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문제 정의
- 따라서 본 연구의 목적은 고온에 손상을 받은 복합재료에 인장시험을 수행하여 적용한 온도에 따라 탄성계수와 인장강도의 변화를 측정하여 복합재료의 온도변화에 대한 특성을 알아보는데 있다. 본 연구는 상온상태에서의 인장특성과 비교하여 그 감소율을 평가하였다.
- 따라서 본 연구의 목적은 고온에 손상을 받은 복합재료에 인장시험을 수행하여 적용한 온도에 따라 탄성계수와 인장강도의 변화를 측정하여 복합재료의 온도변화에 대한 특성을 알아보는데 있다. 본 연구는 상온상태에서의 인장특성과 비교하여 그 감소율을 평가하였다. 이들 결과를 토대로 상용유한 요소해석 프로그램인 ABAQUS를 통해 실제 구조물에 적용, 구조적 거동변화를 검토하였다.
- 본 연구에서는 이미 개발된 유한요소해석 모델에 본 연구에서 얻은 실험데이터를 적용하여 각 온도별 처짐 형상을 알아보았다. 본 실험에서 얻은 각 온도별 감소율을 적용하였으며, 국내 표준트럭하중으로 재하하고 있는 상황에서 상판에 화재로 인한 급격한 온도경사가 발생할 경우의 처짐 분포를 알아보았다.
제안 방법
- 섬유강화 복합재료는 건설 분야에서 신소재 재료로 각광받고 있지만 열이나 화염에 노출될 경우 매트릭스가 가교결합분자의 분해 및 화학반응에 의한 기화 확산과정을 거쳐 연소반응이 진행된다. 가장 많이 쓰이는 매트릭스 3종류를 사용하여 온도변화에 따른 복합재료 인장특성을 측정하고 실제 구조물의 거동변화를 알아보았다. 본 연구에 대한 결론은 다음과 같다.
- 시험방법은 그림 4와 같이 인장시편을 시험기의 그립(grip)에 장착하고, 인장시편 표면에 고온로를 이용하여 30분간 각각 적용온도로 열 손상을 가한다. 각 시편에 대해서는 250℃의 온도 상승 후 30분 후에 고온로를 제거하고 바로 상온용 변위계를 장착하여 상온 시편과 마찬가지로 2 mm/min의 변위제어로 인장을 가하면서 시험기의 로드셀과 변위계에서 각각 적용하중과 변형률 값을 취득하였다.
- Patran(MSC Software Corp, 2003)을 사용하였다. 그림 19에서 보이듯이 총 44782개의 요소와 46548개의 절점으로 복합재료 상판을 모델링하였으며 횡축 보와 종축 보의 재료인 강재는 Grade 36으로 이선형(bi-linear)형태의 응력-변형률 관계를 적용하였다. 횡축 보와 종축 보의 재료인 강재는 그 관계도가 그림 20에 나타나 있다.
- 시편형상은 ASTM D3039/D3039M(ASTM, 2000)규격에 맞게 제작하였으며 판상시편에 시험기의 지그 위치에는 탭을 부착하여 시편 중앙에서 파단이 일어나도록 유도하였다. 그림 3은 제작 시편형상을 보여주고 있으며 시편은 물성 값의 기준이 될 상온시편, 그리고 100℃, 200℃, 250℃의 고온용 시편으로 두 종류를 제작하였으며 같은 제작 적층 판에서 시편을 추출하여 각각의 온도구간에 대해 3개의 시편을 제작하였다.
- Simple model은 복합법칙(rule of mixtures)에 기본을 두었으며, 화재로 연소된 복합재료의 인장, 압축, 휨 성질을 계산하기 위해 소개되었다. 또한 이 Simple model의 정확 여부를 알기위하여 그림 1과 같이 콘 칼로리미터(Cone calorimeter)를 이용하여 다양한 복합재료에 직접적인 화재(25, 50, 75, 100 kWm-2)를 일으킨 후에 실험에서 얻어진 역학적 성질과 비교하였으며, 비교한 결과는 그림 2와 같이 이론과 실험값의 오차는 10% 이내로 계산할 수 있다고 설명하고 있다.
- 모든 매트릭스별 복합재료 시험시편은 실험적 오차를 줄이기 위해 후에 인장성질에 3개의 값을 평균하였다.
- 본 연구에서는 이미 개발된 유한요소해석 모델에 본 연구에서 얻은 실험데이터를 적용하여 각 온도별 처짐 형상을 알아보았다. 본 실험에서 얻은 각 온도별 감소율을 적용하였으며, 국내 표준트럭하중으로 재하하고 있는 상황에서 상판에 화재로 인한 급격한 온도경사가 발생할 경우의 처짐 분포를 알아보았다. 그림 21는 유리섬유/에폭시의 250℃의 실험결과를 트럭하중 재하 주변의 교량상판에 온도 감소율을 적용했을 때의 Z방향 처짐 분포도이다.
- 온도변화에 따른 인장시험을 수행하기 위하여 고온로(Heat furnace, 최대온도 : 1450℃)가 부착된 MTS 재료시험기(100 KN)와 Test Stars가 사용되었다. 상온 및 고온시험 모두 ASTM D3039/D3039M 절차에 따라 수행되었으며 고온시험에 적용된 한계온도는 250℃로 하였고, 본 연구에서는 250℃까지 순간적인 고온을 시편에 가하지 않았으며 50℃씩 3분씩 점진적으로 증가시켜 250℃까지 온도를 가하였다. 각 온도별로 3개의 시편을 이용하여 실험적 오차를 줄였다.
- 시편형상은 ASTM D3039/D3039M(ASTM, 2000)규격에 맞게 제작하였으며 판상시편에 시험기의 지그 위치에는 탭을 부착하여 시편 중앙에서 파단이 일어나도록 유도하였다. 그림 3은 제작 시편형상을 보여주고 있으며 시편은 물성 값의 기준이 될 상온시편, 그리고 100℃, 200℃, 250℃의 고온용 시편으로 두 종류를 제작하였으며 같은 제작 적층 판에서 시편을 추출하여 각각의 온도구간에 대해 3개의 시편을 제작하였다.
- 각 온도별로 3개의 시편을 이용하여 실험적 오차를 줄였다. 시험방법은 그림 4와 같이 인장시편을 시험기의 그립(grip)에 장착하고, 인장시편 표면에 고온로를 이용하여 30분간 각각 적용온도로 열 손상을 가한다. 각 시편에 대해서는 250℃의 온도 상승 후 30분 후에 고온로를 제거하고 바로 상온용 변위계를 장착하여 상온 시편과 마찬가지로 2 mm/min의 변위제어로 인장을 가하면서 시험기의 로드셀과 변위계에서 각각 적용하중과 변형률 값을 취득하였다.
- 위 실험데이터를 바탕으로 해석적 연구를 수행하기 위하여 실제 미국 뉴욕 주에 설계, 시공되어진 Bentley Creek 교량 구조물을 대상으로 온도변화 아래에서의 복합재료 바닥판의 거동변화를 연구하였다.
- 본 연구는 상온상태에서의 인장특성과 비교하여 그 감소율을 평가하였다. 이들 결과를 토대로 상용유한 요소해석 프로그램인 ABAQUS를 통해 실제 구조물에 적용, 구조적 거동변화를 검토하였다.
대상 데이터
- Inc 2002)를 사용하였으며, 해석 시 전·후처리 프로그램으로는 MSC. Patran(MSC Software Corp, 2003)을 사용하였다. 그림 19에서 보이듯이 총 44782개의 요소와 46548개의 절점으로 복합재료 상판을 모델링하였으며 횡축 보와 종축 보의 재료인 강재는 Grade 36으로 이선형(bi-linear)형태의 응력-변형률 관계를 적용하였다.
- 각각의 매트릭스별 4개의 온도조건에서 총 48개의 시험시편이 본 연구에 수행되었다. 다음의 그림 5에서 그림 8은 에폭시 수지의 각 온도에 따른 응력-변형률 관계를 나타낸다.
- 본 실험에 사용된 매트릭스 수지는 FRP 적층 시 가장 일반적으로 활용되는 에폭시수지(Epoxy resin), 비닐에스테르수지(Vinylester resin), 불포화 폴리에스테르수지(Unsaturated polyester resin)가 사용되었다. 에폭시수지는 비스페놀 A형이며, 이는 가장 일반적으로 널리 사용되는 에폭시 수지이다.
- 본 실험에 사용된 섬유는 유리섬유이다. 최근 복합재료의 가격대 성능비(Cost performance ratio)차원에서 건설 분야에서는 유리섬유를 많이 사용하고 있는데 본 실험에서는 유리섬유 중 우븐 패브릭(Woven fabric) 형태로 구성된 E-glass(Electrical glass)가 사용되었다.
- 본 연구에 사용되는 복합재료는 수작업공정으로 매트릭스 수지 당 섬유함량을 약 50 wt%로 각각 5겹씩 적층하여 경화시킨 후, 100 cm × 50 cm 크기의 패널을 각각의 매트릭스 별로 제작하였다. 적층 각은 유리 섬유형태를 감안하여 0℃일정하게 적층하였다.
- 본 해석연구의 대상구조물의 경우, 이미 선행연구를 통하여 유한요소해석 모델에 대한 검증을 하였으며 온도변화에 대한 재료 모델링의 경우, 본 연구에서 수행되어진 재료실험 결과들을 활용하였다.
- 본 실험에 사용된 섬유는 유리섬유이다. 최근 복합재료의 가격대 성능비(Cost performance ratio)차원에서 건설 분야에서는 유리섬유를 많이 사용하고 있는데 본 실험에서는 유리섬유 중 우븐 패브릭(Woven fabric) 형태로 구성된 E-glass(Electrical glass)가 사용되었다. 우븐 패브릭 형태는 수작업(Hand-lay-up) 공정에 가장 일반적으로 쓰이는 조직으로 경사와 위사가 1본씩 교차하여 직조된 방식이다.
- 해석적 연구에 사용된 그림 19와 같이 Bentley Creek 교량은 단순지지 된 하나의 스팬을 가진 복합재료 상판-강재트러스 교량 구조이다.
데이터처리
- 유리섬유/비닐에스테르의 고온시험에 대한 실험결과는 아래 표 6과 같다. 각각의 온도에 따라 3개의 시편이 앞서 선행되어진 실험과 동일하게 실험되었으며, 후에 실험결과는 3개의 결과를 평균하였다. 표 6에서 보는 바와 같이 유리섬유/비닐에스테르의 경우 탄성계수의 변화는 미미하였고, 인장강도인 경우, 250℃에서 약 18%의 감소를 보였다.
- 유리섬유/에폭시의 고온시험에 대한 실험결과는 아래 표 4와 같다. 각각의 온도에 따라 시편 3개의 결과를 평균하였다. 표에서 보는 바와 같이 유리섬유/에폭시의 경우 탄성계수는 250℃상에서 약 28%의 감소를 보였으나, 인장강도의 경우 약 10%의 감소를 보였다.
- 상용 유한요소해석 프로그램으로는 해석분야에서 널리 알려진 ABAQUS(H.K.S. Inc 2002)를 사용하였으며, 해석 시 전·후처리 프로그램으로는 MSC. Patran(MSC Software Corp, 2003)을 사용하였다.
성능/효과
- (1) 본 연구에 사용된 3가지 복합재료는 온도의 상승에 따라 역학적 성질이 전반적으로 감소되는 것을 알 수 있었다.
- (2) 탄성계수의 경우 유리섬유/비닐에스테르가 가장 작은 감소율을 보였으며, 유리섬유/폴리에스테르는 세 가지 복합재료 중 가장 큰 감소율을 나타내었다.
- (3) 인장강도의 경우 유리섬유/에폭시가 가장 낮은 감소율을 보였으며, 유리섬유/폴리에스테르는 세 가지 복합재료 중 가장 큰 감소율을 보였다.
- (4) 유리섬유/폴리에스테르는 다른 두 재료보다 탄성계수, 인장강도에서 큰 감소율을 보여 가장 열 저항성이 떨어짐을 알 수 있다.
- (5) 상온(20℃)에서의 실험결과에서는 탄성계수, 인장강도 모두 비닐에스테르/폴리에스테르/에폭시 순으로 나타났다. 이는 표 9의 섬유체적비의 결과와 일치하므로, 복합재료의 역학적 성질이 섬유체적비에 의존된다는 사실을 확인 할 수 있다.
- (6) 실제 고온에서의 재료 물성치의 변화는 FRP재료를 활용한 전반적인 구조물 거동에 있어 약 100℃까지는수지(resin)변화에 대한 영향이 상대적으로 작았으나 100℃ 이상의 고온으로 온도효과가 증가할수록 수지변화에 따른 영향은 상대적으로 크게 나타나는 것을 해석적 연구를 통하여 알 수 있었다.
- 이는 실험결과에서 유리섬유/비닐에스테르의 탄성계수 감소율이 3% 미만의 감소율을 보임에 기인한 것으로 판단된다. 따라서 실제 고온에서의 재료 물성치의 변화는 FRP재료를 활용한 전반적인 구조물 거동에 있어 약 100℃까지는 수지(resin)의 영향이 상대적으로 작았으나 100℃ 이상의 고온으로 온도효과가 증가할수록 수지 변화에 따른 영향은 상대적으로 크게 나타난다는 것을 본 연구결과를 통하여 알 수 있다.
- 각각의 온도에 따라 실험결과는 3개의 결과를 평균하였다. 실험결과 탄성계수는 250℃에서 약 35%의 감소를 보였으며, 인장강도의 경우 약 28%의 감소를 보였다.
- 유리섬유/비닐에스테르실험에서도 각 온도조건에서 각각 3개의 시편을 인장 시험한 결과 다음 그림 13에서 그림 16과 같은 각 온도별 응력-변형률 곡선을 얻어냈다. 유리섬유/비닐에스테르는 온도가 증가할수록 곡선의 비선형성이 다른 재료에 비해 유지되고 있음을 확인할 수 있다.
- 표 6에서 보는 바와 같이 유리섬유/비닐에스테르의 경우 탄성계수의 변화는 미미하였고, 인장강도인 경우, 250℃에서 약 18%의 감소를 보였다. 유리섬유/에폭시에 비해 인장강도의 감소율이 더 증가하지만, 탄성계수는 전반적으로 미비하게 감소함을 알 수 있다. 이렇듯 온도변화에 따른 각 매트릭스에 따른 성질의 변화는 탄성계수의 감소 및 인장강도의 감소와 함께 역학적 성질이 전반적으로 감소되었다.
- 각각의 온도에 따라 시편 3개의 결과를 평균하였다. 표에서 보는 바와 같이 유리섬유/에폭시의 경우 탄성계수는 250℃상에서 약 28%의 감소를 보였으나, 인장강도의 경우 약 10%의 감소를 보였다.
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