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문제 정의
- 각 미끄럼 시험장치로 측정한 물리량(C.S.R, BPN, SCOF)과 표면 거칠기(Rz) 및 RCOF 사이의 연관성을 검토해보기 하였다. 각 인자 간의 상관관계를 Table 12에 나타낸다.
- 본 연구는 건축공학과 인간공학의 융복합 기술을 접목한 보다 고도화된 미끄럼 시험장치를 개발하기 위한 기초적 연구로서, 보행시 지면 마찰력(RCOF)과 바닥의 미끄럼 저항 특성1) 간의 연관성을 실험적으로 검토한 결과이다.
- 본 연구에서는 새롭게 미끄럼 시험장치를 개발하기 위한 기초적 자료를 확보하기 위하여, 보행시 지면 마찰력(RCOF)과 표면 거칠기(Rz) 및 KS에 규정되어 있는 3가지 미끄럼 시험장치로 측정한 물리량(C.S.R, BPN, SCOF) 간의 연관성을 실험적으로 분석하였다. 본 연구에서 얻은 결론은 다음과 같다.
제안 방법
- 3차원 데이터를 수집하기 위하여 Plugin Gait 마커세트를 이용하였으며, Figure 2와 같이 14mm 구형 반사 마커를 검사원의 인체 해부학적 경계점인 좌우 후상장골극의 중간지점, 좌우 전상장골극, 좌우 대전자와 외측 대퇴관절 융기의 중간지점, 좌우 대퇴관절 융기, 좌우 외측 대퇴관절 융기와 족관절 외과의 중간지점, 좌우 족관절 외과, 좌우종골의 중심, 제2중족골두 상면에 각각 부착하였다.
- 건조상태는 시료 표면을 깨끗한 물에 적신 수건으로 닦고 마른 수건으로 물기를 완전히 제거한 후에 표준상태(23±2) ℃, 상대습도 (50±10) %에서 24시간 건조시킨 상태로 하였다.
- 검사원들에게는 간단한 준비운동을 한 후에 보행 연습을 충분히 하도록 한 다음, 바닥재 시료당 3회씩 보행하여 자료를 획득하였다.
- 대상자들은 각 시료가 설치된 보행로를 지나면서 적외선 카메라를 통하여 마커의 신호를 받아 각 보행 변수를 측정하였다. 메트로놈에 의해서 통제된 3가지 보행 속도별로 측정된 시·공간적 보행 변수는 분당 보행 수(cadence), 보폭(stride length), 보간 거리(step length), 보행 속도(walking speed)이다.
- 0 프로그램을 사용하였다. 대상자의 통제된 보행 속도에 따른 각 시료의 지면 마찰력(RCOF; Required Coefficient of Friction)을 구하였다. 3가지 보행 속도에 따른 각 시료의 RCOF에 어떠한 차이가 있는지를 분석하기 위하여 반복 측정된 일요인 분산분석(one way repeated ANOVA)을 사용하였고, 조건 간의 차이를 알아보기 위하여 사후분석으로 본페로니(Bonferroni) 분석을 사용하였다.
- 지면 반력기를 이용한 보행 하중 해석방법의 개요는 Figure 1과 같다. 동작 분석 시스템의 표본 추출률(sampling rate)은 120 Hz, 지면 반력기의 표본 추출률은 1,000 Hz로 각각 설정하였다.
- 따라서 본 연구에서는 미끄럼편으로 사용하는 고무의 경도가 동등할 경우 재질은 크게 중요하지 않다고 판단하여, 미끄럼편의 재질을 합성고무(SBR) 1종류로 하고 경도는 Shore 75 및 Shore 95의 2종류로 하였다.
- 각 시료의 미끄럼 저항 특성을 파악하기 위하여 한국산업표준(KS) 등에서 규정하고 있는 3가지 시험방법, 즉 경사 인장식 바닥 미끄럼 시험(KS M 3510:2010), 영국식 미끄럼 저항 시험(KS F 2375:2001), 정적 미끄럼 저항성 시험(KS L 1001:2010)을 적용하였다. 또한 이들 시험에 의한 측정값과의 비교를 위해 표면 거칠기를 함께 측정하였다. 시험방법별 실험 전경을 Figure 6에 나타낸다.
- 미끄럼 실험을 위한 시료의 표면상태는 건조(dry) 및 습윤(wet)의 2가지 조건으로 설정하였다.
- 보행 속도는 메트로놈을 사용하여 편안한 속도로 보행하도록 한 후에 20 % 빠른 속도와 느린 속도를 계산하여 속도를 통제하였다. 검사원들은 실험을 위한 복장을 착용하였으며 같은 제품의 면양말을 신게 하였다.
- 보행 실험에서는 6대의 적외선 카메라를 10m 길이의 보행로 앞쪽과 뒤쪽에 각각 3대씩 설치하였으며, 보행로 중앙부에 지면 반력기를 설치하고 그 위에 바닥재 시료를 양면테이프로 고정하여 실시하였다.
- 적외선 카메라와 지면 반력 신호의 동조는 Vicon Motion Systems의 Data Station과 연결된 아날로그 신호제어 상자(analogue signal control box)를 통해 이루어진다. 보행 주기(gait cycle)와 마찰력에 대한 정규화(normalization)는 동작 분석 시스템에서 제공하는 polygon 프로그램을 이용하였다.
- 습윤상태의 경우는 시험방법4)에 따라 표면매개물(오염 물질)이 제각기 다른 점을 감안하여, 본 연구에서는 시험 조건의 일관성을 위해 BS EN 132875)에 규정한 질량비 0.5 %의 세제 수용액을 약 400 g/m2 비율로 시료 표면에 산포한 상태로 하였다.
- 영국식 미끄럼 저항 시험장치(BPT; British Pendulum Tester)를 이용하여, 측정개소가 겹치지 않는 위치에서 총 5회 동적 마찰계수(BPN; British Pendulum Number)를 측정하여 평균값을 산출하였다.
- 휴대용 표면조도 측정기(Surtronic Duo)를 이용하여, 시료의 중앙부 1개소와 가장자리 2개소에서 총 15회 10점 평균 거칠기(Rz)를 측정하여 평균값을 산출하였다.
대상 데이터
- 관절 회전 중심의 좌표 값을 얻기 위하여 Figure 3과 같이 동작 분석 시스템에 입력되는 기본 인체 계측자료를 측정하였다. 측정결과로부터 얻을 수 있는 수직 지면 반발력(Fz) 및 전후 전단력(Fy) 곡선의 예를 Figure 4에 나타낸다.
- 바닥재 시료는 주로 표면 거칠기와 마찰저항에 차이가 있다고 판단되는 6종류의 시트 형상의 재료를 선정하였다. 시료의 개요는 Table 2와 같다.
- 최근 1년간 하지에 상해를 입지 않고, 하지에 선천적인 기형, 정형 외과적 질환이나 변형이 없는 건강한 성인 남녀 각각 10명을 검사원으로 선정하였다. 검사원의 일반적 특징은 Table 1과 같다.
데이터처리
- 대상자의 통제된 보행 속도에 따른 각 시료의 지면 마찰력(RCOF; Required Coefficient of Friction)을 구하였다. 3가지 보행 속도에 따른 각 시료의 RCOF에 어떠한 차이가 있는지를 분석하기 위하여 반복 측정된 일요인 분산분석(one way repeated ANOVA)을 사용하였고, 조건 간의 차이를 알아보기 위하여 사후분석으로 본페로니(Bonferroni) 분석을 사용하였다. 통계학적 유의수준은 .
- 경사 인장식 미끄럼 시험장치(O-Y·PSM; O-Y Pull Slip Metr)를 이용하여, 측정개소가 겹치지 않는 위치에서 총 3회 미끄럼저항계수(C.S.R; Coefficient of Slip Resistance)를 측정하여 평균값을 산출하였다.
- 정적 마찰계수 시험장치(DPM; Dynamometer Pull Meter)를 이용하여, 3개의 시료에 대해 총 12회 정적 마찰계수(SCOF; Static Coefficient of Friction)를 측정하여 평균값을 산출하였다.
이론/모형
- KS M 3510:2010(고분자계 바닥재 시험방법)의 “경사 인장식 바닥 미끄럼 시험방법”에서는 “Shore A 75∼80, 두께 3∼6mm, 크기 70×80mm의 합성고무”를 사용한다.
- 각 시료의 미끄럼 저항 특성을 파악하기 위하여 한국산업표준(KS) 등에서 규정하고 있는 3가지 시험방법, 즉 경사 인장식 바닥 미끄럼 시험(KS M 3510:2010), 영국식 미끄럼 저항 시험(KS F 2375:2001), 정적 미끄럼 저항성 시험(KS L 1001:2010)을 적용하였다. 또한 이들 시험에 의한 측정값과의 비교를 위해 표면 거칠기를 함께 측정하였다.
- 보행 특성을 분석하기 위하여 3차원 동작 분석 시스템(3D motion analysis system)2)과 지면 반력기(force plate)3)를 이용하였다. 지면 반력기를 이용한 보행 하중 해석방법의 개요는 Figure 1과 같다.
성능/효과
- 1) 바닥의 미끄럼 정도에 관계없이 보행 속도가 증가할수록 보간 거리, 보폭, 분당 보행 수 모두 증가하였다.
- 2) 보행 속도가 정상보다 빨라질수록 RCOF 값이 유의하게 증가하였다.
- 3) RCOF와 미끄럼 시험장치에 의한 물리량 간에는 상관성이 거의 없으며, RCOF 값만으로는 바닥의 미끄럼 특성을 적확하게 평가하기 힘들다.
- 4) Rz는 바닥 표면의 미끄럼 저항이 작은 경우에 미끄럼 시험장치에 의한 물리량과 상관성이 높게 나타났다.
- 5) KS M 3510:2010의 경사 인장식 바닥 미끄럼 시험에 의해 산출되는 C.S.R은 표면상태(표면매개물)가 대단히 중요한 비중을 차지하였다.
- F 검정 결과 모든 시료의 경우에서 보행 속도별 RCOF는 유의하게 증가하였다 (p<.05).
- Rz의 경우는 특히 C.S.R (W), BPN (W), SCOF (D)와의 상관계수가 크고 유의하여, 상대적으로 바닥 표면의 미끄럼 저항이 작은 경우에 미끄럼 시험장치로 측정한 물리량과의 상관성이 큰 것으로 나타났다.
- 사후검정 결과는 느린 속도와 보통 속도 사이에는 유의한 차이가 없었고, 느린 속도와 빠른 속도 및 보통 속도와 빠른 속도 사이에서는 RCOF가 유의하게 증가하였다 (p<.05).
- 3가지 보행 속도에 따른 시·공간적 보행 변수를 Table 2에 나타낸다. 시료 종류에 관계없이 보행 속도가 증가함에 따라 보간 거리, 보폭, 분당 보행 수 모두 증가하였다.
- 05). 즉 보행 속도가 정상보다 빨라질수록 RCOF 값이 유의하게 증가하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 6) KS F 2375:2001의 영국식 미끄럼 저항 시험은 포장도로에서 타이어의 미끄럼 방지성(Anti-skid) 평가를 목적으로 하는 것이므로, 보행용 바닥의 미끄럼 저항성 평가에 BPN을 적용하기 위해서는 시험 조건을 보완할 필요가 있을 것으로 판단된다.
- ”라고만 규정되어 있다. 이는 이 시험장치의 원래 목적인 도로나 활주로 등의 미끄럼 방지성(Anti-skid) 시험을 위한 것으로, 향후 실제 보행 환경과 부합하는 시험조건으로의 개정이 필요할 것으로 판단된다. BPN (D)는 다른 시험장치에 의한 물리량과 연관성이 없지만, BPN (W)는 C.
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