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.

FRP 복합재 중 CFRP(Carbon Fiber Reinforcement Plastic)는 현재 Rebar, Plate, Grid 등 다양한 형태로 RC 구조물에 내‧외부 보강재로써 사용되고 있다. 이 중 CFRP Grid의 경우 국내에서 상용화가 되지 않아 다른 형태의 보강재보다 성능 분석 및 평가 기준이 미흡한 실정이다. 이에 따라 본 연구에 서는 Grid의 Strand, 경계조건, ASTM 고정장치의 유무 등 다양한 실험을 통하여 CFRP 그리드의 인 장 성능평가를 진행하였다. 선행 연구에서는 CFRP Grid의 인장시험 고정단의 경계조건에 따른 영향 성 분석을 위해 ASTM D7205 및 ASTM D6637에 따라 Tap-Tap (Type 1), Tap-Mortor (Type 2) 로 구성하여 인장시험을 수행하였으며, 시편의 파단 형상 및 시험 결과값이 가장 안정적인 Type 2를 CFRP Grid의 고정단 경계조건으로 설정하였다. 이러한 선행 연구를 바탕으로 고온 노출에 따른 CFRP 그리드의 인장 성능시험 평가를 진행하였으며, 인장시험은 만능재료시험기 및 고성능 카메라를 활용하여 최대 응력과 탄성계수를 도출하였다. 온도는 FRP의 전이온도인 150℃ 이내의 130℃에서 각 Case 별 5개의 시편을 70분(Case 2), 100분(Case 3), 120분(Case 4), 150분(Case 5) 노출한 후, 고온 에 노출하지 않은 시편(Case 1)과 비교하였다. 실험 결과, Case 5와 Case 1을 비교하여 인장강도와 탄성계수는 각각 최대 51.32%, 44.4% 감소하였다. 결론적으로 고온 환경에서 지속적으로 노출될 경 우, CFRP Grid의 성능이 최대 절반 수준으로 감소 되며 RC 부재 내‧외부에 보강 시에 고온 조건을 면밀히 검토하여 성능 감소를 최소화할 필요가 있다고 판단된다.

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.

In this study, the adsorption/desorption performance of toluene was evaluated using zeolite adsorbent to replace activated carbon with one-off and ignition characteristics. For the proper operation of the VOCs adsorption/desorption and condensate recovery steps, the operating range by various adsorption/desorption temperatures was selected. The adsorbent is a bead-type zeolite, which was put into an adsorption tower of 10 LPM scale. As a result, it was demonstrated that 0.079 mg/g was adsorbed at a low temperature (20°C) during adsorption. In the case of desorption, it was found that VOCs adsorbed on the adsorbent were completely recovered after the desorption operation at 220°C for about 160 minutes. However, in the heating rate step for desorption, it was not possible to maintain an appropriate heating rate by filling the tower with zeolite. This was complemented by applying a copper plate with high thermal conductivity, and it was shown that the time was shortened by about 10 minutes or more. When VOCs are emitted at high concentrations during the desorption process, they can be reused as energy resources through low-temperature maintenance, and a condensation method was attempted. The efficiency of condensing chiller (cooler) with temperature control and liquid nitrogen condensing was compared. It was found that the chiller condensing efficiency increased as the temperature decreased. In the case of liquid nitrogen condensation, the liquid nitrogen temperature was maintained at -196°C, showing a stable efficiency of 90%.

국내 주요 사회기반시설의 70% 이상이 철근콘크리트 구조물로 구성되어 있다. 최근 다양한 사회적ㆍ환경적 변화로 인한 내하력 저하 및 노후화 진행이 발생됨에 따라 섬유강화 복합소재(FRP)를 활용한 유지보수 수요 및 비용이 급격히 증가되 고 있다. 이에 따라 보다 경제적이고 효율적으로 FRP 보강재를 활용함에 있어서 성능을 예측할 수 있는 방법이 요구된다. 본 연구에서는 CFRPㆍBFRP 복합재료를 실험 대상으로 선정하고 성능을 결정하는 주요 인자인 섬유/수지 함침률을 54.3%, 43.9%, 39% 3가지로 분류하여 성능을 평가하고 이를 활용하여 FRP의 성능을 예측할 수 있는 모델식을 개발하고자 하였다. 매개변수에 따른 성능평가 결과, 두 섬유 모두 함침률이 낮아질수록 재료성능 또한 감소되는 것이 확인되었으며, 특히 BFRP의 경우 39%의 함침률에서 감소폭이 CFRP 대비 더 큰 것으로 나타났다. 실험 결과와 기존의 예측 모델식과의 성능 비교를 통해 약 15%의 오 차가 나타나는 것을 확인하였으며, 이에 따른 보정계수를 산정하여 예측 모델식을 재정립하였다.

CKD 추출액은 시멘트공정에서 발생한 폐기물인 CKD를 시멘트 원료로 재사용하기 위해 공정 방해물질로 작용하는 KCl을 추출한 폐수이며, 폐수처리시설 증설 등의 문제로 추출액 무방류 및 이를 재이용하고자 하였다. 이온교환법을 적용하여 KCl을 제거한 결과, 이온교환 후 추출액의 pH는 12.7 에서 pH 2 미만으로 감소하였으며 양이온교환수지의 H+가 이온교환을 거쳐 추출액에 용해되었음을 확인하였다. 이온교환의 선택성에 의해 Ca2+, K+ 순서로 제거되었으며, K+ 이온을 제거하기 위해 접촉시 간의 증가가 필요함을 판단하였다. 이온교환수지와 직접접촉시간이 약 6배 높은 접촉시간을 갖는 회분 식장치에서 연속흐름식장치 대비 4배 높은 K+ 제거 효율을, 7배 높은 Cl- 제거 효율을 확인하였다. 양이온교환수지의 H+가 음이온교환수지의 OH- 대비 1.2배 빠른 교환속도를 가짐을 추출액 pH 변화를 통해 확인하였다.

황폐된 산지나 계곡에서 폭우 시 토사, 암석 및 임목 등의 유출을 억제하는 투과형 스크린 구조물이 충격을 받아 기능이 마비되고, 복구하기에 많은 시간과 유지관리 비용이 든다. 본 연구는 이러한 피해와 문제를 줄이기 위하여 투과형 스크린 방지 구조재의 안전성을 평가하고 시공재료를 강재와 GFRP 복합재료로 나누어 강재 구조재의 GFRP 구조재로 대체 가능 여부를 평가하고자 한다. 해석적 안전성 평가는 Abaqus 상용프로그램을 이용하여 각 재료에 대한 안전성을 비교, 평가하였고 이를 통하여 GFRP 복합재료의 적용성에 대한 가능여부를 평가하였다. 복합재료 안전성 평가에 있어 Tsai-Hill Failure Criteria를 적용 하였으며 강재에 비하여 충분히 안전하다는 결과를 얻었다. 하지만 본 연구는 수치해석을 통한 결과일 뿐이므로 향후 실험 및 기능성, 경제성에 대한 분석 또한 수행될 필요가 있을 것으로 판단된다.

The purpose of this study is to compare and evaluate the safety of the facility using the Abaqus finite element analysis program according to the material characteristics like steel and GFRP.