| 연구개발개요 |
● 강관말뚝은 국내에서 가장 오랜 기간 사용되어 온 말뚝기초 형식으로 단위면적 당 하중지지능력이 타 말뚝에 비해 우수하고, 횡하중 및 휨모멘트에 대한 지지력 또한 높으며, 이음과 절단이 용이하므로 지지층의 깊이가 깊은 지반에서도 말뚝을 소요길이까지 시공할 수 있어 현장 적용성이 뛰어나다는 특징을 지니고 있음.● 이와 같은 특징으로 인해 강관말뚝은 현재 국내에서 PHC말뚝 다음으로 높은 사용량을 보이는 대표적인 말뚝기초로 연평균 47만톤 이상의 출하량이 지속적으로 유지되고 있으며, 특히 횡하중 및 휨모멘트가 크게 작용하는 교량, 항만시설 등과 같은 토목구조물 공사에서는 강관말뚝의 선호도가 높은 것으로 조사됨. 강관말뚝의 구조물별 시장규모를 조사한 결과, 교량이 40%로 가장 높은 비율을 차지하고 있으며, 이어서 항만시설, 플랜트가 각 20%의 점유율을 보이는 것으로 분석됨.● 최근에는 강관 관련 재료의 내구성 향상 및 수명 증대, 외력에 대한 저항력 향상 등 강관말뚝에 대한 기술 개발 및 개량이 활발히 수행되고 있으며, PHC말뚝 대비 구조적 안정성이 우수한 복합말뚝(강관말뚝+PHC말뚝) 시장의 지속적인 성장을 고려해 볼 때 향후 강관말뚝의 수요 및 적용 범위는 비약적으로 확장될 것으로 기대됨(한국철강협회, 2011).● 이러한 강관말뚝 공사는 크게 1)매입식/타입식 공법을 활용한 말뚝의 지반 관입, 2)강관말뚝 상부의 두부정리, 3)강관말뚝과 상부 구조물의 연결을 통한 지지력 확보의 3가지 작업으로 구분할 수 있음. 이 중 강관말뚝 상부의 두부정리 작업은 말뚝의 지반 관입 이후 말뚝기초의 시공에서 기초의 레벨을 맞추기 위해 수행되어야 하는 필수작업으로, 최근 현장에서는 관입된 말뚝의 상부를 일정한 높이로 절단하고 절단면 상부에 두부보강 캡을 씌우는 방식으로 작업이 수행되고 있음.● 현재 강관말뚝 공사를 수행하고 있는 경기도 고양시 소재의 토목공사 현장을 대상으로 강관말뚝의 두부정리 작업 프로세스 분석 및 현장 전문가 인터뷰를 수행한 결과, 최근 현장에서 활용되고 있는 강관말뚝 두부정리 공법은 1)노무자 안전성 측면, 2)품질의 균일성 측면, 3)작업 생산성/편의성 측면, 4)숙련공 부족 측면에서 문제점을 지니고 있어 이에 대한 개선 방안이 필히 요구되고 있는 것으로 조사 및 분석됨. ● 상기와 같은 문제점을 개선하기 위한 기술적 대안으로, 강관말뚝 두부정리 공법을 대상으로 한 여러 형태의 강관말뚝 두부정리 장비 개발이 국내·외적으로 수행된 바 있음. 그러나 현재까지 제시된 선행 개발기술의 기계화 대상 작업은 강관말뚝 두부정리 공법의 전체 작업 프로세스 중 강관말뚝 절단작업에만 국한되어 있어, 기존 재래식 방식 대비 노무자의 안전성, 작업 생산성 및 편의성, 품질 제고 측면에서의 향상 효과는 극히 제한적이며, 특히 중량의 강관말뚝 두부 절단 후 이를 전도, 인양, 운반 및 적재하는 과정에서의 노무자 안전사고 발생 가능성 및 작업 생산성 저하 문제는 시급히 해결되어야 할 선계과제인 것으로 조사 및 분석됨.● 따라서 본 연구의 목적은 강관말뚝 두부정리 작업에 있어, 두부보강 캡 설치작업을 제외한 1)강관말뚝 절단선 인식, 2)강관말뚝 절단, 3)절단 부위의 전도 및 인양, 4)운반 및 적재작업의 全 과정을 기계화함으로써 노무자 안전사고의 발생가능성을 원천적으로 차단하고, 작업 생산성/편의성 향상은 물론 품질의 균일성 확보를 가능케 하는 ‘굴삭기 기반 강관말뚝 두부정리 및 절단 부위(기 절단된 말뚝 상부) 핸들링 로봇’의 시제품을 개발하는 것임. ● 본 연구를 통해 개발될 ‘굴삭기 기반 강관말뚝 두부정리 및 절단 부위 핸들링 로봇’의 시제품은 교량, 항만시설 등과 같은 토목구조물 뿐만 아니라, 깊은 기초를 필요로 하는 고층 빌딩 등의 건축구조물 기초공사에도 적용될 수 있음. 또한 강관말뚝의 지속적인 수요와 상부말뚝이 강관말뚝으로 이뤄진 복합말뚝 사용량의 증가 추세를 고려해 볼 때 개발로봇의 적용 범위 및 추후 실용화를 통한 기대효과는 매우 클 것으로 예상되며, 본 연구 결과물의 현장 적용성 및 기술적/경제적 타당성이 확보될 경우, 민간으로의 성공적 기술이전 및 개발 기술의 수출을 통한 해외 시장성 확보까지도 가능할 것으로 기대됨.
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| 최종목표 |
● 본 연구의 최종목표는 국내 실정에 적합하고 국제적 수준의 기술력을 지닌 최첨단의 ‘굴삭기 기반 강관말뚝 두부정리 및 절단 부위 핸들링 로봇’ 시제품을 개발하는 것으로서, 노무인력에 의존한 기존 재래식 작업 방식에 비해 시공 품질 및 작업 생산성이 우수하고 노무자의 안전사고 위험을 원천적으로 예방할 수 있도록 하는 자동화 로봇을 개발하는 것임.● 본 연구에서 개발하고자 하는 굴삭기 기반 강관말뚝 두부정리 및 절단 부위 핸들링 로봇 시제품은 굴삭기 등의 건설장비에 장착할 수 있는 어태치먼트(Attachment) 형태의 장비로 개발될 예정이며, 1)측량 및 강관말뚝 절단선 표시, 2)강관말뚝 절단, 3)절단 부위 전도 및 인양, 4)절단 부위 운반 및 적재 등의 기능을 복합적으로 수행할 수 있는 다기능(All-in-one)의 장비임.
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| 연구내용 및 범위 |
● 본 연구의 최종 연구개발 성과물은 실제 현장적용이 가능한 굴삭기 기반 강관말뚝 두부정리 및 절단 부위 핸들링 로봇 시제품이며, 본 연구에서는 최종 연구개발 성과물을 이용하여 실험실 환경 내에서 강관말뚝 두부정리 작업의 품질과 작업 성능을 검증하고, 기존 재래식 공법 대비 LCC 기반의 경제성 분석을 수행하고자 함. 본 연구에서 개발하고자 하는 굴삭기 기반 강관말뚝 두부정리 및 절단 부위 핸들링 로봇 시제품의 구현을 위해 정의된 주요 연구내용(세부목표)은 다음과 같음. - 레이저 레벨기를 활용한 강관말뚝 절단위치 자동인식 기술 개발 - 유압 클램프 기반의 강관말뚝 고정 기술 개발 - 플라즈마 기반 강관말뚝 두부절단 기술 개발 - 절단된 강관말뚝 상부 분리 및 회전, 인양 및 운반 기술 개발 - 개발로봇 시제품 관련 요소기술의 통합을 통한 다기능(All-in-one) 어태치먼트의 개발 - 개발로봇 시제품의 기술적 타당성 및 현장 적용성 분석 모델 개발 - 개발로봇 시제품의 성능 측정 및 LCC 기반 경제성 분석 모델 개발● 본 연구를 통해 개발하고자 하는 굴삭기 기반 강관말뚝 두부정리 및 절단 부위 핸들링 로봇 시제품의 구성은 크게 레이저 레벨기를 활용하여 절단면을 인식하고 강관말뚝 절단작업을 수행하기 위한 1)‘센싱 및 절단부’와 유압 클램프를 기반으로 강관말뚝을 고정하고 절단된 말뚝 상부를 분리, 회전, 운반 및 적재하기 위한 2)‘절단 부위 핸들링부’의 두 부분으로 구분할 수 있음. 본 연구에서는 1차년도에 ①굴삭기 기반 강관말뚝 두부정리 및 절단 부위 핸들링 로봇의 상세설계, ②절단면 인식 및 절단을 위한 센싱 및 절단부 개발을 수행하며, 2차년도에 ③절단 부위 핸들링부 개발 및 시스템 통합을 통한 굴삭기 기반 강관말뚝 두부정리 및 절단 부위 핸들링 로봇 시제품의 개발, ④개발된 굴삭기 기반 강관말뚝 두부정리 및 절단 부위 핸들링 로봇 시제품에 대한 종합성능 및 경제성 분석 등의 과업을 수행하고자 함.● 본 연구에서 제안하는 굴삭기 기반 강관말뚝 두부정리 및 절단 부위 핸들링 로봇이 실용화될 경우 기존 방식 대비 안전성 및 품질의 균일성 확보, 작업 생산성/편의성 향상, 숙련공 부족 문제 해결 등이 가능할 것으로 기대됨. 또한 본 연구에서는 굴삭기 기반 강관말뚝 두부정리 및 절단 부위 핸들링 로봇 시제품을 개발하여, 현재 국내에서 가장 범용적으로 사용되는 500㎜ 규격 내외의 강관말뚝을 대상으로 실험실 환경 내에서 개발로봇의 경제성 등을 포함한 종합적인 작업 성능을 검증(TRL 4단계)하는 것을 연구의 범위로 한정함.
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