유리섬유복합관의 구조적 거동특성에 관한 실험적 연구 = (An) Experimental Investigation on the Structural Behavior of GFRP Pipes

국문 초록 (Abstract)

GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastic)관은 일반적으로 기존의 매설관에 비해서 두께가 얇고, 비교적 가볍고 유연하므로 지중에 매설할 경우 유연한 재료적 특성으로 인해 하부 지반의 지지력 부족으로 인한, 즉 과도한 지반 침하와 이로 인한 과도한 관의 변형으로 인한 재료의 파괴 위험성이 적으며, 가볍기 때문에 소형장비를 사용할 수 있어서 시공속도의 향상을 기대할 수 있다. 특히 최근 대단위 택지 개발 현장에서는 연약지반층이 두껍게 존재하고, 매설깊이가 깊어지는 경향이 있으므로 기존 관로의 대체품으로 GFRP관의 활용에 대한 연구가 요구되고 있는 실정이다.
GFRP관을 구성하는 보강섬유는 직교이방성 부재로 간주되는데 이러한 경우 재료의 성질은 서로 직각을 이루는 두 개의 축을 기준으로 정의된다. 따라서 GFRP관의 구조적 거동 해석을 수행하기 위해서 길이방향과 원주방향의 재료의 역학적 성질, 즉 탄성계수, 전단탄성계수, 포아송비 등이 필요한데 각각의 성질들을 시편에 대한 인장, 압축실험을 통해 결정하였다.
또한, 이 실험으로부터 구한 각각의 역학적 성질을 적용하여, 간소화된 유한요소 해석방법을 제안하기 위해 적층판 이론으로부터 GFRP관의 탄성계수를 계산하고, 계산된 탄성계수를 적용하여 유한요소해석을 수행하였다. 이로써 유한요소해석을 수행하여 얻은 하중-변위 그래프와 실제 실험체에 대한 원강성 시험으로 부터 구한 하중-변위 관계 그래프와 비교함으로써 예측결과에 대한 타당성을 검증하였으며, 국내의 원강성 규정, 즉 GFRP관 내경의 3%, 5% 변위를 발생시키는 하중값을 비교하였으며, 비교결과 거동예측이 가능함을 확인하였다. 따라서 관경, 각층의 두께, 재료의 역학적 성질을 구한 후 이 값을 적층판 이론에 적용하여 국내에서 생산, 시공 중인 GFRP관의 역학적 거동을 예측할 수 있음을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

GFRP pipes are thinner and lighter than usual conventional pipes and the special material characteristics of the GFRP pipes exhibit advantageous over conventional pipes. When they are buried under the ground decrease possibility of demolition of under ground caused by lack of support resistance, possibility of breaking of materials caused by excessive deformation and increase the speed of construction. Specially, in the recent development of large scale of land, existence thick weak foundation is exist and utility buried depth is becoming deeper. So, we need to investigate to use GFRP pipes in the utility system.
Glass fiber reinforced plastics are considered to be orthotropic, and thus, the material characteristics are defined by each axis. To investigate the mechanical behavior of GFRP pipes, compression and tension tests were performed with test samples taken from each layer of a GFRP pipe.
From the test result the mechanical characteristics were defined. These mechanical characteristics were applied to FEM analysis. In the FEM analysis, the elastic modulus of a GFRP pipe was eatimated by the conventional laminate plate theory.
The results ovtained by the FEM analysis are compared with the results ovtained by ring stiffness test. Good agreements at 3% and 5% radial deformations are observed. Therefore, it was found that FEM analysis techniques could be used to predict the structural behavior of GFRP pipes.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1.1 연구배경 및 목적 1
• 1.2 연구방법 및 범위 3
• 제2장 GFRP관의 구조 및 특징 4
• 2.1 강성관과 연성관의 특징 4
• 2.1.1 강성관의 거동특성 4
• 2.1.2 연성관의 거동특성 5
• 2.2 GFRP관의 특성 및 제조방법 6
• 2.2.1 GFRP관의 구성재료 6
• 2.2.2 GFRP 관의 특성 8
• 2.2.3 GFRP관의 제조방법 11
• 제3장 GFRP관의 역학적 성질 14
• 3.1 GFRP관 재료의 역학적 성질 14
• 3.1.1 폴리머모르타르의 압축강도 실험 14
• 3.1.2 관 길이방향 FRP의 역학적 성질 18
• 3.1.3 관 원주방향 FRP의 역학적 성질 24
• 제4장 이론에 의한 GFRP관의 역학적 성질 30
• 4.1 응력-변형률 관계 30
• 4.2 변환행렬 32
• 4.3 적층판의 역학적 거동 34
• 제5장 GFRP관에 대한 원강성 시험 40
• 5.1 시험체 제작 및 시험방법 40
• 5.2 실험결과 43
• 제6장 유한요소해석 54
• 6.1 유한요소해석 모델링 54
• 6.2 유한요소해석 결과 57
• 제7장 결론 66