[논문]점탄소성 모델을 이용한 ETFE 막재의 장기 크리프 거동 예측기법 연구

김재열

doi:10.9712/kass.2014.14.3.093

점탄소성 모델을 이용한 ETFE 막재의 장기 크리프 거동 예측기법 연구
Prediction Method of Long Term Creep Behavior for ETFE Foil by Using Viscoelastic-Plastic Model 원문보기

한국공간구조학회논문집 = Journal of the Korean Association for Spatial Structures, v.14 no.3, 2014년, pp.93 - 100

Abstract ▼ AI-Helper

Ethylene Tetrafluoroethylene (ETFE) has been widely used in long-span buildings because of its light weight and high transparency. This paper studies the short and long term creep behaviour of ETFE foil. A series of short-term creep and recovery tests were performed, in which the residual strain was observed. A long-term creep test of the ETFE foil was also performed over 110 days. A viscoelastic-plastic model was then established to describe the short-term creep and recovery behaviour. The model contains a traditional multi-Kelvin part and an added steady-flow component to represent the viscoelastic and viscoplastic behaviour, respectively. The model successfully fit the data for three stresses and six temperatures. Additionally, time-temperature equivalency was adopted to predict the long-term creep behaviour of ETFE foil. Horizontal shifting factors were determined from the process of shifting creep-curves at six temperatures. The long-term creep behaviours at three temperatures were predicted. Finally, the long-term creep test showed that the short-term creep test at identical temperatures insufficiently predicted additional creep behaviour, and the long-term test verified the horizontal shifting factors derived from the time-temperature equivalency.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 ETFE 막재의 단기 크리프와 회복 특성을 설명하기 위한 수정된 크리프 모델과 그의 장기크리프 특성을 예측하기 위한 실용적인 접근방법을 제시하였다.
본 연구에서는 상기 참고 된 기존연구에서 다루 어진 일반적인 점탄성 이론들을 ETFE 막재에 응용하여, ETFE 막재의 점소성 크리프-변형도를 고려한 단기 크리프-회복 특성을 설명하기 위하여 수정된 크리프 모델을 제시하였다. 시간-온도 등 비율 조건은 후의 크리프 특성을 예측하기 위하여 채택되었으며, ETFE 막재의 수평이동 요소는 다른 온도에서 시행되는 여러 크리프 실험를 통해 결정된다.

가설 설정

계수들의 계산을 간단하게 하기 위해 ττ = 10τ, a = 1, N = 5라고 가정하자.
식 (3)의 계수들은 단기 크리프와 회복 실험에서 나오는 결과에 따라 결정된다. 크리프 특성은 점탄성, 점소성 크리프의 합이라고 가정되며, 회복 특성은 점소성 크리프가 일어나지 않는 점탄성 크리프 과정의 역이라고 가정된다.

제안 방법

ETFE 막재의 특성을 평가하기 위해 110일 이상의 장기 크리프 실험을 수행하였다. 시편은 2.
고분자물질의 장기 크리프 특성을 예측하기 위해서 WLF 식으로 부터 이완시간과 기준온도의 관계를 구축하였다.¹⁶⁾ 장기 크리프 특성은 각기 다른 온도에서의 곡선을 기준온도에서 하나의 주 크리프곡선으로 이동하여 예측한다.
단기 크리프와 회복 실험이 짧은 시간 안에 수행될 수 있게 하기 위하여, 시편들은 우선 1.8 MPa/s의 속도로 크리프 실험 σc까지 인장되었고, 크리프 실험은 24시간 동안 수행되었다.
시간-온도 등 비율 조건은 후의 크리프 특성을 예측하기 위하여 채택되었으며, ETFE 막재의 수평이동 요소는 다른 온도에서 시행되는 여러 크리프 실험를 통해 결정된다. 마지막으로 장기 크리프 예측을 위하여 110일 이상의 장기 크리프 실험을 수행하였다.
8 MPa/s의 제하율(Unloading rate)과 함께 0으로 감소하였다. 마지막으로 회복실험은 응력을 0으로 유지하여 24시간 진행되었고, 시편의 변형은 위의 과정과 같이 기록되었다.
식 (1)의 구성방정식은 식 (3)으로 다시 표현된다. 본 연구에서는 일반적인 점탄성 모델을 ETFE 막재에 응용한 [Fig. 4]와 같은 물리적 모델을 도입하였다.
일반화 된 Kelvin 모델은 ΔD(Ψ) 식을 얻기 위하여 수정되었다. 수정된 모델은 ETFE 막재의 점탄성거동을 나타내기 위하여 일반화된 Kelvin 모델을 사용하고, 점소성 특성을 나타내기 위하여 정류요소(Steady-flow component)를 추가하였다. 식 (1)의 구성방정식은 식 (3)으로 다시 표현된다.
시간-온도 등비율 이동 관계는 ETFE 막재의 장기 크리프 특성을 예측하기 위하여 적용되었다. 평행이동 인자들은 다른 온도에서 6개의 단기 크리프 곡선의 평행이동 과정에서 결정되었다.
2]와 같다. 실험기의 일정한 응력을 발생시키기 위해 무게를 더했고, 시편의 변형을 기록하기 위한 두 개의 다이얼 게이지를 사용하였다. 다이얼 게이지의 정확도는 0.

대상 데이터

기본적으로 시간-온도의 등비율 수평이동 가정으로부터 ETFE 막재의 장기 크리프 특성, 고분자물질의 형태를 예측할 수 있다. 2.1절의 크리프 실험에서 얻어진 다른 온도에서의 크리프 곡선들이 사용되었다. 수평이동 과정은 [Fig.
실험기의 일정한 응력을 발생시키기 위해 무게를 더했고, 시편의 변형을 기록하기 위한 두 개의 다이얼 게이지를 사용하였다. 다이얼 게이지의 정확도는 0.001mm이고, 시험 동안에 일정하게 유지되는 시편의 실험 응력은 6MPa이다. 크리프 특성에 상당한 영향을 끼치는 온도의 변동은 [Fig.
아울러, 6개의 단기 크리프-회복 실험이 다른 온도에서 추가적으로 수행되었다. 시험에서 사용된 온도는 각각 23℃, 28℃, 35℃, 41℃, 46℃, 51℃이다. 이 온도는 ETFE 막재 구조의 일반적인 환경온도부터 극한의 온도이며, 수십 년간의 장기 ETFE 막재 특성 예측에 사용하였다.
실험 중의 시편 들은 일정한 환경 조건을 유지하기 위하여 온도 조절이 가능한 곳에 보관하였다. 실험용 기기는 [Fig. 1]과 같은 METM(Microcomputer Electronic TestingMachine)이다. 기록되는 변형의 정확도는 ± 0.
ETFE 막재의 단기 크리프와 회복 실험이 다른 압력과 다른 온도에서 여러 번 시행되었다. 이 실험들에서 ETFE 막재의 두께는 실무에서 널리 쓰이는 0.25mm로 하였고, 시편들은 세로 150mm, 가로 15mm의 직사각형 모양이다. 세로방향에서 시편들의 두 개변은 클램프로 고정되었고, 클램프 사이의 시편들의 변형은 먼저 체크되었다.
시험에서 사용된 온도는 각각 23℃, 28℃, 35℃, 41℃, 46℃, 51℃이다. 이 온도는 ETFE 막재 구조의 일반적인 환경온도부터 극한의 온도이며, 수십 년간의 장기 ETFE 막재 특성 예측에 사용하였다. 이 크리프 실험들의 응력은 6 MPa로 동일하다.
전통적인 점탄성 모델로는 설명될 수 없는 점소성 크리프 변형도를 더 잘 고려하기 위해, 3.1절의 점탄소성 모델이 데이터 시뮬레이션에 사용되었다. 식 (4)와 식 (5)의 계수를 계산하기 위하여 최소자승 평가식이 사용되었다.
세 개의 대표적인 응력에 대한 단기 크리프와 회복 실험은 23℃에서 수행되었다. 크리프 실험 시편의 응력들은 각각 ETFE 막재 구조에서 널리 쓰이는 3 MPa, 6 MPa, 9 MPa이다. 아울러, 6개의 단기 크리프-회복 실험이 다른 온도에서 추가적으로 수행되었다.

이론/모형

9) 압력과 온도의 비선형성을 설명하기 위해서 Schapery는 열역학 이론들에서 나온 단적분 구성방정식을 사용하였다.^10),11),12) Papanicolaou는 Shapery의 방정식을 FRP에 성공적으로 사용하였다.
일반화 된 Kelvin 모델은 ΔD(Ψ) 식을 얻기 위하여 수정되었다.

성능/효과

^10),11),12) Papanicolaou는 Shapery의 방정식을 FRP에 성공적으로 사용하였다.¹³⁾ Polak과 Penlidis는 구성방정식을 결정하기 위해 실용적인 방법을 제시했다.¹⁴⁾ 또한 그들은 변수들의 관계를 분석하기 위하여 정밀한 통계적 기술을 사용하였다.
¹⁴⁾ 또한 그들은 변수들의 관계를 분석하기 위하여 정밀한 통계적 기술을 사용하였다.¹⁵⁾ 고분자물질의 점탄성 모델은 단기 크리프 실험의 데이터와는 일치하지만, 장기 크리프 특성의 예측과는 종종 일치하지 않는다. 이 문제를 제시하기 위해 Williams, Landel, Ferry는 이완시간과 표준온도의 관계를 찾아서 WLF 방정식을 만들었다.
3개의 응력과 6개의 온도에서의 단기 크리프 및 회복 실험으로부터, 잔여 변형도는 크리프 거동에서 보다 컸다는 것을 보였다. 일반화된 Kelvin 모델은 점탄성과 점소성 크리프 변형 둘 다를 설명하기 위해 수정되었다.
2절에서는 6개 온도에서의 시간-온도 등비율 이동 관계와 단기 크리프 실험을 통해 23℃에서의 하나의 주 곡선이 구해졌다. 본 논문에서 채택한 다양한 온도에서의 결과를 기준으로 한 이동곡선으로 부터 23℃에서는 거의 40년 이상(109 초)의 ETFE 막재 장기 크리프 특성을 예측할 수 있다. 비슷하게 18℃와 28℃ 크리프 특성은 시간-온도 등비율 이동 관계를 통해 예측되며, 예측시간은 ETFE 빌딩의 일반적 디자인 수명인 대략 5년 (2000일)이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ETFE 막재가 장경간의 빌딩에 적합한 이유는 무엇인가?	건축가들과 구조 엔지니어들에게 많은 관심을 받고 있는 ETFE 막재는 가벼운 무게와 높은 투명도, 환경친화적 특징 때문에 장경간의 빌딩에 적합하다.1) Eden Project(2001), 베이징 국립 수영장(2008)2) 과 같은 많은 건물들이 ETFE 막재를 사용하여 성공적으로 건설되었다.
	ETFE 막재의 기계적 특성과 ETFE 쿠션의 구조적 특성은 무엇을 통해 조사되어 왔는가?	1) Eden Project(2001), 베이징 국립 수영장(2008)2) 과 같은 많은 건물들이 ETFE 막재를 사용하여 성공적으로 건설되었다. ETFE 막재의 기계적 특성과 ETFE 쿠션의 구조적 특성은 실험과 수치적 분석을 통해 조사되어왔다.
	고분자물질의 점탄성 모델이 단기 크리프 실험의 데이터와는 일치하지만, 장기 크리프 특성의 예측과는 종종 일치하지 않는 문제를 제시하기 위해 Williams, Landel, Ferry는 무엇을 만들었는가?	15) 고분자물질의 점탄성 모델은 단기 크리프 실험의 데이터와는 일치하지만, 장기 크리프 특성의 예측과는 종종 일치하지 않는다. 이 문제를 제시하기 위해 Williams, Landel, Ferry는 이완시간과 표준온도의 관계를 찾아서 WLF 방정식을 만들었다.16) Crissman은 시간온도 중첩원리를 두 종류의 폴리에틸렌에 성공적으로 응용하였다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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