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2023년 6월 9일 (금) 23:38 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 친환경콘크리트 배합비를 위한 심층신경망 설계

영문 : DNN for Eco-friendly Concrete Mix Proportions

과제 팀명

콘알남

지도교수

김지수 교수님

개발기간

2019년 3월 ~ 2019년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 토목공학과 2018860035 정*우(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2018890020 김*승

서울시립대학교 토목공학과 2018860015 박*호

서울시립대학교 토목공학과 2018860031 임*호

서울시립대학교 토목공학과 2018860042 황*성

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 이산화탄소에 대한 환경문제가 대두되면서 시멘트의 이산화탄소배출 문제도 제기되었다.
◇ 친환경 콘크리트를 개발하는 데에는 많은노력이 필요하다.
◇ 알고리즘을 통해 친환경 콘크리트의 배합비를 추정하여 시간과 비용 단축한다.
◇ 친환경 콘크리트의 사용성과 접근성의 증가로 탄소 절감에 앞장설 수 있다.

개발 과제의 배경

◇ 최근 환경오염 문제에 대한 관심이 증가하면서 친환경 콘크리트에 대한 관심도 함께 높아지고 있다. 그러나 친환경 콘크리트는 사용되는 재료에 따라 차이가 있으며, 이는 재료의 물성이 서로 다르기 때문에 각각 다른 배합비가 요구된다. 따라서 각 배합의 강도를 확인하려면 배합설계를 진행하고 실제 배합을 한 뒤 재령 후 28일 강도를 확인해야 하므로, 정형화된 배합비가 존재하지 않는다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 재료와 상황에 따라 쉽게 조절 가능한 친환경 콘크리트의 배합비를 제공한다.

1. 여러 종류의 친환경 콘크리트 배합에서 1일, 7일, 28일 인장 및 압축강도를 측정한다.

2. 선형회귀 모델을 구현한 후, 이를 이용하여 실험 데이터를 입력하고, 실제로 적용하지 않은 배합비와 강도를 추정한다.

3. 선형회귀모델에서 예측한 값과 실제로 제작하여 측정한 강도를 비교하여 모델의 정확성을 확인하는 과정을 거친다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

◇ Meta

 Meta가 발표한 지속가능경영보고서에 따르면 콘크리트를 제조하며 발생하는 이산화탄소 배출량을 기존의 콘크리트 제조보다 약 40%를 줄이는 인공지능을 개발하였다. 1030가지 재료의 조합과 내구성 정보를 학습, 이산화탄소를 줄이며 내구성이 뛰어난 친환경 콘크리트 조합을 찾아준다. 데이터센터 건설에 처음 적용하였고 이외에 4개 지역의 데이터센터 건설에도 이 기술을 사용한다.

• 특허조사 및 특허 전략 분석

◇ 한국건설기술 연구원 (무시멘트 콘크리트)

콘크리트를 만들 때 쓰는 시멘트를 화력발전소나 제철소에서 나오는 산업 부산물인 플라이애쉬, 바텀애쉬 고로슬래그로 100% 교체해서 만든 콘크리트이다. 무시멘트 콘크리트는 시멘트 콘크리트와 비교하여 내구성이 높은 편 이지만, 강도가 상대적으로 낮고 자연 소재의 특성에 따라 일관성을 유지하기 어려운 단점이 있다.

◇ 아주 큐엠에스

기존의 콘크리트 압축강도 사전예측을 위한 인공지능 알고리즘을 개발하여 설계강도와 재령일 28     일 소요 후 측정된 강도의 사전예측에 알고리즘을 사용하고 있다. 

• 기술 로드맵

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

◇ 미국 데이터전문기업 concrete ai는 인공지능과 머신러닝을 활용하여 건설 분야 들어가는 기존의 콘크리트 설계와 생산 과정에서 탄소를 절감시켜주는 플랫폼을 개발하였다. 그러나 Meta에서 개발한 AI는 해외 현지의 재료로 만들어진 데이터를 기반으로 결과를 도출한다. 하지만 우리나라의 재료는 외국과 성분이 다르다. 따라서 우리나라 상황에 맞는 데이터로 이루어진 AI가 필요하다. ◇아주 큐엠에스는 기존의 콘크리트 배합의 강도예측에대한 알고리즘만 존재한다. 따라서 플라이애쉬 고로슬래그의 치환율이 높은 친환경 콘크리트에 대한 알고리즘이 필요하다.

• 마케팅 전략 제시

◇ 국내에선 친환경콘크리트를 직접 시험하여 적절한 배합을 찾아 사용하고 있다. 그리고 이러한 시험과정은 오랜 시간과 인력, 비용 등이 들어가기 마련이다. 한국 도로공사에 의하면 저탄소 콘크리트의 시험시공과 추적조사를 통해 우수함을 검증하기 위해 약 6년의 시간이 들었다. 따라서 AI를 통해 이 과정을 단축할 수 있다면 친환경콘크리트 시장에서 충분한 경쟁력이 있을 것으로 판단된다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

1. 친환경 콘크리트의 배합비를 쉽게 추정함에 따른 친환경 콘크리트의 사용의 접근성 증가

2. 친환경 콘크리트 사용으로 환경오염 감소에 기여

3. 정형화된 배합으로 효율적이고 일관된 품질 보장 가능

4. 알고리즘을 통해 새로운 친환경 재료의 활용 가능성을 추정하므로 콘크리트 제조산업 전반에대한 기술적 발전 가능

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

가. 기술적 기대효과

◇ 한국도로공사에 의하면 저탄소 콘크리트의 시험시공과 추적조사를 통해 우수함을 검증하기 위해 약 6년의 시간이 들었다. 따라서 연구 및 개발에 소요되는 기간과 비용 절감할 수 있다.

나. 경제적 및 사회적 효과 시멘트의 톤당 가격은 2022년기준 76,176원 고로슬래그는 26,620원 플라이애쉬는 24,712원이다. 시멘트 대비 고로슬래그는 65.1%, 플라이애쉬는 67.6% 저렴하다. 시멘트를 치환하여 고로슬래그, 플라이애쉬를 더 많이 사용할 수록 경제적이다.

콘크리트는 주로 시멘트, 모래, 자갈 및 물 등의 원료로 제작된다. 이 중에서 시멘트는 가장 CO2 배출량이 높은 원료이다. 시멘트 생산은 고온 고압 환경에서 석회암과 참나무나 기타 재료를 섞어 제조되며, 이 과정에서 많은 양의 에너지와 열이 필요하다. 이로 인해, 시멘트 생산은 대량의 CO2 배출을 초래한다. 고로슬래그는 철강 제조 과정에서 발생하는 부산물로, 이는 철광석, 석회암 등의 원료를 가열하여 철을 추출하는 과정에서 발생하는 것이다. 이 과정에서 발생하는 CO2는 주로 철광석에 함유된 탄소가 연소하여 발생하는데 철광석은 CO2 배출량이 상대적으로 적기 때문에 소량의 CO2 배출을 초래한다. 플라이애시는 석탄 발전소에서 발생하는 부산물로, 석탄을 연소하여 전기를 생산하는 과정에서 발생한다. 이 과정에서 발생하는 CO2는 전력 생산 과정에서 발생하는 것이기 때문에, 플라이애시의 CO2 배출량은 상대적으로 적다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

관련사업비 내역서

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용