선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 이 연구는 FRP 복합재료의 수지 종류와 온도 및 섬유 배열 방향등에 따라 발생하는 복합재료의 전단비선형 거동특성을 조사하기 위하여 다양한 실험변수에 대한 전단시험을 실시하였으며 수행된 전단시험에서 도출된 결과들은 다음과 같다.
- 이 연구는 복합재료 전단특성 및 비선형 거동에 관한 실험적 연구로서 수지의 종류, Fiber Volume Ratio, 섬유배열방향, 온도변화, 공장용 제품의 품질성 등 다양한 제조환경에 따른 GFRP 및 CFRP 재료의 거동을 조사하였다.
제안 방법
- 공장제작용 GFRP, CFRP제품에 대하여 전단발생과 섬유배열이 평행한 방향(0°)과 섬유배열 대비 전단발생이 수직인 방향(90°)에 대하여 전단시험을 각각 수행하였다.
- 넷째, 온도변화에 따른 전단시험은 상온 25℃를 기본으로 조금씩 온도를 상승시켜 최대 4가지 온도영역에서 복합재료의 전단특성에 대한 실험을 수행하였다. 본 실험에 고려 된 고려된 외부온도범위로는 초기 상온에서 15℃를 승강시켜 40℃, 이후 각각 20℃를 승강시켜 60℃, 80℃의 온도영역에서 복합재료의 전단비선형 특성에 대하여 실험을 실시하였다.
- 다양한 조건의 제작변수에 따른 GFRP복합재료의 전단특성 또는 비선형 거동을 알아보기 위하여 전단지그를 설계, 자체 제작하여 Two-rail 전단시험을 수행하였다. 제작된 FRP 전단시험은 최대 하중 50kN인 UTM기를 사용하여 실시하였다.
- 마지막으로 상용섬유 판에 대한 전단비선형 실험을 실시하였으며 상용재료 CFRP(탄소섬유판)와 GFRP(유리섬유판)로 각각 나누어 실험을 수행, 섬유판 내 고려된 0°와 90° 섬유배열 방향에 따른 전단거동평가를 하였다(Jung, W. Y., 2003).
- 넷째, 온도변화에 따른 전단시험은 상온 25℃를 기본으로 조금씩 온도를 상승시켜 최대 4가지 온도영역에서 복합재료의 전단특성에 대한 실험을 수행하였다. 본 실험에 고려 된 고려된 외부온도범위로는 초기 상온에서 15℃를 승강시켜 40℃, 이후 각각 20℃를 승강시켜 60℃, 80℃의 온도영역에서 복합재료의 전단비선형 특성에 대하여 실험을 실시하였다. 증가 온도분에 대하여 정량적인 값이 적용되지 못한 것은 본 실험에 적용된 온도챔버 셋업에 있어 디지털 기능의 제어가 불가능했기 때문이다.
- 셋째, 섬유 배열방향에 따른 거동평가는 Figure 2와 같이 일반적인 섬유배열 방향인 0°를 비롯하여 30°, 45°, 60°로 각각 시편을 제작, 전단시험을 실시하였다.
-
2.2 실험계획
실험변수는 사용수지, 섬유체적비, 섬유배열방향, 온도변화, 상업용 FRP재료로 총 5가지변수에 대한 전단거동평가를 실시하였으며 Table 3과 같다. 첫째, 수지류에 따른 평가는 같이 폴리에스테르 수지, 비닐에스테르 수지, 에폭시 수지를 각각 사용하였으며 각수지 류에 따른 전단비선형시험을 실시하였다.
- 이 연구에서 제작된 복합재료 시험시편들은 모두 Hand lay-up 공정에 의하여 제작되었으며, 3 layer씩 각각 적층하여 경화시킨 후 제작하였으며 제작패널은 Figure 3과 같다. 제작된 복합재료 패널의 섬유함유량은 약 50%로 조사되었다.
- 다양한 조건의 제작변수에 따른 GFRP복합재료의 전단특성 또는 비선형 거동을 알아보기 위하여 전단지그를 설계, 자체 제작하여 Two-rail 전단시험을 수행하였다. 제작된 FRP 전단시험은 최대 하중 50kN인 UTM기를 사용하여 실시하였다. 제작한 FRP전단시편을 전단지그에 단단히 볼팅한 후 Figure 5와 같이 UTM기에 결합하였다.
- 실험변수는 사용수지, 섬유체적비, 섬유배열방향, 온도변화, 상업용 FRP재료로 총 5가지변수에 대한 전단거동평가를 실시하였으며 Table 3과 같다. 첫째, 수지류에 따른 평가는 같이 폴리에스테르 수지, 비닐에스테르 수지, 에폭시 수지를 각각 사용하였으며 각수지 류에 따른 전단비선형시험을 실시하였다. 둘째, 섬유체적비에 따른 거동평가는 함침 수지량을 기준으로 제작한 p-r1시편 0.
대상 데이터
- FRP 복합 재료의 전단특성 및 비선형 거동 분석을 위한 전단시험에 사용된 매트릭스용 수지는 건설용 복합재료에서 가장 일반적으로 사용되는 불포화 폴리에스테르수지 (모델명: G-613BT)를 비롯하여 비닐에스테르수지 (모델명: RF-1001MV), 에폭시 수지(모델명: YD-128)를 각각 사용하였다.
- 이 연구에서 활용된 유리섬유는 (주)KCC에서 생산된 Woven roving 형태의 E-glass fiber를 사용하였다. E-glass fiber의 경우 풍화성이 높고 성능이 우수하며 S-glass에 비해 저렴함으로 복합재료 적층용으로 가장 많이 사용된다.
- 복합재료의 전단시험은 변위제어로 1mm/min의 속도로 전단시편이 파괴될 때까지 가력 하였다. 하중가력 시 FRP의 변형률을 측정하기위하여 일본 KYOWA사의 삼축게이지(Rosette Gage)가 사용되었다. 전단시편의 가운데 부분에 삼축 게이지를 전단방향과 전단방향에서 45°방향, 전단방향에서 직각방향으로 맞추어 접착제를 바르고 완전히 눌러 접착시켰다(Yang, D.
이론/모형
- 복합재료에 대한 대부분의 전단시험의 경우 신뢰성 측면에서는 Three-rail Shear Test가 높으나 시험기기에 부착되는 지거제작 등의 여건상 Two-rail Shear Test가 실제 현장에서 많이 적용되고 있다. 이 연구에서도 활용 시험기기의 재원 및 제작환경을 고려하여 Two-rail Shear Test 방법에 의하여 실험을 수행하였다(Go, K. T., 2001; Olderhaw, B., 2008).
성능/효과
- (1) FRP 복합재료의 전단특성은 널리 알려진 복합재료의 인장, 압축 재료특성과는 달리 선형거동이 아닌 비선형 거동을 나타내는 것으로 본 실험을 통하여 조사되었으며 비선형 거동에 있어 복합재료의 구성재료 및 제작특성 등이 복합재료의 전단 거동에 주요 변수로서 고려됨을 알 수 있었다. 특히 상대적으로 품질의 균일성이 우수한 공장용 복합재료의 경우, 상대적으로 품질의 표준도가 떨어지는 일반적 Hand Lay-up 공법과 마찬가지로 동일한 전단비선형 거동이 나타냈다.
- (2) 복합재료 제작 시 중요하게 고려되는 함침수지 종류(비닐에스테르수지, 폴리에스테르수지, 에폭시수지) 및 섬유함유량의 경우, 수지의 종류에 따라 복합재료의 전단비선형 거동이 각각 다르게나타났으며 비닐에스테르수지의 경우 전단 저항성이 가장 우수한 것으로 나타냈다. 섬유함유율에 따른 전단거동의 경우 섬유 함유량의 비가 증가할수록 전단거동에 있어 전단항복응력 및 전단계수가 증가하며 비선형성이 명확하게 발생하였다.
- (3) 복합 재료의 섬유배열방향에 따른 전단거동의 경우 섬유배열 방향에 따라 각기 다른 전단거동이 나타났으며 항복전단강도의경우 45°, 30°, 60°, 0°순으로 크기가 다르게 나타냈다.
- (4) 온도변화에 따른 FRP복합재료의 전단시험의 경우 온도증가에 따라 FRP표면의 수지가 이완되는 현상이 발생하여 전단응력 및 전단계수가 현저하게 감소함을 알 수 있으며 또한 온도증가에 따라 복합재료의 전단거동이 점진적으로 섬유수지의 부착능력 상실에 의하여 전단거동이 선형적으로 나타나고 있음을 알 수 있다.
- 첫째, 수지류에 따른 평가는 같이 폴리에스테르 수지, 비닐에스테르 수지, 에폭시 수지를 각각 사용하였으며 각수지 류에 따른 전단비선형시험을 실시하였다. 둘째, 섬유체적비에 따른 거동평가는 함침 수지량을 기준으로 제작한 p-r1시편 0.446%, 추가 제작된 시편 p-r2 0415%, p-r3 0.384%에 따른 거동평가를 실시하였다. 셋째, 섬유 배열방향에 따른 거동평가는 Figure 2와 같이 일반적인 섬유배열 방향인 0°를 비롯하여 30°, 45°, 60°로 각각 시편을 제작, 전단시험을 실시하였다.
- 46%의 비율로 최대전단응력이 감소함을 알 수 있다. 또한 전단계수의 경우도 상온(25℃)를 기준으로 40℃일 경우 53.22%의 비율로 전단계수가 감소하였으며, 60℃와 80℃일 경우 각각 88.72%, 96.23% 만큼 전단계수가 감소하였다.
- 섬유체적비 변화에 따른 전단시험의 결과 Figure 10과 같이 섬유체적비에 따라 전단비선형에 따른 항복강도 및 전단계수의 특성이 조금씩 변화되는 것을 알 수 있었다. 섬유체적비를 감소시킨 경우에는 전단비선형 거동이 좀 더 구체적으로 나타나는 것을 관찰할 수 있었는데 이는 섬유 대비 수지함침량이 많아짐에 따라 복합재료의 전단거동 특성이 조금씩 증가하는 것을 본 실험을 통하여 알 수 있었다.
- 수를 비교한 것으로, 상온(25℃)일 경우를 기준으로 온도가 40℃일 경우는 최대전단응력은 약 44.78%가 감소하였으며, 60℃와 80℃일 경우 각각 89.07%, 93.46%의 비율로 최대전단응력이 감소함을 알 수 있다. 또한 전단계수의 경우도 상온(25℃)를 기준으로 40℃일 경우 53.
- 이 연구에서 제작된 복합재료 시험시편들은 모두 Hand lay-up 공정에 의하여 제작되었으며, 3 layer씩 각각 적층하여 경화시킨 후 제작하였으며 제작패널은 Figure 3과 같다. 제작된 복합재료 패널의 섬유함유량은 약 50%로 조사되었다. 시편형상은 ASTM규정에 따라 판형으로 제작되었으며, 전단시편에 대한 설계와 실제 제작된 전단시편은 Figure 4와 같다.
후속연구
- Figure 7은 각 수지별 전단거동특성에 대하여 향후 해석적 연구 시 적용될 비선형 모델을 제시한 그림이다. Equivalent Energy Method에 의하여 전단 Bi-Linear 모델을 제시하였으며 제시된 선형모델을 토대로 향후 복합재료의 전단보강재 또는 전단지배 영역의 보강설계에 매우 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.