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문제 정의
- 현재까지 개발된 장비 중 가장 진보된 성능을 지니고 있는 Motocut社 Motocut Cutter의 경우 PHC 파일 두부정리 작업을 노무인력의 투입 없이 수행할 수 있으나, 파일 내부가 콘크리트로 충진된 원형이나 다각형의 콘크리트 파일에 한정적으로 적용 가능하므로, 국내에서 주로 사용되는 속이 빈 원형의 PHC 파일 두부정리 작업에는 적용될 수 없다는 단점을 지닌 것으로 분석되었다. 따라서 본 연구에서는 국내 PHC 파일 두부정리 환경을 분석하고, 이를 토대로 국내 실정에 가장 적합하면서 현장 적용성이 우수한 PHC 파일 원커팅 두부정리 자동화 장비를 개발하고자 한다.
- 이는 선행연구(Yeom, 2017)에서 정성적으로 수행된 핵심 요소기술 선정 결과와 일치하므로, 본 연구를 통해 선정된 핵심 요소기술은 정성적, 정량적 측면에서 PHC 파일 원커팅 두부정리 자동화 장비를 개발하기에 적합하다고 판단할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 상기 핵심 요소기술을 반영하여 PHC 파일 원커팅 두부정리 자동화 장비의 상세설계를 제안하고자 한다.
- 따라서 본 연구의 목적은 현장 요구사항을 반영하여 PHC파일 원커팅 두부정리 자동화 장비의 상세설계를 수행하고, 도출된 상세설계에 대한 기술적/구조적 타당성 분석을 수행하는 것이다. 이를 위해 본 연구에서는 현장 전문가 설문조사를 통한 핵심 요소기술 선정, 핵심 요소기술 및 현장 요구사항이 반영된 상세설계 도출, 상세설계에 대한 구조적 타당성 분석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 PHC 파일 두부정리를 위해 개발된 국내·외 자동화 장비에 대한 조사 및 분석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 PHC 파일 원커팅 두부정리 자동화 장비의 실물 개발에 앞서, 상세설계에 대한 구조적 타당성을 분석하고 최적설계를 수행하고자 한다. 본 연구의 구조해석에는 기구설계 분야에서 범용적으로 활용되는 구조해석 프로그램인 DASSAULT SYSTEMS社 CATIA v.
- 본 연구에서는 앞서 도출된 PHC 파일 원커팅 두부정리 자동화 장비의 상세설계를 기반으로 3D 프린팅 기술을 활용한 축소모형을 제작하였다. 본 연구를 통해 제작된 축소모형은 실제 사이즈 대비 1/10 크기로 제작되었으며, 조립/해체 및 실제 구동이 가능하도록 워킹목업(Working Mock -up)의 형태로 개발되었다.
- PHC 파일 두부정리 작업은 1) 노무자 안전성, 2) 품질의 균일성, 3)작업 생산성, 4) 숙련공 부족의 4가지 측면에서 문제점을 지닌 것으로 선행연구를 통해 분석된 바 있다(Yeom, 2017). 본 연구에서는 이러한 문제점에 대한 건설현장의 인식조사를 수행하기 위해 PHC 파일 두부정리 공사 경험을 지닌 33인의 현장 전문가 설문조사를 수행하였다.
- 선행연구(Yeom, 2017)에서는 PHC 파일 원커팅 두부정리 자동화 장비의 핵심 요소기술 선정을 위해 PHC 파일 원커팅 두부정리 자동화 장비의 필수기능을 1) PHC 파일 절단위치센싱 기능, 2) PHC 파일 절단 기능, 3) PHC 파일 핸들링 기능으로 정의하고, 각 기능별 요소기술의 정성적 분석을 통해 핵심 요소기술을 선정한 바 있다. 본 연구에서는 핵심 요소기술을 선정하는데 있어, 현업에서의 의견 및 현장 환경이 충분히 반영될 수 있도록, 설문조사 기반의 AHP 분석 및 Tradeoff Analysis를 통해 PHC 파일 원커팅 두부정리 자동화 장비의 필수기능별 요소기술을 정량적으로 평가하고자 한다.
가설 설정
- 구조해석에 활용된 SM400, SM45C의 물성치는 KS D3503, 3515, 3752를 참고하여 설정하였다. 그립부에 작용하는 하중은 절단된 PHC 파일 상부의 무게로, 그립부의 구동 시 회전 중심부와 유압실린더 고정부를 고정하고 그립부 내측에 균일하게 부하를 가하는 것으로 가정하였다. 또한 그립부 거치 샤프트에 작용하는 하중은 절단된 PHC 파일 상부의 무게와 그립부 무게의 합으로, BASE부의 뒷면을 고정하고 그립부 거치 샤프트를 기준으로 부하를 가하는 방식으로 설정하였다[Fig.
제안 방법
- 1) PHC 파일 원커팅 두부정리 자동화 장비 관련 예비적 고찰 PHC 파일 두부정리 공사 경험을 지닌 현장 전문가 설문조사를 통해 PHC 파일 두부정리 작업에 대한 현장 인식 조사를 수행하고, 국내·외 PHC 파일 두부정리 자동화 장비 관련 선행기술을 분석한다.
- 2) PHC 파일 원커팅 두부정리 자동화 장비 상세설계 AHP 분석을 통해 PHC 파일 원커팅 두부정리 자동화 장비의 핵심 요소기술을 선정하고, 선정된 핵심 요소기술을 반영하여 PHC 파일 원커팅 두부정리 자동화 장비의 상세설계를 수행한다. 또한 3D 프린팅 기반 PHC 파일 원커팅 두부정리자동화 장비의 축소모형(Working Mock-up)을 제작하고 구동실험을 수행한다.
- 3) PHC 파일 원커팅 두부정리 자동화 장비의 구조적 타당성 분석 도출된 PHC 파일 원커팅 두부정리 자동화 장비 상세설계의 구조해석을 위한 경계조건을 설정하고, 기술적/구조적 타당성 분석을 수행한다.
- 본 연구에서는 PHC 파일 두부정리 공사 경험을 지닌 33인의 현장 전문가 설문조사를 통해 PHC 파일 두부정리 자동화장비의 필수기능별 성능을 평가할 수 있는 성능 평가항목을 1) 안전성, 2) 정확성, 3) 작업 편의성, 4) 경제성, 5) 품질의 균일성, 6) 파일규격에 대한 대응 가능성의 6가지로 도출하였다. 선정된 6가지의 평가항목 중 각 필수기능에서 평가되어야 하는 성능평가 항목을 아래 [Table 1]과 같이 선정하였다.
- PHC 파일 절단부의 핵심 요소기술로는 다이아몬드 와이어 쏘가 선정되었으므로 본 연구의 상세설계에는 다이아몬드 와이어 쏘 및 구동 롤러가 하드웨어 장비로서 적용되었다. PHC 파일 절단부는 절단부 베이스 프레임, 구동 롤러 및 구동 프레임, 유지 롤러로 구성되어 있으며, 구동 롤러 및 구동 프레임의 움직임을 통해 다이아몬드 와이어 쏘의 길이 및 장력이 조절되면서 PHC 파일을 절단하도록 설계되었다[Fig. 5, 6].
- PHC 파일 절단부위 핸들링부의 핵심 요소기술로는 회전형 집게(Rotating Type Attachment)가 선정되었으므로 본 연구의 상세설계에는 회전형 집게 및 유압 클램프가 하드웨어 장비로서 적용되었다. PHC 파일 절단부위 핸들링부는 그립부, 그립부 거치 샤프트, 유압 클램프, 유압 클램프 거치 샤프트로 구성되어 있으며, 일정 규격의 PHC 파일 구경 변화에도 대응 가능한 형태로 설계되었다[Fig. 7].
- PHC 파일 절단부위 핸들링부의 핵심 요소기술로는 회전형 집게(Rotating Type Attachment)가 선정되었으므로 본 연구의 상세설계에는 회전형 집게 및 유압 클램프가 하드웨어 장비로서 적용되었다. PHC 파일 절단부위 핸들링부는 그립부, 그립부 거치 샤프트, 유압 클램프, 유압 클램프 거치 샤프트로 구성되어 있으며, 일정 규격의 PHC 파일 구경 변화에도 대응 가능한 형태로 설계되었다[Fig.
- PHC 파일 절단부의 핵심 요소기술로는 다이아몬드 와이어 쏘가 선정되었으므로 본 연구의 상세설계에는 다이아몬드 와이어 쏘 및 구동 롤러가 하드웨어 장비로서 적용되었다. PHC 파일 절단부는 절단부 베이스 프레임, 구동 롤러 및 구동 프레임, 유지 롤러로 구성되어 있으며, 구동 롤러 및 구동 프레임의 움직임을 통해 다이아몬드 와이어 쏘의 길이 및 장력이 조절되면서 PHC 파일을 절단하도록 설계되었다[Fig.
- PHC 파일 절단위치 센싱부의 핵심 요소기술로는 광학식 방식이 선정되었으므로 본 연구의 상세설계에는 레이저 레벨 기와 수광기가 하드웨어 장비로서 적용되었다. PHC 파일 절단위치 센싱부는 PHC 파일의 두부정리 작업 중 측량 및 절단선 표시를 자동화하기 위한 기술로서 하드웨어 하부에 설치된 수광기가 레이저 레벨기로부터 발산되는 레이저를 자동으로 인식하여 PHC 파일의 정확한 절단위치를 찾아내는 방식으로 구동된다.
- 그립부 거치 샤프트를 모델링하여 구조 해석을 수행하였다. 구조해석 모델링은 유한요소 모델링 및 메쉬 작업을 진행하고, 2D, 3D 요소를 혼용하여 구성하였다.
- 그립부 거치 샤프트를 모델링하여 구조 해석을 수행하였다. 구조해석 모델링은 유한요소 모델링 및 메쉬 작업을 진행하고, 2D, 3D 요소를 혼용하여 구성하였다.
- 2) PHC 파일 원커팅 두부정리 자동화 장비 상세설계 AHP 분석을 통해 PHC 파일 원커팅 두부정리 자동화 장비의 핵심 요소기술을 선정하고, 선정된 핵심 요소기술을 반영하여 PHC 파일 원커팅 두부정리 자동화 장비의 상세설계를 수행한다. 또한 3D 프린팅 기반 PHC 파일 원커팅 두부정리자동화 장비의 축소모형(Working Mock-up)을 제작하고 구동실험을 수행한다.
- 본 연구를 통해 제작된 축소모형은 실제 사이즈 대비 1/10 크기로 제작되었으며, 조립/해체 및 실제 구동이 가능하도록 워킹목업(Working Mock -up)의 형태로 개발되었다. 또한 개발된 축소모형을 활용하여 실험실 환경 내에서 구동실험을 수행하였으며, 구동실험 결과를 바탕으로 상세설계의 문제점 및 보완사항을 도출하였다. 아래 [Fig.
- 그립부에 작용하는 하중은 절단된 PHC 파일 상부의 무게로, 그립부의 구동 시 회전 중심부와 유압실린더 고정부를 고정하고 그립부 내측에 균일하게 부하를 가하는 것으로 가정하였다. 또한 그립부 거치 샤프트에 작용하는 하중은 절단된 PHC 파일 상부의 무게와 그립부 무게의 합으로, BASE부의 뒷면을 고정하고 그립부 거치 샤프트를 기준으로 부하를 가하는 방식으로 설정하였다[Fig. 11].
- 센싱 기능은 절단 위치 인식에 따른 정확성, 작업편의성, 경제성을 평가항목으로 선정하였고, 절단 기능은 절단작업 시 안전성, 절단된 파일면 품질의 균일성, 다양한 파일규격에 대한 대응 가능성, 경제성을 평가항목으로 선정하였다. 또한 핸들링 기능은 PHC 파일의 인양 및 운반 시 작업 안전성 및 편의성, 경제성을 평가항목으로 선정하였다.
- 본 연구에서는 앞서 도출된 PHC 파일 원커팅 두부정리 자동화 장비의 상세설계를 기반으로 3D 프린팅 기술을 활용한 축소모형을 제작하였다. 본 연구를 통해 제작된 축소모형은 실제 사이즈 대비 1/10 크기로 제작되었으며, 조립/해체 및 실제 구동이 가능하도록 워킹목업(Working Mock -up)의 형태로 개발되었다. 또한 개발된 축소모형을 활용하여 실험실 환경 내에서 구동실험을 수행하였으며, 구동실험 결과를 바탕으로 상세설계의 문제점 및 보완사항을 도출하였다.
- 본 연구에서는 33개의 개별 설문에서 산정된 성능평가 항목별 가중치의 평균을 도출하여 최종 성능평가 항목별 가중치를 [Table 2]와 같이 산정하였다.
- 본 연구에서는 그립부 거치 샤프트의 재질, 하중조건, 부하 방향, 유한요소 모델에 적용한 조건을 기반으로 구조해석을 수행하여 응력분포 및 변형률을 분석하였다. 분석 결과, 그립부 거치 샤프트에 분포하는 최대 응력은 36.
- 본 연구에서는 그립부의 재질, 하중조건, 부하방향, 유한요소 모델에 적용한 조건을 기반으로 구조해석을 수행하여 응력분포 및 변형률을 분석하였다[Fig. 12]. 분석 결과, 그립부에 분포하는 최대응력은 43.
- 본 연구에서는 선행연구(Yeom, 2017)를 통해 도출된 PHC파일 원커팅 두부정리 자동화 장비의 개념디자인 및 현장 전문가 설문조사 결과를 활용하여, PHC 파일 원커팅 두부정리자동화 장비의 상세설계를 도출하고, 기술적/구조적 타당성 분석을 수행하였다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
- 본 연구에서는 성능평가 항목별 가중치 산정을 위해 9점 척도 기반의 1:1 쌍대비교를 수행하였으며, 이를 통해 성능평가 항목별 비교를 정량화하여 쌍대비교 행렬을 구성하였다. 쌍대비교 행렬의 aij값은 ai(정확성)과 aj(작업 편의성)의 쌍대비교 값이며, 이는 9점 척도의 설문을 기반으로 산정된다.
- 본 연구에서는 앞서 도출된 성능평가 항목별 가중치를 바탕으로 각 필수기능(센싱, 절단, 핸들링)의 요소기술에 대한 평가점수 산정을 수행하였다. 평가점수의 산정은 PHC 파일 두부정리 공사 경험을 지닌 33인의 현장 전문가 설문조사 결과를 반영하였으며, 평가 시 척도는 리커트 5점 척도를 활용하였다.
- 본 연구에서는 앞서 도출된 핵심 요소기술을 반영하여PHC 파일 원커팅 두부정리 자동화 장비의 상세설계를 [Fig. 4]와 같이 도출하였다. PHC 파일 원커팅 두부정리 장비는 필수기능에 따라 1) PHC 파일 절단위치 센싱부, 2) PHC 파일 절단부, 3) PHC 파일 절단부위 핸들링부의 3부분으로 구분할 수 있다.
- 선정된 6가지의 평가항목 중 각 필수기능에서 평가되어야 하는 성능평가 항목을 아래 [Table 1]과 같이 선정하였다. 센싱 기능은 절단 위치 인식에 따른 정확성, 작업편의성, 경제성을 평가항목으로 선정하였고, 절단 기능은 절단작업 시 안전성, 절단된 파일면 품질의 균일성, 다양한 파일규격에 대한 대응 가능성, 경제성을 평가항목으로 선정하였다. 또한 핸들링 기능은 PHC 파일의 인양 및 운반 시 작업 안전성 및 편의성, 경제성을 평가항목으로 선정하였다.
- 따라서 본 연구의 목적은 현장 요구사항을 반영하여 PHC파일 원커팅 두부정리 자동화 장비의 상세설계를 수행하고, 도출된 상세설계에 대한 기술적/구조적 타당성 분석을 수행하는 것이다. 이를 위해 본 연구에서는 현장 전문가 설문조사를 통한 핵심 요소기술 선정, 핵심 요소기술 및 현장 요구사항이 반영된 상세설계 도출, 상세설계에 대한 구조적 타당성 분석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 앞서 도출된 성능평가 항목별 가중치를 바탕으로 각 필수기능(센싱, 절단, 핸들링)의 요소기술에 대한 평가점수 산정을 수행하였다. 평가점수의 산정은 PHC 파일 두부정리 공사 경험을 지닌 33인의 현장 전문가 설문조사 결과를 반영하였으며, 평가 시 척도는 리커트 5점 척도를 활용하였다.
- 한편 본 연구에서는 상기 쌍대비교 결과의 논리적 오류를 분석하기 위해 쌍대비교 행렬을 통해 산정된 가중치와 고유벡터를 활용하여 일관성 평가를 수행하였다. 일관성 평가의 기준은 일관성 비율(CR)이 0.
대상 데이터
- PHC 파일 원커팅 두부정리 자동화 장비의 그립부는 골조 외피 일체형인 모노코크 구조로 설계되어 타 부재와의 용접이 용이한 용접구조용 SM400 강재로 부재로 설정하였으며, 그립부 거치 샤프트는 환봉형 구조로 그립부보다 좁은 면적에 높은 하중이 가해질 것으로 고려되므로 항복강도가 비교적 높은 SM45C 부재로 설정하였다. 구조해석에 활용된 SM400, SM45C의 물성치는 KS D3503, 3515, 3752를 참고하여 설정하였다.
- 구조 해석을 위한 두부정리 작업 대상 PHC 파일의 규격은 ø900㎜로 설정되었으며, 절단된 상부 파일의 최대 길이는 3.5m로 제한하였다.
- PHC 파일 원커팅 두부정리 자동화 장비의 그립부는 골조 외피 일체형인 모노코크 구조로 설계되어 타 부재와의 용접이 용이한 용접구조용 SM400 강재로 부재로 설정하였으며, 그립부 거치 샤프트는 환봉형 구조로 그립부보다 좁은 면적에 높은 하중이 가해질 것으로 고려되므로 항복강도가 비교적 높은 SM45C 부재로 설정하였다. 구조해석에 활용된 SM400, SM45C의 물성치는 KS D3503, 3515, 3752를 참고하여 설정하였다. 그립부에 작용하는 하중은 절단된 PHC 파일 상부의 무게로, 그립부의 구동 시 회전 중심부와 유압실린더 고정부를 고정하고 그립부 내측에 균일하게 부하를 가하는 것으로 가정하였다.
이론/모형
- 한편, AHP (Analytic Hierarchy Process) 분석 기법은 불확실한 상황이나 다양한 평가기준이 있을 경우 활용되는 의사결정 기법으로(Kim, 2012), 이러한 AHP 분석 기법은 의사결정자의 판단에 대한 일관성을 측정할 수 있는 기능을 포함하고 있다(Cho, 2005). 따라서 본 연구에서는 PHC 파일 원커팅 두부정리 자동화 장비의 핵심 요소기술 선정을 위한 주요 방법론으로 AHP 분석기법을 활용하였다.
- 본 연구에서는 PHC 파일 원커팅 두부정리 자동화 장비의 실물 개발에 앞서, 상세설계에 대한 구조적 타당성을 분석하고 최적설계를 수행하고자 한다. 본 연구의 구조해석에는 기구설계 분야에서 범용적으로 활용되는 구조해석 프로그램인 DASSAULT SYSTEMS社 CATIA v.5를 활용하였으며, 구조해석 프로세스는 아래 [Fig. 10]과 같다.
성능/효과
- 1) PHC 파일 두부정리 작업에 대한 현장인식 설문조사 결과, 70%의 응답자가 재래식 방식의 위험도에 대해 높게 인식하고 있었으며, 48.5%의 응답자가 PHC 파일 두부정리 작업의 품질에 대해 만족하지 못하는 것으로 분석되었다. 또한 55%의 응답자가 PHC 파일 두부정리 작업의 생산성이 낮다고 응답하였고, 모든 응답자가 PHC 파일 두부정리 작업의 개선을 위해 자동화 장비 개발 등 대안마련이 시급하다고 응답하였다.
- 2) PHC 파일 원커팅 두부정리 자동화 장비의 상세설계를 위해 AHP 분석을 통한 핵심 요소기술 선정 결과, PHC 파일 절단위치 센싱 기능에서는 광학식 방식(4.338), PHC 파일 절단 기능에서는 다이아몬드 와이어 쏘(3.984), PHC 핸들링 기능에서는 회전형 집게(4.090)가 각각 PHC 파일 두부정리 및 핸들링 작업 수행을 위한 핵심 요소기술로 선정되었다.
- 3) PHC 파일 원커팅 두부정리 자동화 장비의 구조적 타당성 분석 결과, 그립부에서는 항복강도 대비 15.93%, 그립부 거치 샤프트에서는 항복강도 대비 10.58%의 최대응력이 발생하여 구조적으로 매우 안정한 것으로 분석되었다. 또한 그립부와 그립부 거치 샤프트에서 발생하는 변형은 각각 0.
- 4]와 같이 도출하였다. PHC 파일 원커팅 두부정리 장비는 필수기능에 따라 1) PHC 파일 절단위치 센싱부, 2) PHC 파일 절단부, 3) PHC 파일 절단부위 핸들링부의 3부분으로 구분할 수 있다.
- 9%)’ 등 현행 작업 방식이 노무 의존도가 높다는 점을 문제점으로 인식하고 있는 것으로 분석되었다. 최종적으로 상기에서 도출된 PHC 작업의 1) 위험성, 2) 절단면 품질, 3) 작업 생산성 등의 문제점에 대해 모든 응답자(100%)가 개선이 필요하다고 응답하였으며, 이를 개선하기 위한 자동화 장비 개발 등의 대안마련이 시급하다고 응답하였다.
- PHC 파일 두부정리 작업의 생산성 만족도 저하 요인에 대한 분석 결과, ‘숙련공 부족으로 인한 작업 생산성 저하(31%)’, ‘노무자, 건설 중장비의 비연속적 작업 투입으로 인한 유휴시간 발생(29.3%)’, ‘절단면 수평상태 불량에 따른 추가 작업 발생(25.9%)’ 등 현행 작업 방식이 노무 의존도가 높다는 점을 문제점으로 인식하고 있는 것으로 분석되었다.
- PHC 파일 두부정리 작업의 위험도, 품질 만족도, 작업 생산성에 대한 건설현장 인식조사 결과, 재래식 PHC 파일 두부정리 작업의 위험도에 대해 30%의 응답자가 ‘매우 위험하다.
- PHC 파일 두부정리 작업의 위험성을 높게 평가한 원인에 대한 분석 결과, ‘절단 파편에 의한 노무자 상해(27.5%)’, ‘절단날에 의한 노무자 베임(23.8%)’ 등 절단 작업 중 노무자에게 발생할 수 있는 노무자 상해 위험성을 크게 인식하고 있는 것으로 조사 및 분석되었다.
- 2]. 그러나 실용화된 4건의 사례 중 2건만이 최근 현업에서 주로 사용되는 원커팅 공법에 적용 가능하며, 그 중 1건만이 노무인력의 현장투입 없이 PHC 파일 두부정리 작업 수행이 가능한 자동화 장비인 것으로 분석되었다. 현재까지 개발된 장비 중 가장 진보된 성능을 지니고 있는 Motocut社 Motocut Cutter의 경우 PHC 파일 두부정리 작업을 노무인력의 투입 없이 수행할 수 있으나, 파일 내부가 콘크리트로 충진된 원형이나 다각형의 콘크리트 파일에 한정적으로 적용 가능하므로, 국내에서 주로 사용되는 속이 빈 원형의 PHC 파일 두부정리 작업에는 적용될 수 없다는 단점을 지닌 것으로 분석되었다.
- 그립부 거치 샤프트 변형률에 대한 분석 결과, 최대 변형은 0.0493㎜로 적용 소재 두께(40㎜) 대비 0.0012% 수준이며, 이는 그립부 거치 샤프트 소재의 연신율 18%의 미만 값으로 설계가 안정적으로 수행되었음을 나타낸다. 즉 설계된 그립부 거치 샤프트는 응력 분산이 적절하고 안정하며, 거치 샤프트의 강성은 물론 샤프트를 고정하는 구조 또한 응력 분산이 원활하므로 그립부와 안정적인 결속이 가능할 것으로 사료된다[Fig.
- 그립부 변형률에 대한 분석 결과, 그립부에 나타나는 최대 변형은 0.61㎜로 적용 소재 두께(35㎜) 대비 0.02% 수준이며, 이는 그립부 소재의 연신율 18%의 미만 값으로 그립부 설계가 안정적으로 수행되었음을 나타낸다. 즉 설계된 그립부는 응력 분산이 적절하고 안정하며, 특히 유압실린더 연결부의 구조가 변형에 매우 안정적이므로 사용성에 대한 제한도 없을 것으로 사료된다[Fig.
- 5%의 응답자가 PHC 파일 두부정리 작업의 품질에 대해 만족하지 못하는 것으로 분석되었다. 또한 55%의 응답자가 PHC 파일 두부정리 작업의 생산성이 낮다고 응답하였고, 모든 응답자가 PHC 파일 두부정리 작업의 개선을 위해 자동화 장비 개발 등 대안마련이 시급하다고 응답하였다.
- 현재 PHC 파일 두부정리 작업을 수행하고 있는 인천 소재의 건설현장 조사 결과, PHC 파일 두부정리 작업 중 각 작업 프로세스 사이에서 빈번하게 유휴시간이 발생하고 있으며, 특히 대부분의 작업에 건설 중장비와 노무자가 동시 투입되고 있어 노무자의 안전성 확보에 대한 요구가 지속적으로 발생하고 있는 것으로 조사되었다. 또한 PHC 파일 두부정리 작업 수행을 위한 숙련공의 수가 지속적으로 감소함에 따라 안전성, 품질의 균일성, 작업 생산성 측면에서의 개선이 필요하며, 이를 개선하기 위한 기존 작업방식의 자동화 등 대안마련이 시급한 것으로 조사 및 분석되었다.
- 또한 PHC 파일 두부정리 작업의 품질 만족도 저하 요인에 대한 분석 결과, ‘노무자 작업 숙련도 부족으로 인한 절단면 불균일(42.0%)’, ‘굴삭기를 활용한 전도 방식의 품질 저하(21.1%)’, ‘전도되는 파일에 낙하에 의한 절단면 파손(21.1%)’, ‘핸드 그라인더의 절단날 크기에 따른 미절단 부위 발생(15.8%)’ 등 노무자가 직접 파일을 절단하고 굴삭기로 파일을 전도시키는 현행 작업 방식에 대한 개선이 필요한 것으로 판단된다.
- 상기 3개의 요소기술에 대한 Trade-off Analysis 수행 결과, 안전성 측면에서는 절단된 파일 상부 하중에 의한 장비 파손의 우려가 낮은 다이아몬드 그라인더, 다이아몬드 와이어 쏘가 우수한 것으로 분석되었으며, 품질의 균일성 측면에서는 파일의 완전절단이 가능한 다이아몬드 체인 쏘, 다이아몬드 와이어 쏘가 우수한 것으로 분석되었다. 또한 경제성 측면에서는 소모품 1회 교체비용이 가장 저렴한 다이아몬드 와이어 쏘가 가장 우수한 것으로 분석되었다[Table 4].
- 상기 3개의 요소기술에 대한 Trade-off Analysis 수행 결과, 안전성 측면에서는 파일의 측면을 고정할 수 있는 회전형 집게 방식이 상부를 고정하는 타 방식에 비해 안정적인 작업을 수행할 수 있으며, 작업 편의성 측면에서도 자체 회전이 가능한 회전형 집게 방식이 가장 우수한 것으로 분석되었다. 또한 경제성 측면에서는 장비의 초기 구축비용이 가장 저렴한 오렌지 그래플 방식이 가장 우수한 것으로 분석되었다[Table 5].
- 본 연구에서는 그립부 거치 샤프트의 재질, 하중조건, 부하 방향, 유한요소 모델에 적용한 조건을 기반으로 구조해석을 수행하여 응력분포 및 변형률을 분석하였다. 분석 결과, 그립부 거치 샤프트에 분포하는 최대 응력은 36.3MPa로 항복강도(343MPa) 대비 10.58%로 매우 안정하며, 최대 응력이 나타나는 부위는 거치 샤프트 중앙부로 분석되었다[Fig. 14].
- 12]. 분석 결과, 그립부에 분포하는 최대응력은 43.8MPa로 항복강도(275MPa) 대비 15.93%로 매우 안정하며, 최대 응력이 발생하는 부위는그립부 내측부[Fig. 12-a], 그립부 외측부[Fig. 12-b], 그립부 끝단[Fig. 12-c]로 분석되었다.
- 선행연구(Yeom, 2017)에서는 PHC 파일 절단 기능 수행을 위한 요소기술을 다이아몬드 그라인더, 다이아몬드 체인 쏘, 다이아몬드 와이어 쏘의 3가지로 선정한 바 있다. 상기 3개의 요소기술에 대한 Trade-off Analysis 수행 결과, 안전성 측면에서는 절단된 파일 상부 하중에 의한 장비 파손의 우려가 낮은 다이아몬드 그라인더, 다이아몬드 와이어 쏘가 우수한 것으로 분석되었으며, 품질의 균일성 측면에서는 파일의 완전절단이 가능한 다이아몬드 체인 쏘, 다이아몬드 와이어 쏘가 우수한 것으로 분석되었다. 또한 경제성 측면에서는 소모품 1회 교체비용이 가장 저렴한 다이아몬드 와이어 쏘가 가장 우수한 것으로 분석되었다[Table 4].
- 선행연구(Yeom, 2017)에서는 PHC 파일 핸들링 기능 수행을 위한 요소기술을 오렌지 그래플(Orange Grapple), 다용도 집게(Thumb Attachment), 회전형 집게(Rotating Type Attachment)의 3가지로 선정한 바 있다. 상기 3개의 요소기술에 대한 Trade-off Analysis 수행 결과, 안전성 측면에서는 파일의 측면을 고정할 수 있는 회전형 집게 방식이 상부를 고정하는 타 방식에 비해 안정적인 작업을 수행할 수 있으며, 작업 편의성 측면에서도 자체 회전이 가능한 회전형 집게 방식이 가장 우수한 것으로 분석되었다. 또한 경제성 측면에서는 장비의 초기 구축비용이 가장 저렴한 오렌지 그래플 방식이 가장 우수한 것으로 분석되었다[Table 5].
- 선행연구(Yeom, 2017)에서는 PHC 파일 절단위치 센싱 기능 수행을 위한 요소기술을 광학식 방식과, 굴삭기 등 건설장비의 모션(Motion) 정보를 통해 절단 위치를 센싱하는 방식(1D, 2D, 3D)로 선정한 바 있다. 상기 4개의 요소기술에 대한 Trade-off Analysis 수행 결과, 정확성 측면에서는 4개의 요소기술 모두 충분한 정밀도를 지니고 있었으며, 경제성 측면에서는 초기 구축비용이 가장 저렴한 광학식 방식이 가장 우수한 것으로 분석되었다[Table 3].
- 요소기술별 평가점수 산정 결과, PHC 파일 절단위치 센싱 기능에서는 광학식 방식(4.338), PHC 파일 절단 기능에서는 다이아몬드 와이어 쏘(3.984), PHC 핸들링 기능에서는 회전형 집게(4.090)가 각각 PHC 파일 두부정리 및 핸들링 작업 수행을 위한 핵심 요소기술로 선정되었다. 이는 선행연구(Yeom, 2017)에서 정성적으로 수행된 핵심 요소기술 선정 결과와 일치하므로, 본 연구를 통해 선정된 핵심 요소기술은 정성적, 정량적 측면에서 PHC 파일 원커팅 두부정리 자동화 장비를 개발하기에 적합하다고 판단할 수 있다.
- 090)가 각각 PHC 파일 두부정리 및 핸들링 작업 수행을 위한 핵심 요소기술로 선정되었다. 이는 선행연구(Yeom, 2017)에서 정성적으로 수행된 핵심 요소기술 선정 결과와 일치하므로, 본 연구를 통해 선정된 핵심 요소기술은 정성적, 정량적 측면에서 PHC 파일 원커팅 두부정리 자동화 장비를 개발하기에 적합하다고 판단할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 상기 핵심 요소기술을 반영하여 PHC 파일 원커팅 두부정리 자동화 장비의 상세설계를 제안하고자 한다.
- 한편 본 연구에서는 상기 쌍대비교 결과의 논리적 오류를 분석하기 위해 쌍대비교 행렬을 통해 산정된 가중치와 고유벡터를 활용하여 일관성 평가를 수행하였다. 일관성 평가의 기준은 일관성 비율(CR)이 0.1이내일 경우 합리적인 일관성을 갖는다고 판단할 수 있는데, 본 연구에서 도출된 모든 요소기술 성능평가 항목에 대해 일관성 비율이 0.1 이내로 도출됨에 따라 산정된 가중치는 신뢰성을 지니는 것으로 판단된다.
- 0012% 수준이며, 이는 그립부 거치 샤프트 소재의 연신율 18%의 미만 값으로 설계가 안정적으로 수행되었음을 나타낸다. 즉 설계된 그립부 거치 샤프트는 응력 분산이 적절하고 안정하며, 거치 샤프트의 강성은 물론 샤프트를 고정하는 구조 또한 응력 분산이 원활하므로 그립부와 안정적인 결속이 가능할 것으로 사료된다[Fig. 15].
후속연구
- 선행연구(Yeom, 2017)에서는 상기와 같은 PHC 파일 두부 정리 작업이 지니는 문제점을 개선하기 위해, ‘PHC 파일 원커팅 두부정리 자동화 장비’의 개념디자인 제시하였으며, 자동화 장비를 활용한 작업 프로세스를 정의한 바 있다. 그러나 이를 실제적인 자동화 장비로 개발하기 위해서는 현장 요구사항 및 전문가 의견이 반영된 기술적/구조적 타당성 분석이 반드시 수행되어야 할 것으로 사료된다.
- 축소모형을 활용한 구동실험 결과, PHC 파일의 규격 변화가 발생할 경우 클램프 접촉 면적이 현저히 줄어들어 핸들링 부의 힘이 PHC 파일에 온전히 전달되지 않을 우려가 있으며, 핸들링부의 PHC 파일 고정 위치가 절단된 파일 상부의 무게중심과 멀어 하중이 편중되는 현상이 발생할 수 있으므로 이에 대한 충분한 강성 확보 및 작업 지침의 마련이 필요할 것으로 사료된다. 또한 절단부의 경우 PHC 파일의 절단 후 다이아몬드 와이어 쏘가 PHC 파일을 통과하여 클램프 끝단에 위치하게 되므로 절단된 파일의 원활한 운반 및 적재를 위해서는 다이아몬드 와이어 쏘의 회귀방안이 마련되어야 할 것으로 판단된다.
- 추후 본 연구를 통해 도출된 PHC 파일 원커팅 두부정리자동화 장비의 상세설계 및 구조적 타당성 분석 결과는 실제PHC 파일 원커팅 두부정리 자동화 장비 시제품 개발에 활용될 예정이며, 이론적 고찰 및 기술적 타당성 분석의 결과가 충분히 반영된 시제품이 될 것이기 때문에 그 실용화 가능성이 높을 것으로 기대된다.
- 축소모형을 활용한 구동실험 결과, PHC 파일의 규격 변화가 발생할 경우 클램프 접촉 면적이 현저히 줄어들어 핸들링 부의 힘이 PHC 파일에 온전히 전달되지 않을 우려가 있으며, 핸들링부의 PHC 파일 고정 위치가 절단된 파일 상부의 무게중심과 멀어 하중이 편중되는 현상이 발생할 수 있으므로 이에 대한 충분한 강성 확보 및 작업 지침의 마련이 필요할 것으로 사료된다. 또한 절단부의 경우 PHC 파일의 절단 후 다이아몬드 와이어 쏘가 PHC 파일을 통과하여 클램프 끝단에 위치하게 되므로 절단된 파일의 원활한 운반 및 적재를 위해서는 다이아몬드 와이어 쏘의 회귀방안이 마련되어야 할 것으로 판단된다.
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