[논문]경량벽체의 내충격성 시험에 사용되는 경질 충격체의 하중 특성

최수경; 송정현; 김상헌; 이영도

doi:10.5345/jkibc.2014.14.4.350

초록
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공동주택의 구조형식이 기둥식 구조로 이행되면서 경량벽체의 수요가 증가하고 있다. 경량벽체는 구조적 안전을 위해 소정의 내충격성을 확보할 필요가 있다. 본 연구에서는 질량과 형상이 다른 경질 충격체 7종류와 일상적으로 벽체에 충격하중을 가하는 단단한 물체 5종류를 대상으로 하중해석 실험을 실시하였다. 충격에너지가 같아도 추의 질량이 다르면 하중의 크기가 최대 2배 이상 차이가 난다는 것을 실험적으로 규명하였다. 또한 경질 충격체의 하중과 실제 물체의 하중을 비교 분석하여 경량벽체의 재료설계를 위한 기초적 자료로서 제시하였다.

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The demand for the lightweight wall has increased as the structure of the multi-unit dwelling has shift to the rahmen structure. The lightweight wall is required to secure certain degree of shock resistance for the structural safety. The study performed the load analysis test for 7 small hard bodies...

The demand for the lightweight wall has increased as the structure of the multi-unit dwelling has shift to the rahmen structure. The lightweight wall is required to secure certain degree of shock resistance for the structural safety. The study performed the load analysis test for 7 small hard bodies with different masses and shapes and 5 hard materials which applied the impact load on the wall. It was found out from the experiment that different pendulum weight doubled the load maximum even though the shock energy was the same. In addition, the study compared and analyzed the weight of materials and the load of small hard bodies to propose fundamental data for the material design of the lightweight wall.

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문제 정의

본 연구의 최종목표는 경량벽체의 종류에 관계없이 공통적으로 적용할 수 있는 내충격성 시험방법을 개발하는 것이다. 이번 연구에서는 이 시험방법의 개발에 필요한 기초자료를 확보하기 위해, KS에 규정된 각종 경질 충격체 및 실제 작고 단단한 물체가 벽체와 충돌할 때 발생하는 동적하중의 제반 특성을 실험적으로 규명하였다.
본 연구의 최종목표는 경량벽체의 종류에 관계없이 공통적으로 적용할 수 있는 내충격성 시험방법을 개발하는 것이다. 이번 연구에서는 이 시험방법의 개발에 필요한 기초자료를 확보하기 위해, KS에 규정된 각종 경질 충격체 및 실제 작고 단단한 물체가 벽체와 충돌할 때 발생하는 동적하중의 제반 특성을 실험적으로 규명하였다.
여기서, 인간이 어떤 도구를 이용하여 벽체에 가하는 동적하중의 경우는 인간이나 도구, 벽체 각각의 제반 특성에 따른 변동요인이 너무 많아 일률적으로 정량화시키기는 힘들다. 따라서 본 연구의 성과는 주어진 실험조건 내에서, 각종 경질 충격체에 의한 하중의 크기가 실제 어떤 물체의 충돌에 의한 하중의 크기에 상응하는지에 대한 개략적 판단을 돕기 위한 상대적 자료로서의 의미를 지닌다.
더욱이 내충격성 시험에서 이용한 충격체의 하중이 실제 어떤 물체의 하중과 대응하는지 등에 대한 자료가 거의 없어, 제품 개발 또는 재료설계 단계에서 내충격성에 관한 성능목표를 분명하게 수립하지 못하고 있는 것이 현실이다. 본 연구에서는 경질 충격체 및 실제 물체의 하중 특성을 나타내는 제반 요인 중에서 가장 영향력이 클 것으로 판단되는 하중의 크기를 실험적으로 해석하여 비교 분석하였다. 경질 충격체를 수직방향으로 하중판(강성 A)에 자유 낙하시켰을 때의 낙하높이별 하중과 실제 작고 단단한 물체로 하중판(강성 A)을 가격했을 때의 하중 크기를 비교하여 Figure 11에 나타내었다.
경량벽체는 구조적 안전을 위해 소정의 내충격성을 확보할 필요가 있다. 본 연구에서는 질량과 형상이 다른 경질 충격체 7종류와 일상적으로 벽체에 충격하중을 가하는 단단한 물체 5종류를 대상으로 하중해석 실험을 실시하였다. 충격에너지가 같아도 추의 질량이 다르면 하중의 크기가 최대 2배 이상 차이가 난다는 것을 실험적으로 규명하였다.
충격에너지가 같아도 추의 질량이 다르면 하중의 크기가 최대 2배 이상 차이가 난다는 것을 실험적으로 규명하였다. 또한 경질 충격체의 하중과 실제 물체의 하중을 비교 분석하여 경량벽체의 재료설계를 위한 기초적 자료로서 제시하였다.

제안 방법

이 표준에서는 실제와 동일한 방법으로 설치한 시험체에 대하여 추를 소정의 높이에서 자유 낙하시킨다. JIS A 6512의 경질 충격체 시험방법은 ISO 7892와 대동소이하지만, 추를 1000g급 한 가지만 사용하며, 낙하높이도 30cm로 고정하여 시험한다. 성능기준은 사용상 유해한 표면의 균열 및 벗겨짐이 없을 것으로 한다.
본 연구에서 설계·제작한 하중해석장치의 개요를 Figure 1에 나타내었다. 하중해석장치는 실제 경량벽체의 강성 범위를 감안하여 하중판의 강성을 3단계로 조절할 수 있도록 제작하였다. 하중판은 두께 12mm 합판을 4매 접착하여 총 두께 48mm로 제작하였으며, 표면에는 충격체와의 충돌로 인한 손상(패임)을 방지하기 위해 강판(두께 5mm)과 비닐시트(두께 1.
8mm)를 부착하였다. 하중판에 가해지는 하중은 4개의 로드셀(정격용량 5kN), 데이터 로거(EDS-400A, 샘플링 주파수 10kHz), 하중해석 프로그램(DAS-100A) 등을 이용하여 측정하였다.
하중판의 강성은 A(A-A’: 20kN/cm), B(B-B’: 4.7kN/cm), C(C-C’: 2.2kN/cm)의 3단계로 설정하였다.
실험횟수는 각 조건별로 3회씩 실시하였다. 모든 추는 소정의 높이에서 전자석으로 고정한 후 자유 낙하시켰다.
3.3 실제 물체의 하중해석 실험

실제 작고 단단한 물체가 벽체와 충돌했을 때 발생하는 하중의 특성을 파악하기 위하여, 농구공(570g), 야구공(140g), 알루미늄 야구배트(640g), 소형망치(520g), 중형망치(2140g)로 각각 하중판을 가격했을 때의 하중해석 실험을 실시하였다.
동작의 세기는 각 검사원에게 자연스러운 동작을 취하되 최대한 힘껏 가격하도록 주문하였다. 실험횟수는 동작별로 3회씩 실시하였다. 실험 전경을 Figure 4에 나타내었다.
모든 실험결과에서 그림의 예와 같이 하중이 비교적 짧은 시간 내에 최대하중까지 거의 직선적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구에서는 기존의 연구[6]에서 제시한 동적하중 해석의 기본개념에 따라 작용 시간을 하중 발생 순간부터 하중이 최대에 달하는 시간까지로 설정하였다. 작용시간(t₁)은 하중판의 강성이나 낙하높이 등에 크게 영향을 받지 않으며, 1.
경량벽체 부재 등의 내충격성 시험에 사용되는 각종 경질 충격체 및 실제 작고 단단한 물체를 대상으로 하중해석 실험을 실시하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
낙하높이는 수직방향에 대해서는 10cm, 30cm, 50cm, 100cm, 150cm, 200cm의 6단계로 설정하였고, 수평방향에 대해서는 10cm, 20cm, 30cm, 50cm, 100cm의 5단계로 설정하였다.

대상 데이터

하중해석장치는 실제 경량벽체의 강성 범위를 감안하여 하중판의 강성을 3단계로 조절할 수 있도록 제작하였다. 하중판은 두께 12mm 합판을 4매 접착하여 총 두께 48mm로 제작하였으며, 표면에는 충격체와의 충돌로 인한 손상(패임)을 방지하기 위해 강판(두께 5mm)과 비닐시트(두께 1.8mm)를 부착하였다. 하중판에 가해지는 하중은 4개의 로드셀(정격용량 5kN), 데이터 로거(EDS-400A, 샘플링 주파수 10kHz), 하중해석 프로그램(DAS-100A) 등을 이용하여 측정하였다.
물체로 하중을 가하는 검사원은 Table 9와 같이 건장한 20대 성인남자 5명(키 170~182cm, 몸무게 599.8~940.8N)을 선정하였다. 하중판의 강성은 A의 1종류만으로 하였다.

성능/효과

또 실험결과를 종합하여 Table 10에 나타내었다. 모든 실험결과에서 그림의 예와 같이 하중이 비교적 짧은 시간 내에 최대하중까지 거의 직선적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구에서는 기존의 연구[6]에서 제시한 동적하중 해석의 기본개념에 따라 작용 시간을 하중 발생 순간부터 하중이 최대에 달하는 시간까지로 설정하였다.
또한 충격에너지(질량×낙하높이)가 동일하더라도 추의 형상이나 질량에 따라 하중의 크기가 큰 폭으로 달라지는 것을 알 수 있었다.
각 충격체의 질량 차이를 소거하여 고찰하기 위해 산출한 최대하중비(P_max/M, M: 질량)의 예(강성 A, 수직방향)를 Figure 6에 나타내었다. 같은 높이에서 낙하시켰을 경우 질량이 클수록 최대하중비가 작아지며, 낙하높이가 높아질수록, 구형 추보다는 가지형 추에서 그 경향이 더욱 명료하게 나타났다.
2.7m 거리에서 검사원 5명이 농구공을 던졌을 때 하중판(강성 A)에 작용하는 하중(Pmax)의 평균값은 1.64kN인 것으로 나타났다. 같은 거리에서 야구공을 던졌을 경우는 2.
2) 경질 충격체의 작용시간은 낙하높이에 크게 영향을 받지 않으며, 1.07∼1.97ms의 범위 내에 분포한다.
1) 경질 충격체의 최대하중비(최대하중/질량)는 같은 높이에서 낙하시켰을 경우 질량이 클수록 작아지며, 이러한 경향은 낙하높이가 높아질수록 더욱 명료하게 나타난다.
3) 같은 질량의 경질 충격체를 같은 높이에서 낙하시킬 경우 수직방향이 수평방향에 비해 하중이 크게 발생한다.
4) 충격에너지가 같더라도 경질 충격체의 질량이 다르면 하중의 크기는 최대 2배 이상 차이가 난다.
본 연구에서는 질량과 형상이 다른 경질 충격체 7종류와 일상적으로 벽체에 충격하중을 가하는 단단한 물체 5종류를 대상으로 하중해석 실험을 실시하였다. 충격에너지가 같아도 추의 질량이 다르면 하중의 크기가 최대 2배 이상 차이가 난다는 것을 실험적으로 규명하였다. 또한 경질 충격체의 하중과 실제 물체의 하중을 비교 분석하여 경량벽체의 재료설계를 위한 기초적 자료로서 제시하였다.

후속연구

동등한 질량의 추를 같은 높이에서 낙하시켰을 때 하중판의 강성에 관계없이 수직방향의 경우가 수평방향에 비해 보다 큰 하중이 작용한다는 것을 알 수 있다. 따라서 재료설계시 경질 충격체 시험결과를 비교할 때 추의 낙하방향도 주요 검토요인에 포함시킨다면 좀 더 객관적인 검증이 가능할 것으로 판단된다.
따라서 종류가 다른 경량패널 부재나 보드류의 내충격성을 평가할 때는 적용한 충격에너지의 크기에 앞서 충격체의 질량이 같은지를 확인하는 작업이 선행되어야 할 것이다. 또한 시판 제품의 경우 카탈로그나 기술자료 등에 이러한 정보를 반드시 기술할 필요가 있다.
6) 경량벽체의 재료·공법을 선정할 때 실제 작용이 예상되는 충격하중의 종류를 개략적으로 상정할 수 있다면 본 연구의 하중해석 결과를 통해 보다 합리적인 재료설계를 할 수 있을 것으로 판단된다.
27kN의 하중이 발생한다. 이 수치는 향후 각종 경질 충격체의 시험조건을 설정할 때 시험체에 작용하는 하중의 크기를 가늠할 수 있는 유용한 자료로서의 활용이 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	경량벽체에서 소정의 내충격성을 확보할 필요가 있는 이유는 무엇인가?	공동주택의 구조형식이 기둥식 구조로 이행되면서 경량벽체의 수요가 증가하고 있다. 경량벽체는 구조적 안전을 위해 소정의 내충격성을 확보할 필요가 있다. 본 연구에서는 질량과 형상이 다른 경질 충격체 7종류와 일상적으로 벽체에 충격하중을 가하는 단단한 물체 5종류를 대상으로 하중해석 실험을 실시하였다.
	경량벽체에 요구되는 내력 중 내충격성은 어디에서 큰 영향을 미치는가?	경량벽체에 요구되는 내력은 크게 변형추종성, 수평하중 저항성, 내충격성의 3가지 성능항목으로 분류할 수 있다. 이 중 내충격성은 부위의 존속이나 유지관리에 가장 큰 영향을 미치는 항목으로서, 벽체 파손의 관점에서 작용인자의 이력조건이 타 성능에 비해 상대적으로 가혹한 편이다.
	경량벽체에 요구되는 내력은 무엇이 있는가?	경량벽체에 요구되는 내력은 크게 변형추종성, 수평하중 저항성, 내충격성의 3가지 성능항목으로 분류할 수 있다. 이 중 내충격성은 부위의 존속이나 유지관리에 가장 큰 영향을 미치는 항목으로서, 벽체 파손의 관점에서 작용인자의 이력조건이 타 성능에 비해 상대적으로 가혹한 편이다.

참고문헌 (7)

Ono H, Choi SK. Analysis of human dynamic force applied to floors and walls : Study on an evaluation method of fracture of framed floors and walls by human dynamic force (Part 1). Journal of structural and construction engineering. 1994 June;460:27-35.
Boyce BL, Chen X, Hutchinson JW, Ritchie RO. The residual stress state due to a spherical hard-body impact. Mechanics of Materials. 2001 August;33(8):441-54

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Matsufuji Y, Ohkubo T. A study on the impact bending test for brittle materials : Numerical analysis of cement-mortar specimen. Journal of structural and construction engineering. 1990 July;413:1-10.
McNatt JD, Soltis LA. Instrumented Impactor for Testing Wood-Base Floor Panels. Journal of Testing and Evaluation. 1990 July;18(4):265-73.

상세보기
Kumagai T, Maruichi T. Impact fracture behavior of floor finish ceramics tile applications. Journal of structural and construction engineering. 1987 April;374:17-26.
Choi SK. Evaluation method of fracture of framed floors and walls by human dynamic force [dissertation]. [Tokyo] : Tokyo Institute of Technology; 1995. 197 p.
Choi SK. Evaluation method of impact resistance of the materials used for framed walls and floors. Journal of the architectural institute of Korea Structure & Construction. 2004 January;20(1):123-31.

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