[논문]고 감쇠 폴리머 콘크리트의 진동 특성에 관한 해석적 연구

김정진; 김종

doi:10.11112/jksmi.2020.24.5.119

고 감쇠 폴리머 콘크리트의 진동 특성에 관한 해석적 연구
Analytical Study on Vibrational Properties of High Damping Polymer Concrete 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.24 no.5, 2020년, pp.119 - 125

김정진 (롯데건설 기술연구원) , 김종 (청주대학교 휴먼환경디자인학부 건축공학전공)

초록
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에폭시 계열의 합성수지와 골재를 혼합함으로써 진동저감 성능을 크게 증가시킨 고감쇠 콘크리트에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는데, 이러한 폴리머 혼입 고감쇠 콘크리트는 배합 시, 시멘트와 물을 사용하지 않으므로, 일반 콘크리트에 비해 경화시간이 매우 짧고, 물리적 특성 및 동특성 등이 매우 우수하여, 층간소음 및 진동 저감이 요구되는 건축구조물에의 폭넓은 활용이 기대되고 있다. 한편, 폴리머 혼입 고감쇠 콘크리트의 활용성을 넓히기 위한 방안으로, 보강재 분야에 대한 연구가 다양하게 진행되어 왔으나, 폴리머 콘크리트가 일반 콘크리트 및 기존 방진보강재를 완전히 대체하기 위해서는 물리적 특성, 동적 물성, 생산성 및 현장 적용성 등을 고려하여 진동저감 성능에 대한 전반적인 검토가 필요한 실정이다. 본 연구에서는 폴리머 콘크리트의 에폭시 혼입비율별 물리적, 동적 특성을 일반 콘크리트와 비교한 결과, 탄성계수는 비슷한 반면, 압축, 인장, 휨강도가 상당히 우수한 결과를 보였으며, 특히 인장강도는 4~10배 이상 큰 차이를 보였으며, 주파수 응답함수와 감쇠비를 Modal 시험과 유한요소해석 모델을 통해 도출하여 검토한 결과, 폴리머 콘크리트의 동적 강성이 일반 콘크리트 보다 20% 크게 나타났고, 감쇠비는 약 3배 정도 높은 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Research on high-attenuation concrete for the vibration reduction performance by mixing epoxy-based synthetic resins and aggregates is actively being conducted. The curing time of high-attenuation concrete is very short because water is not used, and the physical and dynamic properties are very excellent. therefore, it is expected to be widely used in building structures requiring reduction of interior-floor noise and vibration. Furthermore, A way to expand the applicability of the high-damping concrete mixed with polymer in the field of reinforcement material have been variously studied. In order to replace polymer concrete with ordirnary concrete and existing anti-vibration reinforcement material, it is necessary to review overall vibration reduction performance considering physical properties, dynamic properties, productivity and field applicability. In this study, the physical and dynamic properties of polymer concrete by epoxy mixing ratio compared with ordirnary concrete. As a result, the elastic modulus was similar. On the other hand, polymer concrete for the compressive, tensile, and flexural strengths was quite more excellent. In particular, the measured tensile strength of polymer concrete was 4-10 times higher than that of ordirnary concrete. it was a big difference, and the frequency response function and damping ratio was studied through modal test and finite element analysis model. The dynamic stiffness of polymer concrete was 20% greater than that of ordirnary concrete, and the damping ratio of polymer concrete was approximately 3 times more than that of ordirnary concrete.

주제어

표/그림 (17)

그림 Photo 1 Specimen of test
그림 Photo 2 Experiment method
표 Table 1 Mixing design of plain and polymer concrete
표 Table 2 Physical properties of cement
표 Table 3 Physical properties of epoxy
표 Table 4 Physical properties of aggregate
그림 Fig. 1 Modulus of elasticity by polymer content
그림 Fig. 2 Compressive strength by polymer content
그림 Fig. 3 Tensile strength by polymer content
그림 Fig. 4 Flexural strength by polymer content
그림 Photo 3 Measurement of dynamic properties
그림 Fig. 5 Modal properties of Plain and Polymer concrete
그림 Fig. 6 Inertance and Damping ratio by polymer content
그림 Fig. 7 Specimen by bonding type of plain and polymer concrete
그림 Fig. 8 Mode analysis of plain and polymer concrete
그림 Fig. 9 Inertance by measurement of plain and polymer concrete
그림 Fig. 10 Inertance by FEM analysis of plain and polymer concrete

AI 본문요약
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제안 방법

그러므로, 본 연구에서는 에폭시 혼입비율에 따른 고감쇠 폴리머 콘크리트의 물리적 특성으로, 탄성계수, 압축, 인장, 휨강도를 검토하였으며, 동적 특성으로는 주파수 응답함수(Inertance)와 감쇠비(Damping raito)에 대한 검토를 진행하여, 폴리머 콘크리트와 일반 콘크리트의 물리적, 동적 특성을 비교하였다. 또한, 폴리머 콘크리트의 물리적 특성에 근거하여 폴리머 콘크리트의 일반적인 사용성에 대해 검토함과 동시에, 에폭시 혼입 비율에 따른 진동 감쇠비를 유한요소 해석모델과 Modal 실험을 통해 도출하여, 폴리머 콘크리트의 진동 저감 성능을 유한요소 해석 시뮬레이션 모델을 통해 검증하고자 한다.
또한, 폴리머 콘크리트의 물리적 특성에 근거하여 폴리머 콘크리트의 일반적인 사용성에 대해 검토함과 동시에, 에폭시 혼입 비율에 따른 진동 감쇠비를 유한요소 해석모델과 Modal 실험을 통해 도출하여, 폴리머 콘크리트의 진동 저감 성능을 유한요소 해석 시뮬레이션 모델을 통해 검증하고자 한다.
폴리머 콘크리트와 일반 콘크리트의 주파수 응답함수 및 감쇠비는 Photo 2의 d) 형태의 시험체를 제작하여, 각 위치에 센서를 부착하여 측정하였다.
폴리머 콘크리트의 동적 특성을 측정하기 위해 Fig. 7과 같이 5x5x50cm 크기의 시험체와 1x1x50cm, 2x2x50cm의 폴리머 콘크리트에 4x4x50cm, 3×3x50cm의 일반 콘크리트를 결합한 시험체를 제작하여, 진동 혹은 충격 가진을 통한 응답과 모드를 측정하였다.
폴리머 콘크리트의 수치해석을 위해, ANSYS ver. 2013을 이용하여 수행하였으며, Fig. 8과 같이 각 시험체의 형상별로 유한 요소 모델을 수립하여, 양끝이 자유단인 경계조건에서 가진력을 입력하여 유한요소 해석을 실시하였다.

대상 데이터

실험에 사용된 에폭시는 주제와 경화제를 5:1의 질량 비율로 혼합하여 에폭시 레진을 제작하였으며, 폴리머 콘크리트는 총 중량 중 에폭시 레진이 차지하는 중량 비율을 혼합비로 하였다. 골재는 일반 골재와 결정의 크기가 다른 4호사(0.85~1.2 mm)와 6호사(0.25~0.6 mm)를 1:2 질량 비율로 혼합한 혼합 골재를 사용하였으며, 폴리머 콘크리트의 혼합비를 15%에서 30%까지 증가시키며 여러 종류의 폴리머 콘크리트를 제작하였다.
에폭시는 KS L 5405 규정을 만족하는 국내 B사 제품의 에폭시(이하, EP)를 사용하였으며, 화학적 특성은 Table 3과 같다. 골재는 일반 골재의 경우 인천산 세척사를 사용하였고, 혼합골재는 KS F 2567을 만족하는 규사를 사용하였으며, 골재의 물리적 특성은 Table 4와 같다.
시멘트는 KS L 5201 규정을 만족하는 A사 제품의 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 물리적 특성은 Table 2와 같다. 에폭시는 KS L 5405 규정을 만족하는 국내 B사 제품의 에폭시(이하, EP)를 사용하였으며, 화학적 특성은 Table 3과 같다.
본 연구의 실험계획은 Table 1에 나타내었다. 실험에 사용된 에폭시는 주제와 경화제를 5:1의 질량 비율로 혼합하여 에폭시 레진을 제작하였으며, 폴리머 콘크리트는 총 중량 중 에폭시 레진이 차지하는 중량 비율을 혼합비로 하였다. 골재는 일반 골재와 결정의 크기가 다른 4호사(0.
에폭시는 KS L 5405 규정을 만족하는 국내 B사 제품의 에폭시(이하, EP)를 사용하였으며, 화학적 특성은 Table 3과 같다. 골재는 일반 골재의 경우 인천산 세척사를 사용하였고, 혼합골재는 KS F 2567을 만족하는 규사를 사용하였으며, 골재의 물리적 특성은 Table 4와 같다.

이론/모형

폴리머 콘크리트와 일반 콘크리트의 물리적 특성 중 탄성계수는 KS F 4043의 규정에 의거하여 측정하였으며, 압축강도는 KS L 5105, 인장강도는 KS L 5104, 휨강도는 KS F 2408의 규정에 의거하여 측정하였다.

성능/효과

(1) 탄성계수는 Plain 콘크리트가 22.3GPa로 나타났고, 폴리머 혼입률 15~25%까지는 점증적으로 증가하였으나, 30%에서는 다소 감소하는 경향으로 나타났다. 폴리머콘크리트는 강도에 비해 탄성계수가 낮아 압축 부재보다는 휨 및 인장부재에 적용하는 것이 유리할 것으로 사료된다.
(2) 압축강도는 Plain 콘크리트가 44.5MPa로 가장 작은 값을 나타냈으며, 폴리머 콘크리트의 경우는 혼입율이 증가할수록 47.4MPa~95.3MPa로 압축강도가 크게 증가하는 것으로 나타났다.
(3) 인장강도는 Plain에 비해 폴리머 콘크리트가 폴리머 혼입율에 따라 4~11.5배 정도 크게 증가하는 것으로 나타났다. 특히, 압축강도에 비해 인장강도가 더 큰 폭으로 증가하여, 폴리머가 콘크리트의 인장강도에 미치는 영향이 더 큰 것으로 확인되었다.
(4) 전달함수 방법을 이용하여 측정한 주파수 응답함수 및 감쇠비를 분석한 결과, 주파수 응답함수는 Plain이 가장 큰 것으로 나타났으며, 폴리머를 15% 혼입한 경우가 가장 작은 값을 나타내었다. 감쇠비의 경우는 Plain이 1.
(5) 유한요소 해석 결과는 실측정한 감쇠비를 적용한 결과로서, Plain 콘크리트는 주파수 응답함수가 16.6으로, 실측정치 16.2와 가장 유사한 값을 보였으며, 폴리머 콘크리트 1cm와 일반 콘크리트 4cm의 결합 시험체의 해석치가 6.4로 실측정치인 5.7과 유사한 값을 보여, 해석모델에 대한 검증이 이루어 졌음을 확인하였다.
Fig.1은 폴리머 혼입율별 탄성계수를 나타낸 것으로, 탄성계수는 Plain 콘크리트가 22.3GPa로 나타났으며, 폴리머 혼입률 15%부터 25%까지는 점증적으로 증가하였으나, 30%에서는 다소 감소하는 경향으로 나타났다. 폴리머 콘크리트는 강도에 비해 탄성계수가 낮아 압축부재보다는 휨 및 인장 부재에 적용하는 것이 유리할 것으로 사료된다.
Fig.2는 폴리머 혼입율별 압축강도를 나타낸 것으로, 압축강도는 Plain 콘크리트가 44.5MPa로 가장 작은 값을 나타냈으며, 폴리머를 15~30% 혼입한 경우는 47.4~95.3MPa로 폴리머 혼입율이 증가할수록 압축강도가 크게 증가하는 것으로 나타났다. 이는 폴리머 혼입율이 증가할수록 골재간의 접착력이 개선되고 치밀한 내부조직이 형성된 것에 기인한 것으로 사료된다.
감쇠물질의 특성상 감쇠비는 진동수영역에 따라 달라지는 경향이 있는데, 이러한 점을 고려하여 고유진동수 500Hz 대역에 있는 Plain과 폴리머 콘크리트의 감쇠비를 비교한 결과, Plain의 경우 1.34%, 폴리머 콘크리트 15%의 경우 3.92%로 감쇠비가 약 3배 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 고감쇠 콘크리트를 일반 콘크리트와 결합하여 구조물에 적용할 경우, 큰 진동저감 효과를 기대할 수 있을 것으로 사료된다.
값을 나타내었다. 감쇠비의 경우는 Plain이 1.34%인 반면, 폴리머 15% 혼입한 경우가 2.84~3.92%로 폴리머를 혼입한 폴리머 콘크리트가 감쇠성능이 3배 이상 우수한 것으로 확인되었다.
특히, 압축강도에 비해 인장강도가 더 큰 폭으로 증가하여, 폴리머가 콘크리트의 인장강도에 미치는 영향이 더 큰 것으로 확인되었다. 또한, 휨강도도 인장강도와 비슷한 경향으로, 폴리머 혼입율이 증가할수록 Plain 대비 3~9.3배 정도 크게 증가하는 것으로 나타났다.
6은 폴리머 혼입율별 주파수 응답함수(Inertance) 및 감쇠비를 비교한 그래프이다. 전달함수 방법을 이용하여 측정한 주파수 응답함수 및 감쇠비를 분석한 결과, 주파수 응답 함수는 Plain이 가장 큰 것으로 나타났으며, 폴리머를 15% 혼입한 경우가 가장 작은 값을 나타내었다.
종합적으로 폴리머를 혼입함에 따라 Plain 콘크리트에 비해 주파수 응답함수는 감소하였으며, 감쇠비는 크게 증가하는 것으로 나타나, 폴리머를 혼입함으로써 고 감쇠 콘크리트의 특성을 보이는 것으로 확인되었다.
5배 정도 큰 폭으로 증가하는 것으로 나타났다. 특히, Plain에 비해 압축강도는 폴리머 혼입율에 따라, 1.1~2배정도 증가하였지만, 인장강도는 4~11.5배로 증가하여, 폴리머 혼입이 콘크리트의 인장강도에 미치는 영향이 더 큰 것으로 확인되었다.
5배 정도 크게 증가하는 것으로 나타났다. 특히, 압축강도에 비해 인장강도가 더 큰 폭으로 증가하여, 폴리머가 콘크리트의 인장강도에 미치는 영향이 더 큰 것으로 확인되었다. 또한, 휨강도도 인장강도와 비슷한 경향으로, 폴리머 혼입율이 증가할수록 Plain 대비 3~9.
9의 실측정 값과 유사한 경향을 보이는 것으로 나타났다. 특히, 해석결과는 실측정 감쇠비를 적용한 결과로서, Plaine 주파수 응답함수가 16.6으로, 실측값 16.2와 가장 유사한 값을 보였으며, 폴리머 콘크리트 1cm와 일반 콘크리트 4cm 결합체의 주파수 응답함수 해석치가 6.4로 실측값인 5.7과 10% 정도 차이의 유사한 값을 보여, 유한요소 해석 프로그램에 의한 해석 결과의 신뢰도가 충분하다고 할 수 있다.
3GPa로 나타났으며, 폴리머 혼입률 15%부터 25%까지는 점증적으로 증가하였으나, 30%에서는 다소 감소하는 경향으로 나타났다. 폴리머 콘크리트는 강도에 비해 탄성계수가 낮아 압축부재보다는 휨 및 인장 부재에 적용하는 것이 유리할 것으로 사료된다.
폴리머 혼입에 따른 폴리머 콘크리트의 고 감쇠 특성에 관한 해석적 고찰을 목적으로, 물리적 특성 중 탄성계수, 압축강도, 인장강도, 휨강도를 측정하고, 동적 특성으로는 주파수 응답 함수와 감쇠비를 측정하고 이에 대한 유한요소해석을 수행한 결과 이하의 결론을 얻을 수 있었다.
3GPa로 나타났으며, 폴리머 혼입률 15%부터 25%까지는 점증적으로 증가하였으나, 30%에서는 다소 감소하는 경향으로 나타났다. 폴리머 콘크리트는 강도에 비해 탄성계수가 낮아 압축부재보다는 휨 및 인장 부재에 적용하는 것이 유리할 것으로 사료된다.
해석 결과는 측정결과와 유사한 경향을 보였는데, 폴리머콘크리트의 주파수 응답함수는 Plain 콘크리트에 비해 20~30% 정도 감소하는 것으로 나타났으며, 감쇠비는 폴리머콘크리트와 일반 콘크리트를 복합체로한 경우가 46~65% 정도 감소하는 것으로 나타났다.

참고문헌 (16)

W. G. Wong, Ping Fang, J. K. Pan. (2003), Dynamic properties impact toughness and abrasiveness of polymer-modified pastes by using nondestructive tests, Cement and Concrete Research, 33(9), 1371-1374.

상세보기
F. Cortes and G. Castillo. (2007), Comparison between the dynamical properties of polymer concrete and grey cast iron for machine tool applications, Material and Design, 28(5), 1461-1466.

상세보기
I.Y.Jang, H.B.Lee, K.J.Byun. (1992), Experimental study on the material characteristics and flexural behavior of ultra high strength concrete, Journal of the Korea Concrete Institute, 4(2), 111-118.
J. Wongpa, K. Kiattikomol, C. Jaturapitakkul, Chindaprasirt. (2007), Compressive strength, modulus of elasticity, and water permeability of inorganic polymer concrete, Material and Design, 31(10), 4748-4754.

상세보기
Rajoria, H., and Jalili, N. (2005), Passive Vibration Damping Enhancement Using Carbon Nanotube-epoxy Reinforced Composites, Composites Science and Technology, 65(14), 2079-2093.

상세보기
Jeon, W., and Lee, J. Y. (2016), Efficient Damping of Vibration Using and Acoustic Black Hole, Proceedings of the KSNVE 2016 annual Spring Conference, 202-203.
Yoo, S. Y., Yeon, J. O. and Jeon, J. Y.(2009), Analysis and Evaluation of Impact Sound Insulation of Concrete Floor Structures in Response to Characteristics of Heavy-weight Impact Sources, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, 19(10), 1062-1068.

원문보기 상세보기
Lee, W. H., Ivan, R., Haan, C. H., Han, S. H. (2009), Pilot Experiments of Estimated Proper Ratio of Latex Polymer Concrete for Reducing Floor Impact Sound, Proceedings of the KSNVE Annual Spring Conference, 532-533.
Cho, H. N.(2000), Flexural Behavior of Damaged Reinforced Concrete Beams repaired wity Epoxy Mortar, Master's Thesis of Ewha University.
Kwon, S. M, Ahn, S. K, Koh, H, I and Park, J, H. (2018), Analysis of Dynamic characteristics of complex polymer concrete according to structure of polymer concrete, Proceedings of the KSNVE 2018 annual Spring Conference, 202.
C. Y. Park and B. Y. Sohn.(1997), Estimation of loss energy from the measurement returning time of rebound for carbon black-filled natural rubber compounds, Journal of Korean Inst. Chem. Eng, 35, 154.
Saliba, J., Roziere, E., Grondin, F., and Loukill, A. (2011), Influence of Shrinkage-Reducing Admixture on Plastic and Long-Term Shrinkage, Cement and Concrete Composites, 33(2), 209-217.

상세보기
Kobayashi, T and Ohama Y. (1984), Low-Temperature Curing of Polymethyl Methacrylate Polymer Concrete, Transportation Research Record 1003, Transportation Research Board(ISSN: 0361-1981),15-18.
Ahn, N., Park, D. K,. Lee, J and Lee, M. K. (2009), Structureal Test of Precast Polymer Concrete, Journal of Applied Polymer Science, 114(3), 1370-1376.

상세보기
Ahmad, S., Elahi, A., Barbhuiya, S. A., and Farid, Y. (2012), Use of Polymer modified mortar in controlling cracks in reinforced concrete beams, Construction and Building Materials, 27, 91-96.

상세보기
Joo, M. J., Lee, Y. S., Hong, G. S., Hong, Y. K., and Choi, O. C. (1997), An Evaluation on the Flexural Strength of Concrete Beams Repaired by Polymer resin, Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, 1(10, 107-112.

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].

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