[전주=뉴스핌] 오늘날까지 토목·건축 분야의 건설공사에는 주로 콘크리트 및 강재 등이 건설 재료로 사용되었다.

그러나 최근 건설 산업이 발전함에 따라 구조물이 대형화되고 중량과 부식, 내구성 문제 및 경과 년 수의 증가로 인한 유지 관리가 중요한 사회문제로 대두되고 있다.

지효선 교수[사진=뉴스핌DB] 2021.05.24 obliviate12@newspim.com

최근에 이러한 문제를 해소할 수 있는 FRP복합신소재(advanced composite materials)를 응용하기 위한 노력들이 국내외적으로 활발하게 진행되고 있다.

21세기 들어오면서 금속, 화공분야 등의 산업 발전에 힘입어 콘크리트와 강재를 대체할 비부식성, 경량성, 고강도의 장점을 지닌 FRP복합신소재가 새로운 재료로 등장하기에 이르렀다.

더욱이 선진국을 중심으로 첨단기술과 경제적 대국을 겨냥한 초대형 건설 프로젝트를 구상하거나 추진 중에 있다.

FRP복합신소재의 재료중량은 강재중량의 1/4이지만 기존의 콘크리트나 강재로 건설된 구조물에 비하여 무게가 1/10로 되어 그 만큼 경간을 늘릴 수 있고 층고를 높일 수 있으므로 초고층 빌딩이나 초장대 교량을 계획할 때는 필수적으로 고려되어야 할 소재임은 분명하다.

또한 기존 콘크리트나 강재에 비하여 강도/중량의 비가 매우 크므로 FRP복합신소재 구조물은 초고층, 초장대 구조물일수록 유리한 장점이 있다.

이와 같은 복합 신소재의 장점 때문에 1000m가 넘는 초고층 빌딩이나 3000m 이상의 초장대 교량의 건설, 초대형 해양구조물의 건설이나 인공섬, 지하도시, 해저도시의 구상에 이르기까지 모든 대형 프로젝트에서 FRP복합신소재가 구조재로 더욱더 중요한 비중을 차지할 것이 분명하다.

◆ FRP복합신소재의 특성

특별한 요구에 맞추어 특성을 적절히 가감할 수 있는 융통성이야말로 FRP복합신소재의 가장 큰 특징이다.

따라서 FRP복합신소재가 제대로 설계되고 제작되기 위해서는 강화상의 강도와 기지상의 인성을 결합하여 전통적인 어느 재료에서도 얻을 수 없는 바람직한 특성을 가져야 한다.

◆ 다양한 분야에서의 FRP복합신소재 활용/응용사례

FRP복합신소재가 응용된 산업부문은 우주항공산업 분야를 필두로 설비, 소비재, 내식성 장비, 전기전자, 선박, 자동차 산업 등이다. 최근에는 FRP복합신소재가 신재생에너지 및 건설분야에도 활발히 응용되고 있어 생산 및 사용량이 증가되는 추세이다. 

▲ 교량분야

이미 미국, 유럽 선진국을 중심으로 FRP복합신소재를 이용한 교량건설이 상당히 진행되고 있다. 미국 McKinleyville에서는 1996년 FRP 강화 콘크리트 바닥판을 이용한 교량이 최초로 건설되었으며, 같은 해에 Russel에서는 차량용 완전복합소재 바닥판을 만들어 시공하였다. 국내의 FRP복합신소재 기술개발은 국방과학연구소(ADD)에 의하여 방위산업 분야에 편중되어 상당히 추진되어왔으나, 지금까지 추진된 FRP복합신소재 기술은 비행체, 병기 등에 응용에 한정되어 있으며, 대량의 수요를 창출할 수 있는 건설분야에서의 FRP복합신소재 응용에 대한 연구가 대원대학교 연구진에 개발된 GFRP를 이용한 수적층된 FRP 패널과 파형 FRP거더로 구성된 고강도 FRP복합신소재 교량(B=8.0m, L=10.0m)을 강원도 영월군 북면 덕창리 지방도 88호선에서 국도 31호선으로 연결되는 법정도로에 2002년 5월 21일에 국내최초로 건설하였다.

▲ 콘크리트, 강재 보강 분야

기존 노후교량의 상하부 구조를 외부에서 보강하기 위해 FRP복합신소재인 FRP 쉬트(Sheet)나 패널(panel)을 이용하는 경우 등이 있다. 그 이외에도 철근콘크리트 교량의 보강철근을 유사한 단면의 FRP 보강재로 대체하거나 노후 된 철근콘크리트 구조물의 보강기술은 다양하게 개발되어 적용되고 있으며, 최근에는 FRP복합신소재를 이용한 철근콘크리트 구조물의 보강공법의 기술개발이 증가하고 있다. 

▲ FRP복합신소재 보강근(Rebar), 긴장재(Tendon)

철근콘크리트 교량의 보강철근을 유사한 단면의 FRP 보강근으로 대체하거나 FRP(Fiber reinforced plastics)는 현재 토목분야 및 다른 여러 분야에 있어 다양하게 사용되며 각광 받고 있는 신소재이다.

특히 염기성 환경에서 강재 텐던의 부식에 대한 문제를 원천적으로 제거할 수 있는 장점이 있다.

▲ 신재생에너지(Renewable Energy)분야

신재생 에너지로 각광받는 풍력발전기에 사용되는 2MW, 3MW, 5MW급의 Blade는 모두 FRP복합신소재로 구성되어 있는데 EPOXY수지와 유리섬유와 더불어 Blade의 강성을 담당하는 소재가 Balsa와 PVC Foam이며 최근에는 PET Foam도 차차 적용되고 있습니다. 또한 해양환경에서 태양광에너지 발전시스템의 하부 구조재를 FRP복합신소재로 사용하여 친환경적이면서 기존의 재료를 대체할 수 있다.

특수해양구조물[사진=자료사진] 2021.05.24 obliviate12@newspim.com

◆ 제언

현재 각종 FRP복합신소재는 경제적이고 효율적인 제작 방법이 나날이 개발되고 있다.

FRP복합신소재로 만들어지는 구조물의 경량으로 인하여 중장비 사용이 극단적으로 감소되고 공사기간은 몇 달이 아니라 며칠로 단축된다.

우리는 이미 여러 가지 구조물에서 부식으로 인한 엄청난 국가적 손실을 입고 있다는 사실을 알고 있다.

콘크리트 속의 철근은 화학적, 전기적 작용으로 부식이 진행되고 있다. 새로 건설하는 구조물의 부식방지를 위해서 FRP복합신소재 구조물을 건설하는 것은 필수 불가결한 요소이며 또한 기존 구조물의 보수에도 FRP복합신소재가 사용되어야 효과적인 구조물이 된다.

높은 비강도와 비강성 이외에도 강한 내충격성, 높은 피로강도를 갖고 있으며, 중량이 적으므로 지진이나 기타 진동발생시 그 무게 비율로 감소된 관성력을 받게 된다.

오늘날 FRP복합신소재는 꾸준한 소재개발과 대량생산 등에 힘입어 가격이 하락하면서 건설 분야에서도 경제적인 재료로 평가받기 시작했다.

FRP복합신소재로 제작, 건설된 많은 구조물들이 강재나 콘크리트 구조보다 경제적인 구조물임을 입증하는 분야가 등장했다.

FRP복합신소재는 강도와 강성이 충분하면서도 재료의 자중을 획기적으로 줄일 수 있으며 외부환경에 저항성이 크고 환경오염의 영향이 적어 공사시간의 단축, 유지관리, 수명공사비(LCC), 환경적인 영향 등의 문제를 상당부분 해소할 수 있는 매력적인 재료이기에 미래 건설 분야에서 콘크리트와 강재를 대체할 수 있는 재료로서 각광받게 될 것이다. 

따라서 FRP복합신소재는 신재생에너지 및 건설 분야에 21세기 새로운 건설재료로 진입하기 위한 산학연관의 협업이 필요한 시점이며 (사)한국복합신소재구조학회와 한국복합소재협회를 중심으로 설계기준 및 시방서의 제정이 조속히 이루어지고 관련 FRP복합신소재 연구가 계속 활발히 이어져 우리나라 기술발전 및 미래 안전사회 구축이라는 시대적 소명을 감당하여야 할 것이다. 

2021.05.24

지효선 대원대학교 철도건설공학과 교수

obliviate@newspim.com