거푸집 너를 알려조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문: 3D 콘크리트 프린팅을 활용한 모듈형 거푸집 설계 및 시공 시스템 개발

영문: Development of a Modular Formwork Design and Construction System Utilizing 3D Concrete Printing Technology

과제 팀명

거푸집 너를 알려조

지도교수

김 지 수 교수님

개발기간

2024년 3월 ~ 2024년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 토목공학과 20188600** 김*상

서울시립대학교 토목공학과 20188600** 김*한

서울시립대학교 토목공학과 20188600** 박*한

서울시립대학교 토목공학과 20188600** 이*현

서울시립대학교 토목공학과 20198600** 유*호

서울시립대학교 토목공학과 20198600** 한*호

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 소규모 토목공사 현장에서 사용 가능한 3D 프린팅 거푸집 제작 및 관련 시공 시스템을 설계하고자 한다.

일반적인 콘크리트공은 목재로 거푸집을 제작해 타설한 후, 콘크리트의 양생이 끝나면 거푸집을 파괴하여 분리하는 형식으로 진행한다.

본 연구에서는 거푸집을 파괴 및 분리하지 않고 구조물과 거푸집을 일체화하는 방식을 채택하였고, 이에 관한 시공 시스템을 개발하고자 한다.

개발 과제의 배경

◇ 목조 거푸집을 사용하는 경우에 형태를 비교적 다양하게 만들 수 있지만 현장에서의 불편함이 상당하다.

현장에서 목재 이용 시 필연적으로 발생하는 고정 연장 및 주변 자재로 인해 안전사고 위험이 증가하고 있는 추세다.

이는 언제든지 큰 사고에 노출될 수 있으며, 현장에서의 경험을 토대로 위험하다고 판단되었다.

따라서 비용과 안전사고의 위험을 최소한으로 줄이기 위해서 공통된 문제인 거푸집을 주제로 채택하였다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 3D 콘크리트 프린터를 활용하여 거푸집 모듈을 제작한다.

◇ 모듈을 조립하여 거푸집의 역할 여부를 확인한다.

◇ 제작한 거푸집의 강도를 확인한다.

◇ 모듈형 거푸집을 시공했을 때 사용가능한 시스템을 설계한다.

내용

워커빌리티를 늘릴 수 있도록 콘크리트 모듈형 거푸집을 구성한다.

거푸집을 3D 프린터로 설계 및 제작하여 안정성 및 사용성을 평가한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

◇ 재사용 가능한 거푸집은 현재에도 사용하고 있으며, 대부분 강철로 만들어진 거푸집을 재사용하고 있다.

맞춤 제작하는 환경에서의 거푸집을 사용하는 경우 목적에 맞게 목재 및 스티로폼을 이어 붙이는 방식으로 일회성 제작하고 있다.

◇ 우리나라 현행 건축법상 거주 목적의 3D 프린터로 시공이 불가하고, 3D 프린팅 건축물과 관련한 법 자체가 없다.

덴마크에 위치한 3D 콘크리트 프린터 제작업체인 COBOD는, 현재 건축 프로젝트의 크기에 따라 프린터 사이즈를 맞춰 공급할 수 있으며 1000제곱미터 이상의 부지에 2층 이상의 집을 지을 수 있다.

이외에도 독일의 PERI, 스위스의 SIA, 체코의 Floating House Project 등 유럽의 여러 국가가 3D 콘크리트 프린팅 기술을 활용하여 다양한 프로젝트를 진행하고 있다.

두바이의 에미레이트 항공은 3D 건설을 통해 평균 건설비용을 50~70%, 인건비를 최대 80% 절감할 것으로 기대하고 있다. 또한 2030년 두바이의 건물의 25%가 3D 프린팅으로 지어질 것이라 발표했다.

• 기술 로드맵

시장상황에 대한 분석

◇ 목재 거푸집의 경우 가격이 저렴하고 인장력이 높아 휘어지며 잘 깨지지 않는 대신 이음매 부분이 단단하지 않아 콘크리트가 샐 우려가 있으며

거푸집 파손시 큰 사고가 일어날 수 있다. 또한 이음매 부분에 고정 요소로 정 등을 사용하여 안전사고의 우려가 있다.

◇ 강재 거푸집의 경우 프리캐스트 방식으로 주조하여 현장으로 오게 되는데 무게 및 사용성 등을 고려했을 때 소형 거푸집 타설에는 적합하지 않은 소재이다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 현장 제작이 쉽지 않은 거푸집 제작 용이

◇ 제품규격외 구조물 건설 가능

◇ 거푸집 시공 과정 생략 가능

◇ 비교적 빠른 시간안에 제조 및 조립 가능

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 3D 프린팅 콘크리트를 통하여 안정성과 편리성 확보, 시공 기간과 비용 단축

◇ 3D 프린팅 콘크리트로 만든 거푸집은 기존 거푸집보다 비용을 3배 이상 절약

◇ 목재 거푸집은 재사용 거푸집 보다 최소 5배 많은 탄소를 사용

◇ 거푸집 폐기 시 발생하는 건설폐기물 최소화,환경 보호 및 폐기물 처리 비용 절감 가능

기술개발 일정 및 추진체계

기술개발 일정

추진체계

1.데이터 조사

2.프로토 타입 설계

3.안정성 검사 및 허용응력 계산

4.프로토 타입 제작

설계

제품의 요구사항

설계 사양

개념설계안

◇ 3D 프린팅 콘크리트는 배합비에 따라 유동성, 압출성, 강도, 적층성, 경화시간 등과 같은 다양한 특성들이 서로 다른 값을 갖게 된다. 본 프로젝트에서는 출력과 적층이 잘 이루어지면서, 적절한 강도를 갖는 3D 프린팅 콘크리트의 배합비를 찾는 것이 최우선 과제이다. 특히 3D 프린팅 콘크리트는 굳지않은 콘크리트의 특성이 매우 중요하며, 아래 <표1>에 재료에 따라 굳지않은 콘크리트가 받는 영향을 정리한다. 이에 따라 <표2>와 같이 적절한 물-결합재비를 고정시킨 후 혼화제량에 변화를 주어 적절한 배합비를 모색한다. 물-결합재비는 이호재(2020)을 참고해서 진행하였다.

◇ <표2>의 기준 배합비에서 감수제 0%B, 0.5%B, 1%B, 2%B와 증점제 0%B, 0.15%B, 0.3%B에 따른 재료의 기계적 물성 값들을 구한다. 이러한 혼화제 변화에 따른 적층 가능성을 비교 분석을 해서 적절한 유동성과 강도를 갖는 배합비를 선정한다. 유동성은 플로우 테이블 테스트로 평가하고, 강도는 압축강도시험으로 평가한다. 또한 강도 테스트를 위해 해당 배합에 따라 4x4x4 공시체를 12개씩(3일차와 7일차때 6개씩 압축강도 테스트 진행) 제작한다. 진초(2017)에 따르면 배합 환경에 따라 기계적 물성 값들이 변할 수 있으므로 해당 변수에 대한 모르타르 타설을 동시에 진행한다.

◇ 적절한 배합비를 찾아낸 후에 3D 프린팅 콘크리트로 모듈형 거푸집을 G-Code로 설계를 진행한다. 우선 대상이 되는 구조물은 상수도관 표준설계인 700mm관의 45도 곡관보호공으로 선정하였다. 해당 구조물을 시공할 때 목조 거푸집으로 타설을 진행하지만. 본 프로젝트에서는 비파괴 형태의 강제영구 거푸집을 3D 프린팅 콘크리트로 제작하고자 한다. 상수도 설계기준(2022)에 따르면 관거는 시공한 다음 제방에 영향을 주지 않도록 제방법면의 보호공을 설치한다. 급수관을 분기하는 지점에서 배수관내의 최대정수압은 700 kPa(약 7.1kgf/㎠)를 넘지 않도록 한다. 이에 따라 제방에 영향을 주지않는 모듈형 거푸집을 3D 프린팅 콘크리트로 모델링하고 제작한 후에 강도를 테스트한다.

◇ 아래 그림이 한국 수자원공사에서 정한 곡관보호공 설계도면 기준이다. 본 프로젝트에서는 1/5로 resize를 진행해서 실험을 진행하였다. 원본의 파이프 직경D: 700mm일 때, 거푸집 단면 가로 길이A: 1700mm, 세로H: `1200mm, 길이B: 1550mm, 길이C: 850mm이다. 이것을 1/5로 resize를 진행하면 파이프 직경D: 140mm일 때, 거푸집 단면 가로 길이A: 340mm, 세로H: `240mm, 길이B: 310mm, 길이C: 170mm이 된다. 아래사진은 새롭게 resize한 곡관보호공을 예시로 만든 모습이다. 본 프로젝트에서 해당 곡관보호공을 3D 프린팅 콘크리트로 출력해서 제작한다.

◇ 거푸집은 필요한 강도와 강성을 가지고 있어야 하며, 구조물이 완성된 후 콘크리트 구조물이 소요 성능을 만족하도록 설계 및 시공을 진행한다. 이처럼 완성된 모듈형 거푸집을 시공 시스템에 어떻게 적용하는 것이 합리적인지 찾아내고자 한다. 또한 콘크리트 타설을 위한 거푸집 등 가시설물에 대하여는 콘크리트 소요강도 및 안정성을 가지는 동시에 구조물의 위치, 형상 및 치수가 정확히 확보될 수 있어야 한다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

3.1 압축강도 측정

◇ 압축강도는 공시체의 단위 면적에 받는 압축력으로 정의된다.

◇ 압축강도는 공시체의 크기, 압축강도시험기의 재하시간 및 재하속도에 따라 달라진다. 가장 표준적인 공시체는 150mm(단면 직경) X 300mm(높이)의 원기둥 모형이다. 만약 공시체이 크기가 100mm(단면 직경) X 200mm(높이)로 축소되면, 표준크기 대비 강도가 약 3% 높은 값이 나타난다. 따라서 해당 공시체로 강도를 측정했을 때 보정계수 0.97을 곱해주면 표준 공시체에 대한 압축강도로 예측할 수 있다. 이러한 공시체 크기에 따른 압축강도 변화를 size effect라고 한다.

◇ 감수제가 없을 때 증점제량이 변해도 강도값이 크게 변하지 않는다. 감수제가 0.5%B일 때 증점제를 첨가할수록 강도가 줄었다가 다시 증가하는 경향을 보였다. 감수제가 1%B일 때 3일차 강도는 증점제가 증가할수록 강도가 감소하는 경향을 보이지만, 7일차 강도는 증점제가 증가할수록 강도가 감소하다가 다시 증가하는 경향을 보인다. 또한 증점제가 0.15%B일 때 3일차 강도는 감수제가 증가할수록 크게 감소하는데, 7일차 강도는 감수제가 증가할수록 강도가 증가한다.

3.2 FEAP 해석(가상인장강도 시험)

◇ 곡관보호공이 내부 파이프의 유체흐름으로 인한 정수압을 작용받을 때 콘크리트의 내력과 외부에 둘러쌓인 흙의 반력을 작용받는다. 유한요소해석을 이용한 시뮬레이션 기법인 FEAP을 통해 1/5로 resize를 진행한 모델의 일부분에 대한 가상인장시험을 진행할 예정이다.

3D 프린팅 콘크리트로 출력한 결과물들을 비파괴 가상 시뮬레이션인 FEAP 해석을 진행한 결과들이다.

FEAP 해석을 통해 응력-변형율 그래프와 paraview를 확인할 수 있다.

먼저 그래프를 보면 peak점에서의 강도가 균열이 발생되는 인장강도(Strength)이며, 강성도(Stiffness)도 함께 구할 수 있다.

변형율(Strain)이 증가함에 따라 응력도 함께 증가하다가 peak점에 도달하면, 변형율이 증가해도 응력이 급격하게 감소하는 것을 알 수 있다.

이를 통해 가상시편이 균열이후 파괴가 발생했다고 예측할 수 있다.

또한 가상시편을 paraview 시켰을 때, Strain에 따른 균열의 진전도를 시각적으로 볼 수 있다.

paraview의 흰색 공간은 가상시편의 공극이고, 파란색으로 칠해진 부분은 시편 부분이다. 또한 빨간색 부분은 균열이 진행되는 모양이다.

공극이 큰 부분 주변으로 균열이 발생하는 것을 확인할 수 있으며,

배합비에 따라 필라멘트 사이에 공극이 다르게 생기고, 이에 따라 강도가 크게 변하는 것을 알 수 있다.

해석 결과 공극이 적은 출력물이 비교적 높은 강도를 가지는 것을 확인 할 수 있었다.

본 프로젝트에서는 아래와 같이 출력되는 결과물을 채택하여 강재 영구거푸집을 제작하였다.

상세설계 내용

◇ Fusion360(AutoCAD 3D)를 활용하여 아래 그림과 같이 45도 관파이프에 대한 곡관보호공 거푸집 설계도면을 제작하였다. 본 프로젝트에서 거푸집 크기를 원본 크기 대비 1/5 resize를 진행하였다. 이미 설치가 완료된 파이프에 조립이 가능한 모듈형 거푸집으로 제작한다.

◇ 위 그림의 거푸집을 아래 그림의 도면처럼 4개로 분할하여 파이프 옆면으로부터 조립하는 모듈형 거푸집을 만들고자 한다. 아래 그림에 있는 모듈형 거푸집 1set를 2개 만든 후에 조립하면 위의 그림처럼 완성된다. 거푸집이 쓰러지지 않도록 타설전에 흙으로 거푸집 옆면을 메우고 거푸집 안에 굳지않은 콘크리트를 부어서 타설하는 시공 시스템 아이디어를 제시하였다. 흙으로 옆면을 지탱하면 내부에 콘크리트를 부어도 쓰러지거나 무너지지 않고, 안정적으로 곡관보호공이 제작될 것으로 보인다. 이처럼 3D 프린팅 콘크리트를 활용한 강재 영구 거푸집은 목조 거푸집보다 시공 시간 및 비용이 현저하게 감소한다.

◇ 아래 그림은 3D 설계도면을 G-Code로 변환했을 때 출력될 거푸집 모형의 예시이다. 우리가 사용할 3D 프린터의 노즐 크기는 40mm이다. 따라서 40mm의 너비만큼 돌출된 형태를 고려해서 설계를 진행하였다. 접합 이음부는 콘크리트 거푸집이 굳기 전에 직접 성형해서 원하는 모양으로 변형 제작이 가능하다. 이는 환경에 따라 유동적으로 모듈형 거푸집 연결부를 쉽게 바꿀수 있다.

◇ 실제로 3D 프린터로 콘크리트를 출력한 모습을 아래 그림과 같다. 배합비에 따라 출력되는 성질이 변하며, 적층과 유동성을 확보한 적절한 배합비를 찾아내서 노즐에서 굳지않은 콘크리트가 출력되는 것은 성공을 하였다. 하지만 시간이 지남에 따라 굳으면서 필라멘트끼리의 부착력이 약해지는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라 적절한 프린팅 진행 시간을 확보하는 것도 중요하다. 이에 따라 우리가 원하는 모듈형 거푸집이 출력 가능하도록 배합비 및 프린팅 시간을 실험환경에 맞게 찾아내야한다. 모양만 적절하게 갖춰진다면 나머지는 흙이 겉면을 지탱해주고, 내부에 굳지않은 콘크리트를 부어서 곡관보호공을 안정적으로 제작한다.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진

1. 콘크리트 거푸집을 파이프 주변에 설치하고, 거푸집 주변에 모래를 포설해 구조물이 쓰러지지 않도록 고정한다. 수평 토압에 의해 거푸집에 변형이 발생하지 않음을 확인한다.

2. 거푸집이 고정되면 콘크리트를 타설한다. 거푸집이 변형되지 않고 강도에 이상이 없음을 확인한다.

포스터

완료작품의 평가

개발 과제 관련 향후 전망

◇ 콘크리트 거푸집 타설 및 고정은 성공했지만, 각 거푸집 모듈과의 접합부 및 거푸집과 관로와의 접합 부분에서 콘크리트 유출을 막아야한다. 따라서 치환공법, 밴토나이트 안정액 사용등의 다른 방안이 필요해 보인다.

◇ 아직 국내 관련 법이 미비하여 실제 시공은 어렵지만, 3D 프린팅 콘크리트 시장 규모는 계속 증가하는 추세이다.

참고 문헌

◇ 이호재, 김원우, 서은아, & 문재흠. (2020). 건설용 3D 프린팅 압출 및 적층공정에따른 시멘트계 복합재료의 수축 특성 영향. 한국구조물진단유지관리공학회논문집 (KSMI), 24(6), 113-118.

◇ 진초, 박유나, 유승규, 배성철, & 김재준. (2017). 3D 프린팅 콘크리트 배합설계 프로세스에 관한 연구. 한국 BIM 학회논문집, 7(3), 1-10.

◇ 상수도 설계기준 (2022).

◇ Xiao, J., Liu, H., & Ding, T. (2021). Finite element analysis on the anisotropic behavior of 3D printed concrete under compression and flexure. Additive Manufacturing, 39, 101712.