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타설 노즐의 내부 블레이드에 의한 섬유 방향성 제어 성능에 관한 수치 해석적 연구
Numerical Studies on the Control Performance of Fiber Orientation for Nozzle with Inside Blades 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.22 no.6, 2018년, pp.157 - 163  

이종한 (대구대학교 건설시스템공학과)

초록
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본 연구는 기존에 사용되어 지고 있는 타설 노즐 내부에 블레이드를 설치함으로써 타설 시 시멘트 복합체에 혼입된 섬유의 방향성을 제어하고 동시에 분포도를 향상시키고자 하였다. 블레이드 변수 최적화를 위하여 시멘트계 매트릭스 재료의 유동과 혼입된 섬유의 운동, 노즐간의 상호작용을 고려한 다중물리계 유한요소해석을 수행하였다. 사용되는 섬유길이를 변수로 하여 블레이드의 간격, 길이, 위치를 결정하였다. 내부 블레이드 간격이 섬유길이의 약 1.2~2.4배, 블레이드 길이는 섬유길이의 약 4~8배, 설치 위치는 시멘트 복합체가 도출되는 입구에서부터 섬유길이의 14배 이하일 때 섬유 방향각이 약 $15^{\circ}$이하로 제어되었다. 또한, 본 연구에서 제시된 블레이드형 노즐은 기존의 섬유보강 시멘트 복합체 타설장비와 타설관을 그대로 사용하면서, 탈 부착식으로 제작될 수 있어 사용성과 편의성을 동시에 제공할 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study is aimed at controlling the fiber orientation and improve the fiber distribution in fiber-reinforced cement composites using blades that can be placed inside the existing nozzles. To optimize the blade parameters, multi-physics finite element analysis was performed that could account for ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서, 본 연구에서는 기존에 일반적으로 사용되어 지고 있는 타설 노즐 내부에 블레이드(blade)를 설치하여 타설 시 시멘트 복합체에 혼입된 섬유의 방향성을 직접적으로 제어하고 분포도를 향상시키고자 하였다. 시멘트계 매트릭스 재료의 유동과 혼입된 섬유의 운동, 노즐간의 상호작용을 고려하기 위하여 multi-physics simulation 해석을 수행하였다.
  • 본 연구에서는 기존에 일반적으로 사용되는 타설 노즐 내부에 블레이드를 설치하여 타설 시 시멘트 복합체에 혼입된 섬유의 방향성을 제어하고 동시에 분포도를 향상시키고자 하였다. 시멘트계 매트릭스 재료의 유동특성과 혼입된 섬유의 운동, 노즐간의 상호작용을 고려한 다중물리계 유한요소해석을 수행하여 블레이드 변수를 정량적으로 분석하고 섬유 방향각 제어 성능을 평가하였다.

가설 설정

  • 노즐의 형상은 원형이며 블레이드는 노즐의 둘레방향으로 일정한 간격으로 배치되므로, 노즐 및 블레이드 해석모형은 2차원(two-dimension)으로 가정하였다. 시멘트계 재료의 흐름과 노즐의 경계조건, 섬유 운동간의 상호작용을 고려하기 위하여 본 연구에서는 COMSOL multi-physics software를 사용하였다.
  • 일반적으로 사용되는 타설 노즐 내부에 블레이드를 설치하여 섬유 방향각의 개선 효과와 제어 성능에 대해 분석하였다. 블레이드의 길이(Lb)와 부착위치(L1), 간격(Db)에 대한 해석시 노즐의 직경은 160mm, 섬유의 길이는 20mm 가정하였다. 따라서, 최적화된 블레이드에 대하여 섬유 길이와 노즐 직경 변화에 따른 섬유의 방향각 및 제어 성능을 평가하였다.
  • 시멘트계 재료의 유동속도는 난류 흐름(turbulent flow)에 비해 매우 낮은 속도이므로, 층류 유체(laminar fluid)로 가정할 수 있다(Azad et al., 2017). 따라서, 시멘트계 재료의 유동은 균질한 점성 층류 유체(homogeneous viscous laminar flow)로 정의하였다.
  • 노즐이 부착되는 L길이는 노즐 출구부터의 거리이다. 해석 시 사용된 섬유는 일반적으로 사용되는 20mm 길이의 강섬유이며, 노즐의 직경 (D)은 섬유의 길이를 고려하여 160mm로 가정했다. 노즐 직경 변화에 따른 블레이드와 섬유 방향각에 대한 평가는 4.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
섬유보강 시멘트 복합재료의 인장성능 향상과 연관이 있는 요소는 무엇인가? , 2017; Lee, 2017)등을 평가하였다. 이러한 재료적 성질과 함께 섬유보강 시멘트 복합재료의 인장성능 향상은 혼입된 섬유의 방향성(orientation)과 분포도(distribution)와도 직접적인 관계가 있다. 즉, 섬유가 혼입된 시멘트 복합재료는 배합과 타설 시 섬유가 뭉치는 현상이 발생하거나 섬유가 균일하게 분산되지 않아 섬유를 혼입하였음에도 인장성능이 효율적으로 향상되지 않을 수 있다.
시멘트 복합재료의 단점은 무엇인가? 시멘트 복합재료는 가장 기본적이며 중요한 건설재료로 사용되어 왔으나, 우수한 압축성능에 비해 인장성능은 매우 저조하다. 따라서, 강재, 플라스틱, 유리, 천연재료 등으로 제작된 짧은 길이의 섬유를 혼입하여 시멘트계 재료의 인장 저항능력과 연성능력을 향상시킨 섬유보강 시멘트 복합재료(FRCC, fiberreinforced cement composite)에 대한 연구가 활발히 이루어졌다.
섬유보강 시멘트 복합재료 중 타 섬유에 비해 재료적 성질이 우수하여 미국, 유럽 등을 중심으로 터널 숏크리트(tunnel shotcrete), 터널 라이닝(tunnel lining), 지반 바닥슬래브(ground supported slab) 등에 적용된 재료는 무엇인가? 따라서, 강재, 플라스틱, 유리, 천연재료 등으로 제작된 짧은 길이의 섬유를 혼입하여 시멘트계 재료의 인장 저항능력과 연성능력을 향상시킨 섬유보강 시멘트 복합재료(FRCC, fiberreinforced cement composite)에 대한 연구가 활발히 이루어졌다. 특히, 강섬유 보강 콘크리트 (SFRC, steel fiber-reinforced concrete)는 타 섬유에 비해 재료적 성질이 우수하여 미국, 유럽 등을 중심으로 터널 숏크리트(tunnel shotcrete), 터널 라이닝(tunnel lining), 지반 바닥슬래브(ground supported slab) 등에 적용되어 왔다 (Lee et al., 2016).
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참고문헌 (13)

  1. Azad, A., Lee, J.J., Lee, J.H., Lee, K.J., and An, Y.K. (2018), Numerical investigation of the density and inlet velocity effects on fiber orientation inside fresh SFRSCC, Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, 22(3), 16-20. 

  2. Boulekbache. B., Hamrat, M., Chemrouk, M., and Amziane, S. (2010), Flowability of fibre-reinforced concrete and its effect on the mechanical properties of the material, Construction and Building Materials, 24, 1664-1671. 

  3. Cao, Y.Y.Y. and Yu, Q.L.(2008) Effect of inclination angle on hooked end steel fiber pullout behavior in ultra-high performance concrete, Composite Structures, 201, 151-160. 

  4. Ellis, B.D., McDowell, D.L,, and Zhou, M. (2014), Simulation of single fiber pullout response with account of fiber morphology, Cement Concrete Composite, 48, 42-52. 

  5. Ferrara, L., Cremonesi, M., Tregger, N., Frangi, A., and Shah, S.P. (2012), On the identification of rheological properties of cement suspensions: rheometry, computational fluid dynamics modeling and field test measurements, Cement and Concrete Research, 42, 1134-1146. 

  6. Ferrara, L., Ozyurt, N., and di Prisco, M. (2011) High mechanical performance of fiber reinforced cementitious composites: the role of "Casting-flow Induced" fiber orientation, Materials and Structures, 44, 109-128. 

  7. Kang, S.T., Lee, B. Y., Koh, K. T. (2013), Prediction of fiber dispersion and orientation in fiber-reinforced cementitious composites, Magazine of the Korea Concrete Institute, 25(3), 39-42. 

  8. Lee, J.H. (2017), Influence of concrete strength combined with fiber content in the residual flexural strengths of fiber reinforced concrete, Composite Structures, 168, 216-25 

  9. Lee, J.H., Cho, B.S., and Cho, C.O. (2016), Design of Ground Floor Slab According to the Method for Evaluating the Tensile Performance of Steel Fiber Reinforced Concrete, Journal of the Korea Concrete Institute, 28(1), 95-104. 

  10. Lee, J.H., Cho, B.S., and Choi, E. (2017), Flexural capacity of fiber reinforced concrete with a consideration of concrete strength and fiber content, Construction and Building Materials, 138, 222-2231. 

  11. Roussel, N., Staquet, S., Schwarzentruber, L.D., Roy, R.L., and Toutlemonde, F. (2007), SCC casting prediction for the realization of prototype VHPC-precambered composite beams, Materials and Structures, 40, 877-887. 

  12. Soufeiani, L., Raman, S.N., Jumaat, M.Z.B., Alengaram, U.J., Ghadyani, G., and Mendis, P. (2016), Influences of the volume fraction and shape of steel fibers on fiber-reinforced concrete subjected to dynamic loading - a review, Engineering Structures, 124(1), 405-417. 

  13. Wang, Z.L., Wu, J., and Wang, J.G. (2010), Experimental and numerical analyses on effect of fiber aspect ratio on mechanical properties of SRFC, Construction and Building Materials, 24(4), 559-565. 

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