[논문 리뷰] The key to the enhanced performance of slab-like topologically interlocked structures with non-planar blocks

Ioannis Koureas, Mohit Pundir외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 24.

Adhesion, Friction, and Surface Interactions인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 파라메트릭으로 설계된 비평면 파면 블록을 가진 슬래브형 위상적 상호결합 구조(TIS)가 실제 마찰 계수(µ = 0.23)에서 포화된 최대 하중과 파손 시 에너지 흡수량을 달성함을 보여주며, 평면 블록이 요구하는 비현실적인 높은 µ를 필요로 하지 않는다는 점을 입증한다. 핵심 메커니즘은 힌지 접합부에서의 국소 기울기 각도로, 이는 연성 파손을 유도하고 최대 하중에 대한 에너지 흡수량의 비선형 스케일링을 가능하게 하여 에너지 흡수 능력과 최대 변형률을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

Topologically interlocked structures are assemblies of interlocking blocks that hold together solely through contact. Such structures have been shown to exhibit high strength, energy dissipation, and crack arrest properties. Recent studies on topologically interlocked structures have shown that both the peak strength and work-to-failure saturate with increasing friction coefficient. However, this saturated structural response is only achievable with nonphysically high values of the friction coefficient. For beam-like topologically interlocked structures, non-planar blocks provide an alternate approach to reach similar structural response with friction properties of commonly used materials. It remains unknown whether non-planar blocks have similar effects for slab-like assemblies, and what the achievable structural properties are. Here, we consider slab-like topologically interlocked structures and show, using numerical simulations, that non-planar blocks with wave-like surfaces allow for saturated response capacity of the structure with a realistic friction coefficient. We further demonstrate that non-planar morphologies cause a non-linear scaling of the work-to-failure with peak strength and result in significant improvements of the work-to-failure and ultimate deflection - values that cannot be attained with planar-faced blocks. Finally, we show that the key morphology parameter responsible for the enhanced performance of non-planar blocks with wave-like surfaces is the local angle of inclination at the hinging points of the loaded block. These findings shed new light on topologically interlocked structures with non-planar blocks, allowing for a better understanding of their strengths and energy absorption.

연구 동기 및 목표

• 비평면 블록이 실제 마찰 계수(µ = 0.23)에서 슬래브형 위상적 상호결합 구조(TIS)의 잠재된 파손 시 에너지 흡수 잠재력을 해방시킬 수 있는지 조사하기.
• 비평면 형태의 블록이 평면 블록보다 더 우수한 연성 파손 모드를 유도하는지 확인하기.
• 비평면 TIS에서 향상된 기계적 성능을 주도하는 주요 기하학적 매개변수를 규명하기.
• 비평면 TIS에서 최대 하중과 파손 시 에너지 흡수량 간의 스케일링 관계를 정량화하고, 평면 TIS에서 관찰되는 선형 스케일링과 비교하기.

제안 방법

• 정적 하중 조건 하에서 파라메트릭 파면 블록을 가진 슬래브형 TIS를 수치 시뮬레이션을 통해 유한요소 해석으로 모델링하기.
• 기계적 거동에 미치는 영향을 평가하기 위해 진폭(A), 진동 수(n), 평균 인터페이스 기울기 각도(θ)를 체계적으로 변화시키기.
• 평면 블록과 비평면 블록 간의 하중-변형 거동, 최대 하중(Fmax), 파손 시 에너지 흡수량(U), 최대 변형률(δ)을 비교하기.
• 하중 경로 비대칭성과 구조적 안정성 이해를 위해 응력 및 접촉력 분포 분 析하기.
• 핵심 형태학적 매개변수로 힌지 접합 영역의 국소 기울기 각도 평가하기.
• 다양한 구조 척도 간 비교를 가능하게 하기 위해 정규화된 매개변수(Fy/(E·h⁴/L²) 및 δ/h) 사용하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 슬래브형 TIS에서 비평면 블록은 실제 마찰 계수(µ = 0.23)에서 평면 블록이 요구하는 비현실적인 높은 µ(예: µ = 7.0)가 필요로 하지 않는 포화된 구조적 거동(최대 하중 및 파손 시 에너지 흡수량)을 달성할 수 있는가?
• RQ2 비평면 TIS의 파손 모드는 평면 TIS와 어떻게 다를까? 그리고 더 높은 연성과 파손 시 에너지 흡수량을 가능하게 하는가?
• RQ3 파라메트릭 표면을 가진 비평면 블록의 향상된 성능을 이끄는 주요 기하학적 매개변수는 무엇인가?
• RQ4 비평면 TIS에서 최대 하중과 파손 시 에너지 흡수량 간의 스케일링 관계는 선형에서 벗어나며, 만약 그렇다면 그 정도는 어떠한가?
• RQ5 힌지 접합부에서의 국소 기울기 각도는 비평면 TIS에서 하중 전달과 구조적 안정성에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 비평면 파면 블록은 실제 마찰 계수(µ = 0.23)에서 최대 하중과 파손 시 에너지 흡수량의 포화를 달성할 수 있으며, 평면 블록이 요구하는 비현실적인 높은 µ 값(예: µ = 7.0)이 필요로 하지 않다.
• 비평면 TIS에서 파손 시 에너지 흡수량은 최대 하중에 대해 비선형적으로 스케일링되며, 이는 평면 TIS에서 관찰되는 선형 스케일링과 비교해 상당히 높은 에너지 흡수 능력을 가능하게 한다.
• 비평면 TIS에서 최대 변형률은 δ/h ≈ 2.0에 도달하여, 동일 조건에서 평면 TIS의 이론적 상한선 δ/h = 3을 초월하며, 이는 이전에 접근하지 못했던 잠재적 성능 잠재력을 실현한 것을 의미한다.
• 힌지 접합 영역의 국소 기울기 각도는 향상된 성능을 주도하는 핵심 형태학적 매개변수로, 이는 비대칭 하중 전달을 유도하고 주요 하중 경로의 구조적 강성 증가를 초래한다.
• 비평면 TIS의 응력 및 접촉력 분포는 비대칭 하중 전달을 보이며, yz 평면에서 압축 응력이 높게 나타나, 더 강성 있는 하중 경로가 형성되어 구조적 내구성 향상을 유도한다.
• 고위치 이격에서 블록의 회전으로 인한 접촉점 감소로 인해 수치적 아티팩트가 하중-변형 곡선에 관찰되었지만, 진폭과 진동 수 증가에 따른 파손 시 에너지 흡수량 증가 경향은 일관되게 유지되었다.