[논문]항타 시공 작업자를 위한 비접촉식 관입량 측정기 개발

김재경; 공용구; 최경희; 조민욱; 김승연; 김민정; 이준협; 박채원

doi:10.14346/jkosos.2020.35.3.58

항타 시공 작업자를 위한 비접촉식 관입량 측정기 개발
Development of Non-Contact Penetration Measuring Device for Pile Driving Workers 원문보기

한국안전학회지 = Journal of the Korean Society of Safety, v.35 no.3, 2020년, pp.58 - 63

김재경 (시드테크) , 공용구 (성균관대학교 산업공학과) , 최경희 (성균관대학교 산업공학과) , 조민욱 (성균관대학교 산업공학과) , 김승연 (성균관대학교 산업공학과) , 김민정 (성균관대학교 산업공학과) , 이준협 (선일산업 기획팀) , 박채원 (성균관대학교 산업공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

At the construction site of the driving site, the pile rebound and penetration measurements are performed manually to determine the end point of the driving operation, thereby causing the measurer to be exposed to a death accident. In this study, in order to eliminate the risk of this work, a non-contact penetration measuring device was developed and usability evaluation was conducted. The penetration measuring device is manufactured based on the ultrasonic sensor, and can be combined with the pile to deliver the data in real time, and the delivered data can be output in real time on the portable PC and the final penetration can be calculated. Usability evaluation on the device was conducted by comparison with manual work. Usability evaluation was largely evaluated on measured values, subjective comfort, and body parts comfort. The result of the measured value tended to overestimate the value measured manually by the measuring device, which is similar to the previous research. In terms of subjective comfort and body part comfort, overall satisfaction was higher than the manual method when using the measuring device. Taken together, these results indicate that it is possible to use the rudder measuring device in place of manual work in the construction site, and it is judged that the worker's comfort is greatly increased by using the measuring machine. The results of this study suggest that the use of non-contact measuring device in the field can be used as basic data to support them.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. A manual measurement method.
그림 Fig. 2. Rebound and penetration.
그림 Fig. 3. The new penetration measuring device
그림 Fig. 4. The software for measuring penetration.
그림 Fig. 5. The algorithm for calculating the final penetration.
그림 Fig. 6. The experimental site.
그림 Fig. 7. The final penetration according to the measurement methods for each pile.
그림 Fig. 8. Subjective satisfactions according to the measurement methods * questionnaire items.
표 Table 1. Independent sample T-test results of measured value (Mean ± Standard deviation)
그림 Fig. 9. Body comfort according to the measurement methods * questionnaire items.

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 연구의 목적은 비접촉식 항타 관입량 측정기와 관련된 선행 연구의 한계를 보완하여, 더 정확도가 높고 간편한 방식의 측정기를 개발하여 작업의 신뢰성과 작업자의 안전을 확보하고자 한다. 또한, 본 연구에서 개발된 비접촉식 항타 관입량 측정기의 성능을 효과적으로 파악하기 위해 객관적 및 주관적 평가를 함께 시행하려 한다 ^17,18).
따라서 본 연구의 목적은 비접촉식 항타 관입량 측정기와 관련된 선행 연구의 한계를 보완하여, 더 정확도가 높고 간편한 방식의 측정기를 개발하여 작업의 신뢰성과 작업자의 안전을 확보하고자 한다. 또한, 본 연구에서 개발된 비접촉식 항타 관입량 측정기의 성능을 효과적으로 파악하기 위해 객관적 및 주관적 평가를 함께 시행하려 한다 ^17,18). 새 측정기의 현장 적용을 통해 최종 관입량 측정값의 차이와 작업자들의 향상된 만족도를 수집하여 기존 수작업 방법 대비 어느 정도 개선이 되었는지 정량적으로 검증할 수 있다.
본 연구에서는 항타 시공 과정에서 최종 관입량을 측정할 때 초음파 센서를 기반으로 하여 비접촉식의 관입량 측정기를 개발하고 기존의 수기 측정 방법과 비교하여 향상된 사용성을 입증하고자 하였다.

제안 방법

다음으로 항타 측정을 수행하기 전에 피험자가 말뚝에 측정기를 부착하도록 하여 소프트웨어에 실시간 측정값이 출력되는 것을 확인하였으며, 작업자가 현장에 투입되어 수기로 관입량을 측정하도록 하는 방식과 새로운 항타 측정기 사용이 동시에 이루어지도록 진행하 였다. Fig.
모든 작업이 종료된 뒤, 피험자는 준비된 평가지를 통해 주관적 만족도와 신체 부위별 만족도에 대한 평가를 수행하도록 하였다.
본 연구에서 7가지 신체 부위와 몸 전체에 대한 작업자의 만족도를 측정하였다. 수기 측정 방법에서 가장 만족도가 낮았던 허리 부위의 만족도가 새로운 항타 측정기 사용으로 크게 상승하는 것을 볼 수 있었고, 다른 부위에서도 전체적으로 만족도가 상승하는 것을 볼 수 있었다.
본 연구에서는 측정된 값으로부터 관입량들의 평균인 최종 관입량을 산출하기 위해 양방향 필터(bilateral filter)를 사용하여 타격 시 반발량의 값을 보존하면서 신호의 잡음을 평활화(smoothing)하였다²⁰⁾ . Fig.
새로운 항타 관입량 측정기는 특수 제작된 결합 장치와 말뚝을 연결하여 기기에서부터 지면까지의 거리를 실시간으로 측정하도록 하였다. 측정된 값은 블루투스 기반 무선 통신 방식을 이용해 휴대용 PC에 전달하도록 제작하였다.
수기로 측정하는 수작업 방법은 Fig. 1과 같이 말뚝에 측정지를 부착하여 Drop hammer가 말뚝을 타격할 때 작업자가 펜을 가로로 움직이면서 지지력을 측정한다. 이때 말뚝이 지면에 들어갔다가 반력에 의해 다시 올라올 때 양인 반발량(rebound)과 타격 전후로 말뚝이 지면에 들어간 양인 관입량(penetration)을 기록하게 되며 ^8,9), Fig.
실험을 수행하기 전에 기본적인 현장의 정보 및 피험자의 키, 몸무게와 같은 신체 정보를 조사하였다. 그후 피험자에게 새로 개발된 비접촉식 항타 측정기에 관해 설명을 하고, 익숙해질 수 있도록 충분한 연습 시간을 부여하였다.
실험을 위한 독립변수로는 2가지 수준의 측정 방법 (수기 측정 방법과 항타 측정기 사용)을 선정하였다. 수기 측정 방법은 기존의 작업 방식과 동일하게 사람이 직접 최종 관입량을 측정하는 방법이고, 항타 측정기 사용은 개발된 기기로부터 얻어진 데이터를 이용하여 최종 관입량 값을 평가하는 방법을 의미한다.
그후 피험자에게 새로 개발된 비접촉식 항타 측정기에 관해 설명을 하고, 익숙해질 수 있도록 충분한 연습 시간을 부여하였다. 이때 현장의 상황을 고려하여 작업에 방해가 되지 않도록 실제 작업 순서 중 말뚝을 인발 하여 천공된 지반에 넣는 과정을 연습한 뒤 실험을 진행하였다.
종속변수로는 최종 관입량의 측정값, 주관적 만족도 (작업의 편의성, 작업의 안전성, 심리적 안정감, 전반적 만족도)와 신체 부위별 만족도 (목, 어깨, 팔꿈치, 손목, 허리, 무릎, 발목, 몸 전체)를 평가하였다.
측정기를 말뚝에 결합하기 위해 클램프 형태로 제작한 결합 장치를 말뚝에 채우고 걸쇠 형태의 잠금장치 레버를 당겨 말뚝에 고정하였다. 이를 통해 Drop hammer 가 말뚝을 타격할 때 발생하는 진동에도 미끄러지지 않을 수 있었다.
새로운 항타 관입량 측정기는 특수 제작된 결합 장치와 말뚝을 연결하여 기기에서부터 지면까지의 거리를 실시간으로 측정하도록 하였다. 측정된 값은 블루투스 기반 무선 통신 방식을 이용해 휴대용 PC에 전달하도록 제작하였다.

대상 데이터

실험은 항타 시공 전문가 7명과 실제 국내 4개 지역의 시공 현장에서 작업이 진행되는 콘크리트 타설 (PHC, Pretensioned spun High strength Concrete) 말뚝 13본을 대상으로 진행하였으며 말뚝의 둘레는 500π였다.
실험은 항타 시공 전문가 7명과 실제 국내 4개 지역의 시공 현장에서 작업이 진행되는 콘크리트 타설 (PHC, Pretensioned spun High strength Concrete) 말뚝 13본을 대상으로 진행하였으며 말뚝의 둘레는 500π였다. 피험자는 모두 근골격계 질환이나 기저 질환이 없는 건강한 남성이었으며, 10년 이상의 항타 측정 경력을 가진 작업자들로 구성하였다.

데이터처리

측정 방법에 따른 최종 관입량의 측정값 변화를 보기 위해 독립표본 T 검정을 수행하였고, 주관적 만족도와 신체 부위별 만족도는 항목별 영향에 대하여 알아보기 위해 일변량 분산분석(One-Way-ANOVA)과 Tukey HSD 를 이용한 사후분석을 수행하였다.

이론/모형

관입량 측정용 센서는 야외 작업 특성상 외란 광, 분진 등의 영향을 받는 시공 현장의 환경을 고려하여 외란에 대한 영향이 적고 높은 정확도와 신뢰성을 가지는 초음파 센서(US-015, Cosson, Guangdong, China)를 사용 하였다 ^2,19). 센서의 측정 범위는 2~400 cm이고 Sampling rate는 10 Hz였으며, 센서 제어 보드는 아두이노를 사용 하였다.

성능/효과

작업의 편의성은 측정기의 부착과정부터 데이터를 처리하여 최종 관입량을 산출하는 모든 과정을 의미하는데 수기 측정과 새 항타 측정기 사이에 큰 차이는 없었다. 그렇지만 안전성에 대한 만족도가 크게 증가하는 것을 볼 수 있었는데, 본연구의 목적이 작업자의 안전에 있다는 것을 고려해보면 새로운 기기 개발에 의의는 충분히 충족된 것으로 판단된다.
001). 또한, Fig. 7은 각 말뚝별 항타 측정기 사용과 수기 측정에 최종 관입량의 값을 나타내는데 모든 말뚝에서 수기 측정값이 새 항타 측정기 사용보다 약 25% 정도 과대평가하는 경향을 보였다.
먼저 새 항타 측정기 사용보다 수기 측정 방법에 의한 최종 관입량 측정값이 과대 측정이 되는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 레이저 센서를 이용한 비접촉식 항타 측정기의 관입량이 수기 측정 방법보다 약 6% 정도 작게 나왔던 하익수 외의 연구와 유사한 결과로 볼 수 있다 ¹²⁾.
본 연구의 결과를 종합해봤을 때, 전체적으로 수기 측정 방식보다 새 항타 측정기를 사용하는 것이 효율 적으로 보인다. 다만 본 연구에서는 적은 피험자 수 및 말뚝의 표본 수와 관입량에 대하여 객관적인 측정 방법과 비교한 것이 아닌 작업자의 주관이 포함될 수 있는 수기 측정과 비교하여 실제 관입량에 대한 신뢰성을 확보할 수 없었다는 것이 문제였다.
001). 새 항타 측정기 사용 시 만족도는 5.5로 수기 측정 방법 (2.9) 보다 통계적으로 유의하게 높은 만족도를 보였다.
001). 새 항타 측정기 사용 시 만족도는 5.6으로 수기 측정 방법 (3.3) 보다 통계적으로 유의하게 높은 만족도를 보였다.
본 연구에서 7가지 신체 부위와 몸 전체에 대한 작업자의 만족도를 측정하였다. 수기 측정 방법에서 가장 만족도가 낮았던 허리 부위의 만족도가 새로운 항타 측정기 사용으로 크게 상승하는 것을 볼 수 있었고, 다른 부위에서도 전체적으로 만족도가 상승하는 것을 볼 수 있었다. 이는 펜을 들고 약 2분 동안 쪼그려 앉은 자세로 작업하는 수기 측정 방법보다 새로 개발된 항타 측정기를 사용할 경우 기기를 말뚝에 결합할 때 외에는 작업자가 편안한 자세를 유지하기 때문에 부적 절한 작업 자세가 개선되면서 신체적 만족도가 전체적 으로 증가한 것으로 판단된다.
측정 방법에 따른 주관적 만족도를 평가하기 위해본 연구에서 작업의 편의성과 안전성, 심리적 안정감, 전반적인 만족도에 대하여 평가를 수행하였으며, 결과 적으로 수기 측정보다 새로운 항타 측정기를 사용하였을 때 더 큰 만족도를 보였다. 작업의 편의성은 측정기의 부착과정부터 데이터를 처리하여 최종 관입량을 산출하는 모든 과정을 의미하는데 수기 측정과 새 항타 측정기 사이에 큰 차이는 없었다.
001). 특히 만족도가 가장 많이 증가한 항목은 작업의 안전성 (4.7) 이고, 그다음으로는 심리적 안정감 (2.6), 전반적 만족도 (1.9), 그리고 작업의 편의성 (0.3) 순으로 만족도의 경향이 나타났다.

후속연구

본 연구의 결과를 종합해봤을 때, 전체적으로 수기 측정 방식보다 새 항타 측정기를 사용하는 것이 효율 적으로 보인다. 다만 본 연구에서는 적은 피험자 수 및 말뚝의 표본 수와 관입량에 대하여 객관적인 측정 방법과 비교한 것이 아닌 작업자의 주관이 포함될 수 있는 수기 측정과 비교하여 실제 관입량에 대한 신뢰성을 확보할 수 없었다는 것이 문제였다. 그리고 초음파 센서의 물리적 한계인 타격 시 일어나는 충격파로 인해 반발량의 값을 항타 측정기가 측정할 수 없었고, 관입량에 한정하여 기기를 개발했다는 한계가 있다.
그리고 초음파 센서의 물리적 한계인 타격 시 일어나는 충격파로 인해 반발량의 값을 항타 측정기가 측정할 수 없었고, 관입량에 한정하여 기기를 개발했다는 한계가 있다. 따라서 본 연구는 추후 연구에서 이러한 한계점들을 보완하여 더욱 정확하고 신뢰성 있는 항타 측정기를 개발하는 것에 기초 자료가 될 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수기 측정 방법의 단점은 무엇인가?	수기 측정 방법은 간단하고 경제적이어서 시공 중에 수시로 측정하는 것이 가능하다 7). 그렇지만 작업자의 주관이 포함되어 측정값의 신뢰도가 떨어지는 문제뿐만 아니라 장비와의 충돌, Drop hammer의 낙하, 말뚝의 파손으로 인한 파편과의 충돌 등과 같은 위험 요소들로 작업자의 안전에 심각한 문제를 끼칠 수 있다 10-13). 실제로 고용노동부의 조사에 따르면 2012년부터 2017년까지 항타기로 인한 사망사고는 총 11건으로, 매년 평균 2명의 사상자가 발생하는 중대 재해의 원인으로 제시하고 있다 14).
	항타 시공의 특징은 무엇인가?	항타 시공은 Drop hammer를 높은 위치에서 낙하 시켜 지반에 말뚝을 관입시키는 유압식 항타기를 사용하 는데, 이때 타격 횟수가 부족하면 필요로 하는 지지력 을 얻기 힘들고 너무 많은 경우에는 말뚝에 손상이 오므로 말뚝의 지지력을 검증해야 한다 3,4).
	항타 시공이란 무엇인가?	항타 시공이란 기초 토목 공사의 일환으로 지면에 말뚝을 박아 건물의 하중을 지지할 수 있도록 기반을 다지는 작업이며, 저렴한 비용과 짧은 공사 기간으로 큰 지지력을 얻는 방법이다 1,2).

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상세보기
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저자의 다른 논문 :

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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