• Structural Engineering and Mechanics
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• 제83권5호
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• pp.693-707
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• 2022

Bonded joints have proven their performance against conventional joining processes such as welding, riveting and bolting. The single-lap joint is the most widely used to characterize adhesive joints in tensile-shear loadings. However, the high stress concentrations in the adhesive joint due to the non-linearity of the applied loads generate a bending moment in the joint, resulting in high stresses at the adhesive edges. Geometric optimization of the bonded joint to reduce this high stress concentration prompted various researchers to perform geometric modifications of the adhesive and adherends at their free edges. Modifying both edges of the adhesive (spew) and the adherends (bevel) has proven to be an effective solution to reduce stresses at both edges and improve stress transfer at the inner part of the adhesive layer. The majority of research aimed at improving the geometry of the plate and adhesive edges has not considered the effect of temperature and water absorption in evaluating the strength of the joint. The objective of this work is to analyze, by the finite element method, the stress distribution in an adhesive joint between two 2024-T3 aluminum plates. The effects of the adhesive fillet and adherend bevel on the bonded joint stresses were taken into account. On the other hand, degradation of the mechanical properties of the adhesive following its exposure to moisture and temperature was found. The results clearly showed that the modification of the edges of the adhesive and of the bonding agent have an important role in the durability of the bond. Although the modification of the adhesive and bonding edges significantly improves the joint strength, the simultaneous exposure of the joint to temperature and moisture generates high stress concentrations in the adhesive joint that, in most cases, can easily reach the failure point of the material even at low applied stresses.

• Structural Engineering and Mechanics
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• 제63권3호
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• pp.361-370
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• 2017

Through the use of finite element analysis and acoustic emission techniques we have evaluated the interfacial failure of a carbon fiber reinforced polymer (CFRP) repair patch on a notched aluminum substrate. The repair of cracks is a very common and widely used practice in the aeronautics field to extend the life of cracked sheet metal panels. The process consists of adhesively bonding a patch that encompasses the notched site to provide additional strength, thereby increasing life and avoiding costly replacements. The mechanical strength of the bonded joint relies mainly on the bonding of the adhesive to the plate and patch stiffness. Stress concentrations at crack tips promote disbonding of the composite patch from the substrate, consequently reducing the bonded area, which makes this a critical aspect of repair effectiveness. In this paper we examine patch disbonding by calculating the influence of notch tip stress on disbond area and verify computational results with acoustic emission (AE) measurements obtained from specimens subjected to uniaxial tension. The FE results showed that disbonding first occurs between the patch and the substrate close to free edge of the patch followed by failure around the tip of the notch, both highest stress regions. Experimental results revealed that cement adhesion at the aluminum interface was the limiting factor in patch performance. The patch did not appear to strengthen the aluminum substrate when measured by stress-strain due to early stage disbonding. Analysis of the AE signals provided insight to the disbond locations and progression at the metal-adhesive interface. Crack growth from the notch in the aluminum was not observed until the stress reached a critical level, an instant before final fracture, which was unaffected by the patch due to early stage disbonding. The FE model was further utilized to study the effects of patch fiber orientation and increased adhesive strength. The model revealed that the effectiveness of patch repairs is strongly dependent upon the combined interactions of adhesive bond strength and fiber orientation.

• 콘크리트학회논문집
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• 제17권5호
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• pp.709-716
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• 2005

이 연구는 국내에서 상용 중인 재료를 이용하여 고인성 섬유복합 모르타르를 개발하고자 함에 목적이 있으며, 고인성 섬유복합 모르타르를 개발하기 위해서는 모르타르 매트릭스의 파괴역학(fracture mechanics)적 특성과 섬유-모르타르 경계 면의 마이크로역학(micromechanics)적 특성을 파악하여야 한다. 특히 시멘트계 재료(cementitious materials)의 역학적 특성에 가장 큰 영향을 미치는 물-시멘트비(water cement ratio)에 대한 연구에 초점을 맞추었으며, 3가지의 물-시멘트비에 대하여 섬유의 인발실험(fiber pullout test)과 모르타르의 쐐기쪼갬실험(wedge splitting test)을 수행하였고 이를 통하여 모르타르 매트릭스와 섬유-매트릭스 경계면(interface)의 역학적인 특성을 파악하였다. 이러한 연구에 의하여 결정된 섬유-매트릭스 경계면의 마이크로역학적 특성과 모르타르의 역학적 특성을 이용하여 물-시멘트비 범위 및 재료의 기본 배합을 제시하였고 또한 마이크로역학과 안정상태 균열이론(steady-state cracking theory)을 배경으로 하여 1축인장 하에서 인장변형률 경화거동을 나타내는 고인성 섬유복합 모르타르를 개발하였다. 개발된 재료는 1축인장 하에서 변형률 경화거동을 나타내었으며, 변형능력은 최대 2.2% 이었다. 이와 같은 높은 변형 능력은 일반 콘크리트(또는 모르타르)의 약 100배에 해당된다. 또한 압축하에서는 압축강도 이후 응력-변형률 곡선이 완만하게 감소하는 연성파괴의 형태를 나타내었으며 28일의 압축강도는 보통강도 콘크리트의 강도에 해당되는 26MPa, 34MPa인 것으로 측정되었다.

• 터널과지하공간
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• 제28권1호
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• pp.97-110
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• 2018

뿜칠 방수 멤브레인이 가진 높은 부착력과 연성 특성으로 인해 터널 구조물의 보수 보강 목적으로 멤브레인을 적용하는 방안이 고려되고 있다. 따라서 본 연구에서는 인장강도와 부착강도가 향상된 분말 1성분 멤브레인 시제품을 제작하였고, 이를 실물 세그먼트의 내측에 타설하여 실물 실험체를 제작하고 실물 재하실험을 통해 멤브레인의 보강효과를 파악하고자 하였다. 실험결과, 멤브레인의 코팅으로 인해 세그먼트의 균열 발생이 지연되어 세그먼트의 초기 균열발생하중이 평균적으로 약 34% 증가하였다. 반면, 멤브레인 코팅에 의한 파괴하중의 증가율은 상대적으로 크지 않았다. 단, 멤브레인의 코팅으로 인해 파괴 하중 이후에 변형률 연화 현상이 관찰되어, 멤브레인으로 라이닝 내측을 코팅하게 될 경우에는 라이닝의 취성 파괴를 방지하는데 효과가 있을 것으로 추정된다.

• 터널과지하공간
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• 제26권3호
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• pp.220-234
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• 2016

뿜칠 방수 멤브레인은 다양한 지하 굴착 현장에서 종래의 시트 방수 멤브레인을 대체할 수 있는 방수 재료로 고려되고 있다. 하지만 아직까지 뿜칠 방수 멤브레인의 특성들에 대한 기초적인 연구가 매우 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 새롭게 제작된 액상과 분말의 2성분 뿜칠 방수 멤브레인 시작품에 대한 물리적 역학적 특성들을 측정하였다. 또한 구성재료와 시공방법인 유사한 박층 뿜칠 라이너와 뿜칠 방수 멤브레인의 특성들을 비교하였다. 분석 결과, 뿜칠 방수 멤브레인의 신장율은 약 250~300%로서 TSL과 비교할 때 상대적으로 매우 큰 연성을 나타내었다. 하지만 뿜칠 방수 멤브레인의 부착강도와 지지력은 박층 뿜칠 라이너보다 다소 낮게 측정되어 지보재로서의 적용에는 한계가 있는 것으로 나타났다. 3차원 X-ray CT 촬영에 의한 뿜칠 방수 멤브레인의 공극률은 26.13%로 분석되었으나, 대부분의 공극들은 양생 과정 중에 형성된 것으로서 서로 연결되어 있지는 않고 개별적으로 존재하는 것으로 나타났다.

• 터널과지하공간
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• 제28권6호
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• pp.635-650
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• 2018

최근 국내에 발생된 지진으로 인해 더 이상 한반도가 지진으로부터 안전지대가 아니라는 것이 많은 사람들에게 각인되었다. 경주와 포항에서 발생된 지진은 그 동안 국내에서 내진설계에 기준으로 고려한 지진의 특성과 상이하게 나타났고, 그에 따른 내진설계 방법에 대한 연구 또한 많은 연구자들에 의해 수행되어 지고 있다. 이러한 지진하중에 대한 고려는 주로 기존 상부 구조물에 초점이 맞춰져 있으며, 그에 따른 연구 또한 활발히 이루어지고 있는 실정이다. 하지만, 지반의 구조적 안정성을 확보하기 위해 시공된 네일, 록볼트, 그라운드 앵커 등과 같은 지중구조물에 대한 지진하중으로부터의 구조적 안정성에 대한 고려는 많이 이루어지지 않고 있는 실정이다. 본 연구에서는 풍화암에 정착된 그라운드 앵커에 대해 정하중이 작용할 때와 지진하중이 앵커에 미치는 영향을 분석하였다. 정하중에 의한 영향은 현장 인장시험 결과로, 지진하중 영향은 수치해석을 통해 파악하였다. 그 결과, 앵커에 긴장력 도입으로 인한 반력판의 침하가 발생하는 것으로 나타났으며, 그로 인한 앵커의 축력 감소가 발생하였다. 또한 지진하중에 의해 앵커 정착부의 변위가 증가하였으며, 정착부 길이가 길수록 장주기 지진에 의한 영향이 큰 것으로 나타났다.

• 콘크리트학회논문집
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• 제18권1호
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• pp.21-28
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• 2006

이 연구는 기존에 연구에 의하여 개발된 고인성 섬유복합 모르타르에 고로슬래그미분말을 혼입하여 연성과 강도 측면에서 보다 개선된 재료를 개발함에 목적이 있으며 이를 위해 고로슬래그미분말이 혼입한 배합에 대하여 섬유-모르타르 경계면의 마이크로역학(micromechanics)적 특성과 모르타르 매트릭스의 파괴역학(fracture mechanics)적 특성을 파악하였다. 고로슬래그미분말이 혼입된 배합의 경우에는 고로슬래그미분말을 혼입하지 않은 경우와 비교하여 화학적 부착은 큰 변화가 없지만 마찰부착은 10% 정도 증가하는 것을 알 수 있었다. 한편 모르타르트의 쐐기쪼갬실험을 통해 결정된 매트릭스의 파괴인성은 고로슬래그미분말을 혼입하지 않은 경우보다 파괴인성이 약간 증가하는 것을 알 수 있었다. 결정된 섬유-매트릭스 경계면의 마이크로역학적 특성과 모르타르의 파괴역학적 특성을 이용하여 안정상태 균열이론(steady-state cracking theory)을 배경으로 1축인장 하에서 인장변형률 경화거동을 하는 고인성 섬유복합 모르타르의 기본배합과 물-결합재비의 범위를 선정하였다. 개발된 재료는 1축 인장 하에서 변형률 경화 거동을 나타내었으며 변형률은 3.6%, 인장강도는 약 5.3MPa를 나타냈으며 이는 고로슬래그미분말을 혼입하지 않은 섬유복합 모르타르보다 뛰어난 인장 변형 성능과 놀은 인장 강도이다. 고로슬래그미분말을 혼입할 경우 마찰부착과 파괴인성이 증가하는 효과는 안정상태의 균열이론을 만족시키는 데에 오히려 장해 요인이 된다. 그러나 결과적으로는 이러한 단점을 극복하고 오히려 우수한 인장변형 성능을 나타내었다. 즉, 변형률 경화 거동으로 표현되는 높은 연성에는 악영향을 주지 않으면서 매트릭스의 강도를 향상시키는 효과를 나타낸 것이다. 이러한 우수한 수준의 성능을 보인 이유는 고로슬래그미분말을 혼입함으로써 유동성과 섬유의 분산성이 크게 증진되었기 때문인 것으로 사료된다.