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문제 정의
- FRP선 건조에 사용되는 대표적인 주재료는 유리보강섬유와 폴리에스테르 수지가 있는데 이들 두 가지 재료는 단위면적의 중량, 화학적인 구성요소 등에 따라 다양한 종류가 있으나 본 연구에서는 한국공업규격의 형식승인을 인준한 제품으로 유리 보강섬유는 한국오웬스코닝(주)사 제품을, 폴리에스테르 수지는 크레이밸리코리아(주) 제품을 선택하여 재료의 종류 및 특성을 비교 검토하였다. 그 특성에 대해서는 한국공업규격(KS)의 KSL 2313과 2327에 규정되어 있다.
제안 방법
- 본 연구에서는 방향에 따라 강도가 불변하는 둥방성재료 (Mat)와 강도가 불변하는 이방성재료(Roving)가 결합하여 만들어지는 재료의 특성을 고려하여 0°, 15°, 30°, 45°, 75", 90.방향으로 인장시험편을 방향에 따라 각 4개씩 제작하였으며 규격은 FRP 구조규칙에 준하였다.
- FRP 인장시 험에 필요한 시험편은 4톤급(G/T) 선박의 선측외판의 두께와 동일하게 제작하였으며 A형은 M+R 형 적층법으로 겔코우트(Gelcoat)층 바로 다음에는 쵸프매트를 적층함으로써 수밀성을 확보하며 또한, 선체 내부의 각종 부재, 격벽 등 2차 접착시 표면 접착성이 향상되도록 최종적층을 쵸 프매트로 마무리하는 방법으로 M+R+M+R+M+R+MC7층) 유리섬유가 교번하여 적층하는 형식을 택하였다. B형은 2차 부재 및 의장품 적층시 사용되는 방법으로 A형 적층법과는 다소 차이가 있으나 겔코우트층 바로 다음에 쵸프매트를 연속적으로 4회 적층후 로빙크로스를 3회 연속 적층하는 M+M+M+M+R+R+R(7 층) 방법으로 쵸프매트와 로빙크로스의 층간 구별을 나타냄으로써 A형과 B형에서의 FRP 재료의 특성을 확인하고자 하였다.
- 2와 같이 제로 하중으로부터 파괴까지 거의 직선이나 0~600(kg)에서 아래부분으로 볼록한 형태는 인장시험기의 양쪽의 잡는 힘에 밀려서 나타나는 현상이다. FRP 는 이방성재료(Roving)와 등방성재료(Mat)는 교번하여 적층 하 여야 강도가 높으며 강도 방향성에 따른 최대하중은 Fi®3과 같이 0°, 90°에서 가장 높으며 30', 45°에서 가장 낮게 나오며 A 형은 0°에서 90° 방향으로 변할 때 최대하중은 일직선에 가까우나 B형의 최대강도는 45■에서 급격히 줄어드는 형태로 가장 좋지 못한 경계조건을 형성하고 있으며 특히 B형 시험편의 45°방 향에서 FRP 박리현상을 실험을 통하여 확인하였다.
- l과 같이 표점간의 거리는 65moi, 표점간의 폭은 30mm, 표점 부분의 반경은 작업의 편리성 및 실험의 정확도를 위하여 118 ㎛로 제작하였다. FRP 인장시 험에 필요한 시험편은 4톤급(G/T) 선박의 선측외판의 두께와 동일하게 제작하였으며 A형은 M+R 형 적층법으로 겔코우트(Gelcoat)층 바로 다음에는 쵸프매트를 적층함으로써 수밀성을 확보하며 또한, 선체 내부의 각종 부재, 격벽 등 2차 접착시 표면 접착성이 향상되도록 최종적층을 쵸 프매트로 마무리하는 방법으로 M+R+M+R+M+R+MC7층) 유리섬유가 교번하여 적층하는 형식을 택하였다. B형은 2차 부재 및 의장품 적층시 사용되는 방법으로 A형 적층법과는 다소 차이가 있으나 겔코우트층 바로 다음에 쵸프매트를 연속적으로 4회 적층후 로빙크로스를 3회 연속 적층하는 M+M+M+M+R+R+R(7 층) 방법으로 쵸프매트와 로빙크로스의 층간 구별을 나타냄으로써 A형과 B형에서의 FRP 재료의 특성을 확인하고자 하였다.
- FRP 인장시험편은 4톤급(G/T) FRP어선의 선측 외판을 기준으로 설계하였으며 동일한 작업조건에서 제작하여 선반(Lathe)에서 시험편을 마무리함으로써 실험의 정밀도를 높이도록 하였다. 해양수산부의 FRP 구조규칙에 의하면 인장시험편의 표점간의 거리는 60±50m, 표점간의 폭은 20~30sm, 표점부분의 반경은 60師이상으로 되어있어 본 실험에 사용되는 인장시험편은 Fig.
- 굽힘실험의 실험의 결과에 따라 유리섬유 길이 방향의 30 °, 45°방향에서 최대하중, 최대강도, 항복하중, 항복강도는 급격히 줄어들어 최소의 결과치를 나타내므로 선체의 길이방향과 유리 섬유 길이 방향이 30°, 45°방향에서 겹치는 적층방법은 피하도록 하였으며 선박의 길이방향과 유리섬유의 방향을 0°, 90°에 일치하도록 제1적층과, 제2적층으로 구별하여 적층하도록 하였다. FRP 적층판은 동일한 두께, 중량일지라도 강도의 방향성, 적층 방법에 따라 변화하는 물리적 특성치를 이용하여 4톤급(G/T) FRP 어선의 선체 외판 적층구성을 FRP구조규칙에 준하여 다음과 같이 계획되었다.
- 인장. 굽힘실험의 실험의 결과에 따라 유리섬유 길이 방향의 30 °, 45°방향에서 최대하중, 최대강도, 항복하중, 항복강도는 급격히 줄어들어 최소의 결과치를 나타내므로 선체의 길이방향과 유리 섬유 길이 방향이 30°, 45°방향에서 겹치는 적층방법은 피하도록 하였으며 선박의 길이방향과 유리섬유의 방향을 0°, 90°에 일치하도록 제1적층과, 제2적층으로 구별하여 적층하도록 하였다. FRP 적층판은 동일한 두께, 중량일지라도 강도의 방향성, 적층 방법에 따라 변화하는 물리적 특성치를 이용하여 4톤급(G/T) FRP 어선의 선체 외판 적층구성을 FRP구조규칙에 준하여 다음과 같이 계획되었다.
- 이에 본 연구에서는 FRP 재료의 특성을 조사하며 외력의 방향에 따라 강도가 변화하는 이방성재료(Roving)와 등방성재료 (Mat)의 결합방법 및 방향에 따른 강도 특성을 분석할 수 있도록 FRP 적층방법를 두 가지 형태로 구분하며 적층판재의 강도 방향을 0°, 15°, 30°, 45°, 75°, 90°로 설정하여 변형상태 및 파괴 모드를 분석한다.
- FRP선박 건조의 대표적인 특징은 선박의 성형(Mould)을 준비하고 그 위에 폴리에스테르 수지와 유리섬유직물의 층을 여러겹 적층하여 경화한 후 성형에서 떼어내는 방식으로 선체의 외관이 미려하며 비강도가 높고 강성이 낮기 때문에 강선 보다 는 유연한 구조에 적합하다. 일반적인 쵸프매트(Mat)의 중량은 450G/M2, 600G/M2 로빙크로스 (Roving cloth) 의 중량은 570G/M2, 860G/M2이 사용되고 있으나 본 연구와 관련하여 소형 FRP 선박의 건조에 주로 이용하는 유리 섬유(Mat : 450GWF, Roving : 570G/M)를 이용하여 FRP 적층판의 인장 시험을 실시하도록 하였다.
- 쵸프매트와 로빙크로스의 비율은 재료의 특성을 감안하여 수밀성과 층간 접착성의 향상이 필요하는 부분에는 쵸프매트의 함량을 증가시키고, 인장강도, 충격강도 등이 요구되는 곳에는 로빙크로스의 함량을 추가하여 사용하는 방법을 사용하였다. 인장.
대상 데이터
- FRP 인장시험편은 4톤급(G/T) FRP어선의 선측 외판을 기준으로 설계하였으며 동일한 작업조건에서 제작하여 선반(Lathe)에서 시험편을 마무리함으로써 실험의 정밀도를 높이도록 하였다. 해양수산부의 FRP 구조규칙에 의하면 인장시험편의 표점간의 거리는 60±50m, 표점간의 폭은 20~30sm, 표점부분의 반경은 60師이상으로 되어있어 본 실험에 사용되는 인장시험편은 Fig.l과 같이 표점간의 거리는 65moi, 표점간의 폭은 30mm, 표점 부분의 반경은 작업의 편리성 및 실험의 정확도를 위하여 118 ㎛로 제작하였다. FRP 인장시 험에 필요한 시험편은 4톤급(G/T) 선박의 선측외판의 두께와 동일하게 제작하였으며 A형은 M+R 형 적층법으로 겔코우트(Gelcoat)층 바로 다음에는 쵸프매트를 적층함으로써 수밀성을 확보하며 또한, 선체 내부의 각종 부재, 격벽 등 2차 접착시 표면 접착성이 향상되도록 최종적층을 쵸 프매트로 마무리하는 방법으로 M+R+M+R+M+R+MC7층) 유리섬유가 교번하여 적층하는 형식을 택하였다.
성능/효과
- 4와 같이 45° 를 제외한 다른 각도에서는 비슷한 결과치를 나타내고 있으나 B형 45°의 최대강도A형 45°의 약 80%로 급격한 감소를 나타내고 있다. A형 시험편의 인장시험의 결과는 최대강도는 90°방향 을 기준으로 할 때 0* 96%, 15°는 80%, 30°는 75%45°는 56%, 75°는 80%, 90°는 88%로 나타나고 있다. 이상과 같이 실험의 결과에 의하면 유리섬유의 강도방향성에 따른 물리적 변화는 0°, 90°에서 가장 좋은 결과치를 30°, 45°방향에서 가장 낮은 결과치를 확인할 수 있었다.
- A형 시험편의 인장시험의 결과는 최대하중은 90°방향을 기준으로 할 때 0°는 98%, 15°는 78%, 30°는 74%, 4S 는 72%, 7S 는 85%에 해당하며 B형 시험편의 인장시험의 결과는 0°방향을 기준으로 할 때 15°는 80%, 30°는 67%, 45°는 59%, 75°는 84%, 90 는 86%, 에 해당하며 A형과 B형을 강도 방향성에 따라 비교하면 B형 시험편이 A형 시험편에 대하여 0°, 15°는 92%, 30°는 83%, 45°는 74%, 75°는 90%에의 90°는 79%로 평균 10~25%가 적게 나타나고 있으며 A형, B형의 항복강도는 Fig.4와 같이 45° 를 제외한 다른 각도에서는 비슷한 결과치를 나타내고 있으나 B형 45°의 최대강도A형 45°의 약 80%로 급격한 감소를 나타내고 있다. A형 시험편의 인장시험의 결과는 최대강도는 90°방향 을 기준으로 할 때 0* 96%, 15°는 80%, 30°는 75%45°는 56%, 75°는 80%, 90°는 88%로 나타나고 있다.
- A형 적층방식으로 제작된 FRP 판재를 유리섬유의 길이방향 (0°)으로 4개의 시험편을 제작하여 인장실험을 시행한 결과 Table 1과 같이 최대하중은 2139kg~ 1925kg으로 90°방향의 평균최대하중 보다 약 28kg이 적은 것으로 나타나며 최대강도, 항복하중, 항복강도 또한 90°방향의 평균값보다 적게 나오고 있다. 각 항목의 평균값이 약 1%의 오차범위에 속하고 있어 실험의 결과치는 만족한 결과로 판정되나 최대변위와 연신율의 결과 값은 평균값의 약 20~30%의 오차범위에 속하므로 제외하였다.
- 화학적 성질이 서로 다른 재료가 조합하여 만들어지는 복합재료서 중량과 두께가 동일하여도 적층구성과 적층방향, 작업조건 등에 따라 기계적, 물리적 특성치가 변화하는 특성을 지니고 있으며 인장 . 굽힘실험의 결과에 의하면 최대하중, 최대강도, 항복하중, 항복강도는 강도방향의 변화에 따라 거의 일직선으로 변화하나 적층방법에 관계없이 0'와 90°에서 가장 좋은 결과 값을 나타내며 30°와 45°방향에서는 급격히 줄어 최저값을 나타내며 항복점에서 파괴를 일의킬때 층간박리 현상은 쵸프매트와 로빙크로스의 접착부분에서 쉽게 일어나고 있어 적층작업시 유리섬유의 30°~45°은 고려하여야한다. 강(Steel)은 항복점이 명확하나 FRP 는 명확치 않고 거의 직선적으로 신장하여 파단되며 소성변형 범위가 거의 없어 강도의 특성이 금속과 다르므로 외력을 받아 변형하는 상태나 파괴 모드의 구조 설계시 유한요소 해석에 의한 구조해석이 필요하다고 생각한다.
- A형 시험편의 인장시험의 결과는 최대강도는 90°방향 을 기준으로 할 때 0* 96%, 15°는 80%, 30°는 75%45°는 56%, 75°는 80%, 90°는 88%로 나타나고 있다. 이상과 같이 실험의 결과에 의하면 유리섬유의 강도방향성에 따른 물리적 변화는 0°, 90°에서 가장 좋은 결과치를 30°, 45°방향에서 가장 낮은 결과치를 확인할 수 있었다.
- 최대하중, 최대강도, 항복하중, 항복강도는 각도의 변화에 따라 거의 일직선으로 변화하나 B형의 45°방향에서는 급격히 줄어들어 A형의 90°를 기준으로 할 때 약 20% 정도 줄어들었다.
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