복합재료는 항공우주 산업에 뿌리가 있다고 볼 수 있다. 미국의 방산이나 항공우주 분야의 핸드북이나 문헌들이 많이 참조가 되고 대다수의 사람들이 복합재료의 가이드로 참고하고 있다. 그런데, 복합재료는 방산이나 항공우주 이외의 분야에서도 많이 사용되고 있으며 그 중 일부는 나름대로의 기본적인 뼈대를 제공하고 있으며 항공우주 분야와 조금은 다른 모습을 보인다. 이런 자료들은 유럽에서 작성된 것으로 기본적인 이론이나 기본적인 사항은 공유하고 있지만 가장 큰 차이는 응용 분야의 특성으로 인한 설계 철학에서 다른 모습을 발견할 수 있다. 어느 정도는 미국과 유럽의 차이도 드러난다고 생각된다.

예를 들면 오래 전부터 많이 읽혀진 것으로 건설 산업의 구조 설계에 초점을 맞추고 있는 Structural Design of Polymer Composites – EUROCOMP Design Code and Handbook과 풍력 산업에서 블레이드 설계와 제조를 위해 만들어진 DNV-ST-0376: Rotor Blades for Wind Turbines, 그리고 조선/해양 산업에서 응용에 초점을 맞추고 있는 DNV(Det Norske Veritas: 노르웨이 선급협회)의 DNV-ST-C501: Composite Components가 대표적이다.

* DNV-ST-0376은 지금 DNV의 스탠다드로 등록이 되어 있지만 처음에는 GL(Germanischer Lloyd: 독일 선급협회)의 가이드라인으로 작성이 되었다. 그런데 이후에 독일의 GL이 노르웨이의 DNV에 인수합병되면서 DNVGL로 소유가 넘어가고 최근에 스탠다드로 등록이 되었다.

* DNV-ST-C501: Composite Components는 처음에 문서 번호가 DNV-OS-C501이었다가 지금은 스탠다드로 등록이 되면서 DNV-ST-C501이 되었다. 문서의 코드를 보면 OS는 Offshore Standard로 석유시추 등의 해양 분야에서 적용할 수 있는 제한된 스탠다드를 의미한다. 지금의 코드 ST는 스탠다드(Standard)에서 나온 코드라는 것을 알 수 있다. 스탠다드로 등록이 되면서 해양 분야 이외에도 조선/해양/산업 등 DNV에서 신뢰성을 검토하고 인증을 하는 모든 범위에서 복합재료에 대한 기준으로 적용될 수 있다.

이 중에서 DNV-ST-C501은 적어도 내가 생각하기에 미국의 방산이나 항공 분야에 비해 타당한 근거와 검증이 충족된다면 유연한 허용을 인정하고 조선/해양 분야의 특성으로 인하여 안전이라는 측면을 중요하게 다루고 있다. 그래서 이 문서를 자세하게 다루는 리뷰를 연재하기로 한다. 문서의 원래 목차에서는 Sec. 1은 일반 사항으로 문서의 목적, 범위, 사용 방법이나 참고문헌 등의 정보가 들어있어 따로 다루지 않고 연재의 Part 1에서는 Sec. 2 Design Philosophy and Design Principles의 1 General 부터 시작하기로 한다.

실제 원문에 비해 짧게 다루어지거나 짧은 몇 줄에 대해 길고 장황한 이야기가 이어질 수 있는데 원문을 일대일로 그대로 번역을 하고 설명을 하는 것은 저작권의 문제도 있고 다소 익숙하지 않은 분야의 익숙하지 않은 표현들도 많이 있기에 전체 문서에 대한 이해를 빠르게 하기 위해 고민한 방법이다.

Sec. 2 Design philosophy and design principles

1 General

1.1 Objective

이 절의 목적은 FRP(Fibre Reinforced Plastic) 복합재 구조물과 부품을 설계·제작·운용할 때 반드시 고려해야 할 핵심 쟁점을 먼저 드러내고, 그 위에 이 표준 전체를 관통하는 안전 철학과 설계 형식을 제시하는 데 있다. 원문은 이 절의 목적을 “FRP components and structures의 design, fabrication, operation에서 고려해야 할 핵심 이슈를 식별하고 다루는 것”과, “이 표준 전반에 적용되는 safety philosophy와 corresponding design format을 제시하는 것”으로 규정한다.

이 문장은 짧지만, 실제로는 이 표준의 성격을 매우 분명하게 보여준다. 즉 이 문서는 단순히 재료 물성치 표나 허용응력 값만 제공하는 자료가 아니라, 복합재 구조를 어떤 사고방식으로 다뤄야 하는가를 먼저 정의하는 문서다. 금속 구조 설계에서는 비교적 익숙한 하중-응력-허용치 검토가 중심이 되기 쉽지만, 복합재에서는 문제가 그렇게 단순하지 않다. 복합재는 재료 자체가 이방성이고, 적층 순서와 제조 공정, 사용 환경, 시간 의존 열화, 접합부 상세, 국부 좌굴이나 층간 박리 같은 다중 실패 메커니즘에 의해 구조 거동이 크게 달라진다. 따라서 설계는 단순 계산이 아니라, 재료-구조-공정-환경-운용 조건을 하나의 체계로 묶어 판단하는 작업이 된다. 이 절은 바로 그 출발점을 제공한다.

여기서 먼저 주목해야 할 것은, 표준이 설계만이 아니라 fabrication(제작)과 operation(운용)까지 같은 문장 안에 포함하고 있다는 점이다. 이것은 복합재 구조에서 설계 품질이 도면 단계에서 끝나지 않는다는 뜻이다. 같은 섬유와 같은 수지를 사용하더라도, 섬유 체적분율, 공극률, 경화 조건, 적층 정렬 오차, 후경화 이력에 따라 강도와 강성은 상당히 달라질 수 있다. 다시 말해 복합재 구조의 성능은 설계자가 계산서에서 정한 값만으로 확보되지 않고, 제조 현장에서 그 가정이 얼마나 재현되느냐에 의해 좌우된다. 더 나아가 운용 중에는 온도, 수분, 화학물질, 반복하중, 충격, 유지보수 상태가 성능 저하를 유발할 수 있으므로, 설계 철학은 처음부터 이러한 생애주기 전반을 포함해야 한다. 이 표준이 “design, fabrication, and operation”을 한 세트로 묶는 이유가 여기에 있다.

또 하나 중요한 점은, 이 절이 단지 기술 항목의 목록을 제시하는 데 그치지 않고 safety philosophy, 즉 안전에 대한 기본 입장을 명시한다는 것이다. 공학적으로 보면 안전 철학은 “얼마나 큰 하중을 견디는가”만의 문제가 아니다. 더 정확히 말하면, 어떤 실패를 허용 불가능한 것으로 볼 것인지, 어떤 불확실성을 안전율이나 부분계수로 흡수할 것인지, 재료 편차와 모델 오차를 어떤 방식으로 설계식에 반영할 것인지에 대한 일관된 규칙이 필요하다. 복합재는 금속보다 재료 산포와 제조 의존성이 크고, 파손 모드도 섬유 파단, 매트릭스 균열, 층간박리, 좌굴, 접합부 파손처럼 복합적이기 때문에, 안전 철학 없이 개별 계산만 수행하면 전체 시스템의 신뢰성을 보장하기 어렵다. 이 절은 이후 조항들에서 다뤄질 limit state, safety class, partial safety factor, LRFD 형식의 논의를 위한 상위 개념을 제공한다. 즉, 뒤에서 나오는 계수와 판정식은 독립적인 테크닉이 아니라, 여기서 선언된 안전 철학의 구현물이다.

교재 관점에서 풀어 말하면, 이 절의 목적은 학생이나 실무자에게 “복합재 설계는 계산 문제 이전에 설계 논리의 구조화 문제”라는 점을 이해시키는 데 있다. 구조가 어떤 기능을 수행해야 하는지, 어떤 고장 모드가 존재하는지, 그 고장이 안전 문제인지 서비스 문제인지, 실패의 결과가 어느 정도로 심각한지, 그 위험을 어떤 수준의 신뢰도로 관리할 것인지를 먼저 정리해야 한다. 그런 다음에야 재료 데이터 선정, 하중 조건 정의, 구조해석, 시험 계획, 제작 품질 관리, 운용 중 검사 전략이 서로 연결된다. 이 순서가 뒤바뀌면 흔히 “해석은 정교한데 설계는 취약한” 상태가 된다. 예를 들어 유한요소해석 결과는 상세하지만, 실제 제조 공정 편차나 환경 열화를 반영하지 못하면 설계는 형식적으로만 정밀할 뿐 실질적으로는 과신된 결과가 될 수 있다.

이 절이 강조하는 또 다른 함의는, 복합재 구조 설계의 핵심이 허용 가능한 단일 정답을 찾는 것이 아니라 불확실성을 통제 가능한 형태로 정리하는 것이라는 점이다. 복합재는 재료시험 없이 완전한 설계를 하기 어려운 경우가 많고, 반대로 시험만으로 모든 형상과 하중 조건을 포괄할 수도 없다. 그래서 표준은 철학과 형식을 먼저 세우고, 그 위에서 해석과 시험, 제작과 검증을 연결하는 구조를 취한다. 이는 실무적으로 매우 합리적이다. 왜냐하면 복합재 구조의 실패는 대개 계산 실수 하나보다도, 잘못된 가정의 누적, 제조 편차의 과소평가, 환경 효과의 누락, 접합부 상세 해석 부족처럼 시스템 차원의 결함에서 발생하기 때문이다.

정리하면, Sec.2 / 1.1 Objective는 이 표준의 서문이 아니라 사실상 설계 프레임의 선언이다. 이 절은 복합재 구조물의 설계, 제작, 운용에서 고려해야 할 핵심 문제를 식별하고, 이후 전개될 안전 철학과 설계 형식의 기준점을 제공한다. 따라서 이 절을 읽는 목적은 단순히 “무엇을 하라”를 확인하는 데 있지 않고, 왜 복합재 설계가 하중 계산만으로 끝날 수 없는지, 그리고 왜 안전성·신뢰성·제조성·운용성을 하나의 체계로 다뤄야 하는지를 이해하는 데 있다. 이 관점을 놓치면 이후의 limit state, safety class, LRFD, material qualification 조항들은 단편적 규정처럼 보이지만, 이 절의 취지를 이해하면 전체 문서가 하나의 일관된 설계 철학으로 연결된다는 점이 보인다.