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문제 정의
- 본 연구에서는 지오텍스타일 튜브의 봉합거동에 대한 보다 효율적인 연구의 전개를 위해 재료적 관점에서 관련된 부분을 중심으로 봉합거동에 대한 이론연구를 실시하고, 봉합거동의 장단기적인 거동에 대한 문제점과 이에 대한 분석, 개선을 위한 방향을 고민하고자 하였다. 또한 지오텍스타일 봉합강도에 영향을 미치는 인자에 대한 실험을 통해 이론연구 분석 및 개선 방향에 대한 타당성을 확인하였다.
가설 설정
- 그림 1에 나타난 바와 같이 대표적인 파단거동처럼 봉합부의 조직이 와해되거나 파단되어 나타나는 국부적인 채움재의 누수현상이나 전체적인 봉합부의 파단으로 튜브가 파괴되는 현상이다. 지오텍스타일 튜브 단면의 외경에 작용하는 하중은 단면 외경을 형성하는 지오텍스타일 재료에 균일하게 작용한다고 가정할 때, 상대적으로 강도가 작은 봉합부에 하중집중현상이 발생하게 되며, 따라서 지오텍스타일 튜브에서 우선적으로 파단이 예상되는 부분은 봉합부가 되는 것이다.
제안 방법
- 본 연구에서는 지오텍스타일 튜브의 봉합거동에 대한 보다 효율적인 연구의 전개를 위해 재료적 관점에서 관련된 부분을 중심으로 봉합거동에 대한 이론연구를 실시하고, 봉합거동의 장단기적인 거동에 대한 문제점과 이에 대한 분석, 개선을 위한 방향을 고민하고자 하였다. 또한 지오텍스타일 봉합강도에 영향을 미치는 인자에 대한 실험을 통해 이론연구 분석 및 개선 방향에 대한 타당성을 확인하였다.
- 그리고 지오텍스타일 튜브의 장기거동에 미치는 봉합부의 장기거동을 고찰하기 위해 봉합사를 중성염수조건에 처리하여 거동을 평가하였다.
- 지오텍스타일 튜브에서 봉합부의 장기거동을 평가하기 위해 우선 현재 생산되는 제품의 봉합강도보다 향상된 강도를 보이는 봉합구조를 결정하기 위해 이론배경을 통해 고려된 봉합구조인자를 감안하여 겹침봉합구조(overlap stitching)의 봉합강도를 결정하였다. 몇 가지 구조적 변수를 고려하여 최적의 값을 구하였다.
- 지오텍스타일 튜브의 봉합강도를 개선시키기 위하여 봉합형태에 따른 봉합강도를 평가, 고찰하였다. 지오텍스타일에 봉합을 부여하기 위해 표 2와 같은 4종류의 봉합사와 2종류의 봉합 열을 채택하였다.
- 지오텍스타일에 봉합을 부여하기 위해 표 2와 같은 4종류의 봉합사와 2종류의 봉합 열을 채택하였다. 그림2 와 같이 폴리프로필렌 직포를 이용하여 6열 오버랩 봉합과 12열 오버랩 봉합을 실시하였다. 폴리프로필렌 직포를 사용한 것은 3면이 해안으로 구성된 우리나라의 특성상에 가장 부합되기 때문이다.
- 봉합사에 대해 해수조건을 고려하여 내구성을 평가하기 위하여 아래의 조건하에서 실험을 실시하였다. 주어진 조건에 처리한 후 얻어진 인장강도의 변화를 평가하였다. 우선 지오텍스타일 튜브의 봉합에 흔히 쓰이는 고강도의 폴리에스테르 사를 봉합사로 선정하였다.
- 해수조건을 고려한 시험의 경우 봉합사는 시험 종료 후 꺼내어 증류수에 표면의 염수를 세척한 후 24시간의 자연건조를 거친 후 인장강도 시험을 실시하였다. 표 4에 인장강도 시험결과를 나타내었다.
- 시료크기는 폭 200mm, 초기 시료장 100mm로 하여 파지한 후 인장속도는 약 10~20%/min, (20±5)%/min로 평가하여 최대 인장강도와 신도를 구한다.
대상 데이터
- 지오텍스타일 튜브의 봉합강도를 개선시키기 위하여 봉합형태에 따른 봉합강도를 평가, 고찰하였다. 지오텍스타일에 봉합을 부여하기 위해 표 2와 같은 4종류의 봉합사와 2종류의 봉합 열을 채택하였다. 그림2 와 같이 폴리프로필렌 직포를 이용하여 6열 오버랩 봉합과 12열 오버랩 봉합을 실시하였다.
- 주어진 조건에 처리한 후 얻어진 인장강도의 변화를 평가하였다. 우선 지오텍스타일 튜브의 봉합에 흔히 쓰이는 고강도의 폴리에스테르 사를 봉합사로 선정하였다. 케블라, 다이니마 등과 같은 고강도 봉합사를 사용하지 않은 것은 높은 가격으로 사용이 보편화 되지 않기 때문이다.
이론/모형
- 각 봉합된 시편에 대한 봉합강도는 KS K ISO 10321에 근거하여 평가였다.
- 그러므로 봉합효율이 높을수록 지오텍스타일 튜브의 장기설계강도 결정에 유리하며 이는 곧 지오텍스타일 튜브의 경제성과 연관된다. 봉합강도는 ASTM D4884나 ISO 10321에 준하는 방법으로 결정된다. 시편 폭은 200mm, 여분으로 양 폭 변부에 25mm 여분을 봉합부에 두고 시편을 절단하고 정해진 시험 속도 (보통 10%/min)에 따라 시험하여 봉합강도를 결정한다.
- 그리고 지오텍스타일의 인장강도는 다른 토목섬유와 같은 ASTM D 4595나 ISO 10319에 준하는 방법으로 평가된다. 이 값은 지오텍스타일 튜브의 장기설계허용강도 결정의 기본 값이 된다.
성능/효과
- 이 경우에는 식 (1)의 장기거동을 결정하는 여러 분해 특성을 고려한 감소인자를 지오텍스타일이 아닌 봉합부의 분해특성을 고려한 감소인자를 적용하는 것이 합리적이다. 이와 같이 지오텍스타일 튜브의 장기적 설계강도에 적용되는 화학적 분해를 고려한 감소인자, RFD,를 결정할 때 현재 직포 지오텍스타일 자체의 화학적 분해특성만을 고려하는데 이보다는 직포 지오텍스타일과 봉합부의 분해거동을 함께 고려하여 사용연한에 보다 큰 강도 감소를 보이는 항을 선택하여 적용하는 것이 보다 합리적으로 판단된다. 또한 보다 정확한 시험을 위해서는 실제 제품에 대한 현장노출시험과 실내 시험을 병행하여 신뢰성 있는 자료를 제시하는 것이 요구된다.
- 한 예로 PET의 경우 3년 지난 후 60 % 이상의 강도를 보유하고 있다. 또한 의도하지는 않았지만 해조류에 의해 적절한 자외선 차단 층이 형성되어 장기거동을 향상시키는 결과를 가져왔음을 알 수 있다. 표 5의 자료를 기준으로 이 지오텍스타일 튜브의 봉합강도가 효율 50% 수준이라면 3년 후에도 자외선에 의해 강도가 저하된 원 지오텍스타일의 강도보다 작다.
- 표 6에 봉합형태에 의한 봉합효율을 나타내었으며, 여기서 얻어진 봉합효율 46.1%, 54.6%, 60.6%, 27.8% 및 표 7에 나타낸 중첩봉합에 의해 나타나는 최대 봉합효율은 20% 전후이며 동일조건에서 비교해 볼 때 겹침 봉합을 통해서는 최대 약 60% 수준까지 얻어지는 것을 확인할 수 있다.
- 8% 및 표 7에 나타낸 중첩봉합에 의해 나타나는 최대 봉합효율은 20% 전후이며 동일조건에서 비교해 볼 때 겹침 봉합을 통해서는 최대 약 60% 수준까지 얻어지는 것을 확인할 수 있다. 즉 다시 말해서 지오텍스타일 튜브에서의 봉합거동은 겹침 봉합을 통한 봉합이 중첩봉합보다 크다는 것을 알 수 있다. 봉합형태 봉합 열 수, 봉합사, 봉합밀도 등은 모두 봉합거동에서 중요한 인자이므로 앞으로의 진일보로 최적의 조합을 찾기 위한 연구를 실행하여야 하며 최적의 조합을 찾는 동시에 경제적 방면도 고려하여야 한다.
- 지오텍스타일 튜브의 장기설계강도를 결정하기 위해서는 식 (1)에 고려된 여러 감소인자를 지오텍스타일과 봉합부에 각각 개별적으로 적용하여 적용 시스템의 사용연한을 고려한 장기강도를 산출하여 비교값 중에서 한계평형해석에 유리한 값을 취하는 것이 타당할 것으로 판단된다. 즉 봉합부의 장기강도 값이 지오텍스타일의 장기강도 값보다 작다면 해당 지오텍스타일 튜브 적용 구조물의 장기설계강도는 봉합부에 근거하여 결정된 값을 사용하는 것이 보다 합리적이다.
- 지오텍스타일 튜브의 봉합강도에 영향을 주는 인자는 봉합 열 수, 봉합밀도, 지오텍스타일의 강도, 봉합사의 강도, 봉합형태 등이며 이론고찰과 실험을 통해 현재 적용되는 중첩봉합보다는 겹침봉합이 우수한 봉합거동을 보임을 확인할 수 있었다. 본 연구 실험을 통해 얻어진 봉합효율은 약 60%수준으로 중첩봉합의 20%보다 우수한 봉합효율의 결과를 얻을 수 있었다.
- 지오텍스타일 튜브의 봉합강도에 영향을 주는 인자는 봉합 열 수, 봉합밀도, 지오텍스타일의 강도, 봉합사의 강도, 봉합형태 등이며 이론고찰과 실험을 통해 현재 적용되는 중첩봉합보다는 겹침봉합이 우수한 봉합거동을 보임을 확인할 수 있었다. 본 연구 실험을 통해 얻어진 봉합효율은 약 60%수준으로 중첩봉합의 20%보다 우수한 봉합효율의 결과를 얻을 수 있었다. 지오텍스타일 튜브의 봉합부의 장기거동을 고찰하기 위한 해수조건에서의 봉합사의 강도변화, 봉합형태에 따른 지오텍스타일 튜브의 봉합강도의 평가 등 시험을 수행한 결과, 중성 수증기 환경 조건하에서 봉합사의 강도가 16.
- 76kg으로 저하하였다. 합리적인 지오텍스타일 튜브의 장기설계강도 결정을 위해 Two process법을 제안하였으며, 합리적인 지오텍스타일 튜브의 장기설계강도는 지오텍스타일의 장기강도와 봉합부의 장기강도를 사용연한에서 상호 비교하여 한계평형해석이 유리한 값을 적용하는 것이 합리적임을 확인하였다. 향후 제안된 방법에 대해 실내 및 실외시험을 통해 보다 신뢰성 있는 프로세스의 제공을 위한 연구와 지오텍스타일튜브의 봉합강도를 향상시키는 방법과 여러 영향인자의 봉합부에 미치는 영향평가를 위한 시험법 표준화에 대한 연구가 추가로 진행되어야 할 것이다.
- 표 4에 인장강도 시험결과를 나타내었다. 인장강도는 처리 전 16.14kgf에서 15.76kgf로 얻어졌으며, 48시간 35℃ 조건에서도 시험에 사용된 고강도 폴리에스테르 봉합사의 강도가 저하됨을 확인할 수 있다. 여기서 중성염수조건이 상대적으로 자극적인 환경조건이 아니고 처리기간이 짧아 큰 분해거동을 확인할 수는 없었지만 일반적으로 알려진 바와 같이 폴리에스테르는 수용액환경에서 가수분해 되어 물성저하를 유발한다.
- 본 연구 실험을 통해 얻어진 봉합효율은 약 60%수준으로 중첩봉합의 20%보다 우수한 봉합효율의 결과를 얻을 수 있었다. 지오텍스타일 튜브의 봉합부의 장기거동을 고찰하기 위한 해수조건에서의 봉합사의 강도변화, 봉합형태에 따른 지오텍스타일 튜브의 봉합강도의 평가 등 시험을 수행한 결과, 중성 수증기 환경 조건하에서 봉합사의 강도가 16.14kg에서 15.76kg으로 저하하였다. 합리적인 지오텍스타일 튜브의 장기설계강도 결정을 위해 Two process법을 제안하였으며, 합리적인 지오텍스타일 튜브의 장기설계강도는 지오텍스타일의 장기강도와 봉합부의 장기강도를 사용연한에서 상호 비교하여 한계평형해석이 유리한 값을 적용하는 것이 합리적임을 확인하였다.
후속연구
- A의 경우가 이에 해당되면 원 지오텍스타일의 파단이 발생을 방지하고 슬립을 방지할 적합한 봉합사의 긴장상태 유지를 위한 방법 등이 평가되어야 한다. 또한 인장강도평가 동안에 시편의 채취를 위한 절단에 의한 봉합사의 긴장상태의 교란이 야기되었으며 이 부분을 제어할 수 있는 개선된 평가법도 함께 연구되어야 할 것으로 판단된다.
- 봉합부에서의 파괴는 봉합사의 파단, 지오텍스타일 구조의 붕괴(조직 섬유의 슬라이딩에 의해 직물조직이 무너지는 현상), 지오텍스타일 구성섬유의 파단 등으로 나타나는데 최적의 봉합강도를 얻기 위한 조합을 결정하는 것이 중요하다. 과대한 고강도의 봉합사의 사용은 비경제적인 효과를 유발하며 단순한 봉합사의 강도 고려뿐 아니라 봉합구조 (봉합 열) 등 의 최적화를 함께 고려해야함을 확인할 수 있었다.
- 이와 같이 지오텍스타일 튜브의 장기적 설계강도에 적용되는 화학적 분해를 고려한 감소인자, RFD,를 결정할 때 현재 직포 지오텍스타일 자체의 화학적 분해특성만을 고려하는데 이보다는 직포 지오텍스타일과 봉합부의 분해거동을 함께 고려하여 사용연한에 보다 큰 강도 감소를 보이는 항을 선택하여 적용하는 것이 보다 합리적으로 판단된다. 또한 보다 정확한 시험을 위해서는 실제 제품에 대한 현장노출시험과 실내 시험을 병행하여 신뢰성 있는 자료를 제시하는 것이 요구된다.
- 즉 다시 말해서 지오텍스타일 튜브에서의 봉합거동은 겹침 봉합을 통한 봉합이 중첩봉합보다 크다는 것을 알 수 있다. 봉합형태 봉합 열 수, 봉합사, 봉합밀도 등은 모두 봉합거동에서 중요한 인자이므로 앞으로의 진일보로 최적의 조합을 찾기 위한 연구를 실행하여야 하며 최적의 조합을 찾는 동시에 경제적 방면도 고려하여야 한다.
- 합리적인 지오텍스타일 튜브의 장기설계강도 결정을 위해 Two process법을 제안하였으며, 합리적인 지오텍스타일 튜브의 장기설계강도는 지오텍스타일의 장기강도와 봉합부의 장기강도를 사용연한에서 상호 비교하여 한계평형해석이 유리한 값을 적용하는 것이 합리적임을 확인하였다. 향후 제안된 방법에 대해 실내 및 실외시험을 통해 보다 신뢰성 있는 프로세스의 제공을 위한 연구와 지오텍스타일튜브의 봉합강도를 향상시키는 방법과 여러 영향인자의 봉합부에 미치는 영향평가를 위한 시험법 표준화에 대한 연구가 추가로 진행되어야 할 것이다.
- 특히 봉합과 관련하여서는 제시된 식 (1)의 기준 값처럼 가장 큰 감소인자가 적용됨을 알 수 있고, 통상 RFSS = 2.0 보다는 보다 향상된 봉합효율에 의한 값을 적용하는 것이 우수한 기능과 경제성 확보를 위해 필요함을 확인할 수 있다.
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