 공법을 동일한 규모의 건축물을 건설과정을 통해 비교 분석했다.
모듈러 적층 후 현장에서 내화공사와 외장재 마감공사가 진행되는 강재 모듈러 공법과 달리 PC 모듈러 공법은 골조가 콘크리트로 구성돼 별도의 내화마감이 불필요하고 PC 모듈의 외부가 그대로 노출되는 노출 콘크리트 마감방식으로 별도로 마감재 시공이 불필요하다.
가양동 모듈러 공동주택의 공사기간 중 내화마감 공사기간 및 외장마감 공사기간(외부비계 설치 및 외벽 칼라강판 설치)의 공사기간 단축을 반영한 결과, PC 모듈러 공법은 기존 강재 모듈러 공법에 비해 공사기간이 9% 단축되는 것으로 분석됐다.
정리=한국건설신문 황순호 기자
