이 연구에서는 직교이방성 판의 좌굴 및 직교이방성 판요소로 구성된 구조용 압축재의 국부좌굴에 대한 해석적 연구를 수행하였다. 섬유보강 폴리머 플라스틱 재료는 높은 비강도 및 비강성, 높은 부식저항성, 경량성 등 강재나 콘크리트와 비교해서 많은 장점을 가지고 있다. 특히, 펄트루젼 생산 방식은 섬유보강 폴리머 플라스틱 재료의 여러가지 생산방법 중 구조용 플라스틱 부재를 대량으로 생산하기에 가장 적합한 방법이다. 펄트루젼 생산방식은 부재의 축을 따라 주요 보강섬유가 배치되기 때문에 이 재료는 직교이방성으로 간주된다. 그러나, 펄트루젼 섬유보강 플라스틱 부재는 낮은 탄성을 갖고 있고 얇은 판요소로 구성되어 있기 때문에 압축하중이 재하될 경우 좌굴이 발생할 수 있다. 따라서, 이 부재를 설계하는데 안정성은 매우 중요한 문제가 된다. 이 연구에서는 기존의 연구를 따라서 직교이방성 판 및 직교이방성 판요소로 구성된 압축재의 국부좌굴에 대하여 검토하였으며, 국내에서 생산된 직교이방성 판요소로 구성된 압축재의 국부좌굴강도를 계산하였다.
이 연구에서는 직교이방성 판의 좌굴 및 직교이방성 판요소로 구성된 구조용 압축재의 국부좌굴에 대한 해석적 연구를 수행하였다. 섬유보강 폴리머 플라스틱 재료는 높은 비강도 및 비강성, 높은 부식저항성, 경량성 등 강재나 콘크리트와 비교해서 많은 장점을 가지고 있다. 특히, 펄트루젼 생산 방식은 섬유보강 폴리머 플라스틱 재료의 여러가지 생산방법 중 구조용 플라스틱 부재를 대량으로 생산하기에 가장 적합한 방법이다. 펄트루젼 생산방식은 부재의 축을 따라 주요 보강섬유가 배치되기 때문에 이 재료는 직교이방성으로 간주된다. 그러나, 펄트루젼 섬유보강 플라스틱 부재는 낮은 탄성을 갖고 있고 얇은 판요소로 구성되어 있기 때문에 압축하중이 재하될 경우 좌굴이 발생할 수 있다. 따라서, 이 부재를 설계하는데 안정성은 매우 중요한 문제가 된다. 이 연구에서는 기존의 연구를 따라서 직교이방성 판 및 직교이방성 판요소로 구성된 압축재의 국부좌굴에 대하여 검토하였으며, 국내에서 생산된 직교이방성 판요소로 구성된 압축재의 국부좌굴강도를 계산하였다.
In this paper, we present the analytical study results pertaining to the buckling of the orthotropic plates and local buckling of structural compression members composed of orthotropic plate components. Fiber reinforced polymeric plastic (FRP) materials, have many advantages over conventional struct...
In this paper, we present the analytical study results pertaining to the buckling of the orthotropic plates and local buckling of structural compression members composed of orthotropic plate components. Fiber reinforced polymeric plastic (FRP) materials, have many advantages over conventional structural materials such as steel and concrete. The advantages of the FRP materials are high specific strength and stiffness, high corrosion resistance, right weight, etc. Among the various manufacturing methods, pultrusion process is one of the best choices for the mass production of structural plastic members. Since the major reinforcing fibers are placed along the axial direction of the member, this material is usually considered as an orthotropic (tranversely isotropic, more specifically) material. However, pultruded fiber reinforced plastic structural members have low modulus of elasticity and are composed of orthotropic thin plate components the members are prone to buckle. Therefore, stability is an important issue in the design of the pultruded FRP structural members. In this paper, the buckling of orthotropic plates and the local buckling of pultruded FRP structural members are investigated by following the previous research results and the local buckling strength of the member produced in the domestic manufacturer is found.
In this paper, we present the analytical study results pertaining to the buckling of the orthotropic plates and local buckling of structural compression members composed of orthotropic plate components. Fiber reinforced polymeric plastic (FRP) materials, have many advantages over conventional structural materials such as steel and concrete. The advantages of the FRP materials are high specific strength and stiffness, high corrosion resistance, right weight, etc. Among the various manufacturing methods, pultrusion process is one of the best choices for the mass production of structural plastic members. Since the major reinforcing fibers are placed along the axial direction of the member, this material is usually considered as an orthotropic (tranversely isotropic, more specifically) material. However, pultruded fiber reinforced plastic structural members have low modulus of elasticity and are composed of orthotropic thin plate components the members are prone to buckle. Therefore, stability is an important issue in the design of the pultruded FRP structural members. In this paper, the buckling of orthotropic plates and the local buckling of pultruded FRP structural members are investigated by following the previous research results and the local buckling strength of the member produced in the domestic manufacturer is found.
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문제 정의
이 논문에서는 Table 4에 나타낸 재료의 역학적 성질을 이용하여 다양한 경계조건을 갖는 임의의 PFRP판에 대한 좌굴해석을 수행하였다. 해석결과로부터 얻은 각 경계조건에 대한 최소좌굴계수는 Table 5에 정리하였으며, 최소좌굴계수를 구하기 위한 판의 좌굴계수와 형상비의 관계 그래프는 Fig.
PFRP는 다른 구조용 재료에 비하여 낮은 탄성계수를 가지며 단면이 얇은 판요소로 구성되어 있기 때문에 압축재로 사용하기 위해서는 전체좌굴 및 국부좌굴에 대한 영향을 고려한 설계가 필요하다. 이 논문에서는 기존 연구 내용(Yoon, 1993; Joo, 2010; 최, 2011)을 참고하여 하중이 재하되지 않는 면의 여러 가지 경계 조건을 고려한 직교이방성 판의 좌굴과 직교이방성 판요소로 구성된 단면을 갖는 펄트루젼 FRP 압축재의 국부좌굴에 대한 정밀해법과 에너지법을 설명하여 두 해석방법의 차이 및 특징을 정리하고 국내에서 생산되고 있는 PFRP 압축재에 대한 국부좌굴해석을 수행하여 국내에서 생산된 PFRP 압축재에 대한 설계규준을 마련하기 위한 기초 자료를 제시하였다.
이 논문에서는 제조과정의 특성상 직교이방성으로 간주할 수 있는 PFRP 구조용 부재의 좌굴해석을 수행하기 위하여 판의 좌굴해석방법을 정밀해법과 에너지법으로 구분하여 제시하였고, I형 단면 압축재의 국부좌굴해석 방법을 소개하였다. 또한, 국내에서 생산중인 PFRP 구조용 부재에 대한 판의 좌굴해석 및 부재의 국부좌굴해석을 수행하여 좌굴계수 및 좌굴강도를 제시하였다.
가설 설정
(1) 각 판요소들의 접합부에서의 면외처짐은 발생하지 않는다.
(2) 좌굴이 발생하기 전 각 판요소들 사이의 각은 좌굴발생 후에도 일정하다.
(3) 접합부에서 각 판요소에 작용하는 모멘트의 총 합은 0이다.
(5) 판의 두께는 일정하다.
(6) 변형된 판의 중립면에 대한 처짐각은 매우 작다.
(7) 판 두께 방향의 전단력(transverse shear)에 의한 변형은 무시한다.
Fig. 4에 나타낸 PFRP 부재의 역학적 성질은 부재 축방향에 대한 인장강도시험, 부재 축의 직각방향에 대한 압축강도시험(시편의 길이를 확보하는데 어려움이 있으며, 인장과 압축의 탄성계수는 거의 유사하다는 가정을 도입함), 그리고 전단강도시험(Iosipescu shear test)을 통해 조사하였다. 조사한 PFRP 부재의 역학적 성질은 Table 4에 정리하였다.
제안 방법
이 논문에서는 제조과정의 특성상 직교이방성으로 간주할 수 있는 PFRP 구조용 부재의 좌굴해석을 수행하기 위하여 판의 좌굴해석방법을 정밀해법과 에너지법으로 구분하여 제시하였고, I형 단면 압축재의 국부좌굴해석 방법을 소개하였다. 또한, 국내에서 생산중인 PFRP 구조용 부재에 대한 판의 좌굴해석 및 부재의 국부좌굴해석을 수행하여 좌굴계수 및 좌굴강도를 제시하였다. 또한, 이 연구의 결과를 이용하여 국부좌굴이 발생하지 않을 압축재 판요소의 폭-두께비를 구할 수 있으며, 이 연구에서와는 다른 형태의 하중을 받는 휨부재 압축 플랜지 및 복부의 국부좌굴에 대한 해석이 가능하며, 국부좌굴이 발생하지 않을 폭-두께비를 구할 수 있다.
직교이방성 판 좌굴계수 및 압축재의 국부좌굴계수와 좌굴길이(buckled wave length)는 좌굴계수와 부재길이와의 관계 그래프(garland curve)를 통해 결정할 수 있다. 이 논문에서는 국내에서 생산되는 PFRP 부재(G사)의 역학적 성질을 시험을 통해 구하고, 이 논문에서 설명한 정밀해법을 적용하여 좌굴계수 및 좌굴강도를 구하였다. G사에서 생산되는 PFRP 부재는 Fig.
성능/효과
(2) 판은 하중이 재하되기 전에는 완전한 평면을 유지한다.
(3) 판의 두께는 폭과 길이에 비해 매우 작다.
(4) 판의 처짐은 판의 두께에 비해 매우 작다.
7, 8에 나타내었다. 해석결과 PFRP 부재의 좌굴계수는 복부 약 1.842, 플랜지 약 0.534임을 알 수 있었다. 또한, 이 값들을 식 (14)에 대입하여 구한 PFRP 부재의 국부좌굴강도는 200.
후속연구
또한, 국내에서 생산중인 PFRP 구조용 부재에 대한 판의 좌굴해석 및 부재의 국부좌굴해석을 수행하여 좌굴계수 및 좌굴강도를 제시하였다. 또한, 이 연구의 결과를 이용하여 국부좌굴이 발생하지 않을 압축재 판요소의 폭-두께비를 구할 수 있으며, 이 연구에서와는 다른 형태의 하중을 받는 휨부재 압축 플랜지 및 복부의 국부좌굴에 대한 해석이 가능하며, 국부좌굴이 발생하지 않을 폭-두께비를 구할 수 있다.
또한, 이 논문에서 제시한 방법을 이용하여 PFRP 구조용 부재에 대한 설계방법을 개발하고자 하는 연구도 다양하게 진행되고 있다. 현재 미국에서는 PFRP 구조용 압축재의 설계법에 이와 같은 해석방법을 적용하였으며, 국내에서도 이와 관련된 많은 연구가 진행되고 있으므로 앞으로는 표준화된 설계규준 등이 출현할 수 있을 것으로 예상된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
섬유보강 폴리머 플라스틱 재료는 어떠한 장점을 가지고 있는가?
이 연구에서는 직교이방성 판의 좌굴 및 직교이방성 판요소로 구성된 구조용 압축재의 국부좌굴에 대한 해석적 연구를 수행하였다. 섬유보강 폴리머 플라스틱 재료는 높은 비강도 및 비강성, 높은 부식저항성, 경량성 등 강재나 콘크리트와 비교해서 많은 장점을 가지고 있다. 특히, 펄트루젼 생산 방식은 섬유보강 폴리머 플라스틱 재료의 여러가지 생산방법 중 구조용 플라스틱 부재를 대량으로 생산하기에 가장 적합한 방법이다.
섬유강화플라스틱의 생산 방식은 무엇인가?
섬유강화플라스틱(Fiber Reinforced Polymeric Plastic, FRP)은 단위중량당의 강도와 강성이 크고, 가볍고 내부식성이 크다는 점 등 많은 역학적, 물리적 성질에서 장점을 갖고 있기 때문에 최근 토목분야에서 구조용 재료로써 그 이용분야가 점차 증가되고 있다. FRP 부재의 생산방법은 여러 가지가 있으나 구조용 부재를 제적으로 생산하기에 적합한 방법은 펄트루젼 공정(pultrusion process)이다. 펄트루젼 공정은 수지에 함침 시킨 보강섬유를 가열장치가 되어있는 성형몰드를 통과시켜 인발하면서 연속적으로 일정한 단면의 부재를 생산하는 방법이다.
펄트루젼 생산 방식은 어떠한 방식의 생산 방법인가?
섬유보강 폴리머 플라스틱 재료는 높은 비강도 및 비강성, 높은 부식저항성, 경량성 등 강재나 콘크리트와 비교해서 많은 장점을 가지고 있다. 특히, 펄트루젼 생산 방식은 섬유보강 폴리머 플라스틱 재료의 여러가지 생산방법 중 구조용 플라스틱 부재를 대량으로 생산하기에 가장 적합한 방법이다. 펄트루젼 생산방식은 부재의 축을 따라 주요 보강섬유가 배치되기 때문에 이 재료는 직교이방성으로 간주된다.
참고문헌 (8)
윤순종(2011) 국토의 효율적 이용을 위한 친환경 부유식 태양광 발전 시스템 개발, 연구보고서, 홍익대학교, 한국해양과학기술진흥원.
윤순종, 문환두, 이원복(1995) 직교이방성 박판부재의 국부좌굴 관련 설계규준에 대한 연구, 대한토목학회논문집, 대한토목학회, pp.533-544.
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