본 연구는 해양 환경에 설치되는 도교 구조물의 강재 부재의 부식 문제를 해결하고자 내부식성 재료인 FRP 제품으로 대체하 는 연구 과제의 일환으로써, 대체 구조물 설계 및 구조적 건전성 검증과 FRP 거더(GFRP, CFRP) 적용 시의 타당성을 검증하기 위해 수치해석적 연구를 수행하였다. 대체 구조물의 경우, 인천항 갑문 인근의 리딩피어 연결도교의 제원을 기반으로 각종 KDS 기준에 근거하여 설계되었으며, ABAQUS를 이용한 3차원 유한요소해석 모델을 통해 재료 변화에 따른 구조 거동을 비교⋅분석하였다. 하중 조건은 보도교 설계기준에 따라 0.0035 MPa의 등분포 활하중 등을 고려하였으며, 두 가지 하중 조합(극한한계상태, Case 1 및 사용 한계상태 Case 2)에 대해 검토하였다. 해석 결과, 사용성 측면에서 모든 하중 조합에 대해 허용 처짐(22.22 mm)을 만족하였다. GFRP 는 낮은 강성으로 강재 대비 처짐이 약 23.4% 증가했으나, CFRP는 강재 대비 약 0.3% 감소하여 강재와 유사한 거동을 보였다. 동적 특성 분석 결과, 모든 재료가 보행자 유발 공진 가능성이 낮은 것으로 확인되었으며, 내구성 측면에서 또한 마찬가지로 모든 재료가 휨, 전단, 축 하중에 대해 충분한 구조적 안정성을 확보하였다. GFRP 적용 시, 낮은 강성으로 인해 하중이 난간으로 재분배되는 현상 이 관찰되었으며, 이로 인해 난간의 축 압축 Damage가 강재 대비 약 24.9% 증가하였다. CFRP는 강재와 유사한 거동 특성을 보였으 나, 전단력 Damage에서 강재 대비 약 209.2% 및 GFRP 대비 약 110.2% 높게 산정되어 휨 성능 대비 전단 성능이 내구성 검토 시 더 불리하게 작용할 수 있음을 확인하였다. 본 연구는 FRP 거더, 특히 CFRP가 강재의 부식 문제를 해결할 수 있는 효과적인 대체재 로 작용할 수 있음을 정량적으로 검증하였다. 다만, 제시된 해석 모델은 Beam 요소를 이용한 단순화된 모델로써, 재료의 이방성 및 접합부 국부 거동을 상세히 규명하는 데에는 한계가 명확하다. 따라서 후속 연구로써 상세 해석을 통한 최적 설계 검토가 필요할 것으 로 판단된다.

본 연구는 Abaqus/Explicit을 이용한 GFRP 볼트의 체결 거동을 해석적으로 평가하고, 마찰계수(0.15, 0.175, 0.20)와 제 조공법(Pultrusion, Filament Winding)이 손상 개시에 미치는 영향을 분석하였다. 손상 개시는 Hashin 파손 지수 중 하나라도 1 이상이 되는 시점으로 정의하였다. Pultrusion 볼트는 모든 조건에서 수지의 인장으로 손상이 개시되었고, 마찰계수가 증가할수록 개시 시간은 감소하였다(0.8369초, 0.6564초, 0.4998초). Filament Winding 볼트는 손상 개시 시간이 마찰계수에 상대적으로 둔감 (0.5143–0.6026초)한 반면, 인장 관련 지수는 마찰계수 증가에 따라 상승하여 0.175에서 최대를 보였다. 마찰계수 0.15에서는 두 공법 모두 수지의 인장으로 손상이 개시되며 Filament Winding이 Pultrusion보다 더 이르게 개시하였다. 0.175에서는 Filament Winding의 손상이 다소 빠르게 개시하였으나 섬유-인장 지수가 1에 도달하였을 때, 수지-인장, 수지-압축에 대한 지수가 1에 근접하 는 양상이 나타났다. 0.20에서는 두 공법 모두 수지의 인장으로 손상이 개시되며 Pultrusion이 소폭 더 빨랐다. 응력–시간 그래프에서 Pultrusion은 횡방향 인장 상승과 면내 전단의 결합에 좌우되고, Filament Winding은 전단 지배 거동이며 마찰계수에 따라 손상 거동이 전환될 수 있음을 보여준다. 이러한 결과는 마찰 관리와 나사산의 구조가 GFRP 체결부 신뢰성의 핵심 설계 변수임을 시사하며, 예정된 실 규모 체결력 실험으로 시뮬레이션을 검증⋅보정할 계획이다.

본 연구는 부식에 취약한 강재의 대체 보강재로써 주목받는 CFRP 보강재의 피로 예측에 머신러닝을 적용하는 것이 타당한지 검토하였다. 이를 위해 선행 연구의 피로 시험 결과를 바탕으로 섬유-체적 비율 40, 50, 60, 80%의 데이터를 수집하였으며, 이 중 40, 50, 60% 섬유 함침율을 학습 데이터, 80% 섬유 함침율을 검증 데이터로 활용되었다. 머신러닝 학습에는 랜덤 포레스트 알고리즘 이 활용되었으며, K-폴드 교차 검증을 통해 알고리즘 내부의 하이퍼파라미터를 추정하였다. 그 결과, 최종 하이퍼파라미터는 결정 나무 200, 최대 깊이 20등으로 결정되었다. 해당 하이퍼파라미터를 적용한 피로 성능 예측 결과, 전반적으로 0.92∼0.97의 높은 결정 계수를 보여 충분한 예측 성능을 기대할 수 있을 것으로 나타났지만, 예측값과 실험값을 비교하는 산점도 분석 결과에서 3 mm 변위 수준의 예측값이 약 117만 사이클의 MAE를 보였다. 이는 적은 표본 수로 인해 학습 데이터에 과적합 되었음을 의미하는 명백한 증거 이며, 향후 지속적인 연구를 통해 개선할 필요가 있다.

본 연구는 수소 저장 용기의 지진 취약도 분석 시 요구되는 막대한 계산 자원 문제를 해결하고자, 기하학적 대칭성을 활용한 1/4 대칭 유한요소 모델(Quarter Model)을 개발하고 그 타당성을 검증하였다. 표준화된 AC 156 인공지진을 이용한 비선형 시간 이력 해석을 통해 Full Model과 응답을 비교한 결과, Quarter Model의 해석 시간을 Full Model의 20%를 가지고 해석을 완료하였으 며, 이에 따른 신뢰성 확보를 위해 최상단 변위를 통해 이를 검증하였을 때 0.13%의 미미한 오차를 보이며 변위 시간 이력 양상 역시 동일한 거동을 보이며 효율성 확보라는 연구 목표를 달성했다. 또한, 고유진동수, 강재와 콘크리트 주요부의 최대 응력에서 모두 높은 수준의 일치도를 보여 정량적 신뢰도를 입증하였다. 이를 통해 제안된 모델은 해석 정확도를 유지하면서 계산 비용을 획기적으로 절감 하는 효율적인 방법론임을 확인하였다. 다만 이는 균질 등방성 재료인 강재에 한정된 대칭 모델이며, 그 외의 재료 사용 시 추가적인 연구를 통한 모델 구축이 필요할 것으로 판단된다.

콘크리트 구조물의 내ㆍ외부 보강재로 사용되는 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic) 그리드의 철근 대체 가능성을 확인하기 위해, 철도용 콘크리트 침목 내부에 CFRP 그리드를 보강한 후 유한요소 해석 프로그램인 ABAQUS를 활용하여 성능을 평가 하였다. 본 연구에서는 PC 강연선 대신 CFRP 그리드를 보강하고 하중을 재하한 결과, 피복두께 40 mm에서 최대 휨-인장 응력이 2.494 MPa로 도출되었으며 이는 KR CODE 2012의 허용응력 기준을 충족하는 값으로 나타났다. 추가적으로, 본 연구에서는 설계기준에 따라 하중 조건과 응력분포를 고려하여 중립축 위치와 CFRP 그리드의 배치를 최적화한 침목 단면설계를 진행하였다. ABAQUS 해석을 통해 침목의 휨 강도와 내구성을 평가한 결과, CFRP 그리드를 적용한 침목은 기존 PC 강연 선 보강 침목 대비 유사한 수준의 구조적 성능을 확보하면서도 경량화 측면에서 우수함을 확인하였다. 이를 통해 CFRP 그리드가 철근 을 대체하여 철도용 콘크리트 침목 설계에 적합한 보강재로 활용될 수 있음을 확인하였다.

This study aims to enhance kiosk accessibility for digitally vulnerable users by designing and implementing a new type of kiosk interface that integrates AI-based motion and speech recognition technologies with gamification elements. Users can explore functions without touch using hand gestures and naturally learn how to operate the system through immersive interactions with mini-games. To evaluate the system’s effectiveness, a Focus Group Interview (FGI) was conducted with older adults, and a heuristic evaluation was carried out with UI/UX experts. The results showed that the proposed interface effectively lowered entry barriers and encouraged repeated use. However, some improvements were identified in visual guidance elements. This study goes beyond conventional UI improvements and serves as an experimental attempt to innovate kiosk user experience through AI technologies and gamified design.

본 연구는 보행자용 방호울타리의 구조 재료를 FRP로 대체하는 경우의 구조적 타당성을 동적 조건에서 검토하였다. ABAQUS/Explicit 기반의 비선형 충돌 해석을 통해 FRP 복합재 방호울타리의 충돌 거동을 분석하였으며, 각 재료의 비선형성을 반영 한 적절한 재료 모델을 적용하였다. 해석 결과, 기존 강재 방호울타리는 최대 약 167.6 mm의 변위가 발생하였으며, 방호구조물 및 기둥부의 소성 파괴가 관촬되었다. 추가적으로 콘크리트 연석의 고정부에서는 광범위한 파괴 양상이 확인되었으며, 이는 차량 충돌 시 구조체가 보행자 측으로 비산될 수 있는 위험성을 내포한다. 한편, CFRP 및 GFRP 방호울타리는 강재 대비 최대 변위가 약 7.1∼ 9.6%까지 증가하였으며, Hashin 파손 기준에 따른 파손 지수가 최대 1,548.428로 나타나 초기 단계에서 파손이 시작된 것으로 분석 되었다. 이러한 결과는 단순한 재료 치환만으로는 충분한 구조 안전성을 확보하기 어려움을 보여주며, FRP 복합재에 적합한 구조 설계 및 변수 최적화에 대한 추가 연구가 필요함을 시사한다. 아울러 수치해석 결과의 신뢰성 확보를 위해서는 향후 실험적 검증이 필수적이다.

최근 지구온난화로 인한 피해가 심각해짐에 따라 화석연료 사용을 줄이고자 친환경 수소 에너지의 활용이 증가하고 있다. 이에 따라 수소의 저장 및 운송을 위한 수소 저장 용기의 수요가 확대되고 있으나, 현재 널리 사용되고 있는 강재 기반 저장 용기는 부식과 같은 내구성 저하 현상에 취약하다. 따라서 선행 연구는 지지부 부식에 따른 내진 성능 저하 문제를 해결하기 위해 부식 저항성 이 뛰어난 CFRP를 지지부 기둥을 적용하여 설계 하중에서 적용성을 검토하였다. 이때 본 연구는 CFRP의 강도-중량비가 높음을 고려 하여 기존 강재 구조물 지지부 ㄱ 단면 대비 높은 강성을 가진 H 단면과 ㅁ 단면을 지지부 기둥에 적용하여 연구를 수행하였다. 이때 실제와 가까운 해석 결과를 도출하기 위해 고유진동수 추출해석을 진행하여 감쇠 계수를 적용 시켰고, AC 156 인공 지진을 설계 하중 으로 적용한 결과, ㅁ 단면을 적용한 강재 기둥의 접합부 응력은 222.34 MPa로 기존 ㄱ 형강 대비 78.93%로 설계 하중에 만족함을 보였다. ㅁ 단면 적용 CFRP 기둥은 파손 지수(DI)를 통해 평가하였고, 이때 최대 DI는 수지 인장에서 발생하였으며, 그 값은 0.708로 파괴 기준 대비 29.2% 낮아 설계 하중에 만족함을 보였다. 또한, 기초 슬래브에서 쪼갬 인장 응력과 휨 인장 응력을 통한 평가를 진행 하였고, 현장 실험 결과와 마찬가지로 설계 하중에 휨 인장 파괴가 발생하는 것으로 확인하였다. 하지만 파단 시점은 CFRP에서 1.54배 오래 설계 하중에 견디는 것을 확인하여, 그 적용성을 확인하였다. 결론적으로 지진의 발생 빈도가 높아짐에 따라 수소 저장 용기의 안전성 확보가 시급하다. 따라서 기존 강재 대상 구조물의 부식으로 인한 강성 저하 문제를 해결하기 위해, 높은 내구성 및 부식 저항성 재료의 적용은 필수적이다. 동시에 기초 슬래브의 안전성 확보에 대한 연구가 추가적으로 수행되어야 한다.

철근 콘크리트는 주요 건축 자재로서 다양한 구조 시스템에 널리 사용됩니다. 하지만 시간이 지남에 따라 동결-해동 주기, 철근 부식 등의 요인으로 인해 내구성이 저하되는 경우가 많습니다. 최근 탄소섬유강화폴리머(CFRP)는 강철보다 높은 중량 대비 강도, 동결융해 손상 저항성, 부식 저항성 등의 장점으로 인해 큰 주목을 받고 있습니다. 이러한 장점에도 불구하고 국내외 연구를 검토한 결과, CFRP 그리드에 대한 실험 연구가 부족하여 실험을 통한 CFRP 그리드 포장 공법 검증의 필요성이 강조되고 있습니다. 이 연구는 알칼리 노출에 따른 CFRP 그리드 포장 공법의 동결-해동 저항성과 강도 저하를 평가하는 것을 목표로 했습니다. 연구 결과, 인발 공법으로 제조된 CFRP 그리드는 RTM 공법으로 제조된 그리드에 비해 동결-해동사이클 후 강도가 10% 감소하고 알칼리 노출 시 최대 32.8%의 강도 감소가 발생하는 것으로 나타났습니다.

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.

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.

FRP 복합재료 중 CFRP(탄소 섬유 강화 플라스틱)는 현재 RC 구조물의 내부 및 외부 보강재로서 그리드 형태로 활용되고 있다. 그러나 CFRP 그리드에 대한 성능평가 기준은 매우 미흡하여 FRP 보강근 기준을 사용하고 있다. 따라서 본 연구에서는 그리드 가닥 수와 경계조건과 변수를 고려하여 CFRP 그리드의 인장 성능을 평가하기 위한 실험이 수행되었다. 가닥 수는 1, 2, 3가닥에 대한 인장시험이 수행되었으며, 경계조건의 경우 모르타르, 에폭시, 에폭시 + 모르타르로 변수를 지정하였다. 인장시험을 통하여 최적 가닥 수 및 최적 경계조건으로 개발한 시편을 토대로 고온 노출 시간에 따라 CFRP 그리드의 인장 성능 평가가 수행되었다. 온도는 130°C 로 유지되었으며, 5개의 시편을 각각 70분(Case 2), 100분(Case 3), 120분(Case 4), 150분(Case 5) 고온에 노출하여 비 고온 노출 시편 과 비교하였다. 실험 결과, 비 고온 노출 시편과 비교하여 Case 5에서는 인장강도와 탄성계수가 각각 최대 51.32% 및 44.4% 감소한 것으로 나타났다.

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.