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문제 정의
- 본 고에서는 현대건설이 구축한 시스템과 현재까지의 적용사례를 소개하고, 향후의 연구진행방향을 제시하고자 한다.
- 현장에서 측정된 데이터는 실시간으로 개인용 PC에 자동저장, 설정조건에 따라 웹서버에도 저장되도록 하여 현장 뿐만 아니라 본사 등 관련 전문가가 실시간으로 측정된 온도상황을 파악할 수 있도록 하여 콘크리트 양생줄의 이상 유무에 대한 자문 및 대책수립이 가능하도록 하였다.
가설 설정
- (28) : 재령 28일의 압축강도. 구조체의 모든 부위에 있어서 안전측으로 강도추정을 하기 위해 적용 콘크리트의 호칭강도를 적용하는 것이 적정함.
제안 방법
- 이에 본 시스템에 의해 계측한 현장양생 공시체의 온도와 구조체의 온도를 계측하고 일정시점에 성숙도 및 강도추정을 한 후 현장양생공시체에 대한 압축강도시험을 통해 구조체 콘크리트의 압축강도를 추정하였다.
- 현장사무실의 개인용 컴퓨터에 설치되는 콘크리트 양생관리 프로그램은 무선으로 전송된 온도계측 데이터를 실시간으로 화면에 출력하는 기능과 측정대상 콘크리트의 성숙도 및 압축강도를 추정하는 기능을 갖고 있으며, 측정대상 콘크리트 및 부위에 관한 기본데이터 입력부분, 출력 데이터의 선택부분, 디스플레이 화면 등 3가지 요소로 구성되어 있다. 데이터 입력부분에서는 콘크리트의 배합조건 등 콘크리트와 관련된 기본 정보를 입력하며, 콘크리트의 배합조건에 따른 계수 등을 직접 입력할 수 있도록 하였다. 디스플레이 화면부분에서는 현장에서 실시간으로 측정된 온도이력과 이를 콘크리트의 성숙도나 강도추정 값으로 나타내는 등 워나는 화면을 선택할 수 있다.
- 따라서, 본 시스템에서는 -30 ~ 100℃(오차범위 : ± 1℃)까지 측정가능한 서미스터(thermister, 저항값 15kΩ)를 적용하였다.
- 또한 계측된 콘크리트의 온도이력으로부터 콘크리트의 성숙도에 의해 압축강도를 추정하는 것이 가능함으로써 표준양생공 시체와는 온도이력이 상이한 구조체 콘크리트의 압축강도를 추정하고, 이를 토대로 거푸집탈형 및 후속공정의 진행여부를 판단 할 수 있는 '콘크리트용 무선온도계측 및 양생관리 시스템'을 구축하였다.
- 매스 콘크리트의 경우 시멘트의 수화열에 의한 온도상승으로 인해 콘크리트 타설 후 온도변화에 따른 균열발생 가능성이 높으므로 사전에 수화열해석을 통해 적정한 배합과 표면보양방법을 결정하였으며, 타설 후의 양생관리를 위해 실시간 계측을 하였다. 부재 중심부와 표면부 중심부와 외곽 측면부 사이의 온도차 관리 기준으로서 25℃를 설정하였는바 [그림 8]에 나타난 바와 같이 외 기온 변화에 따른 콘크리트의 중심부와 표면부의 온도이력을 모니터링하면서 표면부에 대한 보온조치를 취하는 것이 가능하였다.
- 즉 콘크리트의 타설 시점부터 일정시점까지의 구조체의 온도이력을 측정하면 그 시점까지의 콘크리트의 등가재령을 산출할 수 있다. 본 시스템에서는 이렇게 산출된 등가재령을 표준양생 콘크리트의 재령별 강도 발현식에 대입함으로써 압축강도를 추정하였다.
- 4 GHz인 점을 고려할 때, 수신부 와의 사이에 장애물이 있는 경우에는 계측이 거의 불가능하다는 단점을 갖고 있다. 이에 기존의 직접 송수신 방식으로부터 1:1센서노드(데이터로거)간의 네트워킹이 가능한 메쉬방식으로 시스템을 구성하여 최초로 적용하였다. 그 결과 지상으로부터 200 m높이에 이르는 구조체의 최상부에서 2개소를 대상으로 한 측정 및 관리가 가능하였다.
- 특히 최근 골조공사의 공기단축과 관련하여 강도조기발현성 콘크리트의 적용과 재령초기의 양생방법에 대한 검토가 활발히 진행되고 있다. 이에 본 시스템을 콘크리트의 수화열해석 프로그램과 연동하여 콘크리트 배합선정에 앞서 외기온과 구조체의 단면크기, 양생방법 등을 고려하여 온도이력을 추정하고, 예상되는 콘크리트의 온도이력으로부터 재령별 강도발현추이를 시뮬레이션하는 프로세스를 구축하였다. [그림 5, 6] 은 그와 같은 사전검토 시뮬레이션의 예를 나타낸 것이다.
- 이에 본 양생관리 프로그램에서는 구조체로부터 실시간으로 측저하는 온도이력으로부터 콘크리트의 강도추정이 가능한 성숙도법을 채용하였다.
- 이에 슬립폼 내부의 깊이별 콘크리트 온도와 슬립폼 표면온도 및 구조체 내부의 격실 공간온도 등을 실시간으로 모니터링하여 적정한 슬립폼 상승속도가 유지되도록 하였으며, 시간경과에 따른 콘크리트 내부의 온도이력으로부터 콘크리트 강도를 추정하는등 최적의 조건으로 양생관리를 수행하였다. 무선온도계측 시스템에 의한 실시간 온도이력 계측결과를 [그림 10]에 나타냈으며, 특히 슬립폼 표면급열이 일시적으로 중단되어 슬립폼 표면의 온도와 내부 콘크리트의 온도가 급격히 하강하는 상황에서도 주요 부위에 대한 실시간 온도계측을 통해 신속히 대처할 수 있었다.
- 이에 최근 들어 기존의 RF모뎀 방식에 네트워킹 방식을 접목하여 장애물의 유무 및 이격거리에 관계없이 적용 가능한 신개념 센서네트워크 방식의 무선계측 시스템을 구축하였으며, 이를 슬립폼에 의해 연속시공하는 200m높이의 타워 구조체에 적용함으로써 그 적용성을 검증하였다.
- 즉, 무선 센서네트워크에 의해 계측되어 전송된 온도데이터는 콘크리트 양생관리 프로그램에 의해 실시간으로 온도변화 그래프로 변환된 후 온도와 시간의 관계로부터 콘크리트 성숙도를 산출하고 압축강도를 추정하여 제시하도록 구축되었다.
- 본 시스템에서 채용한 콘크리트의 재령별 강도발현 추정식은 식(3)에 나타낸 바와 같으며, ACI 강도추정식의 수정식을 활용하였다. 즉, 우변의 재령(te)에 실제재령(t) 대신 온도이력으로부터 산정된 등가재령(Tes 또는 Tea)을 대입하는 것으로 변환하였다. 재령28일의 압축강도란 현장적용한 콘크리트를 표준양생한 재령28일의 평균압축강도를 의미하나 구조체의 부위에 따른 온도차를 고려하여 안전측으로 강도추정을 하기 위해서는 레미콘의 호칭강도를 적용하는 것도 가능하다.
- 현장에서 콘크리트 타설 전에 콘크리트의 온도이력을 측정하고자 하는 부위에 온도센서를 매설한 후, 현장에 설치한 소형 로거에 온도센서를 연결하여 온도계측을 개시한다. 콘크리트 타설이 개시되면 타설이 콘크리트온도와 시간경과에 따른 온도이력의 실시간 계측이 이루어지며, 측정된 온도값은 동시에 현장사무실의 컴퓨터에 연결된 수신기로 전송된다.
대상 데이터
- 본 시스템에 의해 양생관리방안이 적용된 콘크리트 케이슨은 1함당 5,170톤에 이르는 38개의 대형 철근콘크리트 구조체로써, 슬립폼 공법에 의해 8 ~ 12분당 1스트로크(2.5 씩 상승시 cm)키는 속도로 연속적으로 콘크리트를 타설하고 양생하여 가로 35m, 세로 15 m, 높이 22 m크기의 케이슨이 약 5 ~ 7일의 공정으로 제작되었다[그림 9].
- 적용대상 초고속 엘리베이터 시험타워는 높이 183 m에 이르는 수직 구조체로서, 수신기가 설치되어 있는 현장사무실과 송신부가 직접적으로는 보이지 않는 위치에 설치되었다. 무선온도계측기는 전파를 이용하여 송수신을 하므로, 본 시스템을 구성하고 있는 송신모듈의 주파수가 1.
- 측정된 데이터는 Zigbee RF모듈을 통해 현장 사무실의 PC(또는 게이트 웨이) 및 인근의 다른 데이터 로거와 상호 통신하도록 구성되어 있다.
- 현대건설이 개발하여 실용화한 현장타설 콘크리트 양생관리 시스템의 구성도는 [그림 1]과 같으며 크게 온도센서, 센서노드, Zigbee RF모듈, 온도이력의 PC화면 출력 및 저장, 인터넷을 통한 서버저장 및 자료공유 등 5개 단계로 구성되어 있다.
이론/모형
- 본 시스템에서 채용한 콘크리트의 재령별 강도발현 추정식은 식(3)에 나타낸 바와 같으며, ACI 강도추정식의 수정식을 활용하였다. 즉, 우변의 재령(te)에 실제재령(t) 대신 온도이력으로부터 산정된 등가재령(Tes 또는 Tea)을 대입하는 것으로 변환하였다.
- 콘크리트의 성숙도는 아래식(1) 및 식(2)에 나타낸 바와 같이 일반적으로 널리 활용되고 있는 Nurse-Saul함수와 Arrhenius식에 의한 등가재령으로 산출하였다.
성능/효과
- 특히 구조체의 단면이 커서 수화발열량이 많을 뿐만 아니라 구조체 내부공간의 온도가 높으므로 슬립폼 내부에서의 콘크리트 온도이력은 매우 높게 나타날 것으로 예상되었으며, 그로 인해 콘크리트의 응결속도가 일반적인 실온하에서의 시험체 응결속도와 큰 차이를 보일 것으로 예상되었다.
- 이에 기존의 직접 송수신 방식으로부터 1:1센서노드(데이터로거)간의 네트워킹이 가능한 메쉬방식으로 시스템을 구성하여 최초로 적용하였다. 그 결과 지상으로부터 200 m높이에 이르는 구조체의 최상부에서 2개소를 대상으로 한 측정 및 관리가 가능하였다. 즉, 장애물이 있더라도 수신기와 가까운쪽의 데이터로거 송신기가 다른 데이터로거 송신기의 측정데이터를 중계하여 데이터를 송신하는 것이 가능하였다.
- [그림 12]에 강도조기발현 콘크리트의 양생관리를 위해 본 시스템을 활용한 사례를 나타냈다. 그림에서 알 수 있듯이 일평균기온이 미만인 저온기에 있어서 콘크리트의 조기강도 발현 15℃을 위해 폴리카본산 계 조강형 혼화제를 사용한 경우, 콘크리트 타설 후 24시간 이내에 구조체 콘크리트는 수화열에 의한 높은 온도이력을 갖는 것에 비해 현장양생공시체는 외기온과 동 일한 수준의 온도이력을 보이는 것을 확인할 수 있다. 이에 본 시스템에 의해 계측한 현장양생 공시체의 온도와 구조체의 온도를 계측하고 일정시점에 성숙도 및 강도추정을 한 후 현장양생공시체에 대한 압축강도시험을 통해 구조체 콘크리트의 압축강도를 추정하였다.
- Zigbee는 AA배터리 두 개만으로 수개월 동안 수명을 유지할 정도로 전력효율이 좋으며, 10 ~ 10,000개의 센서네트워크를 구성할 수 있다. 또한 AD-hoc네트워크 특성을 가질 수 있어 기존의 블루투스(bluetooth)보다 더 큰 PAN(personal area network)을 구성할 수 있다는 장점이 있다.
- 본 시스템의 양생관리 프로그램에 의해 온도이력을 이용하여 추정한 구조체 콘크리트의 압축강도와 실제 구조체로부터 채취한 코어의 강도를 비교한 결과를 [그림 5]에 나타냈으며, 추정결과와 실제 구조체의 압축강도 발현경향이 매우 유사한 것을 확인 할 수 있다.
후속연구
- 향후 많은 관련 연구들이 수행되어 궁극적으로는 굳지 않은 콘크리트의 반입관리 및 초기 품질관리는 물론 콘크리트의 다양한 역학적 성능의 계측관리가 가능한 통합 품질관리시스템으로 발전되기를 기대한다.
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