[논문]유리섬유 강화플라스틱 복합관의 구조적 특성

연규석; 김남길; 조규우; 김동준; 최종윤; 백종만

[국내논문] 유리섬유 강화플라스틱 복합관의 구조적 특성
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연규석 (강원대학교 농업공학부) , 김남길 (강원대학교 농업공학부) , 조규우 (강원대학교 농업공학부) , 김동준 (강원대학교 농업공학부) , 최종윤 (강원대학교 농업공학부) , 백종만 (강원대학교 농업공학부)

This study was performed to evaluate the internal and external factors affecting external strength of the 3-layer polymer composite pipes made of polymer mortar and fiber-glass reinforced plastic. Twenty four sandwich type 3-layer polymer composite pipes were made of polymer mortar and fiber-glass reinforced plastic by centrifugal method. The objective of this study was to evaluate the effects the of polymer mortar thickness for and core fiber-glass contents per unit area on external strength of 3-layer polymer composite pipes. For the more economical and practical design of 3-layer polymer composite pipe, further study should be done for the various polymer mortar, fiber-glass and different ratio of the inside/outside FRP thickness.

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 폴리머 모르타르를 코어로 하고 유리섬유를 폴리머 모르타르의 내 . 외층에 적층보강시킨 3중복합관을 제작하고 내 .
외층에 적층보강시킨 3중복합관을 제작하고 내 . 외층의 유리섬유량과 중간층 폴리머 모르타르 두께에 따른 휨 특성을 실험적으로 구명함으로서 폴리머 3중복합관의 구조적특성을 파악하는데 기초적인 자료로 제공코저 한다.

제안 방법

폴리머 모르타르의 배합비는 사용목적, 수 지의 종류, 골재의 형상 및 입도, 작업조건 등에 따라 달라지며, 그 결정 방법이 시멘트 콘크리트에서 와 같이 정립되어 있지 않다. 또한 매우 높은 원심력하에서 모르타르가 투입되기 때문에 재료분리가 생기는 등 문제가 있으므로, 본 연구에서는 반복실험에 의해 배합비를 결정하였다. 결정된 폴리머 모 르타르의 배합비는 Table 1에 나타낸 바와 같다.
폴리머 모르타르의 강도특성을 파악하기 위해 압축강도, 휨강도, 쪼갬인장강도 시험을 하였다. 압축 강도 및 탄성계수시험은 KS F 2481, 휨강도 시험은 KS F 2482, 쪼갬인장강도 시험은'KS F 2480 에 의해 실시하였다.
5mm/min의 속도로 가력하였고 하중단계별 관체의 수직처짐과 관내 . 외벽의 변형율을 측정하기 위해 변위측정기(LVDT) 및 스트레인게이지를 부착하였다. 이들 데이터는 10초에 한번씩 기록하였다.
본 연구는 폴리머 모르타르와 유리섬유를 불포화 폴리에스터 수지로 침적시킨 FRP를 이용하여 샌 드위치 형식의 3중복합관을 제조하고 이에 대한 구조적 실험을 수행하여 폴리머 3중복합관의 구조특 성과 단면특성을 이론적, 실험적으로 구명하여 보았던 바, 얻어진 결과를 요약하면 다음과 같다.

대상 데이터

결합재로는 스틸렌 모노머가 38% 포함된 불포화 폴리에스터 수지(UP), 촉진제로는 옥탄산 코발트 8% mineral turpentine 용액(CoOc), 촉매로는 메틸에틸케톤 프록사이드(MEKPO)가 사용되었다. 충전 재로는 중질 탄산칼슘을 사용했으며, 잔골재는 8번체를 통과한 하천모래 및 석탄폐석을 사용하였다.
결합재로는 스틸렌 모노머가 38% 포함된 불포화 폴리에스터 수지(UP), 촉진제로는 옥탄산 코발트 8% mineral turpentine 용액(CoOc), 촉매로는 메틸에틸케톤 프록사이드(MEKPO)가 사용되었다. 충전 재로는 중질 탄산칼슘을 사용했으며, 잔골재는 8번체를 통과한 하천모래 및 석탄폐석을 사용하였다. 사용된 유리섬유는 내열성, 단열성, 내약품성, 전기절연성 등에 뛰어난 특징을 가지고 있어 각종 유기 재료와 복합적으로 널리 사용되는 것이다.
외면이 FRP층으로 구성된 샌드위치 구조에서 모르타르충 의 두께와 내 . 외층의 단위면적당 유리섬유량이 복합관의 구조적 거동에 미치는 영향을 구명하기 위하여 이들을 변수로 하는 24종의 시험체를 제작하였다.

이론/모형

폴리머 모르타르의 강도특성을 파악하기 위해 압축강도, 휨강도, 쪼갬인장강도 시험을 하였다. 압축 강도 및 탄성계수시험은 KS F 2481, 휨강도 시험은 KS F 2482, 쪼갬인장강도 시험은'KS F 2480 에 의해 실시하였다.
폴리 머 3중복합관에 대한 외 압강도시 험은 JIS A 5350 (1991)(강화플라스틱 복합관어】 규정 된 방법에 따라 수행하였다. 하중은 변위 제어방식을 취하여 최대용량 50ton인 Instron사의 만능시험기를 이용하여 0.

성능/효과

실험결과, 지름/두께 비가 상대적으로 큰 (D/T=25±l)관체에서 A-B단면과 C-D단면 인장변형율비 는 1.75~ 1.89로 횜모멘트 비 1.75와 비교적 근접한 값을 보인 반면, D/T=22±l, 17±1, 13±1일 경우에는 각각 1.94~2.01, 2.12-2.20, 2.30~2.45정도로 휨모멘트 비 1.75를 상회하였다. 이는 또한 지름/두 께 비가 작을수록(관체의 지름이 일정 할 때 관체의 두께가 클수록)내면 FRP충 응력분담이 증가함을 보여주는 결과이다.
또한 코어층 폴리머 모르타르 두께가 일정할 때, 폴리머 3중복합관의 초기균열 발생시 곡율의 변화는 단위면적당 유리섬유량이 증가할수록 증가하고, 단위면적당 유리섬유량이 일정할 때 코아층 폴리머 모르타르 두께가 증가할수록 감소하는 경향을 나타냈다.
(1) 폴리머 3중복합관 제작에 사용된 코어층 폴리머 모르타르의 압축강도는 860kg/cm², 휨강도는 250kg/cmz, 할열인장강도는 125kg/cm², 탄성계수는 2.4x loWcm² 로 나타났다.
(2) 연직 집중하중을 재하한 관체의 파괴시험에서, 1, 2차 파괴는 하중방향과 일치하는 관의 상단 혹은 하단에서 내면 FRP층의 인장파괴에 의해 발생되었고, 3, 4차 파괴는 1, 2차 파괴단면과 90° 를 이 루는 수평단면에서 외면 FRP층의 인장파괴에 의해 발생되었다.
(3) 지름/두께비가 큰 3중복합관에서는 하중방향과 일치하는 단면의 내면 FRP 충에서의 인장웅력은 하중방향과 수직인 단면의 외면 인장응력의 약 1.75배 정도 였고, 지름/두께비가 작은 관체에서의 인 장응력비는 이 보다 큰 1.94~2.45의 값을 나타냈다.
(4) 폴리머 3중복합관의 휨강성은 코어층 폴리머 모르타르 두께가 일정하고 단위면적당 유리섬유량 이 0.1415g/cm²에서 0.2475g/cm²로 증가할 때 39%에서 86%로 증가하였는데 코어층 폴리머 모르타르 의 두께가 증가함에 따라 휨강성의 증가율은 342%에서 490%로 증가하였는데 코어충 폴리머 모르터 의 두께가 증가함에 따라 휨강성의 증가가율은 감소하는 경향을 나타냈다.
(5) 초기균열 발생시 관정 단면의 폴리머 모르타르 인장측에 생기는 응력은 휨강도보다 약 20%정도 높은 값을 나타내 내 . 외 FRP 보강충이 폴리머 모르터에 상당한 구속효과가 있음을 확인할 수 있었다.
(5) 초기균열 발생시 관정 단면의 폴리머 모르타르 인장측에 생기는 응력은 휨강도보다 약 20%정도 높은 값을 나타내 내 . 외 FRP 보강충이 폴리머 모르터에 상당한 구속효과가 있음을 확인할 수 있었다.

후속연구

외 FRP 보강두께 비율에 대한 정량적인 분석을 위해서는 FRP의 강도특성에 관한 연구와 내 . 외 FRP 충 두께, 폴리머 모르타 를 압축강도 및 두께를 변수로 하는 다양한 연구가 이루어져야 할것이다.

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