펄트루젼 공정에 의해 생산된 FRP 부재는 길이에 제한이 없이 임의의 단면형상으로 제작할 수 있기 때문에 건설 구조용 부재로 사용하기 적합하며, 특히, 각종 화학적 유해환경 등에서 그 성능이 우수하기 때문에 습윤환경 및 해양환경 등의 부식환경에서 그 활용이 두드러지고 있다. 그러나 설계를 위한 관련 규준이 마련되어 있지 않아 이에 대한 연구가 시급한 실정이다. FRP 구조재는 대부분 단면의 효율적 사용을 위해 판요소로 구성된 박판부재를 사용하고 있으며, 이러한 부재를 압축재로 사용할 경우 강도한계상태는 주로 좌굴거동에 의해 결정된다. 이 연구에서는 FRP I형 단면 압축재에 대한 좌굴거동을 이론적으로 해석하였고, 기존 실험적 연구결과와 비교, 분석하여 설계방법 및 설계흐름도를 제안하였다. 제안된 설계방법은 ANSI/AISC 360-10의 방법과 유사한 형태로서 설계자의 편의를 도모하였으며, 비교적 간단한 방법에 의해 PFPR I형 단면 압축재의 설계를 수행할 수 있도록 하였다.
펄트루젼 공정에 의해 생산된 FRP 부재는 길이에 제한이 없이 임의의 단면형상으로 제작할 수 있기 때문에 건설 구조용 부재로 사용하기 적합하며, 특히, 각종 화학적 유해환경 등에서 그 성능이 우수하기 때문에 습윤환경 및 해양환경 등의 부식환경에서 그 활용이 두드러지고 있다. 그러나 설계를 위한 관련 규준이 마련되어 있지 않아 이에 대한 연구가 시급한 실정이다. FRP 구조재는 대부분 단면의 효율적 사용을 위해 판요소로 구성된 박판부재를 사용하고 있으며, 이러한 부재를 압축재로 사용할 경우 강도한계상태는 주로 좌굴거동에 의해 결정된다. 이 연구에서는 FRP I형 단면 압축재에 대한 좌굴거동을 이론적으로 해석하였고, 기존 실험적 연구결과와 비교, 분석하여 설계방법 및 설계흐름도를 제안하였다. 제안된 설계방법은 ANSI/AISC 360-10의 방법과 유사한 형태로서 설계자의 편의를 도모하였으며, 비교적 간단한 방법에 의해 PFPR I형 단면 압축재의 설계를 수행할 수 있도록 하였다.
Using pultrusion process, FRP composite structural members having various cross-section shapes can be produced with unlimited lengths. Because of such reasons, these members are suitable for the application in the construction field. Especially, this material is highly appreciated if the material is...
Using pultrusion process, FRP composite structural members having various cross-section shapes can be produced with unlimited lengths. Because of such reasons, these members are suitable for the application in the construction field. Especially, this material is highly appreciated if the material is to be used in the corrosive environments such as aquatic or oceanic environments due to its high corrosion resistance. However, design criteria for the FRP structural member are not developed yet. So, the research on the development of design guideline is needed ungently. In order to use the pultruded structural FRP member efficiently, the members are composed of thin plate components, and thus, the member is prone to buckle easily and the buckling is one of the governing strength limit states for the design. In this paper, we present the analytical study results pertaining to the buckling behavior of I-shape FRP compression member. In addition, design procedure and flow-chart are also proposed based on the study results including previous experimental results. Proposed design procedure is similar to that in ANSI/AISC 360-10 with minor modification. Therefore, it is convinced that the structural design of pultruded FRP compression member could be done easily by following design procedure proposed in this paper.
Using pultrusion process, FRP composite structural members having various cross-section shapes can be produced with unlimited lengths. Because of such reasons, these members are suitable for the application in the construction field. Especially, this material is highly appreciated if the material is to be used in the corrosive environments such as aquatic or oceanic environments due to its high corrosion resistance. However, design criteria for the FRP structural member are not developed yet. So, the research on the development of design guideline is needed ungently. In order to use the pultruded structural FRP member efficiently, the members are composed of thin plate components, and thus, the member is prone to buckle easily and the buckling is one of the governing strength limit states for the design. In this paper, we present the analytical study results pertaining to the buckling behavior of I-shape FRP compression member. In addition, design procedure and flow-chart are also proposed based on the study results including previous experimental results. Proposed design procedure is similar to that in ANSI/AISC 360-10 with minor modification. Therefore, it is convinced that the structural design of pultruded FRP compression member could be done easily by following design procedure proposed in this paper.
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문제 정의
그러나 PFRP 압축재의 국부좌굴에 대해서는 아직까지 명확한 설계방법이 알려져 있지 않고 있으며, 일부 연구자들에 의해 제안된 방법이 있으나 설계절차기 비교적 난해하여 현장기술자들이 사용하기에는 아직까지 어려움이 있다. 따라서, 이 연구에서는 PFRP I형 단면 압축재의 좌굴거동을 조사하였고, 좌굴강도 결정을 위한 설계방법을 단순화하여 제시하였다.
따라서, 이 연구에서는 하중이 재하되지 않는 변에서 특정 경계조건을 갖는 직교이방성판들의 좌굴계수 사이의 상관관계로부터 I형 단면 압축재의 국부좌굴계수를 근사적으로 예측하기 위한 연구를 수행하였다.
가설 설정
Fig. 2에서 하중이 재하되는 길이방향의 탄성계수는 E11, 폭방향의 탄성계수는 E22로서 펄트루젼 공정특성을 고려하여 재료의 성질을 직교이방성으로 가정하였다. 이 직교이방성판에 면내 등분포 압축력 P가 작용하여 좌굴이 발생할 때 내부에 축척된 변형에너지와 면내 등분포 압축력이 판에 대해 한 일이 동일하다는 에너지 원리를 적용하면 좌굴응력과 좌굴계수는 식 (1a), (1b)와 같이 표현할 수 있다(Bulson, 1969).
제안 방법
Fig. 7에서, 국부좌굴강도의 계산은 이 연구의 근사해법을 적용하였으며, 전체좌굴강도와 국부좌굴강도로부터 만능세장비(universal slenderness ratio, λG)를 결정하고, 수정된 설계식으로부터 설계하중 (design load)를 결정한다.
그 이유는 부재 생산과정에서 주로 발생하는 잔류응력(residual stress) 및 초기 처짐(intial crookedness) 등의 영향으로 알려져 있으며, 상호작용의 영향을 고려하기 위해 ANSI/AISC 360-10에서 제안하고 있는 설계방법을 수정하여 적용하였고, 기존 실험적 연구결과와 비교, 분석하여 제안된 설계식이 적절함을 확인하였다. 국부좌굴에 대한 근사식 및 상호작용을 고려한 설계식을 사용하여 PFRP I형 단면 압축재의 설계방법을 제안하였으며, 설계 편의를 위해 설계흐름도를 제시하였다.
전체좌굴과 국부좌굴하중은 해석적으로 예측이 가능하지만 전체좌굴과 국부좌굴하중이 동일한 범위의 세장비를 갖는 압축재는 국부-전체 상호작용으로 인해 이론적으로 추정된 좌굴하중에 비해 더 작은 값을 갖는다. 그 이유는 부재 생산과정에서 주로 발생하는 잔류응력(residual stress) 및 초기 처짐(intial crookedness) 등의 영향으로 알려져 있으며, 상호작용의 영향을 고려하기 위해 ANSI/AISC 360-10에서 제안하고 있는 설계방법을 수정하여 적용하였고, 기존 실험적 연구결과와 비교, 분석하여 제안된 설계식이 적절함을 확인하였다. 국부좌굴에 대한 근사식 및 상호작용을 고려한 설계식을 사용하여 PFRP I형 단면 압축재의 설계방법을 제안하였으며, 설계 편의를 위해 설계흐름도를 제시하였다.
이상에서 설명한 방법을 통해 직교이방성판의 좌굴해석을 수행할 경우 폭방향에 대한 처짐식을 가정해야 하고, 처짐식을 적분하여 좌굴계수 및 최소좌굴계수를 결정해야 한다. 그러나 가정된 처짐식에 의해 좌굴계수에서 차이가 발생할 수 있고, 해석절차가 복잡하다, 따라서, 해석절차를 단순화할 수 있는 근사식을 제안하였다.
의 경우 식 (12)에서 우변의 두 항 중 두 번째 항의 영향은 첫 번째 항의 영향에 비해 무시할 정도로 작게 나타났다. 따라서, 이 연구에서는 C3f의 계산에서 근사적으로 우변의 첫 번째 항만을 고려하였다. C2f의 경우와 마찬가지로 양변을 #으로 나누고 정밀해법에 의해 계산된 결과들을 사용하여 매개변수 해석을 수행한 결과 폭비 변화와 재료의 역학적 성질의 영향을 분리시켜 고려할 수 있는 근사식을 유도할 수 있었다.
박판부재로 구성된 압축재는 재료에 의한 파괴를 제외하면 전체좌굴과 국부좌굴에 의해 강도한계상태가 결정되므로 전체좌굴과 국부좌굴 거동을 고려한 PFRP I형 단면 압축재의 설계흐름도를 Fig. 7과 같이 제안하였다.
이 연구는 PFRP 구조재에 대한 설계규준을 개발하기 위한 연구의 일부로서, PFRP I형 단면 압축재의 국부좌굴거동을 정밀해법과 에너지법을 사용하여 조사하였으며, 매개변수해석을 통해 설계식에 적용할 수 있는 근사식(간편식)을 제안하였다. 제안된 근사식은 정밀해법과 비교할 때 2.
박판부재로 구성된 구조재의 경우 강구조설계에서는 허용응력설계법(allowable stress design, ASD)에서 하중저항계수설계법(load and resistance factor design, LRFD)으로 전환되고 있으며, 이를 기반으로 최근 성능기반설계법(performance based design, PBD)에 대한 연구가 수행되고 있다. 이러한 설계법의 변화는 구조적 안전성에 대한 신뢰성을 확보하고, 설계의 효율성을 확대시키기 위한 방법이므로 이 연구에서도 PFRP I형 단면 압축재의 설계를 강도한계상태를 만족하도록 하중저항계수설계법과 유사한 형태로 제안하였다.
이론/모형
근사식을 제안하기 위해 우선 다양한 PFRP의 재료의 역학적 성질(Shih, 1994)과 정밀해법(Yoon, 1993)을 사용하여 최소 좌굴계수와 형상비를 계산하였고, 식 (2), (5), (6)의 관계로부터 C2, C3를 결정하였다. 이러한 방법으로 결정된 C2, C3와 식 (3), (4)의 관계를 통해 매개변수 해석을 수행하였다.
성능/효과
6에 나타내었다(채, 2005). Fig. 6에서 수정된 설계식은 기존 실측된 실험결과와 비교할 때 안전측 설계가 가능함을 확인하였으며, 건설 설계 기술자들의 편의를 도모하기 위해 강재에 대해 사용하고 있는 압축재 설계식을 PFRP I형 단면 압축재에도 적용할 수 있도록 하였다.
이 연구는 PFRP 구조재에 대한 설계규준을 개발하기 위한 연구의 일부로서, PFRP I형 단면 압축재의 국부좌굴거동을 정밀해법과 에너지법을 사용하여 조사하였으며, 매개변수해석을 통해 설계식에 적용할 수 있는 근사식(간편식)을 제안하였다. 제안된 근사식은 정밀해법과 비교할 때 2.9% 이내의 차이를 나타내어 정확한 국부좌굴계수의 추정이 가능한 것으로 확인되었다.
후속연구
PFRP 압축재에 대해 설계규준을 개발하기 위해서는 I형 단면 이외에도 압축재로 사용하는 다양한 형태의 단면에 대해 이론적, 실험적 연구가 지속적으로 수행되어야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
폴리에스터 수지 복합재가 건설산업에서 적용성이 활성화되지 못한 이유는 무엇인가?
유리섬유를 보강한 폴리에스터 수지 복합재(fiber reinforced plastic, FRP)는 기존 건설재료에 비해 경제적 측면에서 불리하다는 인식 때문에 건설산업에서 그 적용성이 활성화되지 못하고 있다. 그러나 최근 재료적 장점으로 강재나 콘크리트가 접근하기 어려운 습윤환경 및 해양조건 등 특수한 조건에서 그 사용성이 점진적으로 증대되고 있다.
펄트루젼 복합재는 어떤 특성을 가지고 있는가?
PFRP는 제조공정의 특성상 대부분의 주요 보강섬유가 부재 축방향으로 배치되므로 재료의 성질은 직교이방성으로 가정할 수 있다(주 등, 2006). 이러한 PFRP의 특성으로 등방성 부재인 강재에 비해 구조적 해석절차가 복잡하고, 보편화된 설계규준이 확립되어 있지 않아 적용성에서 한계를 나타내고 있다. 따라서 PFRP를 건설분야의 구조재로 사용하기 위해서는 이론적, 실험적 연구를 통한 설계규준의 확립이 필요하다.
구조용 압축재의 좌굴은 크게 어떻게 구분되는가?
PFRP 구조재 뿐만 아니라 건설구조용 강재는 단면의 효율적 사용을 위해 대부분 판요소로 구성된 박판부재로 생산, 가공하여 사용하고 있으며, 이러한 부재를 압축재로 사용할 경우 설계강도(design strength)는 대부분 좌굴강도(buckling strength)에 의해 결정된다. 구조용 압축재의 좌굴은 크게 전체좌굴(global buckling)과 국부좌굴(local buckling)로 구분되며, 전체좌굴은 주로 부재의 유효세장비(effective slenderness ratio)에 큰 영향을 받고 국부좌굴에 비해 구조적 거동이 잘 알려져 있다. 그러나 PFRP 압축재의 국부좌굴에 대해서는 아직까지 명확한 설계방법이 알려져 있지 않고 있으며, 일부 연구자들에 의해 제안된 방법이 있으나 설계절차기 비교적 난해하여 현장기술자들이 사용하기에는 아직까지 어려움이 있다.
참고문헌 (11)
주형중, 이승식, 윤순종, "펄트루젼 구조압축재의 국부좌굴 설계규준 개발에 관한 연구," 한국강구조학회지, 제18권, 제5호, 2006, pp. 597-605.
Bulson, P.S., "The Stability of Flat Plates, American Elsevier Publishing Company," Inc., 1969, New York.
Shih, B.J., "On the Analysis of Fiber-Reinforced Polymeric Bridge Components," PhD. Thesis, Georgia Institute of Technology, 1994. Atlanta, Georgia.
Yoon, S.J., "Local Buckling of Pultruded I-shape Column," PhD. Thesis, Georgia Institute of Technology, Atlanta, Georgia.
채수하, "직교이방성 박판기둥의 해석과 설계에 관한 연구," 박사학위논문, 홍익대학교, 2005.
Joo, H.J., "Buckling Behavior and Design of Pultruded Thin-walled Open Section Compression Members," PhD. Thesis, Hongik University, 2010.
Salmon, C.G., and Johson, J.E., "Steel Structures (Design and Behavior)", 5the ed., Pearson Prentice Hall, 2009, New Jersey.
Timoshenko, S.P. and Gere, J.M., Theory of Elastic Stability, McGraw-Hill, 1961, New York.
ANSI/AISC 360-10, Specification for Structural Steel Buildings, 2010, American Institute of Steel Construction.
정재호, 윤순종, 유성근, "직교이방성판의 좌굴강도를 구하기 위한 근사식의 개발," 한국복합재료학회지, 제16권, 제5호, 2003, pp. 28-38.
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