2.방호방폭기획보고서_KICT_최종본_130531_발간배포.hwp

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1 2012- 연구기 획-J02 건설교통연구기획사업 개발 기획 보고서 방 호 방 폭 R&D / 2012-연구기획-J02 구 조 물 용 고 성 능 방호 방폭 구조물용 고성능 섬유보강시멘트 복합재료의 개발 기획 보고서 섬 유 보 강 시 멘 트 복 합 재 료 의 주관연구기관 / 공동연구기관 / 한국건설기술연구원 강원대학교 개 발 기 획 보 고 서 2012 국 토 해 양 부 한 국 건 설 교 통 기 술 평 가 원 국 토 해 양 부 한국건설교통기술평가원

2 제 출 문 국토해양부 장관 귀하 이 보고서를 "방호 방폭 구조물용 고성능 섬유보강시멘트 복합재료의 개발" 기획과제 의 최종 보고서로 제출합니다 주관연구기관 한국건설기술연구원 원 장 우 효 섭 주관연구책임자 / 김성욱 연구위원 한국건설기술연구원 주관연구기관 / 문재흠 수석연구원 / 박정준 수석연구원 / 박준형 연구원 공동연구책임자 / 박철우 교수 강원대학교 공동연구기관 / 최우현 연구원 / 장봉진 연구원 / 유재강 연구원 위탁연구책임자 / 정문수 수석컨설턴트 (주) 날리지웍스 위탁연구기관 / 공경수 책임컨설턴트 / 손창수 전임컨설턴트

3 과제고유번호 2012-연구 기획-J02 보고서 요약서 해 당 단 계 연 구 기 간 ~ 연 구 사 업 명 사 업 명 건설교통 기획 연구사업 연 구 과 제 명 세부과제명 연 구 책 임 자 연구기관명 및 소 속 부 서 명 김 성 욱 단 계 구 분 방호 방폭 구조물용 고성능 섬유보강시멘트 복합재료의 개발 기획 해당단계 참 여 연구원수 총연구기간 참 여 연구원수 한국건설기술연구원 SOC성능연구소 총 : 10명 내부 : 6 명 외부 : 4 명 총 : 10명 내부 : 6 명 외부 : 4 명 해당단계 연 구 비 총연구비 참여기업명 - 국제공동연구 상대국명 : 상대국연구기관명 : 1단계 중에 정부 : 1단계 50,000 천원 계 : 50,000 천원 정부 : 50,000 천원 계 : 위 탁 연 구 연구기관명 : 날리지웍스 연구책임자 : 정 문 수 요약(연구결과를 중심으로 개조식 500자 이내) 보고서면수 ㅇ 사고 및 테러 시 발생하는 충격과 폭발은 국민의 생명과 재산에 심각한 손실을 유발. ㅇ 연평도 포격사건과, 화학단지의 폭발 사례 등은 본 연구개발사업 추진의 필요성을 보여줌. 50,000 천원 ㅇ 시설물의 활용성을 극대화하면서 효율적인 방호대책을 위해 고성능 복합재료의 개발과 적용 시급. ㅇ 국내외 기술 및 산업동향을 분석한 결과 필요성에 대비하여 개발된 기술의 수준이 세계적으로 높 지 않고, 기술 선도국에 의한 시장 점유율도 높지 않아, 연구개발의 성공적 기회가 됨. ㅇ 정책적, 기술적, 경제적 사전 타당성 조사 결과, 정책적 필요성이 분명하고, 재료관련 기반기술이 확보되었으며, 시장개척 및 진입 가능성이 높아 사업 추진의 타당성이 확보됨. ㅇ 방호 방폭 관련 기술 및 이와 관련된 재료기술에 대하여 기술수요조사를 시행한 결과, 중점연구 추진 분야는 방호 방폭 기준 및 등급체계 분야, 방호 방폭용 고성능 복합재료 자재 개발 분야, 방호 방폭용 재료 자재 및 구조물 성능평가 분야 로 함축됨. ㅇ 연구추진체계는 정부 주도형, 연구개발 보안이 필요한 특성을 감안, 국공립 및 출연연 참여 필수. ㅇ 관련 선행연구 및 실험 실증 인프라를 구축하고 있는 국방부, 국방과학연구소 등의 협력이 필요. 색 인 어 (각 5개 이상) 한 글 영 어 방호, 방폭, 안전성, 섬유보강, 복합재료 Protection, Blast resistance, Safety, Fiber reinforcement, Composites

4 요 약 문 Ⅰ. 제목 : 방호 방폭 구조물용 고성능 섬유보강시멘트 복합재료 개발 기획 Ⅱ. 연구개발 추진 필요성 1. 연구개발 추진 필요성 사고 및 테러 시 발생하는 충격과 폭발은 국민의 생명과 재산에 심각한 손실을 유발, 발생건수와 규모는 점차 증가 추세 국가중요시설의 분류와 방호대책은 국방부훈령 제1057호에서 규정하고 있으나 방위 작전수행 개념에 국한되어 있고 시설물의 방호 방폭 기술적 사항은 부재 대상 시설물의 활용성을 극대화하면서 효율적인 방호대책을 마련하기 위해서 고성 능 복합재료의 개발과 적용기준에 대한 연구개발이 시급 2. 주요 피해 사례 사례명 피해내역 조치 및 추정사항 연평도 포격 피해 (2010) 여수/안산 화학공장 폭발사고 (2000) 대구 지하철 공사장 가스관 폭발 (1995) 오클라호마 연방청사 폭탄 테러 (1995, 미국) - 인명피해 : 사망 4명, 부상 56명 - 재산피해 : 12,256 백만원 주택 및 공공시설물 133동 임야 25ha, 냉동/어업시설 - 기반시설 : 도로 6개소(700m) 등 - 인명피해 : 사망 12명, 부상 66명 - 재산피해 : 5,100 백만원 공장 2동 전파, 2동 반파 - 인명피해 : 사망 101명, 부상 117명 - 재산피해 : 54,000 백만원 건물 346채 완파 및 반파 차량 152대, 복공판 400m - 인명피해 : 사망 168명, 부상 800명 - 재산피해 : 652 Mil USD (7,200억원) - 서해 5도 대피시설 현대화 사업비 112,700백만원 국회 제출 - 서해 도서지역 소방력 보강 추진 사업비 14,970백만원 국회 제출 - 연평도 지역에 콘크리트의 두께를 강화한 대피시설 준공 유사 상황 현시점 발생 추정 - 인명피해 : 사상자 20 여명 - 재산피해 : 20,000 백만원 공장자동화로 인명피해감소 생산시설 피해 증가 유사 상황 현시점 발생 추정 - 인명피해 : 사상자 200 여명 - 재산피해 : 162,000 백만원 15년~물가상승률 300%추정 유사 상황 국내 발생 추정 - 인명피해 : 사상자 1,000 여명 - 재산피해 : 700,000 백만원 가정대상 : 과천종합청사 - i -

5 Ⅲ. 국내외 동향 및 환경 분석 1. 국내외 정책동향 국내에서는 국방시설물을 제외하고 방호 방폭 구조물 관리기준 체계가 명확히 갖추어져 있지 않고 최근 이에 대한 필요성을 인지하여 국가안보기관, 국토해양부, 지자체를 중심으로 법제정 및 제도화를 추진 중에 있음 행정안전부 : 정부청사 소산시설 설계지침 (방폭고려, 대외비) 국토해양부 : 건축물 테러예방 설계가이드라인 2010년 4월부터 시행 국방부훈령 제 721호( ) 및 제1057호( )에서는 국가중요시설의 지정하고 있으며, 각 중요시설에 대해서도 중요도에 따라 등급을 가,나,다 3단계로 나누어서 관리하고 있음 미국의 경우 Army, Navy 및 Air force 가 함께 공동으로 방폭구조물에 대한 기준을 적용하 고 있음 (UFC ). 그러나 최근 항공기를 이용한 충돌 및 폭발 (911 미국, 2001), 차 량폭탄 테러 (오클라호마 연방청사 차량폭탄테러 등, 1995) 등 다양한 방식의 불특정 다수를 겨 냥한 테러가 급증함에 따라, 민간시설물을 포함한 다양한 방호 방폭 대비책을 강구하고 있음 미 국무부가 발표한 자료에 따르면 사람의 유입이 빈번한 상업시설에서의 테러빈도가 다른 시설 물에 비해 월등히 높으며, 이처럼 대규모의 상업시설은 인명살상을 통한 관심집중이라는 테러의 목적달성에 효과적인 장소로 악용되고 있기 때문에 화공플랜트 등의 에너지산업 시설물과 더불 어 주요 방호 방폭 대상으로 관리하고 있음 일본의 경우 관련 학회를 중심으로 구조물의 내충격 성능평가 소위원회, 응용역학운영위원회 등을 구성하여 충돌 폭발 등의 충격적인 외력에 의한 구조피해의 저감화와 내충격 폭발설계 가 이드라인을 작성 중에 있으며, 이것을 근거로 구조물의 방호 방폭 대비 노력을 기울이고 있음 2. 국내외 시장동향 국내의 경우, 충돌 충격에 대한 방호 및 방폭 안전성 관련 시장은 주로 차량충돌 방호벽, 해상교 량 선박충돌 방지공, 석유 가스 플랜트와 같은 화학플랜트 및 국방시설물과 같은 일부 국가중요 시설의 방호 방폭 기능 부여로 한정되어 적용, 관련 시장이 활성화 되어 있지 않음 최근 초고층건물 및 원전구조물 안전 의식 증가 등으로 내충격 및 방폭에 필요한 국내 전체 시 장규모는 향후 5년간 약 3조원 이상의 수준으로 예측되며, 이중에서 건설과 관련된 방호용 자재 및 제품의 시장규모는 약 5,000억원 규모로 예측됨 * * 국내에 2015년까지 예정된 초고층 빌딩을 10여개로 산정한 경우 예상되는 투자비를 약 44조 1천억원으 로 추산한 바 있으며, 초고층 빌딩 1개당 순수 구조물 공사비가 약 1조원 이상으로 감안하고 있음 (콜 드웰뱅커코리아, 2008). 현재 국내 부동산 경기여건의 변화를 감안하여 향후 5년간 3개의 초고층 빌딩 - ii -

6 이 건축될 것을 가정하면 초고층빌딩 만으로 3조원이라는 전체 구조물 시장규모 최소치가 예상되며, 이 중에서 방호 방폭과 관련된 구조재료 및 자재분야를 15%로 가정할 경우 약 5,000억원의 시장규모가 추산됨. (관공서 등 주요시설물 및 기타 대형 시설물 등을 포함할 경우, 시장규모는 더욱 커지리라 판단 되고 있음) 국방시설 분야에서 방호구조물 고도화 기술개발투자는 미흡한 상태이며 2012년 정부예산을 기 준으로 볼 때 전체 국방예산은 약 33조 규모이며, 방호시설의 개선 및 유지관리비는 약 1% 정 도에 해당하며, 이중에서 고성능 섬유보강 복합재료로 방호 방폭 구조물 시장의 약 50% 점유 가 가능하다면 연간 약 1,650억원 규모의 국방 관련 방호 방폭 시장 진출이 가능함. (자료출처 : 2012 정부예산 중 국방비 내역) 2012년 현재 방범 및 물리적 보안과 관련된 시장규모는 미국, 영국, 유럽을 포함할 경우 약 800 억 달러 (97조 원) 규모로 매년 5%씩 증가추세이며, 방호 방폭 보안 시장을 포함한 대테러시장 의 규모는 대략 550억 달러 (63조 원)으로서 (출처: 씨큐리티월드 제 181호, 2012), 이 중 원전 산업 등과 같이 내충격 성능을 요구하는 구조물 및 건설자재 관련 산업시장의 경우, 그 시장규모 는 향후 5년간 약 20조원 이상의 수준으로, 주로 중동지역으로 계속적인 투자가 이루어질 전망임 * 현 대테러시장의 규모 550억 달러에 연간 5% 증가율을 감안한 향후 5년간의 시장규모는 약 350억 달 러가 되며, 이 중 방호 방폭 구조물 및 건설자재와 관련된 산업시장을 전체의 약 6%로 가정할 경우 5 년간 약 20조원 정도로 추산됨 3. 국내외 기술동향 국내에서는 최근 구조물의 내충격 및 방폭성능 향상방안에 대한 연구의 일환으로, 항공기 충돌 을 고려한 격납건물용 섬유보강 콘크리트 개발, 초고인성시멘트복합체(ECC)를 활용한 내화 방 폭 콘크리트 기술개발, 등 섬유보강 콘크리트 방식의 복합재료에 대한 기초 연구 시작 국내의 경우 대부분의 방호 방폭 관련 연구는 주로 국방산업 분야에서 수행되고 있으나, 군사 시설이 아닌 일반 주요 사회기반시설물 및 건축물의 경우, 사용목적 및 중요도에 따른 방호성능 수립체계의 정립과 방호 방폭용 고성능 복합재료의 개발이 요구됨 내충격 및 방폭성능형 섬유소재 기술은 미국, 유럽, 일본 등이 세계시장을 선도하고 있으며, 건설용 섬유산업 시장에서 차지하는 비중이 약 60%에 이르며, 프랑스, 독일 등에서는 건설용 첨단 신재료 인 초고성능 섬유보강 시멘트 복합재료를 활용하여 방호 방폭용 구조체 및 구조물 건설기술에 대한 연구를 활발히 진행 - iii -

7 4. 기존 연구개발과의 차별성 구조물용 방호 방폭 재료의 고성능화 기존의 방호 방폭 구조물은 일반콘크리트를 사용하여 구조부재의 치수(두께)를 증가시켜 요구성능을 충족시키는 방식, 그러나 일반 시설물의 경우 활용성 측면에서 두께 증가에 한계가 있음. 이 연구에서는 부재치수의 큰 증가 없이도 요구되는 방호 방폭 성능을 기대할 수 있는 세계 최 고 성능을 지닌 섬유보강시멘트 복합재료를 개발하고자 함 기존 구조물 방호 방폭 보강형 고성능 복합재료 및 자재의 개발 기존 구조물에 방호 방폭 기능부여가 필요할 경우에 대비, 구조물에 보강 시 추가적인 공간을 크게 차지하지 않으면서도 요구성능을 만족할 수 있는 공간절약형 방호 방폭용 재료 및 자재 의 개발 및 적용기술을 개발하고자 함 방호 방폭 성능평가 기술의 개발 현재까지는 재료, 자재 및 구조물별로 방호 방폭 성능평가 기법이 명확히 제시되고 있지 않음. 본 연구에서는 방호 방폭 성능을 평가기준 및 시험 인프라를 개발함으로써, 방호 방폭 성능 평가 및 인증시스템을 구축, 개발 재료/자재의 현장 적용성을 확보하고자 함 방호 방폭 최적설계 기술 개발 고성능 섬유보강 복합재료 활용 구조물 최적화 설계기술을 개발하여 저비용, 고성능의 방호 방폭 구조물 건설기술을 확보하여, 건설산업에서 아직까지 구현되지 못한 새로운 방호 방폭 시 장을 개척하는 기반으로 활용 - iv -

8 Ⅳ. 연구개발 목표 및 내용 1. 연구개발 목표 국민의 안전과 국가중요시설의 보호를 통한 안전한 국가 및 사회를 보장 2. 연구개발 개념 ㅇ 구조물의 두께 증가 방식의 방호성능 확보 방식에서 탈피 ㅇ 고성능 고효율 방호 방폭용 재료/자재 및 활용기준을 개발 - v -

9 3. 연구개발 과제 구성 세부과제 방호 방폭 구조물용 고성능 섬유보강 시멘트 복합재료 및 자재 개발 기존 구조물 방호 방폭 보강용 고성능 복합재료 및 자재 개발 과제 구성 기술 방호 방폭 구조물용 고성능 섬유보강 시멘트 복합재료 개발 - 방호 방폭용 고성능 보강 섬유 개발 - 방호 방폭 기능 강화용 Hybrid-Mesh 섬유 직조 제조 기술 개발 - 방호 방폭용 고성능 섬유보강 시멘트 복합재료 배합, 제조 및 시공 기술 개발 고성능 섬유보강 시멘트 복합재료 자재 적용 방호 방폭 구 조물 설계기법 개발 - 방호 방폭 구조체 손상 모델 개발 - 충격 폭발 발생시 구조물 연쇄붕괴 방지를 위한 해석평가 기법 개발 - 방호 방폭 구조시스템 최적화 설계 기법 개발 고성능 복합재료 자재 적용 방호 방폭 구조물 Mock-up 실증실험 - Mock-up 구조물 설계 및 제작 - 방폭 성능 Mock-up 실증실험 및 평가 기존 구조물 방호 방폭 보강용 고성능 복합재료 및 자재 개발 - 패널형 방호 방폭 복합재료 및 적용기술 개발 - 뿜칠형 방호 방폭 복합재료 및 적용기술 개발 - FRP 외피형 방호 방폭 복합재료 및 적용기술 개발 방호 방폭 구조물 등급 체계 구축 - 구조물 방호 방폭 등급 분류체계 개발 및 정비 - 충격 폭발 하중 산정 기술 개발 방호 방폭 등급 기준 및 성능평가 기법 개발 충격 폭발 발생시 동적 재료물성 평가기법 개발 - 동적 충격 재료/자재 물성 시험 평가기술 개발 방호 방폭 성능예측을 위한 동적 재료모델 개발 - 구조물 설계 및 해석에 필요한 동적 충격 재료물성 모델식 구축 구조부재/구조시스템 방호 방폭 성능평가 기법 개발 - 구조부재 방호 방폭 실증 평가기술 개발 - 구조시스템 방호 방폭 실증 평가기술 개발 - vi -

10 Ⅴ. 사전타당성 검토 1. 정책적 타당성 검토 (1) 국가 전략적 중요성 (가) 정부 지원의 타당성 중앙정부 부처 및 지방자치단체는 사회 시설물 및 건축물에 대한 방호 방폭 안전성 확보를 위한 정책 계획을 수립하고 있으나 이에 대한 명확한 등급 기준 및 대책이 미흡한 상황임 행정안전부, 국토해양부 등에서는 건축 및 기반시설의 건설에 있어서 화재, 지진, 태풍 등의 자 연 재해에 대한 국민의 안전과 시설물의 경제적 유지관리를 위한 장수명 확보를 위하여 구조물 설계 및 내구성능의 강화를 도모하고 있음 폭발사고의 위험성이 상존하고 있는 석유화학 관련 산업의 해당 시설물 및 주변 건물의 안전 확 보 차원의 다양한 방호 방폭 관련시장의 확대가 예상됨 최근 들어서는 석유화학플랜트 뿐 만 아니라, 민간 대형 시설물에도 방호 방폭 안전성 기능을 확보하는 방식으로 정책의 변화가 이루어지고 있음 (나) 사업 추진의 시급성 남북 분단으로 인한 특수한 군사적 대치 상황과 연평도 포격사건 등으로 인하여 인명 및 재산피 해 발생하고 있으며, 군사시설 및 국가 중요시설물에 대한 방호 방폭 기능 향상을 위한 국가적 차원의 대책이 필요한 상황임 국토해양부는 테러에 취약한 대중이 이용하는 건축물에 대한 테러예방 활동을 강화하기 위하여 건축물 테러예방 설계가이드라인을 마련, 건축물 설계단계에서부터 테러로 인한 피해를 예방하 고 피해를 최소화 할 수 있는 건축물의 설계를 유도하고 있음 현재 국내 건축물의 방호기준은 1986년 미국 교범자료를 기초로 한 것으로 국방부에 한하여 방 호시설관련 사업이 비공개로 진행되고 있기 때문에 일반 건축물 및 시설물에 대한 방호 방폭 설 계 및 실제 적용에 있어서 많은 어려움이 발생함 국방산업에 있어서의 방호 방폭과 관련된 전통적인 설계방식은 구조물의 두께를 증가시킴으로써 안전성을 확보하는 것으로써, 일반 민간 시설물과 같이 건축구조물용 자재 및 부재두께의 제약 을 받는 여건에는 직접적용이 힘들기 때문에, 이를 고려한 고성능의 (작은 부재 및 보강재료 두 께에도 소요 성능을 발휘할 수 있는) 방호 방폭용 자재의 개발이 시급한 실정임 (2) 상위계획과의 부합성 주요 빌딩 건축물 및 다양한 민간 공공 사회기반시설물의 방호 방폭 성능의 향상을 통한 안전한 사회기반 구축을 비전으로 하고 있는 본 연구과제와 정부 상위계획과의 부합성을 확인함 - vii -

11 2011년도 4월 국가과학기술위원회는 정부연구개발 투자방향(안)에서는 도시화와 건축물의 대형 화로 인한 막대한 피해 규모를 고려하여 재난재해에 안전한 설계기술 개발 적용을 위한 투자 강 화 계획이 설정되어 있음 한편, 2010년 12월 [과학기술기본계획(577전략), 2011년도 시행계획(안)] 에서는 7대 R&D 분 야를 선정, 이중 국가주도기술 핵심역량 확보 가 포함되어 있으며, 해당 분야에서는 국민생활환 경 개선, 생명 재산 안전 확보 등 공익목적 달성과 첨단산업화가 동시에 가능한 첨단 건설 교통 물류 기술 개발 을 중점 추진분야로 선정 (3) 사업추진의지와 관련 기관 협조체계 일반 건축물 및 주요 빌딩 뿐 만 아니라, 도로, 교량, 터널, 댐 등의 사회기반시설물의 계획, 시 공 및 유지관리 담당 주체는 국토해양부임 해당 시설물에 대한 안전성 관련 설계 가이드라인의 제시 또한 국토해양부 소관으로서, 시설물 의 방호 방폭 기능 강화를 목표로 하는 본 연구는 국토해양부의 주도적 개발 및 지원은 필수임 석유 가스 화학플랜트 및 시설물을 제외한 사회기반 시설물 및 일반 건축물의 방호 방폭 기능 부여는 국가정책이 뒷받침 되지 않고서는 실제 시장에서 적용되기에 어려움이 있는 산업분야로 써, 국토해양부와의 긴밀한 업무협조 하에 연구가 수행되어야 할 필요성이 있음 2. 기술적 타당성 검토 (1) 기술개발 계획의 적절성 (가) 기획연구 목표와 내용의 적절성 1 사업목표의 구체성 분석 비전인 주요 사회기반시설물과 건축물의 방호 방폭 기능 부여를 통한 안전한 사회기반 구축 달성을 위한 총괄목표를 정성적/정량적으로 제시함 비전 달성을 위해 총괄목표는 재료 소재 원천기술의 융 복합을 통한 고성능 방호 방폭용 재료 자재의 개발과 구조물에의 적용기술 개발을 통한 대상 구조물 방호 방폭 기능 확대 를 제시함 제시된 총괄목표 달성을 위해 3개의 세부과제와 세부과제별 목표를 정량적/정성적으로 제시함 총괄목표를 단계별/연차별로 구분하여 목표가 설정되어 있으며, 총괄목표를 달성하기 위해 적절 하게 제시함 총괄목표는 방호 방폭 재료 및 자재 개발과 구조물에 적용하는 것으로써 이를 위해 총괄목표를 2단계로 구분하여 1단계(3년)는 방호 방폭용 재료 및 자재 개발과 성능평가 기반을 마련하고 2 단계(2년)에는 적용기술 개발과 설계 및 적용기준 개발을 단계별로 설정하여 총괄목표와 단계별 목표간의 인과관계를 적절하게 제시한 것으로 판단됨 각 단계별 목표와 주요내용을 구체적으로 제시함 - viii -

12 총괄목표 설정 근거는 기술동향분석결과, 시장동향분석결과 등 환경분석결과가 목표 설정 근거 자료로 활용되어 적절한 것으로 판단됨 기술동향분석결과 방호 방폭을 대비한 현재 재료 및 자재 등에 대한 현황 및 문제점을 파악하고 현재 기술수준과 요구되고 있는 기술적 수준을 분석하여 제시하고 있음 시장동향분석결과 방호 방폭 성능 향상을 통해 타 산업분야의 진출 및 적용 등에 대한 파급효과 분석을 수행함 중점추진분야 및 세부과제는 총괄목표를 달성하기 위해 적절하게 충분하게 도출하였으며, 세부 과제의 연구목표 달성시 총괄목표 달성이 가능할 것으로 판단됨 중점추진분야 및 세부과제는 국내외 기술동향 조사, 논문 및 특허분석, 기술수요조사를 통하여 후보과제 pool을 구성하고 방호 방폭 재료 및 자재 관련 국내 전문가의 기술예측조사, 기술수준 조사, 기술 중요도 평가를 통하여 우선순위 평가를 실시하여 세부과제를 도출함 사업목표와 요소기술 간의 관계, 요소기술 개발 순서는 기술예측조사, 기술수준조사, 기술중요도 평가결과와 관련 분야의 전문가 브레인스토밍을 통하여 과제의 세부과제의 개발 순서를 포함한 본 기획연구의 추진방법을 제시함 총괄목표를 달성하는 데 필요한 세부과제 정의 및 범위, 요소기술을 명확하게 제시하였으며, 본 과제 수행시 세부과제별 추진방법 및 전략의 보완은 필요할 것으로 판단됨 중점과제를 구성하는 세부과제의 대표성과물을 측정할 수 있는 성과목표 및 성과지표의 경우, 설정 근거가 다소 부족함. 따라서 성과목표 및 성과지표를 보다 구체화 할 필요가 있음 2 사업 내용의 논리성 및 적절성 사업 내용이 총괄목표를 달성하기 위해 구체적인 계획을 제시하였음 본 사업은 대형 충격 및 폭발시 국가 사회기반시설 및 건축물의 피해를 최소화하기 위해 시설물 및 건축물의 방호 방폭 성능 향상을 위해 재료 및 자재 개발과 이를 적용하기 위한 성능평가 및 인증 기술을 개발하는 것으로서 정의함 기술개발 범위를 건설재료 및 자재, 성능평가, 구조물의 적용으로 한정하여 추진함 국내외 동향조사결과를 바탕으로 중점분야별로 목표 및 주요내용을 제시함 (나) 사업추진전략의 적절성 1 사업추진 위험요소를 고려한 추진전략 및 추진체계의 적절성 본 기획연구의 추진전략은 외부전문가 활용, 산 학 연 협력조직체 구성 및 활용, 기술 및 시장동 향 파악을 통한 요구사항 도출 등을 기반으로 수립되어 적절성이 높은 것으로 판단됨 본 연구는 재료 및 자재 개발, 성능평가를 위해서는 방호 방폭 성능 향상을 위한 구조물의 등급 체계 및 부족한 연구인력 및 장비를 위해서는 산 학 연 협력체계 구축이 필요하여 이를 위한 추 진전략을 구성함 선행 유사연구 경험이 있는 국방과학연구소, 육사 화랑대 연구소 등의 실험시설 및 인프라를 활 용하고 해당 기관의 전문가를 활용함으로써 고성능 섬유보강 복합재료 성능평가 기술 개발의 효 율적 수행 기반 마련함 - ix -

13 섬유소재, 시멘트 복합재, 화학혼화제 회사와 주관기관 공동으로 구성재료의 개발과 고성능 섬유 보강 시멘트 복합재료 원천기술 개발함 기존 구조물의 방호 방폭 등급 설정에 따른 소요 성능을 주관연구기관과 설정하고 이를 바탕으 로 공동연구기관 중심으로 소재 및 자재를 개발함 자재 개발을 위해서는 민간 기업의 참여가 필수적이며 한정된 국내 건설용 FRP 제조 기업의 참여를 유도함 실증실험은 본 과업을 수행하는 연구기관이 독자적으로 확보하기는 불가능함에 따라 국방시설본 부, 국방과학연구소의 연구 개발 협력 체계를 구축, 실증실험장의 협조체계를 구축함 2 성과 평가 및 관리체계의 적절성 본 연구가 진행될 경우 기대되는 성과의 활용도와 활용계획을 제시함으로써, 기술의 전파에 긍 정적 영향을 줄 수 있을 것으로 판단됨 중점추진분야별로 성과활용 방안을 구체적으로 제시하였음. 즉, 기술개발을 통한 성과 활용방안 은 방호 방폭 구조물 등급 체계 기준 및 규격 활용, 설계 및 성능예측 활용, 구조 부재 및 구조 물 방호 방폭 실증 평가 기준 활용으로 활용할 계획임 본 연구를 통해 개발된 기술의 시장진입전략을 기술적용 대상 시설물 설정, 개발기술수요처 등 을 구체적으로 제시함 개발된 기술의 기술적용 대상 시설물은 [국방부훈령 제 721호( ) 및 제1057호( )] 상에 지정하는 국가중요시설 을 기본 적용 대상 시설물로 설정하고, 본 과제를 수행하 는 과정에서 등급을 구체화함 [건축법 시행령] 별표 1에 따른 문화 및 집회시설(동 식물원은 제외), 판매시설, 운수시설(공항 시설은 제외한다), 의료시설 중 종합병원, 업무시설, 숙박시설 중 관광숙박시설로서 같은 건축물 에 해당용도로 쓰이는 바닥면적의 합계가 2만제곱미터 이상인 건축물로 함 [건축법 시행령] 제2조 제15호에 따른 50층 이상 또는 건축물의 높이가 200m 이상인 초고층 건축물로 함 기타 적용시설물과 상기 제시한 적용대상 시설물에 대한 등급의 구체화 등은 이 기획과제에서 모두 설정할 수 없으며, 구체적인 설정(안)은 본 과제를 진행하면서 구체화 및 부처 간 협의를 통하여 설정해야 할 것으로 판단됨 개발된 기술의 수요처는 기술 적용 대상기관, 기술 실시기관, 시험 평가기관으로 구분하여 제시함 기술 적용 대상기관은 개발된 기술을 이용하여 방호 방폭용 구조물 시설을 설치하는 기관으로 국가 및 공공기관 시설을 비롯하여 적용대상 시설물을 관리하는 기관들과 건축법 시행령상의 개 인 또는 법인의 건축물 소유자로 함 시험평가기관은 기술개발에 참여하거나 개발된 시험평가 기술을 적용하여 방호 방폭용 재료 및 자재와 구조부재의 방호 방폭 성능을 평가하는 기관으로 국공립 시험기관, 공인시험기관(사립 법 인)에서 이 연구과제를 통하여 생산된 시험법 및 시험규격과 추가 기존 시험규격을 적용하여 재 료 및 자재의 방호방폭 성능을 시험 및 평가 함 - x -

14 (다) 기술개발로드맵의 우수성 기술개발로드앱은 중점추진분야목표와 세부과제 목표의 5차년도까지의 개발 일정을 수립하였음 개발 타임스케쥴에 한정된 로드맵이 아니라 세부과제별 구체적인 산출물을 제시하여 중점추진과 제와 세부과제, 산출물 간의 선후관계 및 연관성을 도식화 하였음 (2) 기술수준 및 성공가능성 최고기술보유국 대비 국내 기술수준, 최고기술국, 국내기술수준의 경쟁력 평가 분석을 정성적/정 량적으로 파악하여 세부과제별 기술개발방향 설정에 반영함 기술수준분석은 관련 전문가를 대상으로 설문조사 형태로 세부과제별 최고기술보유국 대비 국내 기수수준, 최고기술국, 국내기술수준의 경쟁력 평가 분석을 수행함 설문조사 대상자는 산학연 관련 분야 전문가를 대상으로 실시함 기술수준조사 분석결과를 바탕으로 기술격차 해소를 위한 대응전략으로 기술개발전략을 수립함 본 과제 수행시 기술격차 해소 방안, 특허회피 및 방어전략 대응방안에 대해 구체적으로 수립하 는 것이 필요함 개발 대상기술의 성능지표와 함께 연구개발에 대한 성과측정을 위한 핵심성과지표(KPI, Key Performance Indicator)를 도출하고, 각 KPI별 성과달성 목표가 되는 성능수준을 정의하였음 (3) 중복성 검토 기존 사업과의 중복성 회피를 위해 본 기획연구와 유사한 정부과제들을 조사, 검토하고 차별화 방안을 모색함 본 연구에서 개발하고자 하는 대상기술은 방호 방폭용 재료 및 자재의 고성능화, 적용기술 개발 및 평가기술 개발로서, 기존 기술과는 다음과 같은 부분에서 차별성을 제시함 기존의 연구는 방호 방폭 구조물은 일반콘크리트의 구조부재의 치수(두께)를 증가시켜 요구성능 을 충족시키는 방식으로 적용되는 경우가 대부분으로 일반 건축물의 부재 치수를 늘리는데 한계 가 있었으나, 본 연구에서는 부재 치수의 증가 없이 방호 방폭 성능을 향상시킬 수 있는 섬유보 강 시멘트 복합재료 개발을 하는 것으로써 차별성이 있음 기존 구조물 및 시설물의 방호 방폭 기능 향상이 필요할 경우, 기존 구조물의 추가적인 공간을 필요로 하지 않으며, 요구성능을 만족할 수 있는 공간절약형 방호 방폭용 재료 및 자재의 개발 및 적용기술을 개발함 현재까지 재료, 자재 및 구조물별 명확한 성능평가 기법이 제시되지 못하고 있으므로, 방호 방폭 성능을 평가할 수 있는 기준 및 표준화된 장비를 개발, 성능 평가 및 인증이 가능함 - xi -

15 3. 경제적 타당성 검토 (1) 경제성 분석 (가) 비용편익 분석 분석방법 : 비용/편익 분석(Benefit/Cost Analysis) B/C ratio는 분석 대상에 비용규모 대비 혜택규모의 비율로 1보다 높으면 경제성이 높은 것으 로 판단할 수 있음 분석대상 방호방폭 기획 연구의 목표 대상 구조물 시장에 대해 비용/혜택 분석 결과를 도출함 편익범위 본 기획연구의 기술개발에 의한 편익은 미래 시장규모 추정이 가능한 시장재화에 대한 추가 창 출 부가가치 증대이므로 시장접근법을 사용함 본 연구단의 연구기간을 2013년~2017년으로 가정하고, 실용화 기간을 3~4년으로 볼 때 본 연 구단의 결과물이 시장에 반영되는 시기는 2020년 이후라 볼 수 있음 각 세부과제별로 2020년~2029년(10년간) 시장을 예측하여 반영하였음 비용의 설정 각 세부과제의 향후 5년간 예산(안)으로 정부출연금과 민간참여금의 합한 금액으로 산정함 Benefit 산출을 위한 요소 R&D에 의한 부가가치의 증대를 환산하기 위하여, 추가창출시장규모, 부가가치비중, 시장점유율, 기술기여도, 기술개발성공률, R&D기여도, 할인율 고려함 Benefit = (국내시장규모 시장점유율 기술성공률 기술기여도) (부가가치비중 R&D기여도) (연구개발사업 추진으로 인한 추가창출 생산액 기댓값) (부가가치창출비율) 추가 창출 시장규모 : 기술개발과제 추진을 통한 연구결과물이 파급되는 산업의 시장 규모 시장 점유율 : 해당 산업의 관련 국내 시장에서의 점유비율 기술개발성공률 : 2010년 산업기술연구회 등에 대한 국정감사 결과에 의하면 정부 연구개발 (R&D)성과의 사업화 성공률이 30% 수준으로 조사되었으며, 이를 준용하여 적용함 부가가치 비중 : 부가가치 비중은 한국은행의 2009년 산업연관표를 기준으로 건설업종의 40.1%를 적용함 R&D 기여도 : 본 연구 과제를 통해 달성된 기술 개선 비중 1) 기술기여도 : 제품/공법에서 기술이 차지하는 비중 2) 할인율 : 할인율은 10년만기 국고채금리인 4.3%와 KDI 일반지침(2007년) 상의 5.5% 중 KDI 일반지침(2007년) 5.5%를 적용함 1) KISTEP에서 작성된 09 R&D분야 예비타당성 조사 수행을 위한 지침연구 의 R&D사업의 효과분석 사례에서는 R&D기여도를 10.9% 혹은 30.6%로 적용하였음. 본 분석에서는 10.9% 적용함 2) 기술가치 평가과정에서 기술기여도 적용방법은 전문가의 주관적 판단에 의하거나 관행적으로 적용하는 방법이 있음. 전문가 판단법의 일종인 AHP를 적용하여 기술기여도를 산정한 이영찬(2006)의 연구에서는 사업가치 구성요소를 기 술자산, 시장자산, 인적자산으로 구분하고 이중 기술자산의 상대적 중요도(기술기여도)를 29.7%로 산출한바 있음. 기 술기여도를 일률적으로 적용하는 방법은 일반적으로 33%나 25%를 적용함. 본 분석에서는 25%적용함 - xii -

16 (나) 경제성 분석 결과 세부과제 별로 적용 시장을 구분하여 시장재화에 대한 추가 창출 부가가치와 R&D 예산을 산정 하고, 이를 취합하여 연구단 전체 B/C ratio를 산정함 시장재화에 대한 추가 창출 부가가치와 R&D 예산을 고려한, 본 기획연구의 경제성 분석 결과 는 B/C ratio가 1.10로 나타나, 본 사업의 경제성 측면에서 긍정적으로 판단됨 연도별 시장재화에 대한 추가 창출 부가가치 및 R&D 예산을 고려한 금액 및 B/C ratio 산출 식의 산정 결과는 다음과 같음 편익 = 시장규모의 현재가치(11,771억원) 시장점유율 기술개발성공률(30%) 부가가치 비 중(40.1%) R&D기여도(10.9%) 기술기여도(25%) 비용(361억원) = 연도별 소요 예산의 현재가치 편익/비용 = 1.10 구분 Benefit 국내 연도 시장전망 시장점유율 (단위 : 백만원) Market Penentration ,425,745 25% 336, ,497,032 28% 414, ,571,883 32% 500, ,650,477 36% 594, ,733,001 39% 668, ,819,651 41% 749, ,910,634 44% 836, ,006,166 44% 878, ,106,474 48% 1,018, ,211,798 54% 1,183,864 NPV 11,771 (2) 과학기술적 파급효과 (가) 과학기술적 및 기타 파급효과 분석 경제적 측면에서 초고층 빌딩 및 국방시설분야의 신규시장 창출 및 선도가 가능하며, 인적/물적 손실의 피해규모 최소화가 가능함 대상구조물을 주요 공공시설, 주요 빌딩 (초고층 포함), 대형 상업시설 및 사회기반시설물로 하 고 있으며, 신규 구조물에의 적용 뿐만 아니라, 기존 구조물에의 방호 방폭 기능 보강이라는 신 규시장을 선도할 경우 그 경제적, 산업규모는 1조원 이상으로 예상되고, 미국 및 유럽 등의 선 진기술 도입으로 인한 지출을 저감하며, 해당기술 수출에 따른 추가적인 수익창출이 기대됨 - xiii -

17 최근 초고층건물 및 원전구조물 안전 의식 증가 등으로 내충격 및 방폭에 필요한 국내 전체 시 장규모는 향후 5년간 약 3조원 이상의 수준으로 예측되고, 이중에서 건설과 관련된 방호용 자재 및 제품의 시장규모는 약 5,000억원 규모로 예측됨 국방시설 분야에서 방호구조물 고도화 기술개발투자는 미흡한 상태이며 2012년 정부예산을 기 준으로 볼 때 전체 국방예산은 약 33조 규모로써, 방호시설의 개선 및 유지관리비는 약 1% 정 도에 해당하고, 이중에서 고성능 섬유보강 복합재료로 방호 방폭 구조물 시장의 약 50% 점유 가 가능하다면 연간 약1,650억원 규모의 국방 관련 방호 방폭 시장 진출이 가능함 (나) 기술적 측면 기술적 측면에서 건설자재 및 소재 생산성 향상과 적용을 위한 설계기술 개발에 기여가 가능하 며 다양한 구조물의 활용이 가능할 것으로 기대됨 본 연구개발을 통해 공유되지 않고 있는 방호 방폭 관련 기술의 국제적 경쟁력의 확보에 따른 국내 건설자재 및 소재산업 생산기술의 제고 고성능 복합재료는 방호 방폭 분야에 국한되지 않고, 다양한 형식의 고성능 구조부재로의 활용 이 가능하기 때문에 그 기술적 파급효과가 매우 클 것으로 기대됨 방호 방폭 자재 성능평가 분야는 민간 및 건설산업에서 매우 낙후된 기술분야로써, 본 연구의 성과로부터 정립된 성능평가 기술은 향후, 일반 주요 사회기반시설물 및 건축물에 대한 방호 방 폭 설계기준 및 규준의 제정, 정비시에 주요한 평가기준으로 적용 및 활용되어질 수 있음 (다) 사회적 측면 방호 방폭 성능 향상을 통하여 국민의 불안요소 저감 및 테러 대비책 강화 등 인적, 물적 피해 의 최소화의 역할을 수행할 수 있을 것으로 예상됨 최근 들어 다양하게 추진 중인 초고층 빌딩, 대형 상업시설 및 주요 사회기반시설물의 경우, 방 호 방폭과 관련된 보강된 대비책을 강구하는데에 적용 및 활용되어질 수 있으며, 이에 따른 대 국민 불안요소를 저감시키는데에 기여할 수 있음 주요 사회기반시설물 및 건축물의 충분한 방호 방폭 기능을 부여함과 동시에 사고 발생시에 발 생할 수 있는 2차적 피해(화재 등)를 감소시킴으로써, 이에 발생할 수 있는 인적, 물적 피해의 최소화를 통한 사회기반 보전기능의 역할을 수행할 수 있음 (3) 예산 적정성 분석 유사사업 등과의 비교 등을 활용한 정부연구개발 투자비 규모의 적정성, 세부 사업/과제별 사업 비의 적정성을 분석하였음 국토해양부에서 수행한 유사사업의 연구비를 비교분석한 결과 연구기간 대비 사업비 규모는 기 존의 유사한 연구단과의 연구 규모 등을 고려한다면 사업비 규모는 적정한 것으로 판단됨 연구의 성공은 예산 지원 정도에 따라 결정될 수 있기 때문에 과제지원기관의 적극적인 예산 지 원은 매우 중요할 것임 - xiv -

18 목 차 1. 기술의 정의 및 필요성 1 가. 기술의 정의 및 필요성 1 (1) 기술의 정의 및 필요성 1 (2) 세부과제별 기술정의 3 나. 기술분류 및 내용 6 (1) 기술분류 6 (2) 기술내용 8 2. 국내외 동향 및 환경 분석 10 가. 국내외 정책 동향 10 (1) 국내 정책 동향 10 (2) 국외 정책 동향 16 나. 국내외 시장현황 및 전망 29 (1) 국내 시장 현황 29 (2) 국외 시장 현황 32 다. 기술동향 분석 3 (1) 기술 분류 및 정의 3 (2) 기술개발동향 분석 3 (3) 특허동향분석 45 (4) 논문동향분석 49 라. 인프라 현황 분석 52 (1) 건설연구 인프라 운영원 실험센터 실험시설 인프라 현황조사 5 2 (2) 정부출연기관 실험시설 인프라 현황조사 55 (3) 국방과학연구소 실험시설 인프라 현황조사 5 6 마. 종합분석 57 (1) 국내외 정책 및 시장분석 57 (2) 기술개발 동향 및 인프라 분석 기술수요 및 예측조사 62 가. 기술수요조사 62 (1) 기술수요조사의 개요 62

19 (2) 기술수요조사 결과분석 63 나. 기술예측조사 68 (1) 기술예측조사의 개요 68 (2) 조사방법론 69 (3) 기술예측조사 결과 기술개발추진방향 정립 73 가. SWOT 분석 73 나. Issue Tree 연구개발과제 구성 및 추진전략 7 가. 비전 및 목표 7 (1) 비전 및 목표 77 (2) 설정근거 78 (3) 기존 기술(연구)과의 차별성 80 (4) 단계별 목표 84 나. 기술개발에 따른 미래상 85 (1) 현황 및 미래상 85 (2) 기술개발 전략 및 효과 86 (3) 기대효과 93 다. 연구개발과제 구성 96 라. 과제별 연차별 기술로드맵 및 성과로드맵 9 8 (1) 주요기술연관도 98 (2) 1세부 기술로드맵 및 성과로드맵 98 (3) 2세부 기술로드맵 및 성과로드맵 9 (4) 3세부 기술로드맵 및 성과로드맵 9 마. 성과의 활용방안 100 (1) 기술개발 성과 활용방안 100 바. 연구수행체계 제안 102 (1) 연구수행체계 102 (2) 시장 진입 전략 사전타당성 검토 107 가. 정책적 타당성 107

20 (1) 국가 전략적 중요성 107 (2) 상위계획과의 부합성 108 (3) 사업추진의지와 관련 기관 협조체계 109 (4) 사업추진상의 위험요인과 대응방안 109 나. 기술적 타당성 111 (1) 기술개발 계획의 적절성 111 (2) 기술수준 및 성공가능성 115 (3) 중복성 검토 117 다. 경제적 타당성 117 (1) 경제성 분석 117 (2) 파급효과 119 (3) 예산 적정성 분석 120 라. 사전타당성 검토 결과 인력투입계획 및 소요예산 산정 12 가. 연구일정에 따른 인력투입계획 12 (1) 전체사업 인력투입계획 122 나. 소요예산 산정 125 (1) 산정 개요 125 (2) 전체사업 소요예산 125 다. 세부과제별 소요예산 128 (1) 예산 산정방법 128 (2) 중점추진분야별 소요예산 과제 제안요구서 134 가. 과제 제안요구서(RFP) 134 나. 평가기준의 설정 154

21 1. 기술의 정의 및 필요성 가. 기술의 정의 및 필요성 (1) 기술의 정의 및 필요성 (가) 기술의 정의 방 호 방 폭 구 조 물 용 고 성 능 섬 유 보 강 시 멘 트 복 합 재 료 의 개 발 기 술 은 대 형 충 격 및 폭 발 과 같 은 중 대 사 고 발 생 시 국 가 사 회 기 반 시 설 및 건 축 물 의 피 해 를 최 소 화 하 기 위 해 시 설 물 및 건 축 물 의 방 호 방 폭 성 능 을 대 폭 적 으 로 향 상 시 킬 수 있 는 기 술 을 개 발, 이 를 통 하 여 최 종 적 으 로 인 명 안 전 (L ife S a fe ty )과 재 산 보 호 (P ro p e r ty P r o te c tio n ) 및 사 회 불 안 요 소 저 감 (S o c ia l S e c u r ity )을 달 성 함 으 로 써 안 전 한 국 가 및 사 회 를 보 장 하 고 자 하 는 기 술 임. 1 방호 방폭 구조물용 고성능 섬유보강시멘트 복합재료의 개발 개념 정립 건설재료 및 자재 측면 방호 방폭 : 외부의 충격 및 폭발 등 물리적 충격으로부터 구조물 및 구조물 내부에 존재하는 재산 및 인명에 대한 보호 및 피해를 최소화 하는 기능을 의미함 방호 방폭 구조물용 고성능 섬유보강시멘트 복합재료 : 구조물의 방호 방폭 기능을 부여하기 위하여 구조부재의 두께를 증가시키는 방식에서 탈피, 구조적 기능상의 최적화된 부재 두께만으 로도 방호 방폭 요구성능을 만족할 수 있도록 시멘트계 재료에 섬유를 첨가하여 방호 방폭 성능 을 향상시킨 복합재료 개발 기술 방호 방폭 보강자재 : 신규 또는 기존 구조물에 방호 방폭 기능부여 및 성능강화를 위하여 시 멘트계와 타 신소재 등을 이용하여 고성능 보강자재(판넬형, 외피형, 뿜칠형 등) 형태의 건설자 재 개발 기술 성능평가 측면 방호 방폭 성능평가 : 재료, 자재, 구조부재 각 단계별 내충격성능, 방폭성능에 대한 정량적, 정 성적 성능을 평가하기 위한 시험 및 분석 기법의 개발을 의미함 동적 재료물성 평가 : 재료 단계에서 충격 및 폭발하중을 고려한 정량적, 정성적 동적 물성 시 험법 개발, 시험기준 정립과 시험장비 개발 기술 자재 구조부재 방호 방폭 성능 평가 : 자재 및 구조부재 요소별 정량적, 정성적 방호 방폭 성 능 평가 기법의 정립 및 평가시스템 구축 기술 구조시스템 방호 방폭 성능 평가 : 기둥, 벽체, 슬래브 등으로 구성된 기본 단위 구조요소에 대 - 1 -

22 한 방호 방폭 성능 평가 기법의 정립 및 평가시스템 구축 기술 구조물 방호 방폭 실증실험 및 평가 : 고성능 섬유보강 시멘트 복합재료를 적용한 고려대상 구 조물(건축물, 교량 기둥, 방호벽 등) Mock-up을 대상으로 방호 방폭 성능의 실증실험 및 평가 시스템 구축 기술 구조물의 적용 측면 방호 방폭 설계 : 시설물 및 구조물 중요도별 등급 분류체계 구축, 대상 충격 및 폭발 하중별 방호 방폭 등급 체계화와 해석평가 및 설계기법의 구축 등을 통한 구조물 방호 방폭 성능부여 체계의 구축을 의미함 방호 방폭 등급체계 : 시설물 및 구조물 중요도별 등급 분류체계 및 기준 구축 기술 방호 방폭 구조물 설계 : 방호 방폭 하중을 고려하여 구조물을 부재요소 및 구조시스템을 해석 및 설계하는 기술을 말함. 단, 이 과업에서는 고성능 섬유보강시멘트 복합재료를 적용한 구조부 재의 설계에 국한하며, 구조물의 전체 시스템을 설계하는 것은 과업범위를 벗어남 (나) 기술의 필요성 1 대형 충격 폭발 사고 및 테러에 의한 사회기반 시설물의 피해 저감대책 수립 필요 구조물 및 시설물의 대형화에 따라, 단 한번의 극한하중에 대한 사고에도 수많은 인명 및 재산 피해 발생 가능성 증대 (a) 오스트리아 Gotthard터널 화재 (b) 유조차량의 충돌 후 폭발로 인한 교량붕괴(미국 캘리포니아) (c) 항공기 충돌 테러 (미국, 펜타곤) 그림 1 대형 충돌 사고 및 테러로 인한 구조물 손상 사례 (a) 이천 냉동창고 화재사고 (b) WTC 항공기 충돌 후 화재로 인한 빌딩 붕괴 (C) 영동 고속도로 화재 그림 2 대형 화재로 인한 구조물 붕괴 및 손상 사례 - 2 -

23 건물 및 사회기반 시설물에 매우 심각한 손상을 유발, 그로 인한 손상으로 사용성을 저감시킬 뿐 만 아니라 사회기반 시설물 전체를 새로 교체하여야 할 정도의 심각한 피해를 초래할 수 있음 이러한 사회기반시설물 및 건축물의 재건에는 막대한 경제적 비용을 요구하게 됨 국민의 안전이 위협받음으로써 심각한 사회적 혼란을 야기시킬 수 있음 또한, 세계에서 유일한 분단국가인 한국에서는 테러 및 충돌사고에 대한 특수 구조물의 위험도 노출이 세계 최고수준이고, 우리나라는 경우 몇 개의 대도시에 인구가 밀집되어 있는 주거 특성 을 가지고 있어 테러나 충돌 및 폭발사고가 발생할 경우 매우 큰 국가적인 손실과 피해가 예상됨 2 기존의 방호 방폭 기능 부여방식의 한계점 극복 필요 국방산업에서 적용하는 방호 방폭 구조물 및 그에 사용되는 재료는 대상으로 하는 충격 및 폭발 체가 차량, 인화물질, 화약류 뿐 만 아니라, 군사용 총탄, 포탄 및 미사일 등과 같은 무기에 의 한 공격에 대비하는 방식임. 이에 따라 일부 전통적인 군사용 방호 방폭 구조물은 매우 두꺼운 콘크리트 벽체두께를 가지도 록 설계되고 있음. 군사용으로 적용하고 있는 방호 방폭 방식 및 기준을 일반 민간 시설물에 직접 적용하는 것에는 분명한 한계점이 있음 즉, 빌딩 및 사회기반 시설물과 같이 한정된 공간내에 축조되거나 축조되어진 구조물에 방호 방 폭 기능을 부여하기 위해서는 충분한 방호 방폭 성능을 가지면서, 구조물의 두께를 크게 변화시 키지 않을 수 있는 고성능의 방호 방폭용 구조 및 보강 재료의 개발이 필요한 실정임 (2) 세부과제별 기술정의 (가) 방호 방폭 구조물용 고성능 섬유보강 복합재료 자재 개발 분야 기술 기술의 개념 신규 구조물 건설 시 방호 방폭 성능 부여를 위한 구조물용 고성능 섬유보강 시멘트 복합재료의 개발기술임 기술의 범위 압축강도, 인장강도 등 기본 물성의 (초)고강도화 기술 방호 방폭 성능 증대를 위한 단섬유 형상의 보강섬유 개발 기술 고성능 단섬유 보강 시멘트 복합재료를 적용한 방호 방폭 자재의 추가적인 성능 강화를 위한 보 강용 섬유 직조기술(2D, 3D)과 직조된 섬유와 시멘트 복합재료의 최적 합성기술 고성능 섬유보강 복합재료를 적용한 구조물 설계기술 및 성능평가 기술 - 3 -

24 시장 및 정책 적용 범위 국가중요시설물(예: 국방부 훈령 제1057호)중 중요도가 높은 구조물(예: 국가 및 공공기관 시설, 산업시설, 전력시설, 정보통신시설, 교통시설, 공항, 항만시설, 수원시설, 교정 정착지원시설 등) 의 신설 공사에 우선적 적용 및 적용 대상 구조물의 확대 추진 적용 시장의 확보 및 확대는 국가의 정책적인 뒷받침 및 시설물 관리주체의 적극적인 대응 필요 (나) 기존 구조물 방호 방폭 보강용 고성능 복합재료 및 자재 개발 분야 기술 기술의 개념 기존 구조물의 방호 방폭 기능 부여 및 강화를 위한 보강용 복합재료 및 자재 개발 기술 기술의 범위 방호 방폭 보강용 뿜칠형 복합재료 제조 및 시공기술 방호 방폭 보강용 외피형 또는 패널형 복합재료 제조 및 시공기술 방호 방폭 보강용(FRP 등)Sheet 부착형 자재 개발 및 시공기술 시장 및 정책 적용 범위 기존 국가중요시설 중 방호 방폭 기능 부여가 필요한 주요 구조물에 우선적 적용 및 적용 대상 확대 추진 적용 시장의 확보 및 확대에는 국가의 정책적인 뒷받침과 시설물 관리주체의 적극적인 대응 필요 (다) 방호 방폭 기준 및 성능 평가기술 개발 분야 기술 기술의 개념 대상 구조물의 방호 방폭 등급 체계 및 적용기준의 구축 방호 방폭용 재료의 내충격, 방폭 관련 정량적 물성평가 기술 방호 방폭용 자재 및 부재의 내충격, 방폭 관련 성능평가 기술 기술의 범위 방호 방폭 적용대상 구조물의 분류 및 등급화와 적용하중의 분류 체계화를 통한 방호 방폭 기준 의 개발 섬유보강 복합재를 적용한 고성능 방호 방폭 재료, 자재 및 부재 단계별 성능 평가 시스템의 구축 개발 재료 및 자재의 내충격 성능에 대한 정량적, 정성적 평가기반 장비 구축 및 평가기술 개발 고속 충격 및 폭발 하중 하의 재료 물성 변화 정량평가 기준 개발 방호 방폭 성능예측을 위한 재료 물성 모델 개발 - 4 -

25 시장 및 정책 적용 범위 방호 방폭 성능평가 관련 정책 수립의 자료로 활용 방호 방폭용 재료 및 자재의 품질기준으로 활용 현재 석유 화학 관련 플랜트 및 국방산업 등에 국한적으로 구축되어진 방호 방폭 관련 성능평가 기술의 타 시설물 및 구조물 분야로의 확대 적용을 위한 기반 평가기술의 확보와 공급 추진 - 5 -

26 나. 기술분류 및 내용 (1) 기술분류 충격, 폭발을 고려한 극한 환경 저항성 향상 섬유보강 복합재료의 개발을 위한 중점 연구 분야 를 다음과 같이 구성하였음 대분류 중분류 소분류 1 방호 방폭용 고성능 복합 재료 자재 개발 분야 1 2 방호 방폭 구조물용 고성능 섬유보강 시멘 트 복합재료 개발 고성능 섬유보강 복합 재료 적용 방호 방폭 구조물 설계기법 개발 1 방호 방폭용 고성능 보강 섬유 개발 방호 방폭 기능 강화용 Hybrid-Mesh 섬유 직조 기술 개발 방호 방폭용 고성능 섬유보강 시멘트 복합재료 배합, 제조 및 시공 기술 개발 구조부재 방호 방폭 두께 최적화 산정 모듈 개발 충격 폭발 발생시 구조체 손상 예측 해석 모델 개발 3 방호 방폭 구조시스템 최적화 설계 기법 개발 3 고성능 섬유보강 시멘 트 복합재료 적용 구 조물 방호 방폭 실증 실험 1 고성능 섬유보강 시멘트 복합재료 적용 Mock-up 구조물 방호 방폭 실증실험 2 기존 구조물 방호 방폭 보강용 고성능 복합 재료 자재 개발 분야 1 기존 구조물 방호 방 폭 보강용 고성능 복 합재료 및 자재 개발 1 패널형 방호 방폭 복합재료 및 적용기술 개발 2 뿜칠형 방호 방폭 복합재료 및 적용기술 개발 3 외피형 방호 방폭 복합재료 및 적용기술 개발 3 방호 방폭 기준 및 성능 평가기술 개발 분야 방호 방폭 구조물 등급 체계 구축 방호 방폭 동적 재료 물성 평가 및 재료모 델 개발 구조부재 구조시스템 방호 방폭 성능평가 기법 개발 대상 구조물 방호 방폭 등급 분류체계 개발 1 및 정비 2 충격 폭발 하중 산정 및 적용하중 등급체계 개발 1 동적 충격 재료물성 시험 평가기술 개발 2 동적 충격 자재물성 시험 평가기술 개발 3 동적 재료모델 개발 1 구조부재 구조시스템 방호 방폭 성능평가 기술 및 기준 개발 - 6 -

27 방호 방폭 구조물용 고성능 섬유보강 시멘트 복합재료의 개발 방호 방폭 구조물용 고성능 섬유보강 복합재료 자재 개발 기존구조물 방호 방폭 보강용 고성능 복합재료 및 자재개발 방호 방폭 등급, 기준 및 성능평가 기법 개발 방호 방폭 구조물용 고성능 섬유보강 시멘트 복합재료 개발 고성능 방호 방폭 재료, 자재 적용 방호 방폭 구조물 설계최적화 기법 개발 기존 구조물 방호 방폭 보강용 고성능 복합재료 및 자재 개발 방호 방폭 등급체계 및 기준개발 방호 방폭 동적 재료 물성 평가 및 재료 모델 개발 방호 방폭 구조물 성능 평가 기법 개발 방호 방폭 구조부재 성능평가 방호 방폭용 고성능 섬유보강 복합재료 및 자재 개발 방호 방폭 설계 최적화 및 성능 평가 기술 개발 방호 방폭 보강자재 개발 등급체계 및 기준 개발 동적 재료물성 및 모델 개발, 부재 성능 평가 그림 3 중점 연구분야 분류 방호 방폭 기능의 체계적인 부여 및 평가 체계 구축을 위한 방호 방폭 등급 분류체계 및 평가 시스템 개발 분야 선정 대형 충격 및 폭발로부터 시설물의 안전성을 유지할 수 있는 우수한 방호 방폭 기능을 가진 건 설재료 연구개발 분야를 발굴하고 신규 건설 및 기존 시설물에 방호 방폭 성능을 부여할 수 있 는 자재와 시공법에 대한 연구개발 분야를 도출 개발된 고성능 방호 방폭용 재료 및 자재의 성능발현 최적화를 위한 설계최적화 기법과 재료, 자재, 구조물 단계별 손상예측 및 성능평가 기법의 구축 분야 선정 해당 연구개발 분야에 대한 수행과제 도출과 도출된 결과에 대한 근거 및 논리를 제시하고 구체 적이고 실천적인 R&D 전략수립을 위한 기획 수행 적용 대상은 정부 주요시설물, 대형 석유 가스플랜트 등의 산업기간시설물, 교량 및 터널 등의 사회기반시설물, 대형 업무/주거시설, 원전시설 및 국방시설물 등, 중요 시설물에 모두 적용이 가능한 기술 개발을 목적으로 하여 연구개발 전략을 수립함 - 7 -

28 (2) 기술내용 (가) 방호 방폭 구조물용 고성능 복합재료 자재 개발 분야 기술내용 중분류 기술내용 1-1 방호 방폭 구조물용 고성능 섬유보강 시멘트 복합재료 개발 부재 치수의 증가 없이 방호 방폭 성능을 극대화 할 수 있는 구조물용 고성능 섬유보강 시멘트 복합재료 개발 1-2 고성능 복합재료 자재 적용 방호 방폭 구조물 설계기법 개발 방호 방폭용 고성능 복합재료를 적용한 구조물의 최적 설계기법 개발 1-3 고성능 섬유보강 시멘트 복합재료 적 용 구조물 방호 방폭 실증실험 고성능 섬유보강 시멘트 복합재료 적용 Mock-up 구조물 방호 방폭 실증실험 소분류 기술내용 방호 방폭용 고성능 보강 섬유 개발 방호 방폭 기능 극대화를 위한 보강섬유의 설계 및 생산기술 개발 방호 방폭 기능 강화용 Hybrid-Mesh 섬유 직조 기술 개발 방호 방폭용 자재 및 부재에 추가적인 방호 방폭 기능강화를 위한 Hybrid-Mesh 섬유 직조 설계 및 생산기술 개발 방호 방폭용 고성능 섬유보강 시멘트 복합재료 배합, 제조 및 시공 기술 개발 방호 방폭용 고성능 섬유보강 시멘트 복합재료의 최적배합 도출 및 제조기술, 시공성 향상기술 개발 구조부재 방호 방폭 두께 최적화 산정 모듈 개발 방호 방폭 구조부재별 두께 최적화(최소화) 산정 프로그램 개발 충격 폭발 발생시 구조체 손상예측 모델 개발 및 구조물 연쇄붕괴 방지를 위한 해석평가 기법 개발 방호 방폭 대상 구조물의 충격 폭발 하중 하에서의 손상거동 예측 모델 개발 및 구조물 안전성 해석평가 프로그램 개발 방호 방폭 구조시스템 최적화 설계 기법 개발 고성능 방호 방폭 재료 및 자재를 적용한 구조물 최적 설계기법 개발 구조물 방호 방폭 실증실험 고성능 섬유보강 시멘트 복합재료 적용 Mock-up 구조물 방호 방폭 실증실험 - 8 -

29 (나) 기존 구조물 방호 방폭 보강용 고성능 복합재료 자재 개발 분야 기술내용 중분류 기술내용 2-1 기존 구조물 방호 방폭 보강용 고성능 복합재료 및 자재 개발 기존 사용 중 구조물의 방호 방폭 기능 부여 및 강화를 위한 고성능 방호 방폭 보강재료 및 보강자재 개발 소분류 패널형 방호 방폭 복합재료 및 적용기술 개발 뿜칠형 방호 방폭 복합재료 및 적용기술 개발 외피형 방호 방폭 복합재료 및 적용기술 개발 기술내용 조립식 패널형 방호 방폭 보강용 복합재료 및 적용기술 개발 구조부재 표면부 뿜칠 부착형 방호 방폭 보강용 복합재료 및 적용기술 개발 구조부재 표면부 외피 부착형 방호 방폭 보강용 Sheet 복합재료 및 적용기술 개발 (다) 방호 방폭 기준 및 성능 평가 분야 기술내용 중분류 기술내용 3-1 방호 방폭 구조물 등급 체계 구축 중요구조물 방호 방폭 요구성능의 등급 체계 확립 3-2 충격 폭발 발생시 동적 재료물성 평가기법 및 재료모델 개발 재료 및 자재의 내충격, 방폭 성능의 정량적 물성 시험평가 기법 개발 및 구축 구조물 방호 방폭 성능 예측 및 평가해석에 필요한 동적 재료물성 모델식 개발 3-3 구조부재 방호 방폭 성능평가 기법 개발 부재별 내충격, 방폭 성능 시험평가 기술 개발 소분류 기술내용 대상 구조물 방호 방폭 등급 분류체계 개발 및 정비 충격 폭발 하중 산정 및 적용하중 등급체계 개발 동적 충격 재료물성 시험 평가기술 개발 동적 충격 자재물성 시험 평가기술 개발 구조물 설계 및 해석에 필요한 동적 충격 재료물성 모델식 구축 중요도에 따른 구조물 및 시설물 분류 및 방호 방폭 등급체계 확립 충격 폭발 종류별 적용 하중 산정 및 방호 방폭 등급별 고려대상 적용하중 등급체계 확립 고속 충격하중 발생시의 재료 압축 인장 재료물성 변화 시험평가기술 개발 고속 충격하중 발생시의 방호 방폭 자재 내충격 성능 평가기술 개발 구조물 방호 방폭 성능 예측 및 평가해석에 필요한 동적 재료물성 모델식 개발 구조부재 내충격 평가기술 개발 부재별 내충격 평가기술 개발 구조부재 방폭 평가기술 개발 부재별 방폭 평가기술 개발 - 9 -

30 2. 국내외 동향 및 환경분석 가. 국내외 정책동향 (1) 국내 정책 동향 국내에서는 국방시설물을 제외하고 방호 방폭 구조물 관리기준에 체계가 명확히 갖추어져 있지 않았으나 최근 이에 대한 필요성을 인지하며 국가안보기관, 국토해양부, 지자체를 중심으로 법제 정 및 제도화를 추진 중에 있음 행정안전부 : 정부청사 소산시설 설계지침 (방폭고려, 대외비) 국토해양부 : 건축물 테러예방 설계가이드라인 2010년 4월부터 시행 국토해양부는 테러에 취약한 다중이 이용하는 건축물에 대한 테러예방 활동을 강화하기 위하여 건축물 테러예방 설계가이드라인을 마련, 건축물 설계단계에서부터 테러로 인한 피해를 예방하 고 피해를 최소화 할 수 있는 건축물의 설계를 유도하고 있음 적용대상으로는 [건축법시행령] 별표 1에 따른 문화 및 집회시설(동 식물원은 제외), 판매시설, 운수시설(공항시설은 제외한다), 의료시설 중 종합병원, 업무시설, 숙박시설 중 관광숙박시설로서 같은 건축물에 해당용도로 쓰이는 바닥면적의 합계가 2만제곱미터 이상인 건축물과 [건축법시행 령] 제2조 제15호에 따른 50층 이상 또는 건축물의 높이가 200m 이상인 초고층 건축물로 함 구조물 방호 방폭 관련 사항: (장애물 구축) - 대지 주변에 볼라드, 플랜트 박스, 혹은 조경수를 식재하여 연속적인 장애물이 구축되도록 계획 (폭발물을 적재한 차량이 돌진하여 건축물과 충돌하는 것을 방지) (건축물 계획) - 건축물 형태 및 구조는 폭발로 인한 피해가 최소화 되도록 계획 (가급적 오목한 부분이나 오버행(돌출)이 발생하는 부분을 지양하며, 볼록하거나 상층부가 후퇴(set-back)하는 형 태가 바람직함) - 저층부, 로비 등에 설치되는 창문유리나 마감자재는 비산파편에 의한 인명피해가 최소화될 수 있는 자재를 사용 (실내 공간 계획) - 대중이 이용하는 공간과 보안이 요구되는 주요 공간은 수직 및 수평으로 분리하여 배치하고 사 이에 완충 공간 혹은 강화된 벽체나 슬래브를 배치하는 것이 바람직함 - 인명 피해가 크게 우려되고 가연성 물질 등이 있는 공간은 외부의 충격에 대비하여 배치하도록 하고 건축물 외피와의 사이에 완충 공간, 혹은 강화된 벽체나 슬래브를 배치함

31 서울특별시는 초고층 건축물 가이드라인 ( 제정)을 제정, 2009년도부터 서울시내에 들어서 는 50층 이상, 200m 이상의 초고층 건물에 대해서는 대 테러 대책을 세워야 건축이 가능하도록 함 초고층 건축물 가이드라인 제 16조 테러 예방 및 안전관리 계획 별표 1에서 방호 방폭 관련 사 항을 명시하고 있으며, 그 내용은 국토해양부 건축물 테러예방 가이드라인과 유사함 미국의 911 테러발생 이후, 미연방법 10CFR (CFR : Code of Federal Regulations) 을 바탕으로, 신규 원전구조물의 설계시, 대형 민간항공기의 충돌시 원전구조물의 안전성을 입증 하도록 하고 있음 이러한 항공기 충돌과 관련된 사항은 미국 뿐 만 아니라 국내외 모든 원전구조물의 인허가 사항에 필수적으로 포함되고 있고, 벽체 두께의 증가 또는 이중 격납구조 등의 보강방식을 제시하고 있음 국방부는 국방2020계획에 의한 부대 증 창설소요에 따라 새로이 설치될 화생방 방호시설에 대 해 국방부 차원에서 공통으로 적용할 수 있는 화생방 방호시설의 설계 시공 지침( )을 제시하였음 화생방 방호시설의 설계에 있어서 고려되는 하중은 포탄과 같은 재래식 무기에 의한 충격, 폭발 과 핵폭탄 폭발에 의한 폭풍 등이 있고, 이러한 다양한 충격하중에 대한 일반 콘크리트 적용 구 조물의 설계 및 시공지침을 마련하고 있으며, 충격하중의 종류에 따라 최고 4.5m의 벽체두께를 제시하고 있음 한편 국방부훈령 제 721호( ) 및 제1057호( ) 상의 국가중요시설 지정 및 방호 훈령에서는 제2장에서 국가 중요시설의 지정을 다음과 같이 하고 있으며, 각 중요시설 에 대해서도 중요도에 따라 등급을 세단계로 나누어서 관리하고 있음 (지정권자) 국가중요시설은 법 제15조의2제4항에 의거 국방부장관이 관계 행정기관의 장 및 국가정보원장과 협의하여 지정 (국가중요시설의 대상) 1. 주요 국가 및 공공기관시설 2. 철강, 조선, 항공기, 정유, 중화학, 방위산업, 대규모 가스 유류 저장시설 등 주요 산업시설 3. 원자력 발전소, 대용량 발전소 및 변전소 등 주요 전력시설 4. 전국 및 지역권 방송국, 송신 중계소 등 주요 방송시설 5. 국제위성지구국, 해저통신중계국, 국가기간전산망, 전화국 등 주요 정보통신시설 6. 철도 교통관제 센터 및 지하철 종합 사령실, 교량, 터널 등 주요 교통시설 7. 주요 국제 국내선 공항 8. 대형 선박의 출 입항이 가능한 항만 9. 대형 취수 정수시설 및 다목적 댐 등 주요 수원시설 10. 종합적인 체계를 갖춘 연구시설, 핵연료 개발 연구시설 등 국가 안보상 중요한 과학연구시설 11. 교정 정착지원 시설 12. 전력, 통신, 상수도, 가스 등을 수용하고 있는 대도시 주요 지하공동구 시설 13. 기타 적에 의해 점령 또는 파괴되거나 기능이 마비될 경우 국가안보 및 국민생활에 심대한 영향을 미치는 시설 (국가중요시설의 분류) 1. 가 등급 - 적에 의하여 점령 또는 파괴되거나, 기능 마비시 광범위한 지역의 통합방위 작전수행이 요구되고, 국민생활에 결정적인 영향을 미칠 수 있는 시설 2. 나 등급

32 - 적에 의하여 점령 또는 파괴되거나, 기능 마비시 일부 지역의 통합방위작전 수행이 요구되고, 국민생활에 중대한 영향을 미칠 수 있는 시설 3. 다 등급 - 적에 의하여 점령 또는 파괴되거산, 기능 마비시 제한된 지역에서 단기간 통합방위작전수행이 요구되고, 국민생활에 상당한 영향을 미칠 수 있는 시설 수 개의 국가중요시설이 인접한 지역에 밀집되어 효과적인 경비ㆍ보안 및 방호 를 위하여 단일 국가중요시설로 지정할 경우 그 등급은 동일 울타리 내의 시설 최상위 등급 시설의 등급으로 한다. 수 개 분야의 생산품을 생산하는 산업시설의 등급은 최상위 등급 시설 또는 주 생산품 생산시설의 등급으로 한다. 표 1 국가중요시설 등급별 분류 구분 청와대, 국회의사당, 대법원, 정부중앙청사, 국방부ㆍ국가정보원 청사, 한국은행 본점 등 급 가 나 다 비 고 국가 및 공공기관 시설 중앙행정기관 각 부ㆍ처 및 이에 준하는 기관, 대검찰청ㆍ경찰청ㆍ기상청 청사, 한국산업은행ㆍ한국수출입은행 본점 중앙행정기관의 청사, 국가정보원 지부, 한국은행 각 지역본부, 다수의 정부기관이 입주한 남북출입관리 시설, 기타 중요 국ㆍ공립기관 철강, 조선, 항공기, 정유 등 국가경제에 중대한 영향을 미치는 대규모 산업시설, 전투기, 전차, 함정, 화포 등 중화기를 생산하는 방위산업시설 중 파괴 또는 기능 마비 시 국가안보에 직접적인 영향을 미치는 시설,1,000만 배럴 이상의 대규모 저유시설과 LNG, LPG 인수기지, 연쇄적인 폭발위험성이 있는 대규모 총ㆍ포탄, 화약류 생산시설 산업시설 국가경제에 영향을 미치는 중요산업시설로서 파괴시 대체가 곤란한 시설, 가 급 이외의 방위산업시설 중 주요 전투장비의 완제품 및 핵심부품 생산시설, 200만 배럴 이상의 저유시설과 1,000톤 이상의 LPG 저장시설 100만 배럴 이상의 저유시설과 500톤 이상의 LPG 저장시설, 기타 가, 나 급 이외의 특별한 보호가 요구되는 산업시설 전력시설 원자력발전소

33 발전용량 100만kw 이상인 발전소, 354kv 이상 변전소 중 4Bank(계통) 이상을 연결하고, 주변압기가 4Bank(계통) 이상 설치된 변전소 발전용량 50만kw 이상인발전소, 한강수계상의 주요 발전소, 345kv 이상 변전소 중 3Bank(계통) 이상을 연결하고, 주변압기가 4Bank(계통) 이상 설치된 변전소 및 765kv 변전소 등 중요 변전소, 특별한 보호가 요구되는 기타 전력시설 전국권으로 방송되는 공영 라디오ㆍTV방송 제작시설, 라디오방송 송신출력 500kw 이상의 송신시설 방송시설 전국권으로 방송되는 민영 라디오ㆍTV방송 제작시설과 공영방송의 도 단위급 지방총국, 공영 라디오 방송 송신출력 250kw 이상의 송신시설, 수도권에 위치한 TV방송 송신출력 폴 10kw 이상의 송신시설 공영 라디오 방송 송신출력 100kw 이상의 송ㆍ중계시설, TV방송 송신출력 VHF 10kw 이상 및 UHF 30kw 이상의 송ㆍ중계시설 정부 전산망 통합관리시설, 종합 전파탑 정보통신 시설 국제 위성지구국(저궤도 제외), 국제 해저중계국, 위성통신 주 관제소, 경호ㆍ안보 통신업무 총괄국, 불온전파 감청, 방향탐지 지휘시설, 국가 기간 전산망 운영 및 선로수용 주요시설, 국가경제에 중대한 영향을 미치는 정보통신 기반ㆍ관리시설 경호ㆍ안보 통신 및 주요 군 작전 통신 수용 집중국, 불온전파 감청ㆍ방향탐지 시설, 민방공 경보센터, 민방공회선 수용 집중국, 3,000회선 이상의 국제통신 주요 관문국 및 위성통신 부 관제소, 국가 중요 데이터 백업시설 종합 항공ㆍ교통 관제시설, 특별한 보호가 요구되는 한강상 주요 교량ㆍ철교, 전국 단위 열차운행 종합사령실 교통시설 지역단위 철도ㆍ지하철 종합 사령실 및 종합운영 시스템, 남북으로 연결된 주요 간선 중 군사작전에 중요한 영향을 미치고, 주요 산업시설과 연결된 구간상의 철교, 우회 수송로상의 트러스교 및 경간교 중 48시간 이상 복구시간이 소요되는 주요 철교 주요 지하철 노선상의 하저터널, 군사작전상 특별한 보호가 요구되는 주요교량(철교) 및 터널 공항 국제공항 국제공항을 제외한 주요 국내공항

34 1만톤 이상의 선박출입이 가능하고, 동시 접안능력이 100만톤 이상인 항만시설 항만시설 1만톤 이상의 선박출입이 가능하고, 동시 접안능력이 50만톤 이상인 항만시설 동시 접안능력이 10만톤 이상인 항만시설, 기타 특별한 보호가 요구되는 항만시설 급ㆍ취수능력 1일 150만톤 이상의 상수도 및 공업용수 공급시설, 총 저수용량 10억톤 이상의 다목적 댐 수원시설 급ㆍ취수능력이 1일 100만톤 이상의 상수도 및 공업용수 공급시설, 총 저수용량 5천만톤 이상의 용수공급 전용댐, 기타 주요 다목적댐 급수능력 1일 50만톤 이상의 상수도 및 공업용수 공급시설, 기타 특별한 보호가 요구되는 용수공급 전용댐 과학연구 시설 종합적인 체계를 갖춘 연구시설, 핵연료 개발 연구시설 가 급 이외의 국가안보상 특별히 보호가 요구되는 과학연구시설 교정ㆍ정 착지원 시설 공안 및 공안 관련 사범의 수용을 위주로 하는 교정시설, 2,000명 이상 수용하는 교정시설, 북한 이탈주민 정착지원시설 1,000명 이상 수용하는 교정시설, 휴전선 부근 취약지역에 위치한 교정시설 가, 나 급 이외의 교정시설 (개방 교도소 제외), 특별한 보호가 요구되는 기타 교정ㆍ정착지원 시설 전력, 통신을 포함한 3개 이상의 시설을 수용하고, 대도시 인구밀집지역에 소재하여 기능 마비시 피해 영향이 크며, 국가 중요기관 또는 금융공동망, 증권망 등 경제ㆍ사회적 파급 영향이 큰 전산망이 수용된 지하공동구시설 지하 공동구 시설 전력, 통신을 포함한 3개 이상의 시설을 수용하고, 대도시 인구밀집지역에 소재하여 기능 마비시 피해 영향이 큰 지하공동구 기타 가, 나 급 이외의 지하공동구 중 특별한 보호가 요구되는 지하공동구 시설 기타 국가안보 및 국민생활에 심대한 영향을 미치는 시설을 국가중요시설로 지 정하고자 할 때의 분류기준은 국가중요시설 심의위원회에서 심의하여 결정 민방위 시설 기준의 경우에는 방호도를 7등급으로 구분, 1등급은 유사시 군 본부로 활용될 수 있는 시설로서 핵 공격을 제외한 모든 공격에 대한 방호가 가능하고, 2등급은 GP550 폭탄의 직접 폭발에 대한 방호가 가능하도록 규정하고 있음. (출처: 민방위 기본법 제 14조). 이와 유사

35 하게 국방부는 방호도 등급을 3등급으로 구분하는데에 있어서 폭발물의 종류와 폭발 이격거리별 로 구분하여 대비토록 하고 있음 (상세내용은 대외비 사항임) 기타 국가안보 및 국민생활에 심대한 영향을 미치는 시설을 국가중요시설로 지정하고자 할 때 의 분류기준은 국가중요시설 심의위원회에서 심의하여 결정하고 있음 이러한 기준은 미군의 적용기준인 TM (US Army, 1990)을 근간으로 하고 있으며, 최근 새로운 내용으로 미 육군, 해군, 공군의 각 가이드라인을 통합한 UFC (DOD, 2008) 의 기준에 준하고 있음 UFC 는 다음과 같이 재료, 부재, 구조시스템 차원에서 위험요인에 대한 성능을 실험 이나 해석을 통해 검증토록 하고 있고, 방호 구조물의 설계 혹은 성능평가에서 대상 하중의 정 의를 명확히 하기 어려울 경우, TNT로 환산된 폭탄의 무게와 시설물과 폭탄의 이격거리로 평 가하는 방법으로 이에 근거한 시설물 거동 및 피해 평가를 실시토록 하고 있음 그림 4 방호구조물의 설계 및 성능 평가 체계 (UFC , 2008) 그림 5 폭압에 대한 평가 예 한편, 국내의 경우 방폭 기준에 있어서 폭발하중과 관련된 사항은 국방관련 이외에는 석유 가스 화학 플랜트 시설물에 국한되어 일부 적용되어지고 있고, 그 적용기준 또한 외국의 10여년 전에 마련된 기준을 (미국 교범자료, 1986) 따르고 있는 등, 매우 한정정인 관계로 이에 대한 정비도 시급한 실정임

36 표 2 국내 방폭기준 예 항 목 범 위 폭발하중규모 적용 폭발하중 하중 해석방법 설계방법 산업안전 기준법 (한국) 1997 법 27조에 근간하여 제어실의 위치 및 설계기준을 정함 CIA 지침을 근간으로 함 10 psi for 20 s 폭발압력에 견딜 수 있도록 방폭벽으로 설계 언급없음 언급없음 이와 같이 최근 들어 방호 방폭과 관련된 다양한 규정 및 기준이 새로이 제시되고는 있으나, 현 실적으로 관련제도를 정착시키는데 원천적으로 필요한 방호 방폭용 재료 및 자재 기술과 성능 평가 및 구조물 설계에의 반영과 같은 세부적인 내용에 대한 기반이 제대로 갖추어져 있지 못한 실정으로서, 제반 규정의 정비 및 기준화와 관련된 부분의 해결이 우선적으로 필요한 실정임 (2) 국외 정책 동향 충격 폭발과 같은 극한하중과 관련된 기준수립 및 정책수립은 주로 2차 세계대전 이후부터 국방 산업을 중심으로 활발히 진행되어져 왔으며, 미국의 경우 Army, Navy 및 Air force 가 함께 공동으로 방폭구조물에 대한 기준을 적용하고 있음(UFC Unified Facilities Criteria) 특히, 최근 들어서는 항공기를 이용한 충돌 및 폭발 (911 미국, 2001), 차량폭탄 테러 (오클라 호마 연방청사 차량폭탄테러 등, 1995) 등 다양한 방식의 불특정 다수를 겨냥한 테러가 급증함 에 따라, 민간시설물을 포함한 다양한 방호 방폭 대비책을 강구하고 있음 그림 6 빌딩 건축물에 대한 테러발생 사례 (좌측: World Trade Center-911, 우측: 오클라호마 연방청사 폭탄테러) 그림 7 UFC (미 육해공 군 군사시설물 방폭 관련 규정)

37 그림 8 시설유형별 국제테러피해통계(1998~2003) (출처: Pattern of Global Terrorism 2003, U.S. Department of States) 미 국무부가 발표한 자료에 따르면 사람들의 출입이 빈번한 상업시설에서의 테러빈도가 다른 시 설물에 비해 월등히 높고, 대규모의 상업시설은 인명살상을 통한 관심집중이라는 테러의 목적달 성에 효과적인 장소로 악용되고 있기 때문에 화공플랜트 등의 에너지산업 시설물과 더불어 주요 방호 방폭 대상으로 관리되고 있음 이러한 국방분야와 관공서 및 주요 민간시설물에 적용고 있는 방호 방폭 기준 및 설계와 관련되 어 기본적인 기준 설정의 근간을 이루고 있는 UFC 매뉴얼의 구성은 다음과 같음 표 3 미국 UFC 매뉴얼의 구성 UFC 항목 UFC 1-XXX-XX UFC 2-XXX-XX UFC 3-XXX-XX UFC 4-XXX-XX UFC 5-XXX-XX 항목의 분류 Policy, Procedures, and Guidance (정책, 절차 및 안내) Master Planning (주요 계획) Discipline-Specific Criteria (분야별 특정 기준) Multi-Disciplinary & Facility-Specific Design (다중 분야 및 시설물 특기 설계) Software and Tools (소프트웨어 및 평가 툴) 상기의 UFC 매뉴얼 중 충격 폭발 하중과 관련되어 그 내용이 일반에 공개되어진 대표적 기본 매뉴얼은 UFC (Structures to resist the effects of accidental explosions) 으로서, 방호 시스템의 종류, 인체의 손상부위 및 정도별 폭발압, 시설물 및 구조물의 허용가능 폭발압, 충격 폭발로 인한 폭발압의 정의 및 종류, 폭발 발생시의 비산물의 위험도, 이를 고려한 철근콘크리트, 강구조물의 기본 설계 방법 등 충격 폭발과 관련된 다양한 정보를 제공하고 있음 UFC 매뉴얼 시리즈 중 UFC 4-XXX-XX 는 특정 구조물별 안전 설계에 대하여 다루고 있 으며, 해당 리스트는 다음 표와 같이 구성, 구조물 종류별 안전과 관련된 하중 대응 설계방식에 내용을 제시하고 있음

38 특히, 건축물의 경우에 있어서는 UFC 의 신규 건축물에 대한 폭발 대응 구조 설계방 식, UFC 의 기존 건축물에 대한 폭발 대응 구조 설계방식 및 UFC 의 구 조물 연쇄붕괴 방지 설계 등을 대표적으로 들 수 있음 (상세 내용 미공개) 표 4 UFC 4 Security Engineering Manual 리스트 UFC 항목 매뉴얼 제목 UFC 항목 매뉴얼 제목 UFC Mass Notification Systems UFC Security Engineering: Design for Waterfront Security UFC Security Engineering: Entry Control Facilities/Access Control Points UFC Security Engineering: Design of Buildings to Resist Forced Entry UFC UFC UFC UFC UFC UFC UFC UFC UFC Security Engineering: Design and Selection of Vehicle Barriers Security Engineering: Fences, Gates and Guard Facilities Security Engineering: Structural Design to Resist Explosives Effects for New Buildings Security Engineering: Structural Design to Resist Explosives Effects for Existing Buildings Design of Buildings to Resist Progressive Collapse Secuirty Engineering: Design of Windows to Resist Explosives Effects Secuirty Engineering: Design of Doors to Resist Explosives Effects Security Engineering: Design to Resist Direct Fire Weapons Effects Security Engineering: Design to Resist Indirect Fire Weapons Effects UFC UFC UFC UFC UFC UFC UFC UFC UFC Security Engineering: Design of Electronic Security Systems Security Engineering: Design to Mitigate Terrorist Attacks in Expeditionary Environments Security Engineering: Design of Mail Rooms, Delivery Points, and Building Entrances to Resist Explosive Effects Security Engineering: Physical Security Measures for High Risk Personnel Security Engineering: Airborne Chemical, Biological, and Radiological Detection Equipment Capabilities and Limitations Security Engineering: Airborne Chemical, Biological, and Radiological Particulate and Vapor Filtration Capabiliities and Limitations Security Engineering: Design for Mitigating Acoustic Emanations Security Engineering: Design of Shielding for Reducing Electronic Emanations Security Engineering: Design for Protecting Critical Infrastructure

39 현재 공개되어진 자료 중 대표적인 UFC 내용 중 주요 내용은 다음과 같음 보호의 등급을 다음과 같이 4 분류로 나누고 있음. 즉, Category 1의 인명 보호, Category 2 의 장비 등 시설물의 보호, Category 3의 연쇄폭발 방지, Category 4의 연쇄 폭발로 인한 대 형 폭발 방지로 크게 구분하고 있음. 이러한 분류법은 UFC 매뉴얼이 기본적으로 화약류 저장 시설 등 군사시설과 관련되어 개발된 매뉴얼이기 때문으로서, 민간시설물에 대한 보호 등급을 설정할 경우 그대로 적용하기에는 무리가 있음을 알 수 있음. 표 5 방호 방폭 보호 분류 체계 [UFC ] Protection Category 1 Protection Category 2 Protection Category 3 Protection Category 4 보호 분류 체계 인명의 보호 장비, 시설 및 저장된 폭발물의 보호 연쇄 폭발의 방지 연쇄 폭발로 인한 대형 폭발 방지 방호 방폭 보호 시스템은 격납방식의 구조물 (Containment type structures), 대피시설물 (Shelters) 및 방벽으로 구분하고 있으며, 격납 구조물은 위험물질의 외부유출의 차단용으로서 의 시스템임. 폭발 하중의 분류는 기본적으로 TNT 등가 하중으로 표현하고 있으며, 폭발 하중 발생의 종류 는 기본적으로 폭발이 외부에서 발생하는 Unconfined Explosion과 방호벽 인접 또는 일부 오픈된 구조물 및 격납시설물 내에서 발생하는 Confined Explosion으로 나누어지며, 외부에서 발생하는 폭발의 경우, 구조물에 미치는 폭발압의 형태를 고려하여 Free-Air, Air 및 Surface Burst Explosion으로 구분하고 있음. (a) Free-Air Burst Explosion (b) Air Burst Explosion (c) Surface Burst Explosion 그림 9 폭발 하중의 분류 (UFC )

40 Confined Explosion의 경우는 Fully Vented Explosion, Partially Confined Explosion 및 Fully Confined Explosion으로 구분되어짐. 이는 주로 화약류 등의 취급 및 저장시설에서 의 예기치 못한 폭발 발생시 폭발압을 산정하기 위한 분류에 적용되어지고 있음. 본 연구의 고려대상인 보호 대상 구조물 외부에서의 폭발로 인한 극한 하중에 대해서는 다음과 같은 기본 사항을 고려하여야 함 - 폭발의 크기 - 폭발의 위치 - 구조물의 형태 - 폭발을 고려한 구조물의 방향 및 구조물 위치 (지상, 반지상 또는 지하 구조물 등) 또한, 구조물에 작용하는 하중에 대해서는 최대 폭발압, 순간 및 동적 충격량 등을 고려하여야 하며, 각 폭발물 종류별 해당 정보를 UFC 에서 제시하고 있음 이 밖에 구조물에 미치는 외부 폭발 하중의 영향에 있어서 추가적으로 고려되는 항목으로는 구 조체의 개구부 존재 유무이며, 이러한 다양한 부분에 대한 변수 등을 고려하여 구조물의 안전성 을 평가 및 확보하도록 제시하고 있음 한편, 미 육군 공병단 (US Army Corps of Engineers) 산하의 PDC (Protective Design Center) 에서는 다음과 같이 건축물의 손상 정도 및 성능 목표를 고려한 보호 수준을 다음과 같이 제시하고 있음 (PDC TR-06-08). 표 6 건축물 보호 수준(등급) (PDC TR-06-08) 보호 수준 건축물 성능 목표 건축물 손상 정도 I (Very low) 붕괴 방지: 생존자는 탈출 가능하나 구조물 자체의 기능은 상실된 상태로 재사용 불가 전체 붕괴의 발생이 가능한 수준의 손상 (연쇄 붕괴는 없는 손상 수준) II (Low) 인명 안전: 생존자는 탈출 및 일시적 출입 가능 상태로 구조물은 복구 가능 수준 유지 건축물의 보수 후 재사용이 경제성이 없는 정도의 손상 (연쇄 붕괴 가능성 없음) III (Medium) IV (High) 재산 보호: 생존자 일시적 탈출 필요성이 있는 수준으로 건축물 내 시설물 수선 및 보수 후 재사용 가능 수준 지속적 거주: 모든 거주자 방해 없이 지속적 거주 및 일상생활 가능 수준으로 건축물 및 시설물 모든 기능 유지 수준 건축물의 보수 후 재사용이 경제적으로 유리한 정도의 손상 (연쇄 붕괴 가능성 없음) 매우 미약한 손상 발생 가능

41 표 7 건축물 보수 수준(등급) 별 건축물 구성 부재 손상 정도 보호 수준 I (Very low) II (Low) III (Medium) IV (High) 부재 손상 정도 주요 구조 부재 하위 구조 부재 비구조용 부재 Heavy Hazardous Hazardous Moderate Heavy Heavy Superficial Moderate Moderate Superficial Superficial Superficial Hazardous : 부재 기능 상실 및 파괴 Heavy : 부재 기능 상실은 없으나, 상당한 영구변형 발생으로 보수 불가능 Moderate : 부재 기능 상실은 없으나, 약간의 영구변형 발생. 보수는 가능하나 경제적, 미적 이유로 부재 교체 유리 Superficial : 부재 외관상 영구 손상 나타나지 않음 국방 시설물 이외의 분야에 있어서 최근 미국에서는 정부 청사 건물의 신축 혹은 보강 시에 폭 발 재해에 대비하는 설계를 요구하고 있고, 건축물의 방폭과 관련된 설계기준서로는 대표적으로 Architectural Engineering Design Guidelines (5 Volumes), U.S. Department of State, Bureau of Diplomatic Security, UFC DoD Minimum Antiterrorism Standards for Buildings, U.S. Department of Defense, Interim Antiterrorism/Force Protection Construction Standards-Progressive Collapse Guidance 및 Physical Security Criteria for Federal Facilities (FOUO), 2010 등이 사용되고 있으며, 점차 민간 건물에도 해당 설계를 권장하는 추세임 이 밖의 국방 분야 이외의 건축 구조물 관련 방호 방폭 관련 대표적 규준 및 기준은 다음과 같음. 표 8 국방 이외 시설물 방호 방폭 관련 규준/기준 예 (미국) 규준/기준 명 제 목 ACI ASCE FEMA 426 FEMA 427 FEMA 428 FEMA 453 PIP ARS08390 PIP STC01018 Code Requirements for Nuclear Safety-Related Concrete Structures Design of Blast Resistant Buildings in Petrochemical Facilities Reference Manual to Mitigate Potential Terrorist Attacks Against Buildings Primer for Design of Commercial Buildings to Mitigate Terrorist Attacks Primer to Design Safe School Projects in Case of Terrorist Attacks Design Guidance for Shelter and Safe Rooms Blast Resistant Doors and Frames Specification Blast Resistant Building Design Criteria 이와 같은 국방 분야 이외의 방호 방폭 관련 설계기준 및 규준은 대부분 국방 분야의 자료를 근 간으로 개발되어져 왔으며, 국방 분야는 전시 상황 및 화약류 관리 및 보관과 관련된 예기치 못 한 사고에 중점을 두고 있는 반면, 이외의 분야에서는 테러 및 폭발성 물질 운반차량 등에 의한 사고 시나리오에 중점을 두고 기준 및 규준을 개발하는 방식을 취하고 있음

42 2010년에 발간된 Handbook for Blast Resistant Design of Buildings (John Wiley & Sons) 에서는 다양하게 제시되고 있는 방폭 관련 기준 및 규준을 정리하여 제시하고 있으며, 방폭 성능과 관련된 요약된 정보는 다음과 같음 표 9 참고자료 (건축물 방폭 성능별 설계 전략 요약) Performance goals Design Strategy Comments Prevent component failure Limit response of components protecting personnel and equipment to levels below those causing failure. A safety factor against failure is provided by minimizing expected damage levels This is primary approach used to protect building occupants against injuries from an explosion Limit structural collapse Prescribe more conservative allowable response criteria for load-bearing components. Also, design buildings to withstand localized failure of a primary or load-bearing component (i.e., design against progressive collapse) UFC (UFC 2005) and GSA (GSA 2003) have specific criteria to design against progressive collapse. Building collapse will almost always cause a very high percentage of fatalities to building occupants. Maintain building envelope Design against failure of building cladding elements, including windows and doors. Blast overpressure entering buildings can cause significant injuries and extensive damage, but not usually many fatalities. Minimize flying debris Design cladding components using an expected worst-case explosive threat to fail without becoming hazardous projectiles to the occupied space. This may be used for a limited building area receiving the worst-case blast loads. Mitigating the extent and severity of injuries to occupants in building areas without overall structure collapse is very dependent on minimizing flying debris Prevent cascading explosion events Design structure around stored or manufactured explosives to resist projectiles and blast pressures from a nearby explosion without failing catastrophically and detonating explosives within structure. Also, design building components to protect personnel and control equipment necessary for shutting down potentially explosive surrounding industrial processes in an explosion. This includes proscriptive requirements based on testing in DDESB (DDESB 2004) and blast design requirements to protect equipment in UFC (UFC 2008) for cases involving high explosives and ASCE (ASCE 1997) for cases involving industrial explosions

43 표 10 참고자료 (건축물 방폭 설계 분야 요약) Design area Performance goals Comments Explosive safety Hardened military structures Antiterrorism Process safety Protect personnel Protect equipment, supplies, and stored explosives Prevent cascading explosive events Preserve mission-critical function Prevent mass casualties Minimize flying debris Limit structural collapse Protect personnel Prevent cascading events Minimize financial losses Design against accidential explosion where the amount and location of potential explosives are relatively well quantified. All inhabited areas are designed to prevent injuries. This type of blast design generally has the most design conservatism Buildings designed to resist attacks from specified weapons with a near-miss or direct hit such that given operation can still be performed. There are uncertainties in the amount and location of potential explosions caused by terrorist. The usual intent is to build in a given amount of blast resistance using a level of protection against a given defined threat. A maximum standoff distance to the protected building is established with barriers and inspections for explosives. Explosive events can be modeled relatively well, but initial conditions of the accident causing explosion must be assumed. Neutral risk philosophy is employed such that people inside buildings should have the same protection as those outside buildings. Ability to shut down operations is often important to prevent cascading events. 한편, 미국 연방도로청(FHWA) 에서는 도로 인프라의 대 테러 대책 (Multiyear Plan for Bridge and Tunnel Security Research, Development, and Deployment)을 수립, 미국 전역의 교량 (약 60만여개) 및 터널 (약 300여개소)에 대한 안보 및 자연재해, 사고 등으로부터 의 구조물 안전확보 차원의 새로운 설계발향과 비상대비 및 복구기반을 조성한 바 있음 FHWA에서 적용하고 있는 방호 방폭 성능 요구사항 중 고려대상 폭발하중은 발생 확률의 관 점에서 접근하고 있으며, 가능한 최대 하중과 발생가능성이 가장 높은 하중 두 가지로 이원화 하여 제시하고 있음. 표 11 FHWA 교량 및 터널 방호 방폭 관련 성능 요구사항 (폭발하중 기준) 위협 요인 Largest Possible Highest Probability Truck * : 20,000 lbs Conventional explosives Car bomb * : 500 lbs Barge: 40,000 lbs Collision to structure (i.e., Truck: 100,000 lbs GVW Truck: H-15 the size of a vehicle that Water Vessel: depends on Water Vessel: (see AASHTO spec. could collide with a waterway LRFD on vessel impact) structure) * Largest possible conventional explosive - for a truck, based on largest truck bomb ever detonated internationally by a terrorist act. For a barge, based on the assumption that it is the largest explosive that could pass by unnoticed by current security at place at major waterways. ** The size of an explosive charge that can be concealed within the trunk of an automobile without being visually detected when inspecting the automobile

44 일본의 경우, 국토교통성의 정책에 따라서 위험관리 분야에서는 테러에 대한 주요 대책으로 항 공기, 철도, 자동차, 해양환경 등에 따른 관리 정책을 제시하고 있고(단, 구조물의 방호설계지침 이 아닌 각 상황별 대책을 정리), 각 관련학회에서 건축물의 충격 폭발에 의한 안전성 확보를 위한 다양한 검토를 진행하고 있음 일본건축학회 구조위원회 응용역학운영위원회의 운영 - 충돌 폭발 등의 충격적인 외력에 의한 구조피해의 저감화와 관련한 소위원회 개최 (2009) - 내충격 폭발설계 가이드라인 작성 WG (Working Group) : 설계가이드라인 작성에 주력 일본토목학회 구조공학위원회 구조물의 내충격 성능평가 소위원회 - 충격하중을 받는 구조물의 내충격성능을 정의하고, 그 정량적인 평가기법 확립을 위한 실험 해석적 검토를 실시하고, 구체적인 평가방법의 제시를 통한 구조물의 내충격 설계법 확립을 목적으로 함 - 세부WG의 분류 : 방호구조설계WG, 충격하중WG, 충격해석WG, 유체충격력WG, 충격실험WG, 폭발하중WG - 현재진행상황 : 방재 안전대책기술자를 위한 충격작용을 받는 구조물의 성능설계 - 기준체계의 지침 -(안) 에 대한 작업을 진행중이며, 세부내용은 다음과 같음 1 충격작용을 받는 구조물의 성능설계형 종합설계코드 2 충격작용을 받는 각 구조물의 종합설계코드 3 해석에 의한 성능조사 4 실험에 의한 성능조사 5 각종 구조의 성능조사 설계사례 관련 규정 (일본) 안전위생규칙 제294조 (건조설비의 구조 등) 위험물 건조 설비는 폭발방산구 등을 마련할 것. 분진 폭발은 안전한 장소에 배출할 것.(발췌) 노동안전위생법 제 28조의 2 (위험성의 조사 조치) 사업자는 분진 등에 의한 작업행동 외 업무에 기인하는 위험성을 조사해서 그 결과에 근거하고, 필요한 조치를 강구하여야 한다.(발췌) 안전위생규칙 제24조의 11 (조사의 실시시기) 건설물을 설치, 이전, 변경, 또는 해체할 때. 설비, 원재료 등을 신규로 채용, 또는 변경할 때. 작업방법 또는 작업순서를 신규로 채용, 또는 변경할 때. 건설물, 설비, 원재료, 가스, 증기, 분진 등에 의한 작업행동 그 외 업무에 기인하는 위험성에 대하고 변화가 발생할 우려가 있을 때.(발췌)

45 유럽의 경우, 대표적으로는 2005년 10월 유럽연합 차원에서 주요건물 및 사회기반 시설의 보호 를 목적으로 한 프로그램을 수립하였음 EPCIP (European Programme for Critical Infrastructure Protection) - 유럽연합 회의에서 설립이 통과됨 ( ) - 유럽연합의 최적의 사회기반시설물 설계와 보호를 증진하고 안전성 여부 평가하기 위함 - EPCIP는 최적의 사회기반 시설 네트워크를 구축하고 유럽연합의 전문가 그룹으로 구성됨 - 인위적 사고와 다른 종류의 사고들로부터 주요건물 및 사회기반 시설물을 보호하는 프로그램을 구체적으로 제시하고자 함 - 출처 : ( /fight_against_terrorism/l33260_en.htm) 또한, 유럽연합에서는 노르웨이 (Norwegian defence estates agency), 독일 (University of the armed forces), 프랑스 (French institute for radiological protection and nuclear safety, Ministry of defense)의 지원 하에 충격 및 폭발 하중에서의 구조부재 및 구조물의 거동에 관한 연구와 재료의 거동을 조사하는 연구를 수행 중임 유럽국가 중 스웨덴의 경우, 2012년도부터 예상치 못한 사고로부터 주요건물을 보호하고자 건물 설계에 필요한 가이드라인의 개발을 시작함 - Swedish Fortifications Agency (SFA) 그리고 Swedish Civil Contigrncies Agent (MSB)에서 3년간 지원하며 Swedish agencies companies와 Universities가 참여함 표 12 주요 건물 보호를 위한 가이드라인의 개발 (스웨덴) 목적 가이드라인을 개발하여 중요한 빌딩과 사회기반시설물을 인위적 사고 및 외부의 충격, 폭파로부터 보호 범위 새로운 건물 및 사회기반시설물의 건설과 기존 시설물의 안전성을 평가 - 개발중인 가이드라인은 두 가지의 효과를 가지며, 개발 목표는 다음과 같음 첫 번째 : 가이드라인의 개발로 인해 사회에 있을 위험을 줄여주며, 주요 시설물의 설계시 최 적의 설계가 가능해짐 두 번째 : 가이드라인의 개발로 인해 대학 및 여러 단체에 교육의 목적으로 사용됨

46 표 13 가이드라인의 목표 2012년 목표 2013년 목표 2014년 목표 가이드라인의 구조개발 참고자료의 수집 가이드라인 전체 범위의 95% 완성 가이드라인 전체 범위의 25% 완성 가이드라인의 구조와 범위 수정 가이드라인 100% 완성 - 가이드라인은 Euro codes, Swedish frame work BFS 2011 : 10 EKS 8 그리고 (European Programme for Critical Infrastructure Protection) EPCIP, (European Cooperation in Science and Technology)를 따름 상기의 자료에서 보이는 바와 같이, 일반 시설물에 있어서의 방호 방폭 개념을 도입하기 위해서 는 우선적으로 방호 방폭 고려대상 시설물에 대한 기본적 분류가 이루어져야 함. 또한, 폭발 등 고려대상 외부 충격하중에 대한 분류에 있어서도, 각 시설물별 고려대상 하중의 종류가 다를 수 있기 때문에 이에 대한 충분한 검토가 이루어져야 함 미국의 규정은 폭발 등 외부 하중에 의한 구조물의 보호단계를 설정하고, 각 구조 요소의 성능 (연성비, 처짐각 등)에 대한 규정을 두고 있음. International Building Code(IBC, 미국) 및 National Building Code(NBC, 캐나다)에서는 시설물의 분류를 용도별로 하고 있으나, 해당 설계 기준은 내진 설계가 극한 사항이고, 분류가 매우 복잡하여 적용하는데 한계가 있음. 유럽에서는 영국의 규정과 유로코드의 경우 아래 표와 같이 구조물을 분류하고 있으며, 건축물 에 주로 초점을 두고 층수 및 면적을 기반으로 분류하고 있음. 표 14 건축물 중요도 등급 분류 예 (Eurocode) 등급 1 2 Building Type and Occupancy Houses not exceeding 3 storeys. Single storey storage/warehousing of less than 200m2 floor area which in normal use is occupied infrequently by a small number of operatives. Houses exceeding 3 storeys but less than 6 storeys. Flats, apartments and other residential buildings not exceeding 3 storeys. Offices not exceeding 4 storeys. Industrial buildings not exceeding 3 storeys. Retailing premises not exceeding 3 storeys of less than 200m2-floor area in each storey. Single storey Educational buildings 3 4 Residential buildings not exceeding 10 storeys. Educational buildings not exceeding 10 storeys. Retailing premises not exceeding 10 storeys. Hospitals not exceeding 3 storeys. All buildings to which members of the public area admitted in significant numbers and which contain floor areas within permanent wall enclosures not exceeding 200m2. Non-automatic car parking not exceeding 6 storeys. Automatic car parking not exceeding 10 storeys. All offices, retailing, hospitals and car-parking buildings that exceed the limits on area and number of storeys described for Class 3 buildings. All buildings to which members of the public are admitted in significant numbers and which contain floor areas withinb permanent wall enclosures exceeding 200m2. Stadis

47 한편, 폭발하중과 관련하여서는 미국토목학회 (ASCE, 1999)에서는 제시한 테러 위협 평가에서 예상 가능한 무기에 대해서 다음 표와 같이 제시하였음. 그러나, 제시된 무기의 종류에 있어서 구조물 또는 건축물에서 어느 정도 이격된 거리에서 폭발 한다는 기준이 명확히 제시되지 않아, 적용상의 한계점이 있음. 영국의 경우, 이전 건설관련 규정(Construction Regulation)에서는 1968년의 사고(Ronan Point)를 토대로 key element에 대해서 34kN/m 2 의 추가 하중을 견디도록 하였으나, 이에 대 해서는 논란이 있어왔음. Eurocode(1999) ENV 에서는 Category 2(Medium consequence)에 대해서 key element에 대해서 20kN/m 2 의 하중을 견디도록 제시하고 있음. 표 15 일반적인 위협과 관련된 무기의 종류 (ASCE, 1999) 사용된 전술 움직이는 자동차 폭탄 정지된 자동차 폭탄 외부 떨어져서 공격 탄도 공격 침입 설계 기반 위협 정도 무기 도구 Very high 2000lb TNT 12000lb 트럭 High 500lb TNT 5000lb 트럭 Medium 100lb TNT 4000lb 승용차 Low 50lb TNT 4000lb 승용차 Very high 2000lb TNT 12000lb 트럭 High 500lb TNT 5000lb 트럭 Medium 100lb TNT 4000lb 승용차 Low 50lb TNT 4000lb 승용차 High IID4, IED(100lb TNT), 수류탄 Medium IID4, IED(2lb TNT), 수류탄 Low IID4, 돌덩이 투척 High 박격포(50lb TNT 내) Low 대전차 무기 Very high 30.06AP High 7.62 M80 ball Medium 44 Magnum handgun Low 38 super handgun Very high High Medium Low Very low 핸드건과 반자동소총 (UL-SPSA) 무제한의 수-공구, 전력, 열-공구 및 폭발물 무제한의 수-공구, 전력, 제한된 열-공구 및 폭발물 무제한의 수-공구, 제한된 전력, 열-공구 및 유압잭 무제한의 수-공구 제한된 수-공구 정량적인 폭발하중과 폭발원의 이격거리의 정의와 관련된 추가적인 참고자료로는 UFC (Structural Design to Resist Explosive Effects for Existing Buildings) 상의 공개된 자료가 일부 있으며, 해당 자료에서는 방폭용 벽체 Catcher system의 보통 (Medium) 수준의 방폭성능과 관련된 등가 TNT 화약량 및 이격거리를 보여주고 있음

48 표 16 고려대상 화약량 및 이격거리 참고 자료 (UFC ) Level of Protection for High Capacity Wall Catcher System TNT Equivalent Yield Standoff in m for Medium Level of Protection 25 kg (55 lb) 1 m (3 ft) 100 kg (220 lb) 2 m (6 ft) 225 kg (500 lb) 3 m (10 ft) 450 kg (1,000 lb) 4 m (13 ft) 1,800 kg (4,000 lb) 10 m (33 ft) 18,000 kg (40,000 lb) 33 m (108 ft) 이와 같이 국외의 경우, 이전에는 특정 외부 하중을 정량적으로 설정하는 방식으로 기준을 제시 하는 방법을 사용하였으나, 하중종류의 다양성 및 폭발원의 거리변화에 따른 구조체 전달 폭발 압의 큰 변화를 고려할 시, 하중을 정량화 하는 것이 비합리적이기 때문에, 최근에는 구조 성능 에 대한 Damage level을 역으로 제시하는 방식으로 전환되고 있는 실정임

49 나. 국내외 시장현황 및 전망 (1) 국내 시장 현황 국내의 경우, 충돌 충격에 대한 방호 및 방폭 안전성 확보 관련 시장은 주로 차량충돌 방호벽, 해상교량 선박충돌 방지공, 석유 가스 플랜트와 같은 화학플랜트 및 국방시설물과 같은 일부 국 가 주요 시설물의 방호 방폭 기능 부여로 한정되어 적용되어졌고, 일반 건축물 등은 지진 화재 등과 같은 재해에 대하여서만 대책을 수립하고 있는 실정임 안보관련 군사시설물 이외에는 대부분의 경우 지진과 같은 자연재해 및 화재사고에 의한 재해 대비차원에서 방호 방폭에 대응하고 있음 그러나, 최근 건설기술의 비약적인 발전에 따라 구조물의 대형화, 초고층화, 장대화 추세와, 구 조물 기능의 다양화, 복잡화에 따라 폭발 및 화재요인이 날로 증대하고 있고, 각종 설비의 증 가와 유기계의 내장재 사용으로 인하여 그 규모 역시 대형화되는 추세에 있기 때문에 이에 대 한 대응책을 수립할 필요성을 인지하기 시작함 익산 LP가스충전소 폭발 (98) 안산시 공장 폭발화재 (00) 여천공단 폭발화재 (00) 제주 다세대주택 가스폭발화재 (06) 등 그림 10 연도별 폭발사고 발생건수 그림 11 주요 폭발사고 발생 현황 (출처 : 2010 재난연감) 또한, 미국의 911테러 및 오클라호마 폭탄테러와 같이 민간인이 포함된 불특정 다수를 대상으로 한 돌발적이고 인위적인 사고는 지속적인 증가추세임에도 불구하고, 이에 대한 국내 대형 공공 민간 시설물 관련 방호 방폭 대책은 거의 전무한 실정임 그림 12 기존 방호 방폭 안전성 확보 적용 대상 구조물 현황 그림 13 연도별 세계 테러발생 현황 (출처 : 2010 재난연감)

50 국내에서는 공공시설물 일부에 대하여 최근 들어서야 방호 방폭 안전성 기능을 부여하는 방식으 로 설계에 반영토록 진행하고 있고, 2009년도부터 서울시내에 들어서는 50층 이상, 200m 이상 의 초고층 건물에 대해서는 테러 대책을 세워야 건축이 가능해지는 초고층 건축기준 이 마련되 는 등, 충격 폭발 관련 테러 등에 대한 관심도가 증가하고 있음. 남북이 분단되어 휴전중인 매우 특수한 군사적 대치상황 및 테러 발생에 대한 대비책을 고려할 시 그 적용대상 분야 및 관련시장의 확대는 필수적이라고 판단됨 서울시 초고층 건축물 디자인 가이드 라인 저층부에 일반 시민들을 위한 커뮤니티 공간 설치 피난 안정성 확보를 위해 방재계획서 제출 의무화 25층~30층 이내마다 층간 대피층 설치 피난 전용 승강기 설치 철골구조보다는 고강도 콘크리트구조 건축 유도 고층 부분에 방문객이 이용할 수 있는 전망층 신설 건물 에너지 상용량 10% 이상을 신 재생 에너지로 생산 그림 14 국내 초고층 (50층이상) 건축물 현황 (2012) 테러 대비 위해 옥상 층 및 주요 시설물에 보안시스템 명기 2009년 부터 서울시 건축위원회 심의기준으로 활용 한편, 국내 방폭창 시장은 2012년 이후로 예정된 용산 미군기지의 평택 이전 사업에서 해당 부 문만 약 3,000억원 규모로 예상되고, 괌, 오키나와 등 해외 미군기지 재배치 및 보수 관련 부분 (약 3,000억원)을 포함하면 미군기지 관련 시장만 약 6,000억원 규모로 예상하고 있음 (출처 : 기사원문 알루텍, 세계 최고 방폭창 업체 아르팔과 독점 판매 계약 체결, ) 국내 석유화학 관련 산업은 산업의 주체가 정부주도에서 민간주도로 변화함에 따라 생산량 및 수 출시장의 증가가 대폭 이루어지고 있고, 석유화학제품의 원료인 에틸렌 생산능력이 세계 5위에 달하는 위상을 가지는 등 해당 화학 관련 산업의 지속적인 확장이 이루어지고 있으며, 이에 따른 구조물 및 시설물 안전 확보 차원에서의 다양한 방호 방폭 관련시장의 지속적인 확대가 예상됨

51 그림 15 국내 석유화학산업의 발전과정 그림 16 국내 석유화학산업의 위상 (출처 : 한국석유화학공업협회) 그림 17 연도별 국내 방호 방폭(기계 전기 분야) 시장규모 (단위: 천불, 출처: 한국무역협회) 이러한 화공산업의 방호업무 효율화, 안정성 및 리스크 평가 수행 시 20%이상 시간/인력 감축 이 예상되어 직접적으로는 40억 이상, 간접적으로는 1000억 이상의 비용절감이 예상됨 국내 원자력 발전은 총 23기가 가동 중이며 발전량은 약 2,500만 KW 수준으로써 국내 발전 총량의 약 40% 정도를 차지함. 본 과업과는 직접적인 연관성을 갖지는 않으나 충격과 폭발에 대한 방호 성능의 중요성은 매우 높은 기간시설물임 최근 초고층건물 및 원전구조물 안전 의식 증가 등으로 내충격 및 방폭에 필요한 국내 전체 시 장규모는 향후 5년간 약 3조원 이상의 수준으로 예측되고, 이중에서 건설과 관련된 방호용 자재 및 제품의 시장규모는 약 5,000억원 규모로 예측됨 * 국내에 2015년까지 예정된 초고층 빌딩을 10여개로 산정한 경우 예상되는 투자비를 약 44조 1천억 원으로 추산한 바 있고, 초고층 빌딩 1개당 순수 구조물 공사비가 약 1조원 이상으로 감안하고 있 음 (콜드웰뱅커코리아, 2008). 현재 국내 부동산 경기여건의 변화를 감안하여 향후 5년간 3개의 초 고층 빌딩이 건축될 것을 가정하면 초고층빌딩 만으로 3조원이라는 전체 구조물 시장규모 최소치 가 예상되고, 이중에서 방호 방폭과 관련된 구조재료 및 자재분야를 보수적으로 15%로 잡을 경우 약 5,000억원의 시장규모가 추산됨. (관공서 등 주요시설물 및 기타 대형 시설물 등을 포함할 경우, 시장규모는 더욱 커지리라 판단되고 있음)

52 국방시설 분야에서 방호구조물 고도화 기술개발투자는 미흡한 상태이고 2012년 정부예산을 기 준으로 볼 때 전체 국방예산은 약 33조 규모로써, 방호시설의 개선 및 유지관리비는 약 1% 정 도에 해당하고, 이중에서 고성능 섬유보강 복합재료로 방호 방폭 구조물 시장의 약 50% 점유 가 가능하다면 연간 약 1,650억원 규모의 국방 관련 방호 방폭 시장 진출이 가능함. (자료출처 : 2012 정부예산 중 국방비 내역) 한편, 건설산업 중 콘크리트의 연간 출하량은 약 106백만m3 정도이고 이중에서 섬유보강 콘크리 트가 차지하는 비중은 약 1만m3 정도로써 비중이 낮은 편임. 섬유보강 콘크리트는 주로 신규 건 설보다는 기존 콘크리트 구조물의 보강 재료로 활용되고 있음 따라서 섬유보강 콘크리트 및 시멘트 복합재료에 관한 시장예측을 심도있게 검토할 필요가 있고, 이를 활용한 방호 방폭 구조물이 시장 규모와 활용성과 관련된 사전 검토작업을 수행하고 있음 그림 18 연도별 레미콘 출하량 변화 추이 (출처: 통계청 산업동향과, 2011) (2) 국외 시장 현황 2012년 현재 방범 및 물리적 보안과 관련된 시장규모는 미국, 영국, 유럽을 포함할 경우 약 800 억 달러 (97조 원) 규모로 매년 5%씩 증가추세이며, 방호 방폭 보안 시장을 포함한 대테러시장의 규모는 대략 550억 달러 (63조 원)으로서 (출처: 씨큐리티월드 제 181호, 2012), 이 중 원전산업 등과 같이 내충격 성능을 요구하는 구조물 및 건설자재 관련 산업시장의 경우, 그 시장규모는 향 후 5년간 약 20조원 이상의 수준으로 *, 주로 중동지역으로 계속적인 투자가 이루어질 전망임 * 현 대테러시장의 규모 550억 달러에 연간 5% 증가율을 감안한 향후 5년간의 시장규모는 약 350억 달러가 되며, 이 중 방호 방폭 구조물 및 건설자재와 관련된 산업시장을 보수적인 관점에서 전체의 약 6%로 산정할 경우 5년간 약 20조원 정도로 추산됨 앞서 살펴본 바와 같이, 외국의 경우 대형 빌딩 및 교량과 같은 인프라 시설물에 있어서 자연재해 또는 사고 뿐 만 아니라 발생할 수 있는 인위적 충격 폭발에 대해 해당 시설물이 안전성을 확보할 수 있도록 다양한 제도적 프로그램을 마련하여 적용하는 노력을 기울이고 있고, 이에 따른 방호 방폭과 관련된 시장 또한 크게 성장하고 있는 실정임 그러나, 인위적인 테러 및 산업시설물에 대한 방호 방폭 분야 산업시장은 각국의 보안사항과 관련이 있어 그 시장규모를 정확히 가늠하는 데에는 한계가 있으나, 추가적인 상세한 자료를 취 득하고자 노력을 기울일 필요가 있음

53 다. 기술동향 분석 (1) 기술 분류 및 정의 구조물의 방호 방폭 성능부여와 관련되어서는 앞에서 밝힌 바와 같이 크게 세 가지 의 기술로 분류 및 정의할 수 있으며, 구조체에 활용되는 섬유보강 시멘트 복합재료에 대한 기술은 별도로 정의할 수 있음 건설재료 및 자재 측면 방호 방폭 재료 및 자재 : 외부의 충격으로부터 보호하는 기능과 폭발의 피해를 막는 기능을 가 진 재료 및 자재로서 신설 구조물용 재료 및 자재와 기존 구조물의 방호 방폭 기능강화를 위한 보강자재를 의미함 성능평가 측면 방호 방폭 성능평가 : 재료, 자재, 구조부재 각 단계별 내충격성능, 방폭성능에 대한 정량적, 정 성적 시험평가 기법을 의미함 구조물의 적용 측면 방호 방폭 설계 : 시설물 및 구조물 중요도별 등급 분류체계 구축, 대상 충격 및 폭발 하중별 방호 방폭 등급 체계화, 해석평가 및 설계기법의 구축 등을 통한 구조물 방호 방폭 성능부여 체 계를 의미함 섬유보강 시멘트 복합재료 측면 섬유보강 시멘트 복합재료 : 시멘트, 잔골재 및 물이 포함된 수경성 모르타르에 플라이애시, 실 리카퓸 등의 광물질 혼화재료 또는 유기 혼화재료를 추가하여 복합재료를 구성하고, 여기에 강 섬유, 유기섬유 등의 섬유를 혼입한 재료를 의미함 (2) 기술개발동향 분석 (가) 방호 방폭 기술 적용 동향 국내에서는 방폭구조물의 최신 기술 적용에 있어서 연평도 기습 포격 후 백령도와 연평도의 군 사방호시설을 복구에 파형강판(브리지플레이트)으로 구조체의 골조를 구성하고 여기에 콘크리트 를 덧씌우고 토사를 덮어서 방호 및 방폭 성능을 증가시킨 사례가 있음 구조물 내측에 파형강판을 두고 외피를 일반 콘크리트와 토사로 덮는 방식으로 구성된 이 시설 은 포탄 피격 시 내부로의 구조물 파괴 및 파편 발생을 억제, 인명과 시설의 파괴를 최소화하는 방식으로 구성됨. 그러나 이러한 방식은 단층의 군사용 방호구조물에서는 적용이 가능하나, 일반 건축물에 적용하기에는 여러 한계점이 있음

54 내충격 및 방폭성능형 재료개발 분야는 주로 국방산업, 화학플랜트 및 원자력발전소를 포함한 에너지산업 분야에서 이루어지고 있고, 구조물의 안전성 향상 측면에서는 단순히 철근콘크리트 와 같은 구조부재의 두께를 증가시키는 방식에서 최근에는 적용 구조재료의 성능향상 또는 보강 자재의 개발 및 적용 방식으로 기술개발이 이루어지고 있음 그림 19 연평 백령도 군사방호시설 복구 전경 (나) 방호 방폭용 복합재료 개발 동향 최근 구조물의 내충격 및 방폭성능 향상방안에 대한 연구의 일환으로, 항공기 충돌을 고려한 격 납건물용 섬유보강 콘크리트 적용기술 개발 (한국건설기술연구원, 수행중), 초고인성시멘트복합 체(ECC)를 활용한 내화 방폭콘크리트 실용화 기술개발 ((주)삼표-충남대학교, 2009) 과 같은 섬유보강 콘크리트 방식의 복합재료 개발이 주를 이루고 있으며, 이러한 연구는 군사목적이 아 닌 주요 시설물의 방호 방폭 기능 향상이라는 목적으로 수행되고 있음 (a) 항공기충돌 대응 섬유보강 콘크리트 개발 (한국건설기술연구원, 수행중) (b) ECC 활용 내화 방폭콘크리트 실용화기술 개발 ((주)삼표-충남대학교, 2009) 그림 20 국내 방호 방폭 자재개발 연구 사례 항공기 충돌조건을 고려하고 있는 원전시설물 관련 연구의 경우, 미국 원전관련 규정인 10CFR50.150에 따라 고려대상 항공기(B )및 충돌속도(150 m/s)등의 조건하에서의 격납구조물의 안전성 향상을 목적으로 방호 방폭 재료개발 연구가 진행되고 있음 방호 방폭용 복합재료의 개발은 극한하중이 발생하는 조건하에서 발생되는 충격력을 최대한 흡 수할 수 있도록 기능을 부여하기 위하여 기본적으로 구조재료로 널리 사용되고 있는 콘크리트 Matrix 내에 높은 인성을 지닌 보강섬유 등을 혼입하는 방식으로 접근하고 있음

55 이 밖에, 국내에서 수행된 기술개발 연구는 슬러리침지 섬유보강콘크리트(SIFCON)적용 방호 방폭 특성 연구(청주대, 1999)와 같이 구조부재용 복합재료의 개발과, 에너지 흡수능력이 뛰어 난 알루미늄 폼 희생부재 적용 복합 방호구조물 연구(중앙대, 2009), FRP Composite을 활용 한 구조물의 내폭 성능 향상 기술 개발 연구 (고려대, 수행중) 및 FRP 보강방식의 방폭성능 향 상 연구(연세대-현대건설, 2010)와 같이 기존 구조물의 방호 방폭 성능을 향상시키기 위한 보강 재료의 개발 연구가 진행된 바 있음 (a) FRP 복합체 방호 방폭 보강재 개발 (b) FRP 보강 철근콘크리트 패널 방폭시험 그림 21 국내 방호 방폭 자재개발 연구 사례 (연세대학교-현대건설기술연구소, 2010) 내충격 및 방폭성능형 섬유소재 기술은 미국, 유럽, 일본 등이 세계시장을 선도하고 있고, 전체 섬유산업 시장에서 차지하는 비중이 약 60%에 이름 세계적인 민간업체로는 Bouygues 등이 있고, 주로 초고성능 섬유보강 복합재료 활용 건설자재 개발을 목적으로 다양한 용도에 적용할 수 있는 제품들을 개발하고 있음 SIMCON NEW 는 단섬유를 매쉬에 끼워 넣음으로서 표면에서의 섬유돌출을 개선한 것이며, DUCON은 매쉬를 여러 겹으로 묶어 사용하여 콘크리트 그라우트재로 충전하는 방식임 특히, DUCON은 2004년에 방폭, 방탄실험을 통하여 성능을 검증하였으며 현재 미국 및 여러 국가에서 주요 시설물의 방벽(Worrier)으로 이용되고 있음 한편으로는 직물로 보강된 시멘트계 복합재료가 있으며, 이렇게 직물로 보강된 복합재료의 휨강 도를 높이기 위하여 Woven type 또는 Knit Type 등에 대한 다양한 방식이 개발, 적용되어 지고 있음 (a) SIMCON NEW (b) DUCON (a) Woven type (b) Knit 타입 그림 22 SIMCON NEW 및 DUCON의 개념 그림 23 Woven 타입 및 Knit 타입

56 (다) 방호 방폭용 성능평가 개발 동향 다음 표는 국외 방호구조체용 섬유보강 시멘트 복합재료 관련 최신 기술개발 현황으로서, 본 연 구개발을 통한 국제적 기술선점 가능성을 보여주고 있음 표 17 국외 관련 기술에 따른 기술개요 및 성능수준 구분 SIFCON, SIMCON SIMCONNEW DUCON ECC 개발자 D.R.Lankard 미국 Hauser 독일 Hauser 독일 Victor, Lee 미국 개발년도 개발동기 보강섬유 재 질 보강섬유 보강섬유 단면형태 보강섬유 형 태 고인성 시멘트 복합소재 Steel (1200MPa) 분절 (Discrete) 고인성 시멘트 복합소재 Steel (1200MPa) 분절 (Discrete) 방폭 성능 개선 소재 Steel (400MPa) 연속 (Continuous) 고인성 시멘트 복합소재 PVA (1300MPa) 분절 (Discrete) Fiber Fiber Fiber Fiber 단일 섬유 칩 단일 섬유 칩 와이어 매쉬 단섬유 충전재 고강도 슬러리 고강도 슬러리 고강도, 고유동 슬러리 시멘트 모르터 표면마감 고려안함 고려안함 광택 고려안함 장점 고성능 구현 고성능 구현 단점 비경제적/시공성 결여 마감 필요 비경제적 마감 필요 경제성 우수 마감 불필요 상대적인 성능 저감 고성능 구현 방폭성능 미비 압축강도 100MPa 120MPa 120MPa 50MPa 휨강도 20MPa 20MPa 50MPa 15MPa 직접인장강도 15MPa 15MPa 20MPa 5MPa 방탄성능, 폭발성능 PM7 (d=8cm) > 1, 0 bar (d=6cm) PM7 (d=8cm) > 1, 0 bar (d=6cm) PM7 (d=8cm) > 1, 0 bar (d=6cm) PM7 (d=8cm) > 1, 0 bar (d=6cm) 방폭성능 내충격성능 시공성능 내화성능 유지관리성능 적용 사례 DUCON 개발 이후 미 적용 독일 외무부, 독일 육군 시설물, 미 국방성 등 다수의 군사시설물에의 적용 및 IBM, Audi, Benz, Dow chemical 등 다수의 공장시설물에 적용되고 있음 (출처: 방호 방폭용으로는 미 적용

57 아래의 그림 24는 독일 DUCON에서 개발한 섬유보강 시멘트 복합재를 건축물에 방호구조물에 적용하는 개념도를 나타낸 것임 (출처: DUCON에서는 건축물의 구조부재별로 섬유보강 시멘트 복합재를 방호구조부재로 적용하는 방 안을 다음과 같이 개념화하고 있음 건물 외곽에 방폭벽(Blast Wall)을 4cm 두께의 섬유메쉬를 삽입한 시멘트 복합재료를 구조체 를 약 20cm 두께로 프리캐스트 세그먼트를 제작하여 조립, 외과 방호벽을 구성함 건물 저츨 전면 벽체(Facade)를 위에서 설명한 재료를 이용하여 방호 방폭 보강을 하면서 동시 에 구조부재 벽체로 적용함. 두께는 구조설계 및 방폭 성능 부가 설계에 따라 정함 건물 슬래브는 파편비산 방지(Fragmentation protection)를 위하여 DUCON 소재를 이용하 여 슬래브를 건설함 기둥부분은 충격 및 폭발에 대하여 건물의 붕괴를 최소화하기 위하여 기둥 강화(Column confinement)를 DUCON 소재로 보강하여 건설하는 방안을 제시 위와 같은 방호 방폭 구조계를 구성하기 위해서는 DUCON은 방폭 성능실험을 수행하였으며 방폭벽을 설치한 예를 제시함 그림 24 DUCON의 방호 방폭 적용 개념도 그림 25 DUCON 방폭 실험 그림 26 DUCON 방폭벽 제품 시공

58 (다) 방호 방폭용 성능평가 기술 개발 동향 각종 소재의 내충격 성능과 관련된 충격매체의 충격속도 및 충격하중에 대한 기준은 명확하지 않고, 특히 국내의 경우 해당되는 내충격 및 방폭성능에 대한 정량적 평가관련 연구는 매우 미 미한 수준으로써, 기본적인 재료물성에 대한 실측데이터 및 시험평가 장비 및 시스템 인프라가 매우 부족한 실정임 그림 27 각종 운동체의 충격속도 범위 콘크리트와 같은 구조재료에 있어서 충격 폭발 하중이 작용하는 극한하중 ( m/s) 조건 하의 재료물성의 변화 평가를 위한 실험장치로는 대표적으로 SHPB (Split Hopkinson Pressure Bar) Test를 들 수 있으며, 현재 국내에는 국방과학연구소, 한국건설기술연구원이 보유하고 있는 압축충격용 시험장치와, 세종대학교의 인장충격용 시험장치가 최근들어 구축되어 져 있으며, 콘크리트와 같은 다양한 구조재료에 대한 극한 충격하중 하의 성능 시험평가 연구를 수행하고 있음 (a) 압축충격 재료 파괴물성 평가장치 (한국건설기술연구원) (b) 인장충격 재료 파괴물성 평가장치 (세종대학교) 그림 28 극한 충격하중에 대한 물성 평가 시험장치

59 또한, 일반적으로 폭발은 고온이라는 극한 온도하중이 병행하여 발생하기 때문에 극한 충격하중 및 극한온도 조건하의 재료물성 변화 또한 검토대상이나, 현재 국내에서는 일반적인 화재상황 하의 내화성능에 대한 연구를 수행하는 수준임 고강도 콘크리트 기둥 보의 내화성능 관리 기준 국토해양부 (2008) 건축구조물의 내화성능 강화를 위한 내화피복에 관한 다양한 연구 진행 중 섬유보강 시멘트 복합재료 등 방호 방폭용 복합재료의 경우에 있어서도 내화기능 필요 이와 같이, 국내의 경우 대부분의 방호 방폭 관련 연구는 주로 국방산업 분야에서 수행되고 있 으나, 해당 자료는 보안상의 문제로 일반적으로 참고하기는 매우 어려운 실정으로서, 군사시설이 아닌 일반 주요 사회기반시설물 및 건축물의 경우, 사용목적 및 중요도에 따른 방호성능 수립체 계의 정립 및 적용 방식/재료의 개발이 요구되고 있는 실정임 미국은 방호 방폭 기술 분야가 매우 발달되어 있으며 자동차 및 폭탄테러에 대비하여 개발된 재 료 및 부재에 대한 실물 실증 실험을 통하여 다양한 방호 방폭 평가를 수행하고 있음 그림 29 방호성능 실증 평가 수행 사례 (미국) 외국의 경우 방재 와 재해제어 에 대한 중요성을 일찍 인식하여 상세한 피해 조사와 연구를 지 속적으로 수행함으로써, 재해대책 제안 및 기술지원, 재해제어공학을 학문분야로 선정하여 체계 화 및 구체화 되었음(Quan et al., 2003, Thomas et al., 2004, Rabczuk and Eibl, 2006) 전 세계적으로 발생하는 재해에 관하여 미국의 연방 방재기구인 FEMA(Federal Emergency Management Agency)와 NEHRP(National Earthquake Hazards Reduction Program)에서는 특수구조물의 설계 지침서를 만들어 기존 구조물의 재난에 대한 성능을 평가 및 향상시키는 관리를 하고 있음 호주는 2004년부터 정부 산하 연구 위원회(Australian Research Council, ARC)에서 RNSA(Research Network for secure Australia)센터를 멜버른(Melbourne) 대학내에 설 치하여 안보에 대한 전반적인 연구를 수행하고 있음

60 (라) 섬유보강 시멘트 복합재료 기술 개발 동향 최근 콘크리트의 개발 방향은 강도의 증가를 극히 증가시킨 초고강도 콘크리트에 초내구성 및 고인성 개념이 복합적으로 융합된 섬유보강 시멘트 복합재료의 일종인 초고성능 콘크리트 (UHPC, Ultra High Performance Concrete)를 개발하고 이 재료를 활용하여 구조부재와 구조물을 개발하는 추세에 있음 그림 30 콘크리트 재료 기술 발전 방향 2002년부터 한국건설기술연구원은 목표 강도 200 MPa의 초고성능 콘크리트를 개발하기 시작, 2011년에 설계기준 압축강도 180 MPa, 설계 인장강도 13 MPa의 초고강도, 연성거동 및 파 괴에너지 흡수 능력이 탁월한 초고성능 콘크리트 원천기술을 확보함 2008년 이후 한국건설기술연구원은 UHPC에 대한 설계지침(안)을 마련하고 구조부재를 설계할 수 있는 기준을 마련하였음. 그림 31 초고성능 콘크리트 설계지침(안) (2008) 그림 32 초고성능 콘크리트 설계지침(안) 개정판(2010)

61 이 설계지침(안)의 특징은 강섬유를 최소화하고 철근 및 강연선을 등 보강재를 적극적으로 활용 하는 합리적인 UHPC 구조를 목표로 하는 것임. 이러한 목표는 프랑스, 일본, 독일의 연구성과 와 설계지침을 분석하여 결정된 것으로, UHPC의 높은 압축강도와 연성적 인장거동에 최소한의 보강재가 더해지면 콘크리트로는 상상할 수도 없는 성능을 나타냄 실증적인 연구를 바탕으로 이 설계지침(안)은 재료특성, 휨설계법, 전단설계법, 배근상세 등 UHPC의 특성을 살린 설계에 필수적인 규정을 제시하고 있고, 2007년에 그 동안 축적된 K-UHPC의 재료거동을 정리하여 압축강도 180 MPa, 균열인장강도 9.5 MPa, 휨인장강도 15.3 MPa, 탄성계수 45 GPa를 제안하였음 2008년에는 구조거동으로 연구를 확대해 UHPC 바닥판과 보에 대한 실험을 수행하고 이를 바 탕으로 UHPC의 재료특성, 휨강도 및 펀칭강도 평가법 등을 정리한 UHPC 설계지침(안) 초안 을 마련하고, 2009년에는 프리스트레스가 도입된 실대형 UHPC T형 보의 휨실험을 바탕으로 UHPC 보의 휨강도 평가법을 개선함. 이와 함께, 철근 및 강연선과 UHPC의 부착거동 실험을 수행하여 정착길이, 부착강도 및 피복두께 등 배근상세 규정도 제안한 바 있음 2010년에는 전단보강이 없는 UHPC I형 보에 대한 전단실험, 직접인장실험, 자기수축량실험, 크리프실험등을 수행하여, 2008년의 초안에 UHPC 전단설계법, 균열평가법, 자기수축량, 크리 프계수 등을 추가 보완하고, 2011년에는 보강된 UHPC의 균열거동에 대한 연구를 바탕으로 균 열 관계식을 제시하였으며, UHPC 보의 비틀림 실험을 바탕으로 다른 설계기준에는 없는 비틀 림 설계법을 제안하였음. 또한 PS 정착부에 대한 실험을 근거로 보강철근이 없는 정착부 설계 법을 제안한 바 있음 이와 같이 섬유보강 시멘트 복합재료의 일종인 UHPC에 대한 기본 재료구성 및 재료의 역학적 특성과 구조특성에 대한 기본 연구개발은 완성되었으나, 본 과업에서 주로 집중적으로 검토되어 야 하는 동적 충겨 및 폭발 저항성능에 대한 평가가 한 번도 수행된 바 없음 즉, 국내에서 수행된 섬유보강 시멘트 복합재료에 대한 연구는 주로 정적인 하중을 받는 일반 구조물에 적용하기 위한 재료개발 및 역학/구조 특성을 연구개발에 국한되었음 그러나, 초고강도 섬유보강 시멘트 복합재료의 경우 구조부재의 형상 개발과 장대교량, 해상 플 랫폼, 수중교량, 침매터널 등, 고부가가치 구조물에 매우 우수한 장점을 지니고 있음. 이 재료를 이용하여 일반 토목구조물에 활용은 점차 확대될 것으로 전망됨

62 그림 33 초고성능 콘크리트 비틀림실험(2011) 그림 34 SUPER Bridge I(2009) 충남대학교에서는 고밀도의 시멘트계 재료에 PVA 섬유를 혼입하여 변형경화(strain hardening)가 가능한 고인성 콘크리트를 개발한 바 있음. 이 재료는 ECC(Engineered Cementitous Composite) 계열의 섬유보강 시멘트 복합재료이며, 매우 높은 인성에너지 흡수 력을 지닌 시멘트 복합재료임 그림 35 ECC의 stree-strain curve 그림 36 ECC의 Multi-Cracking ECC의 높은 변형경화 성능을 이용하여 건축물의 내진 보강에 적용되고 있으며, 특히 건축구조 물의 내화성능 보강에도 유용한 재료로 활용이 고려되고 있음. 그러나 압축강도가 일반 콘크리 트보다 그리 크지 않은 단점으로 인하여 구조물에 적극적으로 활용되지 못하고 있음 미국의 경우 고성능 섬유보강 시멘트 복합재료의 경우 자체 재료개발은 별도로 진행하고 있지 않으며 이 재료를 구조부재에 활용하는 연구개발을 수행하고 있으며, 초고성능 콘크리트를 활용 하여 도로교량을 비롯한 구조부재의 구조시스템 개발과 적용을 여러 차례 수행한 바 있음 미국 미시간 대학의 Naaman 교수가 이끄는 Cement Composite Laboratory (CCL)과 Li 교수가 이끄는 Advanced Civil Engineering Material Research Laboratory (ACE-MRL)은 각각 고강도 강섬유와 PVA 섬유를 사용한 변형경화형 섬유보강 시멘트 복합 재료 분야의 선두그룹임

63 2011년 TRB(Transportation Research Record)에 의하면 초고성능 콘크리트의 활용과 관 련된 기술, 질산화물 흡수 친환경 콘크리트, 포장 콘크리트 내구성 향상 기술, 시멘트 사용을 최 소화한 고성능 콘크리트의 개발과 나노 재료를 활용한 콘크리트의 첨단화 기술 개발 등에 관한 연구보고서가 출간 한편, 미국은 2005년 이후 UHPC의 활용에 대한 관심이 고조되면서 2006년 FHWA의 지원 으로 IOWA주 Wapello 카운티의 Mars Hill bridge를 UHPC로 건설하면서 Virginia주와 다른 주에서 현재 UHPC교량을 건설 중이거나 건설을 완료한 바 있음 이와 같이 최근 미국에서도 전반적인 신규 콘크리트 교량의 건설량은 감소하였지만 첨단 신재료 인 UHPC를 비롯한 고강도/고성능 콘크리트의 활용의 활용은 점차 증가하고 있는 추세임 프랑스 및 독일을 비롯한 EU 국가들은 상용화된 초고성능 콘크리트의 최초 개발국가로서 현재 는 토목 및 건축구조물에 고성능 섬유보강 시멘트 복합재료인 초고성능 콘크리트의 적용이 활발 히 수행되고 있음 유럽은 석회암이 풍부한 배경에 따라 근대적인 콘크리트 기술이 매우 발달한 지역으로 콘크리트 기술이 대표적으로 발달한 국가로는 독일, 네덜란드, 노르웨이, 프랑스 등을 들 수 있으며 이들 은 고성능 콘크리트 기술에 초고강도 및 초고성능 콘크리트 기술개발로 빠르게 전환된 지역임 프랑스는 New Ways for Concrete라는 연구프로젝트가 시작되어, 1992년 Bouygues가 중 심이 되고 Larfaz와 Choida가 합류한 컨소시움을 구성하여 180 MPa인 Ductal을 상용화하 여 토목 및 건축 재료로 상용화시킴 독일은 DFG 프로그램의 일환은 2007년부터 UHPC 재료 개발을 시작하여 Nanodur 라는 UHPC 결합재를 독자적으로 개발하여 현재 상용화를 진행하고 있으며, 현재는 Kassel University를 중심으로 섬유보강 시멘트 복합재료 및 초고강도 섬유보강 콘크리트에 대한 많은 연구를 수행중임 일본의 경우 고성능 및 고강도 콘크리트 분야에서는 재료기술이 일찍 발달한 국가이며 최근에는 프랑스의 고성능 섬유보강 시멘트 복합재료의 상용 제품인 Ductal을 활용하는 그룹과 가지마 건설을 중심으로 독자적인 고성능 섬유보강 시멘트 복합재료인 SUQCEM을 개발 구조물에 활 용하는 그룹으로 나뉘어 실용화 연구를 진행 중 일본콘크리트공학협회(JCI)에서 2001년 고인성 시멘트 복합재료의 성능평가와 구조연구 위원 회 를 구성, 고인성 시멘트 복합체에 대한 연구사례를 조사하여 이를 바탕으로 2002년에 연구 보고서를 발간하였음. 이 연구보고서에는 위원회의 활동목표를 고인성 섬유보강 시멘트 복합체 기술의 보급과 이용으로 설정하여 재료의 제조, 재료성상의 평가, 시공, 적용 및 설계, 구조성능, 내구성, 해석기법 등에 대하여 정보를 수집하여 그 기술을 일반화하고자 노력하고 있음 최근 일본의 Yamada 등은 초고성능 시멘트 복합재의 Packing Density Model을 개발하여 최 대 84% 이상의 밀실도가 가능함을 제시하여 초고성능 시멘트 복합재의 Density 이론을 발표함

64 그림 37 Sakata-Mirai 도교(2002) 그림 38 Tokyo 국제공항 진입교(2008) (마) 기술동향 시사점 방호 방폭 적용기술은 국내에서는 주로 국방 관련 시설물에 적용되고 있으며, 대부분 철근콘크 리트 구조물의 두께를 증가시키거나 철근량을 증가시켜 충격이나 폭발에 대한 저항력을 높이는 데 초점이 맞추어져 있음 최근에는 파형강판과 콘크리트를 합성하고 그 표면에 토사층으로 충격 및 폭발에너지를 감소시 키는 형태의 방호구조물이 건설되고 있음. 그러나 이 공법은 필요에 지난 연평도 포격 이후 대 피소의 급속 복구를 위한 일시적인 검토에 따른 적용으로서 구체적인 방호방폭 기준에 부합된 형태로 판단하기는 어려움 또한 국내에서 철근콘크리트 재료에 대하여는 충격 또는 폭발 하중에 대한 방호 두께의 산정과 구조시스템에 대한 규정은 일부 있으나, 고성능 섬유보강 시멘트 복합재료와 같은 첨단 재료에 대하여는 기준 또는 적용된 사례가 전무함 방호방폭용 복합재료의 개발과 관련하여 국내에서는 최근 원전 격납건물의 항공기 충돌 방호를 위하여 섬유보강콘크리트의 적용하는 검토하는 단계이며, 또한 ECC계열의 섬유보강 복합재료를 건축물에 대한 방호용 부자재로 활용하는 것을 검토하는 단계임 국내에서 초고성능 콘크리트에 대한 연구개발은 상당히 진척되어 있으나 대부분 정적 구조물의 건설에 필요한 건설재료로 활용하는데 초점이 맞추어 있고, 충격 및 폭발 등 동적 성능에 대한 평가 및 검증이 이루어지지 않은 상태임 일부 연구개발은 기존 구조물의 보강과 관련된 연구가 진행되고 있으나 해당 재료 및 공법이 기 존 기술에 의존하고 있어 획기적으로 방호방폭 성능을 높이는데 부족한 상황임 외국의 경우 직조섬유를 이용하여 여기에 시멘트계 재료를 추가 적용하여 구조체 형상의 방어물 (barrier)로 활용하는 방안에 대한 연구가 진행중임 여러 형태의 섬유보강 시멘트 복합재료를 방호방폭의 목적으로 적용성을 평가하는 단계이며 실 용화를 위해서는 기본 동적물성과 목표성능을 결정하는데 부족한 상황임

65 방호방폭 성능평가 기술 분야에서는 재료의 동적 기본 물성을 평가하는 기초 장비를 국내 일부 연구기관에서 설치 운영하여 기초실험을 수행하는 정도이며, 성능평가 시험법 및 분석기술에 대 한 연구개발이 필요한 실정임 국방과학연구소에서는 재료의 동적물성을 성능평가를 할 수 있는 SHPB (Split Hopkins Pressure Bar) 실험장비를 3sets 정도 갖추고 있으며, 한국건설기술연구원은 콘크리트 시험체 의 동적 압축물성 실험이 가능한 SHPB 1set을 갖추고 있고, 세종대는 동적 인장물성 실험이 가능한 실험장비 1set을 보유하고 있음 시험평가법에 있어서도 현재는 기초시험을 통하여 시험값의 신뢰성을 높이는데 주력하고 있으며 이 시험결과의 신뢰성을 높이기 위해서는 추가적인 경험이 필요함. 또한 규정된 시험법을 설정 하고 개발대상 재료의 성능을 평가하기 위해서는 이 부분에 대한 향후 연구개발이 필요함 섬유보강 시멘트 복합재료 기술 분야에서는 UHPC 및 ECC 재료 기술은 국내에서 원천기술 을 확보한 것으로 판단되나 기존 정적 구조물에 실용화는 아직 활성화 되어 있지 못한 상황임. ECC 계열의 재료에 대하여 일부 충격시험을 수행하고 있으나 기술적으로 도입기에 불과함 한국건설기술연구원은 강섬유를 보강한 UHPC를 개발하고 연구개발 과정을 통하여 실 교량구조 물에 적용하는 실용화기술을 개발한 바 있음. 원천기술인 UHPC 제조, 구조시스템 개발 및 시공 기술을 확보하였으나 충격 및 폭발을 대비한 방호방폭 관련분야의 응용연구를 수행한 바 없음 국제적으로도 UHPC 및 ECC를 활용한 방호방폭 연구는 태동기이며 가시적인 성과는 현재 없 는 상태임. 따라서 첨단 건설재료인 고성능 섬유보강 시멘트 복합재료를 활용한 방호방폭 기술 의 개발은 세계 선도기술 확보할 수 있는 기회가 됨 (3) 특허동향분석 방호 방폭용 재료개발과 관련된 국내외 주요 지식재산권 등록 현황은 다음과 같음 표 18 방폭구조물용 재료관련 대표적 국내 지식재산권(특허 등) 동향 제 목 출원인 핵 심 내 용 초고성능 섬유보강 콘크리트용 강섬유 및 이를 이용한 콘크리트의 제조방법 방폭구조 보강방법 고인성 시멘트복합체를 활용한 방폭콘크리트 제조 충격 저항 및 내폭 성능이 개선된 콘크리트 복합체 구조물 및 이의 시공 방법 방폭 콘크리트의 제조 방법 한국건설기 술연구원 경희대학교 산학협력단 (주)삼표 충남대학교 산학협력단 고려대학교 산학협력단 한천구 압축강도 200MPa를 확보하면서도 콘크리트의 인장강도 및 휨강도를 확보하기 위한 강섬유를 사용하는 시멘트복합체의 구성재료 및 제조기술 기성/기존의 건축/토목 구조물을 보수하여 폭격, 포격이나 폭발의 충격에 의한 건축/토목 구조물의 붕괴를 방지하는 방폭구조 보강방법 폭발에 의해 콘크리트가 파괴되는 것을 억제하기 위하여 고인성 섬유를 혼입한 시멘트복합체의 제조기술 충격 하중 방향으로 단위 세그먼트를 나란히 배치하는 분절 복합체(segmented composite) 구조를 형성하여, 충격 폭발 저항성능을 향상시키는 콘크리트 복합체 구조물 제조 및 시공방법. 미리 강섬유를 채워 넣은 거푸집에 그라우트제를 충진(그라우트;grout)시키고 경화시켜, 폭발물에 대한 방폭성능을 가지는 콘크리트의 제조방법

66 표 19 방호 방폭구조물용 재료관련 대표적 국외 지식재산권(특허 등) 동향 제 목 출원인 핵 심 내 용 Impact resistant sheet material Cashin, Arthur Henry 미사일 충격 및 외부 충돌로부터 구조물의 저항성을 높이기 위한 콘크리트 외부 시트재료로써, 충돌 및 충격에 저항할 수 있는 보강 공법 Safety end barrier for concrete road barriers Concrete barrier with reinforcement Cement based armor panel system The Texas University Schuylkill Products, Inc United States Gypsum Company 도로에서 차량 충돌에 의한 장벽의 충돌 저항성을 향상시키는 특수 장벽 공법 충돌과 폭발로부터 콘크리트 장벽이 파괴되는 것을 방지하기 위하여 특수 강화 철근을 사용한 공법 탄도 및 방폭 저항성을 높일수 있는 시멘트 패널로써, 고성능 감수제와 강섬유를 이용한 시멘트 복합체 패널 방호 방폭 기술분야에 대한 국내외 특허등록 현황은 미국이 총 236건으로 가장 많았으며, 일본이 총 92건, 유럽 52건 및 기타 국제특허가 73건이며 우리나라가 총 55건으로 확인되었음 한편, 특허등록 동향과 관련하여서는 2001년 911 테러를 기점으로 미국의 특허등록 건수가 급 증함을 확인할 수 있으며, 최근 2000년대 후반기에 들어서는 급격한 감소추세를 보이고 있으나, 이는 최근 2년간 출원미공개 특허가 있기 때문으로 판단됨 그림 39 연도별 방호 방폭 재료, 자재 및 구조물 관련 특허등록 현황 (ja: 일본, us: 미국, wo: PCT, ep: 유럽, ko: 대한민국) 그림 40 국가별 방호 방폭 관련 특허점유율 현황

67 한편 특허의 내용면을 살펴보면 방호 방폭 설계기술이 313건으로 가장 많았으며, 방호 방폭 구조성 능 향상 관련이 144건, 재료개발 관련이 46건으로 파악되었음 그림 41 방호 방폭 주제별 특허 등록건수 현황 다음 표는 방호 방폭 기술분야 및 국가별 기술력 순위를 나타낸 것으로, 미국이 거의 전 분야에서 차별화된 우위를 점하고 있는 것으로 조사되었으며, 우리나라의 경우는 해당분야에 있어서 기술력 의 확보가 매우 시급한 수준임을 확인할 수 있었음 표 20 방호 방폭 분야 특허 국가 기술력 순위 (기술분야별) 기술분야 국가 특허건수 영향력지수 기술력지수 건수 순위 지수 순위 지수 순위 미국 일본 방호 방폭 설계기술 유럽 PCT 대한민국 미국 일본 방호 방폭 구조성능 향상기술 유럽 PCT 대한민국 미국 일본 방호 방폭 재료 개발 기술 유럽 PCT 대한민국 영향력지수(Patent Impact index) PI = 해당국가 특허의 피인용비율 / 전체 피인용비율 기술력지수(Technology Strength) TS = 특허건수 영향력지수 그림 42 방호 방폭 기술분야 국가별 기술 순위

68 다음 그림은 각 국가별 방호 방폭 기술분야의 특허 폴트폴리오를 보여주고 있음. 미국은 2011년도 현재 성숙기에 도달해 있는 반면, 우리나라를 포함한 타 주요국가의 경우, 성장기에 머물고 있음을 알 수 있음 그림 43 방호 방폭 기술분야 국가별 특허 포트폴리오 한편, 국내에서 콘크리트와 관련된 전체 특허를 조사한 결과 일반 콘크리트 기술이 96%로서 대 부분을 차지하며 고강도, 고성능 콘크리트 관련 기술은 전체 약 4%인 149건이며, 섬유보강 시 멘트 복합재료와 관련된 건은 이중에서 약 20%인 30건 정도에 머물고 있음 특히 섬유보강 시멘트 복합재료의 경우 2000년에 들어서 출원되기 시작하였으며 한국건설기술 연구원이 20여건으로 가장 많은 부분을 차지하고 있음

69 그림 44 섬유보강 콘크리트 기술의 특허출원 동향 및 점유율 (4) 논문동향분석 1990년도 이후의 방호 방폭 기술분야의 연구논문 동향에 있어서는 국외 총 912건과 국내 총 80 건으로 집계되었으며, 최근에 있어서도 지속적으로 많은 연구가 진행되고 있음을 확인할 수 있음. 그림 45 연도별 국외 방호 방폭 관련 논문 동향 그림 46 방호 방폭 연구분야별 논문 동향

70 논문의 경우는 주로 국방부분과 대테러 측면에서 일반 철근콘크리트 구조물의 방호능력에 대한 물리적, 기계적 거동과 관련된 연구부분이 가장 많이 발표되어 있으며, 최근 고성능 섬유보강 복 합재와 관련하여 내충격 성능에 대한 연구가 시작되어 소수의 논문이 발표되고 있음 표 21 방호 방폭 구조물 관련 재료 및 자재 분야 대표적 국내 논문 사례 제 목 저자 핵 심 내 용 철근콘크리트 패널의FRP 보강에 의한 방폭 성능 향 상에 관한 실험 연구 차량 충돌 시뮬레이션에 의 한 강재 및 복합소재 교량 용 방호 울타리 성능 비교 섬유혼입율 변화에 따른 고강도 섬유보강 콘크리트 의 방폭특성 방호 구조물에 강섬유 보 강 콘크리트의 적용 하주형 김승억 이광설 이제방 폭발하중을 받는 FRP의 보강 효과를 측정하기 위해 시험체 에 탄소섬유복합재(CFRP), 폴리우레아, 폴리우레아와 CFRP 를 동시 보강한 경우와 현무암 섬유 복합재(BFRP, basalt fiber reinforced polymer)로 보강하여 각 보강 섬유의 폭발 저항 성능을 검토함 복합소재 교량용 방호울타리를 개발하여 컴퓨터 시뮬레이션 을 통해 강재 교량용 방호울타리와 복합소재교량용 방호울 타리의 성능을 비교함 섬유보강 콘크리트의 섬유 혼입률과 부재크기 등의 변화에 따른 콘크리트의 역학적특성과 방폭특성에 관한 실험적 연구 플랜트시설물에서 발전기 및 터빈엔진의 파괴 방지를 위한 강섬유 보강 콘크리트 개발에 관한 연구 표 22 방호 방폭 구조물 관련 재료 및 자재 분야 대표적 국외 논문 사례 제 목 저자 핵 심 내 용 EFFECT OF FIBER SHEET REINFORCEMENT ON SCABBING OF CONCRETE PLATES SUBJECTED TO HIGH VELOCITY IMPACT MESOCCALE MODELING OF FIBER REINFORCED CONCRETE MATERIAL UNDER COMPRESSIVE IMPACT LOADING REINFORCED CONCRETE BEAMS UNDER IMPACT STATIC AND DYNAMIC COMPRESSIVE BEHAVIOR OF FIBER-REINFORCED HIGH-STRENGTH CONCRETE M a s u h i r o Beppu Xu, Z. Hao, H. Li T.Krautha mmer1, S h a s h a Wang 탄소 및 특수 고분자 층으로 제조된 섬유보강시트에 고속 충격실험을 수행하여 충격저항성을 평가함 강섬유 보강 콘크리트(SFRC)에 충격 시험을 실시하여 동적 재료 특성을 분석함 지하에서 발생하는 폭발이나 충격으로 인하여 콘크리트 구조물이 외부로부터 하중을 받을 때의 거동에 관한 연구 홉킨스 봉 장치를 이용하여 일반 고강도 콘크리트 (HSC)와 섬유 보강 고강도 콘크리트(FRHSC)에 대한 동적 파괴 인성을 분석함 이와 같이, 특허 및 논문 동향을 살펴볼 경우, 특허와 관련된 기술은 기존 철근콘크리트 구조물 에 대한 것으로써 어느 정도 성숙기에 도달하여 하향추세이며, 고성능 섬유보강 복합재료와 관 련된 연구개발은 시작점임을 알 수 있음

71 그림 47 방호 방폭 연구분야별 논문 동향 한편, 고성능 섬유보강 콘크리트 (UHPC) 연구분야 논문의 경우, 2000년도 이후를 기준으로 국 내는 84편, 국외는 441편이 발표되었으며, 신규 연구분야로서 지속적인 증가추세를 보이고 있음 그림 48 UHPC 연구분야 국내 외 논문 현황 한편, 발표된 논문의 기술분야별 건수를 살펴보면, UHPC 부재 설계 및 해석연구가 277건으로 가장 많았으며 (52.76%), 성능평가 125건 (23.81%), 실증실험 68건 (12.95%), 재료개발이 55 건 (10.48%) 순으로 나타났음 이는 UHPC 분야의 연구가 시작된지 얼마 안된 시점으로서, 개발된 고성능 섬유보강 콘크리트 를 실제 구조물에 적용하기 위한 설계기술의 개발과 성능을 평가하기 위한 연구가 활발히 진행 중임을 나타내며, 이와 더불어 더욱 성능이 향상된 UHPC 재료의 개발과 관련된 연구도 진행 중임을 나타내는 것으로 판단됨 그림 49 UHPC 연구분야별 논문 동향

72 라. 인프라 현황 분석 본 과제를 진행함에 있어 활용가능한 국내 연구인프라에 대해 건설연구 인프라 운영원과 정부출 연기관을 중심으로 조사 및 분석하였고 이에 대한 내용은 다음과 같음 (1) 건설연구 인프라 운영원 실험센터 실험시설 인프라 현황조사 국내 분산공유시설인 건설연구 인프라 운영원이 보유한 실험센터는 아래 그림과 같이 전국에 걸 쳐 6개소로 나누어 구축되어 있음. 이 기획과제와 연관된 분야는 하이브리드 구조실험센터와 첨단건설재료실험센터 2개소로 구분할 수 있으며 이 2개 실험센터가 보유한 실험장비 현황을 조사하여 활용 가능 여부를 파악하였음 그림 50 건설연구 인프라운영원 실험센터 (가) 하이브리드 구조실험센터 하이브리드 구조실험센터는 대형 구조실험이 가능한 실험시설을 구축하여 특히 80m 길이의 교 량거더 실험 및 3층 규모의 건축물 구조실험을 실시할 수 있는 장점이 있음 그러나 이 기획과제는 방호 방폭에 대한 재료개발 및 그에 따른 평가시스템 개발에 대한 내용이 주를 이루고 있어 구조실험 위주로 장비가 갖춰진 이 실험센터내의 장비들의 활용도는 다소 떨 어질 것으로 판단됨. 특히, 계측장비의 경우 유사한 성능을 갖는 장비를 보유한 기관들이 많고 폭발이나 충격실험에 사용되는 계측장비의 경우는 실험에 맞는 용도로 과제를 진행하는 기관에 서 따로 구매하거나 제작해야 할 것으로 예상됨

73 표 23 하이브리드 구조실험센터 연구 인프라 조사 현황 주요시설/장비 제원 및 특징 활용도 반력구조물 시스템 정 동적 유압가력기 만능재료시험 기 Dynamic DAQ System Static DAQ System Hybrid DAQ System (나) 첨단건설재료 실험센터 첨단건설재료 실험센터는 건설재료의 내구성능, 화학성능 및 미세구조 분석 실험뿐만 아니라 구 조부재 및 콘크리트, 암석포장재료의 성능평가를 실시할 수 있는 곳임 이 기획과제의 특성상 재료개발에 따른 평가를 위한 일부 분야에서 활용성을 가질 수 있으나 일 반강도 콘크리트 내구성 평가에 대한 장비들이 주를 이루고 있어 방호 방폭용 재료개발에 따른 평가장비로는 활용도가 떨어질 것으로 판단됨

74 표 24 첨단건설재료 실험센터 연구 인프라 조사 현황 주요시설/장비 제원 및 특징 활용도 - 다양한 시편에 대한 온도, 습도, 온습도 조건으로 극한상태의 조건 - 대형크기 - 온도조건(3 Type) +80 ~ ~ ~-20 장기거동 실험실 구조실험실 5MN 험기 압축시 - capacity : 500, 250KN 강재피로시험 기 (500,250KN)

75 미세구조분석 실 (2) 정부출연기관 실험시설 인프라 현황조사 한국건설기술연구원은 국내 최고의 재료 및 구조실험 인프라시설을 갖추고 있음. 그 중에서 이 기획과제와 관련된 분야의 실험 인프라시설은 4개의 실험동 및 관련 장비가 구축되어 있음 특히 방호 방폭용 고성능 섬유보강 시멘트 복합재료 개발에 필요한 실대형 고성능 콘크리트 실 험동이 구축되어 있고 개발된 재료 평가에 필수적으로 사용될 압축충격 재료 파괴물성 평가 장 치 등 관련 시설 및 장비가 구축되어 있어 활용도가 매우 높음 표 25 한국건설기술연구원 연구 인프라 조사 현황 구조실험동 주요시설 장비명 활용도 - 하중재하프레임 - 정적계측기 및 센서 - 동적계측기 및 센서 - TILTMETER 4set - 레이저 동정적변위측정기 - 메가닥 콘솔박스 - 350톤 정적엑츄에이터 - 구조실험유압장치 - 가속도계 - 정적 데이터로거 및 스위칭 박스 - 만능시험기(100, 200ton) - 교량받침 대형시험장치 - 400KN 동적엑츄에이터 윤하중실험동 - 동적 액츄에이터(static actulator) - 동적 데이터로거(UCAM 500-A) - 데이터로거