GFRP 단일 볼트 연결부 수치해석 모델 구축 및 개선 방향 제시

국문 초록 (Abstract)

GFRP 형강 구조 시스템의 실용화를 위해서는 다중 볼트 접합부의 구조 성능 및 설계 기법 확립이 필수적이다. 본 연구에서는 이를 위한 기초 연구로서 접합부를 구성하는 가장 기본적인 단위인 단일 볼트 연결부의 거동 특성을 규명하고 3차원 입체 요소 기반 수치해석 모델을 구축하고자 하였다. 선행연구 분석을 통해 형상비와 볼트 체결력을 핵심 변수로 선정하고, 등방성 및 직교이방성 재료 모델 기반 수치해석을 수행하였다. 병행하여 GFRP 재료 물성 시험 및 단일 볼트 연결부 실험을 실시하고, 수치해석 결과와 비교 검증하였다. 등방성 모델 해석 결과, 형상비 증가에 따라 지압파괴로 유도되는 경향과 볼트 체결력 적용 시 파괴 지연 효과를 확인하였으나, 모든 조건에서 전단파괴가 먼저 발생하여 파괴 모드 전환은 발생하지 않았다. 직교이방성 모델은 선형 구간에서 정확한 거동 예측이 가능하였으나, 방향별 강도 독립 설정 불가 및 손상 모델 연계 불가 등의 한계가 확인되었다. 실험 결과, 수치해석과 동일하게 모든 형상비 조건에서 전단파괴가 지배적으로 발생하였으며, 선행연구에서 보고된 지압파괴로의 전환은 발생하지 않았다. 분석 결과를 종합하면, 현재 구축된 모델은 정성적 경향 파악에는 유효하나 정확한 파괴 모드 예측에는 한계가 있음을 확인하였다. 이를 극복하기 위한 개선 방안으로 UMAT 기반 사용자 정의 모델과 3D Hashin 파손 기준의 결합을 제시하였다. 향후 재실험을 통해 신뢰성 있는 재료 물성 데이터를 확보하고 고도화된 수치해석 모델을 구현함으로써, GFRP 형강 다중 볼트 연결부 시스템 해석에 적용 가능한 재료 모델을 구축할 수 있을 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

For the practical application of GFRP profile structural systems, establishing the structural performance and design methods for multi-bolt connections is essential. As a foundational study toward this goal, this research aimed to investigate the behavioral characteristics of single-bolt connections, which constitute the most fundamental unit of connections, and to develop a numerical analysis model based on three-dimensional solid elements. Through literature review, geometric ratios and bolt clamping force were selected as key variables, and numerical analyses were performed using isotropic and orthotropic material models. In parallel, GFRP material property tests and double lap bolted connection tests were conducted, and the results were compared with numerical analysis results for validation. The isotropic model analysis revealed tendencies toward bearing failure with increasing geometric ratios and delayed failure effects with clamping force application. However, shear failure occurred first under all conditions, and no transition to bearing failure mode was observed. The orthotropic model enabled accurate behavior prediction in the linear range but exhibited limitations such as inability to set independent strengths in different directions and inability to couple with damage models. Experimental results showed that shear failure dominated under all geometric ratio conditions, consistent with numerical analysis results, and the transition to bearing failure reported in previous studies did not occur. The comprehensive analysis confirmed that the currently developed models are effective for qualitative trend analysis but have limitations in accurate failure mode prediction. As an improvement approach, the combination of UMAT-based user-defined material models with 3D Hashin failure criteria was proposed. Through future re-experimentation to secure reliable material property data and implementation of advanced numerical models, a material model applicable to GFRP profile multi-bolt connection system analysis can be established.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 내용 2
• Ⅱ. 선행 연구 분석 4
• 2.1 서론 4
• 2.2 실험 변수 및 연구 동향 5
• 2.3 수치해석 변수 결정 8
• Ⅲ. 수치해석 모델 구축 및 해석 9
• 3.1 수치해석 모델링 9
• 3.1.1 GFRP 재료 특성 9
• 3.1.2 3D 유한요소 수치해석 모델 10
• 3.2 변수에 따른 수치해석 결과 17
• 3.2.1 파괴모드 판별 기준 18
• 3.2.2 형상비 19
• 3.2.3 볼트 체결력 25
• 3.3 수치해석 모델 고찰 26
• Ⅳ. 연결부 실험 설계 및 결과 28
• 4.1 실험 설계 28
• 4.1.1 시편 설계 29
• 4.1.2 계측 방법 31
• 4.2 실험 결과 33
• 4.2.1 GFRP 물성 시험 33
• 4.2.2 GFRP 단일 볼트 연결부 실험 39
• Ⅴ. 수치해석 및 실험 적합성 검증 46
• 5.1 수치해석 및 실험 결과 비교 46
• 5.2 적합성 판단 및 개선 방향 48
• 5.2.1 직교 이방성 반영 모델 49
• 5.2.2 UMAT / 데미지 모델 52
• Ⅵ. 결론 56
• 참고 문헌 57