보고서 정보
주관연구기관 |
홍익대학교 산학협력단 |
연구책임자 |
윤순종
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2011-07 |
과제시작연도 |
2010 |
주관부처 |
교육과학기술부 |
과제관리전문기관 |
한국연구재단 National Research Foundation of Korea |
등록번호 |
TRKO201300012440 |
과제고유번호 |
1345129151 |
사업명 |
중견연구자지원 |
DB 구축일자 |
2013-08-26
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키워드 |
섬유강화복합재.구조해석.설계기준.CVI(화학증기침착).프로판열분해반응경로.탄소/탄소 복합재료.유리섬유복합관.모형실험.수치해석.FRP.Structural analysis.Design criteria.C/C composites.CVI (Chemical Vapor Infiltraion).Rate of infiltration.GFRP.Scale model test.Numerical analysis.
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초록
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연구의 목적 및 내용
건설 구조용 부재로 사용하기 위한 복합재의 활용을 위하여 FRP의 역학적 특성을 이론적 실험적 연구를 통해 파악하고 설계에 적용하기 위한 방안을 제안한다.
프로판 열분해에 의해 탄소를 프리폼 내부에 침착시켜 C/C 복합재를 제조하는 CVI 공정에 대해 연구한다. 프로판의 열분해 반응생성물의 조성변화를 관찰하고, 침착실험 후 복합재의 기공도와 침착 양상을 관찰한다. 실험자료와 수치모사를 조율하여 문헌상의 반응속도 상수 값을 점검하고, 수치모사를 통해 공정 변수의 영향을 예측하는 것이다.
이 연구에
연구의 목적 및 내용
건설 구조용 부재로 사용하기 위한 복합재의 활용을 위하여 FRP의 역학적 특성을 이론적 실험적 연구를 통해 파악하고 설계에 적용하기 위한 방안을 제안한다.
프로판 열분해에 의해 탄소를 프리폼 내부에 침착시켜 C/C 복합재를 제조하는 CVI 공정에 대해 연구한다. 프로판의 열분해 반응생성물의 조성변화를 관찰하고, 침착실험 후 복합재의 기공도와 침착 양상을 관찰한다. 실험자료와 수치모사를 조율하여 문헌상의 반응속도 상수 값을 점검하고, 수치모사를 통해 공정 변수의 영향을 예측하는 것이다.
이 연구에서는 흙-연속장섬유, GFRP관, FRP 콘크리트 합성말뚝에 대하여 모형실험과 수치해석을 수행하여 강도 및 변형특성을 분석하여 복합재의 안정성, 신뢰성, 적용성을 분석하여 현장 및 설계에 적용 가능성 여부를 평가하고자 한다.
연구결과
FRP 복합재의 구조적 거동 연구: 필라멘트 와인딩 FRP을 상하수도관에 적용하였을 때 요구되는 내구성 및 사용성을 검증하였다. 펄트루젼 FRP 부재의 볼트 연결부 인장성능을 기존 연구를 참고로 하여 실험적으로 조사하였고, 부재의 압축성능을 이론적 실험적 연구를 통하여 조사하였다. 또한 설계에 적용할 수 있는 계수와 설계식을 제시하였다.
프로판 열분해에 의한 C/C 복합재 제조 연구: 침착된 탄소의 양과 침착반응 후 배출 가스의 조성이 분석되었다. 작동 변수에 따른 생성물 (메탄, 에틸렌, 아세틸렌)의 조성 변화 경향은 문헌상의 결과와 유사하였다. 프리폼 기공내 침착탄소의 형상 변화를 SEM으로 확인하였다. 또한, 수치모사에 의해 반응온도, 프로판농도, 반응속도 상수 등의 변수의 영향이 관찰되었다. 낮은 온도, 낮은 농도, 느린 반응속도, 침착 공정 중 프리폼 뒤집는 것으로 프리폼 내 균일한 침착을 얻게 된다는 것을 수치모사로 확인하였다.
복합재의 토목분야 활용 연구: 흙-연속장섬유 보강 흙구조물의 변형계수와 큰 차이가 없으므로 흙 시료의 변형특성을 그대로 적용할 수 있을 것으로 확인하였다. GFRP관의 모형실험과 수치해석을 병행한 결과 관변형 및 부등침하에 대한 안전성을 확보하였으며, 수치해석과의 신뢰성도 확보하는 것으로 토목분야에 적용성을 확인하였다. 또한 FRP 콘크리트 합성말뚝은 지지력 확보가 가능하여 효과적인 기초공법의 하나로 적용이 가능한 것으로 평가되었다.
연구결과의활용계획
FRP를 건설재료로 활용할 수 있는 설계법을 제정하기 위한 기초 자료를 확보함으로서, FRP의 효율적인 현장적용 및 설계가 가능할 것으로 판단된다.
CVI에 의한 프로판 열분해 탄소/탄소 복합재 제조 연구 결과로 효율적인 침착공정을 수행하여 우수한 성능의 복합재 제조가 가능할 것으로 판단된다. 수치모사 프로그램의 개발로 공정상의 여러 변수들의 영향을 직접 실험을 통하지 않고 예측함으로써 공정 개발에 시간과 노력을 절약할 수 있을 것이다.
이 연구를 통해 흙-연속장섬유 복합재의 강도 및 변형특성이 규명되었으므로 설계시 변위검토가 필수적인 도심지 공사에도 활용이 가능할 것으로 생각되며, GFRP관은 지중매설시 상재하중에 증가에 따른 모형실험과 수치해석을 통한 안전성을 검토하였으며, GFRP관의 현장 적용에 따른 보다 효율적인 설계 자료로 활용이 가능할 것으로 판단된다. 또한 FRP콘크리트 말뚝의 적용성을 평가하였으므로, 국내 현장에서 FRP 콘크리트 합성말뚝의 정,동재하시험을 수행하여 보다 정확한 거동특성을 분석하고, 기존말뚝과 비교분석하여 활용 할 수 있을 것으로 생각된다.
Abstract
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Purpose & contents
In order to use the member effectively in civil engineering field, mechanical characteristics of FRP are investigated throughout the experimental and theoretical studies and design method for FRP member is suggested.
The CVI process was studied for the preparation of C/C com
Purpose & contents
In order to use the member effectively in civil engineering field, mechanical characteristics of FRP are investigated throughout the experimental and theoretical studies and design method for FRP member is suggested.
The CVI process was studied for the preparation of C/C composites by infiltrating carbon from the pyrolysis of propane into the carbon fiber preform, Changes of compositions of product gases from the pyrolysis reaction of propane, the porosities, and the shapes of deposit were observed. The reaction rate constant was decided by comparing the experimental data and the numerical modeling results. The effects of process parameters were estimated by the numerical modeling.
For the civil engineering application, model experiments and numerical analyses were performed to investigate strength and deformation characteristics of the soil-continuous long fiber composites, GFRP pipes, and FRP-concrete composite piles. Moreover, the field and design application were investigated by analyzing the characteristics.
Result
In this study, filament winding FRP pipes are investigated on the durability and applicability. Tensile load carrying capacity of bolted connection in pultruded FRP member is investigated throughout experimental study. Compressive load carrying capacity of pultruded FRP is investigated throughout theoretical and experimental study. Moreover buckling coefficients and equations for the design of FRP structural members are suggested.
The amount of deposited carbon and the compositions of the exit gas were measured. The trends of product gases, such as methane, ethylene, and acetylene, changing with the process parameters were similar with those in the references. Changes of the shapes of carbon deposited in the pores of preform were observed with SEM. The effects of process parameters such as the reaction temperature, the concentration of propane, and the reaction rate constant, were observed with the numerical modeling. It was confirmed with the numerical modeling that a low temperature, a low concentration, a slow reaction rate, and overturning of the preform during the infiltration process result in an uniform infiltration in the preform.
For the civil engineering application, deformation characteristics of soil can be applied because of the deformation modulus of the soil is not much different to the deformation modulus of soil-continuous long fiber reinforced structure. The safety of differential settlement and strain were confirmed by performing experiments and numerical analysis for GFRP pipes. As a result, applicability was confirmed for civil engineering. In addition, FRP-concrete composite piles were considered as one of the effective foundations because the bearing capacity of FRP-concrete composite piles is sufficient.
Expected Contribution
The results of this study may be used to develop the design criteria or specification for FRP as the fundamental reference.
It seems that the preparation of high performance composites become possible by performing an efficient infiltration process with the results of this research. The development of program for the numerical modeling make it possible to save time and energy by estimating effects of process parameter without experiments.
Through this study, strength and deformation characteristics of soil-continuous long fiber composites have been identified for review of the design displacement. The stability of GFRP pipes was reviewed by model experiments and numerical analysis. The result was considered to be an efficient utilization. A field test for the FRP concrete composite piles should be performed to investigate more accurate deformation characteristics.
목차 Contents
- 중견연구자지원사업(핵심연구) 최종보고서(제출용) ... 1
- 목 차 ... 3
- 연구계획 요약문 ... 4
- 연구결과 요약문 ... 5
- 한글요약문 ... 5
- SUMMARY ... 6
- 연구내용 및 결과 ... 7
- 1. 연구개발과제의 개요 ... 7
- 2. 국내외 기술개발 현황 ... 9
- 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 11
- 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 55
- 5. 연구결과의 활용계획 ... 55
- 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 56
- 7. 주관연구책임자(공동연구원) 대표적 연구실적 ... 56
- 8. 참고문헌 ... 57
- 9. 연구성과 ... 61
- 10. 기타사항 ... 65
- 대 표 연 구 성 과 ... 66
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