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연구개요
본 연구에서는 압축강도 150 MPa 이상, 인장강도 8 MPa 이상의 초고강도 성질을 만족하면서 동시에 극한 인장변형률을 4% 이상 유지할 수 있는 초고강도·초고인성 시멘트 복합체(Ultra High Strength and Ductility Cementitious Composites, UHSDCC)를 개발하고자 함. 충격 및 폭발과 같은 고속 극한 하중을 받는 UHSDCC의 재료 모델 제안과 구조체의 동적 거동 예측을 위해 변형률 속도 효과를 고려한 미세역학기반 해석 기술 및 프로그램을 개발함.

연구 목

연구개요
본 연구에서는 압축강도 150 MPa 이상, 인장강도 8 MPa 이상의 초고강도 성질을 만족하면서 동시에 극한 인장변형률을 4% 이상 유지할 수 있는 초고강도·초고인성 시멘트 복합체(Ultra High Strength and Ductility Cementitious Composites, UHSDCC)를 개발하고자 함. 충격 및 폭발과 같은 고속 극한 하중을 받는 UHSDCC의 재료 모델 제안과 구조체의 동적 거동 예측을 위해 변형률 속도 효과를 고려한 미세역학기반 해석 기술 및 프로그램을 개발함.

연구 목표대비 연구결과
⦁압축강도 150 MPa 및 인장강도 8 MPa 이상, 극한 인장변형률 4% 이상의 UHSDCC 재료 개발: 5일 재령 기준 인장강도 = 11.6 MPa, 변형성능 = 7.5%, 에너지흡수율 = 667.1 kJ/m³ 달성, 28일 재령 기준 인장강도 = 11.3 MPa, 변형성능 = 6.6%, 에너지흡수율 = 532.2 kJ/m³ 달성.
⦁변형률 속도 효과를 고려한 UHSDCC의 압축 및 인장 성능 평가: 동적증가계수(DIF)와 변형률 속도 상관관계를 도출하였음. 변형률 속도 약 1×10² /s에서 최대 압축강도 DIF는 1.75이며, 변형률 속도 0.5×10² /s에서 인장강도 DIF는 2.1로 측정되었음. 인장강도의 속도 민감성이 압축강도에 비해 더 높은 것으로 나타남.
⦁UHSDCC의 압축 및 인장 모델 개발: 변형률 속도효과를 고려한 압축 및 인장 응력-변형률 모델을 성공적으로 개발하였음. 압축 모델은 RILEM 기반 2차함수 모델을 적용하였으며, 인장은 이선형(Bilinear) 모델을 제안하였음.
⦁UHSDCC 보의 충격 휨 성능 평가: 약 2 kJ 용량의 낙하식 충격실험 장비를 활용하여 UHSDCC 보의 충격 저항성능 실험을 수행하였으며, 기존 UHPC 및 ECC 보다 더 우수한 충격 저항성능을 갖는 것을 검증하였음.
⦁섬유 인발 모델 개발: 섬유의 무작위 분포(Random orientation)를 고려하기 위하여 다양한 기울임 각도(0°-60°)에서 인발실험을 수행하였으며, 기존 Naaman 등(1991)의 제안식을 바탕으로 인발모델을 정립하였음.
⦁변형률 속도 효과를 고려한 UHSDCC 매트릭스 인장연화곡선 제안: 이선형(Biilinear) 모델을 바탕으로 매트릭스 연화곡선을 모델링하였으며, 다양한 변형률 속도(0.1-10 /s)에서의 매트릭스 연화곡선을 제안하였음.
⦁미세역학기반(micromechanics-based) 변형률 속도 효과가 고려된 UHDSCC의 균열 후 인장 모델 개발: 균열 후 인장응력－균열개구변위(CMOD) 모델은 섬유인발 및 노치낸 시편의 인장실험을 통해서 지수함수로 모델링 할 수 있으며, 결정계수(R²)가 0.997로 비교적 정확한 예측이 가능한 모델을 제안하였음.
⦁UHDSCC 보의 고속변형률 속도에서의 휨 거동 예측: 본 연구를 통해 개발된 재료 모델을 기반으로 단면해석을 수행하여, 성공적으로 휨 거동을 예측하였음.
⦁미세역학기반 통합 해석 프로그램 개발 및 검증: 초고성능 변형경화형 철근콘크리트(RC) 보의 휨 실험 결과를 본 연구에서 개발한 재료 모델 및 통합 해석프로그램을 통해서 성공적으로 예측하여 검증완료 하였음.

연구발성과의 활용 계획 및 기대효과 (연구개발결과의 중요성)
현존하는 가장 우수한 성능의 시멘트 기반 건설재료(UHPC, ECC) 대비 에너지 흡수 성능을 2배 이상 향상시킨 건설 신소재를 개발함으로써 테러 및 전쟁 등과 같은 국가적 재난 상황에서 국민의 안전을 보호 하는데 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대됨. 뿐만 아니라 신 개념의 소재 개발을 통해서 콘크리트 재료 공학의 새로운 연구 분야 개척 및 발전에 기여 할 것이라 판단되며, 관련 분야의 세계기술을 선점한다는 측면에서 파급효과가 매우 큰 연구 주제라고 할 수 있음. 전 세계 최초로 변형률 속도를 고려한 미세역학기반 통합 해석 기술 및 프로그램 개발을 통해서 본 연구에서 개발될 건설 신소재의 실용화를 위한 동적 재료 모델 제안뿐만 아니라 구조 거동 예측이 가능하며, 이는 신소재를 활용한 구조물 설계에 매우 효과적으로 활용이 가능한 우수한 연구 성과로 판단됨.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 4
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 7
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 7
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 14
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 14
• 6. 참고문헌 ... 15
• [붙임1] 세부 정량적 연구개발성과 ... 16
• [붙임2] 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 23
• 끝페이지 ... 39