[논문]음의 포아송비 거동 격자체의 건설산업에의 적용 가능성 연구

김원우; 이장화; 문재흠

doi:10.11112/jksmi.2017.21.4.116

문제 정의

2에서 사전 검토한 내용을 기반으로 건설산업에 적용이 가능한 음의 포아송비 거동 보강재 적용방식 및 기하학적 형상에 대한 연구를 수행하였다. 건설산업의 특성상 복잡한 형상의 보강재는 취급 및 시공이 어렵다는 문제점이 있기 때문에 선행 연구를 참고하여 최대한 단순한 형상을 선택하고자 하였다.
본 연구에서는 콘크리트와 같은 건설용 구조재료의 양의포아송비 거동을 감소 또는 억제하기 위하여 음의 포아송비거동(Auxetic)을 가지는 격자체를 콘크리트에 매립, 보강하는 방식의 적용 가능성을 검토하였다. 또한 일반 건설산업에서 적용이 가능한 수준의 단순화된 음의 포아송비 격자체의 형태 및 형식을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 콘크리트와 같은 건설용 구조재료의 양의포아송비 거동을 감소 또는 억제하기 위하여 음의 포아송비거동(Auxetic)을 가지는 격자체를 콘크리트에 매립, 보강하는 방식의 적용 가능성을 검토하였다. 또한 일반 건설산업에서 적용이 가능한 수준의 단순화된 음의 포아송비 격자체의 형태 및 형식을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 콘크리트와 같은 건설용 구조재료의 양의포아송비 거동을 감소 또는 억제하는 방식의 일환으로 음의포아송비 거동(Auxetic)을 가지는 격자체를 콘크리트에 매립,보강하는 방식의 적용 가능성을 이론적으로 검토하였다. 이를 위하여 우선적으로 또한, 일반 건설산업에서 적용이 가능한 수준의 단순화된 음의 포아송비 격자체의 형태 및 형식을 제시, 해당 음의포아송비 격자체의 역학적 거동 특성을 검토하였으며 연구결과는 다음과 같다.
이를 위한 방안으로 다양한 건설재료 및 자재의 개발연구가 수행되고 있으며, 주된 관심사는 강도, 강성 및 인성 등의 증대에 있다. 본 연구에서는 콘크리트의 강성, 즉 탄성계수를 증대시키는데 있어서 음의 포아송비 거동을 가지는 격자체를 매립하는 방식을 취하고자 하였다. 즉, 콘크리트가 양의 포아송비 거동을 일으킬 때 매립된 음의 포아송비 거동 격자체가 구속력을 발휘함으로써 해당 복합체의 평균 탄성계수를 증대시키고자 하며, 그 이론적 개념은 Fig.
한편, 음의 포아송비 거동 격자로써 이중화살구조 형상의 경우에 있어서 화살촉의 형상 정도에 따라서도 역학적 거동에 미치는 영향이 변화하기 때문에 이에 대한 검토연구를 수행하였다.

가설 설정

5까지 변화시키면서 해석을 수행하였다. 해석은 선형탄성조건으로, 콘크리트와 외측 보강재는 일체화 거동을 한다고 가정하였다.

제안 방법

또한, (a)∼(d) 타입의 경우에 있어서 응력 발생 시 특정 지점에 집중되는 경향이 클 수 있다는 문제점도 예상되었다. 이에 본 연구에서는 (e)에서 보이는 바와 같은 이중화살구조 형상이 음의 포아송비 거동 격자 방식으로 건설산업에 적용하는 것이 유리한 것으로 판단되어 해당 형상을 선정하여 연구를 수행하였다.
2.2에서 사전 검토한 내용을 기반으로 건설산업에 적용이 가능한 음의 포아송비 거동 보강재 적용방식 및 기하학적 형상에 대한 연구를 수행하였다. 건설산업의 특성상 복잡한 형상의 보강재는 취급 및 시공이 어렵다는 문제점이 있기 때문에 선행 연구를 참고하여 최대한 단순한 형상을 선택하고자 하였다.
2.3.1에서는 이중화살구조의 격자 구성 최소단위 형상의 선정 및 가정된 변수 하에서의 역학적 거동을 검토하였으며,이러한 이중화살구조의 격자 구성 최소단위 형상으로 구성된 격자의 경우에 있어서의 역학적 거동을 유한요소해석을 통하여 검토하였다.
3) 건설산업 분야에서 적용이 가능한 음의 포아송비 거동 격자체를 구성함에 있어서 이중화살구조 형식을 제시하였으며, 이중화살구조 최소단위 형태의 기하학적 형상에 따른 역학적 특성을 이론식 및 유한요소해석을 통하여 검토하였다. 이 결과, 이중화살구조를 구성하는 요소의 세장비의 영향에 의해 비선형 거동이 발생할 수 있음을 확인하였으며, 최소 단위 형상에 대한 탄성계수 및 포아송비 수치에 대한 사전 예측이 가능함을 확인하였다.
또한, 음의 포아송비 거동 격자에 포함되는 격자 구성 최소단위 형상의 개수가 전체 격자의 거동에 미치는 영향을 검토하기 위하여 격자 구성 최소단위 형상의 개수를 4×4, 6×6, 8×8, 10×10, 15×15, 20×20, 30×30, 40×40으로 변화시키면서 상단 y축 방향 변위하중에 대한 격자 전체의 평균 탄성계수 및 평균 포아송비 수치를 분석하였다(Fig. 14).
본 연구에서는 1차적으로 음의 포아송비 거동 재료의 요구되는 성능을 검토하기 위하여 유한요소 해석을 수행하였으며, 적용된 기하학적 적용사항은 100 mm 직경의 콘크리트 기둥 외측에 보강재를 부착한 가정조건 하에 보강재의 두께 및 역학적 물성 변수를 적용하였다.
상기의 이론식과 유한요소해석을 통해 기하학적 형상에 따른 이중화살구조 격자 구성 최소단위 형상의 포아송비 및 탄성계수 변화를 검토하였으며, 기본적인 가정치로는 재료 자체의 탄성계수는 200 GPa, 재료 자체의 포아송비 0.3, l=0.03 m, h=b=0.001 m를 적용하여 수행하였다.
음의 포아송비 거동 격자의 해석에 있어서는 격자 구성 최소단위의 형상에 따른 검토연구의 경우와는 다르게 l=8 mm, h=b=3 mm로 구성하여 비선형 거동 영향을 감소시켜 보다 작은 각도 값의 적용이 가능하도록 하였다. 즉, θ₁=30º, θ₂=15º를 적용하였으며, 재료 자체의 탄성계수는 앞선 경우와 동일하게 200 GPa, 재료 자체의 포아송비는 0.
본 연구에서는 콘크리트와 같은 건설용 구조재료의 양의포아송비 거동을 감소 또는 억제하는 방식의 일환으로 음의포아송비 거동(Auxetic)을 가지는 격자체를 콘크리트에 매립,보강하는 방식의 적용 가능성을 이론적으로 검토하였다. 이를 위하여 우선적으로 또한, 일반 건설산업에서 적용이 가능한 수준의 단순화된 음의 포아송비 격자체의 형태 및 형식을 제시, 해당 음의포아송비 격자체의 역학적 거동 특성을 검토하였으며 연구결과는 다음과 같다.
즉, θ1=30º, θ2=15º를 적용하였으며, 재료 자체의 탄성계수는 앞선 경우와 동일하게 200 GPa, 재료 자체의 포아송비는 0.3을 적용하였다.

성능/효과

상기 샘플에서 (a) 및 (b) 타입의 경우는 요구되는 격자 자체의 강성유지의 한계가, (c) 및 (d) 타입의 경우는 제작 및 실제 적용상의 어려움이 예상되었다. 또한, (a)∼(d) 타입의 경우에 있어서 응력 발생 시 특정 지점에 집중되는 경향이 클 수 있다는 문제점도 예상되었다. 이에 본 연구에서는 (e)에서 보이는 바와 같은 이중화살구조 형상이 음의 포아송비 거동 격자 방식으로 건설산업에 적용하는 것이 유리한 것으로 판단되어 해당 형상을 선정하여 연구를 수행하였다.
1) 콘크리트에 음의 포아송비 거동 보강재를 탑재한 복합체의 역학적 거동을 이론적으로 검토한 결과, 음의 포아송비거동 보강재의 거동 특성에 의한 복합체의 강성 증가 효과가 발현될수 있음을 확인하였다.
2) 다만, 음의 포아송비 거동 보강제의 양이 높거나 보강제 자체의 강성이 커질수록 전체 복합체의 강성 증가에 음의 포아송비에 의한 기여율이 감소함을 확인하였다.
4) 음의 포아송비 거동 형상으로 구성된 격자를 구성하여 외부 하중에 대한 역학적 거동을 유한요소해석으로 검토하였으며, 격자를 구성하는 단위 형상의 개수가 증가함에 따라 일정 값으로 수렴함을 확인하였다. 또한, 단위 형상의 역학적 특성과 동일 단위 형상으로 구성된 격자의 역학적 특성에는 차이가 존재함을 확인하였으며, 이는 각 단위 형상이 격자체를 구성함에 따라 추가적인 구속력의 작용 및 외력의 분포, 전파됨에 따라 발생된 것으로 판단된다.
5의 E(Auxetic)/E(Con)) 보강재의 포아송비가 –0.5에 있어서 총 강성 증가 효과는 약 25%이었으며, 이 중 15%는 단면적의 증가에 의한 효과이며, 10%는 음의 포아송비에 의한 효과이었다.
Fig. 15에서 보이는 바와 같이 탄성계수의 경우에 있어서는 하중 직교방향인 x축 방향의 경우 4×4 격자의 경우 0.5 GPa을 보였으며, 격자를 구성하는 최소단위 형상의 개수가 많아질수록 증가하는 경향을 가져, 최종적으로는 0.9 GPa에 수렴하였다.
다만 보강재의 두께 및 탄성계수가 커짐에 따라 이에 의한 복합체의 강성증대 효과 정도가 음의 포아송비에 의한 강성증대 효과보다 상대적으로 매우 클 수 있음도 확인하였다. 즉,두께 5 mm 보강재의 경우 탄성계수가 콘크리트와 동일한 경우 (Fig.
5까지 검토하였으나, 음의 포아송비 수준이 높아질수록 강성증가 효과가 포물선 형태로 증가함을 확인하였다. 또한 보강재의 두께가 증가할수록, 탄성계수가 증가할수록 복합체의 강성증대에 보강재의 음의 포아송비 효과 또한 증가함을 확인하였다.
11은 θ₁, θ₂의 변화에 따른 포아송비 변화를 보여주고 있으며, 이론식 및 유한요소해석 결과가 잘 일치하고 있음을 확인할 수 있다. 또한 이중화살촉의 두 각도가 감소하면 할수록 음의 포아송비 수치가 더욱증가함을 알 수 있다.
4) 음의 포아송비 거동 형상으로 구성된 격자를 구성하여 외부 하중에 대한 역학적 거동을 유한요소해석으로 검토하였으며, 격자를 구성하는 단위 형상의 개수가 증가함에 따라 일정 값으로 수렴함을 확인하였다. 또한, 단위 형상의 역학적 특성과 동일 단위 형상으로 구성된 격자의 역학적 특성에는 차이가 존재함을 확인하였으며, 이는 각 단위 형상이 격자체를 구성함에 따라 추가적인 구속력의 작용 및 외력의 분포, 전파됨에 따라 발생된 것으로 판단된다.
이러한 동일 최소단위 형상으로 구성된 격자간의 역학적 물성의 차이는 각 최소단위 형상간의 추가적인 구속력 작용에 의한 영향과, 단부에 작용한 외력이 격자에 전파, 분포되면서 발생되는 영향에 따른 것으로 판단되며, 이러한 영향성을추가적으로 검토할 필요성이 있다. 본 연구 수행 결과, 비록 이론 및 해석에 기반한 연구를 수행, 제한된 결과가 도출되었으나, 결과수치를 고려할 경우 건설산업에의 적용 가능성이 충분함을 확인하였다. 이에 후속연구에서는 본 연구를 기반으로 한 실제 실험에 기반한 연구를 수행 중이며, 건설산업 분야에 있어서 새로운방식의 부재 및 부재 보강 방식을 제시한다.
비록 본 해석은 보강재의 음의 포아송비 수치를 –0.5까지 검토하였으나, 음의 포아송비 수준이 높아질수록 강성증가 효과가 포물선 형태로 증가함을 확인하였다.
3) 건설산업 분야에서 적용이 가능한 음의 포아송비 거동 격자체를 구성함에 있어서 이중화살구조 형식을 제시하였으며, 이중화살구조 최소단위 형태의 기하학적 형상에 따른 역학적 특성을 이론식 및 유한요소해석을 통하여 검토하였다. 이 결과, 이중화살구조를 구성하는 요소의 세장비의 영향에 의해 비선형 거동이 발생할 수 있음을 확인하였으며, 최소 단위 형상에 대한 탄성계수 및 포아송비 수치에 대한 사전 예측이 가능함을 확인하였다.
이러한 결과로부터 본 연구에서 적용된 변수인 재료 자체의 탄성계수 200 GPa, 재료 자체의 포아송비 0.3, l=0.03 m, h=b=0.001m의 경우에 있어서 음의 포아송비 효과를 높이면서 선형거동을 유지할 수 있는 형상은 θ1=30º, θ2=15º 수준이며, 해당 형상 조건에서의 최소단위 형상의 포아송비는 –1, 탄성계수는 약 23 GPa 수준이었다.
이러한 경향과는 반대로 하중방향인 y축 방향의 경우에는 4×4 격자의 경우 약 24 GPa의 탄성계수 값을 보였으나, 최소단위 형상의 개수가 증가할수록 격자 전체의 탄성계수는 감소하여 최종적으로는 15 GPa에 수렴할 것으로 예측되었다.
5에 있어서 총 강성 증가 효과는 약 25%이었으며, 이 중 15%는 단면적의 증가에 의한 효과이며, 10%는 음의 포아송비에 의한 효과이었다. 이에 반해, 보강재의 탄성계수가 콘크리트의 6배인 경우에 있어서는 총 134%의 강성증가 효과가 있는 반면에 음의 포아송비에 의한 효과는 약 39% 수준으로 총 강성증가 효과에 음의 포아송비 효과가 미치는 영향이 상대적으로 감소함을 확인하였다.
이와 같이 본 사전해석 수행 검토결과, 콘크리트에 음의 포아송비 거동을 가지는 보강재가 포함된 복합체에 있어서 보강재의 음의 포아송비 효과가 유의미한 수준으로 영향을 가질 수 있음을 확인하였으며, 음의 포아송비 수준이 높아질수록 그 효과가 급격히 증가함을 확인하였다.
즉, θ1, θ2의 값이 작아질수록 이론식과 유한요소 해석 결과의 차이가 더욱 커짐을 확인하였다.
한편, 포아송비의 경우에 있어서는 이중화살구조 형태상 하중작용 방향인 y축 방향을 고려할 때 y축방향의 발생변형률보다 x축방향의 발생변형률이 클 수 밖에 없기 때문에 νyx값이 νxy 보다 큰값을 가짐을 확인하였다.

후속연구

5) 이러한 이론적인 검토 연구를 기반으로 후속연구에서는 실제 콘크리트에 음의 포아송비 거동 격자체를 보강하는 방식의 실증연구를 수행, 실제 음의 포아송비 거동 격자체의 건설산업에의 적용 가능성을 검토하고자 한다.
한편, 콘크리트 재료 자체적으로는 구조물 건설에 요구되는 압축강도를 충족하고 있으나, 구조물의 대형화 및 초고층화에 따라 추가적인 성능향상이 요구되고 있다. 또한 정적 하중 뿐 만 아니라, 지진, 항공기 또는 차량 등에 의한 충격 및 폭발에 의한 하중에 대하여 구조물의 안전성을 추가적으로 확보하기 위한 대책 수립이 필요하다. 이를 위한 방안으로 다양한 건설재료 및 자재의 개발연구가 수행되고 있으며, 주된 관심사는 강도, 강성 및 인성 등의 증대에 있다.
41을 가짐에 비해, 동일한 최소단위 형상으로 구성한 격자시스템 전체의 평균 포아송비는 이의 37% 수준으로 수치의 감소가 크게 발생함을 확인하였다. 이러한 동일 최소단위 형상으로 구성된 격자간의 역학적 물성의 차이는 각 최소단위 형상간의 추가적인 구속력 작용에 의한 영향과, 단부에 작용한 외력이 격자에 전파, 분포되면서 발생되는 영향에 따른 것으로 판단되며, 이러한 영향성을추가적으로 검토할 필요성이 있다. 본 연구 수행 결과, 비록 이론 및 해석에 기반한 연구를 수행, 제한된 결과가 도출되었으나, 결과수치를 고려할 경우 건설산업에의 적용 가능성이 충분함을 확인하였다.
본 연구 수행 결과, 비록 이론 및 해석에 기반한 연구를 수행, 제한된 결과가 도출되었으나, 결과수치를 고려할 경우 건설산업에의 적용 가능성이 충분함을 확인하였다. 이에 후속연구에서는 본 연구를 기반으로 한 실제 실험에 기반한 연구를 수행 중이며, 건설산업 분야에 있어서 새로운방식의 부재 및 부재 보강 방식을 제시한다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	건축물 및 시설물의 건설에 있어 콘크리트는 어떤 장점을 가지고 있는가?	건축물 및 시설물의 건설에 있어서 콘크리트는 우수한 경제성, 시공성 및 역학적 특성으로 많이 사용되어지고 있다. 이에 반해, 압축강도에 비해 인장강도가 상대적으로 낮은 관계로 이를 극복하기 위하여 철근 등의 보강재를 사용하고 있는실정이며, 이를 위한 구조설계기준이 제시되고 있다.
	콘크리트의 단점은 무엇이며 이를 극복하기 위해 어떤 방법을 사용하는가?	건축물 및 시설물의 건설에 있어서 콘크리트는 우수한 경제성, 시공성 및 역학적 특성으로 많이 사용되어지고 있다. 이에 반해, 압축강도에 비해 인장강도가 상대적으로 낮은 관계로 이를 극복하기 위하여 철근 등의 보강재를 사용하고 있는실정이며, 이를 위한 구조설계기준이 제시되고 있다.
	일반적으로 콘크리트는 외부 하중의 작용 시 어떤 포아송비가 적용되는가?	일반적으로 콘크리트 등 대부분의 재료는 외부 하중의 작용 시 포아송비가 양의 값을 가지게 된다. 즉, 하중 작용방향으로 재료의 길이가 줄어듦에 따라, 하중 작용 연직방향으로는 길이가 증가하게 된다.

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