R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 201616CTAP-C098048-02 | |||||
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| 연구사업명 | 국토교통기술촉진연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 방폭 두께 100mm 콘크리트를 대체하는 두께 20mm급 PROTECT(Poly Resilience-Oriented hybrid TEChnology plaTe) 방폭패널 | |||||
| 총 연구기간 | 2015-06-24 ~ 2017-06-23 | |||||
| 연구책임자 | 주영규 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
5명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
12명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 200,000,000 원 기업 : 250,000,000 원 계 : 450,000,000 원 |
총연구비 | 정부 : 400,000,000 원 기업 : 500,000,000 원 계 : 900,000,000 원 |
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| 연구기관명 | 고려대학교산학협력단 | |||||
| 등록 발간번호 | . | |||||
| ISBN | . | |||||
| 주요 내용 |
■ PROTECT 방폭 패널이란? PROTECT: Poly Resilience-Oriented hybrid TEChnology plaTe PROTECT 방폭 패널은 무늬강판 사이에 특수 나노소재를 충진한 샌드위치 형태의 합성 패널로서, 가스 및 화재에 의한 폭발 사고 발생 시, 구조적 안전성을 확보하고 건물의 붕괴 위험을 미연에 차단할 수 있는, 경제적이며 실용적인 보강용 방폭 패널 이다. 무늬강판의 요철은 충진 소재와의 충분한 부착력을 확보하는데 유리하며, 특수 나노소재는 뛰어난 충격 흡수 능력을 가지고 있으므로, 높은 성능의 에너지 완충효과를 가지는 방폭재를 형성할 수 있다. ■ PROTECT 방폭 패널의 구성 요소 - 무늬강판의 요철은 충진 소재와의 충분한 부착력 확보하는데 유리하며, 특수 나노소재는 뛰어난 충격 흡수 능력을 가지고 있으므로, 높은 성능의 에너지 완충효과를 가지는 방폭재를 형성할 수 있음 - 무늬강판 (Checkered Plate): 표면의 요철 형상을 통해 특수 나노소재와의 접촉면적을 크게 하여 두 재료 사이의 부착강도를 증진시킴. 또한 강판이 보유한 뛰어난 연성(Ductility) 및 인성(Toughness) 특성을 활용하여 폭발 시 발생되는 에너지를 흡수하도록 함 - 특수 나노소재: 특수 나노소재는 고분자계열의 합성수지로서, 고온에서도 연소되지 않으며 비산물이 관통할 수 없는 탄성중합체의 일종 ■ PROTECT 방폭 패널의 특징 ① 무늬강판(Checkered Plate)을 이용한 일체성 확보 - 무늬강판(Checkered Plate)의 요철은 특수 나노소재와의 접촉면적을 증가시켜 일반 샌드위치 패널에 비해 두 재료 간의 높은 부착력을 갖게 함 - 높은 부착력은 외력 작용시 패널의 일체거동을 유도하여 강판의 국부좌굴을 방지하고, 국부좌굴에 대한 저항성 증가는 설계시 강판의 소요두께를 감소시킴 (강재물량의 감소) ② 경량성 - 두 강판사이에 경량의 소재를 주입함으로써, 기존 철근콘크리트 보강 대비 60∼70%의 자중 감소 (비중: 강재-7.85, 콘크리트-2.5, 특수 나노소재-1.15 예상) ③ 뛰어난 방폭성능·내화성능 - 강판의 연성/인성 + 특수 나노소재의 폭발파 완충 효과 ▶ 뛰어난 에너지 흡수력을 통해 폭발파 완충 효과를 기대할 수 있음 - 폭발 등에 의한 화재 발생 시 방폭 패널의 내화 성능이 요구됨 - 유사 고분자 소재를 사용한 패널(두께 55mm)의 내화 실험 사례를 통해 가열부의 온도는 600℃까지 상승하였으나 후면부의 온도는 50℃까지 상승 ▶ 고온으로부터 구조체 손상 방지 ④ 시공성 - 습식공법이 아닌 건식공법으로서, 부착이 가능하기 때문에 설치하기가 용이하고 공기를 단축할 수 있음 ⑤ 친환경성 - 특수 나노소재는 새로운 방폭 패널을 생산하는데 재사용할 수 있으며, 강판은 재활용함. 이를 통해 이산화탄소 발생 및 건설폐기물을 감소시킬 수 있는 친환경적인 보강재임 [최종목표] ■ PROTECT 방폭 패널의 시작품 개발 - PROTECT 방폭 패널의 요구 성능을 만족하는 특수 나노소재 개발 미국방부(D.O.D)에서 제정한 UFC-4-023-02 (Structures to Resist the Effects of Accidental Explosions) 를 기준으로 하여 그것을 만족하는 방폭재료의 성능을 연구하고, 그에 상응하는 특수나노 소재의 물성치를 해석 및 재료 실험을 통하여 확보하는 것을 목표로 함 - 개발된 특수 나노소재를 적용하여 PROTECT 방폭 패널의 시작품 개발 유한요소해석 및 내충격 실험을 통하여, 요구되는 성능을 만족하는 PROTECT 방폭 패널의 시작품 제작을 목표로 함 - 기존구조물에 PROTECT 방폭 패널을 보강하는 방법 및 기준 제시 개발된 PROTECT 방폭 패널을 기존구조물에 적용하는 방법과 건물의 안전진단 결과에 따라 보강하는 기준 제시를 목표로 함 [연구내용 및 범위] ■ 기존 방폭 구조물에 대한 설계 기준 및 사례 조사 국내·외 설계 기준 조사 및 방폭 보강 사례 조사 ( 산업안전기준법(1997), UFC 3-340-02(2014)에 대한 연구) 섬유보강 콘크리트 등 국내·외 방폭 보강 기법 및 그 효과에 대한 조사 폭발하중 및 응답에 대한 특성 조사 Intelligent Engineering Ltd. 의 SPS 사례 연구 ■ 특수 나노소재의 소요 물성치 도출 폭발하중에 대한 패널의 유한요소해석을 수행하여, 소정의 방폭 성능을 갖기 위한 특수 나노소재의 기계적 물성치 도출 (예) 소재의 부착성능, 탄성계수, 밀도, 푸아송비등의 물성치가 방폭패널의 에너지 흡수성능에 미치는 영향을 검토) ■ 특수 나노소재 개발 기존에 사용되고 있는 여러 소재들을 조사하고, 방폭용으로 사용되기에 적합한 소재를 선정, 미국방부(D.O.D)에서 제정한 UFC-4-023-02(Structures to Resist the Effects of Accidental Explosions)을 기준으로 하여 그것을 만족하는 방폭 재료의 성능을 연구하고, 그에 상응하는 특수나노 소재를 개발하여 PROTECT 방폭 패널 제작 ■ 시작품 형상 최적화 ‘UFC-4-023-02’을 기준으로 하여 성능을 만족하는 방폭 패널의 세부 형상 제안 (강판두께, 강판 재질, 필요한 경우 전단보강재 배치) 유한요소 해석을 Try & Error 방식으로 수행하며 방폭 패널의 최적화 된 형상을 도출 (강판과 특수나노소재의 두께의 적절한 비율, 강판 무늬의 적절한 스케일, 전단보강철물의 형상 및 배치 등을 변수로 설정) (기존기술 수준) 폭발 하중 10psi for 20㎲에 견디도록 설계 (산업 안전기준법) (개발기술 수준) ① μ(max)=20, θ(max)=12＇의 기준을 만족하도록 설계 ( 2014, UFC 3-340-02) ( 최대과압력만을 고려한 폭발 하중을 적용하여 유한요소해석 수행) ② ASTM D5265-09에서 규정하는 충격량 ( 16.3J )에 의하여 파괴되지 않음 ■ 시작품 제작 및 내충격 실험 도출된 최적화 형상을 바탕으로 시작품을 제작하고, 내충격 실험을 통하여 그 성능을 검증, 내충격 실험은 ASTM D5265-09에서 규정하는 충격량(16.3J)에 의하여 파괴되지 않아야 함 · 형상체 제원 - 형상 : 강판을 절곡한 V형 앵긍 - 중량 : 22.68kg±0.2kg · 실험방법 : 충격속도가 1.2m/s가 되도록 충격체를 실험체 중앙에 낙하시킴 ■ 보강 적용 기준 제시 내충격 실험 및 유한요소해석을 통해 얻어진 연구내용을 기반으로 실제 구조물에 방폭 패널을 적용하는 방법과 구조물 건강 진단 결과에 따라 보강하는 기준을 제시 |
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| 색인어 | 한글 | 방폭 | 무늬강판 | 나노소재 | 유한요소해석 | 내충격실험 |
| 영문 | Explosion Resistance | Checkered Plate | Nano-Material | Finite Element Analysis | Impact Resistance Test | |
| 최종보고서 | 최종보고서(PROTECT 방폭 패널 개발).pdf | |||||