건설용 CFRP 보강재의 피로 성능 기준 개발

배영준,이상문,정우영 한국복합신소재구조학회 2024 복합신소재구조학회 학술발표회 Vol.2024 No.04

CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer)는 강재 대비 약 4배의 강도와 25% 수준의 경량성을 보 유한 신소재 복합재료이며, 부식과 같은 화학적 반응에 대한 저항성이 우수하다. 이러한 특징으로 인 해 전 세계적으로 부식에 취약한 철근의 대체재로써 연구가 활발하게 진행 중이다. 국내에서 적용되고 있는 CFPR 보강재에 대한 성능 평가의 경우, 재료의 단편적인 물성치 조사를 통한 단기 성능 평가(인 장 등)에 초점을 두고 수행되고 있어, 보강된 RC(Reinforced Concrete) 구조물 내 장기 거동 특성(피 로 등)이 반영된 CFRP 보강재 자체의 성능 검증이나 품질 기준이 전무한 실정이다. 이에 따라 본 연 구에서는 기존의 단기 성능 평가 방법의 한계를 극복하고자 선행 연구를 바탕으로 건설 산업 분야에 서 상용화된 건설용 CFRP의 장기 거동 특성을 규명하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 RC 구조물 내 ‧ 외부에 보강된 CFRP 보강재의 실제 하중 환경을 모사하기 위해 ASTM D7772 및 D6272를 바 탕으로 4점 휨 시험 기반 휨-인장 피로 시험 장비를 개발하였으며, 섬유 함침율이 50%인 CFRP 시편 을 대상으로 3, 5, 7, 9mm의 변위 하중을 고려하여 보강재의 장기 거동 분석 및 피로 성능 한계 곡 선(r-N curve)을 구성하였다. FRP의 피로 거동은 유효 응력이 감소하다 일정 수준에서 일정하게 유지 된다는 특징을 보인다. 따라서 선행 연구를 참고하여 CFRP 시편의 피로 파괴를 초기 응력이 80% 감 소된 시점으로 정의하여 피로 시험을 시행하였다. 시험 결과, CFRP 보강재의 피로 거동은 하중이 급 격하게 감소하는 영역(영역 I), 변곡점 이후 감소가 미미한 영역(영역 II), 변곡점 이후 감소가 미미한 영역(영역 III)으로 구분되었다. 평균적으로 약 105 사이클까지 영역 I를 보였으며, 이후 영역 II와 영역 III가 순차적으로 나타남을 확인하였다. 이러한 시험 결과를 바탕으로 r-N curve를 구성하였으며, 이 를 기준으로 상용 CFRP 보강재의 피로 성능 합불 여부를 평가할 수 있다.

복합재료가 적용된 내부식성 투과형 사방댐의 성능 평가

배영준,이상문,정우영 한국복합신소재구조학회 2023 복합신소재구조학회논문집 Vol.14 No.4

A general impermeable erosion control dam is difficult to separate and dismantle because most of the body is made of concrete, making it difficult to reinforce. To address these shortcomings, a permeable steel screen erosion control dam has been manufactured and used, but various problems such as steel corrosion are encountered. Accordingly, previous studies have verified the performance and safety of screen structures that replaced steel screen structures with Glass Fiber Reinforced Polymer (GFRP), which has excellent corrosion resistance, but they did not take into account various conditions. For example, previous studies only considered dynamic water pressure. Therefore, in this study, not only GFRP screen structures used in previous studies, but also Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) were considered, and performance comparison and safety evaluation were performed for various materials such as driftwood, earth, and rocks. GFRP and CFRP showed good performance by reducing the stress on the body by 29.79%– 91.73% compared with steel. Therefore, FRP screen structures are excellent alternatives for the steel permeable dam, but this conclusion is based on only numerical analysis, therefore practical experiment is necessary in future. 일반적인 불투과형 사방댐은 제체 대부분이 콘크리트로 구성되어 분리 및 해체가 어려워 조속한 보강이 난해하다는단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위한 투과형 강재 스크린 사방댐이 제작되어 사용 중에 있지만, 강재가 부식되는 등 여러문제를 보이는 실정이다. 이에 따라, 선행 연구에서는 강재 스크린 구조물을 내부식성이 뛰어난 GFRP로 대체하여 성능 및 안전성을 검증하였지만, 동수압만 고려되는 등 다양한 조건이 고려되지 않은 것으로 확인되었다. 그렇기에 본 연구에서는 선행 연구에서 수행된 GFRP 스크린 구조물뿐만 아니라, CFRP도 고려하였으며, 보다 다양한 표면 유속 별 하중 조건 및 유목, 토석류 등과 같은 다양한 조건에서의 성능 비교 및 안전성 평가를 수행하였다. 해석 결과, GFRP와 CFRP는 강재 대비 제체에 작용하는응력이 29.79∼91.73%가량 감소된 성능을 보이며, 이 외에도 충분한 안전성과 경제성을 겸비함을 확인하였다. 결론적으로 GFRP 및 CFPR 스크린 구조물은 강재 투과형 사방댐을 대체하여 사용하기에 충분하다고 판단되지만, 이는 수치 해석을 통한 결과이므로 향후 실제 실험이 진행될 필요가 있을 것으로 판단된다.

내부식성을 고려한 수직형 수소 탱크에 설치된 FRP 복합재료 고정부의 지진 응답 특성 분석

배영준,이상문,정우영 한국복합신소재구조학회 2024 복합신소재구조학회논문집 Vol.15 No.6

This study investigates the use of noncorrosive GFRP and CFRP anchor systems to address the degradation of steel bolts in hydrogen tanks, evaluating their performance under seismic loads through finite element analysis. The analysis results indicate that hydrogen tanks equipped with FRP anchor bolts exhibited a 21% increase in natural frequency compared to those with steel anchor bolts, indicating improved structural stiffness. Moreover, the acceleration response analysis showed that FRP anchor bolts reduced the upper acceleration, thereby enhancing resistance to seismic loads. Stress analysis showed that FRP anchor bolts achieved a 91% reduction in stress generation compared to steel anchor bolts, significantly improving structural stability. However, the use of FRP anchor bolts resulted in splitting tensile stress on the foundation concrete that was up to 3.5 times higher than that observed with steel anchors. This suggests the potential need for reinforcement of the foundation concrete when implementing FRP anchor bolts. These findings, derived from numerical analysis, underscore the necessity for further experimental validation to comprehensively assess the applicability of FRP anchor bolts and to enhance the safety and durability of hydrogen infrastructure.

산불 발생 시 투과형 복합재료 사방댐의 성능 평가를 위한 해석적 접근

배영준,이상문,정우영 한국복합신소재구조학회 2024 복합신소재구조학회논문집 Vol.15 No.3

Owing to the country’s mountainous terrain, large-scale forest fires are continually reported, particularly along the East Coast. However, as forest areas expand on the West Coast, the prevalence of these incidents is increasing nationwide. This study assesses the impact of forest fires on check dams in mountainous regions, focusing on open dams composed of steel, GFRP, and CFRP. Using the commercial finite element analysis program ABAQUS, we observed that steel structures failed at approximately 600°C, whereas FRP structures remained intact even at temperatures exceeding 800°C. FRP materials exhibited stress levels 10.30%–11.20% lower than those of steel, with maximum displacements increasing by about 73.1 and 17.9 times. In concrete dams, stress concentration was noted at the connections with structural materials. Although the compressive side remained intact for all materials, tensile failure in the concrete occurred at temperatures above 600°C. Connections between dam bodies and structures using GFRP and CFRP showed reductions in reaction forces by 82.43% and 67.63%, respectively, compared with steel. These findings indicate that although FRP materials provide considerable high-temperature resistance, further research is essential to confirm these results, given their reliance on numerical analysis. 국토 대부분인 산지로 구성된 국내의 특성상 대형 산불 사례가 지속적으로 보고되고 있으며, 동해안에서 다발적으로 발생하는 과거 대비 최근 서해안의 산림원이 확대됨에 따라 점차 전국화되고 있는 실정이다. 본 연구에서는 이러한 산불 발생 주기의 증가로인한 산지에 설치되어 있는 사방댐의 산불에 의한 영향성 평가를 수행하였다. 대상 구조물은 선행 연구에서 사용된 강재, GFRP 및CFRP를 사용한 투과형 사방댐으로 선정하였으며, 각 재료별 구조재를 사용한 투과형 사방댐의 안전성 평가를 위해 상용 유한요소해석프로그램인 ABAQUS를 활용하였다. 해석 결과, 600℃ 수준에서 파괴가 발생한 강재 구조재에 반해 FRP 구조재는 800℃ 이상에도 파괴되지 않음을 확인하였다. 또한, FRP 구조재는 강재 대비 10.30%∼11.20% 가량 낮은 응력 수준을 보였으며, 최대 변위는 약 73.1배, 17.9배 증가하는 것으로 측정되었다. 콘크리트로 구성된 댐체의 경우, 구조재의 설치부에 응력이 집중됨을 알 수 있으며, 압축 측은 모든 구조재에서 안전한 것으로 나타났지만, 인장 측은 600℃ 이상에서 모든 구조재의 댐체 콘크리트가 파괴됨을 확인하였다. 따라서, 사방댐 설계 시 이러한 강도 감소를 충분히 고려할 필요가 있을 것으로 사료된다. 댐체와 구조재가 연결되는 고정부의 경우, GFRP 및CFRP 구조재가 강재 구조재 대비 약 82.43%, 67.63% 감소된 반력을 보이는 것으로 확인되었다. 이러한 결과는 FRP 구조재의 높은변위가 하중을 소산하여 고정부에 적은 영향을 미치는 것으로 생각된다. 결론적으로, FRP 구조재를 사용하는 것은 기존 강재 구조재대비 고온 저항성 측면에서 다양한 이점을 얻을 수 있으나, 수치해석적 접근법으로 평가된 결과이므로 향후 지속적인 연구로 신뢰성을검증할 필요가 있다.

고압 탱크 폭발로 인한 주변 저장 탱크의 영향 분석을 위한 기초 연구

배영준,정우영 한국산학기술학회 2025 한국산학기술학회논문지 Vol.26 No.1

본 연구는 고압 가스 탱크의 폭발로 인한 2차 피해를 예방하기 위해, 수소 에너지를 대상으로 폭발 시 주변 탱크에 미치는 영향을 분석하였다. 수소 탱크의 설계 제원은 현장 조사를 통해 확보되었으며, ABAQUS 유한요소해석 소프트웨어를 활용하여 CONWEP 모델을 기반으로 폭발 해석을 수행하였다. 해석 결과, SS275 강재의 항복 및 극한 강도를 초과하는 유효응력이 대부분의 시나리오에서 확인되었다. 또한, 저장 용량이 커질수록 탱크의 변위가 급격히 증가하는 경향을 보였으며, 저장 용량 400 m3의 조건에서 이격 거리 5 m 이상 또는 두께가 4 mm 이상일 때 변위가 급격히 감소하는 것으로 나타났다. 이를 바탕으로, 주변 탱크의 안전성을 확보하기 위해 탱크 간 이격 거리를 최소 5 m 이상 유지하고, 몸체의 두께를 최소 4 mm 이상으로 설계할 것을 권고한다. 특히 안전성을 높이기 위해 두께 8 mm 이상을 권장하며, 이를 통해 연쇄적인 폭발 피해를 방지할 수 있는 설계 기준 개선안을 제시하였다. 본 연구는 수치해석을 통한 설계 기준 마련에 기여하며, 향후 폭발 안전성 평가에 유용한 자료로 활용될 수 있다. This study aimed to prevent secondary damage caused by high-pressure gas tank explosions by analyzing the impact of explosions on the surrounding tanks, focusing on hydrogen energy because of its high explosion energy. The design specifications of hydrogen tanks were obtained through field surveys, and numerical simulations were conducted using the ABAQUS program with the CONWEP model to assess the explosion effects. The analysis showed that the effective stress exceeded the yield and ultimate strengths of SS275 steel in most scenarios. In addition, the displacement of the tank rose sharply as the storage capacity increased, with a significant decrease observed when the separation distance was over 5 m or the tank wall thickness was at least 4 mm, particularly at a storage capacity of 400 m3. Based on these results, it is recommended that a minimum separation distance of 5 m be maintained between tanks and tank walls with a thickness of at least 4 mm be designed to ensure safety. A thickness of 8 mm or more is advised for advanced safety to prevent chain explosions. This study provides improved design criteria to mitigate explosion risks and offers valuable insights for future assessments of explosion safety through numerical analysis.

이슈 분석 : 중국 서부지역의 쇼케이스, 청두 -부동산과 사치품 시장 급팽창… 우수 인력 풍부-

배영준 포스코경영연구원 2010 CHINDIA Plus Vol.46 No.-

이슈 분석 : 쓰촨지진 후, 기업의 사회적 책임 크게 부각 -기부 금액 잣대로 기업 이미지 평가-

배영준 포스코경영연구원 2008 CHINDIA Plus Vol.25 No.-

베이징 한인사회의 명암

배영준 포스코경영연구원 2008 CHINDIA Plus Vol.22 No.-

이슈 분석 : 자동차 대중화 시대 맞은 중국 -베이징 외곽의 달라진 주말 풍경-

배영준 포스코경영연구원 2008 CHINDIA Plus Vol.21 No.-

친디아 인사이드 : 중국의 문화창의(文化創意) 산업 신드롬

배영준 포스코경영연구원 2010 CHINDIA Plus Vol.45 No.-