[논문]초대형 막구조물 지붕용 ETFE 필름 막재의 인장특성

이승재; 이소라

문제 정의

본 연구에서는 국내에서 아직 규격화 되어있지 않은 ETFE 필름 막재에 대한 기초적인 역학적 특성을 조사하기 위하여 온도변화에 따른 재료 인장실험을 수행하였다. 이 실험결과를 인장강도, 연신율 각 온도별 특성, 영계수 등 ETFE 필름 막재의 설계 시에 필요한 최소한의 재료성능에 대한 기초적인 자료를 제시하고자 한다.
이 실험결과를 인장강도, 연신율 각 온도별 특성, 영계수 등 ETFE 필름 막재의 설계 시에 필요한 최소한의 재료성능에 대한 기초적인 자료를 제시하고자 한다.

제안 방법

파단연신율 측정은 파단후 시험편의 늘어난 양을 직접 측정하였다. ASTM, KS, JIS 세 종류의 시편을 내부온도가 상온 23℃가 될 때까지 기다린 후 인장강도 및 연신율 실험을 시행하고 시편이 파단상태에 이르면 실험을 마친다. JIS의 경우 23℃, 40℃, 60℃, 80℃, 100℃ 상태에서 인장강도와 연신율을 실험하였다.
ASTM, KS, JIS 세 종류의 시편을 내부온도가 상온 23℃가 될 때까지 기다린 후 인장강도 및 연신율 실험을 시행하고 시편이 파단상태에 이르면 실험을 마친다. JIS의 경우 23℃, 40℃, 60℃, 80℃, 100℃ 상태에서 인장강도와 연신율을 실험하였다. 이때 상온 초과의 온도 상에서 인장신율실험 시 챔버 내의 온도를 100℃까지 올린 뒤 시편 삽입후 온도가 약 10~ 15℃정도 떨어지기 때문에 이것을 다시 100℃까지 올린 후 측정한다.
실험 시 시편은 ASTM D 412(이하 ASTM), KS M 6518(이하 KS), JIS K 6251(이하 JIS)을 기준별로 각각 5개의 시편을 제작하였으며 세 종류의 시편을 MD, TD 방향으로 23℃에서 실험하였다. 온도에 따른 ETFE 필름 막재의 변화와 그 특징을 알아보고자 JIS K 6251 규격으로 실험 시 온도별로 5개씩 시편을 제작하여 23℃, 40℃, 60℃, 80℃, 100℃에서 실험을 하였다. 본 연구에서 사용한 시험편은 총 70개이다.
a점보다 응력이 작을 경우 시험편은 탄성 상태에 있으며 a점 부근에서 기울기가 급격히 감소하면서 b점을 향한다. 이때 a점과 b점 사이 구간은 초기 항복이 시작되는 구간이며, 본 연구에서 항복강도를 구하는 방법으로 직선A(a점과 b점을 지나는 직선)와 직선B(최초의 곧은 직선, 탄성구간의 직선)의 교차점의 응력 값을 사용하였다. 그림 8은 전형적인 응력변형곡선을, 그림 9 는 항복강도 및 영계수 산정 방법을 나타낸 그래프이다.
이번 시험에서는 ETFE 필름 막재에 대한 인장실험을 MD방향 및 TD방향으로 실시하여 인장강도, 연신율, 영계수를 측정하였다. 일반적으로 MD방향은 막재료가 인플레이션법으로 사출되어 나오는 방향을 말하며, TD방향은 MD방향의 연직방향을 일컫는다.
인장시험기는 온도를 조절하는 항온기 챔버가 부착된 만능실험기를 사용하였다. 만능시험기 후면부로부터 레일을 이용하여 항온챔버를 이동할 수 있는 구조로 되어있다.
이 시험에서 설정한 하중 량은 3OOON(3OOkg0이다. 파단연신율 측정은 파단후 시험편의 늘어난 양을 직접 측정하였다. ASTM, KS, JIS 세 종류의 시편을 내부온도가 상온 23℃가 될 때까지 기다린 후 인장강도 및 연신율 실험을 시행하고 시편이 파단상태에 이르면 실험을 마친다.

대상 데이터

ETFE 필름 막재는 영국의 Eden Project을 시작으로 뮌헨의 Allianz Arena 축구 경기장, 2008 베이징 올림픽 수영장에 사용되었다. 국내에서도 시공된 사례가 있으나, ETFE 필름 막재를 구조재료로 이용하는 경우, 구조해석 시 필수적으로 필요한 영계수Gfoung's Modulus), 항복강도.
온도에 따른 ETFE 필름 막재의 변화와 그 특징을 알아보고자 JIS K 6251 규격으로 실험 시 온도별로 5개씩 시편을 제작하여 23℃, 40℃, 60℃, 80℃, 100℃에서 실험을 하였다. 본 연구에서 사용한 시험편은 총 70개이다.
일반적으로 MD방향은 막재료가 인플레이션법으로 사출되어 나오는 방향을 말하며, TD방향은 MD방향의 연직방향을 일컫는다. 실험 시 시편은 ASTM D 412(이하 ASTM), KS M 6518(이하 KS), JIS K 6251(이하 JIS)을 기준별로 각각 5개의 시편을 제작하였으며 세 종류의 시편을 MD, TD 방향으로 23℃에서 실험하였다. 온도에 따른 ETFE 필름 막재의 변화와 그 특징을 알아보고자 JIS K 6251 규격으로 실험 시 온도별로 5개씩 시편을 제작하여 23℃, 40℃, 60℃, 80℃, 100℃에서 실험을 하였다.
이번 실험의 경우 시험편의 두께 0.25mm, 평행부분너비 5mm, 시험편 단면적 A는 1.25mm²이며 연신율 실험 시 L는 20mm이다. 인장강도 및 연신율의 실험결과는 표3과 같다.

성능/효과

MD방향과 TD방향을 비교해보면 인장강도는 20MPa~23MPa, 연신율은 ASTMe 평균 290%정도, 盛와 JIS의 경우 평균 260%정도로 MD방향과 TD방향의 값이 근사한 것을 알 수 있다. 이는 ETFE 필름 막재가 방향에 따른 특성 차이가 크게 없다는 것을 나타낸다고 할 수 있다.
연신율의 경우 MD방향 ASTMe 296%로 가장 높은 값을 나타내었으며 KS와 JIS는 각각 260%와 255% 로 근사한 값을 나타내었다. TD방향의 경우 역시 ASTM 이 298%로 가장 높은 값을 나타내었으며 險와 JIS는 260%와 263%로 근사한 값을 나타내었다. JIS의 경우온도가 20℃씩 올라감에 따라 인장강도는 작아지고 연신율은 커지는 경향을 나타내었다.
각 기준별 시험 결과에 의하면 인장강도, 인장연신율, 항복강도의 변동계수는 평균적으로 3%를 나타내고 있으며, 변동폭은 상대적으로 작음을 알 수 있다.
8로 약 250정도의 차이가 나며, AS™ 와 JIS1의 경우도 탄젠트영계수와 시컨트영계수가 250 정도의 차이가 나는 것을 알 수 있었다. 세 값 모두 탄젠트영계수가 시컨트영계수에 비해 250정도 큰 값을 나타내 며 탄젠트영 계수는 750~1010, 시 컨트영 계수는 600~820정도의 값을 얻었다.
1MPa로 근사한 값을 나타내었다. 연신율의 경우 MD방향 ASTMe 296%로 가장 높은 값을 나타내었으며 KS와 JIS는 각각 260%와 255% 로 근사한 값을 나타내었다. TD방향의 경우 역시 ASTM 이 298%로 가장 높은 값을 나타내었으며 險와 JIS는 260%와 263%로 근사한 값을 나타내었다.
영계수의 경우 KS의 탄젠트 영계수는 851.1 이고 시컨트영계수는 597.8로 약 250정도의 차이가 나며, AS™ 와 JIS1의 경우도 탄젠트영계수와 시컨트영계수가 250 정도의 차이가 나는 것을 알 수 있었다. 세 값 모두 탄젠트영계수가 시컨트영계수에 비해 250정도 큰 값을 나타내 며 탄젠트영 계수는 750~1010, 시 컨트영 계수는 600~820정도의 값을 얻었다.
인장특성 실험결과 23℃에서 인장강도는 세 종류의 시편모두 50MPa정도의 값으로 유사한 결과를 나타내었으며 연신율의 경우 23℃에서 250%~300%로 근사한 값이 나온 것을 알 수 있다. 이는 변동계수가 6% 미만으로 각 시편들의 결과 값이 상대적으로 근사한 값이 나왔으며 이는 그 특성이 비슷하다고 할 수 있다.
탄젠트영 계수와 시 컨트영 계수, 항복연신율의 변동계수는 인장강도와 연신율 항복강도에 비해 6%~10%로 높은 것을 알 수 있다. 이는 각 결과 값의 편차가 상대적으로 큰 것을 나타낸다.

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