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과제기본정보

탄소 고분자 부식 ZERO 철근대체재 기술 개발2년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 탄소 고분자 부식 ZERO 철근대체재 기술 개발사업 과제번호 22CFRP-C163381-02
국가과학표준분류 1순위 건설 교통 | 건설시공 재료 | 건설구조재료 적용분야 건설업
2순위 건설 교통 | 시설물 안전 유지관리 기술 | 구조물 보수 보강기술 실용화대상여부 실용화
3순위 재료 | 고분자재료 | 고분자 가공기술 과제유형 개발
과제명 탄소 고분자 부식 ZERO 철근대체재 기술 개발
주관연구기관 연세대학교 산학협력단
총괄연구 책임자 성명 김장호
소속 연세대학교 산학협력단 직위 정교수
기관 대표번호 2123-2444 FAX 365-4354
총 연구기간 2021-04-01 ~ 2025-12-31
당해연도 연구기간 2022-01-01 ~ 2022-12-31

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금 계
현금 현물 소계
2차년도 4,605,000,000 22,700,000 159,800,000 182,500,000 4,787,500,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 본 기술은 “탄소섬유보강복합체(Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP) 활용 건설용 부식 ZERO 철근대체재 개발 및 건설산업 적용 확대를 위한 철근대체재-콘크리트 부재 제조, 해석·설계·시공, 실구조물 적용의 실용화 기술 개발”을 목표로 함. 목표 달성을 위해 아래와 같이 3개의 구성기술로 나눴으며, 각각의 구성기술은 다음과 같음
- (구성기술 1) 건설용 탄소보강근-콘크리트 기술 개발
- (구성기술 2) 건설용 탄소그리드-콘크리트 기술 개발
- (구성기술 3) 철근대체재-콘크리트 실용화 기술 개발
최종목표 본 과제의 최종목표는 건설 부재의 비부식, 고강도, 경량화를 위해 탄소섬유보강복함체(CFRP)를 활용 한 건설용 부식 ZERO 철근대체재 개발 및 건설산업 적용 확대를 위한 철근대체재-콘크리트 부재 제조, 해석, 설계, 시공, 실구조물 적용의 실용화 기술 개발을 목표로 함. 구성기술별 세부 목표는 아래와 같음
* (구성기술 1) 건설용 탄소보강근 제조 기술 및 탄소보강근-콘크리트 부재 개발·성능검증 (인장강도 2,100MPa 이상, 탄성계수 150GPa 이상/내열성능확보/부착강도 15MPa 이상)
* (구성기술 2) 건설용 탄소그리드 제조 기술 및 탄소보강근-콘크리트 부재 개발·성능검증 (인장강도 2,100MPa 이상, 탄성계수 150GPa 이상/내열성능확보/부착강도 15MPa 이상)
* (구성기술 3) 철근대체재-콘크리트 실용화 기술 개발 (철근대체재-콘크리트 실구조물 적용 1건 이상)
연구내용 및 범위 (구성기술 1) 건설용 탄소보강근-콘크리트 기술 개발
- 1차년도: 건설용 탄소보강근 최적 제조 및 구조부재 적용 핵심요소기술 개발
* 탄소보강근 수지개발 및 생산기술 개발
* 부착력 특성 평가
* 구조부재별 성능평가계획
* 시뮬레이션 방법 구축
- 2차년도: 건설용 탄소보강근 최적 제조 및 구조부재 적용 핵심요소기술 개발
* 탄소보강근 성능평가 및 품질관리 방안 개발
* 부착-슬립모델 개발
* 보-기둥 접합부 구조성능 평가 및 구조부재 설계 및 제작
* 영향인자 도출, 시공법 개발
- 3차년도: 건설용 탄소보강근 성능 고도화 기술 및 구조부재 적용 신뢰성 평가
* 내구성 평가, 성능평가 DB구축
* 부착성능향상 기술 제시
* 설계식 검토 및 구조부재 실험 및 분석
* 재료-보강근 부착 해석을 통한 성능검증 및 평가
- 4차년도: 건설용 탄소보강근 성능 고도화 기술 및 구조부재 적용 신뢰성 평가
* 내구성 향상 기술 개발, 품질관리절차 개발, 성능기준도출
* 유동특성에 따른 부착평가, 탄소보강근의 정착 및 이음 특성 분석
* 크리프 곡선 제시, 구조실험, 내진성능 평가
* Mock-up 실험, 장기거동해석, 부재 설계식 및 시공법 개발
- 5차년도: 실증 Mock-up 및 기술 표준화
* 소재 최적화, 장비 안정화 기술 개발, 성능/평가/품질 기준 제정
* 탄소보강근 적용 콘크리트의 요구성능 제시
* 내화성능, 내진성능, 안전성 평가 및 시공성개선방안 도출
* 설계프로그램 개발, 부재식공법 개발

(구성기술 2) 건설용 탄소그리드-콘크리트 기술 개발
- 1차년도: 건설용 탄소그리드 제조 및 구조부재 일체화 요구성능 도출
* 성능평가안 검토, 파일럿설비 설계
* 요구성능 도출, 시험방법 선정
* 실험 변수 도출, 구조부재별 성능평가 계획 수립
* 해석모델 검토 및 도출
- 2차년도: 건설용 탄소그리드 제조 및 구조부재 일체화 요소기술 개발
* 파일럿 설비 구축, 탄소그리드 특성 평가
* 그리드-콘크리트 특성 평가 및 분석
* 슬래브 부재 사용성 평가, 예측모델 검토
* 슬래브 설계식 도출, 해석모델 개발
-3차년도: 건설용 탄소그리드 및 일체화 성능향상 기술 개발
* 탄소그리드 부착성능 향상, 특성 평가, 양산설비 구축
* 부착성능향상, 부착-슬립 모델 개발, 설계식 도출
* 보/벽체 구조성능 평가
* 보/벽체 설계식 도출, 그리드-콘크리트 해석 모델 고도화
- 4차년도: 건설용 탄소그리드 내열성능 향상 및 구조부재 일체화 신뢰성 평가
* 탄소그리드 내열성능 향상, 특성평가, 대량생산 요소기술 개발
* 탄소그리드-콘크리트 균열제어, 정착길이 설계식 도출
* 기둥-접합부 구조성능 평가, 수평부재 내화성능 평가
* 기둥-접합부 설계식 도출, 기계적 정착 장치 설계/개발
- 5차년도: 실증 Mock-up 및 기술 표준화
* 최적제조 공정기술 확립, 성능 표준화, 품질기준 제시
* 환경노출 영향 특성 평가, 요구성능 제시
* 수직부재 재난 안정성 평가, Mock-up에 의한 시공성/경제성 평가
* 부재 설계식 고도화, 부재시공 매뉴얼 작성, 내화성능 예측모델 개발

(구성기술 3) 철근대체재-콘크리트 실용화 기술 개발
- 1차년도: 철근대체재-콘크리트 구조물 적용 기술 개발
* 국내외 시험방법 조사 및 설계기준 검토
* IFC-BIM 모영화 기법 조사분석
* 철근대체재-콘크리트 부재 및 구조물 해석적 구현방안 구축
* 철근대체재-콘크리트 부재 및 구조물 해석방법 구축
- 2차년도: 철근대체재-콘크리트구조물 적용 기술 개발
* 설계 및 시공기준(안) 주요영향요소 도출
* IFC-BIM 적용 기술연구
* 실증구조물의 부재 검토 및 선정
* 탄소보강근-콘크리트 부재 해석수행 및 결과 분석

- 3차년도:철근대체재-콘크리트 구조물 실증 및 성능평가
* 재료 물성 및 기계적 특성 기준 정립 및 실험데이터 분석
* BIM 모델링 기술 개발 및 Pilot Test 비교
* 탄소그리드-콘크리트 부재 해석수행 및 성능평가
* 실구조물 진단 모니터링 기능 구현 및 LCC 분석 항목 고찰
- 4차년도:철근대체재-콘크리트 구조물 실증 및 성능평가
* 구조설계 기준(안)개발
* 하중·변위 실험 결과 및 성능분석
* 구조물 해석모델 완성 및 내진 성능 해석 수행 및 결과 분석
* 확정적,확률적 위험도 분석방법에 대한 모델 개발
- 5차년도:철근대체재-콘크리트 최적 기준 개발
* 설계 및 시공 기준(안) 개발
* BIM 모델링 기술구축 및 디지털 데이터 구축
* 실구조물 T/B 적용 및 검증평가 결과 분석
* 철근대체재-콘크리트 구조물 생애주기비용 산정
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
2차년도 (구성기술 1) 건설용 탄소보강근-콘크리트 기술 개발
-1차년도: 건설용 탄소보강근 최적 제조 및 구조부재 적용 핵심요소기술 개발

(구성기술 2) 건설용 탄소그리드-콘크리트 기술 개발
-1차년도: 건설용 탄소그리드 제조 및 구조부재 일체화 요구성능 도출

(구성기술 3) 철근대체재-콘크리트 실용화 기술 개발
-1차년도: 철근대체재-콘크리트 구조물 적용 기술 개발 		(구성기술 1) 건설용 탄소보강근-콘크리트 기술 개발
* 탄소보강근 수지개발 및 생산기술 개발
* 부착력 특성 평가
* 구조부재별 성능평가계획
* 시뮬레이션 방법 구축

(구성기술 2) 건설용 탄소그리드-콘크리트 기술 개발
* 성능평가안 검토, 파일럿설비 설계
* 요구성능 도출, 시험방법 선정
* 실험 변수 도출, 구조부재별 성능평가 계획 수립
* 해석모델 검토 및 도출

(구성기술 3) 철근대체재-콘크리트 실용화 기술 개발
* 국내외 시험방법 조사 및 설계기준 검토
* IFC-BIM 모영화 기법 조사분석
* 철근대체재-콘크리트 부재 및 구조물 해석적 구현방안 구축
* 철근대체재-콘크리트 부재 및 구조물 해석방법 구축
연구성과 기술적 기대성과 - 구성기술1 :
* 건설용 탄소보강근 제조, 가공, 연속·대량 생산 및 성능평가 기술
* 건설용 탄소보강근 최적 소재 배합비(섬유/수지/경화제/촉진제/첨가제), 공정조건, 성능평가 기준(안) 및 콘크리트 요구성능 보고서
* 탄소보강근-콘크리트 부착-슬립 및 균열·처짐 예측 모델 제시
* 탄소보강근-콘크리트 장·단기 환경 노출에 따른 안정성, 구조부재성능, 내진·내화 성능 보고서
* 탄소보강근-콘크리트 재료-부재 해석모델
* 탄소보강근-콘크리트 부재 설계식 제시 (휨강도, 전단강도, 부착강도, 정착 및 이음 길이 등) 및 시공법

- 구성기술2 :
* 건설용 탄소그리드 제조 및 가공 기술
* 건설용으로서의 탄소그리드 기본 성능 기준 보고서
* 탄소그리드 대응 콘크리트 요구성능 보고서
* 탄소그리드-콘크리트 부착-슬립 모델
* 탄소그리드-콘크리트 장·단기 환경 노출에 따른 성능 안정성 평가보고서
* 탄소그리드-콘크리트 부재 균열·처짐 예측 모델
* 탄소그리드-콘크리트 부재 구조(압축, 휨, 전단, 부착 등), 내진 및 내화성능 평가보고서
* 탄소보강근-콘크리트 재료-부재 해석 모델
* 탄소그리드-콘크리트 부재 설계식(휨강도, 전단강도, 부착강도, 정착 및 이음 길이 등) 및 시공법

- 구성기술3 :
* 철근대체재-콘크리트 재료·부재의 시험방법 및 기준 가이드라인(안)
* 철근대체재-콘크리트 구조물 설계, 시공 및 유지관리 지침(안)
* 철근대체재-콘크리트 실구조물 적용·검증(설계, 해석, 성능평가 등) 보고서
* 철근대체재 사용 교량의 시공단계별 BIM 모델링 기술 및 표준화된 디지털 데이터 작성 가이드
* 철근대체재-콘크리트 실구조물 성능검증 실험성적서
* 철근대체재-콘크리트 실구조물 T/B
사회 경제적 파급효과 - 사회적·국가적·글로벌 이슈 대응 국가 공약 실현에 기여
* 인구구조 및 가치변화, 도시 양극화, 기술 변혁의 가속, 기후변화 심화 및 환경 중요성 증대 등 국내외 메가트렌드 변화에 대응하는 기술 개발을 통한 국가적 이슈 해결에 기여
* 국내 탄소소재를 활용한 건설재료에 대해 개발 투자 규모가 미미한 실정이므로 획기적인 탄소섬유 활용 철근대체재를 개발함으로써 국가차원의 기술개발 노력과 대규모 투자로 건설산업의 신규 고용 창출뿐만 아니라 탄소산업의 추가 고용 창출 가능
* 산ㆍ학ㆍ연 협력체제에 따른 고급 인력양성 및 중소/중견기업에 인력 공급 효과 예상
* 고부가가치 신산업 창출을 통한 대규모 고용 창출 및 고급 전문 기술인력에 대한 일자리 확대에 기여
* 건설소재 산업의 전환에 따라 새로운 일자리 창출이 가능하고, 젊은 경제활동 인구 증가, 연구개발 및 서비스업의 활성화 등 트렌드 변화에 따른 지식기반형 건설산업 달성 재촉 가능
* 포스트코로나 시대에 효과적으로 대응하고 세계적 흐름에서 앞서나가는 것을 목표로 하는 뉴딜 정책과 노후 시설의 유지보수 수요가 급증하는 국내 실정에 부합하는 기술이므로 정부의 연구 개발 지원사업의 적극적인 투자 기대
* 공동연구기관의 석·박사급 대학원생이 탄소보강근·그리드 및 철근대체재-콘크리트의 제조와 평가기술 연구에 참여함으로써 교육적 효과 기대
- 정부의 2050 탄소 중립 목표 달성에 기여
* 석탄을 주원료로 하여 탄소 배출량이 많은 강철(철근)을 탄소섬유로 대체함으로써 정부의 2050 탄소 중립 목표 달성에 기여
* 철근대체재-콘크리트를 활용한 도시·국토 저탄소화로 신규 건축물 제로에너지 건축 의무화, 국토 계획 수립 시 생태자원 활용한 탄소 흡수 기능 강화 달성이 가능
- 건설산업의 한정 자원 소비 및 오염물질 배출의 획기적 저감
* 구조물 장수명화에 따른 철거 및 해체 소요가 필요 없어짐에 따라 건설폐기물 저감 및 폐기물 처리를 위한 매립 등에 대한 대책 수립 가능
- 첨단 건설재료 개발을 통한 건설산업 생산성 혁신
* 탄소산업은 개별 산업 사이클 상 성장기 단계에 속하고 있으며 선진각국에서는 탄소섬유 활용 건설재료 기술에 많은 투자를 하여 원천기술을 확보하고 시장을 개척하려는 추세
* 탄소섬유복합소재의 건설산업 적용 제품 및 관련 핵심소재의 경쟁력 확보에 따른 향후 지속적 수출 진흥 기대
* 국가차원의 기술개발 지원과 대규모 투자가 이루어진다면 막대한 경제적 이득이 예상되며, 관련 기술에 대한 지속적인 투자와 원천 핵심 기술에 대한 경쟁력 확보는 향후 관련 기술 및 제품 수출로 이어질 것이라 판단
- 철근 부식으로 인한 구조물 수명단축 문제 해결
* 장수명 및 내구수명 향상이 가능한 건설재료 개발의 원천기술 확보를 통하여 사회기반시설물의 획기적인 내구수명 제고
* 비부식 철근대체재 개발에 따른 구조물 장수명화로 SOC 예산 절감 효과 기대
* 구조물에 철근대체재 적용된다면 장수명화로 인해 구조물의 장기 공용성 확보 및 유지보수 주기 연장이 가능하므로 유지보수비 및 생애주기비용을 절감하는 경제성을 확보 가능
* 탄소섬유 보강 철근대체재는 재료의 열화 없이 구조물의 수명 연장이 가능하여 사회기반시설물의 유지관리비용 및 신규건설 비용 감소 가능
* 노후화된 국가 주요 시설에 대해 철근콘크리트에서 철근을 비부식성·고내구성·경제성 등의 우수한 성능이 보장된 탄소섬유 보강 복합소재로 대체하여 공용수명을 연장함으로써 내구성 및 사용성을 증대시키고 사회간접비용 절감
- 구조물 중량 15% 절감 및 공사비 절감
* 철근콘크리트 대신 철근대체재-콘크리트 적용을 통해 철근 부식으로 인한 시설물 수명 단축 문제를 해결하고, 부재 단위길이 당 중량 15% 절감이 가능하므로 신건설 재료개발을 통한 건설산업 생산성 혁신 가능
* 재료의 경량화에 따른 공사 기간 단축이 가능하며 공기 단축을 통한 공사비 절감효과 기대
* 고성능 탄소보강근·그리드 및 철근대체재 콘크리트는 건설산업의 전후방 연관 효과가 높은 신성장동력으로 고부가가치 창출이 가능하며 응용/적용분야의 확대 기대
- 첨단기술 융복합 건설재료 글로벌 시장 경쟁력 확보
* 전 세계적 환경규제 강화에 따른 건설산업의 건설재료 기술력 향상이 요구됨에 따라 첨단소재 융복합 기술 국산화로 선진국 환경 및 구조안정성규제기준을 만족하여 대선진국 수출 경제시장 확보 가능
* 고부가가치형 융·복합 기반기술 개발을 통해 신시장 개척과 시장 선점의 양면효과를 확보함으로써 새로운 시장의 돌파구를 마련 가능
* 미래 건축 및 시설물 핵심 건설재료의 해외 선진국 종속에 따른 미래 건설산업의 시장 경쟁력 향상 기대
활용방안 - 건설분야 첨단기술 융복합·고부가가치 기술혁신 유도
* 탄소섬유를 활용한 탄소보강근 및 탄소그리드 건설재료 개발을 통해 제조 공정 개발 및 다양화, 시험평가, 품질인증 및 표준화 기술력 확보 가능
* 철근 대체 재료기술 분야에서 세계 최고 수준의 원천기술을 확보하여 세계 시장에서 우위 선점 가능
* 탄소보강근·그리드 및 철근대체재-콘크리트에 대한 원천기술 개발부터 실용화 단계까지의 전주기적 과정을 수행함으로써 탄소섬유 분야 제조 및 개발에 대한 국내 기술력 강화
* 탄소섬유복합소재에 대한 첨단융합기술을 활용하여 세계를 선도하는 건설재료 연구개발 및 산업화를 촉진하는 혁신형 기술 개발 활성화 기대

- 건설분야 국가연구개발 역량 혁신
* 세계 최고 수준의 기술 확보를 통하여 건설재료의 획기적인 브랜드를 형성하고 철근대체 재료의 독창성·고성능·다기능의 특성을 바탕으로 건설 강국으로의 도약 가능
* 모방형·칸막이형 국가 R&D 시스템을 창조형·개방형 R&D 시스템으로 진화시킴으로써 건설산업 분야 국가 R&D 시스템을 한 단계 도약시킬 수 있을 것으로 기대
* 국가연구개발을 시작으로 실용화까지의 단계를 수행하고 추후 기술 사업화까지 진행함으로써 본 연구의 핵심 기술에 대한 우수 제품 및 기술 선점 가능

- 미래 주거 및 시설물 환경 구축을 위한 국가 전략기술 확보
* 시설물의 획기적인 내구수명 확보를 위한 주요 건설재료 원천기술의 확보가 가능하며, 지속적인 유지보수가 필요한 사회기반 시설물에 적용 가능
* 탄소섬유를 활용한 부식제로 철근대체 기술 개발을 통해 어떠한 환경에도 영향을 받지 않고 지속적인 안전성을 확보할 수 있는 시설물 건축 가능
* 향후 미래 주거 및 시설물에 폭넓게 응용되며, 새로운 건축물 창출과 현재 건축이 불가능한 시설물 제작에 해결책 제공 가능
* 미래형 주거 공간 형성 및 사회기반 시설물 구축에 필요한 건설재료 기술을 확보하며 미래형 건설재료 기술 선점을 통한 국내 건설재료 기술 경쟁력 제고

- 첨단기술 융복합 건설재료 분야 글로벌 기술 선도
* 건설재료 기술 경쟁력 확보는 건설산업의 신규 시장 창출 및 글로벌 주도권 확보에 기여
* 세계 산업 경쟁력의 원천이 완제품에서 소재 및 부품으로 전향됨에 따라 탄소섬유를 기반으로 한 건설재료 및 자재의 경쟁력이 융합 건설산업 전체의 경쟁력을 좌우
* 미래 건설 환경조성을 위한 건설재료 관련 독자기술 확보를 통해 핵심기술에 대한 지적재산권을 확보하고, 외국기술에 대한 기술 수준 격차를 줄임으로써 해외 시장에서의 시장 점유율 확대
* 탄소섬유 철근대체 재료 기술을 이용한 장수명화 건축물 건설을 위해 필요한 탄소섬유 활용 부식제로 철근 대체기술 및 탄소섬유 그리드 적용 장수명화 콘크리트 구조부재 기술 개발을 통해 관련 기술에 대한 선진국 종속화 탈피와 국내 고유기술 보유 가능


- 철근대체재로서 철근콘크리트 구조물의 콘크리트 인장보강재로 활용
* 철근콘크리트 구조는 콘크리트의 약한 인장력을 철근이 견디는 구조로 뛰어난 성능과 경제성으로 국내 주요 시설물의 약 70%를 차지하고 있으며, 교량의 경우 2016년 현재 전체의 78%가 철근콘크리트 교량(RC교(53%) 및 PCS교(25%) 합산)
* CFRP 활용 철근대체재는 부식저항성이 뛰어나 교량에 적용함으로써 단면길이 절감 등을 통한 경제성 확보 및 유지보수가 거의 필요 없는 장수명화 실현 가능
* 철근대체재의 경우 피복두께가 필요 없어, 부재 단면 길이를 약 90%로 줄일 수 있으며, 부식 등 극환환경에서 최대 피복두께를 80mm에서 10mm로 감소 가능
* 이에 따라 철근대체재-콘크리트 적용 시, 부재의 단위길이당 중량은 콘크리트 적용 부재의 단위길이당 중량 대비 약 85% 절감 가능

- 철근대체재-콘크리트 부재 일체화 제조 기술을 프리패브(Pre-fab) 부재 제조에 활용
* 철근대체재-콘크리트 부재의 단위중량은 철근콘크리트 부재 단위중량의 약 94%이며, 철근대체재의 단면 절감 효과 등을 고려하며, 경량의 프리패브 부재 제작 가능
* 철근대체재-콘크리트 프리패브 부재는 철근콘크리트 부재 대비 부피가 작아 교량 등 건설 시 한 번에 현장에 더 많은 부재의 반입 및 운반이 가능하며, 이에 따른 공사기간 단축 효과 기대 가능
* 철근대체재-콘크리트 프리패브 부재는 철근콘크리트 대비 경량·고강도로 건설자동화 구현이 용이하며, 이를 통하여 건설생산성 향상 가능

- 철근대체재를 특수시설물 보수보강을 위한 재료로 활용
* 철근대체재, 특히 탄소그리드는 취급이 용이하여, 슬래브, 기둥 등 부재 외부 부재뿐만 아니라 보 싸일로, 원전구조물 등 특수시설물의 내·외부 보수보강재로 활용 가능
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 탄소섬유보강 복합체 탄소보강근 탄소그리드 부식제로보강재 철근대체재-콘크리트
영문 Carbon Fiber Reinforced Plastic CRRP Rebar CRRP Grid Non-corrosion Reinforcement CFRP Reinfored-Concrete
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