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    신진연구자인터뷰는 기계및 건설분야의 세계적인 과학 학술지에 논문을 게재한 한국인 연구자들의 연구성과와 연구자 정보를
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    • 이지형(Ji-Hyung Lee)
      초고성능콘크리트를 이용한 부재의 구조설계
      이지형(Ji-Hyung Lee)(서울대학교 건축학과)
      이메일:cb415 at snu.ac.kr
      1005 2 4

    1. 본인의 연구에 대해서 소개를 부탁 드립니다.

    저는 초고성능콘크리트(Ultra High-Performance Concrete, 이하 UHPC)를 사용한 부재의 구조성능을 평가하고 설계방법을 제안하는 연구를 하고 있습니다. UHPC는 일반콘크리트 보다 훨씬 뛰어난 역학적 특성을 가지고 있는데, 이러한 재료의 성질을 효율적으로 활용하여 건축물에 다양한 형태로 안전하게 사용될 수 있도록 하는 것을 목표로 하고 있습니다.

    일반 콘크리트가 굵은 골재와 많은 공극을 가진 시멘트 페이스트로 구성되는 것과 달리 UHPC는 균질하고 작은 시멘트계 입자(마이크로 단위 입자에서부터 최대 0.5 mm 세골재)로 구성되며, 시멘트 경화반응을 촉진시키는 반응성 분체와 유동성 확보를 위한 고성능 감수제를 사용하여 낮은 물시멘트비에 따른 약점을 보완한 재료입니다. 유동성이 매우 뛰어나기 때문에 시공이 용이할 뿐만 아니라, 일반 콘크리트로는 제작하기 힘든 다양한 형상을 가지거나 두께가 얇은 부재의 제작이 가능합니다. 또한 공극이 작고 내부조직이 밀실하기 때문에 고강도(압축강도 150 MPa 이상) 외에도 수밀성, 내마모성, 내화학성 등이 크게 향상되어 내구성이 뛰어나다는 특징을 가집니다. UHPC는 일반적으로 강섬유를 혼입하여 사용하는데, 인장강도가 크게 증가할 뿐만 아니라 균열 발생 시 육안으로 관찰하기 힘들 정도로 미세한 균열이 넓은 범위에 분포되면서 발생하기 때문에 강성이 거의 줄어들지 않으며 연성(ductility)과 인성(toughness)이 크게 개선되는 특징을 가집니다.
    UHPC 부재는 철근을 배근하지 않거나 최소한으로 배근하여 부재 사이즈를 가능한 줄여서 설계합니다. 유럽, 미국 등에서 자중을 줄이면서 내구성을 개선할 목적으로 교량 상부 바닥판에 주로 적용되었고, 그 외에도 단면 형상이 개선된 보나 부정형 형상의 기둥으로 설계된 사례가 다수 있습니다. 건축분야에서는 의장적인 목적으로 다양한 디자인을 가진 외장재, 파사드, 지붕 등에 적용되어 왔습니다.


    주요 연구내용은 자중을 줄이면서 내구성을 개선할 목적으로 단면 형상이 개선된 UHPC 보 부재를 설계하는 것으로, 철근을 배근하지 않은 세장한 단면을 가진 보의 전단설계를 제안하고 이를 검증하였습니다. 전단철근이 없는 보의 전단강도를 제안하기 위하여, UHPC 재료의 역학적 특성으로써 인장거동 특성과 파괴기준을 정의한 뒤, 이를 부재 설계식에 적용하였습니다. 철근콘크리트 부재에서는 콘크리트가 압축력을, 철근이 인장력을 부담하지만, UHPC 부재는 콘크리트 재료가 압축력과 인장력을 모두 부담한다는 특징을 가집니다. 따라서 강섬유 보강에 따른 재료의 역학적 특성을 정의하는 것이 중요합니다. 부재거동은 보 복부에서 철근을 배근하지 않은 얇은 판 부재의 면내전단거동으로 정의하여, 소성이론을 상한값으로 크기효과를 반영한 식으로 제안하였습니다. 제안된 식은 실험결과와 비교했을 때, 실무에서 UHPC 기준으로 많이 사용되고 있는 프랑스 설계기준에 비해 부재의 강도를 보다 정확히 예측하였습니다. 국내 UHPC 지침 중 전단기준을 작성하는 작업을 동시에 수행하면서, 연구결과를 반영하려는 노력을 병행하고 있습니다.


    2. 본인의 대표 논문을 소개해 주세요.

    UHPC 면내전단거동을 정의하기 위하여 인장-압축을 동시에 받는 이축응력상태의 UHPC 면부재 실험을 통해 부재 거동수준에서 균열상태에 따른 압축강도저감효과와 재료파괴기준을 제안하였고, 주요 연구결과물인 보 부재의 전단강도 설계식은 유럽콘크리트학회(The International Federation for Structural Concrete, fib) 전단위원회에서 발간한 보고서에 논문형식으로 수록하였습니다.
    이 외에도 UHPC 응용재료의 부재적용 연구로 단열성, 경량성이 증대된 UHPC 재료로 제작한 샌드위치 패널의 구조성능을 검증하였습니다. 이와 관련한 연구는 계속해서 진행 중에 있습니다.



    [1] J. Lee, S. Hong, C. Joh, I. Kwahk, and J. Lee, “Biaxial tension–compression strength behaviour of UHPFRC in-plane elements”, Materials and Structures, 50(1):20, 2017.
     

    [2] J. Lee, S. Kang, Y. Ha and S. Hong, “Structural Behavior of Durable Composite Sandwich Panels with High Performance Expanded Polystyrene Concrete”, International Journal of Concrete Structures and Materials, 12:21, 2018.
     

    [3] S. Hong and J. Lee, “Towards a rational understanding of shear in beams and slabs : 13. Shear strength of UHPFRC I-shaped beams without stirrups”, fib bulletin No. 85, Technical report, pp.212-224, 2018. (ISBN 978-2-88394-125-0)
     

    3. 연구 중에 어떤 극복해야 할 문제가 있었고 이를 어떻게 해결하셨는지?

    재료의 역학적 성질을 부재 거동에 적용하기 위한 논리적인 연결고리를 찾기 위해 많은 노력을 기울였습니다. 재료에서 유의미한 변수가 부재거동에서는 큰 의미가 없을 수 있기 때문에, 적절한 설계변수를 정의하는 것이 연구내용 중 중요한 작업이었습니다. 일반 콘크리트 재료의 지배변수는 압축강도라고 할 수 있습니다. 인장거동을 고려하지 않는 일반 콘크리트 설계와는 달리, UHPC는 인장거동이 균열양상 및 파괴형태를 지배하기 때문에 부재 설계에 반영되어야 합니다.
    콘크리트 인장거동은 전통적으로 파괴역학에서 다루어온 분야인데, 대부분의 연구가 재료모델을 유한요소해석에 적용하는 형태의 균열선단에서의 국부적인 해석에 초점이 맞춰져 있어서, 부재 전체거동에 영향을 미치는 파괴역학 변수값을 정의하는데 어려움을 겪었습니다.
    아이디어를 얻기 위해, 기초적인 전공서적에서부터 준취성재료로서 유사한 특징을 가지고 있다고 생각되는 다른 분야의 논문을 참고하기도 하였습니다. 결론적으로 모델링은 관점의 차이와 재해석이 중요하다고 생각합니다. 현상학적인 결과에 대해서 어떠한 것을 지배적인 변수로 볼 것인지가 가장 먼저이고, 논리적인 인과관계를 부여하고 검증하기 위해서는 기존 연구자들의 관점을 재해석하려는 노력이 필요합니다.

     

    4. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

    콘크리트 신재료의 역학적 성능 검토와 구조부재 응용에 대한 연구에 관심이 많습니다. 국내에서도 콘크리트 재료에 대한 연구가 활발하게 이뤄지고 있는데, 이러한 재료가 적절한 쓰임새를 찾아 부재에 이용될 수 있도록 설계방법을 제안하고자 합니다. 예를 들면, 단열성능이 향상된 UHPC 재료를 개발하고 이를 샌드위치 패널에 적용한 연구와 같은 내용입니다. 최근 연구실에서 나노입자를 혼입하여 내구성, 단열성, 차폐성 등의 사용목표성능을 만족하는 시멘트계 재료 개발에 대한 연구를 수행 중인데, 이러한 재료의 역학적 거동을 정의하고 활용방안을 모색하는 연구를 연계해서 수행할 계획입니다.

     


    5. 본인이 영향을 받은 다른 연구자나 논문이 있다면?

    콘크리트 파괴역학 분야의 대가인 Z. P. Bazant의 1998년 저서 ‘Fracture and Size effect in concrete and other quasibrittle materials’를 다독하였습니다. 다른 연구자들도 좋은 연구를 많이 했지만, Bazant는 부재의 크기(높이)라는 변수를 통해 파괴역학을 구조부재에 적용가능한 범위로 확장시켰고 광범위한 분야에 걸쳐 관련 연구를 아직까지도 활발하게 하고 있습니다. 쉬운 글을 쓰는 연구자는 아니지만, 읽을 때마다 저자의 생각을 새롭게 이해하는 재미가 있습니다.
    제 연구분야의 다른 한 축인 콘크리트 소성학은 지도교수님인 홍성걸 교수님의 사사를 받은 내용입니다. 소성학은 이상화된 재료모델을 통해 보수적이고 합리적으로 부재의 구조성능을 예측하는데 유용한 접근법입니다. UHPC와 같은 신재료는 부재실험에 대한 데이터가 충분하지 않기 때문에 이러한 접근이 특히 효과적이라고 할 수 있습니다. 외력에 저항하는 구조부재의 응력상태에 대해 그래픽으로 표현하고, 이를 통해 힘의 흐름을 이해하여 부재거동을 정의하는 방법을 배웠습니다.

     

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

    제가 몸담고 있는 서울대학교 건축학과 구조재료실험실에서는 재료연구와 구조연구를 병행하고 있다는 장점이 있습니다. 재료와 구조분야 연구원들의 협업을 통해 얻는 시너지효과는 큽니다. 활용목적에 따라 콘크리트 재료배합을 조절하고, 구조성능 검증을 통해 구조부재 설계 및 적용에 이르기까지 연구영역을 확장시키는 즐거움을 느꼈고, 동료연구진의 도움으로 연구 중 모르는 부분이 있어도 쉽게 부족함을 보완할 수 있었습니다.
    지도교수님인 홍성걸 교수님께서는 학생들이 본인의 연구분야에 흥미를 가지고 자기주도적으로 성장할 수 있도록 적극적인 지지를 해주십니다. 실패를 두려워하지 않고 도전하는 자세로 연구하는 것이 무엇보다도 중요하며, 일련의 과정을 배움과 성장으로 바꾸는 것은 연구자의 노력과 긍정적인 마음가짐이라는 가르침을 주셨습니다.

     


    7. 이 분야로 진학하려는 후배에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

    최근에는 콘크리트 3D프린팅, 비정형 부재의 설계 등과 같이 기계, IT분야와의 융·복합연구 및 ‘건축재료-구조설계-시공’ 통합설계 연구도 활발하게 이루어지는 추세입니다. 기존의 연구분야에 얽매이지 마시고 새로운 도전을 해보신다면 본인만의 전문분야를 가진 훌륭한 연구자가 되는데 한걸음 가까워지지 않을까 합니다.

     

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    전체댓글 4

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    |2018.11.23
    좋은 정보 감사드립니다.
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    |2018.11.23
    콘크리트에 다른 복합신소재를 이용해서 성능치에 대한 연구를 계획 중입니다. 선생님의 논문을 읽어보고 좋은 아이디어를 얻을 수 있었으면 좋겠네요. 앞으로도 좋은 연구 기대합니다~! 화이팅!!
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    |2018.11.23
    UHPC 설명을 읽으면서 어릴적 티비에서 보았던 다큐에서 솜을 넣은 얼음의 강도가 가장 강하다라고 했던 것이 생각났습니다. 시멘트에서도 철근을 넣지 않는 UHPC 같은 고강도 소재들이 개발됨에 따라 미래의 건축양식이 더욱 다양해지리라 생각됩니다. 재료와 구조분야를 공부하시면서 파괴까지 공부하시는 모습이 학문을 즐기신다는 느낌이 받았습니다. 흥미로운 내용 감사합니다.
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    |2018.09.27
    UHPC는 동일한 재료로 만들어진 고강도 시멘트가 아니라 여러가지 재료로 성능을 확장시킬수있는 고강도 시멘트를 지칭하는 일반적인 용어인거 같네요. 그래서 여러가지 연구자 진행중인거 같네요..
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