최근 국내에서 목질계 재료를 이용한 데크의 설치사례는 증가하는 추세이나, 상대적으로 데크의 기초 물성과 안전성에 관련된 연구는 미흡한 상황이다. 신발과 데크 사이에서 발생하는 마찰력은 보행자의 기동 능력에 많은 영향을 미친다. 이러한 마찰력은 바닥재의 재료 특성, 바닥재의 요철무늬 형상, 신발 밑창의 형태, 바닥재와 신발 사이 접촉면의 습윤도 등 여러 인자에 의해 영향을 받는다. 본 연구에서는 보행안전성 평가를 위하여 데크의 요철무늬에 따른 마찰력 변화를 측정하고 미끄럼 정도를 평가하였다. 실험에 이용된 데크의 재료는 천연목재와 합성목재의 두 종류이고, 신발과 접촉하는 데크표면은 데크의 길이 방향으로 홈가공처리를 한 단일 논슬립가공 형태와 길이방향에 더불어 가로방향에 추가로 홈 가공처리를 한 이중 논슬립가공 형태 두 종류이다. 실험에 사용된 신발의 밑창 형태는 더블유형(W형)과 네모형(${\Box}$형)의 두 종류를 사용하였고, 데크 표면의 함수율 상태에 따른 마찰력변화를 알아보기 위하여 대기와 평형을 이룬 건조상태와 수분습윤상태에서 측정하였다. 각각의 조건에서 마찰계수를 결정하고 각각의 인자가 마찰력에 미치는 영향을 분석하였다.
최근 국내에서 목질계 재료를 이용한 데크의 설치사례는 증가하는 추세이나, 상대적으로 데크의 기초 물성과 안전성에 관련된 연구는 미흡한 상황이다. 신발과 데크 사이에서 발생하는 마찰력은 보행자의 기동 능력에 많은 영향을 미친다. 이러한 마찰력은 바닥재의 재료 특성, 바닥재의 요철무늬 형상, 신발 밑창의 형태, 바닥재와 신발 사이 접촉면의 습윤도 등 여러 인자에 의해 영향을 받는다. 본 연구에서는 보행안전성 평가를 위하여 데크의 요철무늬에 따른 마찰력 변화를 측정하고 미끄럼 정도를 평가하였다. 실험에 이용된 데크의 재료는 천연목재와 합성목재의 두 종류이고, 신발과 접촉하는 데크표면은 데크의 길이 방향으로 홈가공처리를 한 단일 논슬립가공 형태와 길이방향에 더불어 가로방향에 추가로 홈 가공처리를 한 이중 논슬립가공 형태 두 종류이다. 실험에 사용된 신발의 밑창 형태는 더블유형(W형)과 네모형(${\Box}$형)의 두 종류를 사용하였고, 데크 표면의 함수율 상태에 따른 마찰력변화를 알아보기 위하여 대기와 평형을 이룬 건조상태와 수분습윤상태에서 측정하였다. 각각의 조건에서 마찰계수를 결정하고 각각의 인자가 마찰력에 미치는 영향을 분석하였다.
Installation of deck has been on the rise in Korea recently, but there is little of research on the safety of deck. One of the major factors affecting maneuverability of a pedestrian is frictional force between an outsole of shoe and a surface of the deck. The frictional force is influenced by many ...
Installation of deck has been on the rise in Korea recently, but there is little of research on the safety of deck. One of the major factors affecting maneuverability of a pedestrian is frictional force between an outsole of shoe and a surface of the deck. The frictional force is influenced by many factors such as raw material variance of deck, surface convex shape of deck, outsole patterns of shoes, and moist condition of contact surface between deck and shoes. This study focused on evaluating the effect of these factors on the frictional force. Two kinds of deck, which were made of natural wood and wood plastic composite, were used in this study. The surface convex patterns of deck were classified to single nonslip (longitudinal groove processing) and double nonslip (longitudinal and transverse groove processing). Two kinds of shoe outsole patterns, W-shape and rectangle-shape, were used in the tests. Also, the friction tests were carried out at dried surface conditions and water-adsorbed surface condition.
Installation of deck has been on the rise in Korea recently, but there is little of research on the safety of deck. One of the major factors affecting maneuverability of a pedestrian is frictional force between an outsole of shoe and a surface of the deck. The frictional force is influenced by many factors such as raw material variance of deck, surface convex shape of deck, outsole patterns of shoes, and moist condition of contact surface between deck and shoes. This study focused on evaluating the effect of these factors on the frictional force. Two kinds of deck, which were made of natural wood and wood plastic composite, were used in this study. The surface convex patterns of deck were classified to single nonslip (longitudinal groove processing) and double nonslip (longitudinal and transverse groove processing). Two kinds of shoe outsole patterns, W-shape and rectangle-shape, were used in the tests. Also, the friction tests were carried out at dried surface conditions and water-adsorbed surface condition.
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문제 정의
그러나 상대적으로 데크의 기초물성이나 데크설치에 따른 안전성 평가는 활발히 진행되지 못하고 있다. 따라서 본 연구에서는 데크의 보행 안전성 평가를 위하여 데크와 신발 하부면 사이에서 발생하는 마찰력을 측정하였다. 일반적인 데크의 경우, 보행자의 미끄럼 방지를 위하여 길이방향으로 홈을 파는 논슬립(non slip)가공이 적용되고 있다.
일반적인 데크의 경우, 보행자의 미끄럼 방지를 위하여 길이방향으로 홈을 파는 논슬립(non slip)가공이 적용되고 있다. 본 연구에서는 기존 논슬립 데크의 길이방향 요철가공과 더불어 길이의 직각방향으로 홈을 추가적으로 파는 이중 논슬립 가공을 통하여 미끄럼 방지 효과를 제고하였다.
가설 설정
이들에 의해 알려진 마찰의 기본법칙은 “① 마찰력은 가해진 하중에 비례한다. ② 마찰력은 외형적 접촉면적의 영향을 받지 않는다. ③ 마찰력은 미끄럼 속도의 영향을 받지 않는다.
② 마찰력은 외형적 접촉면적의 영향을 받지 않는다. ③ 마찰력은 미끄럼 속도의 영향을 받지 않는다.”는 것이다.
제안 방법
2종류의 데크 표면형상과 2종류의 신발 아웃솔 모양에 따른 마찰계수의 변화를 고찰하였다. 먼저 천연데크를 살펴보면, 30 kgf의 수직하중-□형의 아웃솔건조상태의 조건에서 측정된 마찰계수를 제외하면 건조상태와 습윤상태에 상관없이 격자형 형상(이중 논슬립 가공재)에서 측정된 마찰계수가 기본형(단일 논슬립 가공재)에 비하여 큰 값을 보였다.
Fig. 3과 같이 고안하여 제작한 시험장치를 이용 하여 수직하중을 일반적인 유아 및 성인의 몸무게인 30, 70 kgf의 2가지 변수로 정하고, 데크모양, 신발 아웃솔 형태, 데크의 수분조건 변이에 따른 최대정지마찰력을 측정하였으며, 시간-하중 그래프를 이용하여 운동마찰력을 결정하고, 각각의 마찰계수를 분석하였다. 5회 반복실험을 통하여 평균값을 제시 하였다.
신발을 고정할 수 있는 치구와 발모양의 석고를 제작하여, 치구-석고-운동화가 결합된 결합물을 만들었다. 결합물에 수직하중을 가하고, 운동화의 뒤쪽 방향으로 케이블을 연결하여 인장상태로 만든 후, 3 mm/min의 속도로 결합물을 이동시키면서, 만능재료시험기(UTM)를 이용하여 마찰력을 측정하였다.
본 실험에 사용된 데크는 (주)호영하이텍에서 제작하였다. 데크의 종류는 합성데크와 천연데크목재로 구분되는데, 합성데크는 목분과 열가소성 물질을 결합하여 목재와 플라스틱의 성질을 갖는 합성목재(wood plastic composite)를 가공하여 제작하였으며, 천연데크는 이페(Ipe, Tabebuia Standle)를 가공하여 제작하였다.
4). 마찰변수인 신발의 하부 표면에 페인트를 도포한 후, 데크 표면위에 신발 올려놓고 수직하중을 가하여 데크 표면에 찍힌 아웃솔의 면적을 디지털카메라로 촬영하였다. 그 이미지를 구성하는 픽셀(pixel)의 갯수를 이용하여 접촉면을 1 mm2 단위의 면적으로 정량화시켰다.
물체의 마찰성능에 미치는 온·습도의 영향을 최소화하기 위하여 24℃, 65% RH의 조건(11.93% EMC)에서 시험편을 조습하였다.
신발을 고정할 수 있는 치구와 발모양의 석고를 제작하여, 치구-석고-운동화가 결합된 결합물을 만들었다. 결합물에 수직하중을 가하고, 운동화의 뒤쪽 방향으로 케이블을 연결하여 인장상태로 만든 후, 3 mm/min의 속도로 결합물을 이동시키면서, 만능재료시험기(UTM)를 이용하여 마찰력을 측정하였다.
그 이미지를 구성하는 픽셀(pixel)의 갯수를 이용하여 접촉면을 1 mm2 단위의 면적으로 정량화시켰다. 일반적으로 접촉면적은 수직하중에 비례하기 때문에, 본 연구에서는 동일 수직하중 하에서의 접촉면적과 마찰계수의 비교를 위하여 30 kgf의 동일한 하중을 각 실험에 적용하였다.
천연데크에서는 일반적으로 격자형의 표면이 높은 마찰계수를 나타내고, 반대로 합성데크에서는 기본형의 표면이 높은 값을 보이기 때문에 이에 대한 분석을 위하여 데크표면과 마찰변수인 신발의 아웃솔과의 접촉면에 대한 이미지 분석을 실시하였다(Fig. 4). 마찰변수인 신발의 하부 표면에 페인트를 도포한 후, 데크 표면위에 신발 올려놓고 수직하중을 가하여 데크 표면에 찍힌 아웃솔의 면적을 디지털카메라로 촬영하였다.
대상 데이터
데크의 표면 가공형태는 길이방향 홈가공처리를한 기본형과 길이방향의 가공에 추가로 가로방향 홈 가공처리를 한 격자형으로 구분하였으며(Fig. 1), 신발의 폭과 길이, 그리고 신발과 데크의 접촉면적을 고려하여 시편의 폭은 90 mm 이상, 길이 375 mm로 시편을 제작하여 준비하였다. 물체의 마찰성능에 미치는 온·습도의 영향을 최소화하기 위하여 24℃, 65% RH의 조건(11.
본 실험에 사용된 데크는 (주)호영하이텍에서 제작하였다. 데크의 종류는 합성데크와 천연데크목재로 구분되는데, 합성데크는 목분과 열가소성 물질을 결합하여 목재와 플라스틱의 성질을 갖는 합성목재(wood plastic composite)를 가공하여 제작하였으며, 천연데크는 이페(Ipe, Tabebuia Standle)를 가공하여 제작하였다.
Nigg (1986)는 신발 아웃솔의 모양과 소재의 변이에 따라 착용자가 걸을 때 바닥면과 접촉하여 발생하는 마찰력이 다르게 나타나고, 발생된 마찰력은 신발 착용감 및 보행성능에 큰 영향을 준다고 보고하였다. 본 연구에서는 상용 신발 아웃솔의 무늬 중 더블유형(W형, Ad사 제품)과 네모형(□형, As사 제품)의 2가지를 이용하여 실험을 수행하였다. Fig.
데이터처리
3과 같이 고안하여 제작한 시험장치를 이용 하여 수직하중을 일반적인 유아 및 성인의 몸무게인 30, 70 kgf의 2가지 변수로 정하고, 데크모양, 신발 아웃솔 형태, 데크의 수분조건 변이에 따른 최대정지마찰력을 측정하였으며, 시간-하중 그래프를 이용하여 운동마찰력을 결정하고, 각각의 마찰계수를 분석하였다. 5회 반복실험을 통하여 평균값을 제시 하였다.
이론/모형
최대정지마찰력은 운동화가 움직이기 시작하는 시점에서 나타나는 최대마찰력으로 평가되며, 이를 통해 정지마찰계수를 결정할 수 있다. 마찰계수는 Coulomb의 법칙을 이용하여 아래의 식으로 결정하였다.
미국재료시험협회(ASTM)의 ASTM D2394-05 (Test method for simulated service testing of wood and wood-base finish flooring)와 ASTM G115-10 (Standard guide for measuring and reporting friction coefficient)을 공시방법으로 실험을 수행하였다.
성능/효과
그러나 합성데크에서 측정된 마찰계수는 위에서 설명한 것과 다른 양상을 보였다. W형과 □형의 아웃솔을 지닌 신발은 기본형이 격자형에 비하여 건조 상태와 습윤상태 모두에서 약 20~30%의 높은 값을 보였으며 이는 W형에서 그 값의 차이가 크게 나타났다.
등방성 재료인 WPC를 사용한 합성데크에 길이방향의 홈가공과 더불어 가로방향으로 홈가공을 추가한 경우는 데크와 신발 하부표면 사이의 접촉면적이 줄어들고, 이 줄어든 면적에 비례하여 마찰계수가 감소하였다. 반면에 이중 논슬립 처리를 천연데크에 실시한 경우는 데크 표면에 위치한 종축세포를 부분적으로 절단함으로써 종축방향으로 운동하는 보행자의 신발 하부표면의 돌출부가 데크표면의 홈에 삽입되는 면적을 효과적으로 증가시켜 마찰저항이 증가하였다.
2종류의 데크 표면형상과 2종류의 신발 아웃솔 모양에 따른 마찰계수의 변화를 고찰하였다. 먼저 천연데크를 살펴보면, 30 kgf의 수직하중-□형의 아웃솔건조상태의 조건에서 측정된 마찰계수를 제외하면 건조상태와 습윤상태에 상관없이 격자형 형상(이중 논슬립 가공재)에서 측정된 마찰계수가 기본형(단일 논슬립 가공재)에 비하여 큰 값을 보였다. 격자형은 길이방향의 홈가공이 되어 있는 기본형에 가로방향으로 홈가공을 추가한 형태로 합성데크와 달리 천연데크는 홈가공시에 표면의 거칠기가 상승하였을 것으로 사료된다.
본 연구에서 측정된 정지마찰계수의 경우, 일반적으로 천연데크가 합성데크에 비하여 크게 나타났다. 목재로 만들어진 천연데크는 하중과 데크형상에 관계없이 건조상태에 비하여 습윤상태에서 측정된 마찰계수 값이 크게 측정되었다. 이 결과로 데크 표면에 수분이 존재하더라도 그 수분이 액상이 아닌 경우, 수분에 의한 팽윤효과로 마찰계수가 증가함을 알 수 있다.
본 연구에서 측정된 정지마찰계수의 경우, 일반적으로 천연데크가 합성데크에 비하여 크게 나타났다. 목재로 만들어진 천연데크는 하중과 데크형상에 관계없이 건조상태에 비하여 습윤상태에서 측정된 마찰계수 값이 크게 측정되었다.
목재로 만들어진 천연데크는 하중과 데크형상에 관계없이 건조상태에 비하여 습윤상태에서 측정된 마찰계수 값이 크게 측정되었다. 이 결과로 데크 표면에 수분이 존재하더라도 그 수분이 액상이 아닌 경우, 수분에 의한 팽윤효과로 마찰계수가 증가함을 알 수 있다. 수직하중에 따른 마찰계수의 변화는 미비하였다.
561이었다. 이 결과를 이용하여 재료에 따른 정지마찰계수를 비교해보면, 천연데크의 정지마찰계수는 합성데크에 비해 약 20%정도 높게 평가된다.
본 연구에서는 “습윤상태”를 물 속에 10분간 침지시킨 후 꺼낸 것으로 정의하였다. 천연데크는 건조상태에서 평형함수율이 11.93%이었고, 침지 후 수분을 흡습한 상태의 함수율은 약 1.46~2.22% 증가하여 시험편의 평균함수율의 증가는 크지 않았다. 표면함수율은 섬유포화점과 평형함수율의 차이값으로 짐작할 수 있다.
후속연구
또한 마찰력의 변이로 인하여 길이방향의 홈가공만으로 이루어진 기본형이 일정한 운동마찰력을 갖는 것에 비하여 가로방향의 홈가공을 추가한 격자형은 운동마찰력 값이 계속적으로 변화하기 때문에 실제로 제시되는 운동마찰력에 비하여 실제 걸음걸이에 제동효과를 추가할 수 있을 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
최근 국내에서 목질계 재료를 이용한 데크는 어떤 추세, 상황인가?
최근 국내에서 목질계 재료를 이용한 데크의 설치사례는 증가하는 추세이나, 상대적으로 데크의 기초 물성과 안전성에 관련된 연구는 미흡한 상황이다. 신발과 데크 사이에서 발생하는 마찰력은 보행자의 기동 능력에 많은 영향을 미친다.
마찰이 오랜 기간 동안 많은 물리학자들의 연구의 대상이었던 이유는?
반대로 자동차, 선박 등의 엔진, 기어 트랜스미션과 자이로스코프와 같이 정밀한 동작이 요구되는 장치에서는 마찰은 동력의 낭비 요인으로 이를 최소화하기 위해 많은 노력이 이루어지고 있다. 이와 같이 마찰의 중요한 물리적 의미 때문에 오랜 기간 동안 많은 물리학자들의 연구의 대상이었으며 공학자들에게는 기계의 작동에 직접적으로 영향을 미치는 중요한 요소로 관심이 모아져 왔다.
천연데크의 경우는 미끄러짐에 대한 저항을 높이기 위하여 기존의 길이방향 홈가공에 가로방향으로의 홈가공을 추가하는 것이 효과적이라고 판단된 이유는?
즉 이중 논슬립 처리시 합성 데크표면과 신발 하부면 간의 접촉면적은 단일 논슬립 처리시에 비하여 20% 정도 줄어드는데 이때 마찰계수 또한 유사한 감소율을 나타낸다. 하지만 천연데크의 경우는 데크 표면에 위치한 종축세포를 부분적으로 절단함으로써 종축방향으로 운동하는 보행자의 신발 하부표면의 돌출부가 데크표면의 홈에 삽입되는 면적을 효과적으로 증가시켜 종축방향의 마찰저항이 증가시킨 결과로 해석된다. 따라서 천연데크의 경우는 미끄러짐에 대한 저항을 높이기 위하여 기존의 길이방향 홈가공에 가로방향으로의 홈가공을 추가하는 것이 효과적이라고 판단된다.
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