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태영 증
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1 Journal of the Korean Association for Spatial Structures Vol. 14, No. 3 ( 통권 57 호 ), pp.85~92, September, 2014 ISSN (Print) ISSN (Online) ETFE 필름의연신성형에의한장력막구조의고내력화실험및해석적연구 Experimental and Analytical Study on High Stress of Tensile Membrane Structures by Stretch Fabrication Using ETFE Film 정을석 * Jeong, Eul-Seok 河端昌也 ** Kawabata, Masaya 김승덕 *** Kim, Seung-Deog Abstract Most of the structural forms in which ETFE film is used are the cushion(pneumatic membrane structures) and tension type(tensile membrane structures), which have been generally accepted to be the most efficient forms. Tensile membrane structures are pulled outward from the exterior to introduce initial stress. And such structures offer the advantage of a natural shape formed by tensile stress and eliminate the need for blast air. Recently, the number of tension type structures is increasing. However, there are problems of creep and relaxation of ETFE films under long-term stresses. In this paper, the stretch fabrication method is proposed for stretching the film into the plastic region during initial tensioning as a way to increase its strength. And its effectiveness is confirmed by investigating experimental and analytical test using ETFE films. Keywords : ETFE Film, Stretch Fabrication, Membrane Structures, Cushion type, Tension type, Elasto-Plastic Analysis 1. 서론 1) 최근, 대공간구조물의지붕및외벽에 ETFE(Ethylene/TetraFluoroEthylene copolymer, 이하 ETFE) 필름을이용한사례가증가하고있다. ETFE필름은투명성, 내후성그리고리사이클성등이우수한재료로써투명에서차광까지의광선투과율에대한폭넓은컨트롤, 자외선및열선의선택적차단그리고복층화에의한단열등과같은기능성및디자인의가능성으로부터앞으로다양한건축물에의적용이기대되는재료이다 1),2). ETFE필름을이용한막구조의설계법에는, 허용응력을제1항복점까지로하는탄성설계와허용응력 을제2항복점까지로하는소성설계의 2가지방법을생각할수있다 <Fig. 1>. 소규모의패널을상정한 ETFE필름패널설계 시공지침안 3) 은전자의경우를, 스타디움과같은대공간구조물에사용되는대형패널은실질적으로후자의경우를따른시공사례가보고되고는있으나, 선행사례가많은해외에서도이에대한명확한설계기법은보고되고있지않은실정이다. * 정회원, 세명대학교건축공학과박사후연구원, 공학박사 Architectural Engineering, Semyung University Tel: Fax: Jeong.eulseok.wx@gmail.com ** 요코하마국립대학건축도시문화전공, 준교수, 공학박사 Faculty of Engineering, Yokohama National University *** 종신회원, 세명대학교건축공학과교수, 공학박사 Architectural Engineering, Semyung University <Fig. 1> Stress-strain curve of ETFE film 4) 한국공간구조학회지 _ 85

정을석 河端昌也 김승덕 ETFE필름을이용한구조형식에는쿠션방식 ( 공기막방식 )<Fig. 2> 과텐션방식 ( 장력막방식 )<Fig. 3> 의 2종류가가장효율적인방법으로서알려져있으나, 현재까지의시공사례를보면, 텐션방식보다는쿠션방식의사례가대부분이다.

성형에관한연구로서, Kawabata & Jeong 4) 은쿠션방식필름막구조를대상으로하여가열가압연신에의한입체성형실험을수행하였으며, 그유효성에대해서검토하였다. 그리고, 가압을통해쿠션방식에서의 2축연신에대한가능성을확인하였으나, 텐션방식에대한연신성형의유효성검토에대해서는아직보고되어지고있지않다.

ETFE 필름의연신성형 (a) Structural system (b) The ARC(2012) <Fig. 2> Applied case of cushion type (a) Structural system (b) Queens Cloud(2011) <Fig.

2 정을석 河端昌也 김승덕 ETFE필름을이용한구조형식에는쿠션방식 ( 공기막방식 )<Fig. 2> 과텐션방식 ( 장력막방식 )<Fig. 3> 의 2종류가가장효율적인방법으로서알려져있으나, 현재까지의시공사례를보면, 텐션방식보다는쿠션방식의사례가대부분이다. 그이유로서는, ETFE필름을텐션방식에적용하기위해서는필름의크리프, 응력완화등과같은재료의점성거동을해결해야하는문제점을들수있다. 한편, ETFE필름은탄성범위에서의허용응력이낮은단점을가지고있으나, 기존의막재료에비해높은연신능력을가지고있기때문에, 이러한장점을살려시공시소성범위까지연신시키는방법을생각할수있으며, ETFE필름을이용한텐션방식에의적용가능성을높일수있을것이라생각된다. 성형에관한연구로서, Kawabata & Jeong 4) 은쿠션방식필름막구조를대상으로하여가열가압연신에의한입체성형실험을수행하였으며, 그유효성에대해서검토하였다. 그리고, 가압을통해쿠션방식에서의 2축연신에대한가능성을확인하였으나, 텐션방식에대한연신성형의유효성검토에대해서는아직보고되어지고있지않다. 따라서, 본연구에서는 ETFE필름의장력막구조에의적용가능성을확인하기위하여연신성형에대한기초적연구를수행한다. 먼저, ETFE필름의허용내력을높이는방법으로써시공시에필름을소성범위까지연신시키는방법 ( 이하연신성형 ) 을제안하고, 외부하중을고려한가압실험을통해그유효성을확인한다. 그리고연신성형실험을모의한해석적검토를수행하여 ETFE필름의소성설계기법에대한타당성을확인한다. 2. ETFE 필름의연신성형 (a) Structural system (b) The ARC(2012) <Fig. 2> Applied case of cushion type (a) Structural system (b) Queens Cloud(2011) <Fig. 3> Applied case of tension type ETFE필름을이용한막구조는 1980년대부터연구가시작되었으며, 현재실험및해석적검토를통한다양한연구가진행되고있는상황이다. 먼저, 필름의텐션방식으로의적용에관한연구로서, Nakajima et al. 5) 은 ETFE필름의크리프, 릴렉세이션과같은점성거동을고려한응력이완에관한실험을수행한후, 실험결과로부터안정변형률을평가하였으며, Spring-Strut System에대해안정변형률을고려한해석적검토를수행하였다. 그러나, 실험및해석에대한검토범위는허용응력이제1항복점을초과하지않는탄성범위로하였다. 한편, 필름의연신 2.1 연신성형의개요필름의연신에의한고내력화 ( 가공경화 ) 는다른제조분야에서일반적으로이루어지고있으며, 포장용랩과 PET필름이그대표적인예라고볼수있다. ETFE필름의연신에따라 2가지효과를생각할수있다. 첫째, 연신에의해탄성거동과같은안정된응력-변형률관계의범위를확장시킬수있다. 즉, 소성범위에서의변형률경화현상에의해재료의항복점이높아지고, 그에따라필름의내력을높일수있게된다. 둘째, 연신에의해필름의결정화가진행되고, 재료성질이변화하게된다. 이런결정화는크리프컴플라이언스, 크리프속도및응력완화속도를저하시켜응력완화탄성율을높이는효과가있기때문에, 필름의크리프또는응력완화를제어할수있다 6). ETFE필름의연신방법에관한기존의연구사례로가열가압에의한 2축연신의가능성을확인하였으나, 적용대상은쿠션방식에유효한방법임을알수있었다 2). 그러나, 필름의연신은패널부착시에직접시공하는방법도생각할수있다. 특히, 단순형상 86 _ 제 14 권제 3 호통권 57 호,

ETFE 필름의연신성형에의한장력막구조의고내력화실험및해석적연구 패널의경우, 평면재단으로도패널부착시에연신이가능하고, 라이즈-스팬비가작은고내력패널또는라이즈-스팬비가크면서도용착선이적고부드러운곡면을제작하는것도가능하게된다. 그러나, 이와같이패널부착시에연신성형에대한사례는아직보고되고있지않다.

3 ETFE 필름의연신성형에의한장력막구조의고내력화실험및해석적연구 패널의경우, 평면재단으로도패널부착시에연신이가능하고, 라이즈-스팬비가작은고내력패널또는라이즈-스팬비가크면서도용착선이적고부드러운곡면을제작하는것도가능하게된다. 그러나, 이와같이패널부착시에연신성형에대한사례는아직보고되고있지않다. 그이유로서는, 쿠션방식은부착시에초기장력을필요로하지않는점, 연신에의한국부적변형과잔류변형에대하여고려해야만하는점, 변형률 2% 이상영역에서의복잡한점소성거동에대하여평가할해석기법의미확립등을들수있다. Double layer 로평면재단하여설치하고, 축소율, Edge 케이블의유 무, 하중의재하패턴을고려하여 <Table 1> 과같이 8종류로설정하였으며, 시험체수는 T-type의경우각각 1편, TE-type의경우각각 2 편의시험체를사용하였다. 이때, 시험체의분류는 <Fig. 6> 과같은방식으로분류하였다. 2.2 ETFE 필름의연신범위 ETFE필름의연신범위를알아보기위하여 1축인장실험을수행한후, 실험결과로부터필름의공학변형율과내력비및두께비의관계를 <Fig. 4> 에나타낸다 4). 비교결과, 변형율 % 의범위는내력이크게상승하므로 ETFE필름의연신효과는높으나, 필름의두께감소로인한인열강도및내충격성저하문제가발생하기때문에건축용도에적용하기에는부적합하며, 1축연신의경우, 단위폭당의내력 (C) 이극치가되는 10 20% 가효율적이라할수있다. (a) ETFE Panel(T-type) (A)Strength Ratio (B)Thickness Ratio (C)=(A) (B) (b) ETFE Panel(TE-type) Ratio Nominal Strain [% ] <Fig. 4> Stretching range on uniaxial test 3. ETFE 필름의연신성형실험 3.1 실험개요 ETFE필름의연신효과에대한유효성을검토하기위하여연신성형실험을수행하였다. 시험체의개요를 <Fig. 5> 에나타낸다. 시험체는 2m 2m의정방형프레임에두께 200μm의필름을 (c) Installation of ETFE Panel <Fig. 5> Outline of specimen <Fig. 6> Classification of specimen 한국공간구조학회지 _ 87

정을석 河端昌也 김승덕 <Table 1> Type of specimens Specimen Edge Cable Reduction Loading pattern T-00S 0% Single loading T-00C 0% Cyclic loading T-05S 5% Single loading T-05C 5% Cyclic loading T-10S 10% Single

그리고, 가압시의변형형상은시험체의필름면하부에무게추를붙여재하도중의변형형상을기록하였다. 또한, 시험체에는미리격자선을그려넣어, 필름의연신성형전 후, 그리고프레임으로부터제거한후의변형및잔류변형률을계측하였다. 실험의진행은 ETFE필름을연신성형에의하여프레임에설치한후, 풍하중을가정하여 <Fig. 7> 과같이내압을이용한재하실험을수행하였다.

4 정을석 河端昌也 김승덕 <Table 1> Type of specimens Specimen Edge Cable Reduction Loading pattern T-00S 0% Single loading T-00C 0% Cyclic loading T-05S 5% Single loading T-05C 5% Cyclic loading T-10S 10% Single loading T-10C 10% Cyclic loading TE-05C 5% Cyclic loading TE-10C 10% Cyclic loading ETFE필름에대한연신효과를확인하기위하여, 연신성형후의필름에컴프레셔를이용하여공기를송풍한후, 압력과변형을계측하였다. 이때, 중앙부의수직변위는레이저변위계를설치하여가압에의한라이즈변화를측정하였다. 그리고, 가압시의변형형상은시험체의필름면하부에무게추를붙여재하도중의변형형상을기록하였다. 또한, 시험체에는미리격자선을그려넣어, 필름의연신성형전 후, 그리고프레임으로부터제거한후의변형및잔류변형률을계측하였다. 실험의진행은 ETFE필름을연신성형에의하여프레임에설치한후, 풍하중을가정하여 <Fig. 7> 과같이내압을이용한재하실험을수행하였다. 이때, 실험실의분위기온도는 25± 2 를유지하였다. 시험체 T-00C( 연신율 0%) 와 TE-05C( 연신율 5%) 의실험전경을 <Fig. 8> 에나타낸다. ➀ Stretch fabrication ➁ Loading(V. Displ.:100mm) ➂ Loading(V. Displ.:200mm) ➃ Loading(V. Displ.:300mm) ➀ Stretch fabrication ➁ Loading(V. Displ.:100mm) ➂ Unloading(10Pa 까지 ) ➃ Loading(V. Displ.:200mm) ➄ Unloading(10Pa 까지 ) ➅ Loading(V. Displ.:300mm) (a) T-00C(Reduction:0%, V. Displ.:287mm) (b) TE-05C(Reduction:5%, V. Displ.:200mm) <Fig. 8> Loading test 3.2 실험결과 실험결과로부터, 가압방법과케이블유 무에대한내압과라이즈-스팬비의결과를 <Fig. 9> 에나타낸다. 비교결과, 가압방법에대한실험결과는 <Fig. 9(a)> 와같이거의동일한결과가나타남을확인할수있었으며, <Fig. 9(b)> 의케이블유 무에대한결과는압력레벨에서차이를보였으나, 이는재료거동의차이보다케이블의이동에따른결과로생각할수있다. <Table 1> 의 8개의시험체중, 가압방법과케이블유 무에대해동일한결과를보이는시험체를제외하고, 시험체 T-00C( 연신율 0%) 와 T-05C ( 연신율 5%) 의실험결과에대하여검토하였다. 필름의응력은실험시직접측정할수없었기때문에필름의응력은 <Fig. 10> 과같이변형형상이원호가됨을가정하고, 시험체의중앙부수직변위로부터식 (2) 를이용하여평균응력을계산하여검토하였다. 또한, 필름의평균변형률은식 (3) 을이용하여평균응력계산시와동일한관계로부터구하였다. ➄ Unloading(10Pa 까지 ) ➆ Unloading(10Pa 까지 ) (a) Single loading (b) Cyclic loading <Fig. 7> Condition of loading pattern (1) (2) 88 _ 제 14 권제 3 호통권 57 호,

5 ETFE 필름의연신성형에의한장력막구조의고내력화실험및해석적연구 (3) (a) Comparison of loading pattern(reduction 0%) 대상시험체중 T-00C와 T-05C에대한압력과라이즈비의관계를 <Fig. 11(a)> 에나타낸다. T-00C 의경우, 초기강성이매우작기때문에가압에따른변형이크게나타났으며, 라이즈비 7.5%, 압력 1.2kPa 부근에서필름이항복함을알수있었다. 이후소성역까지가압후하중을제거한결과, 잔류변형이크게일어남을확인할수있었다. 반면, T-05C의경우, 압력 3kPa까지가압후, 하중을제거해도잔류변형이생기지않고, 초기상태로돌아오는결과를보였다. 다음으로필름의응력-변형률관계를 <Fig. 11(b)> 에나타낸다. 비교결과, 필름은가공경화와동일한현상이일어남을알수있었으며, 재하 제하시의인장탄성율은탄성시와거의같고, 필름의면외변형에대한재료강성의상승을확인할수있었다. (b) Comparison of edge cable(reduction 5%) <Fig. 9> Comparison on loading pattern & edge cable (a) Internal pressure-rise span ratio curve (a) Assumption of deformed shape (b) Stress-strain curve <Fig. 11> Experimental results of cyclic loading (b) Relation of stress and internal pressure <Fig. 10> Calculation of ave. stress & strain 한편, 연신성형실험의진행시, 시험체중, T-05S( 연신율 5%) 와 TE-10C( 연신율 10%) 는시험체의코너부분에서필름의찢어짐이발생하였으며, 5% 이상의연신율을적용하는것은바람직하지않다고사료된다. 한국공간구조학회지 _ 89

정을석 河端昌也 김승덕 <Fig. 12> Fracture shape of ETFE Film 4. 연신성형실험의해석적검토 <Fig. 14> Material property of ETFE Film 4.

해석모델은실험시결과를얻을수없었던 TE-10C( 연신율 10%) 와가압방법및케이블유 무에대한결과로부터, T-00C와 T-05C 두가지경우로설정하였으며, 해석모델을 <Fig. 13> 에나타낸다.

해석조건은연신성형을가정하여외주경계부에강제변위를부여한후, 실험시의가압조건에맞추어내압조건을설정하였다.

6 정을석 河端昌也 김승덕 <Fig. 12> Fracture shape of ETFE Film 4. 연신성형실험의해석적검토 <Fig. 14> Material property of ETFE Film 4.1 해석개요 연신에의한필름의응력분포와내압에의한구조거동을검토하기위하여, 실험을모의한해석을수행하였다. 필름의응력해석에는범용유한요소프로그램인 ANSYS 를이용하였다. 해석모델은실험시결과를얻을수없었던 TE-10C( 연신율 10%) 와가압방법및케이블유 무에대한결과로부터, T-00C와 T-05C 두가지경우로설정하였으며, 해석모델을 <Fig. 13> 에나타낸다. 재료모델은필름의탄소성거동을표현하기위하여 Von-Mises 항복조건을고려한 Multi-linear 탄소성모델을채택하였으며, 필름의재료정수를 <Fig. 14> 에나타낸다. 해석조건은연신성형을가정하여외주경계부에강제변위를부여한후, 실험시의가압조건에맞추어내압조건을설정하였다. 단, 실험시는부하와제하의시작점을라이즈비를기준으로하고있는것에대해, 해석시는내압 (1kPa 10Pa 2kPa 10Pa 3kPa 10Pa) 을기준으로하였다. (a) Internal pressure(1kpa) (b) Internal pressure(2kpa) (c) Internal pressure(3kpa) <Fig. 15> Stress distribution(t-00c) 4.2 해석결과 <Fig. 13> Analysis model 연신성형및내압조건에대한 T-00C( 연신율 0%) 의상당응력분포를 <Fig. 15> 에, T-05C( 연신율 5%) 90 _ 제 14 권제 3 호통권 57 호,

ETFE 필름의연신성형에의한장력막구조의고내력화실험및해석적연구 의상당응력분포를 <Fig. 16> 에나타낸다. T-00C의경우, 가압시의상당응력분포는정방형시험체의중앙부에서원호방향을따라최대응력이분포하고, 내압 1kPa의가압시에는제1항복점 (13MPa) 을초과하지않고탄성범위내에서의응력분포를나타내고있다.

7 ETFE 필름의연신성형에의한장력막구조의고내력화실험및해석적연구 의상당응력분포를 <Fig. 16> 에나타낸다. T-00C의경우, 가압시의상당응력분포는정방형시험체의중앙부에서원호방향을따라최대응력이분포하고, 내압 1kPa의가압시에는제1항복점 (13MPa) 을초과하지않고탄성범위내에서의응력분포를나타내고있다. 내압 2kPa과 3kPa의가압시에는제1항복점을초과해소성범위에들어가있으나, 제2항복점 (23M Pa) 에는도달하지않는결과를보였다. 한편, T-05C 의경우, 필름의응력분포는 T-00C에비해소성범위가넓게분포하였으며, 내압 1kPa 가압시에필름의최대응력은제1항복점을초과하는결과를보였다. 또한, 내압 2kPa과 3kPa 가압시의최대응력은제2항복점에도달하는결과를나타내었다. 다음으로, 반복점증가압시의실험및해석결과를비교한다. T-00C에대한압력과라이즈비의관계를 <Fig. 17(a)> 에, 응력과변형률관계를 <Fig. 17(b)> 에나타낸다. 또한, T-05C에대한압력과라이즈비의관계를 <Fig. 18(a)> 에, 응력과변형률관계를 <Fig. 18(b)> 에나타낸다. 해석결과에대해서는 <Fig. 15> 와 <Fig. 16> 에나타내고있는상당응력값과원호의가정으로부터구한실험값은서로다르기때문에, 해석결과도같은방법으로중앙부수직변위의관계로부터구한평균응력과평균변형률로하였다. 비교결과, 압력과라이즈비의관계, 응력과변형률의관계에대한해석결과는실험결과와거의일치하였으며, 가압에의한필름의거동을탄소성해석을통해재현할수있었다. 또한, 재하및제하시의곡선팽창은 ETFE필름특유의점성에의한영향으로사료된다. (a) Internal pressure(1kpa) (a) Internal pressure-rise span ratio curve (b) Internal pressure(2kpa) (b) Stress-strain curve (c) Internal pressure(3kpa) <Fig. 16> Stress distribution(t-05c) <Fig. 17> Comparison between experimental & analysis result(t-00c) 한국공간구조학회지 _ 91

8 정을석 河端昌也 김승덕 압에의한필름의거동을탄소성해석을통해재현할수있음을알수있었다. 감사의글 (a) Internal pressure-rise span ratio curve 본연구는국토교통과학기술진흥원건설교통기술촉진사업 (11첨단도시C14) 과한국연구재단 2014년도이공분야학문후속세대양성사업 (NRF-2014R1A6A3 A ) 의지원에의해수행되었습니다. References (b) Stress-strain curve <Fig. 18> Comparison between experimental & analysis result(t-05c) 5. 결론 본연구에서는 ETFE필름의장력막구조에의적용가능성을확인하기위하여, ETFE 필름에대한연신성형방법을제안하였으며, 실험및해석적검토를수행한결과, 다음과같은결과를얻을수있었다. 1) 필름의연신성형에의해, 재료의항복응력이높아지고, 내력의상승효과를확인할수있었으며, 외력에의한변형후에도처짐발생이저하됨을알수있었다. 2) 필름의연신범위에대해서는, 1축연신의경우, 10 20% 의연신이효율적임을알수있었으나, 연신성형실험결과, T-05S( 연신율 5%) 와 TE-10C( 연신율 10%) 시험체의코너부분에서필름이찢어지는현상을확인하였으며, 시공시연신성형을적용할경우, 5% 이상의연신율을적용하는것은어려울것으로사료된다. 3) ETFE 필름의탄소성모델을적용하여해석한결과, 실험결과와거의일치함을확인하였으며, 가 1. S. J. Lee, S. R. Lee, "Tensile Strength Characteristics fo ETFE Roof Material in Large Membrane Structures", Journal of KASS, Vol. 10, No. 1, 2010, pp J. Y. Kim, J. W. Kang, "Tensile Test and Creep Tests of ETFE Membrane", Journal of KASS, Vol. 10, No. 3, 2010, pp Film and Membrane Panel Committee, Guideline for Design and Construction of ETFE Film Panel, Membrane Structures Association of Japan, 2006(in Japanese) 4. M. Kawabata, E. S. Jeong, Study on Three Dimensional Fabrication of ETFE Film Panel by Stretching - Part 1:Outline of Fabrication by Stretching, Summaries of Technical Papers of Annual Meeting Architectural Institute of Japan, 2008, pp (in Japanese) 5. H. Nakajima et al., Study on Stress Relaxation of Tensile Membrane Structures with Spring - Strut System Using ETFE Film, Research Report on Membrane Structures, No.23, 2009, pp. 1-7(in Japanese) 6. The Japan Society of Material Science, Elements of Solid Mechanics, Nikkan Kogyo Shimbun Ltd., Japan, 1981(in Japanese) ( 접수일자 : 2014년 08월 08일 ) ( 심사완료일자 : 2014년 08월 29일 ) ( 게재확정일자 : 2014년 09월 04일 ) 92 _ 제 14 권제 3 호통권 57 호,

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exp exp exp exp exp exp exp exp exp exp exp exp log 第卷第號 39 4 2011 4 투영법을 이용한 터빈 블레이드의 크리프 특성 분석 329 성을 평가하였다 이를 위해 결정계수값인 값 을 비교하였으며 크리프 시험 결과를 곡선 접합 한 결과와 비선형 최소자승법으로 예측한 결과 사 이 결정계수간 정도의 오차가 발생하였고