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기존의 건설재료와 미래의 건설재료, 복합신소재

Ⅰ. 서론1. 기존의 건설재료와 미래의 건설재료현대 사회에서 콘크리트 및 강재의 중요성은 절대적이다. 건설에 필수적인 콘크리트의 노후화 현상과 강재의 부식은 내구성 저하 및 구조적 문제 발생이 우려되어 안정성을 위협할 뿐만 아니라 막대한 유지 보수 비용이 들어간다. 2016년 미국부식 엔지니어협회(NACE)가 조사한 바에 의하면, 연간 유지관리 비용으로 소모되는 비용이 2.5조 달러에 달한다. 이는 미국 GDP의 3~4%에 달하는 금액이다. 또한, 건설 현장에서 사용하고 남은 콘크리트는 무단으로 버려지는 경우가 관행화되어 있다. 이렇게 버려진 시멘트는 강한 알칼리성을 띠며 수질 및 도양 오염에 주원인으로 지목되고 있어 환경문제로도 이어진다. 이러한 문제를 해결하기 위한 근본적인 해결책이 필요하며 최근 대안으로 복합 신소재를 활용해야 한다는 목소리가 높아지고 있다. 미래의 건설재료 복합 신소재란 무엇일까? 복합 신소재가 무엇인지 알아보며 우리에게 가져다줄 이점과 향후 전망으로 건설 분야에 어떻게 적용해야 하는지에 대해 알아보고자 한다.Ⅱ. 본론1. 미래의 건설재료, 복합신소재① 복합 신소재란 무엇인가?복합소재는 두 가지 이상의 재료를 조합하여 각 재료가 갖고 있는 장점을 활용하고 단점을 보완한 재료이며 건설 분야에서 가장 활발하게 사용되고 있는 철근 콘크리트 또한 복합재료에 속한다. 복합 신소재는 21세기 산업 발전을 발판으로 콘크리트 및 강재의 한계와 장단점을 개선하여 새롭게 등장한 재료이다. 복합 신소재는 부식 저항성, 유지관리의 용이성, 성능의 우수성으로 기존 재료의 단점을 보안하였고, 특히 기존 건설재료로 시공할 수 없는 특수한 상황에도 사용이 가능하다는 것이 가장 큰 이점이다. 그뿐만 아니라 다양한 구성 재료별로 목적에 맞는 부재를 생산하고, 기존에 개발된 펄트루젼공정 등을 통해 대량생산에도 용이한 장점도 갖고 있다. 현재 시공의 편의성과 구조적 성능의 우수함으로 인해 보수보강 재료로 각광받으며 일부에선 복합 신소재만으로 구성된 구조물도 시공되고 있다.② 복합 신소재 종류별 특성복합 신소재의 연구 진행 도와 상용화 가능한 부분을 파악하기 전, 대표적인 복합 신소재와 그 특성을 알아보고자 한다.1) 섬유 보강 복합재(FRP)복합 신소재 중 가장 활발하게 연구되고 있는 재료로 섬유 보강 복합재(Fiber reinforced polymeric plastics; FRP)가 있다. 섬유 보강 복합재는 비부식성, 경량성, 고강도의 장점을 지녔으며 현재 다방면의 건설 분야에서 활용되고 있다. FRP의 재료 중량은 강재 중량의 1/4이지만 기존 콘크리트 및 강재로 건설된 구조물에 비하여 무게가 1/10이며 그만큼 경간과 층고를 높일 수 있다. 이는 1000m가 넘는 초고층 빌딩이나 3000m 이상의 초장대 교량을 계획할 때 필수적으로 고려해야 할 소재일 뿐만 아니라 강도/중량의 비가 매우 크므로 초고층, 초장대 구조물일수록 유리한 장점이 있다. 이와 같은 장점은 대형 프로젝트에서 FRP 복합 신소재가 구조재로 더욱더 중요한 비중을 차지할 것이다.2) 탄소섬유 보강 복합재(Carbon FRP, CFRP)탄소섬유 보강 복합재는 탄소섬유를 강화재로 수지를 이용해 결합시켜 고강도·고탄성의의 경량 구조재로 주목을 받고 있는 첨단 복합 재료이다. 플라스틱계 복합재인 CFRP는 경량 구조용 재료이기 때문에 비강도는 철강의 6배, GFRP의 2배이며 비탄성률은 철강의 3배, GFRP의 4배이다. 또한, 정적 강도뿐만 아니라 뛰어난 피로 특성을 갖고 있으며, 내마찰 및 마모성이 뛰어나다. 강재에 비해 비강도가 매우 높기 때문에 항공기, 차량, 선박, 군수산업 등 중량을 감소시키고 재료의 강도를 확보해야 하는 경우에 활용되고 있다.2. 국내외 사용실황이처럼 복합 신소재는 토목·건설 분야에서 기존 재료가 해결할 수 없는 문제의 해결책으로 작용할 수 있으며 현재 건설 분야에서도 크게 두 가지 방법으로 활용되고 있다. 첫째, 복합 신소재를 주부재로 활용하여 구조물을 건설하는 방법과 둘째, 기존 구조물을 복합 신소재를 이용하여 보수하는 방법이 있다. 섬유 보강 복합재로 교량을 제작한 해외 사례는 다수 존재한다.FRP는 현재 건설 분야 다방면에서 활용되고 있는데 특히 시공된 구조물의 유지관리 및 보수보강 재료로써 많은 부분 실용화되어 있다. 기존의 노후교량 상하부 구조를 외부에서 보강하기 위해 FRP 복합 신소재인 FRP 시트(Sheet)나 패널(panel)을 이용하거나 철근콘크리트 교량의 보강철근을 유사한 단면의 FRP 보강재로 대체하고 노후된 철근콘크리트 구조물의 보강기술은 다양하게 개발되어 적용되고 있다. 최근에는 FRP 복합 신소재를 이용한 철근콘크리트 구조물의 보강공법 기술 개발이 증가하고 있다. 국내의 경우 노후화된 구조물이나 부실시공된 구조물에 주로 적용하여 설계 강도가 미흡한 경우 회복시키는 것이 주 목적이지만 일본에선 교각 등의 구속 효과를 증가시킴으로 지진 시 부재의 소성 능력을 제고시키는 것이 주 목적이다.국내의 경우 2019년도 전남 목포시 고하도 해안데크 조성 사업의 부실시공 논란으로 재시공을 통해 FRP를 사용한 사례가 있다. 이 사례는 일부 구간 수직도 및 용접부 불량으로 재시공이 필요했으며 구조물의 내구연한을 높이기 위해 전체 부식 방지 도장 공법의 변경이 필요했다. 그 결과 82개의 강관파일을 재시공 및 철거하였고 반영구적 부식 방지를 위해 도장 공법을 방청에 필요한 테이프로 감은 뒤 최종 FRP 커버를 씌우는 테이프 방식으로 변경하였다.해외의 경우 미국, 유럽 등 선진국을 중심으로 FRP를 이용한 교량 건설이 진행되고 있다. 대표적인 교량 건설로 미국 Martin Marietta Composites사의 DuraSpan, Creative Pultrusions사의 Super Deck, 유럽 Fiberline사의 ASSET 등이 있으며 1986년 독일에서는 최초의 FRP 긴장재를 사용한 고속도로용 교량을 건설하였다. 유리섬유 강화폴리머를 인발성형하여 직경 7.5mm의 인장봉 19개를 만들어냈고, 그것으로 긴장재를 만들었다. FRP 교량은 철근콘크리트로 만든 RC교량에 비해 비용은 50%인 반면 철근부식이 없기 때문에 수명은 2.5배 이상으로 평가받는다. 설치도 간편해 경간 30m짜리 교량을 설치하는 데 단 하루밖에 걸리지 않는다.

공학/기술| 2023.10.14| 5페이지| 3,000원| 조회(324)

토목, 건설재료, 신소재, 복합신소재

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도심 속 싱크홀

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공학/기술| 2023.10.03| 9페이지| 3,500원| 조회(82)

토목, 싱크홀, 도심속싱크홀, 석촌호수싱크홀

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터널 붕괴 사례 소개 및 분석

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공학/기술| 2023.10.03| 13페이지| 3,500원| 조회(156)

토목, 암반공학, 터널붕괴, 세계터널붕괴, 니콜하이웨이

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재료별 응력조건, 강도론, 파괴기준 관점의 역학적 특성 평가A+최고예요

재료별 역학적 특성재료별 응력조건, 강도론, 파괴기준 관점의 역학적 특성1) 콘크리트 : 응력 조건 관점의 콘크리트는 인장력이 압축강도의 10% 밖에 되지 않으며 인장응력이 약하기 때문에 철근을 사용하여 인장력에 대응한다. 응력이 작은 범위에서는 압축응력-변형률 곡선이 거의 직선적이고, 응력이 커짐에 따라 기울기가 완만해지면서 위로 볼록한 곡선이 되어 최대 응력에 도달한다. 최대 응력에서의 변형률을 약 2%이며 보통 압축시험에서의 변형률을 약 0.3~0.4%이다. 콘크리트에 지속적으로 일정한 하중을 가하면 응력의 변화가 없어도 시간이 경과함에 따라 소성 변형이 증대되는 현상을 크리프 현상이라고 한다. 또한 강도론 관점의 콘크리트는 굳은 콘크리트의 강도에서 압축강도를 말하며 콘크리트의 압축강도는 재령 28일의 설계 기준 강도로 한다. 물-결합재비가 작아질수록 강도가 증가하고 일정할 경우 공기랑 1% 증가 시 압축강도는 4~6% 감소한다. 또한, 철강이나 고분자 등의 재료에 비해 소성 변형이 훨씬 작은 취성재료이다. 분말도가 클수록 초기 강도가 증가하여 부순돌은 강자갈을 사용한 콘크리트 보다 강도가 높다. 파괴 기준 관점의 콘크리트는 미시적 관점과 거시적 관점으로 나뉜다. 기본적으로 콘크리트는 어떠한 형태의 응력을 받아도 균열에 의해 파괴되며 미시적 관점에서의 특성으로는 재료 또는 부재 내에 불연속인 균열, 공극 등의 응력집중과 미세균열 발생의 파괴 진행 영역이 있다. 거시적 관점에서의 특성으로는 인장력과 압축력이 있다.2) 금속재 : 응력 조건 관점의 금속재는 항복점이 넘은 응력이 가해졌을 경우 파괴가 아닌 소성변형이 시작된다. 금속은 가해지는 응력이 인장강도를 넘어섰을 때 네킹이 일어나고 파단강도를 넘어섰을 때 파괴된다. 금속 피로로 재료를 파괴하기 위한 과정의 수는 일정하지 않고 가해지는 응력에 비례한다. 강도론 관점의 금속재는 기계재료에서의 강도, 경도, 비중이 크며 용융점이 높아 단단하고 강도가 높다. 금속은 파괴를 일으키지 않기 때문에 압축강도를 구하기 어렵다. 반면 인장강도로 피로한도를 구할 수도 있는데, 인장강도 350~550Mpa 사이의 경우 피로한도는 인장강도의 절반에 해당된다. 합금에 비해 순금속은 강도나 강성 등이 떨어지기 때문에 기계재료로는 합금의 형태를 많이 사용한다. 파괴 기준 관점의 금속은 연성과 전성이 크고, 소성변형성이 있어 가공하기 쉽다. 즉, 물체를 당기고 탄성의 한계를 넘어도 파괴되지 않고 가늘고 길게 늘어나는 성질을 가지고 있다. 또한, 두드리거나 압착 시 넓고 얇게 펴지는 성질이 있다. 금속 중에는 일정 응력 이하로는 금속 피로로 인한 파괴가 일어나지 않는 금속이 있고, 적은 응력으로도 언젠가는 파괴되는 금속도 있다. 피로파괴의 원리로는 확대해야 보이는 불규칙한 부분의 미세균열과 응력집중이 있다.3) 토질 : 응력 조건의 토질역학은 초기 지중 응력이 자중에 의해 생긴다. 이 자중은 흙의 단위중량과 깊이가 비례하는 상재 압력이라고 정의한다. 토질은 인장력，휨력，비틀림력 등에 저항하는 강도는 거의 없기 때문에 토질역학에서는 압축력과 전단력이 가장 중요하다. 강도론 관점의 토질은 전단강도가 가장 중요하여 대부분의 파괴에 이르는 것이 전단파괴이다. 주로 사용하는 파괴기준은 Mohr-Coulomb의 파괴 기준을 대입한다. 전단강도로 구분하는 것은 파괴 가능면을 가정하고 그 면에서의 전단응력이 전단강도보다 작으면 안정, 크면 파괴 또는 불안정한 것으로 구분할 수 있다. 또한, 주응력의 차에 의해 결정하는 것은 지중 입자에 사용되는 최대주응력을 구하여 축차 응력이 기준 강도를 초과하는지의 여부로 결정하는 방법도 있다. 토질의 파괴 기준으로는 토질이 인장응력을 받을 수 없기 때문에 파괴라는 개념을 대입하기 어렵다, 그렇기 때문엔 Hoek-Brown 파괴 기준을 적용할 수 없다.4) 암석 : 응력 조건의 암석은 대한 균열 확장 이론에 근간을 둔 Griffith의 파괴 기준을 대입할 수 있다. 미세균열이 이미 존재하는 암석에 인장응력을 가하여 균열의 길이가 더욱 길어지며 파괴되도록 일정한 에너지를 준다. 암석의 인장강도는 균열 길이 제곱근에 반비례하며 미세균열의 길이가 길수록 인장강도가 작아진다. 강도론 조건의 암석은 신선한 암석의 경우 콘크리트와 마찬가지로 어느 정도의 인장응력을 받으며 암석의 인장강도는 중요한 역할을 한다. Mohr-Coulomb의 파괴 기준을 대입한 암석은 인장실험, 일축압축강도시험, 삼축압축강도시험을 수행하여 파괴포락선을 구할 수 있다. 다만 토질역학과의 차이점으로 인장력을 받을 수 있어서 τ축 좌측 즉, 마이너스 축에도 파괴포락선이 존재한다. 또한, 첨두 강도뿐만 아니라 잔류 강도도 중요하다. 파괴 기준의 암석은 Hoek-Brown 파괴 기준을 적용할 수 있다. 신선한 암인 경우,

공학/기술| 2023.10.03| 4페이지| 3,000원| 조회(231)

재료, 응력, 건설재료, 강도론, 암반공학, 파괴기준, 재료별특성

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서중 콘크리트와 콘크리트 제품 특성

서중 콘크리트와 콘크리트 제품 특성1. 서중 콘크리트 시공법기온이 높을 때 시공하는 콘크리트를 서중 콘크리트라고 한다. 하루 평균 기온 25℃ 또는 최고 온도 30℃를 넘는 시기엔 서중 콘크리트로 시공해야 한다. 서중 콘크리트의 시공은 콘크리트가 건조되어 슬럼프가 감소하지 않도록 적당한 장치를 사용하여 빨리 운반한다. 손수레, 덤프트럭 등을 사용하여 수송할 시 직사광선이나 바람으로부터 보호해야 하며 펌프로 수송 시 수송관을 축축한 천으로 덮는 것이 좋다. 또한, 콘크리트를 치기 전에 기초 등 콘크리트로부터 흡수할 우려가 있는 부분을 충분히 적셔야 한다. 비빈 콘크리트는 될 수 있는 대로 빨리 쳐 넣어야 하며, 지연형 감수제를 사용하는 등의 일반적인 대책을 강구한 경우라도 1~5시간 내에 쳐야 한다. 콘크리트 치기 온도는 35℃ 이하로 하며, 온도가 높을 경우 야간에 치는 것이 좋으며, 거푸집 판에도 물을 뿌리는 것이 좋다. 또한, 콘크리트 치기는 콜드 조인트가 생기지 않도록 적절한 조치를 취해야 하고, 콘크리트의 슬럼프가 줄어들어 치기가 곤란한 경우 시멘트 풀의 양을 증가시켜야 한다.- 서중 콘크리트의 문제점1) 콘크리트 단위 수량 증가콘크리트의 온도가 높을수록 단위수량이 커지며, 수송시 슬럼프가 감소되므로 이것을 보정하기 위해 수량이 증가한다.2) 공기량 조절의 어려움AE 공기량은 콘크리트의 온도 상승에 따라 감소되어 불안정하게 되며 이에 따른 슬럼프 변화를 조정하기 어렵다.3) 응결 경화 속도 증가시공 가능 시간이 단축되어 다지기, 마무리 등이 불충분하게 된다. 특히 먼저 친 콘크리트와 나중에 친 콘크리트의 사이가 완전히 일체가 되지않아 시공 불량에 의한 이음인 ‘콘트 조이트’가 발생할 위험이 크다.4) 강도 저하단위 수량의 증가에 따른 강도 저하 외에 장기 강도의 증진을 억제하고, 더욱이 수분이 많이 증발하므로 양생이 불충분하게 되어 강도가 저하되기 쉽다.5) 균열 발생의 위험 증가경화 전에 물의 증발이 많고, 또한 응결이 빨라 유동성이 저하된다. 또 경화 후에는 단위수량의 증가에 의한 건조 수축 균열 등이 생기기 쉽다.이러한 문제점에 대한 대책으로는 콘크리트의 온도를 낮추는 방법이 있다. 저온의 재료를 사용하여 혼합용, 운반용 기재, 거푸집 등의 온도 상승을 막거나 야간에 작업하는 등의 방법이 있다. 또한 단위 수량 증가 및 조기 응결에 대처하여 응결 지연형의 감수제를 사용하고, 신속한 운반 및 작업, 유동화제의 사용 등의 방법이 있다. 마지막으로는 표면 마무리 직후 경화 초기 단계에 중점을 두는 것이다. 이는 급격한 건조를 막고, 수분을 공급하여 균열 발생과 강도 저하를 막는 것이다.2. 콘크리트 제품 특성콘크리트 제품 사용 시 현장 치기 콘크리트에 비해 여러 가지 이점이 있다. 현장에서 거푸집이나 동바리의 준비가 필요 없고, 기후 조건에 영향을 받지 않는다. 작업을 기계화할 때, 생력화나 숙련 작업의 저감이 가능하고, 양생 기간이 필요 없으며, 공기가 단축된다. 또한, 표준화 KS 제품을 얻기 쉽고, 사용 전 발취 검사로 품질을 확인할 수 있다. 지중에 매설하는 제품에서는 굴착량이 적어진다. 이와 같은 장점에 반해 제품을 현장에서 접합할 시 이음이 약점이 되기 쉬워 설계 시공상 충분히 고려해야 한다.

공학/기술| 2023.10.03| 3페이지| 3,500원| 조회(208)

콘크리트, 토목, 건설재료, 서중콘크리트

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