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과제기본정보

프리캐스트 복합소재 곡면패널 개발 및 수로터널 활용기술 개발1년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 건설기술연구사업 과제번호 09CCTI-C053493-01
국가과학표준분류 1순위 건설 교통 | 건설시공 재료 | 달리 분류되지 않는 건설시공 재료 적용분야 기타 산업
2순위 None | None | None 실용화대상여부 실용화
3순위 None | None | None 과제유형 응용
과제명 프리캐스트 복합소재 곡면패널 개발 및 수로터널 활용기술 개발
주관연구기관 (주)이소
총괄연구 책임자 성명 김승한
소속 주식회사 씨엠산업 직위 대표이사
전화번호 031-691-5357 FAX 031-691-5357
총 연구기간 2009-10-26 ~ 2012-10-25
당해연도 연구기간 2009-10-26 ~ 2010-06-25

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금 계
현금 현물 소계
1차년도 110,000,000 10,000,000 26,850,000 36,850,000 146,850,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 ○전통적인 건설재료인 강재와 콘크리트는 그동안 구조물 건설에 가장 일반적이고 보편적으로 활용되었으나 최근 구조물의 대형화, 장대화 추세와 함께 이들 전통적인 재료가 갖고 있는 부식 및 고중량의 문제를 보완할 수 있는 대체 건설재료에 대한 요구가 증가하고 있음.
○섬유강화 복합재료(Fiber Reinforced Polymer; 이하 FRP)는 고분자 수지를 기지(matrix)로 사용하고 이것에 유리섬유(Glass fiber) 등을 섬유형태로 보강하여 제작된 복합재료로서 부식에 대한 뛰어난 저항력과 자중에 비해 높은 강도를 갖는다는 장점으로 인해 기존의 건설재료인 강재와 콘크리트를 대체할 재료로 최근 각광받고 있음.
○항공우주분야의 첨단소재로 개발된 FRP는 1980년대 이후 건설분야의 보수/보강 시장을 중심으로 도입되기 시작했으며, 최근에는 철근 및 긴장재의 대체품 및 교량 바닥판 구조재 등으로 신설 구조물에서의 활용도가 증가하는 추세임. 특히 구조물의 장수명화에 대한 관심이 증가하면서 내부식성이 뛰어난 재료적 특성으로 인해 유지관리비용을 현저히 절감되는 FRP를 건설구조물에 활용하기 위한 연구가 다방면에서 시도되고 있음.
○타 재료에 비해 초기 재료비가 상대적으로 고가인 FRP가 건설분야에서 대중화될 수 있었던 계기는 건설구조 자재를 대량.연속생산하기에 가장 적합한 방법인 인발성형법(Pultrusion Method)에 의해 H형, I형, 상형 등과 같은 직선형 FRP 건설자재를 제작하므로써 FRP의 제작단가를 낮출 수 있었기 때문임.
○그러나 현재까지 FRP 곡면부재는 수작업(Hand-Lay-Up) 또는 필라멘트 와인딩(Filament winding)과 같은 작업에 의해서만 생산이 가능한 실정이며, 대량, 연속생산에 한계가 있음. 특히 이러한 방식에 의해 제작된 곡면형 FRP 부재는 물성도 크게 저하되기 때문에 건설분야에서 구조용 재료로 사용하기에는 적합하지 않은 실정임.
○이러한 요인으로 현재까지 FRP는 철근 또는 긴장재를 대체하기 위한 선재 및 현장 수작업에 의해 복합재료로 제작되는 쉬트형 보수보강재 및 교량 바닥판이나 판재형태의 구조재로 건설 분야에 활용되어 왔으며, 대부분의 건설용 FRP 부재는 인발성형에 의해 직선부재로 제작되고 있음.
○곡면 가공이 필요한 부분에서는 불필요한 연결부 및 시공절차를 따로 두고 있는 실정이며, 터널이나 아치형 교량, 아치형 지붕구조물 등에 유용하게 활용 가능한 곡면형 FRP 건설자재에 대한 연구는 거의 이루어지지 못한 실정임.
○따라서 지중/지상 구조물에 사용되고 있는 콘크리트와 강재를 대체할 수 있는 경량-고내구성 FRP 곡면패널 구조용재의 산업화 수준의 개발과 건설자재로 사용할 수 있는 대형, 고강도, 고내구성을 만족하며 대량생산이 가능한 곡면패널 제조장치를 개발하고 복합소재 곡면패널을 건설구조물에 활용할 수 있도록 하는 기술을 개발한다면, 유지보수비용의 절감과 더불어 시공공기 및 장비비를 현저히 줄일 수 있어 전체공사비의 20%이상을 절감할 것으로 기대됨.
최종목표 본 연구개발의 최종목표는 FRP의 장점을 활용하여 수로터널 등에서 기존의 아치형 콘크리트 및 강재를 대체할 수 있는 경량-고내구성 FRP 곡면패널 구조용재의 산업화 수준 개발과 복합소재 곡면패널을 수로구조물에 활용할 수 있도록 하는 기술을 개발하는 것임.
이를 위해 다음의 목표를 설정하였음.
○구조용 FRP 곡면패널 개발
-곡면형 FRP 패널 대량생산을 위한 제작 공정 개발
-곡면형 FRP 패널 제조 장치 개발
-연속 생산 FRP 곡면패널 제품 실용화
○FRP 곡면패널 성능평가 및 활용성 검증
- FRP 곡면패널 부재의 요소 성능 검증
-FRP 곡면패널 부재의 내구성능 검증
-FRP 곡면패널 부재의 연결 및 합성방안 개발
-FRP 곡면패널 성능 규격 및 시험 방법 정립
○FRP 곡면패널 수로터널 활용기술 개발
-요구성능별, 규모별 FRP 곡면패널 활용방안
-FRP 곡면패널 설계 및 조립/시공 방법 개발
-FRP 곡면패널 연결부 상세 및 내구성 보완 방안 제시
-FRP 곡면패널 설계/시공 지침 제시
연구내용 및 범위 ○ 문헌분석 및 요구성능 도출
-기존 설계 및 시공자료를 통한 기존 공법의 시공상 애로사항 파악 및 해결대안 모색
-생산방식 및 재료특성에 따른 곡면부재 성능 분석
-다양한 하중조건에 대한 복합소재 곡면패널의 수치해석적 거동특성 파악
○ 복합소재 곡면패널 설계
-복합소재 곡면패널 적층설계
-요구성능별 최적 단면 설계
-연결방안 비교 검토
-복합소재 곡면패널 재료 도출
○ 복합소재 곡면패널 제작 공정 분석
-곡면패널 제조공정 및 성형방법 분석
-곡면 패널 최적 생산방식 및 재료 도출
-구조용 곡면 패널 상세 도출
-복합재료 곡면패널 제조장치 설계
○ 대상 구조물 설계
-연구 대상 구조물의 개념설계
○ 복합소재 곡면패널 제작 공정 확립 및 제조 설비 구축
-곡면패널 제작설비 설계보완 및 설비 구축
-곡면패널 제작 설비 시험 가동
-곡면패널 시작품 제작 및 보완
-각 단계별 시험용 부재 제작
-패널보완 제작
○ CPC의 역학적 성능 검증 및 개선
-CPC 단위부재의 역학적 기본 성능 요소 실험
-CPC 부재간 연결방안 도출
-요구성능별 단면 보강 방안 정립
○ CPC 단위부재 내구성 평가 및 보완방안
-CPC 단위부재 내구성 평가시험
-CPC 내구성능 보완 방안 도출
○ 터널 FULL ARCH 형상 최적화
-라이닝 세그먼트 접합개소 및 위치 최적화
-시공단계와 연계된 다양한 아취형상에 대한 구조적 안정성 검토
-곡률반경이 제한될 경우-복합소재 곡면패널의 곡률반경을 터널구조물이 아치구조물로 거동할 수 있도록 아치부 형상을 최적화
○ FRP 곡면패널 실용화 설비 완성
-실대형 곡면패널 생산을 위한 설비 보완
-내화 처리 및 연결부 처리 방안
-시공 공정을 고려한 상세 보완
○ 구조물 보완 설계 및 활용방안 제시
-요구성능 및 규모별 구조물 보완설계
-복합소재 곡면패널의 활용방안 제시
○ 내화성능 평가
-콘크리트와 연계된 복합소재의 온도별 특성변화 분석
-방내화 대책방안 검토 및 내화실험
○ CPC 부재 시공공정 개발
-CPC 제작 공정
-CPC 운반 및 조립 공정
-CPC 시공 장비 및 시공 방법 제시
○ CPC 부재 설계/시공 지침 작성
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
1차년도 ○ 문헌분석 및 요구성능 도출

○ 복합소재 곡면패널 설계

○ 복합소재 곡면패널 제작 공정분석

○ 대상 구조물 설계 		- 기존 설계 및 시공자료를 통한 기존 공법의 시공상 애로사항 파악 및 해결대안 모색
- 생산방식 및 재료특성에 따른 곡면부재 성능 분석
- 다양한 하중조건에 대한 복합소재 곡면패널의 수치해석적 거동특성 파악
- 복합소재 곡면패널 적층설계
- 요구성능별 최적 단면 설계
- 연결방안 비교 검토
- 복합소재 곡면패널 재료 도출
- 개구셀형 곡면패널 시작품 제작
- 콘크리트 합성시험체 제작
- 대형하중 재하 시험
- 곡면패널 제조공정 및 성형방법 분석
- 곡면 패널 최적 생산방식 및 재료 도출
- 구조용 곡면 패널 상세 도출
- 자동화 곡면패널 제조장치 설계
- 핵심부품 가공 및 구입
- 연구 대상 구조물의 개념설계
연구성과 기술적 기대성과 - 터널구조물 외에도 곡면의 장점을 이용한 곡면패널은 곡선거더 및 슬래브, 기존구조물의 보수보강, 아치형 교량 및 지붕구조물, 가설용 임시 교량, 통행로 등 향후 그 이용이 급속히 확대될 것으로 예상됨.
- 염해(鹽害)나 중성화(中性化)등과 같은 철근콘크리트의 주요 성능저하 현상 및 균열을 통한 수분, 화학물질의 침투 등과 같은 손상에 의한 철근부식등에 따른 단면적 감소에 대한 해결로 구조물의 사용년수 향상효과가 있음
- FRP 복합재료를 활용한 구조물 설계, 제작, 시공에 필요한 요소기술의 개발로 인하여 전세계적으로 첨단기술로 각광을 받고 있는 FRP 기술시장에 본격적으로 진입 가능함.
- 국내에 가설되고 있는 대부분의 특수 구조물이 외국기술에 의존하여 건설되고 있으나, 본 기술이 개발되는 경우 복합소재 구조물을 포함하여 구조물 설계, 시공기술의 자립화가 가능함.
- 또한 본 연구를 통해 복합소재 곡면패널의 대량 ? 연속 생산이 가능한 기술 구축이 완성될 경우 다양한 형태의 건설재료로 활용이 가능함.
- 특히, 본 연구의 주관연구기관에서 보유한 복합소재 곡면패널에 대한 기술의 독창성과 진보성은 국내특허 제 10 - 0791590호 “곡면패널 제조방법 및 곡면패널 제조장치”로 등록되어 인정받은 상태이며, PCT국제출원(PCT/KR2008/001151) 및 미국,중국,인도에 특허출원하여 해외에서도 기술의 우선권을 확보한 상태로, 본 연구를 통해 복합소재 곡면패널 제조 장치 및 곡면패널 활용기술을 개발한다면 세계 선도 기술을 확보할 수 있게 됨.
사회 경제적 파급효과 - 한국철강협회 '2008년도 수급전망' 보고서에 따르면 금년 내수소비량을 5712만6000톤으로 예상했는데, 철근을 생산하기 위한 원료인 철광석은 대부분은 외국에서 수입하고 있음. 유리섬유 FRP인 경우, 원자재가 거의 100% 국산이므로 FRP 보강재가 건설시장에서 강재 수요를 대체할 경우 철광석 수입 대체효과가 기대됨.
- 아울러, 국내에서 무한정 보유하고 있는 광물자원인 FRP 기초소재의 활용으로 제품의 가격경쟁력 확보가 가능하므로, 아시아나 중국 등의 개발도상국은 물론 세계시장에 대하여 기초소재ㆍ생산기술 및 구조물의 수출이 가능하여 외화획득에 기여할 수 있을 것으로 판단됨.
- 도로 및 철도의 투자금액 중 터널부문에 투자될 것으로 예측된 규모는 약 6조 1,500억원 정도로서 이중 연구기술의 반영으로 5.0%이상 절감이 가능할 것으로 예측되어 2010~2015년의 기간 동안에 3,075억원의 예산절감 효과가 있음.
- 또한, 매년 소모되는 터널과 암거 등의 유지관리비용 447억원(국토해양부 2006년 발표자료)의 예산절감이 기대됨
활용방안 - 본 사업에서 개발되는 기술이 실용화되는 경우, 고내구성, 내부식, 내진성능향상이 필요한 아치형구조물의 구조부재 또는 가시설부재로 즉각 적용 가능함.
- 본 과제는 수로터널을 위주로 화재의 우려가 없는 터널을 목표로 하였지만, 향후 내화성능을 향상하면 복합소재 곡면패널은 도로터널, 철도터널, 쉴드, TBM터널, 수직형터널, 환기덕트를 포함하는 터널, 피암터널, 생태통로터널과 지하차도, 지장물 하부통과, 수중 및 해저침매터널, 해저터널과 각종 용도의 개착터널, 가설구조물, 체육관, 육교, 아치형교량 등의 지중은 물론 지상의 아치형구조물에 활용할 수 있음
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 섬유보강복합재 곡면패널 아치구조 복개구조 터널라이닝
영문 FRP Curved panel Arch Cut & cover tunel tunel lining
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