보고서 정보
주관연구기관 |
한국기술교육대학교 Korea University of Technology and Education |
연구책임자 |
안치형
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참여연구자 |
신현오
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2023-03 |
과제시작연도 |
2022 |
주관부처 |
국토교통부 Ministry of Land, Infrastructure, and Transport |
과제관리전문기관 |
국토교통과학기술진흥원 Korea Agency for Infrastructure Technology Advancement |
등록번호 |
TRKO202300002639 |
과제고유번호 |
1615012778 |
사업명 |
(이관)국토교통기술촉진연구(R&D) |
DB 구축일자 |
2023-07-20
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키워드 |
콘크리트.시멘트풀.양생.유도가열.급속시공.Concrete.Cement paste.Curing.Induction heating.Rapid construction.
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초록
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□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
15시간 이내 시멘트기반 재료(콘크리트, 시멘트풀) 급속 양생을 위한 현장적용 기술 개발
◼ 전체 내용
○ 시멘트기반 재료(시멘트풀, 콘크리트) 급속 양생용 온도제어기반 유도가열 시스템 기술 개발
○ 시멘트기반 재료(시멘트풀, 콘크리트) 급속 양생 현장적용 핵심 장치 기술 개발
○ 급속양생용 시멘트기반 재료(시멘트풀, 콘크리트) 물성평가 및 현장 적용 기술 개발
◼ 1년차
❏ 목표
유도가열 기반 콘크리트 급속 양생 현장적용 핵심
□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
15시간 이내 시멘트기반 재료(콘크리트, 시멘트풀) 급속 양생을 위한 현장적용 기술 개발
◼ 전체 내용
○ 시멘트기반 재료(시멘트풀, 콘크리트) 급속 양생용 온도제어기반 유도가열 시스템 기술 개발
○ 시멘트기반 재료(시멘트풀, 콘크리트) 급속 양생 현장적용 핵심 장치 기술 개발
○ 급속양생용 시멘트기반 재료(시멘트풀, 콘크리트) 물성평가 및 현장 적용 기술 개발
◼ 1년차
❏ 목표
유도가열 기반 콘크리트 급속 양생 현장적용 핵심 기술 개발 및 성능평가
❏ 내용
< Activity 1 > 콘크리트 급속 양생용 고출력 유도가열 시스템 개발
⦁ 유도가열 시스템의 목표성능 설정
⦁ 적용 콘크리트 거푸집 및 코일 커플링 시뮬레이션 해석(전기적 특성 도출)
⦁ 적용대상인 콘크리트 양생 거푸집 실구조물 크기를 고려한 급속 양생을 위한 전력변환 시스템 사양 도출
⦁ 현장 적용 콘크리트 급속 양생장치용 온도제어 알고리즘 및 모듈 설계 및 제작
⦁ 현장 콘크리트 급속 양생장치용 10kW급 고출력 유도가열시스템 설계 및 제작
⦁ 실시간 온도 제어 가능한 고출력 유도가열 시스템 개발
< Activity 2 > 콘크리트 급속 양생 현장적용 핵심 장치 기술 개발
⦁ 현장 콘크리트 급속 양생을 위한 유도가열 코일 조건 도출
⦁ 시뮬레이션 기반 콘크리트 거푸집용 유도코일 동작주파수, 코일 턴수, 코일간 간격 최적화 도출
⦁ 코일 최적화 기반 콘크리트 거푸집 표면 온도분포 실험 및 분석
⦁ 거푸집 형상별 유도가열용 코일 배치(안) 도출 및 코일 체결장치(안) 도출 시작품 개발
⦁ 거푸집 종류별 코일 일체형 거푸집 체결장치 도출 및 상세 설계
⦁ 코일 체결 장치 및 코일 간 연결 장치 상세 설계 및 시작품 제작
⦁ 콘크리트 급속 양생용 코일 및 체결장치 적용 가이드라인 개발
< Activity 3 > 유도가열 양생 현장적용 콘크리트의 강도 및 내구성능 분석
⦁ 현장적용 콘크리트의 배합 특성을 고려한 양생온도-콘크리트 강도발현 상관관계 조사
⦁ 현장 적용 콘크리트 구조물 크기 및 형상에 따른 최적의 가열곡선 도출(Mock-up 실험)
⦁ 현장 적용 콘크리트 구조물 크기 및 두께를 고려한 급속양생 콘크리트의 강도 및 내구 성능 평가
⦁ Mock-up 실험을 통한 유도가열 기반 양생 기술의 현장 적용성 평가
⦁ 콘크리트 강도 조기확보를 위한 급속양생 공법의 현장적용 가이드라인 개발
◼ 2년차
❏ 목표
유도가열 기반 시멘트풀 급속 양생 현장적용 핵심 기술 개발 및 성능평가
❏ 내용
< Activity 1 > 시멘트풀 급속 양생용 고효율 유도가열 시스템 개발
⦁ 유도가열 시스템의 목표성능 설정
⦁ 적용대상인 매입말뚝 구조(크기, 길이) 고려한 전력변환 시스템 사양 도출
⦁ 현장 시멘트풀 급속 양생장치용 고출력, 고효율 유도가열시스템 개발
⦁ 고출력, 고효율 컨버터 및 인버터 모듈 설계 및 제작
⦁ 실시간 온도제어 가능한 고출력, 고효율 전력변환 시스템 개발
⦁ 현장 적용을 통한 대상 유도가열 시스템의 전력 소모량 검증
⦁ 적용대상(시멘트 풀 양생, 콘크리트 양생)별 전력변환 시스템 운용 변환 모드 개발
⦁ 적용대상(시멘트 풀 양생, 콘크리트 양생)별 전력변환 시스템 운용 가이드라인 개발
< Activity 2 > 매입말뚝용 시멘트풀 급속 양생 현장적용 핵심 장치 기술 개발
⦁ 현장 매입말뚝 지지력 조기 확보를 위한 시멘트풀 양생용 유도가열 코일 조건 도출
⦁ 현장 매입말뚝 구조(길이 및 크기), 재질에 따른 주파수, 말뚝과 코일간 간격, 코일턴 간격, 코일 턴수 등에 대한 시뮬레이션 해석 및 실험 수행
⦁ 시멘트풀 양생용 현장 코일 배치 및 체결장치(안) 도출
⦁ 현장 매입말뚝 길이 및 크기에 따른 코일 배치(안) 도출 및 코일 체결장치(안) 도출
⦁ 시멘트풀 양생용 현장 적용 가이드라인 개발
⦁ 현장 적용 코일 매입말뚝용 체결장치 시공 가이드라인 도출
< Activity 3 > 매입말뚝 지지력 확보용 시멘트 풀 강도 및 지지력 분석
⦁ 매입말뚝 주면 마찰력 확보를 위한 시멘트풀 양생 기술, 배합 및 양생온도-시멘트풀 강도 발현 상관관계 조사
⦁ 실내 및 현장 시험을 통한 시멘트풀 급속 강도 확보를 위한 최적의 가열곡선 도출
⦁ 매입말뚝 크기 및 두께를 고려한 급속양생 시멘트풀 강도 특성 및 내구성능 평가
⦁ 현장시험시공을 통한 매입말뚝의 지지력(주면 마찰력) 평가
⦁ 매입말뚝 지지력 확보를 위한 시멘트 풀 급속양생 공법 현장적용 가이드라인 개발
□ 연구개발성과
(성과물1) 시멘트기반 재료 급속 양생을 위한 실시간 제어기반 고효율∙ 고출력 유도가열 시스템(시스템, 장비∙장치)
(성과물2) 시멘트기반 재료(시멘트풀, 콘크리트) 급속 양생 현장적용 핵심 장치 기술 (장비∙장치)
(성과물3) 급속 양생용 시멘트기반 재료(시멘트풀, 콘크리트) 물성평가 및 현장적용 기술 개발(공법∙기법)
□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
1. 활용방안
(성과물1) 시멘트기반 재료 급속 양생을 위한 실시간 제어기반 고효율∙ 고출력 유도가열 시스템(시스템, 장비∙장치)
⦁ 실시간 온도 제어 모듈을 이용한 현장 콘크리트 및 시멘트풀 양생용 온도 자동관리 시스템 개발에 활용
⦁ 유도가열 시스템을 동절기 도로파손 복구 및 구조물 급속 보수·보강시 콘크리트 급속 경화 기술에 활용
(성과물2) 시멘트기반 재료(시멘트풀, 콘크리트) 급속 양생 현장적용 핵심 장치 기술(장비∙장치)
⦁ 유도가열 시스템의 최적화 기술을 일반 철강·반도체 산업 및 주방용 유도가열 시스템의 고효율 기능에 활용
⦁ 유도가열 코일의 체결장치 및 설치 기술을 공사장 가설 전력장치 고정에 활용 및 거푸집 고정 장치에 활용
(성과물3) 급속 양생용 시멘트기반 재료(시멘트풀, 콘크리트) 물성평가 및 현장적용 기술 개발(공법∙기법)
⦁ 발열양생에 의한 장기강도 및 내구성 향상 핵심기술 확보를 통한 기존 촉진양생 기법(증기양생 등)에서 발생 가능한 콘크리트 물성 저하 문제 해결에 활용
⦁ 외부 조건을 고려한 콘크리트 강도별 최적 발열이력 곡선을 동절기 현장타설 콘크리트 온도관리에 활용
⦁ 매입말뚝(강관말뚝 포함) 등의 조기 지지력 확인 및 이를통한 설계 효율성 향상에 활용
⦁ 강지보, 락볼트 등의 지반 보강재의 급속 시공에 활용
연구 및 현장적용 활용방안
⦁ 본 연구를 통해 개발된 유도가열기반 콘크리트 급속 양생기법 및 매입말뚝용 시멘트풀 급속 양생기법에 대한 현장적용성 기술을 기반으로 수요기업 중심의 기술이전을 통한 국내외 건설현장 적용을 추진하고자 함
⦁ 본 과제에서는 다양한 현장에 적용 가능한 가상환경 시뮬레이션 모델 구축, 시뮬레이션 및 현장 데이터 기반의 구체적인 현장 프로토타입 개발, 실제 건설현장에 적용 가능한 시스템 시작품 개발 및 성능 검증을 통하여, 향후 매입말뚝용 시멘트풀 급속 양생 기법 신기술(인증)화와 콘크리트 급속 양생 기법 신기술(인증)화를 추진 예정
⦁ 또한, 실제 공사 현장에 공법을 적용하여 경제적인 매출 발생을 추진예정이며, 개발 기술을 적용하여 다양한 공사 현장에 적용을 추진 예정
최종성과물의 건설현장 활용방안
⦁ 극한지 건설공사 활용 (공기단축 및 비용절감, 품질 향상)
⦁ 교량, 교각 및 빌딩 기둥 등 현장타설 콘크리트 활용 (급속시공, 품질향상, 작업자 안전성 향상, 탄소배출량 감소)
⦁ 프리캐스트 콘크리트 공장 활용→기존 증기양생 대체 (양생시간 및 설비비용 저감, 레이턴스 저감)
⦁ 강합성 보 및 강합성 기둥 생산 활용 (콘크리트 내외부 강제 유도가열에 의한 별도의 거푸집 미적용, 비용절감 및 급속시공)
⦁ 도로포장 긴급복구 활용 (동절기 도로파손 복구 및 구조물 급속 보수·보강시 콘크리트 급속경화 기술에 활용, 비용절감 및 급속시공)
⦁ 매입말뚝의 지지력 설계 및 말뚝 적정심도 결정에 활용 (비용절감 및 시공속도 향상)
⦁ 기초공사 등 다양한 지반보강 공법에 활용 (시공속도 향상, 지지력 조기 확보)
2. 기대효과
기술적 측면
⦁ 본 연구는 유도가열 기법을 건설분야(특히 콘크리트 양생)에 최초로 적용하여 건설현장에서 실제 활용하고자 하는 기술로 친환경·고효율 발열양생 원천기술 확보 및 실용화 기술 확보 기대
⦁ 동절기 콘크리트 구조물 양생 시 발생할 수 있는 초기 경화불량 및 표면건조수축 균열 등을 방지하며, 조기에 콘크리트 강도 발현 가능한 고품질 콘크리트 생산 가능
⦁ 매입말뚝 시공 시, 지지력 확인에 필요한 시간 소모로 주면마찰력을 최소로 고려한 보수적인 설계가 이루어지고 있는 문제를 획기적으로 개선함으로써 설계기술의 발전을 도모 할 수 있음
경제적ㆍ산업적 측면
⦁ 발열양생 기술 통한 기존 보온양생 비용을 획기적으로 저감함으로써 저비용 고효율 시공기술 구축에 기여
⦁ 동절기, 현장타설 콘크리트 구조물 양생조건에 따른 공사기간의 장기화 및 한중콘크리트 사용에 따른 공사비 증가를 억제하기 위하 촉진양생 기술을 개발함으로써 공기 단축(현장타설 및 프리캐스트 콘크리트 공기 50% 단축) 및 시공비 절감
⦁ 북한과의 교류 확대 시, 북한 도로 및 철도 등 인프라 시공에 있어서 국내 기업의 선진적인 진출이 가능하며, 공기 단축으로 인한 부가수업 확보 가능
⦁ 향후 러시아, 중앙아시아, 북미 등 혹한지 건설공사 입찰시 기술적 우위 확보로 인한 시장 진출 가능.
⦁ 매입말뚝 지지력 확인을 위한 시간을 획기적으로 단축(7일⟶1일)함으로써 전체적인 건설공사의 공기 단축 및 비용 절감
⦁ 매입말뚝 조기 지지력 확보 기술의 해외 기술이전 및 해외 건설 현장 적용을 통한 외화 획득 가능하며, 해외 시장 선점 가능
사회적 측면
⦁ 건설 작업자의 안전성 확보 (1): 유도가열 기반 촉진양생 기술을 통해, 기존의 보온 양생을 위한 갈탄 등을 대체함으로 인해 겨울철 작업자 질식사고로부터 안전성 확보
⦁ 건설 작업자의 안전성 확보 (2): 매입말뚝 지지력 조기 확보기술을 통해, 지지력 미확보에 따른 시공중 구조물의 붕괴 등을 원천적으로 방지가 가능하며, 산업재해로부터 작업자의 안전 확보
⦁ 건설 현장 미세먼지 및 대기오염 저감: 유도가열 기반 촉진양생 기술은 콘크리트 양생을 위한 에너지원으로 화석연료를 사용하지 않으므로, 최근 문제가 되고 있는 건설 현장의 미세먼지 및 대기오염 저감이 가능
⦁ 민원발생 최소화 및 대기오염 저감: 매입말뚝 지지력 조기 확보기술은 항타 기간을 단축을 통해 소음 및 진동 저감이 가능하며, 민원 발생을 최소화할 수 있음. 또한, 공사기간 단축에 따른 건설기계의 사시 배출되는 매연, 미세먼지 저감 가능
⦁ 국가 정책 부합 및 국가 위상 제고: 화석연료 저감 및 에너지 효율성 향상을 추구하는 국가 정책에 부응하며, 친환경 기술로서 국제적 위상 제고 가능
⦁ 국민의 인식 전환: 타 산업과의 융합기술 개발을 통해 건설산업 이미지에 제고를 기대할 수 있으며, 미세먼지 및 대기오염 저감 효과 홍보를 통해 국민의 불안요소 감소 및 건설 이미지 향상 가능
(출처 : 요약문 3p)
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 제출문 ... 2
- 요 약 문 ... 3
- 목차 ... 8
- 1. 연구개발과제의 개요 ... 9
- 1) 연구개발과제의 최종 목표 ... 9
- 2) 연구개발과제의 연차별 목표 ... 9
- 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 11
- 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 32
- 1) 연구수행 결과 ... 32
- 2) 목표 달성 수준 ... 47
- 4. 목표 미달 시 원인분석 ... 50
- 1) 목표 미달 원인(사유) 자체분석 내용 ... 50
- 2) 자체 보완활동 ... 50
- 3) 연구개발 과정의 성실성 ... 50
- 5. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 51
- 6. 연구개발성과의 관리 및 활용계획 ... 52
- 1) 연구성과 총괄 ... 53
- 2) 연구개발성과의 향후 5년간(활용보고서 제출기간) 성과활용 목표·계획 ... 56
- 7. 참고 문헌 ... 62
- 끝페이지 ... 63
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