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과제기본정보

취성파괴 특성이 개선된 FRP를 활용한 합성/RC 기둥의 내진/내화성능 확보 기술 개발 및 성능검증을 위한 실험적 연구2년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 국토교통기술촉진연구사업 과제번호 19CTAP-C142864-02
국가과학표준분류 1순위 건설 교통 | 시설물 안전 유지관리 기술 | 구조물 보수 보강기술 적용분야 건설업
2순위 건설 교통 | 시설물 안전 유지관리 기술 | 자연재해 저감기술 실용화대상여부 비실용화
3순위 None | None | None 과제유형 기초
과제명 취성파괴 특성이 개선된 FRP를 활용한 합성/RC 기둥의 내진/내화성능 확보 기술 개발 및 성능검증을 위한 실험적 연구
주관연구기관 서울시립대학교산학협력단
총괄연구 책임자 성명 최성모
소속 서울시립대학교 직위 교수
기관 대표번호 02-6490-6114 FAX 02-6490-5141
총 연구기간 2018-04-17 ~ 2019-12-31
당해연도 연구기간 2019-01-01 ~ 2019-12-31

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금 계
현금 현물 소계
2차년도 210,000,000 7,000,000 63,000,000 70,000,000 280,000,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 ？ 지진과 화재 발생에 대한 신축 건축물의 합성기둥 보강과 피해를 입을 건축물의 RC(Reinforced Concrete)기둥 보수가 가능하고 유지·보수·시공 능력이 뛰어난 FRP(Fiber Reinforced Plastic) 소재를 활용한 성능 개선된 FRP 시스템을 개발하고 건축물의 저층부 필로티 기둥에서 보강/보수 장치로 활용함
？ 지진력에 저항할 수 있는 연성능력을 향상시킬 수 있도록 부착제(에폭시계열)를 활용하여 합성·RC 기둥에 성능 개선된 FRP를 설치함
？ 성능 개선된 FRP 시스템은 기존 내화 피복재와는 달리 내화 도료제의 부착강도, 피로강도 등의 내구성에 대한 분석을 통해 최적의 내화피복 두께에 대한 정량적 수치에 대한 산출이 가능함
？ 성능 개선된 FRP 시스템에서는 섬유소재에서 제공하는 연성능력 및 에너지 소산성(Dissipation)과 내화 도료제에서 제공하는 화재에 대한 저항성(Fire Resistance)를 동시에 활용하기 때문에 건축물 기둥의 변형 감소효과와 강도증진 그리고 내화성능 향상을 동시에 기대할 수 있음
최종목표 ▣ 최종 연구개발 목표
？ (1차년도)성능 개선된 FRP 소재를 활용하여 내진과 내화성능을 동시에 만족시킬 수 있는 새로운 시스템 장치를 개발하고 실험체 제작을 위한 상세 설계 완성하며 실험체를 제작하고 재료 및 구조 실험 일부 수행함
？ (2차년도)구조실험을 실시하여 실험결과의 분석을 통하여 물리적 성능을 검증하고 평가하며 실험 결과를 바탕으로 정밀한 유한요소 해석을 수행하여 설계 파라미터별 성능 개선된 FRP 시스템의 복원성, 에너지 소산 능력, 내화성과 같은 역학적 메커니즘을 분석 평가 업무를 수행함

▣ 최종 연구개발 성과
？ 지진 및 화재로부터 발생하는 구조물의 피해를 최대한 줄이고 손상으로부터 치유하는데 요구되는 유지·보수비용을 최소화하는 새로운 성능 개선된 FRP 시스템 장치에 대한 원천 기술을 개발하고 해석과 실험을 통한 구조적 성능 검증으로 세계적 수준의 관련 기술을 보유하는 성과를 창출함
연구내용 및 범위 ▣ 이론적 배경과 연구내용(핵심1)
？ 내진 보강재로서 가장 사용되는 것은 기존의 FRP 보강재는 높은 강성과 강도적 특성을 가지고 있으나, 연성능력의 부족으로 인해 최대강도 도달이후 취성적으로 파괴되는 특성으로 인해 제한적으로 적용됨
？ 기존 내진보강재와 내화페인트들에 대한 구조적/열적 특성을 분석하고, 성능 개선된 FRP 보강 시스템에 적합한 모델을 제안함
？ 제안된 모델의 특성을 실험과 해석을 통해 검증함
？ 본 연구에서는 FRP와 내화도료의 재료적 거동을 ABAQUS 프로그램을 사용하여 해석 방법으로 모사(Simulation)하고 재료 실험에서 얻어진 물성치를 사용하고자 기존에 개발된 알고리듬을 활용하여 UMAT 모델을 제작함

▣ 이론적 배경과 연구내용(핵심2)
？ FRP 소재의 기본적 특성인 고강성, 고강도 특성에 약점으로 지적된 취성적 파괴를 극복할 수 있는 연성적 특성을 만족시켜 내진보강 효과를 극대화 시킬 수 있는 최적의 요소 특성 분석이 가능함
？ 복원력 및 에너지 소산능력의 증가 시킬 수 있는 FRP를 통해 변형 발생을 최소화하면서 내진성능을 향상시키는 최적 성능 개선된 FRP 보강 시스템 장치의 설계가 가능함

▣ 이론적 배경과 연구내용(핵심3)
？ 성능 개선된 FRP 보강 시스템을 설계하고 단주기둥 실험체를 축하중과 횡하중 구조실험을 위해 각각 6개 정도 제작함
？ 각 실험체 모델별로 얻어진 하중-변위 곡선에서 항복강도 및 최대강도, 이력곡선의 면적을 나타내는 에너지 소산능력, 잔류변위, 복원성 등을 측정하여 댐퍼 모델의 물리적 성능을 관측하고 평가함

▣ 이론적 배경과 연구내용(핵심4)
？ 경계조건을 고려하여 Geometry를 간소화하고 Symmetric 경계조건을 사용하여 Half 모델을 제작하여 유한요소 해석을 수행함.
？ 각각의 모델별로 성능 개선된 FRP 보강 시스템 하중-변위 등의 거동을 측정하여 역학적 메커니즘을 확인한 후 보강 시스템 전체의 거동과 비교하여 최적의 설계 파라미터를 도출함

▣ 이론적 배경과 연구내용(핵심5)
？ 화염에 노출 된 경우 또는 부재 일부에 열화 현상이 발생이 된 경우든 보수 보강을 위해서는 필연적으로 내화 피복재를 제거해야함. 이때, 접합 부위 피복제거는 매우 난해하며, 부재까지 손상, 변형 우려가 큼(그림 11 참고)
？ 국내 인증받은 50여개의 내화페인트를 대상으로 내구성(부착강도, 피로강도)을 분석하여 내화피복 두께에 따른 정량적인 수치를 제시함.

▣ 이론적 배경과 연구내용(핵심6)
？ 내화성능이 확보된 성능 개선된 FRP 보강 시스템을 설계하고 단주 기둥 규모의 실험체 모델을 4개 제작함
？ 화재시험 전문기관인 KCL의 내화가열로를 이용하여 표준온도 상승곡선에 따른 성능 개선된 FRP 보강 시스템의 내화성능 측정함

▣ 이론적 배경과 연구내용(핵심7)
？ 성능 개선된 FRP 보강 시스템의 내화성능 분석을 위한 열해석 모델링을 제작함
？ 다양한 파라미터에 대한 열해석을 통해 성능 개선된 FRP 보강 시스템 최적의 설계파라미터를 도출함
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
2차년도 핵심1: 활용될 성능 개선된 FRP 소재의 물성치 특성확인 및 거동 재현을 위한 해석적 재료 모델 완성
핵심2: 성능 개선된 FRP 소재와 융합된 내진성능 확보 기술 개발 및 상세 설계 완성
핵심3: 실험을 위한 실험체 제작 및 구조 실험을 통한 지진피해 저감효과와 물리적 성능 검증
핵심5: 성능 개선된 FRP 소재에 적합한 내화성능 확보 기술 개발 및 상세 설계 완성 		？ 성능 개선된 FRP의 구성과 재료적 특성에 대한 자료를 수집하고 조사
？ 해석적 방법으로 성능 개선된 FRP의 거동을 재현하기 위하여 User-defined Material (UMAT) 모델을 사용
？ 해석으로 얻어진 결과를 재료 실험 결과와 비교하여 정확성을 검증
？ 성능 개선된 FRP 보강 시스템에 대한 원리와 개념을 정립하기 위하여 관련된 실험 논문들을 분석
？ 선행연구에서 정립된 FRP 시스템에 대한 원리와 개념을 토대로 신소재와 융합된 보강시스템을 개발
？ 개발된 성능 개선된 FRP 시스템의 작동 원리를 이해하고 건축물 기둥의 거동에서 복원성과 에너지 소산성능을 평가
？ 요소기술을 포함하여 개발된 성능 개선된 FRP 시스템의 상세 설계를 완성
연구성과 기술적 기대성과 ？ 지진, 태풍 등 자연재해와 인류 생활에 의한 발생하는 화재에 대한 피해 저감 기술을 개발함
？ 성능 개선된 FRP를 복합소재 구조체로 제작하여 내진보강재로 적용하였을 때 합성구조의 보강에서 활용가능하며, 연성 확보 측면에서 충분히 응용기술로 확장 가능함
？ 건설 분야의 니즈를 만족하는 지속가능한 방재기술을 개발함
？ 첨단소재를 활용한 건설기술의 융복합화를 달성함
？ 지진/화재에 대한 비선형적인 거동 예측을 위한 시뮬레이션을 개발함
？ 선진국 대비 기술수준이 상대적으로 낙후된 성능 개선된 FRP 보강 시스템에 대한 국내 기술력을 향상시킴
사회 경제적 파급효과 ？ 급속히 확장된 필로티 구조의 건축물 보수보강을 통하여 생명·재산 피해를 최소화하는데 기여함
？ 국내 개발 초기 단계인 성능 개선된 FRP 보강기술의 현장 적용 가능성 여부를 판단하는 시도적인 연구를 수행함
？ 첨단 신소재인 성능 개선된 FRP의 제작 및 보급에 기여함
？ 지진/화재로 발생되는 구조물의 피해 최소화와 개보수 비용을 절감함
？ 구조물을 유지 및 관리에 소요되는 비용을 절감하고 재생에 들어가는 건자재 소비를 절감하여 탄소발생 저감 및 녹색화를 달성하는데 기여함
？ 건설 내진 보수·보강 등의 방재산업에 주로 종사하는 중소기업으로의 기술 이전 및 신제품 아이디어 제공
？ 제안된 시스템의 특허 등록 및 신기술 신청이 가능
활용방안 ？국내 건설·토목 산업분야에서 기존 소재 대체가 가능한 스마트 FRP 소재를 활용
？토목·건축 R&D 분야에 신소재 활용 등 다양한 융·복합 연구 지원
？첨단 스마트 소재 제작 및 활용 시스템 기술의 민간기업 이전 가능
？내진/내화성능을 동시에 만족시킬 수 있는 시스템 제작
？건축물 기둥 보강을 통해 변위제어 시스템에 에너지 소산을 위한 핵심소재로 활용
？화재에 대한 피해 저감을 위한 내화성능 확보 장치에 활용
？화재 발생 후 손쉽게 보수가 이루어져 시공성과 경제성을 확보할 수 있는 보수보강 시스템에 활용
？건축물 하부 기둥에 발생하는 변위를 제어하는 섬유보강 공법에 활용
？지진 등의 횡방향 하중으로 발생하는 모멘트에 의해 극한 변위가 발생하기 쉬운 기둥과 보 부위를 연결하는 접합 시스템에 활용(내진성능 향상 스마트 접합 시스템)
？제작된 시스템에 반복하중/화재하중을 가하여 사용성과 내구성 검증
？기둥 구조물의 내력 증대를 위한 효율성
？에너지 소산 및 강도 향상 효과, 화재 저항성 검증
？사용자 정의 알고리듬을 사용하여 스마트 재료의 거동을 수치해석의 방법으로 재현하는데 활용
？시스템을 장착한 프레임 구조물의 설계와 지진/화재 발생 시 거동을 예측 하는데 활용(시스템이 구조물에 미치는 영향력을 손쉽게 파악함)
？합성 단면에 재료적 비선형 거동의 구현을 요구하는 정밀한 동적 프레임 해석에 활용
？역학적/열적 메커니즘이 복잡한 부위에 FEM해석을 통한 정확한 거동 재현하고 해석 결과를 분석하여 최적의 설계 파라미터를 도출하는데 활용
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 신소재 에프알피 내화도료재 내진/내화성능 피해복구
영문 New material FRP Fireproof paint Earthquake/Fire resistance performance Damage restoration
최종보고서
최종보고서 파일 다운로드 제공
최종보고서 01. 최종보고서_200326.pdf   다운로드

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