본 과제는 충격·폭발 후 동반 화재까지 견디는 내충격·내화 SIFRCC(슬러리 충전 강섬유보강 시멘트 복합재료) 재료 개발 연구임. 연구 목표는 폴리머 분말과 고혼입 강섬유를 활용해 콘크리트의 취성적 파괴를 억제하고, KS F 2257-1(ISO 834-1) 내화성능 및 동적충격 저항성까지 확보하는 것임. 연구 내용은 1차년도 내화성능 확보 폴리머 배합 도출, 2차년도 압축·휨·인장 및 고온 후 역학 평가와 내화시험, 낙하충격시험 추가 수행, 3차년도 기둥·보 구조부재 온도상관관계 도출 및 현장 제조·타설 매뉴얼 개발임. 기대 효과는 내화용 원천기술과 내충격성능 동시 확보로 대형사고 위험 및 인적·물적 피해를 최소화하는 데 기여하는 것임.

본 연구는 내충격·방폭과 화재 위험 저감을 목표로, SIFCON(Slurry Infiltrated Fiber Concrete) 기반 HPFRCC(High Performance Fiber Reinforced Cementitious Composite)에서 슬러리 충전 강섬유보강 시멘트 복합재료(SIFRCC)를 개발하는 연구임. 연구목표는 폴리머 분말을 고혼입 강섬유와 함께 설계해 충격·폭발 후 동반 화재에서도 내화성능이 확보된 고성능 SIFRCC로 취성적 파괴를 억제하고 피해를 최소화하는 데 있음. 핵심연구내용은 1) 내화성능 확보 폴리머 적정 혼입률 도출 및 최적배합, 2) 압축·휨·인장 등 역학특성과 고온노출 특성 및 KS F 2257-1(ISO 834-1) 내화성능, 동적충격 저항성 시험, 3) 기둥·보 구조부재 온도상관관계 도출과 제조·타설 매뉴얼 및 현장적용기술 도출에 있음. 기대효과는 내화용 구조재료 원천기술 및 내충격성능 동시 확보, 강섬유뭉침 제한 완화와 경제적 활용성 증대, 대형사고 가능성 및 국민 불안요소 저감임.

○ TASK 1 : 내화성능 개선 HPFRCC 개발 (HPFRCC 2 Type, 강도별 4 수준) - 내화성능 개선 강섬유/FRP슬러리충전 HPFRCC 재료구성 및 배합개발 - 개발 재료의 정역학 및 동적충격 특성시험 평가 - 내화성능 개선 강섬유/FRP슬러리충전 HPFRCC 내화성능 시험평가 - 내화성능 개선 강섬유/FRP슬러리충전 HPFRCC 시제품 개발 (2종) - 내화성능 개선 강섬유/FRP슬러리충전 제조 및 타설 매뉴얼 개발 ○ TASK 2 : HPFRCC 프리캐스트 방호구조물 개발 - HPFRCC 프리캐스트 방호구조물 개념 및 형상 설계 - HPFRCC 프리캐스트 모듈 및 모듈연결 상세설계 - HPFRCC 프리캐스트 모듈 몰드 설계 및 제작 - HPFRCC 프리캐스트 방호구조물 방폭성능 해석 및 방호 방폭성능 시험평가 - HPFRCC 프리캐스트 방호구조물 시작품 개발 ○ TASK 3 : HPFRCC 동적충격물성 성능평가 기술 개발 - HPFRCC 동적충격 압축 및 인장물성 시험규격(학회규격) - 내화성능 개선 강섬유/FRP슬러리충전 HPFRCC 동적충격물성 시험평가 - HPFRCC 동적충격 재료 파괴모델 및 동적증가계수모델 개발 - HPFRCC 동적충격시 전단시험 및 균열속도 계측 방안 검토 ○ TASK 4 : HPFRCC 구조부재 내충격 및 방폭성능 평가 기술 개발 - 하중재하 조건을 고려한 HPFRCC 구조부재 요소별 내충격 시험평가 - HPFRCC 적용 구조부재 요소별 소규모 폭발 시험평가 - 보강철근 변수를 고려한 내충격 및 방폭성능 시험평가 - 보강철근을 고려한 HPFRCC 구조부재의 내충격 및 방폭 성능평가 가이드라인(안) 작성 ○ TASK 5 : HPFRCC 방폭 구조 해석 및 연쇄붕괴 해석 기술 개발 - HPFRCC 종류별 특성을 고려한 구조부재거동 해석기술 개발 - HPFRCC 구조시스템의 보강방법에 따른 방폭 및 연쇄붕괴 해석기법 개발 - HPFRCC 구조부재 및 구조시스템의 손상평가 기준 제시 ○ TASK 6 : 방호등급 및 폭발하중 산정 프로세스 개발 - 폭발 위협 및 설계 하중 결정 체계 개발(위협 분석) - 자산 분석, 구조부재 피해기준과 통합하여 시설물 RISK 산정 체계 개발 ○ TASK 7 : HPFRCC 방폭 실증실험용 Mock-Up 구조물 설계 및 제작 - 가스챔버 방폭실험용 구조부재 제작 - 방폭 실증용 Mock-Up 제작 기본계획 및 개념 설계 - 방폭 실증용 Mock-Up 구조물 사전 폭발 해석 및 단면 설계 - 방폭 실증용 HPFRCC 축소 모형 구조물 제작 - 방폭 실증용 HPFRCC Mock-Up 상세 도면 작성 - 방폭 실증용 HPFRCC Mock-Up 구조물 제작 ※ 강섬유보강 HPFRCC, 기존 RC + FRP보강 HPFRCC, 일반 RC 구조물 (총 3종) ○ TASK 8 : HPFRCC 구조부재 및 구조물 방폭 실증실험 - 가스폭발챔버를 이용한 구조부재 방폭 실증실험 - Mock-Up 구조물 방폭 실증실험 기본 계획 수립 - 구조물 방폭 실험용 보조 장치(Zig) 설계 및 제작 - 방폭 실증용 HPFRCC Mock-UP 구조물 폭발 실험장 이동 및 설치 - 폭약(TNT) 구매, 방폭 실증실험 센서 및 계측 사양 설계 - Mock-Up 구조물 방폭 실증실험 ○ TASK 9 : HPFRCC 방폭 구조설계 지침 개발 - 지침(안) 구성 계획 절차 수립 및 내용구성 안 도출 - 지침(안) 작성 및 검토 위원회 구성 - HPFRCC 방폭 구조물의 설계절차 및 설계 일반사항 작성 - 연구단 개발 내용 설계 지침 수록 내용 작성 - HPFRCC 방폭 구조물의 설계 예제집 작성 - HPFRCC 방폭 구조설계 지침 개발 (검토위원회 및 공청회 수행) ○ TASK 10 : HPFRCC 방호·방폭구조물 Test Bed 적용 - HPFRCC 방호·방폭구조물 Test Bed 적용 계획 수립

최근 교량을 포함한 사회기반시설물에 대하여 예상하지 못한 하중 즉 화재, 지진, 폭발 등의 극한하중의 발생 가능성이 점점 증대되고 있으며, 국가 경제발전과 국민의 삶의 질 향상에 따라 사회기반시설물의 역할 및 안전성이 시설물 고유의 기능과 구조적인 안전성에 더하여 사용자적 측면에서의 안전성도 함께 매우 중요시 되고 있다. 이러한 사회기반시설물 중에 도로교통 네트워크의 매우 중요한 역할을 담당하고 있는 교량 구조물에 대하여 교통 물류의 발달과 함께 위험물 수송의 증가와 교통량의 증가로 인하여 화재의 발생이 증가하는 추세이다. 또한 교량하부 공간의 효율적 활용성에 대한 요구로 인하여 교량하부를 적치공간으로 활용하는 빈도가 높아지고 있다. 이러한 이유들로 인하여 최근 교량의 화재 발생 위험도가 급격히 증가하고 있는 실정이다. 최근 서울시에서는 ‘고가하부 점용허가 기준’을 마련하여 교량하부 인화성 및 폭발성 물건의 적치를 규제하고 있다. 하지만 이러한 교량 구조물에 대한 화재의 위험도에 대한 정량적 평가가 수행된 사례는 없으며, 사용자의 관점에서 안전성에 관한 대응이 전무한 실정이다. 또한 교량의 특성상 화재로 인한 교통 물류의 차단 시에는 막대한 2차적인 사회·경제적 피해가 발생하게 된다. 따라서 국가기반시설물의 사회적 역할인 국민의 인명 안전성(Life Safety), 국가 및 국민 재산 보호(Property Protection) 및 사회적 불안요소 저감(Social Security)의 큰 틀 안에서 교량 구조물의 화재위험도를 평가하고 이를 기초로 적정 수준의 대응체계 개발이 반드시 필요하다. 이러한 목표를 위하여 필요한 기초 연구 내용은 다음과 같이 정리할 수 있다. 1. 국도 및 지방도상의 교량의 화재 노출 위험도 분석 - 조사대상 구간의 선정 - 국도 및 지방도의 교량화재 노출수준 분석을 위한 현장조사 - 교량 화재발생 원인·특성 및 피해 현황 분석 - 교량관리시스템(BMS), 시설물관리시스템(FMS) 자료의 활용을 통한 교량의 화재 노출 위험도 분석 최적 효율화 - 화재위험인자 분류 작업 2. 교량의 화재위험도의 분석 및 등급 평가 - 교량 화재위험도 수준 분석 ·교량화재 위험노출 현장실태 분석 ·위협대상 화원의 종류 및 규모 분석 ·하부 적치물 및 상부 통과 위험차량 분석 ·화재발생 시 소화 장비의 접근성 분석 ·다양한 인자를 고려하여 위험도 수준등급 결정 지원 - 교량 화재위험도 등급 결정 알고리즘 개발 ·교량화재 발생 시 인적 및 물적 피해 예상 규모 분석 ·화재 시 내하력 저하, 붕괴위험성 등 구조적 위험도를 포함한 등급 산정 ·교량의 위치, 위험 노출 수준, 대응가능성 등을 종합적으로 고려하여 교량의 화재위험도 등급 결정 3. 위험도 등급 기반 교량화재 대응체계의 개발 - 교량화재 대응 기술수준 분석 ·내화 설비/재료 등 기술현황 분석 ·국내 적용가능 내화재료 기술수준 분석 - 교량화재 손상수준 분석 시뮬레이션 ·CFD 기반 FDS(Fire Dynamics Simulation) 프로그램 활용 및 교량화재 시뮬레이션 수행 ·시뮬레이션 결과에 따른 손상수준 분석 ·활용가능 내화재료 및 구조물 내화성능 분석 - 교량 화재위험도 등급수준에 따른 최적 대응 방안 수립 ·국외 교량화재 대응체계 자료수집 및 분석 ·화재 시 내하력 저하, 붕괴 위험성 등 구조적 위험도를 포함한 등급 산정 ·기술적, 경제적, 사회적 관점을 고려한 화재위험도 등급수준에 따른 화재대응체계(fire suppression system)의 제시 - 위험도 수준별 대응체계의 적용 지침(안) 개발