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직교이방성 판의 좌굴 및 압축재의 국부좌굴에 대한 해석적 연구

An Analytical Study on the Buckling of Orthotropic Plates and Local Buckling of Compression Members

복합신소재구조학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures, v.3 no.1, 2012년, pp.21 - 28  

최진우 (홍익대학교 토목공학과) ,  이강연 (홍익대학교 토목공학과) ,  박정환 (홍익대학교 토목공학과) ,  윤순종 (홍익대학교 토목공학과)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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.
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참고문헌 (8)

  1. 윤순종(2011) 국토의 효율적 이용을 위한 친환경 부유식 태양광 발전 시스템 개발, 연구보고서, 홍익대학교, 한국해양과학기술진흥원. 

  2. 윤순종, 문환두, 이원복(1995) 직교이방성 박판부재의 국부좌굴 관련 설계규준에 대한 연구, 대한토목학회논문집, 대한토목학회, pp.533-544. 

  3. 주형중, 정재호, 이승식, 윤순종(2004) 펄트루젼 I형 단면 압축재의 국부좌굴계수 계산을 위한 근사식의 개발, 한국복합재료학회 춘계학술발표대회 논문집, 한국복합재료학회, pp.629-634. 

  4. 최진우(2010) 면내 재료의 역학적 성질 변화에 따른 펄트루젼 FRP 구조용 부재의 국부좌굴하중, 석사학위논문, 홍익대학교. 

  5. 최진우, 김재욱, 주형중, 윤순종(2010) I형과 Box형 단면을 갖는 펄트루젼 FRP 압축재의 형상계수, 한국복합신소재구조학회 학술발표회 논문집, pp.65-66. 

  6. Joo, H. J. (2010) Buckling Behavior and Design of Pultruded Thin-walled Open Section Compression Members, PhD Thesis, Hongik University. 

  7. Jung, J. H. (2003) A Simplified Analytical Model for Local Buckling of Pultruded Box-Shape Flexural Members, PhD Thesis, Hongik University. 

  8. Yoon, S. J. (1993) Local Buckling of Pultruded I-Shape Columns, PhD Thesis, Georgia Institute of Technology. 

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