RFID를 활용한 적산온도방식의 콘크리트 강도 추정 시스템 기초 연구
Concrete Strength Prediction System by Maturity Method using RFID
박 소 현* 오 용 석* 송 정 화**
오 건 수***
Park, So-hyun Oh, Yong-Seok Song, Jeong-Hwa Oh, Kun-Soo
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Abstract
The objective of this study is to develop the predicting method of concrete strength when remove concrete form-work without making cement test piece at construction site. For this purpose, this study catches the Maturity Method by using RFID, the usability of which is now being emphasized at site, accumulates and record the strength data, which can be gained with the results of existing Maturity Method method that is accompanied with strength estimation study, in database, and finally proposes the system structure which can check the estimated strength by Maturity Method.
The merits of this method by using of Maturity Method are as follows; More objective, precise, and rapid decision can be made to the concrete strength and about the maintaining period of concrete form and form support. More efficient control of integrated material management system can be possible. Architectural field example using RFID can be suggested more concretely. RFID applicability can be extended by using DB of material integration management system.
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키워드 : RFID, 적산온도방식, 콘크리트 강도 추정 시스템, 자재통합관리시스템
Keywords : RFID, maturity method, concrete strength prediction system, material integration management system
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I. 서론
1. 연구의 배경과 목적
건설현장에서 콘크리트 타설 후의 거푸집의 탈형이나 슬 라브, 보 등을 받치고 있는 동바리의 제거는 후속작업을 진행하기 위해 필연적 사항이다. 그러나 튼튼하고 안전한 건물을 원하는 발주자나 공사진행을 빨리하여 공기를 단 축하고자 하는 시공자간의 콘크리트 조기강도 획득에 대 한 의견차이로 현장에서의 분쟁이 자주 있어왔다.
소요강도 도달여부는 공시체를 별도로 만들어 강도를 확 인하는 방법이 가장 근접한 정확성을 가지고 있다고 볼 수 있으나 매 콘크리트 타설 때마다 공시체를 만들어야 하며 이를 실험실로 옮겨 파괴테스트로 강도확인을 하여 야 하는 번거로움이 있으며, 어떤 때는 공시체의 양생조
* 남서울대학교 대학원 석사과정
** 남서울대학교 건축학과 전임강사, 이학박사
*** 남서울대학교 건축학과 정교수, 공학박사
본 연구는 한국건설교통기술평가원의 연구비 지원에 의한 연구의 일부임. (과제코드:06기반구축02)
건을 인위적으로 조작하여 허위로 소요강도를 만들어 내
기도 하는 위법 사례가 발생하기도 한다.
따라서 현장에서 공시체를 만들지 않고도 탈형 시의 강 도를 예측할 수 있는 방안을 생각하게 되었으며 이는 현 장의 양생조건을 알고 이에 따라 결정되는 강도데이터를 알고 있으면 가능할 수 있다는 전제하에서 출발한다.
이를 실현할 수 있는 방안으로 현재 그 활용성이 한창 강조되고 있는 RFID를 이용하여 현장의 온도를 채취하도 록 하며 기존의 적산온도에 따른 강도추정 연구결과로 얻어지는 강도데이터 값을 데이터베이스에 저장할 수 있 도록 DB화 하여 적산온도에 따른 추정 강도를 검색할 수 있는 시스템의 구조를 제안한다.
2. 연구의 범위와 방법
현장에서 타설되는 콘크리트의 강도형성에 영향을 주는 요소를 조사하여 이들의 관계를 알아보고 이를 시스템화 할 수 있는 체계를 세우도록 한다. 일반적으로 콘크리트 의 강도에 크게 영향을 주는 요소로는 양생온도, 콘크리 트의 W/C, 재령기간 등을 들 수 있다.
기존의 선행연구에서 콘크리트의 적산온도와 재령기일, W/C에 따라 강도를 추정하는 함수를 도출해 놓은 사례 를 통하여 적산온도에 따른 강도를 산출하여 강도DB를
구축하고 적산된 양생온도에 따른 그 시점의 강도DB를 검색하여 필요한 강도에 대한 정보를 추출하는 시스템을 개발하고자 한다.
이를 위해서는 현장에서 양생온도 데이터를 채취할 수 있는 방법이 있어야 할 것이며 이를 위해 온도감지 센서 가 부착된 RFID를 콘크리트 타설체에 함께 매립하여 온 도데이터를 수집하고 이들의 정보를 리더기를 통하여 현 장의 시스템에 저장하는 방법을 기본개념으로 한다.
또한 콘크리트 강도형성에 영향을 주는 요소들과의 상관 성을 분석하여 만들어진 강도 데이터는 자재통합정보시 스템의 강도DB에 저장되어 있어야 할 것이며 필요시 검 색하여 강도에 대한 정보를 얻을 수 있도록 해야 한다.
II. 적산온도 방식의 콘크리트 강도 추정
1. 콘크리트 적산온도 정의
한중콘크리트는 소정의 설계 기준 강도가 소정의 재령에 서 얻어지고, 초기 동해의 방지에 필요한 압축강도 50kg/cm2 가 초기 양생기간 내에 얻어지도록 보양을 한 후 거푸집 탈형을 허용하고 있다. 한중 Con’c의 강도발현 은 비빈 후부터의 양생온도(°D, degree)와 경과기간(日, day)의 곱의 적분함수[Σ(양생온도×경과기간)]로 나타낸 것을 말하며 초기의 Con’c 경화 정도를 평가하는 지표가 된다.
이와 같은 소정의 강도를 얻기까지에는 양생하는 온도 환경에 심각한 영향을 받게 되는바 양생기간동안의 온도 변화를 누적하여 일정한 수식에 의한 산출로 적산온도를 표현한다.
적산온도는 M으로 표기하며 다음의 식으로 산출한다.
2. 기존 건축현장의 현황과 문제점
현재의 기준으로 살펴볼 때, 건축 현장에서 거푸집 탈형 과 동바리 제거의 시기를 결정하고 가늠하는 기준으로 표준시방서 또는 특기시방서 기준을 따르고 있다. 부재별 콘크리트 압축강도에 의한 기준(표 1)에 의한 거푸집 제
거 허용기준을 명시한 것과 또는 시멘트 종류별로 대기 온도에 의한 거푸집 존치기간을 명시(표 2)한 것이 있다.
부 재 콘크리트 압축강도(fcu)
확대기초, 보, 기둥, 측벽 5MPa 이상 슬래브 및 보의 밑면,
아치 내면
설계기준강도 x 2/3 (fcu ≥2/3fcu) 다만, 14MPa 이상
표 1. 건축부재 위치별 거푸집탈형 소요 Con'c 강도
시멘트 종류 평균기온
조강포 틀랜드
보통 포틀랜드 시멘트 고로 슬래그 시멘트 특급 포틀랜드 포졸란 시멘트 A종
플라이애쉬 시멘트 A종
고로 슬래그 시멘트 1급 포틀랜드 포졸란 시멘트 A
종 플라이애쉬 시멘트 B종 10˚C 이상
20˚C 미만 3 6 8
20˚C 이상 2 4 5
표 2. 시멘트종류별 대기온도에 의한 거푸집 존치기간 기준
현장에 따라 그 세부적인 기준은 차이가 있겠지만, 위 표를 기준으로 거푸집 존치기간에 대한 근거를 대신하고 있다. 따라서, 한중 콘크리트 타설시 현장에서는 공기 단축을 위한 거푸집 조기 탈형을 위해 조강제를 혼합하거나 구조물 전체를 감싸는 보양을 하여 갈탄난로, 온풍기 등을 동원해 강제 양생을 하고 있으며 그 당시의 온도를 측정 보관하고 별도 제작한 공시체에 의한 압축강도 측정 또는 현장에서 비파괴 강도 테스터에 의한 압축강도 측정을 하여 거푸집 탈형에 맞는 기준강도를 확보하려는 노력을 지속적으로 하고 있는데, 이러한 과정에서 다음 표 3과 같은 문제점이 나타나고 있다.
문 제 점 내 용
관행적 관행적 탈형시기 기준 모호 (한중 및 서중)
*서중은 기간 기준, 한중은 강도 기준
동시성 부족 뒤늦은 온도계의 측정치 취득
정확성 구체온도의 정확한 측정 불가
* 구체측정이 아닌 주변온도 측정 및 측정위치 모호 한정적 강도 측정의 한정(몰드와 표면강도) / 인력필요
한계성 다양한 부분의 강도 측정 불가
표 3. 거푸집 탈형 시 강도기준 적용에 따른 문제점 분석
3. 선행연구 고찰
본 연구에서 주로 다뤄지는 내용의 하나인 적산온도 방 식의 강도추정에 의한 거푸집 또는 동바리 존치기간 판 정에 관련된 선행연구를 조사해본 결과 적산온도에 대한 연구가 많았으나, IT기술을 접목한 활용 연구는 한 건 정 도의 연구에 그치고 있다.
우선, 적산온도 방식의 강도추정 연구로는 권영진(2004) 이 ‘적산온도 함수를 이용한 고강도콘크리트의 강도예측 에 관한 연구’를 하였고, 길배수 외(2002)는 ‘적산온도 방 법에 의한 강도예측모델의 개발에 관한 연구’를, 김무한 외(2002)는 ‘적산온도 기법을 활용한 건설생산현장에서의 강도예측모델 개발에 관한연구’가 이루어졌으며, 김규용 (1999)은 ‘콘크리트의 압축강도와 적산온도 관계에 관한 실험적 연구’가 있었다.
본 연구와 가장 근접한 개념으로 센서와 무선네트워크를 이용한 적산온도를 측정, 강도에 의한 양생관리를 시도한
그림 1. RFID에 의한 콘크리트 적산온도 관리 도식 연구인 이웅균(2005)의 ‘무선온도 계측을 통한 매스콘크
리트 양생관리 효율화 방안에 관한 연구’등이 있었으나 이와 같은 선행연구들은 대부분 기초적 단계의 연구에 머물러 있으며, 실용화는 못한 것으로 파악되었다. 이에 실용적 단계로 접근하고자 구체적 방안들을 제시하고자 하는 본 연구에 의미가 있다고 볼 수 있다.
III. RFID의 활용과 콘크리트 강도 DB구축
1. RFID를 활용하는 적산온도 수집
동절기의 일정온도이하에서는 습식 공사가 원칙적으로 금지되어 있다. 그러나 공기가 다급한 현장에서는 이런 원칙을 무시한채 콘크리트 타설을 강행하고 온풍기와 천 막을 이용하여 콘크리트 양생 온도를 유지한다. 현장에서 는 수은 온도계 등을 이용하여 콘크리트 양생 시의 온도 를 측정하곤 한다.
또한 이러한 온도 측정을 위해서 현재는 콘크리트 타설 직후부터 수은 온도계를 콘크리트 표면과 거푸집에 걸어 놓고 매 측정 시간마다 사람이 일일이 돌아다니며 수많 은 온도계의 눈금을 읽어 기록해야 하며, 또는 조금 더 개선된 방법인 그래프 온도계를 설치하여 일정 시간 후 온도가 기록된 종이를 수거하기도 한다.
그러나 그래프 온도계를 이용할 경우 번거로움은 덜 하 겠지만 배터리로 작동하는 그래프 온도계가 제대로 작동 하는지 점검해야 하거나 종이를 갈아 끼워야 하는 잔업 은 여전히 남아있다. 또한 갑작스런 일기변화로 급격한 온도 변화가 일어날 경우 동시 탐지가 불가능하므로 그 변화를 제 때 감지할 수 없다. 이러한 온도 변화는 바로 품질저하를 의미하므로 즉시 상황 대처를 해줘야 하는데, 이런 경우 적절한 시기를 놓치게 되는 경우가 발생하기 도 한다.
이런 경우 콘크리트 적산온도 관리가 이뤄진다면 이러한 문제는 해결 가능하다. 온도센서가 달린 RFID를 콘크리 트 표면 등 온도측정을 요하는 곳에 위치시키고 그로부 터 발생하는 전파(Radio Frequency)를 주변에 고정된 Reader가 탐지 하고 Reader와 현장 시스템(PMIS 등)간 무선 또는 유선으로 연결된 네트워크에 의하여 기록되고 관리될 수 있다.
이렇게 적산온도 관리가 자동으로 이루어지면 그에 의한 온도 측정으로 콘크리트 발현 강도를 알아낼 수 있고, 적 정한 강도가 되면 거푸집을 탈형하여 다음 공정으로 넘 어가게 된다. RFID를 이용한 적산온도 관리는 이렇게 품 질관리 측면에서도 도움이 되기 때문에 거푸집이나 Support등의 최적정 시기 탈형과 제거 시기를 알려주는 척도가 될 수 있고 이는 결국 자재 사용의 효율을 증대 시키는 효과를 가져오게 된다.
이러한 적용을 도식으로 나타내 보면 다음 그림 1과 같 다. 콘크리트 타설과 동시에 설치된 온도를 측정할 수 있 는 온도센서와 함께 패키징(Packaging)된 RFID가 온도를 측정하여 PDA에 연결된 Reader에 무선으로 신호를 보내 준다. 그러면 PDA는 적산온도를 기록하고 온도 대비 콘
크리트 강도를 나타내주는 적산온도 관리시스템에 그 정 보를 넘겨주게 된다. 이 적산온도 관리시스템은 온도관리 에 이상이 있을 경우 현장 통합 관리시스템에게 통보를 해준다.
2. 콘크리트 적산온도 관련 RAW DATA와 강도DB 구축 적산온도 관련 선행 연구를 조사한 결과 적산온도 방식 의 강도 추정 방법을 통한 강도 측정치와 일반적인 강도 측정 방법인 공시체에 의한 압축강도 측정치와는 표 4와 같이 크게 차이가 없다는 것이 판명되었다.
표 4. 강도측정방식별 추정강도의 비교표 (김욱종, 2002)
따라서 적산온도 방식으로 연구된 선행 연구로부터 데이 터(RAW DATA)들을 파악하여 조건이 비슷한 데이터들 을 취합하였다. 콘크리트의 강도는 양생온도의 누적된 적 산온도, 콘크리트 양생기간인 재령일수, 콘크리트 배합에 관련된 물시멘트비에 의하여 정해지는데, 이들의 조건별
로 실험결과의 강도가 표 5, 6, 7에 정리되어 있다.
표 5. 적산온도방식에 의한 보통 콘크리트 압축강도 측정결과 (김무한, 2002)
표 6. 적산온도방식에 의한 콘크리트 압축강도 측정결과 (남재현, 1997)
표 7. 적산온도방식에 의한 콘크리트 압축강도 측정결과 (주지현, 1997)
이들의 내용을 정리하여 콘크리트의 종류별로 구분하여
재정리한 것이 표 8, 9이다. 이들의 결과 값을 시각적 이 해를 돕기 위해 그래프로 정리하면 그림 2와 같다. 그래 프에서 실험범위 밖의 데이터 값은 표시되지 않았지만 거푸집 탈형에 주로 해당하는 초기 7일이내의 데이터 값 은 표 8과 표 9에서 구할 수 있다. 이들의 결과 값을 DB 화 하여 강도 추정 데이터베이스의 정보로 할 수 있는 것이다. 실험 범위 밖의 데이터들은 추후 연구실험을 통 하여 보완할 수 있을 것이다.
표 8. 보통 콘크리트의 적산온도방식에 의한 콘크리트 압축강도표
표 9. 고강도 콘크리트의 적산온도방식에 의한 콘크리트 압축강도표
그림 2. 적산온도방식에 의한 콘크리트 압축강도 분포도 IV. RFID를 이용한 적산온도 활용 강도 추정 시스템
1. 시스템 기본개념
앞에서 서술한 바와 같이 현장에서 거푸집 탈형시의 강 도를 예측할 수 있는 방안으로 RFID를 활용한 적산온도 수집으로 콘크리트 강도 추정을 위한 시스템을 제안한다.
(그림 3) 이를 위해 적산온도 방식의 강도추정에 관한 내 용과 사용되는 데이터를 수집하여 상관관계를 분석하여 적산온도 방식의 강도 추정에 활용할 수 있는 데이터를 DB 정보화 하였다.
그림 3. 시스템 개념도
그림 4. 1차 자재정보와 2차 자재정보의 연계도
현장의 RFID는 타설된 콘크리트의 양생온도는 부착된 온 도센서를 통하여 자동 측정되어 실시간 온도 데이터를 현장 시스템으로 보내주게 된다. 현장시스템에서는 RFID 로부터 읽어들인 온도데이터를 적산온도로 치환하여 현 장 DB에 저장하고, 도착된 레미콘차량으로부터 타설된 콘크리트에 대한 상세정보를 수집하여 현장 자재DB에 저
장한다. (그림 4)
자재에 대한 총괄적인 정보관리를 하는 통합자재정보시 스템에 연결되어있는 콘크리트 강도DB는 적산온도에 의 한 실험으로 얻어지는 콘크리트 강도에 대한 정보를 갖 고 있어 현장에서 타설된 콘크리트 상세정보와 적산온도 정보를 이용하여 검색하여 해당되는 추정강도 정보를 얻 도록 한다. 취득한 강도가 표준화된 콘크리트 강도 기준 표 또는 시방서와 비교 검토하여 거푸집 및 동바리의 제 거 판단 여부를 고지한다는 것이다.
2. 통합시스템과의 연계되는 자재정보DB
자재 정보는 1차정보와 2차정보로 나눈다. 1차정보는 생 산자가 생산하는 자재에 대한 기본적인 사항들로 자재에 대한 성능, 품질, 용도, 가격 등등의 정보를 갖고 있다. 2 차정보는 자재의 특성으로 인하여 타자재와의 관계 등을 규정하는데, 1차정보를 기본으로 타정보와의 융합으로 새 로운 정보로 가공되어져 나타나는 정보이다. 이런 정보의 예로는 자재를 사용하는 전문가들의 정보 등과 같은 것 으로 자재 자체에 대한 정보보다는 관계 속에서 정의되 는 정보이다.
원칙적으로 적산온도에 의한 강도추정을 위해 준비된 콘 크리트 강도 데이터베이스는 통합자재관리시스템이 제공 하는 자재 DB의 1차적 정보와 연계하여 공통 필드를 연 결고리(Primary Key)로 하여 콘크리트 강도 데이터베이 스와 연동하여 정보가 만들어 질수 있으며 그림 4에서 예를 보여주고 있다.
3. 시스템 구조와 정보흐름
현장에서 수집되는 콘크리트 레미콘 정보는 레미콘 반입 시 레미콘 차량으로부터 RFID를 통해 읽혀진다. 콘크리 트 타설 시 콘크리트의 양생온도전파는 온도센서를 부착 한 RFID에서 Reader로 읽혀지며 아직 전파의 형태로 남 아있는 정보를 데이터 형태로 변환시키는 변환기를 거쳐 PDA나 현장사무실 서버 또는 관리시스템으로 모아지고 관리, 저장되어진다.
모아진 온도 데이터는 인터넷이나 네트워크를 통해 통합 자재관리시스템에 연결되고, 콘크리트 강도 데이터베이스 에서 제공하는 적산온도 대비 강도값을 취하게 된다. 검 색된 강도에 대하여 그 강도값과 거푸집 또는 동바리 존 치기준이 담겨있는 시방서DB에서 제공하는 기준값과 비 교하여 존치 여부를 파악할 수 있게 된다.
그림 5. 시스템 정보 흐름도 4. 유저 인터페이스
본 연구에서 제안되고 있는 시스템은 자재통합관리시스 템과 연계되어 중앙시스템의 부분적인 모듈(Module)로 사용되어질 수 있으며 중앙시스템과의 연결을 위한 유저 인터페이스를 그림 6과 같이 제안한다.
콘크리트 강도추정을 위해 강도에 영향을 주는 중요요소 로 콘크리트 양생온도 및 물시멘트비를 입력하고 재령파 악을 위한 측정시의 날짜를 입력한 후 거푸집과 동바리 중 제거를 위한 검토 부재 선택을 하면 그 조건에 맞는 추정강도 검색이 진행되어 그림 7의 우측내용으로 후속 작업에 대한 가능여부를 알려주게 된다. 이러한 시스템의 절차는 발주자와 시공사간에 보다 객관적인 정보를 제공 함으로써 보다 합리적인 의사결정을 내리게 할 수 있다.
그림 6. 자재통합관리시스템에 연결되는 유저 인터페이스 화면
V. 결 론
이제까지 살펴본 적산온도에 의한 콘크리트 강도추정과 적정자재선정시스템을 주 테마로 한 연구에 대한 결론은 다음과 같다. 적산온도 방식의 콘크리트 강도추정을 통한 객관적이고 정확하고 신속한 콘크리트 강도관리와 거푸 집 및 동바리 존치기간 판단이 가능할 수 있다. 적산온도 방식에 의한 콘크리트 강도에 대한 데이터베이스 또는 기준데이타의 통합자재관리시스템 내 보관 또는 연동으 로 통합자재관리시스템의 활용성을 높일 수 있다. RFID 의 적용 가능성이 있는 건축분야 활용의 구체적 예시를 보여줄 수 있다. RFID와 연계된 자재 및 리스트 관리를 하는 자재통합관리시스템의 DB를 적극 활용할 수 있는 2 차 DB의 모색으로 RFID 적용성의 확장을 보여줄 수 있 다.
이러한 효과를 실증적으로 검증하기 위해서는 추후 적산 온도 방식 콘크리트 강도 추정을 위한 시스템의 시범적 용을 통한 검증들이 필요하다.
참고문헌
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