형상기억합금 와이어를 이용한 철근콘크리트 기둥의 내진보강 및 보수

신진연구자 | 2017-12-26 오후 5:58:14 | 조회수 : 1450 | 공개



 

형상기억합금 와이어를 이용한 철근콘크리트 기둥의 내진보강 및 보수
 
정동혁 (Donghyuk Jung)

일리노이주립대학교 토목공학과

 
이메일:djung10 at illinois.edu


1. 본인의 연구를 소개해 주셔요.

지난 수십 년간 지진공학 (Earthquake Engineering) 분야는 많은 발전을 이루었고 크고 작은 지진속에서 철근콘크리트 (Reinforced Concrete, RC) 구조물의 붕괴를 막고 피해를 줄이기 위한 내진설계방식은 꾸준히 개선되어 왔습니다. 하지만, 많은 구조물이 내진설계가 반영되기 이전에 지어져 현재까지도 사용중이며, 언제 발생할지 모르는 지진의 위험에 노출되어 있습니다. 또한, 콘크리트와 철근과 같은 전통적인 건설재료로만 이루어진 구조물의 단점을 보완하고 성능을 개선하기 위해 새로운 건설재료의 사용도 활발하게 시도되고 있습니다.

  Fig. 1. 정동혁 연구자(뒷줄 오른쪽)와 연구실 동료들

저는 형상기억합금 (Shape Memory Alloy, SMA) 이라는 다소 새로운 재료를 이용하여 RC 구조물, 그 중에서도 RC 기둥의 내진보강·보수 (Seismic Retrofit·Repair) 에 관한 연구를 수행하고 있습니다. 최근의 포항지진의 피해사례에서도 볼 수 있듯이, 내진설계가 적용되지 않은 RC 기둥은 콘크리트를 적절히 구속 (Confine) 해줄 수 있는 횡방향 철근 (Hoop) 이 충분히 사용되지 않은 경우가 많으며, 그렇게 크지 않은 기둥의 횡변형에서도 콘크리트가 쉽게 부스러지고 소성힌지 (Plastic Hinge) 가 형성되어 결국은 취성파괴(Brittle Failure)에 이르게 됩니다. 이러한 취약성을 보완하기 위해 SMA 와이어가 RC 기둥에 적용될 수 있으며, SMA의 형상기억효과 (Shape Memory Effect, SME) 와 그에 따른 Prestressing을 이용해 콘크리트에 능동구속 (Active Confinement) 을 가할 수 있습니다. Active Confinement는 압축하중에서 콘크리트의 손상을 지연시키고 압축변형능력을 크게 향상시켜 RC 기둥의 연성적인 (Ductile) 거동을 이끌어 내는 역할을 하게 됩니다.

  Fig. 2. 형상기억합금의 열역학적 거동

  Fig. 3. 형상기억합금 와이어를 이용한 RC 기둥 능동구속 공법

학교에서 근처의 미육군 건설연구소 (U.S. Army Engineer Research and Development Center Construction Engineering Research Laboratory, ERDC-CERL) 에서 수행된 진동대 실험을 통해 SMA 와이어로 내진보강·보수된 RC 기둥이 강한 지진하중에서도 큰 손상없이 뛰어난 내진성능을 보일 수 있음을 확인하였고, 또한 시뮬레이션을 통해 다양한 지진하중 속에서 SMA 와이어로 보강된 교량이 어떠한 내진거동을 보일지 예측하는 연구를 수행하고 있습니다.

지역 신문 (The News-Gazette) 에 실린 진동대 실험 영상과 사진입니다.
http://www.news-gazette.com/news/local/2016-01-18/special-equipment-helps-ui-engineers-shake-out-bridge-flaws.html

  Fig. 4. 미육군 건설연구소(ERDC-CERL)에 위치한 진동대 실험세팅
 
 
2. 본인의 대표 논문(최신논문, 논문 링커 or 논문 첨부): 논문공개 불가시 초록만 기재.. 
 
- Jung, D., Zafar, A., & Andrawes, B. (2017). Sustainability of civil infrastructure using shape memory technology. Innovative Infrastructure Solutions, 2(1).

- Jung, D., & Andrawes, B. (2017). Seismic Damage Assessment of SMA-Retrofitted Multiple-Frame Bridge Subjected to Strong Main Shock–Aftershock Excitations. Journal of Bridge Engineering, 23(1), 04017113.


3. 연구중에 어떤 극복해야 할 문제가 있었고 이를 어떻게 해결하셨는지?

- 학부나 석사과정에서 한번도 실험연구를 경험해보지 못한 저에게 진동대 (shake table) 실험은 큰 도전이자 기회였습니다. 실험체 제작에서부터 계측센서 설치까지 실험과 관련된 모든 과정은 새로웠고, 만약의 경우에 재실험이 힘든 상황에서 단 한 번의 실험으로 제가 의도한대로 실험체의 구조적 거동을 이끌어내기 위해 많은 노력을 하였습니다. 이전 연구자들의 논문을 통해 실험방법과 세팅을 꾸준히 공부하였고, 지진 시뮬레이션을 통해서 실험체의 거동을 미리 예측하고 그러한 거동이 진동대의 하중한계 이내에서 이루어 질수 있도록 실험체를 설계·제작하였습니다.

실험은 하룻동안 진행되었는데, 계획 중 일부로 먼저 실험체에 지진하중을 통해 일정 손상을 입히고 나서 SMA 와이어로 보수, 재실험을 하기로 되었습니다. 사진에 보이는 것과 같이 진동대 위에서는 실험세팅으로 인해 움직임에 많은 제약이 있었고, 더군다나 짧은 시간내에 보수를 완료하기에는 쉽지 않은 상황이었습니다. 이를 위해 연구실 동료들과 틈틈히 실험상황을 가정하여 예행연습을 가졌고 실험 당일 현장에서 무사히 작업을 마칠 수 있었습니다. 힘든 과정이었고 완벽하지는 않았지만, 실험을 진행하면서 직접 경험해보지 않고는 알 수 없었던 많은 것을 배우게 되었고 함께 도와준 동료들의 소중함도 느낄 수 있었습니다.

  Fig. 5. 형상기억합금을 이용한 RC 기둥의 내진 보수 과정

  Fig. 6. 내진 보강된 RC 기둥의 손상 상태 및 파괴 모드

  Fig. 7. 내진보강·보수된 RC 기둥의 모멘트-횡변형 거동 비교


4. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

- 일단 단기적인 목표로 현재 진행중인 박사과정을 무사히 마치고 싶습니다. 그 후, RC 기둥 뿐만 아니라 RC 구조물의 다양한 부재를 위한 보다 실용적이고 효과적인 보강·보수에 대한 연구를 수행하고 싶습니다. 또한, 지진 이외에도 화재, 부식, 노후화 등 구조물의 안정성과 사용성을 위협할 수 있는 많은 극한의 상황 속에서 구조물의 피해를 최소화 하고 회복력 (resilience) 을 높힐 수 있는 연구에 도전해 보고 싶습니다.


5. 본인이 영향을 받은 다른 연구자나 논문이 있다면?

- 먼저 University of Colorado, Boulder의 Enrico Spacone 교수님을 말씀드리고 싶습니다. "Fibre beam-column model for non-linear analysis of R/C frames: Part I. Formulation"을 포함한 Spacone 교수님의 다수의 논문을 읽고 RC 기둥의 거동예측을 위한 비선형 해석모델에 관한 많은 공부를 할 수 있었습니다. 또한 직접적으로 현재의 연구에 영향을 받진 않았지만 University of Nevada, Reno의 Saiid Saiidi 교수님의 연구도 흥미롭게 느껴졌습니다. 특히, 초탄성효과 (superelasticity) 를 가진 SMA를 RC 기둥의 주철근 (reinforcement) 으로 사용하고 RC 교량의 내진성능을 실험적으로 평가한 연구는 상당히 인상적이었습니다. (""Shake-Table Studies of a Four-Span Bridge Model with Advanced Materials")


6. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소, 지도교수에 대해 소개 부탁 드립니다.

- 저는 현재 일리노이주립대학교 (Univ. of Illinois at Urbana-Champaign) 의 토목공학과 (Civil and Environmental Engineering) 박사학위과정에 있으며, Bassem Andrawes 교수님의 Shape Memory and Structures 연구실에 속해 있습니다. 저희 연구실은 SMA나 섬유보강폴리머 (Fiber Reinforced Polymer, FRP) 등을 이용한 RC 구조물의 내진보강·보수 연구에 중점을 두고 있고, 이외에도 쓰나미를 동반한 지진 시나리오와 같이 다중재난하중을 받는 구조물의 거동예측을 위한 시뮬레이션, 콘크리트 철도침목 (Railway Tie) 에 관한 연구를 수행하고 있습니다. 현재 연구실에서 중국, 인도, 캐나다 등 다양한 문화권에서 온 동료들과 함께 지내고 있습니다.


7. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

- 앞에서 이미 언급되었듯이 연구를 진행하다보면 여러가지 어려운 점에 봉착하게 될수도 있는데 처음에 막막하게만 느껴졌던 문제들을 시간과 노력을 투자해서 해결하였을 때 가장 기뻤습니다. 또한, 새로운 지식과 경험을 습득하고 직접 적용해 보면서 제 자신이 조금씩 연구자로서 역할을 할 수 있다는 점에 자부심도 가지게 되었고, 앞으로 저의 연구가 실제로 구조물에 적용될 수 있다면 더욱 큰 보람을 느낄 것 같습니다.


8. 이 분야로 진학하려는 후배(또는 유학 준비생)에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

- 기술적으로나 학문적으로는 제가 특별히 드릴 말씀은 없습니다. 다만 MATLAB, Abaqus, OpenSees 또는 LabVIEW와 같은 프로그램을 익혀두신 다면 연구나 Coursework에 도움이 될 것 같습니다.

현재까지 미국에서 박사과정 학생으로 지내며 느낀 점은 기나긴 유학생활을 순탄하게만 보내기는 힘들다는 것입니다. 연구적, 언어적 혹은 그 이외의 문제로 여러가지 어려움을 겪는 경우가 많고 어쩌면 마음 편하게 지내기 보다는 심리적 부담을 안고 지내는 시간이 더 많을지도 모릅니다. 아마도 현재 유학을 준비하는 많은 분들이 나중에 직접적으로 경험하고 공감하실거라 생각됩니다. 하지만 그러한 과정은 누구나 겪을 수 있는 것이고 혼자만 힘든 것이 아닐 것입니다. 성공적으로 학위과정을 마친 많은 선배님들도 힘든 순간을 겪어왔고 저 또한 힘들었던 시간을 보냈지만 이제 곧 졸업과 진로에 대해 생각하는 시기에 접어들게 되었습니다. 유학생활 중 몇 번씩 힘든 순간이 찾아와도 자신을 잘 다스리고 여유있고 끈기있는 자세를 가지면 좋을 것 같습니다.


* 인터뷰는 기계·건설 연구정보센터(MATERIC)에서 작성하였으며,  공동으로 게재합니다.




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