본 연구는 강재 보행자용 방호 울타리 고정부 부식에 따른 유효단면적 감소로 인한 강성 저하를 해결하기 위해 내부식성이 뛰어난 GFRP, CFRP를 볼트에 적용하여 설계하중에서의 적용성을 검증하였다. 강재에서 유효단면적은 부식이 20년 진행 되었을 때 1.4mm 감소하여 기둥 변위는 28.65mm로 측정되어 부식의 심각성을 인지하였다. FRP 적용 시 평가는 파손 지수(DI)를 통하였고 CFRP 고정부 앵커에서 최대 성능의 30% 수준을 사용하여 설계하중에 만족함을 보였다. 또한, 콘크리트 연석에 가하는 쪼갬 인장응력 이 강재 대비 0.93배로 확인되었다. 이는 FRP 볼트 적용 시 강재와 동일한 방법으로 연석을 검토할 수 있을 것으로 판단된다. 결론적 으로 강재 부식에 따른 강성 저하는 구조물의 심각한 영향을 주어 부식 저항성이 높은 재료의 대체는 필수적이며, 동시에 보행자용 방호 울타리의 설계하중에 대한 연구가 추가적으로 수행 되어야한다.

곤충호텔은 곤충이 서식할 수 있도록 인위적으로 만든 구조 물로서 정원이나 텃밭 등 다양한 곳에서 활용되고 있다. 하지만 식생유형, 재료, 설치 방식 등에 따른 곤충 유입 효과에 대한 검증은 부족하며, 국가 또는 지역에 따른 곤충의 종류와 생육환 경이 다름에도 불구하고 곤충호텔에 대한 국내 연구는 전무한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 국립수목원을 대상으로 구체적 인 식생유형 및 재료에 따른 유입 곤충 특성을 확인하고, 국내 실정에 맞는 효과적인 곤충호텔 설치 및 관리방안에 대한 기준 을 제시하고자 하였다. 조사구는 세 가지 식생유형(초지, 침엽수 림, 활엽수림)으로 구분하였으며, 각 식생의 조사구에 두 가지 재료(참나무, 잣나무)를 활용한 곤충호텔을 설치하였다. 조사는 2년동안(2022~2023) 진행되었으며, 매년 4~9월까지 주 1회 씩(총 48회) 곤충호텔의 유입 곤충을 직접 채집하였다. 곤충호 텔에서 채집된 곤충은 총 9목 46과 129종 3,057개체로, 2022 년에는 7목 34과 85종 1,750개체, 2023년에는 8목 35과 77종 1,307개체가 출현하였다. 연도별로 비교하면 1차년도에 유입 된 곤충의 개체수가 2차년도 보다 약 1.3배 많았고, 재료의 부식 에 따른 곤충의 구성도 달라졌다. 식생유형에 따라 구분하면 기간에 상관없이 활엽수림에서 유입 곤충이 가장 많았고, 침엽 수림에서 가장 적었다. 또한 재료에 따른 구분에서는 참나무가 잣나무보다 유입 곤충이 많았다. 참나무의 경우 유입 곤충의 연도별 차이가 적은 반면, 잣나무는 1년차에 비해 2년차에 약 2.3배 줄었다. 상관분석과 계층적 군집분석을 통한 곤충의 유입 특성은 식생유형보다는 재료의 영향이 큰 것으로 확인되었고, 식생유형만 비교했을 경우 초지에 비해 활엽수림과 침엽수림의 유사성이 높았다. 결론적으로 생물 다양성 증진을 목적으로 곤 충호텔을 설치하고자 한다면 초지나 활엽수림에 참나무 재료를 사용하는 것이 유리하며, 잣나무 재료를 이용한다면 1년 주기로 재료 교체가 필요할 것으로 판단된다. 하지만 특정 재료를 선호 하는 곤충의 기주특이성이 확인되었기 때문에 다양한 종류의 재료를 같이 사용하는 것도 하나의 방법이라고 사료된다. 향후 이를 기반으로 전시원에서 실질적으로 활용할 수 있는 곤충호텔 모델 개발로 확대해 나갈 예정이다.

국립수목원 전시원의 지속가능하고 친환경적인 관리를 위하 여 유기물 멀칭재 처리에 대한 잡초 억제 효과를 조사하였다. 대표적 잡초인 쑥군락과 바랭이군락을 대상으로 고정방형구 (1×1㎡)를 3반복 설치하였다. 처리구의 유기물 멀칭재는 5가지 재료로 활엽수 우드칩, 침엽수 바크, 갈참나무 낙엽, 메타세쿼이 아 낙엽, 칠엽수 과피를 사용하였다. 멀칭재 중에서 갈참나무 낙엽, 활엽수 우드칩, 칠엽수 과피가 비교적 잡초 억제 효과가 높은 것으로 나타났다. 갈참나무 낙엽은 지중 온도를 낮게 유지 하는 효과가 상대적으로 좋았기 때문에 토양의 보습 효과가 뛰 어날 것으로 판단된다. 유기물 멀칭재 처리는 일년생식물의 발 생은 억제하고, 지중식물 및 반지중식물의 생육에 도움을 주는 효과가 있었다. 멀칭재의 무게보다 재료에 의한 빛 차단 면적이 잡초를 억제하는 주된 요인이었다. 본 연구 결과는 국립수목원 전시원에서 발생하는 부산물을 활용한 친환경적 관리 방안 수립 에 활용될 것이며, 향후 잡초의 발생 시기에 따른 멀칭 시기 및 유기물 멀칭재의 유지 관리에 대한 추가적인 연구가 필요하다.

본 연구는 수소 탱크를 고정하는 강재 볼트의 부식으로 인한 성능 저하 문제를 해결하기 위해 내부식성 복합재료로 알려진 Glass Fiber Reinforced Polymer (GFRP) 및 Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP)를 활용한 앵커 시스템을 제안하고, 이를 지진 하 중 하에서의 안전성 평가를 통한 적용 타당성 검토를 수행하였다. 연구에서는 현장 조사를 통해 실제 사용 중인 수소 탱크의 설계 제 원을 확보한 후 이를 바탕으로 유한요소해석을 수행하였으며, AC 156 인공 지진파를 적용하여 FRP 앵커 볼트와 기존 강재 앵커의 성 능을 비교 분석하였다. 주요 분석 결과, FRP 앵커 볼트를 적용한 수소 탱크는 강재 앵커 볼트에 비해 고유 진동수가 21% 증가하여 구 조적 강성이 향상됨을 확인하였다. 또한, 가속도 응답 분석 결과 FRP 앵커 볼트는 상부 가속도를 감소시켜 지진 하중에 대한 저항성을 증진하는 것으로 나타났다. 응력 해석에서는 FRP 앵커 볼트가 강재 앵커 볼트에 비해 유효 응력이 약 91% 감소하여, 구조적 안전성이 크게 개선되었다. 그러나, FRP 앵커 볼트 적용 시 기초 콘크리트에 가해지는 쪼갬 인장 응력이 강재 앵커 대비 최대 3.5배 증가하는 것으로 나타났으며, 이에 따라 FRP 앵커 볼트 사용 시 기초 콘크리트의 보강이 필요할 것으로 사료된다. 이러한 연구 결과는 수치해석 에 국한된 결과로, 향후 실제 지진 하중을 모사한 실험적 검증이 필요하다. FRP 앵커 볼트의 적용 가능성은 향후 연구를 통해 광범위 하게 평가될 것이며, 이를 통해 수소 인프라의 내구성과 안전성을 더욱 강화할 수 있을 것으로 기대된다.

본 연구는 국립수목원 내 전문전시원에 발생한 이입식물을 대상으로 2015년부터 2023년까지 이입식물 분포조사를 시행 하였다. 그 결과 자생식물 299종, 귀화식물 49종, 재배식물 13 종 총 63과 214속 361종이 조사되었다. 국화과가 63종으로 가장 많았고, 벼과, 사초과 순으로 발생하였다. 이입식물의 이입 경로를 분석하기 위하여 광릉숲에 분포하는 식물상과 비교 분석 한 결과 309종이 광릉숲에 분포하는 식물로 확인되었으며, 전 문전시원 내 식재 식물이 확산된 경우가 17종으로 조사되었다. 조사된 귀화식물 49종을 원산지별로 구분하면 유럽과 북아메리카가 69.4%, 이입 시기별 1기와 3기의 비율이 90%를 차지하였 다. 귀화식물의 귀화도 분포 등급을 적용한 결과 4등급 이상이 면서 이입 시기가 3기인 식물 9종은 빠르게 확산할 우려가 큰 식물이므로 지속적인 모니터링이 필요하다. 국립수목원에 어느 정도 귀화식물이 분포하는지를 가늠하는 도시화지수를 산출한 결과 15.0%로 나타났으며, 환경부 지정 생태계교란 야생식물 중 돼지풀, 단풍잎돼지풀, 애기수영, 미국쑥부쟁이가 출현하였 다. 이입식물은 자생식물군락과 전문전시원 내 관람로에 침입하 여 세력권을 확장하고 우점하는 경향이 있어 각각의 생태적 특 성을 고려한 제거 방법이 필요하다.

국토 대부분인 산지로 구성된 국내의 특성상 대형 산불 사례가 지속적으로 보고되고 있으며, 동해안에서 다발적으로 발생하 는 과거 대비 최근 서해안의 산림원이 확대됨에 따라 점차 전국화되고 있는 실정이다. 본 연구에서는 이러한 산불 발생 주기의 증가로 인한 산지에 설치되어 있는 사방댐의 산불에 의한 영향성 평가를 수행하였다. 대상 구조물은 선행 연구에서 사용된 강재, GFRP 및 CFRP를 사용한 투과형 사방댐으로 선정하였으며, 각 재료별 구조재를 사용한 투과형 사방댐의 안전성 평가를 위해 상용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 활용하였다. 해석 결과, 600℃ 수준에서 파괴가 발생한 강재 구조재에 반해 FRP 구조재는 800℃ 이상에도 파 괴되지 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 모 든 구조재에서 안전한 것으로 나타났지만, 인장 측은 600℃ 이상에서 모든 구조재의 댐체 콘크리트가 파괴됨을 확인하였다. 따라서, 사 방댐 설계 시 이러한 강도 감소를 충분히 고려할 필요가 있을 것으로 사료된다. 댐체와 구조재가 연결되는 고정부의 경우, GFRP 및 CFRP 구조재가 강재 구조재 대비 약 82.43%, 67.63% 감소된 반력을 보이는 것으로 확인되었다. 이러한 결과는 FRP 구조재의 높은 변위가 하중을 소산하여 고정부에 적은 영향을 미치는 것으로 생각된다. 결론적으로, FRP 구조재를 사용하는 것은 기존 강재 구조재 대비 고온 저항성 측면에서 다양한 이점을 얻을 수 있으나, 수치해석적 접근법으로 평가된 결과이므로 향후 지속적인 연구로 신뢰성을 검증할 필요가 있다.

어린이보호구역에서 발생하는 아동 교통사고 피해 사례 증가에 따라 교육시설 주변의 보행자용 방호 울타리의 현황을 파악 하고자 현장 조사를 수행하였다. 그 결과, 방호 울타리의 기울어짐 및 부식 등 다양한 구조적 결함을 확인하였으며, 이 연구는 이에 대 한 대책으로 FRP(Fiber Reinforced Polymer)를 사용한 보행자용 방호 울타리를 설계하였고, 상용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 사용해 성능 및 타당성을 검증하였다. 해석 결과, CFRP와 GFRP로 제작된 지지부는 최대 파손 지수가 0.03, 0.1로 나타났으며, 지지부 와 방호 구조재의 변위는 기존 강재 지지부 대비 1.16~3.07배 증가한 것으로 나타났다. 또한, 설계 변수 연구를 위해 FRP의 섬유 배향 각을 =0, 15, 30, 45, 60, 75, 90도로 구분하여 CFRP와 GFRP 지지부 간의 강성 차이를 비교하였으며, =0에서 CFRP가 GFRP 대비 최대 2.94배 높게 나타났다. 결론적으로 CFRP와 GFRP는 방호 울타리로서 충분한 성능을 보이지만, 설계 기준에 따르면 보행자용 방 호 울타리는 차량 충돌에 의한 하중은 고려하지 않으므로 이와 관련된 추가 연구가 수행되어야 한다.

수소는 연소 과정에서 산소와 반응하여 물과 열만을 생성하며 공해 물질이 배출하지 않아 깨끗한 에너지원으로 간주된다. 이러한 특징으로 산업 활동으로 비롯된 대기 오염, 이상 기후 문제 등을 해결 하기 위한 대책안으로써 수소를 활용한 신재생에너지가 세계적으로 주목받고 있다. 이에 따라 선행 연 구에서는 수직형 탱크 구조의 취약부로 평가되는 지지부 단면 변화에 따른 영향성을 평가하기 위해 수소 생산 인프라 현장 조사를 수행한 바 있으며, 현장 조사 중에 현장 설치된 수소 탱크 강재 지지부 의 부식 문제를 확인하였다. 지지부의 부식은 구조물의 전체 강성을 감소시키며, 재난(지진)에 취약해 져 수소 저장 용기가 손상으로 인한 2차 피해로 이어질 수 있다. 이에 따라 본 연구는 선행 연구의 후속 연구로써 강재 지지부의 부식 문제를 개선하고자 고강도-저중량 재료인 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer)를 사용한 지지부를 개발하여 수치해석을 통해 CFRP 지지부의 내진 성능평가를 목적으로 한다. 해석에 사용된 수소 탱크는 크게 몸체, 지지부, 기초부, 앵커 볼트로 구성되어 있으며, 지지부는 높이 965mm, 75×75×9.5mm의 L형강 4개로 확인되었다. 지진 하중에 대한 동적 성능을 평가하기 위해 시간이력해석법이 사용되었으며, 적용 동적하중의 경우, ASCE의 ICC-ES에서 제시한 평가 기준에 따라 AC 156 Amplitude 100%의 인공 지진을 적용하였다. 해석 결과, CFRP 지지부와 강재 지지부 상단의 최대 변위가 각각 35.48, 32.54mm로 매우 유사한 것으로 나타났으며, Hashin Damage Criteria를 사용하여 CFRP 지지부의 최대 손상 지수를 측정한 결과 수지의 인장측에서 0.065로 확인되었다. 이는 기준 손상 지수 1 대비 매우 낮은 수준이며, 해석 결과를 종합했을 때 CFRP 지지부는 충분한 안전성을 보이는 것으로 판단된다.

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.

본 연구는 기존 (불)투과형 사방댐의 부식 및 시공성 등의 문제를 보완하고자 GFRP와 CFRP를 사용하여 내부식성 투과형 사방댐을 설계한 선행연구의 후속 연구로써 FRP로 제작된 격자형 사방 구조물(Grid)을 설계하여 탈부착이 가능한 투과 형 사방댐을 개발하기 위한 기초 연구이다. 이를 위해 탄소산업진흥원(K-Carbon)의 상용 Grid 제원을 인용하였으며, Grid를 구성 하는 띠(Strip)는 41×21개로 총 4000×2000×1.5 mm의 크기로 설계하였다. Grid의 개발을 위한 기초 연구라는 특성상 Grid의 지지 부(Slot)와 충진재는 파괴되지 않는다고 가정하였으며, FRP의 파괴 이론인 Hashin Damage Criteria에 따라 Grid의 설계하중 작용 시의 안전성을 상용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS로 평가하였다. 그 결과, 0.01~0.03sec 내에서 GFRP와 CFRP Grid가 파괴 되었으며, 이는 Grid의 성능이 충분하지 못함을 의미한다. 이에 따라 Grid의 성능 향상을 위해서 GFRP 및 CFRP(면재)와 Balsa Wood(심재)로 구성된 Sandwich Grid를 개발하였으며, 동일 조건에서 해석을 수행한 결과, Grid 대비 Sandwich Grid가 약 126~140 배 뛰어난 성능을 보였다. 결론적으로 Sandwich Grid를 이용한 탈착형 사방댐은 내구성 및 경제성 측면에서 이점이 분명하다 판 단되지만, 이는 일부 가정 사항과 수치 해석을 기반으로 하는 결과이므로 향후 추가 연구가 수행되어야 할 필요가 있다.

본 연구에서는 수소 자원의 활용도가 높아짐에 따라 수소 저장 용기의 내진 성능을 평가하기 위해 수소 저장 시설을 방문하여 현장 조사를 수행하였다. 외관 조사 중, 수조 저장 용기의 지지부에서 부식이 진행됨을 확인하였고, 이에 대한 대책안 으로 내부식성 재료인 CFRP로 대체하여 성능을 평가, 검증하였다. 이를 위해 현장 조사 결과를 바탕으로 상용 유한요소해석 프 로그램인 ABAQUS를 사용하였으며, 해석 결과 CFRP로 제작된 수소 저장 용기의 지지부는 강재 대비 약 12배 이상 뛰어난 성 능을 보였다. Hashin Damage Criteria를 기반으로 CFRP 지지부의 안전성 검토를 수행한 결과 최대 손상 지수가 0.065로 확인되 었다. 기초부 콘크리트의 경우, 쪼갬 및 휨 인장 응력에 대한 안전성을 검토하였으며, 허용 강도 대비 7~36%의 안전도를 보였 다. 이를 근거로 CFRP를 수소 저장 용기의 지지부에 적용하는 것은 합리적이며, 뛰어난 경제성을 보인다. 다만, 이러한 결과는 수치 해석에 의하므로 실규모 지진동 모사 시험을 통해 해석 모델의 신뢰성을 보충할 필요가 있다.

일반적인 불투과형 사방댐은 제체 대부분이 콘크리트로 구성되어 분리 및 해체가 어려워 조속한 보강이 난해하다는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위한 투과형 강재 스크린 사방댐이 제작되어 사용 중에 있지만, 강재가 부식되는 등 여러 문제를 보이는 실정이다. 이에 따라, 선행 연구에서는 강재 스크린 구조물을 내부식성이 뛰어난 GFRP로 대체하여 성능 및 안전 성을 검증하였지만, 동수압만 고려되는 등 다양한 조건이 고려되지 않은 것으로 확인되었다. 그렇기에 본 연구에서는 선행 연구 에서 수행된 GFRP 스크린 구조물뿐만 아니라, CFRP도 고려하였으며, 보다 다양한 표면 유속 별 하중 조건 및 유목, 토석류 등 과 같은 다양한 조건에서의 성능 비교 및 안전성 평가를 수행하였다. 해석 결과, GFRP와 CFRP는 강재 대비 제체에 작용하는 응력이 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 결과이 므로 향후 실제 실험이 진행될 필요가 있을 것으로 판단된다.

Relatively low efficiency in anaerobic digestion process is mainly caused by unproper mixing method. In this study, tray motion type agitator was applied in actual anaerobic digestion tank in order to improve the digestion efficiency, equalize the flow velocity distribution and energy saving. The impeller of tray motion type agitator was reciprocated vertically. Gas lift type agitator and tray motion type agitator appears almost same mixing efficiency include digestion rates. However, tray motion type agitator have shown that lower energy consumption compared to the conventional gas lift type agitator. Implementation of tray motion type agitator in the anaerobic digestion tanks contributed to the stabilization of mixing environment, efficiency and energy efficiency of the tank.

In this study, a newly developed agitator with hydrofoil impeller applied to actual biological process in advanced wastewater treatment plant was evaluated. Several series of experiments were conducted in two different wastewater treatment plants where actual problems have been occurred such as the production of scums and sludge settling. For more effective evaluation, computational fluid dynamics (CFD) and measurements of MLSS (Mixed Liquor Suspended Solids) and DO (Dissolved Oxygen) were used with other measuring equipments. After the installation of one unit of vertical hydrofoil agitator in plant A, scum and sludge settling problems were solved and more than seventy percent of operational energy was saved. In case of plant B, there were three cells of each anoxic and anaerobic tanks, and each cell had one unit of submersible horizontal agitator. After the integration of three cells to one cell in each tank, and installation of one vertical hydrofoil agitator per tank, all the problems caused by improper mixing were solved and more than eighty percent of operational energy was found to be saved. Simple change of agitator applied to biological process in wastewater treatment plant was proved to be essential to eliminate scum and sludge settling problems and to save input energy.