비정형 콘크리트 패널 충격 시험법 제안 및 내충격성 분석 연구 = A Study on Proposing Impact Test Methods and Analyzing the Impact Resistance of Free-form Concrete Panels

국문 초록 (Abstract)

디지털 기술이 발전됨에 따라 복잡한 형상도 설계가 가능해지고, 그 설계를 실제로 구현할 수 있는 시공 기술 또한 발달되었다. 이에 따라 곡면 형상을 가진 비정형 건축물들의 수요가 증가하고 있다. 비정형 건축물은 규모가 크고 특색 있는 외형을 가지고 있어 사람들의 이목을 끌기 쉽다. 이로 인해 주변 상권을 활발하게 만들었으며 일자리를 창출하는 효과가 나타난다. 비정형 건축물을 시공할 시 곡면 형태를 제작하기 쉬운 형태로 분할하는 패널화 작업이 진행된다. 이 때 각 패널을 비정형 외장 패널이라고 부르며 콘크리트로 제작하는 것을 비정형 콘크리트 패널(Free-form Concrete Panel, FCP)이라고 한다.
비정형 콘크리트 패널은 자중, 휨하중, 풍하중, 충격하중 등의 외력을 받게 된다. 특히 콘크리트는 취성파괴되는 재료이므로 충격이 가해질 시 균열 발생이 우려된다. 비정형 콘크리트 패널은 외부에 노출되는 부재이므로 외부에 균열이 노출되는 것을 방지해야 한다. 따라서 비정형 콘크리트 패널은 내충격성이 요구되며 충격에 대한 저항성에 대해 평가가 필요하다. 특히 비정형 콘크리트 패널은 다양한 곡면 형상을 가지고 제작되며, 그 형상에 따라 강도가 다르게 측정된다. 따라서 각 형상에 대한 품질 시험이 요구되며 그 형상들을 모두 적용할 수 있는 시험법이 요구된다. 내충격성 평가를 위한 충격 시험법은 대다수 평판 부재를 대상으로 수행되며 콘크리트 부재보다 석고보드 경량벽체, 골판, 경량 보드 등을 대상으로 한다. 따라서 비정형 콘크리트 패널 내충격성 평가를 위한 새로운 시험법이 요구되며 본 연구에서는 시험법을 제안하고 그 시험법에 따라 다양한 곡면 형상의 내충격성을 분석하였다.
1. 충격 시험법 제안
본 연구에서는 기존 시험법과 선행 연구를 통해 지지방식, 타격방식, 타격장비에 대한 요구사항을 도출하였다. 지지방식은 양단 지지로 하며 지지대는 곡면으로 해야 한다. 그러나 지지대가 충격을 흡수하지 못해 오히려 패널의 파괴로 이어질 수 있다. 따라서 커튼월 설치 시 실리콘을 사용하는 것과 같이 충격을 흡수해줄 수 있는 패드 설치가 요구된다. 충격 흡수를 위한 패드는 실리콘으로 제작된 것을 사용하였으며 두께는 10mm, 5mm로 나누어 사용하고자 한다. 타격방식은 자유낙하 방식과 진자운동 방식으로 나뉘어 사용된다. 자유낙하 방식이 다양한 부재를 대상으로 사용되는 것에 반해, 진자운동 방식은 주로 수직부재를 대상으로 사용된다. 또한 진자운동 방식으로 타격을 가하면 곡면 형상은 정확한 위치에 타격을 가하지 못할 수 있다. 따라서 타격방식은 자유낙하 방식을 사용하는 것이 적절하다고 판단된다. 타격 장비는 강재 구형 추로 하였다.
2. 지지방식 선정을 위한 기초실험
선행연구를 통해 지지방식은 전면 지지, 양단 단순 지지, 충격 흡수 지지방식을 사용할 수 있다. 전면지지 방식은 곡면 형상 지지 시 하중이 양 단에 집중될 수 있다. 따라서 양단 단순 지지로 하되 충격 흡수 지지방식이 적절한지에 대한 선정이 필요하므로 이에 대한 기초 실험을 수행하였다. 실험을 위해 곡률이 없는 평판 부재를 사용하였다. 양단 단순 지지 방식의 경우 충격에 의해 패널이 모두 파괴가 되었다. 실리콘 패드를 사용한 충격 흡수 지지방식의 경우에도 마찬가지로 패널이 파괴되었다. 이는 콘크리트 자체가 충격에 대한 강도를 충족시키지 못했다고 판단하여 섬유를 보강하여 패널을 제작하여 동일한 조건 하에 실험을 수행하였다. 양단 단순 지지 방식의 경우 패널이 파손되었지만 실리콘을 사용한 경우 패널이 파손되지 않았다. 실리콘 두께 10mm의 경우 패널의 두께를 줄여도 파괴되지 않아 이는 실리콘이 충분히 충격을 흡수하여 내충격성 평가가 어렵다고 판단된다. 따라서 실리콘 패드 두께 5mm로 하며 섬유를 사용하고, 패널 두께 20mm로 하여 비정형 콘크리트 패널 내충격성 분석 연구를 수행하였다.
3. 다양한 곡면 형상 별 내충격성 평가
실험에는 아래로 오목한 형상, 위로 볼록한 형상, S자 형상의 패널을 제작하여 사용하였다. 내충격성을 평가하기 위해 1m, 1.25m, 1.5m 높이에서 타격하여 파괴 유무 또는 균열 형상을 기록하였다. 그리고 5cm높이부터 시작하여 높이를 높여가며 누적된 충격을 가하여 첫 균열이 발생하는 시점, 파괴되는 시점을 기록하며 이에 따른 균열 형상을 기록하였다. 또한 이 시점에 맞춰 타격속도와 충격에너지를 계산하여 충격에 가장 약한 형상, 강한 형상을 평가하였다.
높은 위치에서 강한 충격을 준 경우 각각 1.5m 높이에서도 완전히 파괴되지 않고 균열이 발생하였다. 아래로 오목한 형상은 선형의 균열이, 위로 볼록한 형상은 타격점을 중심으로 방사형으로, S형 곡면은 가운데를 중심으로 아래로 오목한 형상과 위로 볼록한 형상에 따라 균열이 다르게 나타났다. 누적된 충격을 가한 경우 아래로 오목한 형상이 가장 먼저 균열이 발생했고, 가장 먼저 파괴되었다. 위로 볼록한 형상이 가장 늦게 균열이 발생하고 가장 늦게 파괴되었다. S형의 경우 아래로 오목한 부분이 먼저 파단되고 그 다음 위로 볼록한 형상쪽으로 균열이 발생하였으며 두 번째로 충격을 견뎠다. 따라서 본 연구를 통해 아래로 오목한 형상이 가장 취약하며 위로 볼록한 형상이 충격에 가장 강하다는 것을 확인하였다.
본 연구를 통해 곡면 형상을 가진 패널의 내충격성을 평가하였으며 가장 취약한 형상, 가장 강한 형상을 확인하였다. 그러나 이는 일방향 곡면을 대상으로 한 것으로 이방향 곡면을 대상으로 하는 지지 장비 개발이 필요하다. 본 연구는 추후 비정형 외장 패널의 내충격성을 평가하기 위한 기초 자료로 활용될 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• 1.1 연구의 배경 및 목적 1
• 1.2 연구의 범위 및 방법 4
• Ⅱ. 이론적 고찰 6
• 2.1 비정형 콘크리트 패널 외부에 가해지는 충격에 관한 정의 6
• 2.2 내충격성 평가를 위한 시험 방법 기준 7
• 2.3 콘크리트 부재 충격 시험 연구 동향 19
• 2.4 외장 부재 내충격성 평가의 필요성 32
• Ⅲ. 비정형 콘크리트 패널 내충격성 평가를 위한 충격 시험 방법 제안 33
• 3.1 비정형 콘크리트 패널 충격 시험 환경 조성을 위한 요구사항 도출 33
• 3.2 비정형 콘크리트 패널 품질 시험용 시편 선정 38
• 3.2.1 비정형 콘크리트 패널 품질 시험 방법 설계 38
• 3.2.2 비정형 콘크리트 패널 곡면 형태 분류 39
• 3.3 비정형 콘크리트 패널 충격 시험법 제안 41
• 3.3.1 충격 시험 시편 지지 방법 51
• 3.3.2 타격 방법 및 타격 시험체 선정 46
• 3.4 충격 시험 절차 수립을 위한 기초실험 48
• 3.4.1 지지방식 선정을 위한 기초실험 수행 51
• 3.4.2 누적된 충격에 따른 균열 형상 분석 62
• 3.5 다양한 곡면 형상에 대한 내충격성 분석 65
• 3.5.1 낙하 높이에 따른 균열 형상 분석 67
• 3.5.2 누적된 충격에 따른 균열 형상 분석 70
• 3.5.3 곡면 형상 별 충격 저항성 분석 82
• Ⅳ. 결론 87
• 부 록 91
• 참 고 문 헌 97
• ABSTRACT 102