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.
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.
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 ...
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 the flow of the cementitious matrix material, the movement of the entrained fibers, and the interactions with the nozzle. As a result, this study defined the blade distance, length, and position as a function of the fiber length to be used in the field. The blades with a distance from 1.2 to 2.4 times the fiber length and length from 4 to 8 times the fiber length, as well as located at below 14 times the fzfiber length from the nozzle exit maintained the fiber orientation angle less than $5^{\circ}$. In addition, the blade-type nozzle proposed in the study can be attachable and detachable to the conventional casting equipment, and thus it can provide the usability and convenience in practical applications.
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 the flow of the cementitious matrix material, the movement of the entrained fibers, and the interactions with the nozzle. As a result, this study defined the blade distance, length, and position as a function of the fiber length to be used in the field. The blades with a distance from 1.2 to 2.4 times the fiber length and length from 4 to 8 times the fiber length, as well as located at below 14 times the fzfiber length from the nozzle exit maintained the fiber orientation angle less than $5^{\circ}$. In addition, the blade-type nozzle proposed in the study can be attachable and detachable to the conventional casting equipment, and thus it can provide the usability and convenience in practical applications.
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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 L1 길이는 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.
제안 방법
기존 타설 노즐 끝에 부착된 블레이드형 노즐에서 블레이드가 부착되는 위치, 즉 노즐 출구 끝에서부터 길이변화 (L1=0, 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14lf)에 따른 해석을 수행하여 섬유의 회전각을 분석하였다. 이때, 블레이드 길이(Lb)는 앞서 최적화된 6lf로 정의하였으며, 블레이드 간격(Db)은 2lf로 동일하게 하였다.
기존 타설 노즐 내부에 부착되는 블레이드의 영향을 평가하기 위하여 블레이드 길이 변화에 따른 섬유의 방향각을 분석하였다. 블레이드 길이(Lb)는 섬유길이(lf) 의 2, 4, 6, 8, 10배에 대하여 해석을 수행하였다.
도출 이후 일정하게 유지된 섬유의 방향각을 비교하기 위하여 Fig. 7에 보인 바와 같이 노즐 출구에서 200mm 위치에서의 섬유 방향각을 분석하였다. Lb = 2lf에서 6lf로 길어짐에 따라, 섬유 방향각이 감소하였으며, Lb = 6lf 이상인 경우는 섬유의 방향각이 다시 증가하였다.
이후, 회전운동 없이 거의 일정한 방향각을 유지한 채 도출되었다. 따라서, Fig. 6에 보인 바와 같이 섬유가 도출된 후 50mm 간격으로 섬유의 방향각 변화를 분석하였다. Lb = 2lf 경우, 블레이드가 부착된 노즐에서 도출된 섬유 방향각이 노즐이 부착되지 않은 기존의 타설 노즐에서 도출된 섬유 방향각보다 좋지 않아 블레이드 노즐에 의한 섬유의 방향각 향상을 기대할 수 없다.
따라서, Fig. 9에 보인 바와 같이 노즐 출구에서 200mm 위치에서 도출 이후 안정화된 섬유의 방향각을 분석하였다. 블레이드 위치(L1)가 0 ~ 2lf 구간에서는 섬유의 방향각이 약 15°로 거의 일정하게 유지되었다.
따라서, 본 연구에서는 섬유를 노즐 상·하부 벽면에서 30mm 떨어진 위치에 각각 배치시켜 섬유의 회전운동을 고려하였으며, 동시에 섬유의 회전 시벽면과의 충돌을 방지하였다.
2배 이하인 경우는 섬유의 작은 운동에도 노즐의 벽 및 블레이드와의 충돌로 해석의 수렴값을 얻을 수 없었다. 따라서, 본 해석에서는 블레이드간 간격을 섬유길이의 1.2, 1.6, 2.0, 2.4, 2.7배로 고려하였다. 이때, 블레이드 길이(Lb)와 블레이드 부착위치(L1)는 앞서 최적화된 6lf로 정의하였다.
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. 즉, 앞서 최적화된 블레이드 변수인 Db = 2lf, Lb = 6lf, L1 = 6lf에 대하여 섬유 길이 20, 30, 40, 50mm 에 대하여 해석을 수행하였다.
특히, Lb = 6lf 경우 섬유의 방향각이 거의 영(0)°으로 나타났다. 또한, 최적화된 블레이드 길이(Lb)에 대해서 블레이드 부착 위치가 변화함에 따라 섬유의 방향각 변화를 분석하였다. 블레이드가 노즐 출구 끝에서부터 14lf 이내에 있는 경우 섬유의 방향각이 약 15° 이내로 나타났으며, 특히, L1 = 6lf 경우 섬유의 방향각이 거의 영(0)°에 가까웠다.
기존 타설 노즐 내부에 부착되는 블레이드의 영향을 평가하기 위하여 블레이드 길이 변화에 따른 섬유의 방향각을 분석하였다. 블레이드 길이(Lb)는 섬유길이(lf) 의 2, 4, 6, 8, 10배에 대하여 해석을 수행하였다. 이때, 블레이드 간격(Db)은 2lf, 블레이드 부착위치(L1)는 노즐 출구 끝에서부터 6lf로 동일하게 하였다.
블레이드 길이와 부착위치에 대한 섬유의 방향각 분석 이후, 블레이드간 간격(Db) 변수에 대한 해석을 수행하였다. 블레이드간 간격이 1.
섬유의 방향각 변화를 평가하기 위하여 섬유가 도출된 후 50mm 간격으로 섬유의 방향각을 분석하였다. 섬유의 방향각은 시멘트계 재료의 방향, 즉 노즐의 길이방향과 일치하였을때 영(0)° 이다.
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. 해석 결과 시공에서 사용되는 섬유의 길이를 변수로 하여 블레이드형 노즐의 블레이드 간격(Db), 블레이드 길이(Lb), 블레이드 위치(L1)를 결정하였다.
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. 주요 연구 결과는 다음과 같다.
원형 타설 노즐에서 섬유가 배출되었을 때 섬유 방향각을 분석하였다. 노즐의 직경은 블레이드가 부착된 노즐과 동일하게 160mm이며, 강섬유는 노즐의 중앙과 상·하부에 위치시켰다.
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. 즉, 앞서 최적화된 블레이드 변수인 Db = 2lf, Lb = 6lf, L1 = 6lf에 대하여 섬유 길이 20, 30, 40, 50mm 에 대하여 해석을 수행하였다. 이때 노즐직경(D)은 섬유길이의 6배와 8배, 2가지 경우를 고려하였다.
해석 결과 시공에서 사용되는 섬유의 길이를 변수로 하여 블레이드형 노즐의 블레이드 간격(Db), 블레이드 길이(Lb), 블레이드 위치(L1)를 결정하였다.
이론/모형
재료의 유동과 구조체, 구조요소간의 상호작용해석 시 해석값의 수렴(convergence)은 요소 크기(element size)에 지배적이다. 따라서, 본 연구에서는 적응적 요소 재구성 방법(adaptive mesh refinement method)을 사용하여 섬유의 회전 운동과 방향각 변화를 분석할 수 있는 시간이력해석(time history analysis)를 수행하였다.
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. Fig.
성능/효과
Db가 2.0lf에서 1.2lf로 감소할수록 섬유 방향각은 다시 증가하여, Db = 1.2lf 일 때 섬유 방향각이 약 13°, Db = 2.4lf 일 때 섬유의 방향각이 약 15° 로 나타났다.
결론적으로 섬유 길이(lf)를 변수로 하여 내부 블레이드 간격이 섬유길이의 약 1.2 ~ 2.4배, 블레이드 길이는 섬유길이의 약 4 ~ 8배, 설치 위치는 시멘트 복합체가 도출되는 출구에서부터 섬유길이의 14배 이하일 때 섬유 방향각을 약 15°이하로 제어되었다.
그리고, 섬유 길이 40, 50mm 인 경우에도 최적화된 블레이드형 노즐에서 직경 D = 6lf 일 때 섬유 방향각이 각각 약 1.0°, 0.8° 였으며, D = 8lf 일 때는 방향각이 각각 약 0.6°, 0.1° 로 나타났다.
따라서, 본 연구에서 제시된 블레이드형 노즐 형상은 노즐의 직경 변화에 거의 영향을 받지 않고 1.0° 이내의 매우 낮은 섬유 방향각을 나타냈다.
0° 이내의 매우 낮은 섬유 방향각을 나타냈다. 또한, 사용되는 섬유길이 변화도 적절히 반영하여 우수한 섬유 방향각 제어 성능을 보였다.
0° 이내의 매우 낮은 섬유 방향각을 나타냈다. 또한, 사용되는 섬유길이도 적절히 반영하여 우수한 섬유 방향각 제어 성능을 보였다.
특히, L1 = 6lf 경우는 섬유의 방향각이 거의 영(0)°으로 나타났다. 또한, 섬유의 방향각은 노즐 출구에서 도출된 직후부터 거의 일정하게 유지되었다.
8는 블레이드 부착 위치에 따른 섬유의 방향각 변화를 노즐 출구부터 50mm 간격으로 분석하였다. 모든 경우에 대하여 기존 타설 노즐에서 도출된 섬유 방향각보다 낮게 나타났다. 특히, L1 = 6 ~ 10lf 일 때 섬유의 방향각 개선 효과가 매우 크게 나타났다.
블레이드 변수 해석을 통해 제시된 노즐은 기존의 섬유보강 시멘트 복합체 타설장비와 타설관을 그대로 사용하면서, 탈·부착식으로 제작될 수 있어 사용성과 편의성을 동시에 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
즉, Db = 2.0lf일 때 섬유 방향각이 거의 영(0)° 으로 최소의 값을 보였다.
최적화된 블레이드에 대하여 노즐의 직경 변화에 따른 섬유 방향각을 분석한 결과, 직경 변화에 거의 영향을 받지 않고 1.0° 이내의 매우 낮은 섬유 방향각을 나타냈다.
Lb = 2lf 경우, 블레이드가 부착된 노즐에서 도출된 섬유 방향각이 노즐이 부착되지 않은 기존의 타설 노즐에서 도출된 섬유 방향각보다 좋지 않아 블레이드 노즐에 의한 섬유의 방향각 향상을 기대할 수 없다. 하지만, Lb = 4, 6, 8lf 일 때는 섬유의 방향각 향상을 기대할 있으며, 특히, Lb = 6lf일 때 가장 낮은 섬유 방향각을 보였다.
후속연구
본 연구에서 제시된 블레이드형 노즐은 섬유 방향각 제어 성능뿐만 아니라, 기존의 섬유보강 시멘트 복합체 타설장비와 타설관을 그대로 사용하면서, 탈·부착식으로 제작될 수 있어 사용성과 편의성을 동시에 제공할 수 있을 것으로 판단된다.
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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