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문제 정의
- 이 연구에서는 볼트로 겹침이음된 펄트루젼 복합재의 구조적 거동을 예측하기 위하여 펄트루젼 공정을 통해 생산된 ㄱ형(Angle)과 ㄷ형(Channel) 구조용 부재에서 시편을 채취하여 인장 및 전단 시험을 수행하여 PFRP(pultruded fiber reinforced polymeric composite)에 대한 역학적 성질을 조사하였다. 이를 바탕으로 기존 연구에서 제안한 추천지표를 적용하여 파괴모드를 확인하고 실험에서 구한 파괴하중과 부재 시편의 인장강도 비교를 통해 얻어진 보정계수로부터 접합부에 대한 강도를 예측할 수 있도록 하였다.
- 이 연구에서는 강재에 비해 가벼우면서도 단위중량당의 강도와 강성이 크고, 부식저항성이 뛰어난 PFRP를 토목공학 분야의 구조용 부재로 활용하기 위해서 재료에 대한 역학적 성질, 볼트연결부에 대한 인장실험을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 이를 바탕으로 기존 연구에서 제안한 추천지표를 적용하여 파괴모드를 확인하고 실험에서 구한 파괴하중과 부재 시편의 인장강도 비교를 통해 얻어진 보정계수로부터 접합부에 대한 강도를 예측할 수 있도록 하였다.
- 폭과 길이가 일정하게 제작하였다. 인장시험은 1, 000 " 용량의 UTM에서 하중을 변위제어방식으로 3mm/min의 속도로 재하 하였으며, PFRP 의 탄성계수는 ASTM D 3039/D 3039 M-08에서 제안하고 있는 방법에 따라 변형률 1, 000ue~3, 000ue 구간의 기울기로부터 결정하였다.
- e형 PFRP부재의 볼트접합 시편은 Table 6에 나타낸 바와 같이 볼트의 숫자를 2개로 하여 가로연결과 세로연결로 체결 방법을 달리하였으며, 부재 연단까지의 거리 비(e/db)는 앞의 실험 결과를 참조하여 3~5로 하고, 각각 5개의 시편을 제작하여 인장실험을 수행하였다.
대상 데이터
- 실험에 사용된 PFRP 구조용 부재는 일반적으로 주 부재와 볼트로 연결되는 브레이싱 부재 등 부부재로 많이 사용되고 있는ㄱ형, ㄷ형 2종류의 유리섬유복합재를 선택하였다. 실험적 연구에 사용된 PFRP 복합재는 (주)한국피엔피에서 펄트루젼 공정으로 생산되었으며 수지는 폴리에스터(Polyester) 를 사용하였고, 섬유는 동일산자(주)에서 생산된 유리섬유를 사용하였다= 펄트루젼 부재의 생산공정 특성상 길이 방향으로 로빙(Roving)이 배치되었으며 3~5cm 길이로 절단되어 임의방향으로 분산 후 접착제로 사용하여 압차된 부직포 형태 스트랜드 매트(Chopped strand mat(CSM))와 ±45。으로 직조된 로빙 크로스 매트(Roving cross mat(DB mat))가 사용되었으며, 섬유함유율은 약 65%(중량비, (주)한국피엔피)이다.
- 매트(Chopped strand mat(CSM))와 ±45。으로 직조된 로빙 크로스 매트(Roving cross mat(DB mat))가 사용되었으며, 섬유함유율은 약 65%(중량비, (주)한국피엔피)이다. 각 PFRP 부재의 보강섬유 배치 및 시편절단면은 Fig.
- 인장시험 시편은 ASTM D 3039/D 3039 M-08 [6]를 참고 하여ㄱ형과 ㄷ형 단면 부재에서 각각 7개씩 총 14개의 시편을 폭과 길이가 일정하게 제작하였다. 인장시험은 1, 000 " 용량의 UTM에서 하중을 변위제어방식으로 3mm/min의 속도로 재하 하였으며, PFRP 의 탄성계수는 ASTM D 3039/D 3039 M-08에서 제안하고 있는 방법에 따라 변형률 1, 000ue~3, 000ue 구간의 기울기로부터 결정하였다.
- PFRP 재료의 전단강도는 (주)한국화이바 기술연구소에서 losipescu 시험장치를 사용하여 시험하였다. 전단시험에 적용된 시험법은 ASTM D 5379 M-05[기이며, 하중은 변위 제어방식으로 1.
- , 1995[2]). Table 4와 같이 부재 연단까지의 거리 비(e/db)의 영향을 조사하기 위해 "%가 2~7인 시편을 각각 5개씩ㄱ형 부재에서 채취하여 제작하였다.
- 실험에 사용한 구조용 볼트의 규격은 F10T, M10이며, 볼트의 직경(db)은 10/KS이다. 또한, w는 Table 3에 제시된 기존 연구자료(Bank, 2006[5])와 PFRP 구조물 시공 및 생산업체들이 제시한 가이드라인을 참고하여 추천되는 규정치수 중최소값을 만족하도록 하였다[4].
- 실험은 r형 부재에서 채취하여 제작한 시편의 경우와 같은 조건으로 수행하였으며, 실험시편의 파괴형태는 Fig. 9에 나타내었다.
- 실험적 연구에 사용된 PFRP 복합재는 (주)한국피엔피에서 펄트루젼 공정으로 생산되었으며 수지는 폴리에스터(Polyester) 를 사용하였고, 섬유는 동일산자(주)에서 생산된 유리섬유를 사용하였다= 펄트루젼 부재의 생산공정 특성상 길이 방향으로 로빙(Roving)이 배치되었으며 3~5cm 길이로 절단되어 임의방향으로 분산 후 접착제로 사용하여 압차된 부직포 형태 스트랜드 매트(Chopped strand mat(CSM))와 ±45。으로 직조된 로빙 크로스 매트(Roving cross mat(DB mat))가 사용되었으며, 섬유함유율은 약 65%(중량비, (주)한국피엔피)이다. 각 PFRP 부재의 보강섬유 배치 및 시편절단면은 Fig.
이론/모형
- 시험장치를 사용하여 시험하였다. 전단시험에 적용된 시험법은 ASTM D 5379 M-05[기이며, 하중은 변위 제어방식으로 1.27mm/min의 속도로 재하하였다. 각각 재료의 부재 축 방향의 전단강도와 부재축에 직 각방향의 전단 강도를 측정하였으며, 그 결과를 Table 2에 정리하여 나타내었고, 시험 장치 및 시험장면은 Fig.
- PFRP 복합재 볼트연결부에 대한 기존의 연구 등을 참고하여 시편을 제작하였고, 겹침이음방식을 사용하였다 (Prabhakaran et al., 1995[2]). Table 4와 같이 부재 연단까지의 거리 비(e/db)의 영향을 조사하기 위해 "%가 2~7인 시편을 각각 5개씩ㄱ형 부재에서 채취하여 제작하였다.
성능/효과
- 실험결과 Fig. 7에 나타낸바와 같이 최대하중시의 실험 시편의 파괴는 대부분 전단파괴가 발생하거나 쪼개짐파괴가 나타난 후에 블록전단파괴로 진행되는 모습을 보였으며, e/% 값의 증가에 따라 파괴모드가 지압파괴와 쪼개짐파괴가 발생한 후 전단파괴 혹은 블록전단파괴로 이어지는 경향을 관찰할 수 있었다.
- (1) 볼트연결된 PFRP 겹침이음 시편에 대한 인장실험 결과 시 편의 파괴모드는 e/db 값의 증가에 따라 대부분 전단파괴로 나타났으나 경우에 따라 쪼개짐파괴와 지압 파괴가 발생하였다.
- (2) 볼트 1개를 사용한 겹침이음부는 e/db 값이 5 이상이 되도록 하여 사용하는 것이 바람직하다.
- (3) 볼트 2개를 사용한 겹침이음부는 e/db 값을 4 이상이 되도록 하여 사용하는 것이 바람직하다.
- (4) 기존 연구자들이 제안한 기하학적 추천지표에서 시편 폭의 최소값(즉, 시편 폭/볼트직경=5 이상)을 사용할 경우 순단면 인장파괴를 방지할 수 있음을 알 수 있었다. 따라서 복합재의 연결방법 중 기계식 체결방식인 볼트 연결에 대한 기존 연구자들의 기하학적 지표의 일부에 대한 타당성을 실험을 통해 확인할 수 있었다.
- 있었다. 따라서 복합재의 연결방법 중 기계식 체결방식인 볼트 연결에 대한 기존 연구자들의 기하학적 지표의 일부에 대한 타당성을 실험을 통해 확인할 수 있었다.
후속연구
- 또한, 건설 구조재로서 사용하기 적합한 펄트루젼 FRP는 대부분의 보강섬유가 부재의 축 방향으로 배치되어 있어 볼트 연결부의 강또가 현저히 저하되는 약점을 가지고 있다. 구조물의 유지관리 및 보수보강을 위해 대부분의 건설 구조재는 볼트접합방법을 채택하고 있으며, 펄트루젼 복합재틀 건설 구조채로 사용하기 위해서는 볼트 접합부의 구조적 거동에 대한 기초적인 연구가 선행되어야 할 것이다. 펄트루젼 FRP 복합재의 볼트연결에 대한 연구는 Abd-E!-Naby[l]에 의해 하중방향의 섬유함유량(fiber volume ratio)에 따라 변화하는 FRP의 전단강도 및 구멍의 형상에 대한 영향이 조사된바 있으며, Prabhakarar)[2]에 의해 볼트로 연결된 FRP 연결부에 대해 미국강구조학회의 하중 저항계수설계법(AISC-LRFD)의 설계식을 적용한 연구가 수행된 바 있다.
- 그러나 파괴모드_가 순단변 인장파괴(net-tension failure) 와 블록전단파괴(block shear failure)로만 국한되어 있어 복합재의 다양한 파괴모드에 대한 기초자료로 활용하기에는 한계가 있다. 또한, 최(2005[3])의 연구에서는 유한요소해석을 통해 원공주위의 웅력분포, 부착면에서의 마찰계수와 토크 등의 영향을 다양하게 고려하였으나 결과의 타당성을 검증하기 위한 추가적인 실험적 연구가 수행되어야 할 것이다. 이 (2009[4])의 연구에서는 펄트루젼 구조용 복합재의 겹침이음실험을 통해 볼트의 수와 배열에 따른 강도증가의 정도를 정량화하였다.
- 이 연구에서는 부재 축방향 하중에 대해서만 연구를 수행하였고, 다른 형태의 하중이나 조합하중을 받는 볼트 연결 부에 대한 연구가 추후 계속적으로 진행되어야 할 것으로 생각되며, 재료적인 측면에서 겹침이음부의 강도를 향상시킬 수 있도록 보강섬유의 양과 배치방법 등에 대해서도 연구가 수행되어야 한다. 또한, 다양한 설계변수 및 더 많은 시편에 대한 실험을 하여 연구결과의 신뢰도를 높이는 것이 필요하다.
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