Protective Facility ISSN:3058-7816(Print) 3058-8618(Online) 방호시설

본 연구는 고강도 내부식 특성을 갖는 GFRP 보강근을 적용한 인프라 구조부재의 구조적 거동을 평가하기 위해 수행되었다. 최근 철근 부식으로 인한 구조물 내구성 저하 문제가 증가함에 따라 이를 대체할 수 있는 재료로서 GFRP 보강근의 적용 필요성이 제기되고 있다. GFRP 보강근은 경량성과 높은 인장강도를 가지는 반면, 선형탄성 및 취성적 거동 특성을 나타내어 기존 철근과는 차별화된 설계 접근이 요구된다. 이에 본 연구에서는 보 및 기둥 부재를 대상으로 ANSYS 기반 3차원 수치해석을 수행하여 철근 보강 구조와의 거동 특성을 비교하였다. 해석 결과, GFRP 보강근은 낮은 탄성계수로 인해 철근 대비 변위가 다소 증가하는 경향을 보였다. 그러나 초기 균열 발생 하중은 두 경우 모두 유사하게 나타나 구조적 초기 성능은 동등 수준임을 확인하였다. 보 부재에서는 GFRP 보강 시 높은 인장응력을 유지하며 항복 없이 안정적인 거동을 나타냈다. 기둥 부재에서도 압축 하중 조건에서 철근과 유사한 안정적인 응력 분포가 확인되었다. 또한 응력 분포 및 균열 양상은 전반적으로 철근 보강 구조와 유사하게 나타나 구조 시스템의 일관성이 유지됨을 확인하였다. 종합적으로 GFRP 보강근은 극한 하중 조건에서 유리한 성능을 가지며 인프라 구조물에 적용 가능한 대체 재료로 판단된다.

본 연구에서는 구조물의 안전성 극대화와 재료 효율성 최적화를 위한 강화학습 기반의 범용 구조설계 프레임워크를 제안한다. 기존의 수치 최적화 기법은 설계 변수가 방대하고 제약 조건이 비선형적인 환경에서 과도한 계산 시간이 소요되거나 국부 최적해에 수렴하는 한계가 있다. 이를 극복하기 위해 본 연구에서는 OpenAI Gymnasium과 구조 해석 엔진이 통합된 사용자 정의 환경을 구축하고, PPO 알고리즘을 적용하였다. 제안된 프레임워크의 유효성을 검증하기 위해 충전형 U형 강재 합성보와 트러스 구조의 단면 최적화를 수행하였다. 학습 결과, 강화학습 에이전트는 단면 치수와 구조 성능 사이의 복잡한 비선형 관계를 효과적으로 학습하여 부재 성능을 요구 성능에 최적으로 근접시켰으며, 기성 제품 대비 향상된 재료 효율성을 달성하였다. 본 연구는 강화학습이 설계 요구조건을 만족하는 최적 설계 정책을 스스로 수립할 수 있음을 입증하였으며, 향후 구조설계 자동화 및 최적화를 위한 의사결정 도구로 활용 가능함을 보였다.

본 연구에서는 고강도·고연성 강재인 TWIP980강판과 나노 복합 코어재를 적용한 샌드위치 패널형 유니버설 라이너의 터널 방호 기술 적용성을 평가하였다. 이를 위해 내부 폭발, 화재에 의한 열전달, 지진 발생 시의 단면 타원형 거동 조건에 대한 수치해석이 수행되었다. 해석 결과, 첫째, 폭발해석에서 TWIP980 강판 기반 라이너는 TNT 2,268.0 kg 상당의 폭발하중 하에서도 최대 유효 소성변형률을 약 0.006 수준으로 제한하며 우수한 에너지 흡수 성능을 나타냈다. 둘째, 화재해석 결과, 나노 복합 코어재가 열전달을 효과적으로 지연시켜 150 MW 규모의 화재 조건에서도 기존 콘크리트 표면 온도를 42.4 ℃ 이내로 유지하였다. 셋째, 지진해석 결과, 유니버설 라이너 적용 시 기존 콘크리트 라이닝에 작용하는 축력과 전단력이 약 24.0 % 감소하였으나 모멘트는 소폭 증가하는 것으로 확인되었다. 따라서 제안된 유니버설 라이너는 폭발, 화재, 지진과 같은 극한 하중에 대한 복합 방호 성능을 향상시킬 수 있는 통합형 터널 방호 시스템으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

이 연구에서는 철근콘크리트 부재의 내폭응답 해석 시 프로세스의 효율성과 연속성을 확보하기 위하여, 전 구간의 폭발하중 파라미터를 단일 수식으로 산정할 수 있는 다중 가우시안 기반의 모델을 개발하였다. 기존에 널리 사용되는 폭발 파라미터 산정식들은 환산거리의 특정 범위에 따라 서로 다른 다수의 수식을 개별적으로 적용해야 하며, 각 식의 유효 범위가 제한되어 있어 해석 과정에서 불연속성과 복잡성을 초래하였다. 이러한 제약을 극복하고자 이 연구에서는 3개의 가우시안 함수와 상수항을 중첩한 단일 산정식을 제안하였으며, 환산거리에 따른 파라미터의 급격한 비선형 거동을 유사하게 모사하였다. 제안된 모델을 통해 폭발압력, 충격량, 지속시간을 피팅한 결과, 전 구간에서 결정계수 0.99 이상의 높은 정확도를 확보하였다. 또한, 이를 적용한 RC 기둥의 SDOF 해석 결과가 기존 방식과 매우 유사한 거동(최대 변위 오차율 약 7.2 %)을 보임을 확인하였다. 이 연구로부터 제시된 하중이력 파라터 산정식은 내폭 설계 및 해석의 편의성을 높이고 해석적 신뢰성을 향상시키는 데 기여할 것으로 기대된다.

방폭설계에서 벽체의 고유주기는 폭발하중에 대한 구조 응답 평가에 중요한 변수이며 그 산정 결과는 벽체 두께, 경계조건, 모델링 범위 및 거동 가정에 따라 달라질 수 있다. 본 연구에서는 해석 기반 방법과 등가단자유도(SDOF) 기반 일방향 거동 및 이방향 거동 근사식을 비교·분석하였다. 그 결과 벽체 두께가 증가할수록 고유주기는 전반적으로 감소하였으나 감소 경향과 편차는 모델링 조건에 따라 다르게 나타났다. 특히 단일 벽체 모델은 이방향 거동 근사식과 비교적 유사한 결과를 보였으나 전체 구조물 모델은 일방향 거동 기반 근사식과 상대적으로 큰 차이를 나타냈다. 따라서 방폭설계 시 고유주기 산정은 특정 방법에 의존하기보다 일방향 거동 및 이방향 거동 기반 근사식을 상·하한 검토 값으로 활용하고 해석 결과와 함께 종합적으로 검토하는 것이 합리적이다.