[공학저널 전찬민 기자] 최근 다양한 해안, 해상, 해중, 공용중 구조물의 안전성과 내구성 향상이 대두되고 있는 가운데 기존 구조물의 한계를 개선할 수 있는 새로운 형태의 복합소재 보강 설계의 필요성이 강조되고 있다.
1970년대부터 집중적으로 건설된 SOC 시설물은 현재까지 주로 콘크리트와 강재가 활용돼 왔다. 이러한 SOC 시설물은 노후화가 빠르게 진행되고 있으며, 노후화된 콘크리트 구조물은 균열, 박리, 열화 등의 문제가 발생하고 있으며, 교량·건축물 바닥판, 콘크리트 슬래브 등에 사용된 철근의 부식으로 구조물 안전과 성능저하 문제로 인해 막대한 유지보수 비용을 초래하고 있는 실정이다.
또한 이러한 부산물의 강, 하천 유입으로 인해 수질 오염을 유발시키고 있으며, 건설 폐기물 중 폐콘크리트는 약 90%을 차지하고 있다. 발생량은 해마다 크게 증가하고 있어 환경문제를 발생시키기도 한다. 이에 따라 폐콘크리트로 인한 주거환경, 지역환경, 전 국토의 환경파괴에 대한 대책을 모색해야 하며, 철강재와 콘크리트 재료의 생산으로 인한 탄소배출 확대로 지구환경파괴에 대한 근본적인 해결책을 제시할 필요성이 증가되고 있다.
이러한 막대한 유지보수 비용과 전 세계가 이슈로 자리잡은 환경 문제를 해결할 수 있는 대안으로 복합신소재가 적극 활용돼야 한다는 목소리가 점차 높아지고 있다.
건설 분야에 복합신소재 활용이 확대되면 기존의 건설재료에 비해 경량화되고 내부식성을 가진다는 것이 가장 큰 장점으로 손꼽힌다. 이와 더불어 뛰어난 인성·전자기적 특성, 임의 방향으로의 보강 기능, 필요조건에 따른 최적화된 부재·구조물의 생산 가능성, 지진발생 시 경량으로 인한 관성력 감소, 구조물의 경량과 가설의 용이성 등으로 유지보수뿐만 아니라 건설 공기 단축의 장점도 가지고 있다.
이에 미국, 캐나다, 유럽, 일본을 중심으로 섬유보강폴리머(FRP) 보강재, 시설물에 대한 적용을 확대하면서 친환경적 시설물의 설계, 시공유지관리에 많은 노력을 기울이고 있다. 국내에서도 1990년대 중반부터 주로 유리섬유시트, 탄소섬유시트 등을 이용한 노후 콘크리트 구조물 보강에 활발한 연구와 적용이 이뤄지고 있다.
대표적인 복합신소재 중 하나인 섬유보강폴리머(FRP)는 섬유+폴리머수지+충진재(계면부착)로 구성되며, 섬유의 경우 재료구성에 따라 탄소(Carbon), 유리(Glass), 아라미트(Aramid), 현무암(Basalt), 하이브리드(Hybrid) 등 매우 다양하게 적용이 가능하다. 이러한 친환경적 재료인 복합신소재는 건설분야 적용 확대를 통해 기존의 재료들을 대신해 현재 그리고 미래의 주된 건설재료가 될 것으로 예상되고 있다.
이러한 복합신소재의 다양한 장점에도 불구하고 건설 분야 적용은 어려움이 있었다. 특히 복합신소재가 가격이 비싸다는 점과 다양한 재료가 복합돼 사용되기에 이론이 일반 설계 기술자에게는 어렵고 복합신소재 관련 국내 설계기준이나 표준시방서가 없다는 것이 그 이유다.
한국복합신소재구조학회 박종섭 회장(사진)은 “기존 재료에 근거한 부적절한 개념에 의한 설계와 시공으로 구조물의 가격을 상승시키는 원인으로 작용하고 있었다”며 “하지만 현재 경제적이고 효율적인 제작 방법의 기술 개발로 복합신소재의 가격은 계속 내려가고 있어 설계 접근 방법이 가격 형성에 결정적인 역할을 하고 있다”고 말했다.
이러한 복합신소재 구조물의 장점을 활용해 복잡한 도심에서 고가도로나 보도교의 신속한 건설, 내부식성 장점을 활용한 기존 구조물의 보수보강 적용, 지진과 같은 진동발생시 경감된 무게만큼의 관성력 감소로 인한 유지관리 비용 최소화 등 이러한 장점을 극대화할 수 있는 설계개념과 시공과정에 대한 정립이 필요하다는 것이 전문가들의 의견이다.
이를 위해 한국복합신소재구조학회는 복합신소재를 활용해 친환경 시설물 적용을 위한 단위 연구활동을 집약시킬 수 있는 연구활동을 통해 복합신소재 시설물의 기본 이론과 설계방법(기준)을 마련하기 위해 다분한 노력을 기울이고 있다.
또한 관련 시설물 분야의 수요에 맞는 고부가가치의 연구활동을 집약시킬 수 있는 산학연관 중심의 학회가 되고자 지속적으로 그 역할을 수행하고 있다. 이러한 산학연관 중심인 학회가 주도적으로 제반 연구활동과 제도적 정비를 지원함으로서 신기술의 산학협동으로 국가경제발전에 기여할 것으로 기대를 모으고 있다.
박 회장은 “복합신소재의 건설 분야 적용의 장점을 극대화 하고자 건설분야에서의 복합신소재 구조설계기준과 응용기술 실용화를 위한 기술개발에 학회가 최선을 다 하고 있다”며 “건설기준센터의 건설기준에 GFRP 보강근을 활용한 합성구조물의 설계기준 제정을 통해 복합신소재 구조설계기준 적용성의 장점을 재차 확인하는 것이 중요하다”라고 말했다.
그는 이어 “건설 분야뿐만 아니라 기계, 항공, 화공 등 다양한 분야의 복합신소재 시설물의 구조설계와 시공분야 적용을 위한 기준마련에도 기여할 예정”이라며 “앞으로 친환경 신소재의 건설 분야를 비롯한 다양한 공학 분야의 적용을 목표로 학회 모든 구성원이 힘을 모아 우리나라 건설 기술발전을 가져올 수 있도록 노력을 기울이겠다”고 덧붙였다.
