1. 서 론

복합소재는 성분이나 형태가 다른 두 종류 이상의 소재가 거시적으로 조합되어 효과적인 기능을 갖는 재료로서 구성 소재들 사이에 거시적으로 경계면을 갖는 것을 특징으로 한다. 복합소재는 중량 대비 강도 등이 우수하여 항공, 자동차 및 선박 분야 등의 정밀구조에 대하여 주로 사용되었다. 최근 복합소재의 역학적인 장점을 건설구조 분야에도 도입하여 활용하고자 국내외적으로 다양한 연구개발을

수행하였다. 그러나 기존의 콘크리트와 같은 건설재료에 비하여 경제성 면에서 단점이 부각되어 보다 적극적인 개발이 미진한 실정이다. 정밀 기계부품에 적용하는 고가의 복합소재를 대형 건설구조분야에 적용하기 위해서는 경제적인 소재조합 기술이 필요하다. 구조물에 요구되는 성능을 만족시킬 수 있도록 효율적으로 재료를 조합한다면 고가의 복합소재를 건설 분야에 경제적으로 활용할 수 있을 것이다.

효율적인 복합소재의 적용을 위해서는 복합소재를 구성하는 재료의 상호관계를 미시역학적으로 규명하는 것이 필요하다. 복합소재는 모재(Matrix)와 화이버(Fiber)의 조합으로 구성되며, 이 재료들의 적절한 상호 조합은 거시역학적으로 강성 및 강도에 크게 영향을 주게 된다. 복합소재의 미시역학적인 목적은 화이버와 모재의 각각의 물성과 상대적인 비율로부터 조합된 재료의 물성, 강성 및 강도 등을 추정하는 것이다. 특히, 모재에 함침되는 화이버의 비율은 조합된 재료의 탄성계수 등에 중요한 영향을 미친다. 또한 고가의 화이버를 효율적으로 함침한다면 복합소재의 경제성을 확보하는 데 크게 기여할 수 있을 것이다. 복합소재에 대한 멀티스케일 접근 방법을 적용한 다양한 연구가 진행되었다. Ji et al. (2004)는 LS-DYNA 프로그램을 사용하여 DNS (Direct Numerical Simulation) 멀티스케일 모델링에 의하여 복합재료 평판의 충격해석을 수행하였다. Jin et al. (2010)은 멀티스케일 접근방법에 의한 복합재 압력용기의 수명예측을 제시하였다. 최근, Zuo et al. (2013)은 최대 고유진동수 추출을 위하여 BESO (Bi-directional Evolutionary Structural Optimization) 알고리즘을 적용하여 복합재료 및 1차원 Beam-type 구조의 멀티스케일 설계를 수행하였다.

그러나, 기존 연구들은 주로 항공 및 기계분야에 대한 적용을 목표로 하며, 미세한 화이버 자체를 유한요소 모델링하는 방법을 주로 적용하였다. 대형 건설구조물에 대한 복합소재의 미시역학적인 관점은 화이버 각각에 대한 모델링보다는 화이버의 적절한 함침량을 결정하여 경제적인 거시역학적 설계로 연계하는 것이라고 할 수 있다. 또한, 기존의 연구들은 미시역학적으로는 상세한 모델링을 시도하였으나, 거시역학적 해석으로 1차전단변형 판이론(First-order Shear Deformation Theory, FSDT)가 적용된 상용프로그램을 적용하였다(Kruijf et al., 2007; Goupee and Vel, 2007). 그러나, 대형 건설구조물에 적용하기 위한 멀티스케일 접근방법은 미시적으로는 화이버의 함침비율을 기준으로 강성을 추정하고, 거시역학적으로는 보다 정밀한 해석을 통하여 전체 거동을 상세 규명할 필요가 있으며, 이에 관한 기존 연구는 미미한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 고차전단변형 판이론(Higher-order Shear Deformation Theory, HSDT)에 기반한 멀티스케일 고유진동 해석 프로그램을 개발하였으며, 수치해석 예제를 통하여 미시역학 기반의 화이버의 함침비율에 따른 강성 추정으로부터 거시적 동적 특성에 비치는 영향을 적층배열 및 길이-두께 비 등의 매개변수에 대하여 분석하도록 한다.

2. 기본 이론 및 접근 방법

2.1 미시역학적 접근 방법

본 연구에서는 미시역학적으로 화이버의 함침비율에 따른 탄성물성치의 추정 방법을 기술하고, 가장 효율적인 접근 방법을 결정한다. 또한 추정된 물성치로부터 거시적 진동 해석을 위하여 HSDT 기반된 접근 방법을 요약 기술하며, 두 접근 방법을 연계한 멀티스케일 해석에 대하여 정식화하기로 한다. 복합소재에 대한 미시역학적인 접근 방법의 목적은 복합소재를 구성하는 모재와 화이버의 각 탄성 물성값의 조합 비율로부터 합성된 복합소재의 탄성계수, 강성 또는 강도를 추정하는 것이다. 예를 들면, 복합소재의 탄성 물성치는 화이버와 모재의 물성치와 화이버와 모재의 상대적인 체적비율로 다음과 같이 나타낼 수 있다.

 (1)

여기서, 은 등방성 화이버 및 모재의 탄성계수, 는 등방성 화이버 및 모재의 프와송비, 그리고 은 전체 복합소재의 체적에 대한 화이버 및 모재 체적의 비율을 각각 의미한다. 재료 역학적 접근 방법에서 가장 중요한 가정 사항은 Fig. 1과 같이 일방향 화이버 보강된 복합소재의 화이버 방향으로의 변형률은 모재에서의 화이버의 변형률과 같다는 것이다. 변형률이 같지 않다는 것은 화이버와 모재사이에 균열이 발생하였음을 의미한다. 이러한 가정에 의하여, 모재와 화이버가 거시적으로 합성된 복합소재 1방향 탄성계수인 은 혼합법칙(rule of mixtures)에 의하여 모재와 화이버 탄성계수(, )의 선형적 관계로 다음과 같이 나타낼 수 있다.

 (2)

거시적 복합소재의 프아송비 도 유사한 식으로 다음과 같이 나타낼 수 있다.

 (3)

한편, 거시적으로 합성된 복합소재에 대한 2방향 탄성계수 와 전단탄성 계수 는 다음과 같은 비선형적 관계이며, 화이버보다는 모재에 지배적인 특성을 보인다.

,     (4)

Eq. (4)는 화이버가 모재에 일정한 간격으로 정렬되어 있다는 가정 하에 유도된 것이다. 그러나 실제로는 화이버는 모재에서 불규칙하게 정렬되어 있다. 이러한 불규칙성을 고려하여 화이버 함침비율에 따라 비선형 관계를 보이는 와 의 값은 탄성론적 관점으로 정확해를 통하여 다음과 같이 산정할 수 있다(Jones, 1998).

  (5)

    

       

             (6)

여기서, , , ,

이며, 는 Fig. 2와 같은 화이버 정렬상태에

따라 결정되는 계수이다.

그러나 Eqs. (5) and (6)은 수식이 다소 복잡하여 적용하기에 다소 난해하다. 따라서 Halpin and Tsai (1969)는 사용하기 적합한 다음과 같은 근사식을 제안하였다.

  (7)

여기서,

(8)

Eqs. (7) and (8)에서 및 은 거시적 복합소재의 재료 물성 및 모재의 물성을 각각 의미하며, 복합소재 물성 , , 및 은 Eq. (7)의 비선형 관계로 표현된다. 예를 들면, 를 예측하는 경우, Eqs. (7) and (8)을 조합하여 정리하면 다음과 같은 계산식을 도출할 수 있다.

 (9)

와 도 Eq. (9)로부터 와 대신 각각 대입하면 동일한 식으로 계산이 가능하다. 한편, Hewitt and Malherbe (1970)은 가 0.5 이상이고, 사각형 배열을 갖는 원형 화이버 배열의 경우에는 Eq. (8)은 실제값보다 작은 값을 갖는다는 것을 밝히고 에 대하여 보정된 다음과 같은 식을 제안하였다.

,     (10)

본 연구에서는 및 은 일반적으로 혼합법칙에 대하여 실제 실험결과와 비교하여 정확한 결과를 보이는 것으로 알려져 있으므로 Eqs. (2) and (3)을 적용하기로 한다. 한편, 및 는 혼합법칙을 만족하지 않고, Eqs. (5) and (6)의 정확해는 실용적으로 적용하기에는 복합하므로 정확해에 의한 비선형 관계를 만족하면서 실용적으로 적용하기 편리한 Eq. (7)을 적용하여 해석하기로 한다.

2.2 거시역학적 접근 방법

전술한 바와 같이 본 연구의 특징은 2.1절의 미시역학적 접근 방법으로 산정한 복합소재 물성값을 입력값으로 하여 HSDT에 기반한 거시 동역학적 접근방법을 적용한 것이다. 건설용 복합소재 구조는 거시역학적으로 보다 정밀한 해석이 요구된다. HSDT는 Fig. 3과 같이 변형 전 판에서 중립면의 수직관계는 변형 후에도 수직한다는 고전적 판이론(Classical Plate Thery, CLPT)과 FSDT의 기본가정과는 달리 변형 후에 중립면의 횡 방향 변위의 비선형성까지 고려하게 되며 실구조물과 같이 구조물의 상․하면에 전단 응력이 0으로 나타나게 된다. 복합소재 적층판에 대한 비선형 HSDT에 의한 변위는 다음과 같은 관계로 표현할 수 있으며 상세한 정식화 과정은 참고문헌을 참조하기로 한다(Lee and Chang, 2010; Lee and Wooh, 2004).

       

             

             

 (11)

여기서 과 은 전단변형의 3차항을 나타내는 변수로서 0으로 놓으면 Eq. (11)은 FSDT의 가정식과 동일하게 된다. 본 연구에서는 요소당 4절점을 갖는 HSDT에 기반된 유한요소 해석을 위하여 판의 중립면에서의 그리고 방향으로의 변위(,,)와 변위각(,), 그리고 회전각(,)이 고려된 요소의 절점 당 7개의 자유도를 갖는 Nonconforming 요소가 사용되었으며 다음 식으로 표시할 수 있다.

, 

 (12)

여기서, 는 4×4 크기를 갖는 Identity 행렬, 는 Lagrangian 보간함수, ,, 그리고 는 Hermite 보간함수, 의 1차 및 2차 미분을 각각 의미한다. 수치적분의 용이함을 위하여 전체좌표계()에서의 강성행렬은 -1.0부터 1.0까지의 일정한 범위로 변환된 새로운 국부좌표계()에서의 강성행렬 로 재구성하게 되며 다음의 식으로 요약하여 나타낼 수 있다(Bathe, 1996).

 (13)

Eq. (13)에서 는 13×13의 크기를 갖는 전체좌표계의 강성행렬을, 는 13×28의 크기를 갖는 변환된 국부좌표계의 변형률-변위 관계 행렬을, 그리고 는 Jacobian 변환행렬을 각각 의미하며, 는 다음과 같이 표현할 수 있다.

 (14)

여기서, 는 단면력과 변형률의 관계를 나타내는 강성을 의미한다. 는 적층판의 강성과 두께의 관계를 나타내며 는 두께에 대하여 3차 이상의 비선형 고차항 효과를 나타낸다. 미시역학으로부터 계산되는 최종값은 화이버 함침비율()에 따른 , , , 등 이며, 이 값들을 거시역학 해석을 위한 입력값으로 그대로 대입하기 때문에 Eq. (14)는 일반 거시역학 해석에서 사용하는 식과 동일한 형태를 갖게 된다. 만약, 미시역학적으로 화이버와 모재의 함침비율이 변화되는 경우 , , , 은 Eq. (7)에서 재계산되어 거시역학 해석의 입력값으로 반복적으로 대입되는 알고리즘을 갖는다(Fig. 4 참조).

비선형 HSDT를 적용한 평판에서의 관성행렬 {S}와 가속도 벡터 {A}는 Eq. (15)와 같이 나타낼 수 있다. Eq. (10)에서 Nonconforming 요소의 와 관련된 3개의 절점당 가속도 는 , =, 그리고 =이다.

 =

    (15)

여기서, 

,

, 이며 적층판의 관성을 의미한다. 또한, m은 전체 적층수이다. 유사한 방법으로 국부좌표계(,)에서의 평판 요소에서의 질량행렬 은 다음과 같은 관계로 표시된다(Lee et al., 2007).

 (16)

여기서, 는 Lagrangian과 Hermite 형상함수의 조합행렬이다. 고유 진동 해석을 수행하기 위하여 앞서 구성한 국부 강성행렬과 질량행렬을 이용하여 전체 시스템 행렬시스템의 강성행렬 [K]와 질량행렬 [M]을 구성한 후 고유치 문제로 계산한다.

본 연구에서는 전술한 복합소재 구조에 대한 미시적ㆍ거시적 접근 방법을 조합하여 멀티-스케일 고유진동해석을 위한 해석 프로그램 코드를 개발하였다. 개발한 프로그램은 Fortan 언어를 사용하였으며. 전술한 바와 같이 2.1절의 미시적 접근 방법에 의하여 화이버 함침비율 변화에 따른 최적의 복합재료 물성(, , , )을 산정한 후에, 이를 대입하여 HSDT 기반 거시적 고유진동 해석을 수행하였다. Fig. 4는 개발한 멀티-스케일 해석 프로그램의 흐름도를 보여준다.

3. 수치 해석 예제

3.1 프로그램 검증

개발한 프로그램을 검증하기 위하여 Table 1과 같은 물성을 갖는 복합소재 구조에 대하여 고유진동해석을 실시하였다. Table 2는 단순지지된 크로스-플라이 복합소재 적층판의 무차원화된 고유진동을 비교한 것이다. 재료 1을 사용하였으며 L/h는 1000과 10에 대하여 HSDT와 FSDT를 적용한 결과를 FSDT를 적용한 기존 연구 문헌과 비교하였다. 표로부터 본 연구에서 개발한 프로그램에 의한 결과는 기존 문헌과 잘 일치하고 있음을 관찰할 수 있다. Table 3은 HSDT과 FSDT를 사용한 다른 문헌 결과를 HSDT를 사용한 본 해석프로그램 결과와 무차원 비교하였으며, 잘 일치하고 있음을 알 수 있다. Tables 2 and 3는 FSDT와 HSDT에 대한 해석 결과의 차이는 작게 나타났으나, HSDT 및 FSDT는 판의 길이-두께비, 하중 및 경계조건 및 기하학적 형상 등에 따라 값의 차이가 크게 발생할 수 있다(Lee and Wooh, 2004). 따라서 본 연구에서는 가장 정밀한 판 해석 이론으로 알려진 HSDT에 기반한 고유진동 해석을 수행하기로 한다.

3.2 화이버 함침비율에 따른 강성 변화

수치해석 예제는 건설 분야에 주로 사용되는 Glass fiber가 Epoxy에 함침된 GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer) 판 구조 대하여 수행하였다. 화이버와 모재의 재료 물성은 =3.45 GPa, =85.3GPa, =35.5GPa, =1.26GPa, =0.35, =0.20이며, 이다. Table 4는 화이버 함침비율 변화에 따른 단순지지된 비대칭 크로스-플라이 적층 판의 강성값의 변화를 비교한 것이다. 표에서 보는 바와 같이 비대칭 적층 형태이므로 면내-면외 연계강성 [B]가 0이 아닌 값을 갖게 되며, 연계강성의 고차항 [E]도 값을 갖게 되어 거시적 동적 특성에 영향을 주게 된다. 또한, 화이버의 함침량이 증가함에 따라 전체적인 강성값은 비례되어 증가되는 경향을 보이나, 인 경우에는 [], [] 등의 값이 매우 크게 증가함을 관찰할 수 있다. 이는 화이버의 함량이 0.6 이상으로 증가함에 따라, 와 가 비선형적으로 기하급수적인 증가를 보이는 특성 때문이다. 또한, HSDT의 고차항에 해당하는 , , , , 및 도 발생되어 동적 특성에 복합적인 영향을 줄 수 있음을 유의해야 한다.

3.3화이버 함침비율-적층배열 변화에 따른 고유진동수 변화

Table 5는 3.2절과 동일한 화이버와 모재를 갖는 단순지지된 대칭적층판에 대하여 화이버 함침비율과 적층배열을 변화시킨 경우에 대한 고유진동수를 비교한 것이다. 표에서 보는 바와 같이, 와 를 사용한 경우, 적층 배열 및 개수변화가 고유진동수에 미치는 영향은 미미한 것으로 나타났다. 반면, 화이버 함침비율의 증가에 따라 고유진동수는 60%까지는 거의 선형으로 증가하다가 60%이상부터는 증가의 비율이 다소 감소함을 알 수 있다. 미시역학적으로 의 증가는 탄성론적으로 및 의 기하급수적 증가를 유발하여, 거시적 동적특성에도 유사한 영향을 줄 것으로 예상할 수 있으나, 대칭 적층의 경우는 , 의 값이 0이 되어 고유진동수의 변화 폭이 적음으로 분석된다.

한편, Table 6과+ 같은 비대칭 적층의 경우는 적층 개수에 따라서 고유진동수는 증가하는 경향을 보이고 있으나, [0/90]3n 이상부터는 수렴하는 것을 관찰할 수 있다. 화이버 함침비율 증가에 따라 고유진동수는 대칭적층보다 증가의 폭이 5~10%정도 크게 나타났다. 표 5~6으로부터, 대칭적층과 비대칭 적층은 크로스-플라이 경우 3n이상의 적층배열부터는 거의 동일한 동적특성을 보이게 되며, 의 증가에 따라 고유진동수는 선형 증가하는 특성을 보임을 알 수 있다. 이러한 특성은 실용적 관점에서 건설용 재료로서 구조적 성능을 만족하는 적절한 화이버의 비율을 결정하여 경제성을 확보하면서, 적층배열 최적 설계로 고유진동수를 조절하여 공진현상의 방지를 가능하도록 한다.

3.4 화이버 함침비율-L/h 비율 영향에 따른 고유진동수 변화

Table 7은 화이버 함침비율 증가와 L/h의 변화에 따른 대칭 적층된 복합소재 판구조의 고유진동수를 비교한 것이다. 표에서 보는 바와 같이 L/h와 의 변화는 고유진동수에 큰 영향을 미치고 있음을 알 수 있다. 특히 L/h가 작을 수록 의 변화에 따른 고유진동수 변화의 폭은 크게 나타났으며, L/h가 증가함에 따라 고유진동수의 변화는 감소하여 L/h=100의 경우에는 차이가 크게 감소함을 관찰할 수 있다. 이러한 경향은 Fig. 5와 같은 비대칭 적층의 경우에도 유사한 경향을 보였다. 이는 판의 두께가 얇아짐에 따라 고유진동수에 대한 화이버의 영향은 점차 감소하기 때문이다. 반면, 판의 두께가 두꺼울수록 화이버의 함침량에 따라 고유진동수는 크게 변화하고 있음을 알 수 있다.

3.5 모드 형상

Fig. 6은 대칭 적층된 판구조에 대하여 의 변화에 따른 모드형상을 비교한 것이다. 동일한 적층배열에 대하여 화이버 함침비율 변화에 따른 모드형상은 Mode IV를 제외하고는 유사한 경향을 보임을 알 수 있다. 모드형상은 첫 번째 형상이 지배적이므로 화이버 함침비율의 변화가 모드 형상에 미치는 영향은 미미하다고 할 수 있다. 반면 비대칭 적층인 Fig. 7의 경우는 대칭적층과 비교하였을 때, 두 번째 모드형상부터 상이함을 알 수 있다. 이는 전술한 바와 같이, 비대칭 적층에서 발생하는 강성값 의 영향으로 고유진동수 뿐만 아니라 모드형상에도 변화를 주고 있다. 따라서, 동일한 크로스-플라이 적층배열이라도 중립축을 중심으로 대칭과 비대칭 적층배열은 복합소재 판구조의 거시적 동적 특성에 큰 영향을 준다는 것에 유의해야 한다.

4. 요약 및 결론

본 연구에서는 건설용 복합소재의 경제적 적용을 위한 목적으로 복합소재를 구성하는 재료의 상호관계가 고유진동에 미치는 영향을 멀티-스케일 해석 접근으로 규명하였다. 미시역학적으로는 화이버와 모재의 재료 물성을 각각 고려하고, 조합비율에 대한 효율적인 관계식을 적용하였으며, 거시역학적으로는 HSDT 기반된 정밀해석으로 동적특성을 분석하였다. 본 해석을 위하여 개발한 프로그램 코드는 기존 문헌과 잘 일치하였다. HSDT 기반한 수치해석 예제로부터 다음과 같은 결론을 도출하였다.

(1)화이버의 함침량이 증가함에 따라 전체적인 강성값은 비례되어 증가되는 경향을 보이나, 인 경우에는 [], [] 등의 값이 매우 크게 증가한다. 이는 화이버의 함량이 크게 증가함에 따라, 와 가 비선형적으로 기하급수적인 증가를 보이는 특성 때문이다.

(2)HSDT의 고차항에 해당하는 강성값 , , , , 및 도 화이버의 함침량 등에 따라 발생되어 동적 특성에 복합적인 영향을 줄 수 있음을 유의해야 한다.

(3)와 의 화이버 보강각도를 사용한 경우, 적층 배열 및 개수변화가 고유진동수에 미치는 영향은 미미하다. 반면, 화이버 함침비율의 증가에 따라 고유진동수는 60%까지는 거의 선형으로 증가하다가 60%이상부터는 증가의 비율이 다소 감소한다. 이는 미시역학적으로 의 증가는 탄성론적으로 및 의 기하급수적 증가를 유발하여, 거시적 동적특성에도 유사한 영향을 미치지만, 대칭 적층의 경우는 , 의 값이 0이 되어 고유진동수의 변화 폭이 적기 때문이다.

(4)L/h와 의 변화는 고유진동수에 큰 영향을 미친다. 이는 판의 두께가 얇아짐에 따라 고유진동수에 대한 화이버의 영향은 점차 감소하기 때문이다. 반면, 판의 두께가 두꺼울수록 화이버의 함침량에 따라 고유진동수는 크게 변화한다.

(5)동일한 적층배열의 경우 화이버 함침비율의 변화가 모드 형상에 미치는 영향은 미미한 반면, 대칭과 비대칭 적층배열에 대하여, 두 번째 모드형상부터 서로 상이하게 나타났다. 따라서, 동일한 크로스-플라이 적층배열이라도 중립축을 중심으로 대칭과 비대칭 적층배열은 복합소재 판구조의 거시적 동적 특성에 큰 영향을 준다는 것에 유의해야 한다.

본 연구의 결과로부터 미시적인 관점에서의 화이버와 모재의 최적 조합으로 거시적 동적특성을 조절하여 동적 구조성능을 만족시키는 것이 가능하다는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 최적 조합에 의하여 경제성을 확보하면서 구조적 성능을 만족하는 건설용 복합소재 구조 설계에 대한 가이드라인을 제시할 수 있을 것으로 기대된다. 그러나, 향후 더욱 다양한 매개변수에 대한 상세 분석이 필요하며, 실제 재료실험을 통한 경제적인 미시적 재료 조합 설계로부터 최적 조합에 대한 상세 연구가 지속적으로 필요할 것으로 판단된다.