초록 ▼

※ 연구개발 목표 및 내용
□ 최종 목표
원심성형으로 제작된 100MPa급 초고강도 직사각형 보의 제작기술 개발 및 이를 상부구조로 하는 프리캐스트 피암터널 공법개발

□ 전체 내용
본 개발기술은 건축 및 토목분야에서 최근 수요가 증가하고 모듈러 구조에서 주요 부재인 프리캐스트 보를 공장에서 원심성형 기법으로 생산하는 기술로, 기존 초고강도 PHC 말뚝의 콘크리트 강도인 100MPa이상의 콘크리트가 적용되며 원심성형에 의해 수밀성이 높아 내구성에 있어서도 우수한 원심성형 초고강도 프리텐션 직사각형 보를 생

※ 연구개발 목표 및 내용
□ 최종 목표
원심성형으로 제작된 100MPa급 초고강도 직사각형 보의 제작기술 개발 및 이를 상부구조로 하는 프리캐스트 피암터널 공법개발

□ 전체 내용
본 개발기술은 건축 및 토목분야에서 최근 수요가 증가하고 모듈러 구조에서 주요 부재인 프리캐스트 보를 공장에서 원심성형 기법으로 생산하는 기술로, 기존 초고강도 PHC 말뚝의 콘크리트 강도인 100MPa이상의 콘크리트가 적용되며 원심성형에 의해 수밀성이 높아 내구성에 있어서도 우수한 원심성형 초고강도 프리텐션 직사각형 보를 생산하여 1차적으로 상부구조를 프리캐스트로 시공하는 피암터널(또는 생태터널)의 공법을 개발한 후 저류조, 잔교 등의 토목분야와 물류창고, 아파트 지하주차장 등과 같은 건축분야로 활용방안을 확대해 나갈 수 있는 종합기술임.

□ 1단계
◎ 목표
-원심성형으로 제작된 각형보의 설계 및 제작기술 개발
-원심성형으로 제작된 각형보의 표준화 및 성능 검증

◎ 내용
▣ 원심성형을 이용한 초고강도 직사각형 보의 제작기술개발
● 기존 PHC파일 생산시스템을 활용하기 위한 방안 도출 : 기존의 단계별 수작업에 의존하던 파일생산 업체가 대형화하며 생산라인방식을 구축하여 대량생산이 가능/기존의 생산라인을 활용하여 원심성형 콘크리트의 장점을 최대한 활용한 직사각형 보를 생산
● PSC 각형보의 제작을 위한 원심성형용 거푸집 설계 및 제작 : PHC파일의 원심성형 거푸집의 내부에 강판을 사용하여 직사각형 단면으로 내부거푸집을 형성/거푸집은 원심성형시 회전속도를 고려하여 안전하게 2분절로 구성하며 중공률을 10% 이하로 하기 위해서 거푸집 몸체에 콘크리트를 투입할 수 있는 개폐식 홀(hole)을 마련하고, 원심성형 전 덮개판을 볼트로 체결하여 폐쇄하는 구조로 제작
● 단부에 형강이 매립된 원심성형 직사각형 보의 생산기술 개발 : 기존에 공장에서 생산되는 다수의 프리캐스트 보가 현장에서 다른 부재와의 이음에 어려움을 가졌던 부분을 개선하기 위하여, 원심성형단계에서 단부에 H형강을 매립시켜 원심성형 보를 생산하는 기술개발
● 중공율을 최소화하기 위한 원심성형 속도 및 100MPa이상의 콘크리트 배합비 개발 : 원심성형을 통해서 발생되는 중공단면은 직사각형 전체단면에 10%이하로 생성되어야 한다. 따라서 축소모형몰드에 대한 시험을 통해서 중공률이 5%이하에서도 원심성형이 가능하다는 결론으로부터 중공률에 대한 상한선을 10%로 하여 100MPa급 초고강도를 발현할 수 있는 원심성형용 콘크리트 배합설계를 개발할 계획
▣ 원심성형으로 제작된 초고강도 직사각형 보의 구조성능 검증
● 원심성형 초고강도 보의 최적설계 : 최적화 매개변수를 바탕으로 휨강성을 최대화할 수 있는 최적단면의 초고강도 원심성형보를 찾아내어 제시할 계획이며, 동시에 제작상에 문제점이 없는 설계를 수행
● 단부에 형강이 매립된 초고강도 직사각형 보의 시험생산 : 단부에 형강을 배치하고 직사각형 단면을 유지시키며 강봉에 프리스트레스를 도입하여 보강한 길이 10m인 프리텐션 원심성형 보를 시제품으로 생산
● 원심성형 초고강도 보 시제품의 휨 및 전단성능 시험 : 시제품에 대한 구조성능 시험은 가력하중 150tonf 만능시험기를 사용하여 4점재하 휨 성능시험과 4점재하 전단성능 시험을 2회에 걸쳐 수행하며, 시험결과의 검증 및 인증을 위해 한국건설 생활환경시험연구원(KCL)에 시험을 의뢰
● 바닥판과 합성된 원심성형 초고강도 보의 성능시험 및 분석 : 벽체상면 위에 가설된 초고강도 원심성형 보는 바닥판 콘크리트와 합성된 후에 공용하중을 받게 되는 데, 원심성형 보와 바닥판 사이에는 휨에 의해 수평전단응력이 발생되고 이는 스터드나 수평철근등의 전단연결재를 통해서 보와 바닥판은 합성거동을 하게 된다. 원심성형으로 제작되는 단계에서 바닥판과 합성거동을 위해 보의 상부에 설치되는 스터드나 수평전단 철근의 배치는 공정상에서 시공성을 결정하는 중요한 변수가 되기 때문에 사전에 형강재에 스터드를 부착한 후 보의 상단에 형강을 매립시켜 원심성형 할 수 있는 방안을 제시
● 원심성형 초고강도 보와 하부구조의 연결부 성능시험 및 분석 : 부모멘트부에 대한 거동을 확인하기 위하여 원심성형 직사각 형보로 제작된 부모멘트 우각부 시험체를 제작하여 우각부 형강연결장치에 따른 캔틸레버 시험체의 설계하중 및 변위에 대한 구조안전성을 검증
● 원심성형 초고강도 보의 표준화 및 설계․시공 지침서 제시 : 국내에서 건설된 피암터널을 분석한 결과, 피암터널의 폭은 10m내외이며 상부구조는 바닥판을 포함하여 800mm을 넘지 않도록 설계되고 있음. 초고강도 원심성형 보의 최적설계를 통해서 피암터널에 적용할 수 있도록 표준화된 단면을 제시하고, 이를 바탕으로 피암터널용 초고강도 원심성형 보의 표준도를 작성하고, 설계 및 제작 지침서를 작성

□ 2단계
◎ 목표
원심성형으로 제작된 100MP급 초고강도 직사각형 보가 적용된 피암터널의 설계 및 시공 기술개발

◎ 내용
▣ 초고강도 직사각형 보를 상부구조로 하는 피암터널의 설계 및 시공
● 피암터널 모델 가상설계 수행 : 국내에서 시공예정이거나 완료된 피암터널을 대상으로 설계도서(구조계산서, 도면, 수량산출서, 내역서)를 확보하여 기존 설계에서 적용된 현장제작 PSC보를 본 과제를 통해서 개발된 초고강도 원심성형 보로 대체하여 구조계산 ↦ 도면화 ↦ 수량산출 ↦ 내역서를 작성/작성된 설계도서를 기초로 공사비를 포함한 경제성 등 다양한 지표로 기존 공법들과 비교를 통해서 개발 공법의 우수성을 홍보할 수 있는 자료를 만드는 데 사용
● Test Bed (지자체발주 피암터널 or 생태터널) 확보 및 적용 : 주관기관이 현재보유하고 있는 기존기술(라멘구조)로 강원도와 경상남·북도 지역에 지자체 및 행정안전부에서 계획 중인 피암 터널을 수주하고, 수주된 피암터널 프로젝트들 중에서 1개소를 Test_Bed로 선정하여 설계단계에서 일부 구간에 본 과제를 통해서 개발된 원심성형 초고강도 보를 시공
● 생산성 및 원가계산을 통한 경제성 분석 : 일반적으로 몰드에 콘크리트를 투입하고 증기양생으로 일일 1부재 씩 생산되는 PC방법 대비 원심성형으로 제작된 각형보의 생산성 비교와 콘크리트 재료간 수화반응을 통해 강도발현이 되는 일반 PC 제품과 원심성형 다짐의 물리적 성형방법을 도입한 본 연구 방법의 원가분석을 통한 경제성 평가를 수행
▣ 신기술 인증
● “초고강도 원심성형 직사각형 보” 우수제품 조달 인증 : 개발된 초고강도 원심성형 직사각형 보는 표준화를 거쳐 공장생산 품목으로 조달청에 우수조달품목으로 등록하는 절차를 진행
● 피암터널 기술로 방재신기술 인증절차 실시 : 급경사지에 건설되는 피암터널은 재난방지시설로 대부분의 공사비 예산은 행정안전부에서 편성되어 있다. 특히, 행정안전부에서 발주되는 모든 공사는 방재신기술을 적용하고 있기 때문에 “공장제작 초고강도 프리캐스트 보를 상부구조로 하는 급속시공이 가능한 피암터널 공법”을 기술명으로 3차년도에 방재신기술(NET) 인증 절차를 수행할 계획이며, 과제가 종료 후 3년 이내에 다수의 시공실적을 확보하여 건설신기술 인증절차를 진행

※ 연구개발성과
○ 직사각형 보의 원심성형 거푸집 및 제작공정 개발
☞ 콘크리트 다량투입 및 단부에 형강을 매립할 수 있는 원심성형 몰드의 개발 완료 (특허등록 1건, 논문(학술발표) 1건, 시제품 1건, 논문(비SCI) 1건)
☞ 비대칭으로 배치되는 강봉에 프리스트레스 도입제작 시스템 개발 완료 (특허등록 1건)
☞ 기존 PHC파일 생산시스템의 활용방안 도출 (보고서 1건)
○ 100MPa급 초고강도 원심성형 콘크리트의 원심속도 및 배합비 개발
☞ 산업부산물 적용 원심성형 콘크리트 배합비 도출 (특허등록 1건, 논문(학술발표) 1건, 보고서 1건)
☞ 원심성형 초고강도 콘크리트 개발 (공인성적서 1건)
☞ 원심성형 조건표 도출 및 중공률 확보 (공인성적서 1건, 논문(학술발표) 1건)
☞ 원심성형 콘크리트의 내구성 검증 (공인성적서 1건, 논문(비SCI) 1건)
○ 단부에 형강이 매립된 초고강도 직사각형보의 시험생산
☞ 단부에 연결용 H형강과 중간부 바닥판 합성용 형강을 매립 제작되는 원심성형 초고강도 각형보의 시험제작(시제품 1건)
○ 단부에 형강이 매립된 초고강도 직사각형보의 표준화 및 성능시험
☞ 최적화 설계단면 도출 (특허등록 1건, 설계성과품 1건)
☞ 휨/전단시험 각1본 완료 및 설계강도 검증완료 (공인성적서 1건, 실험보고서 1건)
☞ 합성보 휨시험완료 및 슬래브 합성거동 입증 (공인성적서 1건, 논문(학술발표) 1건, 논문(비SCI) 1건, 보고서 1건)
☞ 연결부 시험완료 및 목표성능 도달 (공인성적서 1건, 논문(학술발표) 1건, 논문(비SCI) 1건, 보고서 1건)
☞ 제품의 표준화 및 기준 마련 (디자인특허등록 2건, 보고서 1건)
○ 피암터널의 가상설계
☞ BIM을 적용한 피암터널 가상설계 설계도서 작성(설계성과품 1건)
○ Test Bed 적용
☞ 원심성형 각형보를 상부구조로 하는 합성형라멘교(기령소하천교) 시공(현장적용 1건, 피암터널 공기단축보고서 1건)
☞ 원심성형 보와 하부벽체를 연결하는 우각부에 대한 연결기술개발(특허등록 1건, 시제품 1건)
☞ 기령소하천교 현장재하시험을 통한 공용내하력 평가(공인성적서 1건, 논문(비SCI) 1건,내하력평가보고서 1건)
○ 경제성 평가
☞ 생산성 및 원가 분석을 통한 경제성 평가(보고서 1건)
○ 신기술 인증절차 (재난안전신기술 신청서 1건)
○ 원심성형 각형보에 대한 비즈니스 모델 수립 (BM 1건)
○ 피암터널 공법의 마케팅 전략수립 (전략수립 보고서 1건)
○ 기술사업화 전략 (매물액 0.6억, 기술실시 1건)

※ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
▣ 활용계획 및 방안 원심성형 제작법에 의해서 생산되는 고강도 프리캐스트 PSC 직사각형 보는 토목과 건축의 다양한 분야에서 건설시장에 기여할 것으로 판단됨. 제한적인 공칭강도로 인해 주하중이 3등급에 해당하는 소형차량 통행 수준의 구조에서 활발하게 적용될 수 있음. 1차적으로 본 연구개발의 목표는 급경사지에 건설되는 프리캐스트 방식의 피암터널 상부구조에 원심성형 초고강도 보를 적용하는 것임. 이외에도 단기간 집중호우로 인한 침수피해를 방지하기 위한 저류조 그리고 해양레저산업의 근간이 될 잔교 등의 토목시장과 최근 코로나로 인한 비대면 서비스로 물류산업이 호황을 하면서 물류 창고 건설시장에 대한 수요가 증가하고 있다. 또한 1가구 2차량시대에 맞춰 주차장에 대한 수요도 꾸준히 증가하고 있다. 특히 아파트 지하주차장의 공간활용을 위한 10m이상의 중·장경간 구조에 대한 건축시장의 요구는 10여년 전부터 지금까지도 지속되고 있어 토목과 건축분야의 모듈러 구조에 활용할 계획임.

▣ 기대효과
● 기술적 측면
☞ 세계 최초로 원심성형 프리스트레스트 직사각형 보 제작기술 확보
☞ 원심성형을 활용하여 고가의 혼화제 없이 배합비 조정만으로 100MPa이상의 콘크리트 강도를 프리캐스트 보에 적용
☞ 공장제작 공법개발을 통한 피암터널의 공기단축
☞ 표준화된 프리캐스트 보의 대량생산으로 기존 모듈러 구조에 대한 성능을 향상
☞ 파일, 흄관 그리고 기둥에서 벗어나 원심성형을 통해 생산되는 구조부재의 다양성 제시
☞ 건설용 고부가가치 부재의 설계․제작․활용에 관한 핵심기술 확보
● 경제적·산업적 측면
☞ 관련 수요산업인 건축, 토목, 제조업의 동반성장 기대
☞ 급경사지 피암터널의 기존 기존 PC부재공법 대비 약 20%의 공사비 절감효과
☞ 급속시공이 가능한 모듈러 시스템의 개발로 상부구조 공사기간을 기존 공법대비 30%로 단축가능
☞ 국제 건설시장의 선도적 위치를 선점
● 사회적 측면
☞ 해빙기 및 홍수시 급경사지 낙석으로 인한 피해를 선제적으로 예방
☞ 급속시공이 공법으로 교통통제로 인한 민원을 최소화
☞ 현장작업의 최소화로 폐기물 발생을 최소화하여 환경오염 예방에 유리

(출처 : 요약문 4p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 요 약 문 ... 4
• 목차 ... 10
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 11
• 1) 연구개발과제의 최종 목표 ... 11
• 2) 연구개발과제의 단계별 목표 ... 11
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 14
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 29
• 1) 연구수행 결과 ... 29
• 2) 목표 달성 수준 ... 95
• 4. 목표 미달 시 원인분석 ... 97
• 1) 목표 미달 원인(사유) 자체분석 내용 ... 97
• 2) 자체 보완활동 ... 97
• 3) 연구개발 과정의 성실성 ... 97
• 5. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 97
• 6. 연구개발성과의 관리 및 활용계획 ... 99
• 1) 연구성과 총괄 ... 99
• 2) 연구개발성과의 향후 5년간(활용보고서 제출기간) 성과활용 목표·계획 ... 100
• 끝페이지 ... 102