[논문]극저온 환경 하 플라이우드의 전단 거동 및 파손 특성 분석

손영무; 김정대; 오훈규; 김용태; 박성보; 이제명

doi:10.26748/ksoe.2019.048

극저온 환경 하 플라이우드의 전단 거동 및 파손 특성 분석
Analysis of Shear Behavior and Fracture Characteristics of Plywood in Cryogenic Environment 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.33 no.5, 2019년, pp.394 - 399

손영무 (부산대학교 조선해양공학과) , 김정대 (부산대학교 조선해양공학과) , 오훈규 (현대중공업(주) 선박연구소) , 김용태 (현대중공업(주) 선박연구소) , 박성보 (현대중공업(주) 선박연구소) , 이제명 (부산대학교 조선해양공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Plywood is a laminated wood material where alternating layers are perpendicular to each other. It is used in a liquefied natural gas (LNG) carrier for an insulation system because it has excellent durability, a light weight, and high stiffness. An LNG cargo containment system (LNG CCS) is subjected to loads from gravity, sloshing impact, hydrostatic pressure, and thermal expansion. Shear forces are applied to an LNG CCS locally by these loads. For these reasons, the materials in an LNG CCS must have good mechanical performance. This study evaluated the shear behavior of plywood. This evaluation was conducted from room temperature ($25^{\circ}C$) to cryogenic temperature ($-163^{\circ}C$), which is the actual operating environment of an LNG storage tank. Based on the plywood used in an LNG storage tank, a shear test was conducted on specimens with thicknesses of 9 mm and 12 mm. Analyses were performed on how the temperature and thickness of the plywood affected the shear strength. Regardless of the thickness, the strength increased as the temperature decreased. The 9 mm thick plywood had greater strength than the 12 mm thick specimen, and this tendency became clearer as the temperature decreased.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

LNG 선박 운용 환경 하에서 플라이우드의 전단성능을 평가하는 것이 본 연구의 목적이다. 플라이우드는 얇은 목재판을 나뭇결의 방향이 각 층마다 직교가 되도록 0°와 90°로 접착제를 이용하여 겹겹이 쌓아 올린 직교 이방성 경질재료이다.

제안 방법

2.2 실험 조건

본 연구는 LNG 저장용기 단열시스템에 사용되는 플라이우드의 재료성능 평가로, 실제 운용되는 상온(25℃)에서부터 극저온(-163^℃)까지의 온도를 고려하여 실험을 진행하였다. 두 구간 사이 -20℃ -65℃ -110℃ 대한 실험을 진행하여 온도에 따른 플라이우드 거동을 분석하였다.
본 논문에서는 LNG CCS에 사용되는 플라이우드에 대한 전단성능평가를 진행하였다. LNG CCS에 사용되는 9mm, 12mm 두께에 대한 평가를 진행하였으며, 상온(25℃)에서부터 –20℃, -65℃, -110℃를 거쳐 실제 운용온도인 극저온(–163℃)까지 전단거동 평가를 진행하였고, 결과는 아래와 같다.

대상 데이터

이를 바탕으로 본 실험에서 역시 9mm와12mm의 플라이우드에 대한 전단성능 및 파손특성을 분석하였다. 본 연구에서는 Melamine-urea-formaldehyde(MUF) 접착제를 이용하여 목재판 각 층을 서로 직교하게 부착한 판을 이용하였다. 9mm 시편의 경우 총 7겹, 12mm 시편의 경우 총 9겹의 목재판을 결합한 재료이다.

데이터처리

본 실험에서 상온에서 극저온 환경까지의 온도별 플라이우드의 전단거동과 파손특성을 분석하였고, 두께별로 전단강도가 다소 차이나는 결과를 얻었으며 파손특성을 바탕으로 원인을 분석하였다. 이를 바탕으로 LNG CCS를 포함한 플라이우드 구조물 설계 시, 플라이우드의 재료특성을 고려하여 두께에 따른 성능의 변동성에 대한 평가 필요성을 제시한다.

이론/모형

플라이우드는 얇은 목재판을 나뭇결의 방향이 각 층마다 직교가 되도록 0°와 90°로 접착제를 이용하여 겹겹이 쌓아 올린 직교 이방성 경질재료이다. 이러한 재료 특성을 고려하여 복합재료 전단성능평가 표준시험 규격인 ASTM D5379-12를 바탕으로 시험편을 목재판으로부터 가공하였다.

성능/효과

(1) 전단시험에서, 플라이우드는 온도가 낮을수록 항복에 이르는 변형률이 감소를 하며, 전단강도와 탄성계수는 상승하였다. 이는 분자와 원자 간의 결합력이 강해지고, 목재 섬유 내 수분의 결빙, 접착제 자체의 강도 향상이 요인으로 작용한 결과로 판단된다.
(2) 플라이우드가 두꺼워질수록 전단강도의 값이 감소하는 경향이 나타났다. 각 층을 접착하는 형태로 제작되는 재료 특성상 두꺼워질수록 더 많은 MUF 접착제를 사용하여 강도저하를 유발한다.
(3) 온도가 낮아질수록 9t와 12t의 전단강도의 차이가 크게 발생하였다. 온도가 낮아지면서 MUF 접착제의 성능 저하로 층간 de-bonding현상이 발생한다.

후속연구

향후 본 연구를 바탕으로 MUF 접착제의 저온 환경에서의 접착강도, 접착 성능 특성에 대한 연구를 진행하고 플라이우드에 미치는 수분에 대한 추가 연구를 병행 후 이를 바탕으로 플라이우드의 두께 및 온도에 따른 정확한 기계적 성능 및 파손특성을 제시하여 정확한 LNG CCS 설계에 적용할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LNG 화물저장탱크의 발전이 필요한 이유는?	최근 조선해양산업 분야에서 국제해사기구에서의 NOx와 SOx와 같은 대기오염 배출가스 규제로 인하여 친환경 에너지인 액화천연가스(Liquefied natural gas, LNG)를 연료로 사용하기 위해 활발하게 움직이고 있다. 이로 인하여 액화천연가스 추진선에 대한 연구와 개발이 지속되고 있으며, 천연가스 운반선의 수요역시 급격하게 증가하고 있다. 천연가스 운반선은 동일한 공간내에 더 많은 천연가스를 적재하기 위해 압력 0.1MPa에서 –163℃의 온도로 액화시켜 부피를 1/600로 줄여 효율적으로 저장및 운송한다. 이러한 LNG 화물창 내의 극저온 환경 유지를 위해 LNG CCS(Cargo containment system)를 구비하여 기화로 인한 손실량을 최소화 한다.
	플라이우드란?	LNG 선박 운용 환경 하에서 플라이우드의 전단성능을 평가하는 것이 본 연구의 목적이다. 플라이우드는 얇은 목재판을 나뭇결의 방향이 각 층마다 직교가 되도록 0o와 90o로 접착제를 이용하여 겹겹이 쌓아 올린 직교 이방성 경질재료이다. 이러한 재료 특성을 고려하여 복합재료 전단성능평가 표준시험 규격인 ASTM D5379-12를 바탕으로 시험편을 목재판으로부터 가공하였다.
	LNG 화물창 내의 극저온 환경 유지를 위해 필요한 것은?	1MPa에서 –163℃의 온도로 액화시켜 부피를 1/600로 줄여 효율적으로 저장및 운송한다. 이러한 LNG 화물창 내의 극저온 환경 유지를 위해 LNG CCS(Cargo containment system)를 구비하여 기화로 인한 손실량을 최소화 한다. 천연가스 운반선에서 기화량은 경제적인 측면에서 가장 중요시 되는 부분으로 많은 연구가 진행되고 있다.

참고문헌 (13)

Arswendy, A., Moan, T., 2015. Strength and stiffness assesssment of an LNG containment system - Crushing and buckling failure analysis of plywood components. Engineering Failure Analysis, 48, 247-258.

상세보기
Barron, R.F., 1985. Cryogenic systems. 2nd Edition, Clarendon Press, Oxford.
Choi, S., Sankar, B.V., 2007. Fracture toughness of transverse cracks in graphite/epoxy laminates at cryogenic conditions. Composites Part B: Engineering, 38(2), 193-200.

상세보기
Clark, A.F., 1968, Low temperature thermal expansion of some metallic alloys, Cryogenics, 8, 282-289.

상세보기
Green, D.W., Evans, J.W., Logan, J.D., Nelson, W.J., 1999. Adjusting modulus of elasticity of lumber for changes in temperature. Wood Engineering, 49(10), 82-94.
Khashaba, U.A., 2004. In-plane shear properties of cross-ply composite laminates with different off-axis angles. Composite Structures, 65(2), 167-177.

상세보기
Kim, J.H., Choi, S.W., Park, D.H., Park, S.B., Kim, S.K., Park, K.J., Lee, J.M., 2018. Effects of cryogenic temperature on the mechanical and failure characteristics of melamine-urea-formaldehyde adhesive plywood. Cryogenics, 91, 36-46.

상세보기
Kim, J.H., Park, D.H., Lee, C.S., Park, K.J., Lee, J.M., 2015. Effect of cryogenic thermal cycle and immersion on the mechanical characteristics of phenol-resin bonded plywood. Cryogenics, 72, 90-102.

상세보기
Kuo, J.F., Campbell, R.B., Hoie. S.M., Rinehart, A.J., Sandstrom, R.E., Yung, T.W., 2009. LNG tank sloshing assessment methodology - The new generation. International Journal of Offshore and Polar Engineering, 19, 241-253.

상세보기
Moubarik, A., Pizzi, A., Allal, A., Charrier, F., Charrier, B., 2009. Cornstarch and tannin in phenol-formaldehyde resins for plywood production. Industrial Crops and Products, 30, 188-193.

상세보기
Park, S.B., Lee, C.S., Choi, S.W., Kim, J.H., Bang, C.S., Lee, J.M., 2016. Polymeric foams for cryogenic temperature application: Temperature range for non-recovery and brittle-fracture of microstructure. Composite Structures, 136, 258-269.

상세보기
Park, Y.I., Lee, J.H., 2018. Buckling strength of GTT NO96 LNG Carrier cargo containment system. Ocean Engineering, 154, 43-58.

상세보기
Yang, C.G., Xu, L., Chen, N., 2007. Thermal expansion of polyurethane foam at low temperature. Energy Conversion and Management, 48, 481-485.

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