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문제 정의
- 이 연구의 주요 목적은 보강접착 방법 중 수리 보수와 소형선 신조 시 많이 발생하는 형태 인double-Butt-strap-joint로 2차 보강한 샌드위치 보에서 두꺼운 면재까지도 실험 및 해석을 수행하였고 보의 정확한 굽힘 거동특성을 실험적으로 구한 특성 치를 근거로 보강 두께, 즉 적층 Ply의 최적 수, 보강 길이 등을 언급했다.
제안 방법
- sandwich 보에 대한 굽힘 거동 특성을 조사하기 위해서 시편의 면재는 chopped mat 300-450, roving clothes 570을 심재는 urethane foam core, resin은 불포화 polyester 713-bp 선박용을 사용하였고 resin과 fiber의 비율을 55 대 45로 하여 윗 면재와 아랫 면재를 제작하고 그 사이를 urethane form core로 채운 체 적층하였다. 2차 보강 접착 실험을 위하여 두 종류의 시편, 두꺼운 면재 및 얇은 면재의 형태로 제작하고 시험편의 중앙을폭 방향으로 절단 한 후 2차 보강 길이를 50 mm에서 150 mm까지 Double Butt Strap Joint의 방법으로 F.R.P. 보강을 한 후 굽힘 실험을 수행 하였다. 여기서 2차 보강 F.
- 보강을 하게 되고 이때 수직면이나 수평 면재의 여러층 접착에 따른 보강 접착 면재의 두께 불일치 또는 resin과 fiber의 연속 반복 적층에서 발생하는 액상 수지의 경화속도에 따른 강도 변화 등은 제작 시 고려되지 않는 상황이다. 따라서 본 실험에서는 굽힘 실험 후 파괴된 시험편으로 5개의 F.R.P. 시편을 만들고 태워서 계산 시의 이론적인 resin과 fiber의 중량 비, 제작 후 resin과 fiber의 중량 비를 구하는 Weight Fraction을 사용하여 강도의 정확성을 높였다.
- 또한 2차 보강 접착된 sandwich 보의 굽힘 거동 특성을 상세히 알기 위해 40 mm 두께의 코어를 가진 시편까지도 제작하여 실험하였다.
- 본 연구에서는 2차 보강 접착을 한 F.R.P. sandwich 보에 대한 굽힘 거동 특성을 조사하기 위해서 시편의 면재는 chopped mat 300-450, roving clothes 570을 심재는 urethane foam core, resin은 불포화 polyester 713-bp 선박용을 사용하였고 resin과 fiber의 비율을 55 대 45로 하여 윗 면재와 아랫 면재를 제작하고 그 사이를 urethane form core로 채운 체 적층하였다. 2차 보강 접착 실험을 위하여 두 종류의 시편, 두꺼운 면재 및 얇은 면재의 형태로 제작하고 시험편의 중앙을폭 방향으로 절단 한 후 2차 보강 길이를 50 mm에서 150 mm까지 Double Butt Strap Joint의 방법으로 F.
- 본 연구의 결과를 통해서 2차 보강 접착을 한 sandwich 보의 설계, 유지 및 보수 시 다음과 같은 보강 ply의 두께 및 길이 결정을 제안한다.
- 제작된 시편은 약 한달 동안 온도가 21 ℃이고 습도가 약 48%인곳에서 완전경화시킨후, ASTM standard C393-94에따라시편을 설계하고 굽힘 시험을 실시하였다(James[1984]).
- 중량 비를 측정하기 위해 굽힘 실험에서 파괴된 시편을 각 종류별로 Random Sampling하여 완전 연소시킬 시편 5개를 선정하였고 심재와 면재 들을 물리적으로 분리시키고 위, 아래 면재 중 한 면만을 선정하고 정밀저울을 사용하여 1/1000g 까지 측정한 후, 연소 Torch를 사용하여 1차 연소시킨 후, Fiber와 Fiber 사이에 남아있는 수지를 다시 분리 한 후 2차 연소시켜 완벽한 연소가 되도록 하였다. 이렇게 완전 연소시킨 수지 외에 태워 남은 Fiber의 무게를 측정하여 중량 비를 구하였다.
- 해석적인 고찰에는 크게 얇은 면재와 두꺼운 면재로 대별되고 본 연구의 범위는 두 식이 모두 사용 되어지는 2차 보강 된 구조이므로 2차 보강 전 샌드위치 시편을 얇은 면재, 두꺼운 면재로 각각 제작 후 각각의 식에 근거한 값을 구했고 그 식을 간략히 나타내고 면재에 대한 기준도 나타 냈다(Deborah [1973]).
대상 데이터
- 2차 보강 시 FRP 의 적층은 보강 길이를 달리 하였고 보강 ply 수도 변화를 주어 두께도 달리 하였다. Type 2는 중앙 절단면이 epoxy로 채워져 있고 심재의 두께, 면재의 두께, 2차 보강 길이 및 두께를 Type 1과 달리 하여 제작하였으며 Type 3의 시편은 면재 두께가 thick face를 가지고 있는 것만을 제외하고는 Type1과 동일하고 Type 4 역시 면재가 thick face를 가지고 있는 것만을 제외하고는 Type 2와 동일하다. Table 1에 시편의 종류를 보여주고 있다.
- 심재의 두께는 30, 40 mm이고 지지점간의 거리와 심재 두께의 비는 약 10으로 잡았다. sandwich 구조로 만들어진 요트 나 파워보트의 경우 심재의 두께는 대략 20 mm에서 35 mm 정도 이므로 심재 두께의 기준을 30 mm로 선택하였다.
- Table 3은 연소 후의 평균 중량 비를 나타내고있고 Resin과 Fiber의 비가 51 대 49로시편을 제작할 때의 예상 중량비와 제작 후의 중량비 차이가 약 4% 정도임을 밝혀냈다. 이 오차는 실험 시 오차 범위 내에 들어 있을 수 있으나 본 연구의 결과인 Table 3에 제안 한 강성 계산에 수정 된 중량 비를 사용하였다.
이론/모형
- 이렇게 완전 연소시킨 수지 외에 태워 남은 Fiber의 무게를 측정하여 중량 비를 구하였다.Table 3의 평균 중량 비는 case1부터 case5까지의 결과에 수지와 Fiber의 밀도 비를 고려한 참고문헌 5의 Weight Fraction식을 참고하였다.
- Sandwich 구조의 특성을 결정하는 가장 중요한 요소 중의 하나가 면재를 구성하는 물질 중 Fiber와 수지의 상관적인 비율이다. 이 상관적 비율을 계산하는 방법에는 Volume Fraction과 Weight Fraction 두 가지 방법이 있으나 전자의 방법은 연소시킨 후 정확한 Volume을 구하기가 난해해서 Volume Fraction보다는 정확한 무게를 확인할 수 있는 방법인 Weight Fraction을 사용하였다(Shenoi and Wellicome[2011]).
성능/효과
- 5(a)와 Fig. 5(b)에 파단 형태를 보여 주고 있으며 보강의 길이를 늘려주는 것보다 두께를 늘려주는 것이 강도 면에서 효율적인 것으로 나타났다.
- 2. 2차 보강 ply 의 길이의 결정: 2차 보강의 길이는 span 길이의 30%에서 40% 이상을 확보하여야 한다.
- 2차 보강을 2 ply로 하였을 때의 보강stiffness 는 sandwich 보 자체의 stiffness 보다 약하고, 2차 보강길이의 증가에 비해 sandwich보의 stiffness 증가는 미약하나, 2차 보강의 두께를 6 ply 로 증가시킨 경우 sandwich 보의 stiffness는 그 길이의 증가에 따라 뚜렷이 증가함을 보이고 있다.
- Sandwich 보의 굽힘 실험에 있어서 2차 보강 ply의 길이와 두께에는 밀접한 상관관계가 있음이 실험을 통하여 나타났다.
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