교량 인양용 샌드위치 복합재 구조물의 압축특성에 관한 연구

1. 서론

전술교량은 전시에 다리가 끊어졌을 때 전차, 장갑차, 군용 트럭 등이 이동하기 위해 임시로 설치되는 군용 다리로써, 일반적으로 끊어진 다리를 연결해주는 교량(Bridge), 교량을 설치하기 위한 가설차량, 가설차량에 설치되어 교량을 이송시키는 가설빔(Launch Beam)으로 구성된다. 특히 가설빔은 가설차량에 설치되어 끊어진 다리 반대편 지점까지 교량을 이송하는 장치로써 가설차량에서 반대편 지점까지 외팔보 형태로 설치되기 때문에 경량화 설계가 반드시 필요하다. 따라서 가설빔의 중량 문제를 해결하기 위해 탄소섬유와 같은 복합재를 이용한 방법¹이 적용되고 있다(Table 1).

Table 1

Tactical bridge system (BAE, UK)

샌드위치 복합재(Structural Sandwich Composite)는 표면에 탄소섬유, 유리섬유와 같은 섬유강화복합재를 적용한 스킨층(Face)과 중간에 허니컴 코어, 발사우드(Balsa Wood)와 같이 밀도가 작은 코어(Core)로 구성되며, 기존 금속 재료에 비해 비강성 및 비강도가 우수하기 때문에 가설빔 설계 시 샌드위치 복합재를 적용하여 경량화 설계 가능하다.

샌드위치 복합재가 가지는 장점, 즉 높은 비강성에도 불구하고 가설빔의 소재로 사용되는데 제한을 받고 있다. 그 이유는 가설빔 설치 시 가설빔에 가해지는 굽힘하중에 의한 반력이 샌드위치 복합재로 제작된 가설빔의 좌우판에 압축하중으로 작용하기 때문에 샌드위치 복합재의 좌굴, 압축강도 등과 같은 기계적 특성 연구가 필요하지만 일부 연구자들에 의해서만 제한적으로 발표되고 있어 이에 대한 충분한 연구가 부족하기 때문이다. 샌드위치 복합재에 압축하중이 가해질 경우 샌드위치 복합재의 기계적 특성 변화, 파괴메카니즘 등에 관한 연구가 일부 연구자들에 의해 이루어지고 있다.^2-7 특히 스킨층과 코어 사이 접착면에 대한 접착면 분리(Debonding)에 관한 연구가 발표되고 있으며, 예를 들어 Chen 등⁸은 유리섬유강화 폼 코어 샌드위치 복합재에 있어 길이방향 압축하중에 대한 스킨층과 코어 사이 접착면 분리에 관한 연구를 수행하였고, Rasmus 등⁹은 샌드위치 복합재에서 스킨층과 코어 사이 접착면 분리에 대한 이론적 모델을 연구하였다.

또한 샌드위치 복합재를 구조물에 적용하기 위해서는 샌드위치 복합재 간 결합이 반드시 필요하며, 결합의 방법은 볼트를 이용한 기계적 결합, 접착제를 이용한 결합 등 다양한 방법이 적용되며, 이에 대한 연구로 Ha 등¹⁰은 폼 코어 샌드위치 복합재의 결합에 있어 T-Joint 형태로 접착제를 이용한 결합의 경우 Joint 부의 보강구조물의 형상에 따라 기계적 강도가 변화되는 것으로 발표하였다.

마지막으로 코어의 종류 및 밀도 변화에 따라 샌드위치 복합재의 기계적 특성은 영향을 받는 것이 일부 연구자들에 의해 규명되었으며, 이에 대한 연구로 Ramakrishnan 등¹¹은 발사우드, 아라미드 허니컴 코어 등과 같이 코어 소재 변화에 따른 충격특성 변화를 연구하였다고 Mahfuz 등¹²은 코어 밀도 변화에 따라 샌드위치 복합재의 좌굴특성이 변화하는 결과를 발표하였다.

그러나 발사우드 샌드위치 복합재에 있어, 성형 압력 변화가 발사우드 샌드위치 복합재의 기계적 특성에 미치는 영향에 관한 연구는 거의 이루어지지 않은 상태이다.

따라서 본 논문에서는 전술교량에 있어 교량을 이송하는 가설빔 구조물에 적용된 발사우드 샌드위치 복합재에 있어 성형 압력이 발사우드 샌드위치 복합재의 기계적 특성에 미치는 영향에 관하여 연구하였다. 이를 위해 성형압력은 두 가지 조건을 적용하여 발사우드 샌드위치 복합재를 제작하였으며, 기준 성형압력 40 psi으로 제작된 발사우드 샌드위치 복합재와 성형압력을 상향시켰을때 압축 및 좌굴강도 특성을 확인하기 위해 성형압력 60 psi에서 제작된 샌드위치 복합재를 이용하여 압축시험을 수행하였다. 이로부터 성형압력 변화에 따른 발사우드 샌드위치 복합재의 압축강도 및 좌굴 특성 변화에 대해 검토하였다.

2. 시편제작 및 실험 방법

본 연구에 사용한 발사우드 샌드위치 압축시편은 다음과 같다. 스킨층은 SK Chemical 社에서 생산하는 탄소섬유/에폭시 프리프레그 중 일방향 프리프레그(USN500A)와 직조 프리프레그(WSN12KY)을 사용하였고, 코어는 BALTEK 社의 SB50 발사우드를 적용하였으며, 스킨층과 코어 사이에 적용된 접착필름(Adhesive Film)은 3M사의 AF500 적용하였다. 또한 허니컴 코어 샌드위치 복합재에 있어 허니컴 코어는 M.C.GILL 社의 HD142를 사용하였다. 각 소재에 따른 자세한 물성은 Table 2에 나타내고 있다.

Table 2

Core, Face sheet and adhesive properties

샌드위치 복합재의 적층은 탄소섬유/에폭시 프리프레그를 발사우드 양쪽면에 각각 14층씩 적층하여 제작하였다. 적층이 완료된 샌드위치 복합재는 오토클레이브 내에서 열 및 압력을 가함으로써 성형하였으며, 성형 온도 80°C에서 80분간 유지 후 125°C로 상승하여 150분간 유지한 후 상온으로 온도를 하향시키는 공정을 적용하였다. 발사우드 및 허니컴 코어 샌드위치 복합재 제작을 위한 성형압력은 40 psi를 적용하였으며, 성형압력 변화에 따른 발사우드 샌드위치 복합재의 압축특성 변화를 연구하기 위해 60 psi 성형압력으로 발사우드 샌드위치 복합재를 추가 제작하였다. 성형이 끝난 후 시편은 크기 300 mm × 70 mm(높이 X폭)의 직사각형으로 가공하여 제작하였다.

압축실험은 성형압력 변화에 따른 발사우드 샌드위치 복합재의 압축특성 변화를 분석하기 위해 만능인장시험기를 이용하여 ASTM D3410¹³에 따라 압축실험을 수행하였으며, 변형율 속도는 1 mm/min로 하였다. 압축하중은 시편의 파손이 발생할 때까지 지속적으로 증가시키는 방법을 적용하였고, Fig. 1은 본 연구에서 수행한 압축실험을 나타낸 것이다. 압축실험이 끝난 후 파손된 시편의 파손면을 관찰하여 성형압력 변화가 샌드위치 복합재에 미치는 영향을 평가하였다.

Fig. 1

Test set-up showing balsa wood sandwich composite specimen compressing in test fixture

3. 결과 및 검토

발사우드는 전단강도 및 압축강도가 허니컴 코어나 폼 코어에 비해 우수하고 자연에서 구할 수 있는 친환경 소재이기 때문에 풍력발전기의 블레이드 등 샌드위치 복합재 구조물의 코어 소재로 널리 각광받고 있지만 표면 접착력, 물성의 불 균일 등과 같은 이유로 사용에 제한을 받고 있다. 또한 성형압력은 샌드위치 복합재의 압축강도에 영향을 미친다는 것은 잘 알려진 사실이다. 따라서 본 연구에서는 성형압력이 발사우드 샌드위치 복합재의 압축 특성에 미치는 영향을 이해하기 위해 두 가지 성형압력 조건 하에서 샌드위치 복합재의 압축강도를 측정하고 파손면을 분석하였다. 이 때 발사우드 샌드위치 복합재의 압축실험 결과가 정확한지 비교검토하기 위해 허니컴 코어 샌드위치 복합재를 이용하여 압축실험을 수행하였다.

Fig. 2는 성형압력 40 psi에서 제작된 허니컴 코어 샌드위치 복합재(CASE 1) 및 발사우드 샌드위치 복합재(CASE 2)와 성형압력 60 psi에서 제작된 발사우드 샌드위치 복합재(CASE 3)의 압축강도(P_cr)를 나타낸 것이다. Fig. 2에 나타나 있듯이 허니컴 코어 샌드위치 복합재(CASE 1)의 압축강도는 105 kN이고, 두 가지 성형압력에 대한 발사우드 샌드위치 복합재(CASE 2, CASE3)의 압축강도는 각각 120 kN, 170 kN이었다. 압축실험 결과 발사우드 샌드위치 복합재의 압축강도는 허니컴 코어 샌드위치 복합재의 압축강도보다 최소 16% 이상 높은 것을 알 수 있으며, 이와 같이 허니컴 코어 샌드위치 복합재에 비해 발사우드 샌드위치 복합재의 압축강도가 높은 이유는 발사우드의 기계적 물성이 허니컴 코어에 비해 우수하기 때문인 것으로 판단된다. 또한 발사우드 샌드위치 복합재의 경우 성형압력이 40 psi에서 60 psi로 증가함에 따라 압축강도가 25% 이상 증가함을 알 수 있다.

Fig. 2

Pcr change of sandwich composite for change of pressure from CASE 1 to CASE 3

Fig. 3은 각 경우의 압축실험 시 파손형태를 나타낸 것이다. CASE 1-CASE 3까지 압축실험에서 모든 경우의 샌드위치 복합재는 좌굴의 형태로 파손이 발생하였으며, Fig. 3에 나타나 있듯이 허니컴 코어 샌드위치 복합재(CASE 1)는 전체적인 좌굴이 발생하였지만, 40 psi의 성형압력에서 제작한 발사우드 샌드위치 복합재의 경우 국부적인 좌굴이 발생하였으며, CASE 2를 분석해보면 면내주름(Wrinkling of Facings, CASE 2-1) 및 전단압착(Shear Crimping, CASE 2-2)의 파손형태가 관찰되고 있다. 그리고 성형압력 60 psi의 경우(CASE 3) 국부적인 좌굴과 전체적인 좌굴이 동시에 발생하고 있음을 알 수 있다.

Fig. 3

Photograph of sandwich composites bucking: CASE 1 to CASE 3

Figs. 2 및 3의 결과에서 허니컴 코어의 압축강도보다 발사우드 샌드위치 복합재의 압축강도가 우수하지만 발사우드 샌드위치 복합재에서는 국부적인 좌굴이 발생하였고 국부적인 좌굴이 압축강도에 미치는 영향을 규명하기 위해 유한요소법(Nastran) 을 이용하여 허니컴 코어 및 발사우드 샌드위치 복합재의 좌굴해석을 수행하였으며, Fig. 4는 그 결과를 나타내고 있다. 유한요소해석시, 샌드위치 복합재 해석모델은 2D요소(Shell Element)를 사용하였고, 경계조건은 양 끝단을 완전 고정(Fixed)하였으며, 모든 경계면은 완전히 접착되어 있다는 가정으로 수행하였다.

Fig. 4

Buckling load of sandwich composite using Nastran: (a) Honey core, (b) Balsa wood

Table 3

Comparison of experimental results and analytical results for the sandwich composites

유한요소 분석결과 허니컴 코어 샌드위치 복합재의 좌굴해석 결과 좌굴강도는 88 kN으로 압축실험 대비 약 19% 낮게 나타났는데 좌굴해석의 경우 좌굴강도는 좌굴이 발생하기 시작하는 하중이고 압축실험의 압축강도는 파단 시의 하중이 때문에 해석결과가 실험결과보다 낮은 것이다. 또한 허니컴 코어 샌드위치 복합재의 해석의 좌굴 형상과 압축실험의 형상(Fig. 3, CASE 1)이 유사함을 알 수 있다. 반면 발사우드 샌드위치 복합재의 경우, 좌굴강도가 248 kN으로 두 가지 조건의 압축실험 대비 약 106% 및 45% 높은 것을 알 수 있다.

Figs. 5는 3에서 CASE 1의 허니컴 코어 샌드위치 복합재 Figs. 5(a)와 3에서 CASES 2-1, 2-2의 발사우드 샌드위치 복합재 Figs. 5(b)-5(d)의 압축실험 후의 파손면을 관찰한 것이다. Fig. 5(b)는 발사우드 샌드위치 파손형태 중 Wrinkling of Facings가 관찰된 판단면으로 발사우드와 스킨층의 접착면 분리가 나타나고 있으며, Fig. 5(c)는 발사우드 샌드위치 복합재 파손형태 중 Shear Crimping이 관찰된 파손면으로 여기에서도 발사우드와 스킨층의 접착면 분리가 나타나고 있음을 알 수 있다. 그러나 두 가지 경우 모든 파손면에서 발사우드의 파손은 나타나지 않음을 알 수 있다. 반면 허니컴 코어 샌드위치 경우(Fig. 5(a)) 허니컴 코어가 파손되고 접착면의 분리는 나타나지 않았다.

Fig. 5

Evaluation of fracture surface on (a) honeycomb core and (b)-(d) balsa wood sandwich composites

Figs. 3부터 5까지의 결과를 바탕으로 샌드위치 복합재에 있어 국부적인 좌굴은 샌드위치 복합재의 압축강도를 감소시키는 요인임을 알 수 있으며 국부적인 좌굴이 발생하는 원인은 코어의 파손 이전에 코어와 스킨층의 접착면 분리에 의한 것으로 판단된다. 따라서 성형압력이 증가함에 따라 발사우드 샌드위치 복합재의 압축강도가 증가하는 이유는 성형압력이 증가하면 코어와 스킨층의 접착력이 증가되어 스킨층의 국부적인 좌굴을 억제하기 때문인 것으로 사료된다.

4. 결론

본 논문에서는 전술교량의 가설빔의 경량화를 위해 적용된 발사우드 샌드위치 복합재에 있어 성형압력이 발사우드 샌드위치 복합재의 압축특성에 미치는 영향을 이해하기 위해 40 psi와 60psi 두 가지 조건의 성형압력을 적용하여 압축시험을 수행하였다. 다음은 본 연구를 통해 얻은 결론이다.

(1) 성형압력에 관계없이 압축강도는 발사우드 샌드위치 복합재가 허니컴 코어 샌드위치 복합재보다 높게 나타났으며, 이는 발사우드의 전단강성(Shear Modulus) 이 허니컴 코어보다 우수하기 때문이다.

(2) 발사우드 샌드위치 복합재의 압축강도는 성형압력이 40 psi에서 60 psi로 증가함에 따라 120 kN에서 160 kN으로 약 25% 증가하였다.

(3) 모든 경우의 샌드위치 복합재는 좌굴형태의 파손을 보였으며, 이에 대한 분석을 위해 유한요소법으로 허니컴 코어 및 발사우드 샌드위치 복합재의 좌굴강도를 분석한 결과 허니컴 코어 샌드위치 복합재의 경우 유한요소를 통한 좌굴강도와 압축실험을 통한 압축강도가 유사하였지만 발사우드 샌드위치 복합재의 경우 두 가지 성형압력에서의 압축강도가 유한요소를 통한 좌굴강도보다 106 % 및 45% 낮았다.

(4) 허니컴 코어 및 발사우드 샌드위치 복합재의 파손면 분석을 통해 유한요소법을 이용한 좌굴강도와 차이가 발생하는 원인을 분석한 결과 허니컴 코어 샌드위치 복합재의 경우 코어의 파손이 발생하였지만 발사우드 샌드위치 복합재에서는 접착면의 분리(Debonding) 에 의한 국부적인 좌굴이 발생하였다.

(5) 발사우드 샌드위치 복합재에서 발생한 접착면의 분리는 발사우드 샌드위치 복합재의 압축강도를 저하시키는 원인 것으로 판단된다.

REFERENCES

• Linear Compoistes, http://linearcomposites.net/?pageid=Military_Applications.xml, (Accessed 19 OCT 2017)
• Lee, M. G., Yoon, J. W., Han, S. M., Suh, Y. S., and Kang, K. J., “Buckling of WBK Cored Sandwich Panels under Longitudinal Compression,” Procedia Materials Science, Vol. 5, pp. 329-334, 2014. [https://doi.org/10.1016/j.mspro.2014.07.567]
• Fleck, N. A. and Sridhar, I., “End Compression of Sandwich Columns,” Composites: Part A, Vol. 33, No. 3, pp. 353-359, 2002. [https://doi.org/10.1016/S1359-835X(01)00118-X]
• Gdoutos, E. E. and Daniel, I. M., “Failure Mechanisms of Composite Sandwich Structures,” Proc. of the 11th Bulgarian Conference on Theoretical and Applied Mechanics, 2009.
• Ba žant, Z. P. and Beghini, A., “Sandwich Buckling Formulas and Applicability of Standard Computational Algorithm for Finite Strain,” Composites: Part B, Vol. 35, No. 6, pp. 573-581, 2004. [https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2003.11.009]
• Attard, M. M. and Hunt, G. W., “Sandwich Column Buckling-A Hyperelastic Formulation,” International Journal of Solids and Structures, Vol. 45, No. 21, pp. 5540-5555, 2008. [https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2008.05.022]
• Douville, M. A. and Grognec, P. L., “Exact Analytical Solutions for the Local and Global Buckling of Sandwich Beam-Columns under Various Loadings,” International Journal of Solids and Structures, Vol. 50, No. 16, pp. 2597-2609, 2013. [https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2013.04.013]
• Chen, Y., Zhu, X., Zhu, Z., and Li, H. D., “Experimental Studies of Composite Sandwich Columns with Face/Core Debond under Axial Compression,” Proc. of MATEC Web of Conferences, Article No. 07026, 2017. [https://doi.org/10.1051/matecconf/20179507026]
• Østergaard, R. C., “Buckling Driven Debonding in Sandwich Columns,” International Journal of Solids and Structures, Vol. 45, No. 5, pp. 1264-1282, 2008. [https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2007.09.005]
• Ha, S. R., Cho, K. D., Yang, S. C., Hur, G. Y., and Kang, K. H., “Optimization of T-Joint Structure Using Carbon Fiber/Epoxy Sandwich Composites,” Proc. of Korean Society of Mechanical Engineers Autumn Conference, pp. 145-146, 2011.
• Ramakrishnan, K. R., Shankar, K., Viot, P., and Guerard, S., “A Comparative Study of the Impact Properties of Sandwich Materials with Different Cores,” Proc. EPJ Web of Conferences, Article No. 01031, 2012. [https://doi.org/10.1051/epjconf/20122601031]
• Mahfuz, H., Islam, S., Saha, M., Carlsson, L., and Jeelani, S., “Buckling of Sandwich Composites; Effects of Core-Skin Debonding and Core Density,” Applied Composite Materials, Vol. 12, No. 2, pp. 73-91, 2005. [https://doi.org/10.1007/s10443-004-6138-9]
• ASTM D3410, “Standard Test Method for Compressive Properties of Polymer Matrix Composite Materials with Unsupported Gage Section by Shear Loading,” 2016.