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ISSN : 1598-4095(Print)
ISSN : 2287-7401(Online)
Journal of The korean Association For Spatial Structures Vol.16 No.1 pp.35-42
DOI : https://doi.org/10.9712/KASS.2016.16.1.035

An Experimental Study on Biaxial Tensile Characteristics of ETFE Film and Stress Relaxation of Tension Typed Membrane Structures

Seung-Deog Kim*, Eul-Seok Jeong** , Masaya Kawabata***
*Architectural Engineering, Semyung University
**Architectural Engineering, Semyung University
***Faculty of Engineering, Yokohama National University
Corresponding author : Architectural Engineering, Semyung University 043-649-7082043-649-7082Jeong.eulseok.wx@gmail.com
February 12, 2016 March 4, 2016 March 4, 2016

Abstract

Until recently, almost all ETFE film structures that have been erected is the cushion type because there are problems at lower allowable strength under elastic range and viscosity behaviour such as creep and relaxation of ETFE films under long-term stresses. But the number of tension type structures is currently increasing.

This paper proposes the stretch fabrication of ETFE film to verify the applicability of ETFE films to tensile membrane structures. First of all, to investigate the possibility of application on tensile membrane structures, the stretch fabrication test is carried out, and it is verified that it is possible to increase the yield strength of the film membrane structures. After simulating the experiment also carries out an analytical investigation, and the effectiveness of the elasto-plastic analysis considering the viscous behavior of the film is investigated. Finally, post-aging tension measurement is conducted at the experimental facilities, and the viscosity behavior resulting from relaxation is investigated with respect to tensile membrane structures.


ETFE 필름의 2축 인장특성 및 텐션방식 막구조물의 응력완화 거동에 관한 실험적 연구

김 승 덕* , 정 을 석** , 河端昌也***
*종신회원, 세명대학교 건축공학과 교수, 공학박사
**교신저자, 세명대학교 건축공학과 선임연구원, 공학박사
***요코하마국립대학 건축도시문화전공, 준교수, 공학박사

초록


    Ministry of Land, Infrastructure and Transport
    15AUDP-B100343-01

    1.서론

    ETFE(Ethylene/TetraFluoroEthylene copolymer, 이하 ETFE) 필름을 이용한 막구조는 1980년대부터 유럽을 중심으로 연구가 시작되어, Eden Project, Allianz Arena 등과 같은 다양한 건축물에 적용된 사례가 보고되고 있다<Fig. 1>.

    ETFE 필름은 내구성이 우수한 불소수지 중에서 도 인장, 인열 및 충격 등과 같은 외력에 대해 강도 및 재료 성능의 밸런스를 가지는 새로운 막재료로 소개되고 있다1).

    ETFE 필름은 기존 막재료인 PTFE 막재에 비해 인장강도는 1/5 ~ 1/7 정도로 낮으나, 공기압을 이 용함으로써 필름면에 발생하는 응력을 낮게 제어할 수 있다. 또한, 기존 막재료에 비해 높은 연신능력 을 가지고 있어 소성범위의 연성도 활용할 수 있기 때문에 Eden Project, Beijing 수영경기장과 같은 대 형 패널화가 가능하다. 그리고 필름의 표면처리를 통해 투명에서 차광까지 광선투과율을 폭넓게 조절 가능하고, 자외선 및 열선 등 특정 파장역의 광선을 선택적으로 차단 가능하다. 이 외에 복층화에 의한 단열성 확보가 용이하고 필름 표면의 인쇄를 통해 디자인성 및 기능성을 부여할 수 있어, 이후 다양한 건축물에의 적용이 기대되는 재료이다2,3).

    ETFE 필름을 이용한 구조형식에는 쿠션방식 (공기막방식)과 텐션방식(장력막방식)의 2종류가 가장 효율적인 방법으로서 알려져 있으나, 현재 까지의 시공사례를 보면, 텐션방식보다는 쿠션방 식의 사례가 대부분이다. 그 이유로서는 ETFE 필 름을 텐션방식에 적용하기 위해서는 필름의 크리 프, 응력완화 등과 같은 재료의 점성거동을 해결 해야만 하는 문제점을 들 수 있다.

    ETFE 필름 막구조물의 점성거동에 관한 연구 로서, Kawabata & Moriyama4)는 필름의 점성이 재료의 신장특성에 미치는 영향에 관한 실험을 통해 항복응력 및 항복 후 거동에 변형률 속도의 존성이 있음을 보였으며, 크리프 실험을 통해 필 름의 점성거동에 응력의존성이 있음을 확인하여 일반화 Maxwell 모델을 이용한 비선형 점탄성해 석법을 제안하였다. 또한, Wu5)와 김재열6)은 장·단기 크리프 실험을 통해 일반화 Kelvin모델의 수정된 점탄소성 모델을 제안하였으며, 해석적 검토를 통해 ETFE 필름의 장기 크리프거동 예측 의 유효함을 보였다. 이와 같이 ETFE 필름의 점 성거동을 예측하기 위한 재료모델에 관한 연구사 례는 다수 보고되고 있으나, 아직까지 실제 ETFE 필름 막구조물을 대상으로 점성거동을 검토한 연 구사례는 미흡한 실정이다.

    따라서, 본 연구에서는 이전 연구7)에 이어서, 실제 텐션방식 ETFE 필름 막구조물을 대상으로 연신성형 기법을 적용한 후, 그 유효성을 확인하 고자 한다. 먼저, ETFE 필름의 1축 및 2축인장 실 험결과를 비교·검토하여 최적의 연신범위를 제안 하고, 실증 실험을 통해 텐션방식에의 연신성형 기법의 적용가능성을 확인한다. 나아가, 실증 모 델을 대상으로 시간 경과에 따른 필름의 장력변 화를 계측하여 ETFE 필름을 이용한 텐션방식 막 구조물의 적용가능성을 파악한다.

    2.연신성형 실험결과 및 문제점

    2.1.실험 개요 및 결과7)

    이전 연구에서는, ETFE 필름의 연신효과에 대한 유효성을 검토하기 위하여, <Fig. 2>와 같이 Double layer 200μm 필름을 2m×2m 사이즈의 정방 형으로 평면 재단하여 설치한 후, 필름의 축소율, Edge 케이블의 유·무, 하중의 재하패턴을 고려한 연신성형 실험을 수행하였다. <Fig. 3>

    대상 시험체 중, T-00C(연신율 0%, 반복하중)와 T-05C(연신율 5%, 반복하중)에 대한 압력과 라이즈 비의 관계를 <Fig. 4 (a)>에 나타낸다. T-00C의 경 우, 초기강성이 매우 작기 때문에 가압에 따른 변 형이 크게 나타났으며, 라이즈비 7.5%, 압력 1.2kPa 부근에서 필름이 항복함을 알 수 있었다. 이후 소 성역까지 가압 후 하중을 제거한 결과, 잔류변형이 크게 일어남을 확인할 수 있었다. 반면, T-05C의 경우, 압력 3kPa까지 가압 후, 하중을 제거해도 잔 류변형이 생기지 않고, 초기 상태로 돌아오는 결과 를 보였다. 또한, 필름의 응력-변형률 관계를 <Fig. 4 (b)>에 나타낸다. 비교 결과, 필름은 가공경화 현 상에 의해 재료항복 이후에 응력 레벨이 높아짐을 알 수 있었으며, 하중의 재하·제하시의 인장탄성율 은 탄성시와 거의 같고, 필름의 면외변형에 대한 재료강성의 상승을 확인할 수 있었다.

    2.2.연신범위 설정의 문제점

    실험 결과로부터, 필름의 연신성형 기법은 재료의 항복강도를 증가시켜 텐션방식 필름 막구조에의 적 용가능성을 보여주었다. 그러나 연신성형 실험 시, 시험체 T-05S(연신율 5%)와 TE-10C(연신율 10%)에서 는 과도한 초기장력 도입에 의해 <Fig. 5>와 같이 시 험체의 코너부분에서 필름의 찢어짐 현상을 확인하였 으며, 이는 재료의 항복강도를 올리기 위하여 과도한 연신율을 설정하는 것은 바람직하지 않음을 알 수 있 었다. 또한, 초기 장력을 필요로 하는 필름 막구조물 의 경우, 필름면은 2축 평면응력 상태가 되므로, 필름 의 연신범위를 정확히 설정하기 위해서는 재료의 1축 및 2축 인장특성을 고려하여 검토할 필요가 있다.

    3.필름의 인장특성에 의한 연신범위

    3.1.1축인장 실험을 통한 연신범위

    1축인장 상태에 대한 ETFE 필름의 연신범위를 알 아보기 위하여 길이 100mm, 폭 15mm의 단편형 시 험펀을 대상으로 1축 인장실험을 수행하였으며, 실험 결과로 부터 필름의 공학변형율과 내력비 및 두께비 의 관계를 구하여 <Fig. 7>에 나타내었다8). 비교 결 과, 변형율 300~400%의 범위는 내력이 크게 상승하 므로 ETFE 필름의 연신효과는 높으나, 필름의 두께 감소로 인한 인열강도 및 내충격성 저하 문제가 발생 하기 때문에 건축물에 적용하기에는 부적합하다 사 료된다. 따라서, 1축 연신만을 고려할 경우, 단위 폭 당의 내력(C)이 극치가 되는 10~20% 정도의 연신범 위가 효율적이라 할 수 있다. <Fig. 6>

    3.2.2축인장 실험을 통한 연신범위

    다음으로, 등장력의 평면응력 상태에 대한 ETFE 필름의 연신범위를 알아보기 위하여 2축인장 실험을 수행하였다.

    2축인장용 시험체는 ⌈막재료의 탄성정수 시험방 법⌋9)을 기준으로 제작하였으며, <Fig. 8>과 같이 폭 320mm, 그립간 거리 600mm, 두께 200μm의 필름 시 험체를 총 5편 사용하였다.

    시험조건은, 실험 분위기 온도는 23 ± 1°C 범위, 인 장속도는 변형률속도 0.67%/min, 하중은 초기 Clamp 간 거리에 대해 변형률 20%까지 재하 되도록 변위제어로 설정하였다. 실험 시에는 필름 시험체의 중앙부 변형율을 계측하기 위하여 변위계(Potentionmeter) 를 설치하여 기록하였으며, 인장실험시의 전 경을 <Fig. 9>에 나타낸다.

    2축인장 시의 ETFE 필름의 응력-변형율 관계를 <Fig. 10>에 나타낸다. 이때, 각 시험체의 응력-변형 율 관계는 단부의 하중을 단위면적으로 환산한 응 력과 중앙부의 변위계로부터 구한 변형율을 사용하 였다.

    실험결과, 필름 중앙부의 응력-변형율 관계는 제2 항복응력점을 기준으로 응력값은 더 이상 증가하지 않는 결과를 보였으나, 시험체 팔 부분에서는 필름 의 파단현상을 볼 수 있었다. 이는 시험체 Slit 부분 에 응력집중 현상이 발생하여 필름의 인장강도(약 65MPa)를 초과한 결과로 볼 수 있다. 또한, 각 시험 체의 MD방향과 TD방향의 응력-변형율 관계는 서 로 차이를 보이지 않고 거의 동일한 결과를 나타내 었다. 이는 직포를 기본으로 하는 일반 막재료 (PTFE 등)와는 달리, 응력-변형율 관계에서 방향성 에 크게 의존하지 않는 등방성 재료로의 취급이 가 능함을 알 수 있다.

    3.3.1축 및 2축인장 특성에 의한 연신범위

    텐션방식 필름 막구조물의 설계 시, 적절한 연신 범위를 설정하기 위하여, 1축 및 2축인장 실험결과 를 비교·검토하였다. 각 실험결과의 평균값을 사용 하여 1축 및 2축인장의 응력-변형율 관계를 <Fig. 11>에 나타낸다. 비교 결과, 1축 인장 시의 10~20% 연신범위는 2축 인장 시의 약 4~5.5% 범위에 상당 함을 알 수 있었다.

    따라서, ETFE 필름의 연신성형에 의한 텐션방식 막구조물의 설계시에는 제2항복점이 명확하지 않은 점, 초기장력 도입을 위한 설치 등을 고려하면, 연 신범위는 축소율 4%를 넘지 않는 범위(1축 인장의 경우 약 10% 상당)에서 설정하는 것이 바람직함을 알 수 있다.

    4.ETFE 필름 막구조물의 시간경과 에 따른 장력변화 특성

    4.1.Mock-up test 개요 및 장력변화

    본 절에서는 ETFE 필름의 연신범위 및 시간경과 에 따른 필름면의 장력변화를 확인하기 위하여, 실 제 텐션방식 필름 막구조물을 가정한 Mock-up test 를 수행하였다. 시험체의 개요를 <Fig. 12>에 나타 낸다. 시험체는 2m×2m 사이즈의 정방형 프레임을 이용하고, 단변방향 중앙부에 중간 고정 및 Edge 케이블을 설치할 수 있도록 보강 부재를 설치하였 다. 실험체는 두께 200μm의 ETFE 필름을 Double layer로 사용하였으며, 축소율은 2축인장 실험결과 를 고려하여 단변방향은 2%, 장변방향은 1%로 설 정하여 제작하였다. 초기장력은 Aluminum Clamp 를 이용하여 단변방향에 장력 도입 후, Edge 케이 블을 이용하여 장변방향의 장력을 도입하였다. 시험 체의 장력도입 및 설치 전경을 <Fig. 13>에 나타낸다.

    Mock-up 시험체 설치 후, 설치일 기준으로 126 일, 331일, 703일 경과 후에 필름면의 장력을 측정 하였으며, 그 결과를 <Fig. 14>에 나타낸다. 이때, X, Y는 각각 단변과 장변방향을 의미한다. 장력측정 결과, 시공 후 1년간은 현저한 응력완화 현상을 보 였으나, 그 후 응력상태는 축소율과 동일한 2:1의 응력비를 유지하며 안정적으로 변화함을 확인하였 다. 또한, 초기 계측값에 대한 장력유지율을 나타내 면 <Fig. 15>와 같고, 약 2년 경과 후에도 장력유지 율은 60~70% 정도를 유지하는 결과를 보였다. ETFE 필름은 항복응력을 초과하는 연신에 대해 시 간경과에 의한 응력완화 현상은 일어나지만, 장력유 지율은 일정값을 유지함을 알 수 있었다.

    4.2.실증실험 개요 및 장력변화 특성

    Mock-up test 결과로부터, 실제 텐션방식 필름 막구조물을 대상으로 실증 실험을 수행하였다. 실제 구조물의 개요를 <Fig. 16>에 나타낸다. 먼저, 주 프 레임은 A자형 3열의 기둥으로 지지되는 캔틸레버형 프레임으로 구성하였으며, ETFE 필름은 흰색과 UVC(자외선 차단) 2종류를 사용하여 프레임 밑면 에 설치하였다. 이때, 필름은 각각 두께 200μm을 Double layer로 하였으며, 축소율은 Mock-up test 시와 동일하게 단변방향 2%, 장변방향 1%로 설정 하여 제작하였다. 필름면의 초기 장력은 Mock-up test 시와 동일하게 단변방향을 먼저 고정하여 설치 한 후 장변방향은 Edge 케이블을 이용하여 장력을 도입하였다. 실험 시설의 시공 상황을 <Fig. 17>에 나타낸다.

    구조물의 시공 후, <Fig. 16>에 표시한 12개소의 계측점에 대하여 단변 및 장변방향의 장력을 측정 하였으며, 계측 전경을 <Fig. 18>에 나타낸다. 이때, 장력 측정은 일본 Taiyo Kogyo 기술연구소의 장력 측정기를 사용하였다.

    필름 장력의 계측은 각 필름 패널의 설치 시기가 다르기 때문에, 1회 계측 시기는 흰색이 시공 후 53 일, UVC는 27일로 하였다. 그 후, 2회와 3회 계측은 각각 1회 계측일로부터 205일 그리고 372일 경과후 에 측정하였으며, 그 결과를 <Fig. 19>에 나타낸다. 이때, X, Y는 각각 단변과 장변방향을 의미한다. 장 력측정 결과, 시공 후 1년간은 현저한 응력완화 현 상을 보였으나, 그 후 응력상태는 축소율과 동일한 2:1의 응력비를 유지하며 안정적으로 변화함을 확인 하였다. 또한, 초기 계측값에 대한 장력유지율을 나 타내면 <Fig. 20>과 같다. 흰색과 UVC 필름 패널은 각각 다른 경향을 나타내었으며, 백색 처리된 패널 이 장력유지율이 높고 안정된 경향을 보였다.

    한편, 각 패널의 시간경과에 따른 장력유지율 은 다소 차이를 보였지만, 약 2년 경과후의 장력 유지율은 백색이 55~75%, UVC가 45~85% 정도 의 결과를 보였다. 실제 구조물을 대상으로 연신 성형을 적용한 결과, ETFE 필름은 항복응력을 초 과하는 연신에 대해 시간경과에 의한 응력완화 현상은 일어나지만, 장력유지율은 일정값을 유지 함을 알 수 있었다.

    5.결론

    본 연구에서는 실제 텐션방식 ETFE 필름 막구조 물을 대상으로 연신성형 기법의 유효함을 확인하기 위하여, 2축인장 실험을 통한 연신범위의 재설정 및 시간경과에 따른 필름의 응력완화 현상을 검토하였 으며, 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.

    • 1) 필름의 연신성형에 의해 재료의 허용응력 상승 및 면외변형에 대한 재료강성의 상승효과를 확인 하였으며, 텐션방식 필름 막구조물에 유효한 방 법임을 알 수 있었다.

    • 2) 필름의 최대 연신범위는 1축인장 상태를 고려할 경우, 변형율 10%에 해당하는 범위가 가장 적절 할 것으로 사료되며, 이에 대응하는 2축인장 상 태에서는 변형률 4% 범위 내에서 설정하는 것이 적절하다 사료된다.

    • 3) Mock-up test 및 실증 실험 결과, 시간 경과에 따른 장력변화는 초기응력비를 유지하면서 시공 후 1년간은 응력완화 현상이 크게 일어나지만, 이후 초기장력의 50% 이상을 유지하면서 안정되 어 감을 알 수 있었다.

    감사의 글

    본 연구는 국토교통부 도시건축연구사업의 연구 비지원(15AUDP-B100343-01)에 의해 수행되었습니 다.

    Figure

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    Applied case of ETFE Film

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    Outline of specimen

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    Loading test on ETFE panel

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    Experimental results of cyclic loading

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    Fracture shape of ETFE Film

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    Uniaxial test for ETFE Film

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    Stretching range on uniaxial test

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    Specimen for Biaxial test

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    Biaxial test for ETFE Film

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    Stress-strain curve on Biaxial test

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    Comparison of stretching range

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    Outline of Mock-up test

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    Mock-up test

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    Result of stress relaxation

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    Maintenance ratio of initial stress

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    Experimental facility

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    Installation of ETFE Films

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    Measurment of tensile stress on film panel

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    Result of stress relaxation

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    Maintenance ratio of initial stress(UVC & White)

    Table

    Reference

    1. Tsuboi Y , Kawaguchi M , Sasaki M , Ueki R , Takeuchi T , Kawabata M , Kawaguchi K , Kanebakok Y (2012) Mechanics·Material·Structural Design, Kenchiku-gijutsu Company, ; pp.-214(in Japanese)
    2. Lee SJ , Lee SR (2010) "Tensile Strength Characteristics fo ETFE Roof Material in Large Membrane Structures" , Journal of KASS, Vol.10 (1) ; pp.51-58
    3. Kim JY , Kang JW (2010) "Tensile Test and Creep Tests of ETFE Membrane" , Journal of KASS, Vol.10 (3) ; pp.57-64
    4. Kawabata M , Moriyama F (2006) "Study on Viscoelastic Characteristics and Structural Response of ETFE Film Membrane Structures" , Proceeding of the IASS-APCS 2006 International Symposium, ; pp.150-151
    5. Li Y , Wu M (2015) "Uniaxial creep property and viscoelastic-plastic modelling of ETFE foil" , Mechanics of Time-Dependent Materials, Vol.19 (1) ; pp.21-34
    6. Kim JY (2014) "Prediction Method of Long Term Creep Behavior for ETFE Foil by Using Viscoelastic-Plastic Model" , Journal of KASS, Vol.14 (3) ; pp.93-100
    7. Jeong ES , Kawabata M , Kim SD (2014) "Experimental and Analytical Study on High Stress of Tensile Membrane Structures by Stretch Fabrication Using ETFE Film" , Journal of KASS, Vol.14 (3) ; pp.85-92
    8. Kawabata M , Jeong ES (2008) "Study on Three Dimensional Fabrication of ETFE Film Panel by Stretching - Part 1:Outline of Fabrication by Stretching" , Method for Elastic Constants of Membrane Materials, ; pp.931-932(in Japanese)
    9. Committee on Testing Methods for Membrane Materials (1995) Method for Elastic Constants of Membrane Materials, Membrane Structures Association of Japan, (in Japanese)