| 연구개발개요 |
○ 인프라 구조물은 사회적 생산 기반. 또는, 경제 활동의 기반을 형성하는 기초적인 시설. 댐·도로·항만·발전소·통신 시설 등의 산업 기반 및 학교·병원·공원 등의 사회 복지·환경 시설이 이에 해당함. 따라서 교통 및 에너지 인프라 시장 확대와 더불어 주요 수용처는 극한지 및 극서지와 같은 극한적인 조건을 가지는 지역이 될 가능성이 큰 상태임.○ 비교적 에너지·자원 확보가 용이했던 육상의 화석연료가 고갈됨에 따라 대체 확보를 위한 장소가 그동안 관심을 두지 않았던 극한지로 이동하고 있음. 실제로 전 세계 미발견 석유·가스 탐사 자원량의 약 22%가 영구 동토를 포함한 극한지에 매장되어 있으며 고유가 및 탐사·시추기술 발달과 맞물려 상업적 개발이 활발히 추진 중에 있음. 대표적 극한지인 캐나다는 공공인프라 시장이 유망하며, 주로 운송 및 그린 관련 인프라 사업에 투자가 집중될 전망임. 또한, 운송 인프라 구조의 확대를 토대로 건설 투자가 가장 활성화될 것으로 예측되며 전체 인프라 성장을 주도할 것으로 보임.○ 극서지에 주로 분포하는 연약지반의 경우 건설 분야에서 EPA와 REACH의 시행으로 환경 규제와 주거 부문의 인프라 지출 증가가 시장의 성장을 촉진하고 있음. 또한, 환경문제가 고조되면서 친환경 건축물 및 자재에 대한 소비자 인식이 변하였고 이에 따라 관련 산업의 성장에도 긍정적인 영향을 미치고 있음.○ 대표적인 극서지인 아프리카에서는 2018년 3월 21일, 아프리카연합 55개 회원국 중 44개국이 아프리카 대륙 자유무역지대 발족을 선언하면서 각 국가별로 다양한 인프라 구조물 건설 공사가 시공 및 계획에 있음. ○ 인프라 구조물 특성상 시공 상태는 대규모 토목 구조물 건설로 이루어지며, 이에 따라 구조물 지지력 확보를 위한 기초 말뚝 시공이 필수적임. 하지만 극한지 및 극서지의 환경적 요인으로 인해 지반 변형이 발생 할 수 있으며, 이는 기초의 지지력 확보 문제뿐 아니라 상부 구조물의 안정성에 영향을 줄 수 있음.○ 극한지는 최소 2년 이상 장기간에 걸쳐 토양 온도가 물의 어는점인 0°C 이하로 유지되어 얼어붙은 영구 동토와 동결, 융해가 반복되는 계절적 동토로 구분됨.○ 극서지는 지구상에서 가장 더운 지역을 의미하며, 중동 지역의 경우 광범위하게 연약지층인 Sabkha 지반으로 느슨한 밀도, 높은 염분도 및 함수비, 점토질의 낮은 투수계수로 인해 지반 변형의 위험이 존재함. 남미 및 동남아시아와 같은 열대우림 지역은 주로 점토층으로 구성되어 있고, 높은 강우량에 따른 지반 내 함수비 포화상태로 지반 침하가 자주 발생함.○ 극한지와 극서지는 기후적, 환경적, 지리적 요건에 따라 지반이 상승하는 융기와 지반이 하강하는 침하 문제가 발생할 가능성이 큼. 이는 지반 내 안정성을 저해하고 구조물의 안정성을 위해 시공되는 말뚝 기초의 지지력을 감소시킬 수 있음.○ 지반 융기 및 침하를 방지하기 위한 기술은 현재 지반 자체를 보강, 개량하는 공법과 말뚝 자체를 개선한 케이싱 장비를 이용한 진동쇄석말뚝공법, Geopier 공법, SL 말뚝 공법 등이 적용되고 있음. 하지만 지반 개량 공법의 경우 지반 전체를 개선하기는 어렵고, 특수 말뚝의 경우 필수적인 시공 장비가 필요하고, 대형화된다는 점에서 과도한 공사비 및 공사시간이 우려됨.○ 본 연구과제에서는 말뚝의 일부분을 주재료인 스테인리스강과 강도 및 항복응력은 비슷하지만 보다 탄성도가 높은 재료로 구성함으로써 지반 변형 시 작용하는 마찰력에 적합하게 대응이 가능한 말뚝 기초를 개발하고자 함.○ 지반의 침하가 발생할 경우, 말뚝 주면에 위치한 흙들이 말뚝 자체를 끌어내림에 따라 말뚝 주면에는 하향력이 발생하게 되고 이는 전체적인 지지력 감소로 이어짐. 하지만 본 연구개발과제의 말뚝 기초는 이에 대응하여 아래로 작용하는 하향력(압축력)이 말뚝 주면에 작용 할 경우, 말뚝 내부에 삽입된 보강재는 자체적으로 늘어나는 인장력을 받게 되고, 말뚝 자체의 침하(하항력)를 억제함.○ 지반의 융기가 발생할 경우, 말뚝 주면에 위치한 흙들이 말뚝 자체를 밀어올림에 따라 말뚝 주면에는 상향력이 발생하지만 이러한 상향력은 말뚝 지지력을 증가시키는 것이 아닌 말뚝 자체의 인장력을 증가시켜 구조체의 파괴를 유발함. 또한, 해당 상향력은 선단 지지력의 감소를 초래함. 하지만 본 연구개발과제의 말뚝 기초는 이에 대응하여 위로 작용하는 상향력(인장력)이 말뚝 주면에 작용 할 경우 말뚝 내부에 삽입된 보강재가 자체적으로 줄어들어 압축을 받게 되고, 말뚝 자체의 융기(상향력)를 억제함.
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| 연구내용 및 범위 |
○ 극한지 및 극서지 지반 변형도 문헌 조사 - 토조 제작 및 실험 수행을 위한 기초자료로써 지역 및 조건에 따른 융기 및 침하 정도 조사 - 환경 및 지역 조건과 지반 변형 변위와의 연관성 파악 - 토조 수치 선정을 위한 지반 융기 및 침하와 지반부피 및 높이, 밑면적과의 연관성 조사 - 조사항목 : 극한, 극서 유무 / 지역 (국가 및 지역명) / 변형상태 / 변형 정도 / 지층 구조 및 지질 상태 - 문헌 조사를 통한 지도별 위치 표기 및 시추 주상도(지질 구조) 파악○ 말뚝 기초 보강 물질 선정 - 말뚝 기초 보강 물질의 요구 성능 - 최적 말뚝 기초 보강 물질 선정 방안 고안○ 보강 물질과 말뚝 기초의 결합 방법 고안 - 보강 물질은 말뚝 기초와 비슷한 강도를 가지지만 재료 구조상 이질적인 구조를 가지며, 두 재료 간의 결합 방법에 대한 개발 필요 - 지반의 동결·융해, 함수비 및 온도 변화 등에 따라 결합력이 저하되지 않는 결합 방법 - 용접, 몰딩, 볼팅 등 다양한 결합 방법 적용 후 말뚝 지지력 또는 강도 평가 시험 수행 - 결합 방법에 따른 강도 평가 시험에 따른 최적 결합 방법 결정 - 보강 물질의 면적에 따른 최적 결합 방법 결정 - 말뚝 기초에 작용되는 인장·압축력에도 결합 성능이 유지되는 결합 방법 결정○ 수치해석을 통한 보강 물질의 최적 삽입 위치 선정 및 보강 말뚝의 실현 가능성 파악 - 모래 또는 점토질 지반과 같이 지반 조건에 따른 보강 물질의 최적 삽입 위치 결정 - 지반 융기 또는 침하와 같이 지반 거동 조건에 따른 보강 물질의 최적 삽입 위치 결정 - 해석은 FEM 프로그램인 ABAQUS/CAE로 3D(3-dimensions) 모델링을 통해 수행하고, 다양한 위치에서 말뚝 거동 분석 - 해석 결과는 데이터화하여 보관하고 해석 데이터의 신뢰성을 입증할 수 있도록 실내실험 결과와 비교 예정○ 수치해석 데이터를 토대로 모형 말뚝 제작 및 성능 시험 수행 - 수치해석 결과에 따른 실제 모형 말뚝 제작 - 제작된 말뚝의 성능 시험 수행 : 공인인증 시험에 따른 제작 말뚝의 특성 분석 및 결과의 신뢰성 확보○ 실내모형실험을 위한 토조 제작 - 실내모형실험/분석 과정 시뮬레이션 수행을 통한 최적 모사가 가능 토조 구상 - 극한지 및 극서지의 융기 및 침하 모사가 가능한 토조 제작 - 모형실험 시 말뚝의 거동 및 지반의 변형을 측정할 수 있는 토조 제작 - 토조 제작 후 토조 완성도 검토를 위한 일반 강관 말뚝 대상 예비실험 수행 - 2D / 3D-chamber 제작 ○ 적용성 및 실효성 검증을 위한 실내모형실험 수행 - 모래 또는 점토질 지반과 같이 지반 조건에 따라 연구개발성과인 지반의 변형이 예측되는 극한 · 극서 지역에서의 안정성 확보를 위한 환경 대응형 말뚝 기초의 적용성 평가 - 지반 융기 또는 침하와 같이 지반 거동 조건에 따라 연구개발성과인 지반의 변형이 예측되는 극한 · 극서 지역에서의 안정성 확보를 위한 환경 대응형 말뚝 기초의 적용성 평가 - 실험 결과는 기존 해석 데이터와 비교하여, 해석의 신뢰성을 입증 - 최종적으로 개발 말뚝의 실제 지반에서의 적용 가능성 평가 수행○ 정보 수집 방안 - 관련 해외 학회 참가를 통한 피드백 및 해외 동향 참조 (2020년 관련 해외 학회) 1) 2020 4th International Conference on Structural and Civil Engineering 2) 6th International Conference on Structural Civil and Architectural Engineering 3) 3rd International Conference on Civil, Architectural and Environmental Engineering - 관련 학회 논문 동향 주시 (Materials, ASCE, International Geosynthetics Society, Canadian geotechnical engineering 등)○ 전문가 확보 방안 - 극지연구소 등 국내 연구소의 전문가 자문을 통한 연구 신뢰성 확보 - 극지 및 연약지반 시공 경험이 풍부한 시공, 설계 업체의 전문가 자문을 통한 연구 신뢰성 확보 - 지반 변형에 대응한 재료 도출을 위한 재료공학 전문가 섭외 및 자문을 통한 연구 신뢰성 확보
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