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 철근 부식 문제의 대안으로 주목받는 섬유보강폴리머(FRP) 보강 콘크리트 구조물의 성능을 통합적으로 평가하고 최적 설계 기준을 제시하기 위해 메타분석을 수행하였다. 부착, 휨, 압축 성능을 다룬 선행 연구 6편에서 도출된 355개의 정량적 데이 터 셋을 종합하여, 개별 연구에서는 파악하기 어려운 설계 변수 간의 상호작용과 성능의 임계 조건을 규명하였다. 분석 결과, 특정 조건에서 FRP 보강 부재의 성능이 오히려 철근콘크리트(RC)보다 저하되는 ‘성능 전이 현상’을 최초로 정량화하였다. 휨 부재에서는 보강비(ρ)에 따라 요구되는 최소 탄성계수(      )를, 압축 부재에서는 RC 대비 성능 우위를 확보하기 위한 임계 보강비 (  )와 최소 콘크리트 강도(  40MPa)를 제시했다. 또한, 기둥의 취성파괴 위험을 설계 초기 단계에서 정량적으로 평가할 수 있는 ‘취성파괴 위험지수(BFRI)’를 개발하여 안전성 검증을 위한 새로운 척도를 제안했다. 본 연구의 성과는 기존의 정성적 지침을 넘어, 실무 설계자가 FRP의 성능을 극대화하고 취성파괴 위험을 체계적으로 관리할 수 있는 정량적 설계 프레임워크를 제공한다는 점에서 중요한 의의를 가진다.

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.

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.

국내에서 지진 발생빈도가 증가함에 따라 다가구주택 필로티기둥의 내진보강이 필수적이다. FRP 패널은 경량성과 고강도를 갖춘 내진 보강재료 사용되고 있으나, 상대적으로 낮은 임계온도로 인해 화재에 취약하다. 따라서 FRP 패널로 보강된 RC 기둥의 내화 성능을 확보할 방안이 필요하다. 본 연구에서는 FRP 패널로 보강된 RC 기둥의 내화성능을 평가하기 위해, FRP 패널의 열적특성(비열, 열전도율, Weight loss)을 확인하는 소재시험을 진행하였다. 또한, FRP 패널로 보강된 RC 단주기둥에 뿜칠을 도포하고, 표준화재 1시간 동안의 온도거동을 분석하였다.

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 RC(철근콘크리트) 기둥과 FRP 콘크리트 기둥의 압축성능을 P-M 상관도를 통해 비교, 분석하였으며, 특히 콘크리 트 압축강도, 보강비, FRP의 탄성계수 변화에 따른 기둥의 거동 특성을 분석하였다. 연구 결과, 고강도 콘크리트(40MPa 이상) 사용 시 FRP 보강 기둥의 성능이 RC 기둥을 상회하며, 균형파괴점이 압축영역으로 이동하여 안정성이 향상됨을 확인하였다. 보강비는 0.010∼ 0.015 범위에서 최적 성능을 발휘하며, 과도한 보강은 오히려 취성파괴 위험을 증가시킬 수 있음을 확인하였다. FRP 물성 선택에 있어 낮은 파괴변형률과 적절한 탄성계수를 가진 재료를 사용하여 균형파괴점을 압축영역에 위치시키는 것이 중요함을 제시하였다. 본 연구 는 FRP 보강 기둥 설계 시 콘크리트 강도, 보강비, FRP 물성을 종합적으로 고려하여 압축성능을 최적화하고 안정성을 확보할 수 있는 방안을 제시하였다. 이러한 결과는 FRP 보강 콘크리트 기둥의 효과적인 설계 및 성능 향상에 기여할 것으로 기대된다.

기존 교량을 일체식 교대 교량과 같이 거동할 수 있도록 교대 흉벽과 상부슬래브를 일체화하는 흉 벽 일체식 교대 교량 공법에 관한 것으로, 교대 흉벽은 뒤채움 토사의 토압을 주요 하중으로 설계되기 때문에 배면부에는 휨보강 철근이 배치되지만 흉벽 일체화에 따른 흉벽 전면부에 온도팽창에 저항하 기에 부족한 철근량을 가지게 된다. 본 실험 연구는 일체화된 흉벽 구조체의 단차부 전면에 부착-정 착방식으로 제작된 FRP 보강체를 사용하여 휨 실험을 수행하고 이를 비교 분석하였다.

본 연구는 보강 콘크리트로 철근 대신 복합재료를 사용한 구조물의 설계에 대하여 다양한 파라미터 연구를 수행하여 철근콘크리트 대비 강점을 비교, 분석하였다. FRP 콘크리트는 ACI 440.1R-15를 적 용하였으며, 철근콘크리트 설계는 KDS 14(2021)의 최신 규정을 적용하여 다양한 파라미터 연구를 수 행하였다. 파라미터 변수로 콘크리트 밑단에서 철근의 중심까지의 거리, 보강량, FRP의 탄성계수 및 극한 변형률의 4개로 설정하여 다음과 같은 결론을 얻었다. (1) FRP의 탄성계수와 극한 변형률이 클 수록 FRP 콘크리트의 휨성능이 우수하지만, 극한 응력이 동일할 때 극한 변형률보다 탄성계수를 크게 하는 것이 유리하며, 보강량이 작을수록 유리한 것으로 분석되었다. (2) FRP 콘크리트가 인장지배 단 면이나 변화구간 일 때 극한 변형률 증가에 휨성능이 비례해서 증가하지만 압축지배 단면일 경우에는 극한 변형률이 증가해도 휨성능은 증가하지 않는다. (3) FRP 콘크리트의 휨성능은 FRP의 탄성계수와 극한 변형률을 적절하게 조절하여 선택함으로서 최적의 성능을 나타낼 수 있다. (4) 또한, FRP 콘크리 트는 최소 피복두께가 필요하지 않아 추가적인 휨성능이 17~33% 증진 효과가 나타났다.

콘크리트 구조의 인장 보강재로 주로 사용되는 철근은 높은 인장강도와 연성이 우수한 변형 특성에 도 불구하고 부식이 발생할 수 있다는 단점을 갖고 있다. 이러한 문제점을 개선하기 위하여 부식이 발 생하지 않는 다양한 재료 중 FRP(Fiber Reinforced Polymer)를 철근과 유사한 형태의 Rod로 제작하 여 철근을 대체하는 보강재로 사용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 그중에서도 인장강도가 우수한 탄 소 및 유리섬유를 일방향으로 성형하고 Rod 표면을 굴곡 처리한 CFRP 및 GFRP 보강근을 중심으로 콘크리트 구조에 적용하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이 연구에서는 FRP Rod를 보강근으 로 하는 콘크리트 부재의 부착특성과 균열폭, 처짐과 같은 사용성 평가에 중요한 역할을 하는 인장강 화효과를 포함한 균열거동 특성을 파악하기 위하여 단변의 피복두께와 FRP 보강근 지름의 비를 1.0에 서 3.5 까지 0.5배씩 증가하는 직사각형 단면을 갖는 길이 1,000mm의 인장부재를 제작하여 만능재료 시험기(Universal Testing Machine)를 이용한 직접인장실험을 수행한 후, 피복두께와 FRP 보강근의 지름 비에 따른 균열거동(Cracking Behavior) 및 인장강화효과(Tension Stiffening Effect)를 분석하고 현행 설계기준의 규정과 비교하였다. 작용하중에 따라 발생하는 균열에 대해서 횡방향균열(Transverse Crack)과 쪼갬균열(Splitting Crack)로 각각 구분하고, DAQ(Data Acquisition) 시스템을 이용하여 콘 크리트 인장부재에 매입된 CFRP 및 GFRP 보강근의 변형량 및 작용하중을 측정하였으며, 그 결과로 부터 하중-변형률 관계로 대표되는 인장강화효과를 분석하였다. 균열거동 및 인장강화효과를 분석한 결과, CFRP 또는 GFRP Rod를 보강근으로 하는 콘크리트 인장부재는 FRP 보강근과 콘크리트의 부 착강도를 감소시키는 쪼갬균열이 발생하지 않도록 피복두께를 보강근 지름의 2.5배 이상 확보하였을 때, 각 보강근별로 극한강도 fu의 60-70%에 해당하는 하중이 작용하는 단계에서 인장강화효과는 우 수한 것으로 나타났으며, 철근을 보강근으로 하는 현행 설계기준의 규정으로 예측한 결과보다 우수한 인장강화효과를 얻을 수 있음을 확인하였다.

고성능섬유복합시멘트 복합체 및 FRP 외피보강 실험체의 방폭성능을 평가하기 위해 1900×1900× 105mm 크기의 이방향 슬래브를 대상으로 옥외 폭발실험을 수행하였다. 설계압축강도, 섬유혼입률, 섬 유종류를 변수로 고려하여 이방향 슬래브 실험체를 제작하였다. 폭발의 종류는 폭압측정과, 구조부재 의 구조적 방폭성능의 평가를 위해 원거리 폭발(Far Field Blast)로 선정되었다. 이에 TNT 장약량 100kg, 이격거리 5m의 폭발 실험 조건이 고려되었다. 또한 구조부재의 방폭성능 평가를 위해 가속도 계, 스트레인게이지, 동적변위계, 압력계가 실험체에 부착되었으며 초고속카메라를 활용해 폭발로 인한 실험체의 거동을 촬영하였다. 실험의 결과로 보통콘크리트 변수의 경우 가해진 폭압에 의해 실험체 중 앙부의 천공과 같은 극심한 손상이 발생하였다. 강섬유 보강 HPFRCC 실험체의 경우 실험체 하단부 의 국부적인 손상이 발생하였다. 강섬유의 가교효과로 인해 배면 박리는 발생하지 않았으며 약 80mm 의 영구 변형이 발생하였다. 또한 폭발하중으로 인해 높은 가속도가 측정되었으며 이러한 측정결과는 해당 실험체가 재료파괴로 인한 에너지 소산이 아닌 폭발하중에 직접적으로 저항한 것으로 판단된다. 유기섬유(Aramid) 보강 HPFRCC의 경우 폭발하중으로 인해 심각한 파괴양상이 나타났다. 이러한 파 괴양상은 취성적 특성을 가진 유기섬유가 폭발하중에 의해 파괴되어 충분한 인성을 나타내지 못한 것 으로 판단된다. 마지막으로 FRP 외피 보강 HPFRCC의 실험 결과로 중간 정도의 파괴가 발생하였으 나 배면 박리는 나타나지 않았다. 폭발 하중으로 인한 영구변형은 약 40mm 발생하였다. 강섬유 보강 HPFRCC의 결과와 달리 더 낮은 수준의 가속도가 측정되어 FRP 외피 보강 HPFRCC 실험체는 폭발 에너지를 소산시킨 것으로 판단된다. 결론적으로 인명피해와 직접적인 연관이 있는 배면 박리의 발생 유무와 에너지 소산 및 저항, 잔류처짐의 측면에서 HPFRCC가 우수한 방폭 성능을 나타냈음을 실험 적으로 확인하였다.