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과제기본정보

강관파일 연결시간 50% 절감 무용접 연결기술 개발1년차

사업개요
사업개요
사업명 국토교통기술촉진연구사업 과제번호 21CTAP-C163960-01
국가과학표준분류 1순위 원자력 | None | None 적용분야 건설업
2순위 None | None | None 실용화대상여부 실용화
3순위 None | None | None 과제유형 개발
과제명 강관파일 연결시간 50% 절감 무용접 연결기술 개발
주관연구기관 경상국립대학교산학협력단
총괄연구 책임자 성명 안진희
소속 경상국립대학교산학협력단 직위 교수
전화번호 055-772-0244 FAX 055-772-0229
총 연구기간 2021-04-01 ~ 2022-12-31
당해연도 연구기간 2021-04-01 ~ 2021-12-31

(단위:원)

년도별 비용
년도 정부출연금 기업부담금
현금 현물 소계
1차년도 160,000,000 2,500,000 20,000,000 22,500,000 182,500,000
과제기본정보
연구개발개요 ○ 산업분야에서 강관은 구조용 부재, 기초용 파일, 배관 등으로 사용되고 있으며 건설분야에 적용되는 강관부재는 기초용 강관파일, 버팀보 및 해상구조물, 플랜트, 골조용 부재 등으로 사용되며, 이들 중 기초용 강관파일의 사용 비율이 상대적으로 높음.
- 건설공사의 경우 대형구조물의 지지력 확보를 위하여 파일을 활용한 기초공사가 필수적임.
- 특히, 교량, 항만, 플랜트 등 SOC 사업의 경우 지반조건의 불확실성을 제거하기 위하여 PHC 파일, 강관파일, 현장타설 파일 등 다양한 형식의 파일들이 적용되고 있음.
○ 국내 기초용 파일의 경우 PHC 파일과 강관파일이 가장 많이 사용되고 있으며 PHC 파일의 경우 주로 건축 구조물의 기초로 적용되고, 강관파일은 교량기초 및 플랜트 기초 등 수평력이 크게 작용하는 구조의 기초형식으로 적용되고 있음. 강관파일 시장규모는 2008년 이후 하락세를 보이고 있으나 연간 지속적으로 15만톤 이상의 수요가 발생하고 있음.
○ 일반적으로 파일은 상부구조물에 작용하는 하중과 구조물 자체의 자중을 지지하기 위한 기초로 사용되는 건설용 제품으로 배관용 강관이나 구조용 강관부재들과 달리 지중에 매립되어 지지력을 확보할 수 있어야 하며, 큰 압축력과 수평 작용력 등의 지지력에 대한 충분한 수준의 저항성능을 가질 수 있어야 함.
- 건축 구조물의 파일이 지지력을 상실하거나 수평 저항력을 상실할 경우 상부 구조물의 침하나 변위를 유발하여 대형사고 등을 발생시킬 수 있음.
- 따라서, 기초에 사용되는 파일은 충분한 압축저항력과 수평저항력을 확보할 수 있어야 함.
○ 지중파일의 경우 운반의 제약으로 인하여 길이 15m 이내로 제작되고, 15m 이상의 매입 깊이가 필요한 파일의 경우 파일 간 연결부가 필수적이며 이의 연결은 주로 용접연결 방법이 사용되고 있음.
- PHC 파일(Prestressed High performance spun Pile)은 파일 간 연결부로 용접이음을 적용하였으나, 최근 파일 간 연결부를 기계적 연결부로 개선하기 위한 기술들이 개발되고 있어 현장의 작업성 및 시공성을 개선하고 있음.
- 최근 국내에서 발생한 지진(경주, 포항 지진) 등으로 인하여 내진설계가 강화됨에 따라 수평하중에 대한 휨저항 성능이 우수한 강관파일에 대한 수요와 관심이 증가하고 있으며 PHC파일 대비 열위에 있는 경제성을 극복하기 위해 고강도 강관파일을 이용하여 강관 두께를 절감하여 강재량을 최소화하거나 상대적으로 강관 지름을 줄이는 방법 등이 제안되고 있음.

○ 경제성 측면뿐만 아니라 구조물의 중요도와 구조물의 거동 특성 등에 따라 강관파일을 적용하여야 하는 구조물들이 존재하고 있지만 국내에서는 강관파일의 경우 파일간 연결부를 100% 용접방법으로 적용하고 있으므로, 상대적으로 경제성 개선 및 시공시간 절감이 어려운 현실임.
- 용접연결방법은 시공비가 고가이며, 시공을 위하여 다양한 설비/장비가 필요하고, 건설현장 조건을 고려할 경우 외부환경 요인으로 용접 작업이 제한적인 경우가 발생함.
- 강관파일의 연결시공은 수직연결이 단순하나, 강관파일은 항타장비를 사용하여 지반에 관입을 시키므로 수직연결 시 수직도 확보가 어렵고, 용접하는 시간 동안 항타 장비의 사용효율이 저하되고 있음.
- 수평연결은 현장에 반입된 강관파일을 수평롤러가 구비된 설비에 거치한 후 그림 5와 같이 강관 단부에 가용접된 Back ring을 이용하여 수평상태에서 용접 연결하여야 함.
- 용접연결의 경우 전문용접사가 필요할 뿐만 아니라 추가적인 용접부지 확보 및 설비(발전기 등) 반입이 필요하고, 기후영향(우천 및 혹한기 작업불가)/품질관리(예열, 검사) 등의 다양한 제약조건이 있음.
- 제약조건 등으로 인하여 용접연결방법은 시공 효율성이 떨어지고, 경제성 개선이 어려움. 따라서 15m 이상 파일의 파일간 연결방안 개선과 시공시간 효율화를 통한 시공성 개선을 통하여 경제성 개선 방안이 제시되어야 할 것임.
최종목표 ○ 본 연구의 최종 목표는 강관파일 연결부 시공과정을 개선하기 위한 강관파일 무용접 기계적 연결구 개발이며, 다양한 강관파일 중 국내에서 가장 많이 적용되고 있는 강관파일 직경을 고려하여 연결부 상세를 도출하고자 함.
○ 최종 기술개발 목표
- 강관파일 무용접 기계적 연결구 개발 및 상용화
- 최종 개발 기술 상세
* 직경 D400/500 강관파일 대상 연결부 최적 사양 도출 : 결합홈 및 볼트연결 제원
* 기존 강관파일 연결시간에 비하여 개발 강관파일 연결시간을 50%까지 절감(6→3분/개소)
* 연결구 중량을 D400의 경우 25kg, D500의 경우 30kg 이하로 절감
연구내용 및 범위 ○ 본 연구는 15m 이상 매입 깊이를 가지는 강관 파일의 경제성 확보와 시공성 개선을 통한 현장 작업 최소화 및 용접이음 작업의 현장의 제약조건을 해소하는 방법으로 강관과 강관 파일 간 연결부를 볼트와 연결구로 구성된 강관 파일 기계적 연결부를 개발하고자 함.
- 본 연구에서 개발하고자 하는 강관 파일 기계적 연결부는 기존 용접 연결과 비교하여 내외측 연결구와 볼트로 구성되어 파일 항타현장에서 볼트체결 조립만으로 강관파일을 연결할 수 있음.
- 기존의 용접연결 작업을 단순화할 수 있으며, 강관파일 연결의 수직 작업만으로 파일 간 연결이 가능한 파일 연결 공법임.
○ 본 연구에서 개발하고자 하는 강관 연결구는 강관 파일 연결부의 내측과 외측에 각각 연결구를 설치하고 외측 연결구를 접시머리볼트로 결합하여 기설치된 강관과 연결하고자 하는 강관을 일체화하는 방법임.
- 강관파일 내측과 외측에 설치되는 연결구는 강관의 지름과 연결 효율성을 고려하여 3분절 되며, 내외측 연결구를 연결하기 위한 볼트는 접지머리 볼트를 이용하여 강관파일을 연결하고자 함.
- 본 강관 파일 연결부 기술은 3분절된 내외측 연결구와 접시머리 볼트로 구성되어 강관 연결부의 현장 연결 시간과 시공성을 혁신적으로 개선할 수 있는 기술임.
○ 무용접 강관 연결부 기술은 분절 제작된 내외측 연결부와 상하부 강관 연결을 위하여 결합되는 내외측 연결부간 연결을 위한 접시머리 볼트로 구성됨.
- 내측 3분절 연결구와 외측 3분절 연결구를 접시머리볼트로 강관파일에 결합.
- 강관파일 내측에 설치되는 내측연결구, 외측에 설치되는 외측연결구 및 강관과의 결합을 위한 접시머리볼트로 구성됨.
- 내/외측 연결구는 3분절로 제작되어 결합오차(원형 강관파일 제작 오차)를 흡수할 수 있을 뿐만 아니라 볼트연결시 강관에 밀착되어 강관의 원활한 응력분포(hoop 거동 유도)를 도모함.
- 내/외측 연결구는 주물제작으로 강관파일 직경/두께별 다양한 형상 구현이 가능하며 저렴한 제작/가공비(15만원/EA 이내, 접시머리볼트 포함)로 공사비 절감이 가능함
- 강관파일의 항타 중 수직연결시 수직도 확보 용이로 단순시공이 가능함.
- 단순 볼트 조립 연결로 연결시간 단축(용접대비 50%)이 가능하여 시공성을 향상할 수 있음.
- 기후에 관계없이 연결시공 가능하므로 시공효율을 증대시킬 수 있음.
○ 강관파일 연결부 상세는 강관 단부, 내측연결구, 외측연결구로 구성됨.
- 강관 단부
* 연결구와의 밀착 결합을 위해 강관 단부 외측에 3줄 이상의 홈가공 제작.
* 홈가공부는 외측 결합구에 형성된 돌기와 접합.
- 내측 연결구
* 3분절된 내측 연결구는 원주방향으로 탭가공을 통한 볼트홀을 구비.
* 내측 연결구의 외측은 강관 내부 설치시 걸쳐질 수 있도록 걸림턱을 구비.
* 3분절 내측 연결구를 원형으로 배치/설치하면 강관 내부로 탈락되지 않음.
- 외측 연결구
* 강관파일 단부의 홈가공부와 일치하는 돌출부를 내부에 구비.
* 3분절된 외측 연결구는 원주방향으로 접시머리 볼트를 수용할 수 있는 홀을 구비.
○ 본 연구에서 개발하고자 하는 무용접 강관파일 기계적 연결부의 시공방법은 다음과 같이 나타낼 수 있음.
- 강관 상단부에 홈가공이 되어 있는 하부강관을 항타 삽입.
- 강관 내부에 3분절된 내측 연결구 걸림턱이 하부강관에 걸치도록 설치.
- 상부강관을 내측 연결구의 걸림턱에 걸치도록 설치.
- 3분절된 외측연결구의 홀이 내측 연결구의 볼트홀과 일치하도록 원주방향으로 배치하고 돌출부를 강관의 홈가공부와 밀착하여 설치.
- 외측 연결구에 구비된 홀을 이용 접시머리볼트를 외측에서 접합.
- 상부강관 항타 삽입.
* 연결구와의 밀착 결합을 위해 강관 단부 외측에 3줄 이상의 홈가공 제작.
* 홈가공부는 외측 결합구에 형성된 돌기와 접합.
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
1차년도 - 주관연구개발기관(경상국립대학교) : 강관파일 무용접 기계적 연결부 상세개발을 위한 단면 결정
- 공동연구개발기관((주) 택한) : 강관파일 무용접 기계적 연결부 프로토타입 개발 및 제작성 검증
○ 주관연구개발기관(경상국립대학교)
- 본 연구에서 개발하고자 하는 강관파일 무용접 기계적 연결구 개발을 위하여 주관연구기관인 경상국립대학교에서는 강관파일 연결부에 작용하는 하중 수준에 따라 필요한 연결부 단면 결정을 위한 구조해석 모델을 개발하고, 개발하고자 하는 강관파일 연결부 단면에 대한 요구성능을 평가하기 위한 구조해석을 실시하여 파일 연결부의 기계적 하중 전달과 결정된 연결부 단면의 구조적 적절성을 해석적으로 평가하고자 함.
- 1차년도 성능지표는 강관파일 연결부의 기계적 요구성능인 상재하중 지지수준, 수평하중 지지수준, 연결부 인장저항 수준을 만족하기 위한 연결부 단면의 3차원 구조해석을 실시하여 다음의 요구성능에 대한 최적 단면을 도출하고자 함.
- D400 및 500 파일 연결구 압축 저항 수준 평가 설계강도 대비 100%이상
- D400 및 500 파일 연결구 수평 저항 수준 평가 설계강도 대비 100%이상
- D400 및 500 파일 연결구 작용 인장 저항 수준 평가 설계강도 대비 100%이상
- 공동연구기관과 협의하여 현장 적용성(경량, 이동성, 작업성)을 개선한 최적 파일연결부 단면 결정

○ 공동연구개발기관((주) 택한)
- 본 연구에서 개발하고자 하는 강관파일 무용접 기계적 연결구 개발을 위하여 공동연구기관에서는 강관파일 연결부의 요구성능 파악과 강관파일 연결부의 설계기준을 검토하여 개발하고자 하는 연결부의 단면 결정을 위한 초기 단면 자료를 제공하고자 함.
- 강관파일 시공현장의 작업성을 검토하여 개발하고자 하는 강관파일 기계적 연결부의 현장 시공조건을 검토하여 최적 단면 결정을 위한 현장의 요구사항을 확인하고자 함. (현장 작업성을 고려한 단면 결정 관련 내용 확인)
- 구조해석과 현장 작업성 검토 등을 통하여 검토된 연결부 단면에 대한 연결부 제작 프로세스를 정립하여 연결부의 제작가능성을 검토하며, 제안된 강관 연결부 설치와 조립을 위하여 상하부 강관파일 단부의 처리 방안을 검토하고자 함.
- 개발 가능성 확인을 위한 강관파일 연결부 실모델을 시험제작하고자 함.
- 강관파일 무용접 기계적 연결부의 설계기준을 정립하기 위하여 압축, 인장, 휨에 대한 요구성능을 정립하고 직경별(D400/500) 연결부 최적 사양을 결정하고 결합홈 및 볼트연결 제원을 도출하고자 함.
연구성과 기술적 기대성과 ○ 기술적 측면
- 강관파일의 구조성능(압축/휨/인장) 및 시공성을 확보할 수 있는 무용접 연결구 개발 및 현장적용 검증으로 상용화 단계의 기술이 확립된다면 기술개발 완료시 선진 수준 이상의 기술을 보유할 수 있음.
- 국내뿐만 아니라 해외시공 건설사 및 해외수출 강관파일 업체를 통해 해외적용이 용이하므로 사업화 대상 기술을 국제특허로 출원하여 제품 수출뿐만 아니라 기술력을 수출하는 새로운 고부가가치 창출의 토대가 될 수 있음. 따라서 향후 국제적으로 나아가는 발판을 제공할 수 있음.
사회 경제적 파급효과 ○ 경제적ㆍ산업적 측면
- 본 연구에서 개발하고자 하는 강관파일 연결부의 국내 시장규모는 국내에 적용되는 강관파일 시장규모에 따라 결정될 수 있으며, 현재 국내 강관파일의 시장 규모는 연간 약 15만톤~30만톤 수준을 유지하고 있으므로 지속적인 수요가 있는 시장으로 판단됨.
- 일반적으로 가장 많이 사용하는 D500mm 강관파일(t=9mm)의 길이당 중량은 0.11t/m임.
- 전체 강관 톤수(15만톤~30만톤/년)를 길이로 환산하면 연간 1,364~2,728km가 적용되고 있으며, 강관 전체 길이를 15m(강관파일 15m 이상 소요시 연결구 적용)로 나누면 91,000~182,000개의 강관파일이 사용되고 있음.
- 국내 지층심도를 고려하여 이음파일을 2/3로 가정하면 연결구 소요개수는 연간 3~6만개 수준임.
- 건설공사의 특성상 단순 공정비용만으로 경제성을 평가하기 어려우나 강관파일 연결부 전체 시장의 50%를 대체할 경우 용접공법(20만원/개소)대비 25% 공사비를 절감(5만원/개소)할 수 있으므로 연간 국내 약 7.5~15억원의 건설비용 절감이 가능할 것으로 사료됨.

○ 사회적 측면
- 최근 내진설계 강화에 따른 강관파일 수요 증대와 건설인력의 고령화 및 공급부족, 현장 품질관리 기준 강화 등을 통하여 기계식 연결 점유율은 지속적으로 확대될 것으로 예상되므로 향후 파일 연결부 수요는 증가할 것으로 판단됨.
- 본 연구에서 개발하고자 하는 강관파일 연결부를 이용하여 시장성을 확대하기 위한 방안으로 PHC 파일과 강관파일을 연결한 복합파일 연결부 등으로 본 기술을 확대하여 시장성을 확장하기 위한 방법을 검토하고자 함.
- 기존 PHC 파일과 강관파일을 결합한 복합파일 또한 본 연구개발을 통하여 개발된 연결부를 확대할 수 있으므로 기존 강관파일 연결부 시장수요와 연계하여 확대 가능성을 검토하고자 함.
활용방안 ○ 본 연구에서 개발하고자 하는 강관파일 기계적 연결구는 체계적인 상용화 연구를 수행하여 파일공사 요구 시간을 50% 이상 절감할 수 있을 뿐만 아니라 품질과 성능 측면에서도 설계기준을 만족하고 있으므로, 강관파일 기술 개발이 완료된 이후 수요처의 현장적용이 활발할 것으로 예상.
○ 최종 구매에 의사결정을 하는 목표고객별 맞춤형 전략을 수립하고 제품공급을 수행할 예정임.
- 강관파일 제작사 : 특화강관파일(연결기술 포함) 제품화
- 대형건설사 : 공기단축 연결구 제품 공급
- 파일 전문시공사 : 시공성 개선 및 경제성 우위 연결구 제품 판매
○ 무용접 강관파일 연결구 제품 제공뿐만 아니라 구조적 성능검증 및 제반 매뉴얼 등 토탈 솔루션을 제공하여 원활한 현장적용이 가능하도록 할 것임.
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국문 강관 파일 연결구 무용접 -
영문 steel pipe pile connection weldless -
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