R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 202020CTAP-C151899-02 | |||||
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| 연구사업명 | 국토교통기술촉진연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 극한지 콘크리트 구조물 급속시공용 회복응력 400MPa급 한국형 철계-형상기억 신합금 및 이를 이용한 인장재 개발 | |||||
| 총 연구기간 | 2019-04-15 ~ 2020-12-31 | |||||
| 연구책임자 | 홍기남 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
5명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
10명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 206,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 206,000,000 원 |
총연구비 | 정부 : 370,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 370,000,000 원 |
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| 연구기관명 | 충북대학교산학협력단 | |||||
| 등록 발간번호 | 11-B552989-000360-01 | |||||
| ISBN | - | |||||
| 주요 내용 |
？ 인구증가 및 도시 밀집화로 인해 국토와 자원이 수용 가능한 수준을 넘어섬에 따라 새로운 공간에 대한 필요성이 대두되고 있음 ？ 지하 공간, 동토지역, 달, 화성 등과 같은 극한지역으로의 진출 및 개발을 위한 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되고 있음 ？ 전 세계적으로 남극대륙 기득권 확보 및 북극 천연자원 개발을 위한 극한지 진출을 서두르고 있음 ？ 새로운 환경에 생활공간 형성 및 연구활동을 위해 인프라 시설물 및 부속 시설물이 필수적으로 수반되어야 함 ？ 극한지 환경에서 구조물 건설은 짧은 시공가능기간(남극 기준 연간 2개월), 원자재 수급, 영하 50~70℃의 극저온 환경 등과 같은 많은 문제를 수반함 ？ 극한지 환경에서 구조물 건설은 자재 수급 및 운송, 현지 시공성 등을 고려하여 새로운 시공방법 및 건설재료 개발이 선행되어야 함 ？ 짧은 시공기간에 구조물을 건설하기 위한 방법으로 현장타설을 최소화할 수 있는 프리캐스트 형식이 필요함 ？ 프리캐스트 형식으로 구조물을 건설하기 위해 높은 부재강도 확보 및 효율적인 운반을 위한 부재 경량화가 필요함 ？ 일반적으로 구조부재를 경량화하기 위한 방법으로 프리스트레스 콘크리트(PSC)를 사용하고 있으나 PSC는 다음과 같은 문제가 있음 ■ 응력을 받는 강재가 일반 강재에 비해 부식이 빠르게 진행되는 응력부식 현상 ■ 프리스트레스 긴장재로 사용되는 강재는 저온에서 취성적 파괴를 나타냄 ■ 크리프, 릴랙세이션 등의 원인으로 인한 긴장력 저하시 재긴장 불가 ■ 잭킹장치 사용으로 인한 복잡한 시공성 및 긴 시공기간 ■ 긴장과정에서 정착장치 탈락으로 인한 시공자의 위험성 ？ 최근 위와 같은 PSC의 문제를 해결하기 위해 형상기억합금의 회복응력을 이용하여 구조물에 프리스트레스 효과 부여를 위한 연구가 진행됨 ？ 형상기억합금을 이용하여 구조물에 프리스트레스 효과를 부여하면 구조부재의 강도를 증가시킬 수 있을 뿐 아니라 구조부재의 경량화, 재긴장 효과 등을 통해 효과적인 프리캐스트 부재 제작이 가능하여 극한지 구조물 급속시공에 효과적일 것으로 판단됨 ？ 하지만 기존 연구된 형상기억합금은 Ni-Ti계 형상기억합금이며, 높은 원재료 가격에 의한 경제성 문제로 인해 실제 건축구조물로 적용은 어려운 실정임 ？ 최근 스위스, 일본을 중심으로 개발된 철계-형상기억합금(Fe-SMA)은 철계를 중심으로 한 형상기억합금으로 Ni-Ti 형상기억합금에 비해 경제성이 확보되었으며, 이를 건설재료로써 활용하기 위한 연구가 진행됨 ？ 일본에서 개발된 Fe-SMA는 초탄성 효과를 극대화하였으며, 이를 이용하여 일본 나고야 JP 타워의 댐퍼로 실 적용을 실시함 ？ 하지만 Fe-SMA의 국내 생산기술은 전무한 실정이기 때문에 향후 Fe-SMA를 건설재료로써 사용하기 위해 전량 수입에 의존해야함. 이로 인해 외화유출을 통한 국익 손상 뿐 아니라 건설재료로써 Fe-SMA를 실용화시 경제성이 문제가 됨 ？ 일반환경 및 극한지 환경의 건설재료로써 Fe-SMA를 사용하기 위해 Fe-SMA의 국내생산기술 확보가 시급한 상황임 ？ 따라서 본 연구는 한국형 철계-형상기억 신합금을 개발 및 개발된 한국형 철계-형상기억 신합금을 극한지 환경 및 일반환경의 토목구조물에 적용하기 위한 인장재 개발 2가지를 목표로 함 [최종목표] 최종목표 ？ 극한지 콘크리트 구조물 급속시공용 한국형 철계-형상기억합금 및 이를 이용한 인장재 개발 세부목표 ● 인장재로 사용하기 위한 한국형 철계-형상기억 신합금 개발 ● 한국형 철계 형상기억 신합금의 부식저항 신뢰성 확보 ● 한국형 철계-형상기억 신합금의 철근 및 강연선 대체 가능성 검토 ● 전기가열, 유도가열에 의한 철계-형상기억합금의 회복응력 발생 메커니즘 규명 ● 극한지 환경에서 철계-형상기억합금의 사용성 확보 [연구내용 및 범위] ？ 한국형 철계-형상기억 신합금을 콘크리트 구조물 인장재로 사용하기 위한 신합금 기초물성 확보 ● 한국형 철계-형상기억 신합금을 콘크리트 구조물의 인장재로 사용하기 위한 기초물성 확보가 필요함 ● 이에 본 연구에서는 인장실험을 통해 한국형 철계-형상기억 신합금의 항복강도, 극한강도, 극한 변형률, 탄성계수를 도출하여 기초물성 확보 ● 또한 한국형 철계-형상기억합금의 사전변형에 따른 잔류변형 및 회복온도에 따른 회복응력 평가를 통한 형상기억 특성 확보 ？ 전기가열, 유도가열에 의한 한국형 철계-형상기억 신합금의 회복응력 발생 메커니즘 규명 ● 한국형 철계-형상기억 신합금의 회복응력을 이용하여 구조물에 프리스트레스 효과를 부여하기 위해서는 신합금의 회복응력 발생 메커니즘 규명이 필요함 ● 전기가열 및 유도가열을 통해 활성화시킨 콘크리트-한국형 철계-형상기억 신합금 복합체의 활성화 모델 제안 ● 한국형 철계-형상기억 신합금 활성화 중 발생된 변형에 의한 신합금 회복응력 발생 메커니즘 규명 ？ 한국형 철계-형상기억 신합금의 피로특성 및 평가 ● 한국형 철계-형상기억 신합금을 철근 및 강연선으로 대체하기 위해 신합금의 피로거동 및 릴랙세이션 분석이 필요함 ● 개발될 한국형 철계-형상기억 신합금은 초탄성 효과가 있어 강재에 비하여 우수한 피로특성이 예상됨 ● 이에 본 연구에서는 한국형 철계-형상기억 신합금의 피로 실험을 통한 신합금의 피로한계 수명 및 피로 특성 파악을 통한 사용성 검증을 목표로 함 ？ 한국형 철계-형상기억 신합금 조성 최적설계 ● 기존 스위스·일본 등이 가지고 있는 철계-형상기억 신합금 특허 분쟁 회피를 위한 신합금 개발 ● 합금첨가원소 효과 고찰 및 열처리 조건 선정 ● 토목구조물 적용을 위한 Batch급 한국형 철계-형상기억 신합금 제조공정 설계 ？ 1차 제작 한국형 철계-형상기억 신합금 선행 시제품 물성분석 ● Lab Scale 및 Batch급으로 제작된 한국형 철계-형상기억 신합금의 열처리 조건에 따른 기계적 특성 분석 ？ 한국형 철계-형상기억 신합금의 부식저항성 평가 ● 양극지방, 북유럽 해안지대는 바다와 인접하여 충분한 강재 부식 저항성의 확보가 필요할 뿐 아니라, 구조물에 한국형 철계-형상기억 신합금 인장재의 프리스트레스 효과를 적용하기 위해서는 응력부식 저항성 분석이 선행되어야 함 ● 합금 종류, 열처리 및 잔류 응력에 따른 부식저항성 분석 ● 전기화학적 분석법을 이용한 다양한 환경, 염소이온 농도에 따른 부식거동 분석 ？ 한국형 철계-형상기억 신합금의 산화피막 분석 ● XPS 등을 활용하여 소재 종류에 따라 표면 부동태 피막의 안정성 분석 및 소재 최적화 |
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| 색인어 | 한글 | 철계-형상기억합금 | 극한지 환경 | 프리스트레스 공법 | 전기저항 가열 | 인장재 |
| 영문 | Fe based Shape Memory Alloy | Cryogenic Enviroment | Pre-stressing method | Electric Heating | Tensile Reinforcement | |
| 최종보고서 | 극한지 콘크리트 구조물 급속시공용 회복응력 400MPa급 한국형 철계-형상기억 신합금 및 이를 이용한 인장재 개발 최종보고서.pdf | |||||