AI 기반 소규모 노후건축물 안전점검 기술을 아시나요?
더 안전하고 정확한 말뚝 시공관리를 위해
- 비접촉식 말뚝 관입량 측정장치를 이용한 기초 품질 관리 자동화 기술
▲ 서승환 KICT 지반연구본부 수석연구원
말뚝 기초는 하중과 외력을 견딜 수 있도록 땅속 깊이 관입해 아파트, 교량 등 다양한 구조물의 근간이 된다. 이에 따라 말뚝 관입량 측정은 말뚝 시공 품질 관리를 위한 필수적인 측정 항목이다. 특히 스마트 건설이 대두됨에 따라, 측정의 정확도를 높이고 작업자를 안전하게 보호하기 위한 자동화 측정 기술이 필요하다.
비접촉식 말뚝 관입량 측정장치를 이용한 기초 품질 관리 자동화 기술을 간단히 소개해 주세요.
비접촉식 말뚝 관입량 측정장치(KICT Pile driving Monitor, 이하 KPM)는 발광다이오드 센서를 이용해 원거리에서 관입량을 측정할 수 있는 장치입니다. KPM을 활용하면 먼거리에서도 측정이 가능해 항타기 아래에서 직접 작업할 필요가 없어 안전사고 발생의 위험도가 현저히 낮아지고, 관입량과 리바운드 측정값에 대한 신뢰도는 높아진다는 특징이 있어요.
비접촉식 말뚝 관입량 측정장치 연구를 시작하게 된 이유는 무엇인가요?
국내 말뚝 시공 현장에서 지지력을 파악하는 방식은 전체 말뚝의 1∼3%는 항타 시 말뚝의 응력과 가속도를 측정하는 동재하시험이나 말뚝에 실제 하중을 가하여 지지력을 측정하는 정재하시험을 수행하며, 나머지 97~99% 말뚝은 시간과 비용 문제로 항타 관입량을 통해 수행하고 있어요. 말뚝이 충분한 지지력을 갖추게 되면 항타 시 관입되는 양이 줄어 들게 되는데요. 즉 단단한 지반에서는 상대적으로 관입량이 작게 나타나는 거죠. 이 값을 통해 말뚝이 충분한 지지력을 확보했는지 확인할 수 있어요. 현재 97~99%의 말뚝에 행해지는 지지력 파악을 위한 항타 시험 방식은 수기로 이뤄집니다. 수기 방식이란 작업자가 말뚝에 종이와 펜을 대고 말뚝을 때릴 때 말뚝이 땅속으로 얼마나 꿰뚫고 들어가는지 직접 손으로 그려 측정하는 방식이죠. 그러나 이 수기 방식에는 두 가지 큰 문제점이 있습니다. 첫 번째로는 무거운 해머를 말뚝 머리에 떨어뜨려 그 힘으로 말뚝을 땅에 박는 토목 기계인 항타기 아래에서의 수작업이 필요하기에 작업자의 안전 문제가 발생할 수 있다는 거죠. 두 번째로는 수작업으로 진행되기에 인적 오류가 발생할 수 있다는 문제점이 있습니다.
기존 장치에 비해 개발된 장치는 어떤 차별성을 두고 있을까요?
오래전부터 말뚝의 항타 관입량을 인력으로 측정하는 것에 대해 많은 문제점이 제시되었어요. LVDT(Linear Variable Differential Transformer) 활용, 연속적인 관입량을 측정하는 방법, 광학식 변위계나 레이저 센서, 레이저 스캐너 등을 이용하는 방법이 소개되었죠. 하지만 이러한 방법은 작업자의 안정성, 측정 범위의 한계, 주변의 환경적 요인에 의해 오차가 크게 발생하는 등 갖가지 문제점을 안고 있었습니다. 또 대부분의 방법이 현장에서 측정한 데이터를 실내로 이동해야만 해석을 할 수 있었고, 측정값을 통해 지지력을 추정하는 건 불가능했어요. 이러한 문제점을 개선하기 위해 본 장치는 말뚝의 관입량과 리바운드양을 측정하고, 이를 통해 지지력을 추정할 수 있도록 개발되었습니다. 이를 통해 기존 시험 항타 말뚝에 대해서만 알 수 있었던 지지력을 현장 전체 말뚝으로 범위를 확장하여 지지력 관점에서의 시공 품질 관리가 가능해졌습니다.
비접촉식 관입량 측정장치의 개발은 안전하고 신뢰성 있는 말뚝 시공 환경을 조성하는 데 큰 도움이 될 것 같아요. 수기 방식의 문제점을 해결할 수 있을 것으로 기대되는 관련 기술이 또 있을까요?
최근에는 산업체에서 매입 말뚝 측량 장비인 전자 레벨기나 카메라를 활용한 최종 관입량 자동 측정시스템이 개발됐어요. 이 장치는 표식지를 드롭해머에 부착한 후 일정 거리가 떨어진 위치에서 매 항타 직후의 해머 레벨을 측량하여 말뚝의 관입량을 산정하고, 조종석 모니터에서 실시간으로 확인하는 방식인데요. 리바운드양은 측정하지 못하지만, 최종 항타 시 관입량만 검토하는 현재 말뚝 시공관리 방법에서는 비교적 편리하게 현장에 적용할 수 있는 장점이 있습니다. 또한 드럼 해머 시스템 내부의 센서를 기준으로 하강한 램과 케이스의 변위량을 그래프로 나타내어 관입량을 측정하는 장치도 있습니다. 이 장치는 외부에 별도의 측정 장비가 필요 없어 해머의 낙하고를 일정하게 유지할 수 있다는 장점이 있습니다. 반면에 램의 위치 변화를 측정하기 때문에 말뚝 관입량은 측정할 수 있지만 리바운드양은 측정이 어렵다는 단점이 있죠.
KPM 기술적 완성도는 어디까지 도달했는지, 또 기술이 사업화된다면 앞으로의 시장 모습은 어떻게 변화할지 궁금합니다.
개발된 비접촉식 말뚝 관입량 측정장치는 시작품 단계에서 현장 측정 성능을 확인하였고, 공인기관의 성능까지 확보했어요. 더불어 다양한 현장 조건에서도 일관된 성능을 발휘하는 것을 확인한 바 있습니다. 현재는 현장 작업자의 사용성을 고려하여 시제품을 제작하고 있고, 올해 하반기에는 말뚝 시공 현장에 시범 적용을 계획하고 있어요. 더불어 사업화 측면에서 볼 때, 이 기술은 건설 현장의 자동화와 안전을 추구하는 세계 동향과 맞물려 시장에서 큰 수요를 창출할 것으로 예상됩니다. 특히, 국내외 건설사와 인프라 프로젝트에서 높은 관심을 보이고 있으며, 이를 통해 글로벌 시장 진입이 가능할 것으로 기대되고 있습니다.
앞으로 이루고자 하는 연구 성과나 목표가 있나요?
앞으로의 연구는 비접촉식 말뚝 관입량 측정장치의 성능을 더욱 향상하고, 다양한 현장 조건에 맞춰 최적화하는데 중점을 둘 거예요. 구체적으로는 말뚝의 관입량, 리바운드 측정과 함께 해머의 낙하고까지 측정될 수 있도록 개발하고 있죠. 이를 통해 말뚝의 시공 품질을 세밀하게 관리하고, 정확한 지지력 추정을 통해 시공비용 절감 효과까지 누릴 것을 기대하고 있습니다. 그리고 온디바이스 AI와 연계하여 보다 컴팩트하고 사용성을 극대화한 장치의 개발을 이루는 것 또한 목표 중 하나입니다. 이를 통해 현장 관리 효율성을 극대화하고, 시공 품질을 실시간으로 모니터링하고 개선할 수 있는 체계를 마련하고자 해요. 궁극적으로는 국내 시장을 넘어 해외 시장에도 진출하여 글로벌 건설 자동화 솔루션의 선두 주자로 자리매김하는 것이 목표입니다.
