2.1 무인시공 프로세스

본 연구에서는 기존 교각시공 절차를 무인화하기 위하여 교각 무인시공 자동화 거푸집 시스템 세부제원을 설계하였으며 본 연구 시스템을 활용한 무인시공 프로세스를 제안하고자 하였다. Fig. 2는 교각 무인시공 자동화 거푸집 시스템을 설치하는 초기 과정을 나타낸 것으로 기존 교각시공과 비슷하게 기초시공 단계에서 철근조립 이후 크레인을 통하여 거푸집 시스템을 인력으로 조립하게 된다. 인력의 개입은 교각 무인시공 자동화 거푸집 시스템을 설치하거나 순차 승하강 기능으로 구동부가 상승되고 수직 기둥을 조립하는 지상 작업 외에는 개입되지 않는다.

거푸집 시스템이 설치된 이후 무인시공을 위한 총 3대의 매니퓰레이터가 시스템 상단에 설치된다. 매니퓰레이터는 인간의 신체에서 팔 모양 관절형태로써 동작의 자유로움, 정밀제어기능 및 작업절차에 따른 편리한 부속장치(Attachment) 교체와 같은 장점으로 자동화산업에서 대표적으로 활용되고 있다. 이러한 이유로 본 연구에서는 매니퓰레이터를 사용하기 위하여 교각 시공절차의 필수적인 작업수행을 분석하고 매니퓰레이터가 효과적으로 사용할 수 있는 3가지의 부속장치를 설계하였다^{(Chung et al., 2021)}.

Fig. 2. Installation Sequence of Automated Formwork

Fig. 3. Manipulator and 3 Types Attachment, (a) Manipulator, (b) Gripper, (c) Coupler Stamp, (d) Vibrator, (e) Toolstation

Fig. 3은 교각 무인시공 자동화 거푸집 시스템에 구현된 매니퓰레이터와 작업 절차에 따라 교체 가능한 부속장치를 나타낸 그림이다. (a)는 작업자의 역할을 대신하여 무인시공을 수행하는 매니퓰레이터로써 부착된 카메라를 통하여 작업을 수행하게 된다. (b)~(d)는 매니퓰레이터가 수행 작업에 따라 교체하며 사용할 수 있는 부속장치로써 잡기를 할 수 있는 (b) 그리퍼, 철근 커플러 압착을 수행하는 (c) 커플러 압착기, 타설된 콘크리트 다짐작업용 (d) 바이브레이터 및 부속장치를 거치하는 (e) 툴스테이션으로 구성되어 있다.

Fig. 4. Unmanned Construction Process, (a) Concrete Pouring, (b) Concrete Vibrating, (c) Assembling Rebar and Pressing, (d) Automated Formwork Lift

Fig. 4는 교각 무인시공 자동화 거푸집 시스템의 주요 시공절차를 단계별로 나타낸 것으로 (a) 단계에서는 자동화 거푸집 시스템 내부의 콘크리트 타설을 진행할 경우 상부작업대에 설치된 매니퓰레이터로 타설 노줄을 잡고 타설되는 위치를 가이드하게 된다. (b) 단계는 타설된 콘크리트의 다짐작업을 수행하기 위하여 매니퓰레이터는 장착된 그리퍼에서 윈치형 바이브레이터 장비로 교체하고 자동화 거푸집 내부에 타설된 콘크리트를 일정한 진동을 주어 다짐을 수행하게 된다. (c) 단계에서는 자동화 거푸집에 타설 작업이 마무리된 이후 지상에서 조립된 교각 철근을 크레인으로 인양시키고 그리퍼를 장착한 매니퓰레이터가 커플러에 철근을 연결하게 된다. 매니퓰레이터는 장착된 그리퍼에서 커플러 압착기로 교체하고 철근과 연결된 커플러를 압착하여 철근 이음부분을 시공 기준에 맞추어 작업하게 된다. 마지막으로 (d) 단계에서는 자동화 거푸집 하단에 부착된 초음파를 이용한 양생 강도 추정시스템으로 자동화 거푸집 상승시기 결정하고 전동스핀들을 작동시켜 거푸집과 타설된 콘크리트 표면을 탈착 후 순차 승하강 시스템의 기어드 모터를 작동시켜 상승하게 된다. (a)~(d) 단계를 반복하며 설계된 교각 높이만큼 무인시공 작업을 수행하게 된다. Fig. 5는 원격제어 컨트롤룸 구성을 나타낸 것으로 무인시공 단계를 수행 시 작업자는 시공현장에 위치한 원격제어 컨트롤룸을 통하여 영상화면과 원격조작으로 각 절차를 진행하게 된다.

Fig. 5. Remote Control Booth

2.2 거푸집 시스템 요구 기능 정의

콘크리트 교각 시공은 일반적으로 철근 조립, 거푸집 설치, 콘크리트 타설과 양생, 거푸집 해체 및 인양의 반복 과정을 거치는데 대부분 작업이 고소에서 이루어지고 가설구조물 작업이 많은 탓에 작업자의 안전에 취약한 요인이 되고 있다. 본 절에서는 고소 환경에서 인력 투입 없이 교각 시공 목적의 거푸집 시스템 개발을 목적으로 콘크리트 교각 시공 현장에서 발생할 수 있는 사고 사례로부터 사고 원인을 조사하고 이를 사전에 방지할 수 있도록 거푸집 시스템의 요구 기능을 도출하였다.

Table 1은 주요 사고사례와 작업 공종을 분류한 것이다. 사고는 다양한 원인에 기인하여 발생하나 발생 빈도가 높은 대표적인 요인으로 정리하였다. 고소의 작업환경에서 거푸집의 설치, 해체, 이동, 운영이 이루어져 추락 사고가 많이 발생하며 사고요인으로는 부적절한 작업절차, 작업 및 관리 부주의 등에 의한 것으로 파악되었다.

3.1 무인시공 상부작업대, 하부작업대

Fig. 7은 상하부 작업대 및 전체 시스템 형상을 나타낸 것이며 상하부 작업대 원형의 지름은 8,700 mm로 설계하였다. Fig. 7(a)는 상부 작업대 세부 구성을 나타낸 것으로 상부 작업대 거치된 레일 위에는 총 3 set의 매니퓰레이터가 설치되고 각 매니퓰레이터는 파란색 음영 범위로 표시된 약 120°(원주 4,576.3 mm) 반경을 움직일 수 있다.

Fig. 7. Upper-Lower Working Platform and Overall Drawing, (a) Upper Working Platform, (b) Lower Working Platform, (c) Overall Drawing

붉은색 음영으로 표시된 부분은 각 매니퓰레이터의 툴스테이션으로 2,000×690×1,375 mm의 크기로 설치되어 있으며 무인시공 절차 및 작업 상황에 따라 매니퓰레이터가 교체할 수 있는 3종류의 부속장치가 구성되어 있다.

Fig. 7(b)는 하부 작업대의 세부 구성을 나타낸 것으로 하부 작업대의 용도는 상부 작업대에 설치되어 있는 매니퓰레이터와 툴스테이션의 전력 공급원과 동기화 제어장치들이 위치해 있게 된다. 3,000×1,200 mm의 붉은색 음영 표시로 나타낸 곳이 전력 공급원 장치들에 설치 위치이며 상하부 작업대 모두 필수 거치 공간을 제외 한 나머지 부분은 메쉬 철망으로 상하부 작업대 하중을 최소화하고자 하였다.

Fig. 7(c)는 전체 시스템 평면도를 나타낸 것으로 본 연구에서 높이 5,110 mm의 4 Lot 교각 무인시공 시스템을 가정하고 그 제원을 설계한 것이다. 상하부 작업대 중심부에는 앞에서 언급한 높이 1,200 mm 및 지름 2,000 mm의 탈부착 거푸집 시스템이 위치하게 된다. Fig. 7(c)에서 초록색 음영으로 표시된 지점은 상하부 작업대의 처짐을 방지하고 상하부 작업대 수평조절 및 하중 지지를 위한 유압식 대각 스핀들을 나타낸 것이다. 스핀들-1의 길이는 1,494.7 mm이며 스핀들-2의 길이는 3,157.8 mm로 하부 작업대와 45°로 연결된다. Fig. 7(b)의 초록색 음영으로 설치 위치를 표기하였으며 전체 유압식 대각 스핀들은 60° 간격으로 설치된 수직기둥에 2개씩 1 set를 기준으로 전체 6 set로 연결되어 있다.

3.2 콘크리트 탈형 강도 추정 시스템

타설되는 콘크리트의 품질 확보를 위하여 기둥 부재의 경우 콘크리트 압축 강도가 5 MPa 이상일 때 거푸집을 해체하도록 규정한다(KCS 14 20 12, 2022). 본 연구에서는 거푸집에 설치된 초음파 센서를 통하여 표면파 속도로 압축강도를 추정하고, 실시간 모니터링을 통해 적정 탈형 시기를 예측하도록 하였다. ^{Kim et al.(2012)}는 표면파속도 측정을 통하여 콘크리트 초기 경화 여부를 판별하고 슬립폼 시스템의 상승시기 활용 가능성을 제안한 바 있다. 해당 논문에서는 슬립폼 시스템의 상승에 목적을 두었기 때문에 표면파 전달 속도와 콘크리트의 초기경화까지의 연관성에 초점을 둔 반면, 본 논문에서는 콘크리트 압축 강도가 5 MPa 까지 발현을 고려하여 연구를 수행하였다. Fig. 8은 표면파 측정 시스템과 측정용 몰드 표면에 부착된 전경을 나타낸 것이다. 시스템은 두 개의 초음파센서 탐촉자와 측정 신호의 무선 전송을 위한 기판으로 구성하였다. 초음파센서 탐촉자는 거푸집에 설치되어 콘크리트 타설 면과 접촉되며 콘크리트의 경화가 진행됨에 따라 빨라지는 표면파 특성을 활용하였다.

Fig. 8. Surface Wave Velocity System and Specimen

3.3 거푸집 전동 해체/조립 시스템

Fig. 9는 거푸집 탈부착 시스템을 나타낸 것이다. Fig. 9(a)는 탈부착 시스템의 평면도를 표현한 것으로 본 연구에 사용된 원형 거푸집은 높이 1,200 mm 및 지름 2,000 mm의 규격으로 하였으며, 전동스핀들이 설치된 지점을 1개의 세그먼트로 정하고 120° 간격으로 전체 3개의 세그먼트로 구성하였다. Fig. 9(b)는 탈부착 시스템의 3D 모델을 나타낸 것으로 총 6개의 전동스핀들이 거푸집 각 세그먼트마다 2개씩 설치되어 있으며 전동스핀들은 0∼50 mm 범위 내에서 원격으로 탈부착 기능을 제어할 수 있도록 하였다.

Fig. 9. Formwork Detachable System, (a) Detachable System, (b) Detachable System (3D)

3.4 순차 승하강 세그먼트

Fig. 10은 승하강 세그먼트 구성을 나타낸 것이다. 세그먼트는 원형밴드 및 수직 기둥으로 구성되어 있으며 작업대 하중으로 발생되는 축력으로부터 전도방지와 같은 구조적 지지 역할을 한다. Fig. 10(a)는 원형밴드에 대한 세부 구성을 나타낸 것으로 원형밴드는 높이 200 mm 및 지름 2,020 mm 규격으로 제작되었다. 본 연구의 교각 지름보다 20 mm 크게 하여 승하강시 발생할 수 있는 마찰을 줄이고자 하였으며 원형밴드는 교각 원주방향 120° 간격으로 전체 3개의 세그먼트 형식으로 연결된다.

Fig. 10(b)는 원형밴드와 조립되는 수직기둥의 세부 구성을 나타낸 것이다. 수직기둥 1개는 250×260×500 mm 형태로 제작되며 수직기둥의 위치는 원주방향 60° 간격으로 전체 6개의 수직기둥이 설치된다. 수직기둥 2개 높이인 1,000 mm를 1 Lot로 설정하였으며 Fig. 7(c)의 노란색(수직기둥) 및 붉은색(원형밴드) 음영으로 표시된 것과 같이 전체 4 Lot의 교각 무인시공 자동화 거푸집 시스템을 설계하였다.

본 연구에서는 기어드 모터를 순차 승하강 시스템에 활용하고자 하였으며 이는 유압 시스템 대비 정밀하게 승하강을 제어할 수 있는 장점이 있다. Fig. 11은 순차 승하강 시스템의 승하강 구동부를 나타낸 것이다. Fig. 11(a)는 전체 구동부의 위치를 나타낸 것이며 하나의 구동부에는 기어드 모터가 원주방향 120° 간격으로 교각 지면과 앵커로 설치된다. Fig. 11(b)는 구동부 1 set 구성으로 구동부 1 set는 스크류잭 2개와 원형밴드를 지지하는 플레이트가 설치되며 기어드 모터 작동 시 스크류잭은 모터의 회전방향에 따라 스크류잭과 연결된 플레이트를 상하방향으로 구동할 수 있게 만든다. 이때 플레이트 위에 거치된 원형밴드는 기어드 모터 조작 방식에 따라서 1 Lot 높이인 1,000 mm 범위 내에서 작업자의 조작으로 순차 승하강이 가능하게 된다.

Fig. 10. Lifting and Lowering Segments, (a) Ring Beam, (b) Vertical Post

Fig. 11. Lifting and Lowering Driving System, (a) Driving System Position, (b) Driving System 1 Set

4.1 콘크리트 탈형 강도 추정 실험

Table 2는 본 논문에서 사용된 콘크리트 배합표로 건설 시공현장에서 사용되는 24 MPa 강도의 배합표를 대상으로 표면파 속도로부터 콘크리트 탈형 강도를 추정하기 위한 실험을 수행하였다. 사용재료로는 1종 포틀랜드시멘트(Ordinary Portland Cement, 이하 C), 고로슬래그미분말(Blast Furnace Slag Powder, 이하 S/P), 플라이애쉬(Fly Ash, 이하 F/A), 부순 잔골재(Crushed Sand, 이하 S), 최대치수 25 mm의 부순 골재(Crushed Gravel, 이하 G) 및 고성능AE감수제(Admixture, 이하 AD)를 사용하였다. 콘크리트 배합은 3성분계(C:S/P:F/A=7:1.5:1.5)로 하였으며 물결합재비 48.5 % 및 잔골재율 50.7 %에 대하여 검토하였다. Fig. 12는 실험 전경을 나타낸 것이며 표면파 측정과 압축강도 측정을 위한 시편을 제작하고 동절기 조건(5℃)에서 양생시키면서 양생시간에 따른 표면파속도와 압축강도를 측정하였다. 초음파 측정에 경우 총 6개의 시편을 초당 간격으로 양생 초기부터 4일까지 측정하였으며 압축강도는 양생 초기부터 1일까지는 2시간마다 3개의 시편을 측정하고 2일부터 4일까지는 1일 간격으로 3개의 시편을 측정하였다.

Fig. 12. Experiment Overview, (a) Surface Wave Velocity, (b) Compressive Strength

본 논문에서 사용된 공시체(200×200×400 mm) 옆면에 초음파센서를 부착하여 실험 측정시 표면파속도를 관찰하였다. Fig. 13은 양생시간과 표면파속도의 관계를 나타낸 것이다. 총 6개의 시편의 측정값을 비교분석하고자 하였으며 양생 15시간 이후부터 표면파속도가 일부 시편에서 나타나기 시작했다. 17시간을 기점으로 약 800~900 m/s의 속도가 모든 시편에서 측정되었으며 양생시간이 경과함에 따라 콘크리트 경화로 인한 압축강도가 증가하면서 표면파속도도 증가하는 경향이 나타났다. 이때 24시간 표면파 측정에서 약 1,100~1,200 m/s의 표면파속도 범위를 측정하였으며 6개 시편 모두 양생 4일까지 선형으로 증가하며 표면파속도 약 2,100~2,300 m/s로 수렴되는 양상이 나타났다.

Fig. 13. Surface Wave Velocity

Fig. 14. Compressive Strength

Fig. 14는 양생시간과 압축강도의 관계를 나타낸 것으로 측정된 시편의 최대, 최소 및 평균 압축강도 결과이다. 측정 초기 0 MPa에서부터 압축강도가 증가하기 시작하여 24시간 측정시 약 0.7 MPa의 초기 압축강도를 얻을 수 있었으며 2일 평균 압축강도에 경우 약 3.4 MPa 및 3일 평균 압축강도는 약 5.7 MPa의 결과로 압축강도 역시 선형으로 증가하는 경향이 나타났다. 목표 실험 범위인 5 MPa의 압축강도 값을 얻기까지 약 2.5일에 양생시간이 필요할 것으로 추정하였으며 표면파속도와 압축강도와의 상관관계로 정밀한 결과 값을 분석하고자 하였다.

Fig. 15. Surface Wave Velocity-Compressive Strength Relationship

Fig. 15는 압축강도와 표면파속도 및 양생시간의 관계를 나타낸 것이다. Fig. 14와 Fig. 13의 압축강도 및 표면파속도의 평균값을 그래프로 표기하여 압축강도, 표면파속도 및 양생시간에 따른 상관관계를 분석하고자 하였다. 양생시간에 따라 압축강도가 증가하면서 표면파속도 또한 증가하는 경향이 일치하는 것으로 확인하였다. 측정된 압축강도와 표면파속도를 대상으로 회귀분석을 수행한 결과 결정계수(R2)는 0.9745 수준으로 압축강도와 표면파속도의 관계성 성립의 신뢰성을 확인할 수 있었다. 실험 목표 범위인 5 MPa의 소요 압축강도를 얻기 위해서는 표면파속도 약 2,000 m/s의 측정값이 필요한 것으로 분석하였으며 이는 측정방법 및 측정환경에 따라 양생 65시간 내외일 것으로 분석하였다. 또한, 본 연구에서는 기존 압축강도-초음파 상관관계를 추정하는 시험법인 P파(직접법) 대신 S파(간접법) 방식으로 거푸집 탈형을 위한 콘크리트 표면강도 추정을 목적으로 수행하였다. 따라서 P파를 활용한 콘크리트 압축강도 추정 선행연구들과의 비교분석은 측정 방법에 따른 정밀도 차이로 다소 어려울 것으로 판단하였으며 거푸집 탈형을 기준으로 본 연구의 결과를 기초 자료로써 기여하고자 하였다.

4.2 거푸집 전동 해체/조립 및 승하강 기능 실험

크레인 등의 외부 장비 없이 거푸집의 전동 승하강 기능과 탈부착 기능을 확인하기 위하여 실험을 수행하였다. 이를 위하여 원형 거푸집과 승하강 시스템을 제작하였다. 거푸집은 직경 2 m를 갖는 원형으로 3개의 세그먼트로 구성하였다. 세그먼트간 접합면에는 상·하부로 설치된 전동스핀들을 이용하여 세그먼트간의 일체화와 함께 간격 조정이 가능하도록 하였다. Fig. 16(a)는 요소 실험을 위해 제작된 원형 거푸집으로 3개의 세그먼트와 6개의 전동스핀들로 구성하였다. Fig. 16(b)는 전동스핀들을 이용하여 세그먼트 간격 조정 기능을 보여주는데 50 mm까지 조정이 가능하다.

거푸집의 상승은 전술한 전동스핀들을 이용하여 거푸집의 탈착 이후에 이루어진다. 승하강 장치는 수직기둥, 스크류잭 및 원형밴드로 구성된다. 거푸집의 상승에 따라 수직방향으로 수직기둥과 원형밴드를 반복적으로 설치하게 되는데 스크류잭을 이용하여 최하단에 위치한 원형밴드를 상승시키면서 기존의 수직기둥과 지면 사이에 추가 수직 기둥을 배치하는 형태이다. 거푸집 승하강 실험을 통하여 1.5 m 상승(Fig. 17(a))과 3.5 m 상승(Fig. 17(b))를 확인하였다.

Fig. 16. Formwork Detachable Using Motorized Spindle, (a) Motorized Spindle and Formwork, (b) Detachable Test

Fig. 17. Automated Formwork Lifting and Lowering, (a) 1.5 m Lifting Test, (b) 3.5 m Lifting Test

4.3 자동화 거푸집 시스템 순차 승하강 실증 실험

교각 무인시공 자동화 거푸집 시스템 개발을 검증하기 위하여 제안된 기술의 실증 테스트를 바탕으로 해당 시스템을 분석하고자 하였다.

전체 조립이 완성된 교각 무인시공 자동화 거푸집 시스템에는 앞에서 거론된 매니퓰레이터, 툴스테이션 및 자동화 거푸집 등 무인시공을 위한 장비들이 설치되었다. 전체 작업대 높이는 약 5.1 m의 4 Lot로 구성되어 있으며 기초실험을 통하여 각 시스템 구성들의 호환여부를 판단하고자 하였다. 이러한 이유로 실제 타설 작업만 제외하고 모든 일련의 프로세스를 동일하게 진행하였으며 자동화 거푸집 내부의 콘크리트 교각이 없이 설치되었기 때문에 구조해석을 바탕으로 안정성을 고려한 높이인 4 Lot로 결정하였다^{(Choi et al., 2022)}.

Fig. 18(a) 및 (b)는 그리퍼를 장착한 매니퓰레이터로 철근망 조립을 시연하는 사진을 나타낸 것이다. 교각 원격시공 사용 목적으로 제작된 철근망을 크레인으로 교각 상부까지 인양하고 철근망이 매달려있는 상황에서 컨트롤룸 원격제어를 통하여 매니퓰레이터로 연결하도록 하였다.

Fig. 18(c)는 커플러 압착기를 장착한 매니퓰레이터로 철근 커플러 압착을 구현하는 사진을 나타낸 것이며 Fig. 18(d)는 바이브레이터를 장착한 매니퓰레이터로 콘트리트 타설을 가정하고 작업을 수행하는 사진을 나타낸 것이다. 다음으로 거푸집 탈부착 및 순차 승하강 기능을 수행하였으며 Fig. 18(e) 및 (f)는 거푸집 탈부착 및 순차 승하강 전경을 나타낸 것이다.

실증실험에서 거푸집 탈부착 기능을 수행한 결과 원격제어를 활용하여 탈부착 입력 범위(0~50 mm) 내에서 목표 기능이 구현되는 것으로 나타났다. 승하강 실험에서 정상적인 승하강 구동을 확인할 수 있었지만 구동과정에서 모니터링 시스템의 부재로 승하강 진행상황을 세밀하게 확인할 수 있는 기능이 필요할 것으로 판단하였다. 추후 실증실험에서 제어기능이 포함된 모니터링 시스템 구축을 검토하였으며 이번 실증실험은 실제 콘크리트를 타설하지 않고 진행하였기 때문에 콘트리트 타설 조건을 추가로 검증이 필요할 것으로 판단하였다.

Fig. 19는 모든 작업을 원격으로 모니터링하며 제어할 수 있도록 구성된 컨트롤룸 내부 전경을 나타낸 것이다. 이때 작업자는 상부 작업대 및 매니퓰레이터에 부착된 카메라로 송출되는 영상과 3D 가상공간을 중심으로 구현된 모델링 자표를 통하여 작업수행의 정밀도를 비교하며 조작할 수 있도록 하였다.

Fig. 18. Unmanned Construction Test of Pier, (a) Rebar Assembly Field Test, (b) Transmission Test, (c) Coupler Press Field Test, (d) Vibrating Field Test, (e) Formwork Detachable Field Test, (f) Lifting and Lowering Field Test

Fig. 19. Unmanned Construction Monitoring System