최근 복합재료 샌드위치 구조는 높은 비강도와 비강성의 특성으로 인해, 하중 지지 구조에 널리 사용되고 있다. 고속 운송용 구조에 사용되는 샌드위치 구조는 높은 정적 강도 뿐만 아니라 우수한 피로 특성 및 충격에너지 흡수능을 필요로 한다. 따라서, 샌드위치 구조의 설계에서 정적, 피로 및 충격 특성을 고려한 설계가 요구된다. 복합재료 구조를 실제 구조물에 적용하기 위해서는 일체형으로 제작하는 것이 불가능 하기 때문에 접합부를 필요로 한다. 접합부를 가진 구조의 경우, 접합부가 취약부가 될 수 있으므로 접합부의 효율이 매우 중요하게 된다. 일반적으로 복합재료를 준등방성으로 적층할 경우, 최대 정적 조인트 강도를 갖는 것으로 알려져 있다. 그러나, 준등방성 적층 방법은 굽힘 또는 인장 하중을 받는 구조에 적합하지 않으므로 잘 사용되지 않는 적층 방법이다.
본 연구에서는 유리섬유 에폭시 복합재료와 PVC 폼으로 구성된 폼 코어 복합재료 샌드위치 구조의 특성에 대하여, 실험 및 해석적인 방법으로 연구를 시도하였다. 정적 하중을 받는 샌드위치 구조에 대하여, 탄성기반빔 이론을 적용하여 이론적인 정적 파손 하중과 파손 모드를 예측하였으며, 실험 결과와 잘 일치함을 확인하였다. 또한 이를 바탕으로, 정적 파괴 모드 맵을 작성하였다. 충격 하중을 받는 샌드위치 구조에 대하여, 실험적인 방법과 유한요소해석을 이용하여 충격 파괴 모드와 충격에너지 흡수능에 대한 연구를 수행하였으며, 충격 파괴 모드맵을 작성하였다.
본 연구에서는 볼트 조인트를 포함한 복합재료 구조의 전체 효율을 향상시키기 위해서, $[90_{2}/0_{8}]_{S}$ 적층판에 대한 특성을 파악하였다. $[90_{2}/0_{8}]_{S}$ 적층판과 $[0_{2}/±45_{3}/90_{2}]_{S}$ 적층판의 피로 특성을 비교한 결과, 적정한 수준의 체결압력을 가해준 경우, $3×10^{6}$ 수명을 갖는 하중 수준은 두 가지 적층판에서 비슷하게 나타남을 알 수 있었다. $[90_{2}/0_{8}]_{S}$ 적층판 볼트 조인트의 피로 한도는 정적 강도의 약 90% 정도 임을 알 수 있었다. 일방향 섬유 적층판의 바깥 층 섬유각의 영향을 파악하기 위해, $[±60/0_{8}]_{S}$, $[±45/0_{8}]_{S}$, 세 종류의 적층판 볼트 조인트에 대한 시험을 수행하였다. 바깥 층 섬유각은 정적 강도에 다소 영향을 주었으나, 피로 특성에는 별다른 영향이 없었다. 피로 시험 결과로부터, 일방향 섬유가 주로 사용된 적층판의 볼트 조인트는, 체결 압력을 적절히 가해준 경우, 피로 하중을 받는 구조에 적용하는 것이 유리함을 알 수 있었다.
볼트 조인트의 충격 특성을 파악하기 위해서, $[90_{2}/0_{8}]_{S}$ 와 $[0_{2}/±45_{3}/90_{2}]_{S}$ 적층판에 대한 충격 시험을 수행하였다. 충격 시험 결과, $[90_{2}/0_{8}]_{S}$ 적층판은 $[0_{2}/±45_{3}/90_{2}]_{S}$ 적층판에 비해 낮은 충격 강도와 충격 에너지 흡수능을 보임을 알 수 있었다. $[0_{2}/±45_{3}/90_{2}]_{S}$ 적층판의 경우, 섬유 파단, 섬유 인출, 층간 분리 등의 다양한 파괴 모드로 파손이 진행되므로, $[90_{2}/0_{8}]_{S}$ 적층판에 비해 높은 충격에너지 흡수능을 보였다.
볼트 조인트와 복합재료 샌드위치 빔에 대한 연구 결과를 바탕으로, 볼트 조인트로 체결된 복합재료 샌드위치 빔을 설계하고, 충격 시험을 수행한 결과, 다양한 파괴 모드가 발생하도록 설계가 가능하였으며, 볼트 조인트의 체결 압력에 따라서 파괴 모드가 변하는 것을 관찰할 수 있었다. 볼트 조인트 부위에 인서트를 사용하여 체결 압력을 높인 경우, 높은 조인트 강도로 인하여 높은 충격 파괴 강도와 충격에너지 흡수능을 보였으며, 이와는 반대로 , 인서트를 사용하지 않은 경우, 조인트 부위의 파손으로 인해, 충격 강도는 떨어지지만 우수한 충격에너지 흡수능을 보임을 알 수 있었다.
