[논문]탄소섬유보강폴리머의 인장시험시 변형으로부터 환산한 변형률 응답에 대한 연구

김윤곤

doi:10.11112/jksmi.2019.23.4.137

탄소섬유보강폴리머의 인장시험시 변형으로부터 환산한 변형률 응답에 대한 연구
Study on Strain Response Converted from Deformation in Tensile Test of Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRP) 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.23 no.4, 2019년, pp.137 - 144

김윤곤 (대구대학교 건축공학과)

초록
AI-Helper

취성재료인 탄소섬유보강폴리머(CFRP)의 시편시험에서 총변형량과 유효길이로서 유도되는 환산변형률을 도입하고, 환산변형률의 장점을 기술하였다. 일반적으로 재료의 인장물성을 결정하기 위해 스트레인 게이지 측정값을 사용하지만, 취성특성을 가지는 CFRP에서는 항상 유효한 것은 아니다. 그 이유는 취성재료에서는 응력재분배를 할 수 없으며, 스트레인 게이지의 측정값은 국부거동만을 나타기 때문이다. 따라서 환산변형률은 취성재료의 인장인장특성의 평균값을 측정하고 변형률과 측정값을 검증하는 보조지표로서 효과적으로 사용될 수 있다. 또한 환산변형률은 1) 제작 오차(편차) 와 세팅 오차(정렬 불량)에 의해 발생하는 초기 내부 변형률에 기인한 영향과 2) 불균일 변형분포로 인한 부분파단 이후 거동을 명확히 가시화하는 장점이 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

In coupon test of carbon fiber reinforced polymers (CFRP) as brittle materials, the converted strain derived from total deformation and effective length was introduced and its advantages were described. In general, measured value from strain gauge is used for determining the tensile properties of material, but it is not quite effective in CFRP because brittle material can not redistribute its stress and it only represents local behavior. For this reason, the converted strain response can be utilized effectively as a supplementary indicator, which evaluated the average value of tensile properties in brittle material and confirmed the strain measured by strain gauge. In addition, the converted strain clearly visualized 1) the effect of initial internal strain caused by fabrication errors and setup misalignment when applying gripping force and 2) post-response of partial rupture of CFRP caused by non-uniform strain distribution. non-uniform strain distribution.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1 Layout of strain gages specified in ASTM D3039
그림 Fig. 2 Specimen configuration used in this study
그림 Fig. 3 Probability density of normal distribution for ultimate stress
그림 Fig. 4 Setup for CFRP tensile test
그림 Fig. 5 Tensile force-deformation relationship of CFRP coupon series
그림 Fig. 6 Tensile stress-strain relationship of CFRP coupon series
표 Table 1 Summary of test results in T1 series (CFRP coupon of one layer)
표 Table 2 Summary of test results in T2 series (CFRP coupon of two layers)
표 Table 3 Summary of test results in T3 series (CFRP coupon of three layers)
그림 Fig. 7 Photos of T1-24 at failure
그림 Fig. 8 Tensile test results of CFRP coupon T1-24

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 취성재료인 탄소섬유의 직접인장시험에서 스트레인 게이지의 계측과 병행하여 총 변형과 유효길이로부터 유도한 환산변형률을 평가하는 것의 장점을 기술하였다. 환산변형률은 유효길이의 산정의 어려움과 측정장비 자체 변형올 분리하여 평가하기 어려움 등의 한계로 변형률을 정량적으로 산정하기 어려울수 있으나, 변형률 계측 결과와 상호보완적으로 활용할 수 있다.
본 연구에서는 취성재료인 탄소섬유의 인장시험 결과로부터 인장 물성 값을 산정할 때, 변형치를 계측하고 그 값과 응력유효길이로부터 산정한 환산변형률을 계측하여 스트레인 게이지와 별도로 유의미한 결과를 도출하여, 탄소섬유 인장시험 결과의 신뢰성을 향상하는 보완책을 제시하고자 한다.

제안 방법

7 mm로 추정할 수 있다. Fig.4와 같이 제작된 시편은 그립부의 인장 미끌림이 발생하지 않도록 유압그립을 통해 적정 지압력을 가한 상태로 분당 0.5 mm 의 변위제어 (약 0.003 ~ 0.004의 변형률에 해당)로 인장력을 가하여 시험을 수행하였다.
7은 T1-24 시험의 파단사진으로 상단 그립부 부근의 파단을 확인할 수 있다. 그림과 같이 세 스트레인 게이지 (Left /Right/Back)와 환산변형률 (Conv.)로 구분하여 각 응답을 기록하였고, Fig. 8과 같이 나타내었다. 전반적으로 이 시험은 전면 좌/우, 후면의 변형률과 환산변형률이 거의 일치하였다.
또한 각 변수의 평균(mean) 및 변동계수(CV, coefficient of variation)를 통해 응력결과의 변동성과 각 변수별 변동성을 평가하였다. 또한 Fig. 5와 Fig. 6에서 각 시편의 파단시점의 변위/하중, 응력/변형률 관계를 제조사의 평균값, 설계값과 비교하고, 보강매수에 따른 실험결과의 편차를 분석하였다. 강도는 응력과 단면적의 곱이므로, 보강매수가 증가할수록 강도의 편차는 다소 증가하였으나(Fig.
)은 좌/우측 변형률의 평균, 환산변형률(converted strain)은 극한시점 변위를 시편길이 150 mm로 나눈 값으로, 이 환산변형률과 측정변형률의 평균값을 비교하였다. 또한 각 변수의 평균(mean) 및 변동계수(CV, coefficient of variation)를 통해 응력결과의 변동성과 각 변수별 변동성을 평가하였다. 또한 Fig.
또한 파단 위치를 변형률 측정위치로 유도하기 위해 탭은 시편 중앙에서 단면크기를 점진적으로 증가하여 급격한 응력변화를 방지하였다. 본 연구에서는 Fig.2 와 같이 시편을 A, B, C 부분으로 구분하여 제작하였다. A는 실험부, B는 시편의 섬유방향으로 연단 및 그립부 단면을 증가시켜 파단이 측정 구간에서 이뤄지도록 유도하고, C는 섬유방향의 직각방향으로 배치하여 섬유방향의 인장응력을 그립부에서 가급적 전체 섬유에서 작용하여 응력을 재분배하고, 인장력에 의한 하중분산을 유도하였다.
1과 같이 시편 전면 2개, 후면 1개의 스트레인 게이지를 부착하도록 권장한다. 이 세 측정값으로부터 시편의 면내, 면외 변형률 분포를 평가하여 유효실험 여부를 판단한다. 이로부터 변형률 분포가 시험결과 값에 편차를 일으키는 주요 원인임을 판단할 수 있다.
시편 크기가 작을수록 제작과정에서 발생할 수 있는 오차가 시험결과에 미치는 영향은 커지므로 탄소섬유의 절단, 섬유의 배치, 에폭시 레진 혼합 등의 과정에서 주의가 필요하다. 이에 6마디 폭의 시편을 1매, 2매, 3매로 하여 각각 20회 내외의 인장시험을 수행하였다. 1매의 규격 기준으로 산정한 극한하중은 8.

대상 데이터

각 보강매수별 특징을 기술하면 탄소섬유 1매 (T1 시리즈) 시험은 총 25개 시편 중 비정상적으로 종료된 2개 시험 (-19, -25)을 제외한 23개 시험결과를 분석하였다. 파단변형률 평균은 약 1.
11 mm, 폭은 50 cm 인 탄소섬유를 폭방향으로 절단하여 사용하였다. 일방향 탄소섬유는 일정량을 묶음형태로 직조되어 있으며, 총 128마디 중 6마디를 시편으로 사용하였고, 이는 폭 23.44mm에 해당한다. 시편 크기가 작을수록 제작과정에서 발생할 수 있는 오차가 시험결과에 미치는 영향은 커지므로 탄소섬유의 절단, 섬유의 배치, 에폭시 레진 혼합 등의 과정에서 주의가 필요하다.
제조사 규격의 공칭두께는 0.11 mm, 폭은 50 cm 인 탄소섬유를 폭방향으로 절단하여 사용하였다. 일방향 탄소섬유는 일정량을 묶음형태로 직조되어 있으며, 총 128마디 중 6마디를 시편으로 사용하였고, 이는 폭 23.

데이터처리

Table 1, Table 2, Table 3은 극한시점의 실험결과를 탄소섬유 매수에 따라 각각 정리한 것이다. 극한변위, 극한하중, 변형률 좌/우(left/right)는 계측치, 평균(avg.)은 좌/우측 변형률의 평균, 환산변형률(converted strain)은 극한시점 변위를 시편길이 150 mm로 나눈 값으로, 이 환산변형률과 측정변형률의 평균값을 비교하였다. 또한 각 변수의 평균(mean) 및 변동계수(CV, coefficient of variation)를 통해 응력결과의 변동성과 각 변수별 변동성을 평가하였다.

성능/효과

2) B구간 (파단변형률- 변형률 1%이상- 에 근접) – 에 대하여 환산변형률은 스트레인 게이지와 차별화된 응답을 보여준다.
그 외의 게이지의 측정값은 변화는 없어야 하지만, 레진에 의해 일체화된 시편에서 탄소섬유 파단으로 인해 하중흐름이 변경되어 전체적으로 변형률이 다소 감소하는 경우도 있었다. 또한 스트레인 게이지 응답은 부분파단 시점에서 감소하였지만, 응력과 변형률이 탄성계수로 감소하며 그래프가 중첩되어 마치 하중을 일부 제거한 것과 같은 응답을 보이는 반면, 환산변형률 응답은 변형률 감소 없이 응력만 감소하였고, 다소 감소한 기울기 (탄성계수)로 다시 변형률, 응력이 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 즉 게이지 응답에 비해 부분파단을 명확하게 가시화한다( Fig. 8-(c)).
탄소섬유 2매 (T2 시리즈) 시험은 20개 시편의 인장시험결과 파단 변형률은 1.65 %, 인장응력은 4403 MPa로 제조사 규격에 가장 근사한 결과를 보였으며, 실험결과를 통계적으로 분석하여 기준에서 요구하는 신뢰수준의 응력값 (m-3σ)은 3587 MPa으로 제조사 규격을 만족하였다.
탄소섬유 3매 (T3 시리즈)의 인장시험결과 파단변형률은 1.56 %, 파단응력은 4253 MPa로 2매 (T2 시리즈)보다 다소 감소하였다. 하지만, 동시에 파단변형률이 감소한 점을 고려하면 T2와 T3의 결과는 거의 유사하였다.
하지만, 동시에 파단변형률이 감소한 점을 고려하면 T2와 T3의 결과는 거의 유사하였다. 파단변형률 감소 원인은 최대인장력에 도달하기 전에 그립부근 계면에서 부착력을 상실하여 일시적으로 인장응력거리가 증가하면서 스트레인게이지에서 계측된 변형률이 감소하였고, 또한 하중 계측치 역시 감소하여 역학적으로 일관된 결과를 보였으며, 더불어 계면부착력 상실 시점에서 일부 탄소섬유는 파단 하였고, 이로 인한 강도손실이 일부 있었을 것으로 추정된다. 반면 환산변형률은 계면부착력 상실 시점에서 변형이 증가하고, 실질적으로는 응력 유효거리가 증가하였을 것이나 이를 반영하기 어려워 상수 값을 적용하기 때문에 환산변형률과 계측변형률 평균값의 비가 크다.
각 보강매수별 특징을 기술하면 탄소섬유 1매 (T1 시리즈) 시험은 총 25개 시편 중 비정상적으로 종료된 2개 시험 (-19, -25)을 제외한 23개 시험결과를 분석하였다. 파단변형률 평균은 약 1.1 % 로 제조사 규격 (1.5 %이상)에 비해 조기에 파단하였지만, 높은 탄성계수에 기인하여 응력 평균은 4253 MPa으로 제조사 규격보다 상회하였다. 다만 규격값은 하한 기준이기 때문에 만족스런결과라고 보기 어렵고, 이에 대한 분석은 2.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	탄소섬유가 시편제작과정에서 면외방향 평활도를 확보하기 어려운 이유는?	탄소섬유는 시편 두께가 얇아, 시편제작과정에서 면외방향 평활도를 확보하기 어려운 조건이다. 본 연구에서 사용한 시편의 경우 적층제작으로 인해 양생 과정에서 불가피하게 미소한 면외변형을 가지게 된다.
	환산변형률의 장점은?	따라서 환산변형률은 취성재료의 인장인장특성의 평균값을 측정하고 변형률과 측정값을 검증하는 보조지표로서 효과적으로 사용될 수 있다. 또한 환산변형률은 1) 제작 오차(편차) 와 세팅 오차(정렬 불량)에 의해 발생하는 초기 내부 변형률에 기인한 영향과 2) 불균일 변형분포로 인한 부분파단 이후 거동을 명확히 가시화하는 장점이 있다.
	취성특성을 가지는 CFRP에서 스트레인 게이지 측정값이 항상 유효하지 않은 이유는?	일반적으로 재료의 인장물성을 결정하기 위해 스트레인 게이지 측정값을 사용하지만, 취성특성을 가지는 CFRP에서는 항상 유효한 것은 아니다. 그 이유는 취성재료에서는 응력재분배를 할 수 없으며, 스트레인 게이지의 측정값은 국부거동만을 나타기 때문이다. 따라서 환산변형률은 취성재료의 인장인장특성의 평균값을 측정하고 변형률과 측정값을 검증하는 보조지표로서 효과적으로 사용될 수 있다.

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증