[논문]목표 탄소배출량 저감을 고려한 콘크리트 구조물의 설계 절차

정연백; 양근혁

doi:10.14190/jrcr.2015.3.2.115

목표 탄소배출량 저감을 고려한 콘크리트 구조물의 설계 절차
Design Approach of Concrete Structures Considering the Targeted CO2 Reduction 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.3 no.2, 2015년, pp.115 - 121

정연백 (경기대학교 일반대학원 건축공학과) , 양근혁 (경기대학교 플랜트.건축공학과)

초록
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본 연구에서는 $CO_2$ 배출 저감을 위한 저탄소 콘크리트 구조물 설계 절차를 제시하였다. 전과정 $CO_2$ 평가에 기반한 저탄소 콘크리트 구조물 설계 절차는 ISO 13315-2에서 요구하는 시스템 경계를 이용하였으며 구조물의 전과정 평가를 수행하기 위한 전과정 목록(life-cycle inventory, LCI)은 기본적으로 국가에서 구축한 LCI 데이터베이스 정보망을 이용하였다. 본 연구에서 제시한 절차에 따라 전단벽 콘크리트 구조물을 대상으로 전과정 $CO_2$ 평가에 대한 사례분석을 수행하였다. 기둥부재의 경우 GGBS 25% 치환 시 재료단계, 해체 및 파쇄단계, 운송단계에서 $CO_2$ 발생량 및 탄산화에 의한 $CO_2$ 포집량은 모두 감소하는 것으로 나타났으며 OPC 대비 약 26% 감소하는 것으로 나타났다. 기둥, 벽체, 보 및 슬래브 전체의 경우 GGBS 25% 치환에 따라 전과정 $CO_2$ 발생량이 약 22% 저감하는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

The objective of this study is to present the design approach of low $CO_2$ concrete structures for reduction of $CO_2$ emissions. The design approach was implemented considering the system boundary for each processing presented in the ISO 13315-2. As for life-cycle inventory(LCI) for $CO_2$ assessment of concrete structures, data provided from domestic LCI DB was used. Based on the process presented in this study, case studies on the life-cycle $CO_2$ assessment of shear wall concrete structure was conducted. As substitution level of GGBS is 25%, the amount of $CO_2$ emissions and $CO_2$ uptake by concrete carbonation was decreased in the material, demolition and crushing, and transport phase. The amount of $CO_2$ emissions of column and total member was decreased by 26% and 22% respectively, compared to that of OPC.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 CO₂ 배출 저감을 위한 저탄소 콘크리트 구조물설계 절차를 제시하였으며, 제시한 절차에 따라 전단벽 콘크리트 구조물을 대상으로 전과정 CO₂ 평가에 대한 사례분석을 수행하였다. 콘크리트 구조물의 전과정 CO₂ 평가에 대한 사례분석을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
산출된 콘크리트의 전과정 CO₂ 발생량을 Reference building과 비교하여 목표 CO₂ 저감률 및 산업부산물 재활용율에 만족하는지 검토한다. 만약 만족하지 않는 경우에는 1단계 재료 선정부터 재산정한다.
이에 본 연구에서는 콘크리트 구성요소들인 원재료들의 전과정(채취, 운반, 콘크리트 생산과 타설, 구조물 사용과 해체, 해체된 콘크리트의 파쇄 및 재활용 등)에 대한 CO₂배출 및 포집 등에 대한 정량적인 평가를 실시하고 이를 토대로 전과정 CO₂ 평가에 기반한 콘크리트 구조물 설계방법을 제시하고자 한다.

제안 방법

1. 콘크리트 압축강도 증가 및 혼화재 치환에 따른 콘크리트 구조물의 전과정 CO₂ 배출량 및 탄산화에 의한 CO₂ 포집량을 정량적으로 평가하고 목표 CO₂ 배출량 저감률을 만족시키기 위한 콘크리트 구조물의 설계절차를 제시하였다.
이 단계에서는 구조물의 역학적 특성을 고려하여 여러 가지 구조 시스템 및 공법을 적용하여 가장 적절한 시스템을 결정한다. 구조물에 작용하는 하중조건(중력하중, 활하중, 지진하중, 풍하중 등)을 적용하여 재료단계에서 결정된 콘크리트의 설계강도 및 철근의 항복강도를 고려하여 적절한 부재 단면 크기를 결정한다. 압축부재의 경우 콘크리트 압축강도를 증가시키고, 휨부재의 경우 콘크리트의 압축강도를 감소시키는 것이 일반적으로 CO₂ 저감에 효과적이다(Lee et al.
분석결과 기둥 및 벽체의 콘크리트 압축강도를 24MPa에서 40MPa로 증가하였을 때 오히려 CO₂ 발생량 약 14% 정도 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 목표 CO₂ 저감률 20%를 만족하기 위해 배합을 조절할 수 밖에 없으며 이때의 혼화재 치환율은 Jung and Yang(2015) 이 제시한 모델식 및 설계차트를 이용하여 GGBS 25%를 치환하는 것으로 결정하였다.
(2013)은 최적구조설계를 이용한 철근콘크리트 기둥의 CO₂ 배출량 평가에 관한 연구를 통해 축력이 증가할 때는 콘크리트 압축강도의 증가가 CO₂ 배출량을 줄이는데 효과가 있는 반면, 휨모멘트가 증가하는 경우에는 압축강도 증가가 오히려 CO₂ 배출량을 줄이는데 효과가 거의 없는 것으로 평가하였다. 따라서 본 사례분석에서는 축력이 지배적인 철근콘크리트 기둥 및 벽체의 콘크리트 압축강도를 24MPa에서 40MPa로 변경하여 압축강도 변화에 따른 CO₂ 배출량을 비교 분석하였다. 콘크리트 구조물에서 콘크리트의 압축강도 변화에 따른 철근 및 콘크리트 물량을 비교하기 위해 Midas Gen 프로그램을 이용하여 구조 해석을 수행하였으며, 콘크리트 및 철근 물량은 Midas Design+를 이용하여 산정하였다.
9 사이에 있도록 검토하였다. 압축강도 증가에 따른 콘크리트 물량 산출을 위해 기둥의 수직 철근량은 최소철근비 0.01로 동일하게 설정하였으며, 응력비도 가능한 유사하도록 설정하였다.
앞에서 제시한 CO₂ 배출 저감을 위한 콘크리트 구조물의 전과정 CO₂ 평가 방법에 기반하여 전단벽 콘크리트 구조물을 대상으로 전과정 CO₂ 평가에 대한 사례 분석을 하였다.
따라서 본 사례분석에서는 축력이 지배적인 철근콘크리트 기둥 및 벽체의 콘크리트 압축강도를 24MPa에서 40MPa로 변경하여 압축강도 변화에 따른 CO₂ 배출량을 비교 분석하였다. 콘크리트 구조물에서 콘크리트의 압축강도 변화에 따른 철근 및 콘크리트 물량을 비교하기 위해 Midas Gen 프로그램을 이용하여 구조 해석을 수행하였으며, 콘크리트 및 철근 물량은 Midas Design+를 이용하여 산정하였다. 분석결과 기둥 및 벽체의 콘크리트 압축강도를 24MPa에서 40MPa로 증가하였을 때 오히려 CO₂ 발생량 약 14% 정도 증가하는 것으로 나타났다.

대상 데이터

사례분석 대상은 서울에 위치한 지상 12층 규모의 철근 콘크리트 구조물로서 콘크리트 압축강도 및 배합조건에 따른 전과정 CO2 발생량 및 포집량을 비교·평가하였다.
사례연구를 위해 선택된 구조물의 부재별 콘크리트 설계강도는 Table 1에 나타내었으며, 배합표는 인천 남동구에 위치하는 R 레미콘사에서 제공하는 것을 이용하였다(Table 2). 하중 조건 및 검토 기준은 국토해양부 고시 건축구조설계기준(KBC2009)에 근거하여 풍하중과 지진하중을 고려하였다.

이론/모형

이 단계에서는 Yang et al.(2014) 이 제시한 CO₂ 평가절차를 이용하여 콘크리트 타설 단계에서의 CO₂ 배출량을 산정한다. 에너지원이 경유인 펌프차는 붐대 길이에 따라 CO₂ 원단위가 차이가 있는데, 붐대 길이가 28m인 경우 CO₂ 원단위는 3.
이 단계에서는 Yang et al.(2014)이 제시한 CO₂ 평가절차 및 CO₂ 포집량 평가방법을 이용하여 Process D와 같이 구조물 해체, 폐콘크리트의 파쇄 및 재활용 단계에서의 CO₂배출량을 산정하여 환경영향을 평가한다. 구조물 해체단계에서의 CO₂ 배출량은 해체방식(대형기계식, 발파식)에 따른 해체장비의 유류 및 전력소비량을 이용하여 산정될 수 있다.
이 단계에서는 Yang et al.(2014)이 제시한 콘크리트 탄산화에 의한 CO₂ 포집량 평가 방법을 이용하여 Process C와 같이 CO₂ 포집량을 산정한다.
저감률을 설정한다. 목표 CO₂ 저감률을 만족하기 위한 콘크리트 배합설계(결합재 설계, W/B 결정, S/a 산정 등)는 Jung and Yang(2015) 이 제시한 모델식 및 설계차트를 이용한다(Process A).
1과 같이 나타낼 수 있다. 콘크리트 구조물의 전과정 평가를 수행하기 위한 전과정 목록(life-cycle inventory, LCI)은 기본적으로 국가에서 구축한 LCI 데이터베이스 정보망을 이용하였다.
사례연구를 위해 선택된 구조물의 부재별 콘크리트 설계강도는 Table 1에 나타내었으며, 배합표는 인천 남동구에 위치하는 R 레미콘사에서 제공하는 것을 이용하였다(Table 2). 하중 조건 및 검토 기준은 국토해양부 고시 건축구조설계기준(KBC2009)에 근거하여 풍하중과 지진하중을 고려하였다. 기준층의 평면 및 입면에 대한 정보는 Fig.

성능/효과

2. 기둥 및 벽체의 콘크리트 압축강도를 24MPa에서 40MPa로 증가하였을 때 오히려 CO₂ 발생량 약 14%정도 증가하는 것으로 나타났다.
3. 기둥부재의 경우 GGBS 25% 치환 시 재료단계, 해체 및 파쇄단계, 운송단계에서 CO₂ 발생량 및 탄산화에 의한 CO₂ 포집량은 모두 감소하는 것으로 나타났으며 OPC 대비 약 26% 감소하는 것으로 나타났다.
4. 기둥, 벽체, 보 및 슬래브 전체의 경우 GGBS 25% 치환에 따라 전과정 CO₂ 발생량이 약 22% 저감하는 것으로 나타났다.
5. 콘크리트 생산, 타설 및 해체단계에서의 공정과 그에 따른 사용장비들의 에너지원에 의한 CO₂ 배출계수는 시대적, 지역적 상황에 따라 다를 수 있다. 이에 따라 이 연구의 사례분석 결과는 건축물 규모 및 위치에 따라 다소 변화될 수 있다.
기둥, 벽체, 보 및 슬래브 모두 혼화재 치환에 따라 CO₂ 발생량이 감소하는 것으로 나타났다. GGBS 25% 치환에 따라 전체 콘크리트 구조물의 CO₂ 발생량이 약 22% 저감하는 것으로 나타났다.
구조물 사용단계와 재활용단계에서 콘크리트 탄산화에 의한 CO₂ 포집량은 각각 -9157 CO₂-kg과 -28140 CO₂-kg으로 산정되었다. 결국, CO₂ 배출과 포집을 모두 고려하였을 때 GGBS 25% 치환하여 적용한 기둥의 전과정 CO₂ 양은 135263 CO₂-kg으로 OPC 대비 26% 감소하는 것으로 나타났다.
배출량에 대해 Table 4에 나타내었다. 기둥, 벽체, 보 및 슬래브 모두 혼화재 치환에 따라 CO₂ 발생량이 감소하는 것으로 나타났다. GGBS 25% 치환에 따라 전체 콘크리트 구조물의 CO₂ 발생량이 약 22% 저감하는 것으로 나타났다.
콘크리트 구조물에서 콘크리트의 압축강도 변화에 따른 철근 및 콘크리트 물량을 비교하기 위해 Midas Gen 프로그램을 이용하여 구조 해석을 수행하였으며, 콘크리트 및 철근 물량은 Midas Design+를 이용하여 산정하였다. 분석결과 기둥 및 벽체의 콘크리트 압축강도를 24MPa에서 40MPa로 증가하였을 때 오히려 CO₂ 발생량 약 14% 정도 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 목표 CO₂ 저감률 20%를 만족하기 위해 배합을 조절할 수 밖에 없으며 이때의 혼화재 치환율은 Jung and Yang(2015) 이 제시한 모델식 및 설계차트를 이용하여 GGBS 25%를 치환하는 것으로 결정하였다.
8에 나타내었다. 혼화재 치환율이 증가함에 따라 재료단계, 해체 및 파쇄단계, 운송단계에서는 CO₂ 발생량 및 탄산화에 의한 CO₂ 포집량은 모두 감소하는 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	슬래그(GGBS)나 플라이애시(FA)와 같은 혼화재의 시멘트 치환을 통해 얻는 부가적인 장점은?	이에 따라 저탄소 콘크리트 구조물의 설계 및 시공을 위하여 가장 보편적 접근방법인 고로 슬래그(GGBS)나 플라이애시(FA)와 같은 혼화재의 시멘트 치환은 2000년대 이후 더욱 주목을 받고 있다. 더군다나 GGBS나 FA의 시멘트 치환은 천연자원 보전 및 산업부산물의 재활용이라는 부가적인 효과도 기대할 수 있다. 따라서 콘크리트 구조물의 전과정 CO2 배출에 대한 혼화재 치환의 영향을 정량적으로 평가할 수 있는 자료의 제시는 환경경영 기반의 시방서 및 설계기준의 확립을 위하여 중요하게 이용될 수 있다.
	저탄소 콘크리트 구조물의 설계 및 시공을 위해 가장 보편적으로 고려하는 것은?	콘크리트에서 시멘트의 구성비율은 약 30% 이하이지만 시멘트에서 배출되는 CO2 양은 콘크리트 전과정 CO2 배출량의 약 85% 이상을 차지한다(Yang and Moon 2012). 이에 따라 저탄소 콘크리트 구조물의 설계 및 시공을 위하여 가장 보편적 접근방법인 고로 슬래그(GGBS)나 플라이애시(FA)와 같은 혼화재의 시멘트 치환은 2000년대 이후 더욱 주목을 받고 있다. 더군다나 GGBS나 FA의 시멘트 치환은 천연자원 보전 및 산업부산물의 재활용이라는 부가적인 효과도 기대할 수 있다.
	국내 연간 시멘트 생산으로부터 배출되는 CO2 양은 얼마나 되는가?	15배 높다. 국내 연간 시멘트 생산으로부터 배출되는 CO2 양은 약 4,500만 톤으로 평가되고 있으며, 이는 우리나라 전체 CO2 배출량의 약 6.5%에 해당한다(Lee and Kim 2011).

참고문헌 (8)

Han, S.W. (2011). A Study on Carbon Dioxide Emission of Input Resources according to Construction Method in Construction Phase, Master Dissertation, University of Seoul, 79 [in Korean].
IgCC Public Comment Hearing Committee. (2012). International Green Construction Code, International Code Council, INC.
ISO/DIS 13315-2. (2013). Environmental Management for Concrete and Concrete Structures-Part 2: System Boundary and Inventory Data, International Organization for Standardization, Geneva, Switzerland.
Jung, Y.B., Yang, K.H. (2015). Mixture-proportioning model for low- $CO_2$ concrete considering the type and addition level of supplementary cementitious materials, Journal of the Korea Concrete Institute, Accepted [in Korean].
Lee, H.Y., Shin, Y.A., Choi, S.W., Park, H.S. (2013). Carbon Dioxide Emissions Evaluation for Reinforced Concrete Columns Based on the Optimal Structural Design, Journal of Architectural Institute of Korea, 29(8), 45-52 [in Korean].
Lee, S.H, Kim, S.K. (2011). $CO_2$ reduction in the Cement Industry, Concrete and Environment, Kimoondang, Seoul, 16-30 [in Korean].
Yang, K.H., Moon, J.H. (2012). Design of Supplementary Cementitious Materials and Unit Content of Binder for Reducing $CO_2$ Emission of Concrete, Journal of the Korea Concrete Institute, 24(5), 597-604 [in Korean].

원문보기 상세보기
Yang, K.H., Seo, E.A., Tae, S.H. (2014). Carbonation and $CO_2$ Uptake of Concrete, Environmental Impact Assessment Review, 46, 43-52.

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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