R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 201717CTAP-C114626-02 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 연구사업명 | 국토교통기술촉진연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 3D 프린팅기술로 축조된 콘크리트구조물 접합면 파괴에너지 평가 및 일체성 50% 개선을 위한 브릿징(Bridging) 재료의 활용방안 연구 | |||||
| 총 연구기간 | 2016-06-24 ~ 2018-06-23 | |||||
| 연구책임자 | 이재하 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
5명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
10명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 50,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 50,000,000 원 |
총연구비 | 정부 : 100,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 100,000,000 원 |
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| 연구기관명 | 한국해양대학교 산학협력단 | |||||
| 등록 발간번호 | - | |||||
| ISBN | - | |||||
| 주요 내용 |
● 3D 프린트는 파우더 형태의 수지, 금속 등의 재료를 가공하여 적층하는 3차원 입체형상을 생산하는 방법으로 설계데이터를 이용하여 정확한 제조가 가능함. ● 이는 절삭가공의 반대되는 의미의 적층가공 형태라고 할 수 있음. ● 이러한 3D 프린트 적층가공산업은 폴리머, 금속, 종이, 식재료 등의 순으로 그 활용범위가 매우 넓어지고 있으며 경영 컨설팅 업체 맥킨지는 2013년 혁신을 유발할 것으로 예상되는 12개 기술 중 하나로 3D프린팅 기술을 선정. ● 3D 프린트 적층가공 산업은 세계적으로 기계공학을 중심으로 매우 빠르게 발전하고 있으나 우리나라에서는 아직 기술개발 및 정책수립 초기단계이며 건설분야는 초보적인 수준임(한국기계연구원2013). ● 건설산업에서의 3D 프린트 적층가공기술의 적용이 늦어지는 이유로는 건설 형상 크기가 타 산업과 대비하여 대형이며, 일반적인 설계기법의 적용이 어려운 점, 다른 산업과 비교하여 공장에서 생성되는 요소 최종 구조물의 비율이 매우 낮은 점(자동화가 아닌 다양한 부품 및 자재의 조합의 형태임), 건설에서 사용하는 재료가 자동화 시스템을 빌어 사용할 수 있는 재료가 아닌 점, 건설을 위해 자동화 장비를 들이는데 필요한 막대한 자금 등을 들 수 있음. ● 현재의 건설 시공방식의 문제점은 노동 효율성이 타 산업 대비 매우 저조한 반면 사고율(인명피해 등)은 매우 높은 편이며 건설현장을 관리하고 감독하기에는 많은 인력과 노동력을 필요로 함. ● 이러한 건설산업의 단점을 혁신적으로 해결할 수 있는 기술로 3D 프린팅 기술이 새롭게 떠오르고 있음. 노동효율성을 끌어올리고 인명 피해가 발생하지 않아 건설 산업이 가지고 있는 대표적인 단점을 해결할 수 있는 기술임. ● 건설산업에서의 3D 프린팅 기술은 아직 초보적인 수준으로 미국과 중국의 몇몇 교수진에 의하여 기초적인 연구가 수행되고 있으나 국내에서는 이러한 연구결과는 전무함. ● 3D 프린팅 기술을 사용하여 대형 강재구조물에 적용하기에는 적합하지 않은 반면 콘크리트 재료를 적층하는 방식으로 적용할 경우 충분한 연구 및 활용가치가 있는 것으로 여겨짐. ● 콘크리트 적층 기술은 금속이나 수지의 경우와는 달리 노즐에서 뿜어져 나오는 레이어를 차례로 쌓아올리는 형태로 적용됨. ● 적층 구조에서 레이어 간 접합면 콘크리트 물성치(압축강도, 인장강도 및 파괴에너지)는 콘크리트 내의 물성치에 비하여 저감된 성능을 보일 것으로 예상됨. ● 실제 설계 시 접합부의 저감된 물성치를 적절히 고려하지 못한 상태에서 콘크리트 구조기준을 적용할 경우 예상치 못한 구조파괴가 발생할 수 있으므로 이에 대한 구조건전성을 평가하는 것이 필요함. ● 실제 적층기술을 적용한 구조물은 균질(Homogeneous)의 일반콘크리트 구조물과는 다른 직교이방성(Orthotropic)의 구조물로 분류될 수 있음. ● 직교 이방성 구조물의파괴는 접합면을 따라 전단파괴의 형태로 발전할 수 있어 구조물의 강성을 저감시킬것으로 예상됨(실제 콘크리트의 전단강도는 균질성의 재료로 평가되고 이에 따른 설계식이 사용되고 있음). ● 접합면의 물성치 특히 인장강도 및 파괴에너지는 접합면 생성조건 및 과정에 따라 상이할 수 있음. ● 노즐에서 나오는 레이어의 점성정도, 이미 적층된 레이어가 새로운 레이어를 만날 때까지의 소요되는 시간, 그리고 상부자중에 의한 효과, 습도 등이 복합적으로 작용하여 접합부의 물성을 결정하게 됨. ● 따라서 본 연구에서는 이러한 접합부의 물성변화와 조건에 따른 민감도를 콘크리트 파괴역학에 근거하여 초저속 CMOD (Crack Mouth Opening Displacement) Closed Loop 실험을 통하여 증명하고 재료평가결과를 구조해석 프로그램에 입력, 현재 사용되는 적층구조의 실제 구조성능을 평가하고자 함. ● 또한 개선된 3D 프린팅 적층 방법을 제시하여 건축분야에서 3D 프린팅 기술의 확산과 산업의 발전을 도모하여 국가경쟁력을 높이며 건축분야의 획기적인 발전을 도모하는 데 도움이 되고자 함. [최종목표] ● 3D 프린팅 콘크리트 레이어 접합부 재료물성치 평가 3D 프린팅 콘크리트 레이어 접합부 평가를 위해서는 3D 프린트 콘크리트의 배합설계가 기수행되어야한다. 3D 프린트용 배합을 위해서는 레이어가 적층됨에 따라 자중에 저항하기 위하여 콘크리트의 경화를 촉진시켜야 하며 이와 동시에 노즐을 통해 적합한 형태로 분사되기 위하여 유동성(Flowability)도 함께 갖추고 있어야 한다. 따라서 경화촉진제(Accelerator)가 사용되어야 하며 이는 접합부의 강성을 저감하는 주요 원인일 수 있다. 따라서 콘크리트의 경화시간, 노즐 재적층 속도 및 적합한 배합설계는 기존 연구결과 등을 참고하여 수행할 예정이다. 3D 프린팅 콘크리트 레어어의 접합부 재료물성치는 전술한 바와 같이 기존 레이어 내부 콘크리트의 물성치와 차이가 있을 것으로 예상된다. 건축 구조물의 건전성은 구조물의 강도와 더불어 내구성을 만족시킬 때 얻어지는 데 콘크리트 구조물의 내구성은 결국 균열여부에 좌우된다. 이러한 균열의 진전은 콘크리트의 파괴에너지와도 밀접한 관련이 있으며 인장강도와도 관련이 있다. 따라서 본 연구에서는 ACI446에서 제시하고 있는 초저속 CMOD Control Closed Loop실험(약 1개시편 파괴에너지 시험에 약 3시간 소요)을 통해 인장강도와 내부파괴에너지(GF 및 Gf)의 변화를 평가하고자 한다. 내부 파괴에너지는 콘크리트의 골재가 중요한 역할을 한다. 3D 프린팅 콘크리트 레이어 접합면은 골재가 관여하지 않으며 미끈한 면이 시간차를 두고 형성된 것으로 구조물의 일체성을 저해하는 요인이 될 수 있다. 인장강도(ft) 및 파괴에너지(GF , Gf) 모두 감소할 것으로 판단된다. 한편 레이어가 점차 적층됨에 따라 자중이 접합면에 가해지면 부착성능을 증대시키므로 인장강도를 증가시킬 수 있는 것으로 판단된다. 따라서 레이어의 점성, 적층될 때까지 걸린 시간, 자중, 강도 등이 3D 프린트의 인장강도, 파괴에너지 및 파괴에너지 이중선형곡선 등에 미치는 영향을 실험적으로 평가하여 적정한 레이어 적층 순서 및 배열 방식을 제시한다. ● 접합부에 형성되는 저감된 재료강도를 고려한 다양한 3D 프린팅 축조구조물 평가 3D 프린팅 콘크리트 레어어 접합면의 저감된 인장강도와 파괴에너지는 축조되는 구조물(전단벽,기둥, 슬래브)등의 구조건전성에 영향을 줄 수 있다. 따라서 콘크리트 구조물 모델(상용해석프로그램 활용, Concrete Damaged Plasticity 모델 활용)을 개발하고 접합부위에는 저감된 재료물성치를 고려한 해석을 수행함으로써 구조물의 저항강도 저감량을 명확하고 정밀하게 해석한다. ● 3D 프린팅 시공방법 개선(축조방향, 레이어 배열에 따른 콘크리트의 강성도 평가 및 개선) 3D 프린팅 콘크리트 구조물의 강도 저감 여부 확인 후 구조물의 강도를 일체형 콘크리트와 동일한 수준(일체성 50% 향상)으로 유지하기 위한 3D 프린팅 적층방법을 제시한다. 이는 축조방향, 레이어의 배열방법, 새로운 레이어를 만나 접합면을 생성하는데 걸리는 시간, 시간에 따라 증가되는 자중의 효과 등을 분석하여 제시하며 추가적으로 골재, 파이버 등 브릿징(Bridging)재료를 레이어 사이 흩뿌려 접합면 강성을 높이는 공법, 화학혼화재를 활용한 공법 등을 고려하여 제시한다. 이러한 3D 프린팅 신공법으로 생성된 접합면에 대해서도 전술한 실험을 통하여 그 효과를 확인한다. [연구내용 및 범위] ● 레이어 접합면 재료물성치평가(재료자재유형) [연구범위] - 콘크리트용 3D 프린트 적층기술 레이어 생성으로 접합면 발생 및 접합면의 재료적 저항성능(인장강도, 파괴에너지 등)실험적으로 규명 - 3D 프린팅으로 생성되는 접합면의 콘크리트 파괴에너지(Fracture Energy, CMOD 기반 초저속제어)측정시험수행(ACI446) - 접합부 일체성 개선을 위한 연구수행(레이어 노출소요시간, 자중, 콘크리트 유동성 등에 따른 인장강도 및 파괴에너지 측정) - 브릿징(Bridging) 재료의 활용을 통한 성능개선 효과 실험적 규명 및 실험데이터 활용 [연구내용] - 선행연구 사례조사: 관련 선행연구 (3D 프린팅 하우스 등) - 실험변수 선정: 강도, 슬럼프, 자중, 접합면생성시간 등 - 인장강도, 파괴에너지 실험 구성: 인장강도 측정(ASTMC496), 파괴에너지 측정(ACI446) - 인장강도, 파괴에너지 실험 수행: 인장강도 측정(ASTMC496), 파괴에너지 측정(ACI446) - 실험결과 분석: ACI bilinear softening curve(미국콘크리트학회 이중선형곡선 해석(GF, Gf)및 실험결과분석) ● 구조물 구조성능 평가 (재료자재 유형) [연구범위] - 규명된 재료저항성능을 해석모델에 입력하여 감소되는 구조성능 파악 및 콘크리트 구조기준 적용 허용범위 등을 평가 - 측정된 재료적 특성(접합부 부착강도 및 파괴에너지)에 따른 3D 프린팅 콘크리트 구조물의 구조성능평가(전단벽의 성능감소를 실험적으로 규명 후 모델검증) [연구내용] - 선행연구 사례조사: 콘크리트 내 균열 존재 시 전단강성 감소와 관련된 선행연구, Cold-joint와 구조물 구조성능과 관련된 선행연구 결과를 취합, 중점적으로 분석 - 구조성능 평가 모델 개발 및 검증: 관련 선행 실험결과를 취합하여 개발된 구조성능평가용 모델 검증 - 3D 프린트로 축조된 구조요소의 성능감소 평가: 전단벽, 보, 기둥요소의 성능감소 영향을 해석적으로 평가 - 기존 설계기준 적용 허용범위 평가: 기존 설계기준(콘크리트구조기준 등)조항의 적용가능성 평가 ● 3D 프린트 적층기술 및 시공방법 제안(공법기법 유형) [연구범위] - 재료와 구조성능 평가 후 일체형의 콘크리트 벽체를 구성하기 위한 3D 프린트의 적층기술 즉 배열방법, 접합면 생성까지 허용되는 소요시간 등을 제시 - 3D 프린팅 콘크리트 구조물 시공의 핵심설계요소인 레이어배열, 적층순서의 최적화 모델 연구 - 브릿징(Bridging)재료의 활용을 통한 성능개선 효과 실험적 규명 및 실험데이터 활용 - 적층 기술/시공방법 최적화 및 재료성능 개선을 위한 브릿징(Bridging)재료의 효과적인 활용방안제시 [연구내용] - 선행연구 사례조사: 3D 프린팅 하우스, 기계 및 폴리머 분야 3D 프린팅 적층기술 취합 및 건축분야 적용기술 선별 - 3D 프린팅 개선기술 개발(골재, 강섬유, 화학혼화재등): 레이어 사이 골재(강섬유, 화학혼화재 등)가 포함된 구조물의 성능평가, 전단강도의 증가를 실험적, 해석적으로 평가 및 규명 - 3D 프린팅 개선기술 개발(화학 혼화재): 레이어 사이 접합면 부착강도 및 파괴에너지 향상을 위한 혼화재검토 - 3D 프린팅 적층 및 배열방법 제시: 노출시간에 따른 접합면 강성저하를 물리적으로 확인하여 3D 프린팅 적층방법을 제시하여 일체형 콘크리트적층기술을 실현하기 위한 시공 프로세스 설계방법을 제시(배열방법, 허용노출시간 등) |
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| 색인어 | 한글 | 3D프린트 | 콘크리트 | 파괴에너지 | 브릿징 재료 | 접합면 |
| 영문 | 3D Print | Concrete | Fracture Energy | Bridging Material | Contact Surface | |
| 최종보고서 | 별지6_최종보고서(이재하)_보완수정_직인포함.pdf | |||||