R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 201818SCIP-B128706-02 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 연구사업명 | 건설기술연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 고성능 섬유보강 시멘트 복합재료를 활용한 방호·방폭 구조물 적용 기술 개발 | |||||
| 총 연구기간 | 2017-04-12 ~ 2019-04-30 | |||||
| 연구책임자 | 김성욱 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
5명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
8명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 2,173,000,000 원 기업 : 725,000,000 원 계 : 2,898,000,000 원 |
총연구비 | 정부 : 3,129,000,000 원 기업 : 1,045,000,000 원 계 : 4,174,000,000 원 |
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| 연구기관명 | 한국건설기술연구원 | |||||
| 등록 발간번호 | - | |||||
| ISBN | - | |||||
| 주요 내용 |
(1) 사고 및 테러에 의한 충격·폭발 피해 증가 ○ 사고 및 테러 시 발생하는 충격과 폭발은 국민의 생명과 재산에 심각한 손실을 유발할 수 있으며 세계적으로 테러 발생 건수도 날로 증가하고 있어 석유화학, 가스플랜트 등의 위험시설 뿐 만 아니라, 인위적인 충격 및 폭발로 인한 건물 및 주요구조물의 붕괴 예방 대책 마련이 시급함 ○ 최근 건설기술의 비약적인 발전에 따라 구조물이 대형화·고층화·장대화되고 있으며 구조물의 기능도 다양화, 복잡화되고 있어 폭발 및 화재요인이 날로 증대하고 있음. 각종 설비의 증가와 유기계의 내장재 사용으로 인하여 그 규모 역시 대형화되는 추세임 ○ 우리나라의 경우 대도시 인구밀집 형태가 불가피 하기 때문에 폭발 사고 혹은 테러가 발생하는 경우 피해복구에 어려움이 있으며, 연쇄적인 피해가 발생할 위험이 있음 ○ 뿐만 아니라 북한과의 대치상황으로, 2010년 10월 연평도 포격사건에 의해 인명피해뿐만 아니라 민간 및 군 시설이 파괴되는 사건이 발생함. 북한의 잦은 도발로 방호용 건설 재료 및 기술 개발에 대한 요구가 증가하고 있음 ○ 2012년도 산업현장에서는 폭발·누출 등 화학사고가 1,100여 건이나 발생한 바 있음. 이 중 330여건의 폭발사고가 있었음. 최근 10년간 화학물의 누출과 폭발사고 발생건수를 통계를 보면 연간 700여건 발생하는 것을 알 수 있음 (2) 충격·폭발 피해저감 대책 마련 필요 ○ 대형 충격·폭발 사고 및 테러에 의한 사회기반시설물의 피해저감 대책 수립이 필요함 - 구조물 및 시설물의 대형화에 따라, 단 한 번의 극한하중에 대한 사고에도 수많은 인명 및 재산 피해가 발생할 가능성이 증가하고 있음 - 그러나 세계에서 유일한 분단국가인 우리나라는 테러 및 충돌사고에 대한 특수 구조물의 위험도 노출이 세계 최고 수준임 ○ 한편 국가중요시설의 분류와 방호대책은 국방부훈령 제1057호에서 규정하고 있으나, 방위작전수행 개념에 국한되어 있고 시설물의 방호·방폭 기술적 사항이 없음 ○ 국내에는 군사적 목적을 제외하고는 방폭구조물 설계 및 방호 성능 검증과 관련 기준은 전무한상황으로 국방부에서 제공하는 국방 군사 시설기준, 방호구조물 설계기준, 화생방 방호시설 설계·지침이 유일한 참고 기준으로 미 국방부 설계 기준인 ‘Fundamentalsof Protective Design for Conventional Weapons (TM-5-855-1)’ 내용을 기반으로 작성된 것임(2015, 이수현) (3) 방호·방폭 연구사업의 연속성 확보 ○ 국토교통부에서는 국토교통 R&D 연구사업의 일환인 건설기술연구사업을 통하여 2013년부터 「방호·방폭용 고성능 섬유보강 시멘트 복합재료(이하, HPFRCC) 및 성능평가 기술개발」을 통하여 방폭용 첨단재료를 개발하고 동적충격물성 평가기술이 포함된 방호·방폭 원천기술을 개발함 ○ 이 연구사업을 통하여 개발한 첨단 방호？방폭용 재료 및 성능평가기술을 바탕으로 후속연구를 통하여 국가중요시설을 비롯한 민간시설물 및 군사방호시설물에 적용할 수 있는 활용기술을 개발할 필요성 있음 ○ 기존 연구 개발 현황 및 한계점 - 연구개발 현황 · 2013년 11월부터 2017년 2월까지 진행된 국토교통 건설기술연구사업인「방호·방폭용 고성능 섬유보강시멘트 복합재료 및 성능평가 기술 개발」연구단에서 아래와 같은 연구개발이 수행되었음 · (신규구조물용 HPFRCC) 최대 동적충격인장강도 40 MPa 수준의 HPFRCC 재료 개발 · (보강용 HPFRCC) 기존구조물 방폭 성능 100% 이상 향상을 위한 FRP 외피형, 패널형, 뿜칠형 복합재료 개발 · (동적물성(재료)) 동적충격하의 HPFRCC 압축 및 인장물성 시험법, 시험장비 및 평가시스템 개발과 이를 이용한 HPFRCC 동적충격물성 시험 및 평가 · (동적물성(구조)) HPFRCC 구조부재 방호·방폭 성능평가 시험·해석 기법 개발과 이를 이용한 HPFRCC 동적충격물성 시험 및 평가 · (설계지침) HPFRCC 구조부재 충격 및 폭발 손상 해석프로그램 개발, HPFRCC 구조물 폭발에 의한 연쇄붕괴 해석기법 개발 - 한계점 · (HPFRCC 재료) 설계기준강도 50 MPa 이상의 고강도 콘크리트 기둥 보의 경우 내화성능을 만족하도록 되어 있으나 개발된 HPFRCC 경우 내화성능 미확보 · (동적물성(재료)) HPFRCC 방폭재료 동적물성시험 기준(국가표준 또는 학회기준) 미정립 · (동적물성(구조)) 보강철근을 고려한 HPFRCC 구조부재 내충격 성능 정량화 기법 미정립 · (설계지침) 폭발하중 및 방호등급, HPFRCC 재료모델 등을 고려한 해석프로그램 필요 · 미국의 경우 방폭 실증실험을 수행하여 요구성능에 대한 검증을 실시. 그러나 연구개발 성과는 [최종목표] ○ 내화성능 확보된 방호·방폭용 HPFRCC 재료 개발 - 신규 방폭구조물용 강섬유보강 HPFRCC 재료 개발 · 압축강도 : 100, 140, 180 MPa (3수준) · 인장강도 : 10, 12, 15 MPa (3수준 대칭) · 동적충격인장강도 : 20, 30, 40 MPa (3수준 대칭) - 기존 구조물 방폭보강용 FRP외피형 슬러리 충전 HPFRCC 재료 개발 · 압축강도 : 80 MPa · 인장강도 : 12 MPa · 동적충격인장강도 : 25MPa - HPFRCC 내화성능 목표 · 내화성능 : 주철근의 온도 평균 538℃(최고 649℃) 이하 확보(국토해양부 고시 제2005-122호) · 재료 시험 내화성능 목표 : 3시간 폭렬 방지 (※ ISO 834-1 시험법) · 부재 시험 내화성능 목표 : 기둥 부재 단열상승온도 3시간 조건, 주철근의 온도 평균 538℃(최고 649℃) 이하 확보(국토해양부 고시 제2005-122호) ○ HPFRCC 동적충격물성 시험 안정화 및 시험규격화 기술 개발 - HPFRCC 동적충격물성 시험 규격 개발 (2건) · 동적충격 인장물성시험 학회 규격 (예시, KCI-101) · 동적충격 압축물성시험 학회 규격 (예시, KCI-102) - HPFRCC 동적특성 재료 모델 개발 · HPFRCC의 파괴물성 모델 · HPFRCC의 동적증가계수 재료모델 ○ HPFRCC 구조부재 내충격 및 방폭성능 평가 기술 개발 - HPFRCC 구조부재 내충격 및 방폭 성능평가 가이드라인(안) (1건) · HPFRCC 구조부재 성능 및 평가요소 기반 최적 내충격 실험(안) · HPFRCC 구조부재 소규모 방폭실험 수행 · HPFRCC 구조부재 방폭 성능평가 가이드라인(안) ○ HPFRCC 방폭 구조설계 지침 개발 - HPFRCC 방폭 구조설계 지침 (1건) · 한국콘크리트학회 주관 설계 지침 규정화 - 방폭 등급 및 하중 기준 산정 프로그램 (1건) · 방호시설물 RISK 산정 프로그램 - HPFRCC 구조부재/구조시스템 폭발손상 해석 및 연쇄붕괴 해석 기법 · HPFRCC 방폭구조물의 변위 허용한계에 따른 휨·전단 거동 해석 및 설계 · 해석적 검증을 통한 구조물의 형상 및 재료특성에 따른 방폭 설계 · 목적 및 지형상의 위치에 따른 방폭구조물 분류 등, 포함 - HPFRCC 방폭구조물 설계 예제집 (1건) ○ HPFRCC를 이용한 프리캐스트 방호구조물 제작 기술 개발 - HPFRCC 프리캐스트 방호구조물 시작품 (1건) · 주 적용 대상은 군사 방호시설물 · 프리캐스트 단위 모듈 최대 중량 25 ㎏ 이내 · TNT 등가량 1kg, 이격거리 1m 방호 성능, 공용화기 관통 저항 성능 ○ HPFRCC 방폭구조물 폭발 실증실험 및 평가 - 폭발 실증실험용 HPFRCC Mock-Up 구조물 시작품 설계 및 제작 (3건) · 일반 철근콘크리트 구조로 구성된 비교용 구조물(1건) · HPFRCC 적용 신규 방폭 Mock-Up 구조물 (1건) · 기존 철근콘크리트 구조 + HPFRCC 방폭보강 Mock-Up 구조물 (1건) - Mock-Up 구조물 방폭 실증실험 · TNT 125 kg 폭발 규모, 국방과학연구소 다락대 종합시험장 활용 - HPFRCC 가스폭발 실증실험 추가 · 슬래브(벽체)구조부재 실험, 선박해양플랜트기술연구원 폭발 챔버 활용 · 산업시설물의 가스폭발에 대한 방폭구조 적용성 검증 ○ HPFRCC 방호·방폭구조물 T/B 적용 - HPFRCC 프리캐스트 방호구조물 건설 (1개소) · 적용 대상은 군사 방호시설인 경계초소(GP, GOP), 포상 등 · 기존 습식(Stick-Built) 공사조건이 열악한 오지 건설 중점 검토 · 적용 규모는 16 ㎡ 이내 - HPFRCC 방폭구조물 건설 (1개소) · 적용 대상은 민간 다중이용시설 또는 군사 방호시설 · HPFRCC 재료 적용의 신규 또는 기존 구조물 방폭 보강 시공 · 적용 규모는 100 ㎡ 이내 [연구내용 및 범위] ○ TASK 1 : 내화성능 개선 HPFRCC 개발 (HPFRCC 2 Type, 강도별 4 수준) - 내화성능 개선 강섬유/FRP슬러리충전 HPFRCC 재료구성 및 배합개발 - 개발 재료의 정역학 및 동적충격 특성시험 평가 - 내화성능 개선 강섬유/FRP슬러리충전 HPFRCC 내화성능 시험평가 - 내화성능 개선 강섬유/FRP슬러리충전 HPFRCC 시제품 개발 (2종) - 내화성능 개선 강섬유/FRP슬러리충전 제조 및 타설 매뉴얼 개발 ○ TASK 2 : HPFRCC 프리캐스트 방호구조물 개발 - HPFRCC 프리캐스트 방호구조물 개념 및 형상 설계 - HPFRCC 프리캐스트 모듈 및 모듈연결 상세설계 - HPFRCC 프리캐스트 모듈 몰드 설계 및 제작 - HPFRCC 프리캐스트 방호구조물 방폭성능 해석 및 방호？방폭성능 시험평가 - HPFRCC 프리캐스트 방호구조물 시작품 개발 ○ TASK 3 : HPFRCC 동적충격물성 성능평가 기술 개발 - HPFRCC 동적충격 압축 및 인장물성 시험규격(학회규격) - 내화성능 개선 강섬유/FRP슬러리충전 HPFRCC 동적충격물성 시험평가 - HPFRCC 동적충격 재료 파괴모델 및 동적증가계수모델 개발 - HPFRCC 동적충격시 전단시험 및 균열속도 계측 방안 검토 ○ TASK 4 : HPFRCC 구조부재 내충격 및 방폭성능 평가 기술 개발 - 하중재하 조건을 고려한 HPFRCC 구조부재 요소별 내충격 시험평가 - HPFRCC 적용 구조부재 요소별 소규모 폭발 시험평가 - 보강철근 변수를 고려한 내충격 및 방폭성능 시험평가 - 보강철근을 고려한 HPFRCC 구조부재의 내충격 및 방폭 성능평가 가이드라인(안) 작성 ○ TASK 5 : HPFRCC 방폭 구조 해석 및 연쇄붕괴 해석 기술 개발 - HPFRCC 종류별 특성을 고려한 구조부재거동 해석기술 개발 - HPFRCC 구조시스템의 보강방법에 따른 방폭 및 연쇄붕괴 해석기법 개발 - HPFRCC 구조부재 및 구조시스템의 손상평가 기준 제시 ○ TASK 6 : 방호등급 및 폭발하중 산정 프로세스 개발 - 폭발 위협 및 설계 하중 결정 체계 개발(위협 분석) - 자산 분석, 구조부재 피해기준과 통합하여 시설물 RISK 산정 체계 개발 ○ TASK 7 : HPFRCC 방폭 실증실험용 Mock-Up 구조물 설계 및 제작 - 가스챔버 방폭실험용 구조부재 제작 - 방폭 실증용 Mock-Up 제작 기본계획 및 개념 설계 - 방폭 실증용 Mock-Up 구조물 사전 폭발 해석 및 단면 설계 - 방폭 실증용 HPFRCC 축소 모형 구조물 제작 - 방폭 실증용 HPFRCC Mock-Up 상세 도면 작성 - 방폭 실증용 HPFRCC Mock-Up 구조물 제작 ※ 강섬유보강 HPFRCC, 기존 RC + FRP보강 HPFRCC, 일반 RC 구조물 (총 3종) ○ TASK 8 : HPFRCC 구조부재 및 구조물 방폭 실증실험 - 가스폭발챔버를 이용한 구조부재 방폭 실증실험 - Mock-Up 구조물 방폭 실증실험 기본 계획 수립 - 구조물 방폭 실험용 보조 장치(Zig) 설계 및 제작 - 방폭 실증용 HPFRCC Mock-UP 구조물 폭발 실험장 이동 및 설치 - 폭약(TNT) 구매, 방폭 실증실험 센서 및 계측 사양 설계 - Mock-Up 구조물 방폭 실증실험 ○ TASK 9 : HPFRCC 방폭 구조설계 지침 개발 - 지침(안) 구성 계획 절차 수립 및 내용구성 안 도출 - 지침(안) 작성 및 검토 위원회 구성 - HPFRCC 방폭 구조물의 설계절차 및 설계 일반사항 작성 - 연구단 개발 내용 설계 지침 수록 내용 작성 - HPFRCC 방폭 구조물의 설계 예제집 작성 - HPFRCC 방폭 구조설계 지침 개발 (검토위원회 및 공청회 수행) ○ TASK 10 : HPFRCC 방호·방폭구조물 Test Bed 적용 - HPFRCC 방호·방폭구조물 Test Bed 적용 계획 수립 - Test Bed 적용 대상 선정 및 방호 시나리오 분석 - 방호·방폭 해석 및 Test Bed 구조물 방폭 해석 및 방폭 설계 - HPFRCC 방호·방폭구조물 Test Bed 시공 계획 수립 - HPFRCC 방호·방폭구조물 Test Bed 시공 ※프리캐스트 방호구조물 1종, 습식 HPFRCC 방폭구조물 1종 계획 중 |
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