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ISSN : 1598-4095(Print)
ISSN : 2287-7401(Online)
Journal of The korean Association For Spatial Structures Vol.17 No.4 pp.159-165
DOI : https://doi.org/10.9712/KASS.2017.17.4.159

Tensile Characteristics of ETFE Film According to the Specimen Type

Seung-Deog Kim *, Seok-Beom Chu**, Myung-Ho Jang***, Jeong-Hyun Lee****
*Architectural Engineering, Semyung University
**Civil Engineering, Semyung University
***Architecture Engineering, Daelim University College
****Architectural Engineering, Semyung University
043-649-1334043-649-1334chusb@semyung.ac.kr
20171120 20171204 20171204

Abstract

In this paper, uniaxial tensile tests of ETFE films with three kinds of thicknesses(100, 200, 250μm) and two kinds of directions(machine direction & transverse direction) are performed and the tensile strength, the tensile strain at break and the Young’s modulus of ETFE films are compared for two kinds of specimen types(2 & 5). It could be figured out that there are no significant difference between tensile strengths of two specimen types but the tensile strain at break and the Young’s modulus of ETFE films are affected by the specimen types. And it is concluded that the uniaxial tensile test of specimen type 2 are more reliable than that of specimen type 5.


시험편 형상에 따른 ETFE 필름재의 인장 특성

김승덕*, 주석범**, 장명호***, 이정현****
*정회원, 세명대학교 건축공학과 교수, 공학박사
**교신저자, 정회원, 세명대학교 토목공학과 교수, 공학박사
***정회원, 대림대학교 건축과 교수, 공학박사
****학생회원, 세명대학교 건설공학과, 석사과정

초록


    1.서론

    내구성이 뛰어나고 투명성이 있어 빛의 투과율이 뛰어난 ETFE(Ethylene Tetrafluoroethylene) 필름재 는 친환경적인 초경량 건축자재로 근래에 가장 각 광받고 있는 건축자재 중 하나이다.

    이러한 ETFE 필름재는 <Fig. 1> 및 <Fig. 2>와 같이 주로 유럽과 일본을 중심으로 사용되고 연구 되어 왔다.

    최근에는 국내에서도 이천시 환경학습관<Fig. 3> 과 신촌 세브란스병원 암 병동 출입구 캐노피<Fig. 4> 등 시공사례가 점차적으로 증가함에 따라 여러 연구자들이 ETFE 필름재에 대한 연구를 진행하여 왔다.

    국내에서는 주로 ETFE 필름재의 역학적 특성 중 기초적인 인장 특성에 대한 실험적 연구가 수행되 어 왔으며1-4), 이외에 인장 시험 시 결과에 영향을 주는 사이클링 하중5), 인장속도6), 온도변화7) 등에 대한 연구와 ETFE 필름재의 고내력화8), 응력완화9) 에 대한 연구가 진행되었다. 그러나 기존의 연구들 에서 JIS 규격에 근거하여 특정한 형태의 시험편에 대한 결과만을 제공하고 있고, ETFE 필름재의 기본 적인 역학적 특성 시험 이외에 지속적인 연구가 진 행되지 않음에 따라 국내에는 아직 ETFE 필름재에 대한 재료 규격, 실험 방법 등을 규정한 명확한 지 침서조차 없는 실정이다.

    이에 따라 본 연구에서는 플라스틱의 KS규격인 “KS M ISO 527-1(2012) : 플라스틱–인장성의 측정 –제1부–통칙10)”과 “KS M ISO 527-3(2011) : 플라스 틱–인장 시험–필름 및 시트의 시험조건11)”에 근거하 여 필름 및 시트의 시험조건11)에서 제시하고 있는 직사각형(2호) 시험편과 아령형(5호) 시험편의 인장 시험을 실시한 뒤, 2호형 시험편과 5호형 시험편의 인장강도, 파단 시 연신율, 접선 탄성계수 결과를 비교하여 ETFE 필름재의 인장 시험에 더 적합한 시 험편을 제안하고자 한다.

    2.일축 인장 시험

    2.1.시험편 제작

    시험편 형상에 따른 ETFE 필름재의 인장 시험 결 과 비교를 위하여, 두께 100μm , 200μm, 250μm의 ETFE 필름재에 대하여 각 두께별로 필름이 사출되 는 기계방향(MD: Machine Direction)과 이에 직각 인 수직방향(TD: Transverse Direction)으로 나누어 시험하고자 한다.

    분류된 ETFE 필름재에 대하여 <Fig. 5>와 같은 직사각형 형태의 2호형 시험편과 <Fig. 6>과 같은 아령형의 5호형 시험편을 제작하였으며 이를 표로 나타내면 <Table 1>과 같다.

    2.2.시험 및 분석 방법

    본 논문에서 ETFE 필름재의 인장 시험은 KS M ISO 527-1(2012)과 KS M ISO 527-3(2011)에 근거하 여 수행하였으며, 이때 인장 시험의 속도는 변형률 속도 100%/min을 사용하였다.

    각 항목 1세트당 5개의 시험편을 제작하여 시험 한 뒤, 이 중 인장강도가 최소인 시험편과 최대인 시험편의 결과를 제외한 3개의 시험편에 대하여 인 장강도, 파단 시 연신율, 접선 탄성계수를 구하여 그 결과를 비교하였다.

    3.인장 시험 결과

    3.1.ETFE 필름재 방향에 따른 결과 비교

    시험편 형상마다 기계방향(MD)과 수직방향(TD) 의 응력(σ)과 변형률(ε) 사이 결과를 비교하여 나타 내면 2호형 시험편의 결과는 <Fig. 7>과 같으며, 5호형 시험편의 결과는 <Fig. 8>과 같다.

    <Fig. 7> 및 <Fig. 8>을 살펴보면 시험편 형상과 상관없이 두께가 두꺼워질수록 항복응력 이후 MD 와 TD의 σ-ε곡선의 차이가 줄어드는 것을 알 수 있 으며, 항복응력 이전 σ-ε곡선은 MD와 TD 모두 유사한 양상을 나타내어 MD, TD와 상관없이 접선 탄성계수가 유사함을 알 수 있다.

    또한 인장강도와 파단 시 연신율은 MD와 TD에 따라 약간의 차이를 나타내었으나, MD와 TD에 따 른 경향이 명확하지는 않은 것으로 파악되었다.

    조금 더 명확한 분석을 위하여 인장강도, 파단 시 연신율, 접선 탄성계수 결과의 평균값을 표로 나타 내면 <Table 2>와 같다.

    <Table 2>를 살펴보면, 2호형 인장강도에서 MD 에 비하여 TD의 강도가 10% 내외 정도 낮게 측정 되는 경향이 파악되었을 뿐, 2호형과 5호형 모두 MD와 TD에 따라 약간의 차이를 나타내기는 하나 뚜렷한 경향이 확인되지는 않았다.

    또한 2호형 파단 시 연신율이 460~558%를 나타 낸 반면 5호형은 기존 연구3),4)처럼 2호형의 절반에 가까운 215~276%를 나타내고, 2호형 탄성계수가 791~982MPa를 나타낸 반면 5호형은 1,034~1,164MPa 를 나타내어 5호형이 더 큰 값을 갖는 경향을 나타 내었는데, 이는 그립간 거리로 연신율을 측정함에 따라 발생한 결과로 <Fig. 5>와 <Fig. 6>에서 알 수 있듯이 동일한 단면적을 갖는 2호형의 결과가 더 높은 신뢰성을 갖는다고 평가할 수 있다.

    3.2.시험편 형상에 따른 결과 비교

    앞의 결과에서 ETFE 필름재의 MD와 TD에 따라 약간의 시험결과 차이를 보였으므로 시험편 형상에 따른 결과를 명확하게 비교하기 위해서 각 두께마 다 MD와 TD별로 실험 결과를 나타내면 <Fig. 9~11> 과 같으며, 여기서 실선은 2호형 시험편의 결과를 파선은 5호형 시험편의 결과를 나타낸다.<Fig. 10>

    <Fig. 9~11>에서 인장강도를 살펴보면 250μm MD를 제외하고 대부분 5호형 시험편의 인장강도가 2호형보다 크게 나타났으며, 파단 시 연신율을 살펴 보면 2호형 시험편이 500% 내외의 결과를 나타낸 반면 5호형 시험편은 그 절반인 250% 내외의 결과 를 나타내어3),4) 큰 차이를 보임을 알 수 있다.

    좀 더 명확한 비교를 위하여 <Fig. 9~11>에 나타 낸 시험편 결과의 평균값을 구하여 MD와 TD별로 2호형 시험편과 5호형 시험편을 비교하여 나타내면 <Table 3> 및 <Table 4>와 같다.

    먼저, <Table 3> 및 <Table 4>에서 인장강도를 비교해 살펴보면 2호형 44~52MPa에 비하여 5호형 은 46~60MPa를 나타내어 250μm MD를 제외하고 더 큰 값을 갖는 경향을 나타내었으며, 최대 37%까 지 더 크게 평가됨을 확인할 수 있었다.

    또한 ETFE 필름재의 두께와 상관없이 인장 특성 값은 유사한 결과를 나타내고, 탄성계수를 살펴보면 5호형의 탄성계수가 2호형의 탄성계수에 비하여 약 200MPa 가까이 큰 값을 나타냄을 알 수 있으며, 파 단 시 연신율을 살펴보면 2호형 460~558%에 비하 여 5호형은 그 절반에 가까운 215~276%를 나타냄 을 알 수 있다.

    이러한 차이는 <Fig. 5>와 <Fig. 6>에서 보듯이 2호형 은 그립 사이 동일한 단면적을 갖는 반면에 5호형은 아령 형태로 다른 단면적을 갖기 때문에 발생한 현 상으로 그립간 거리로 연신율을 측정하는 경우 시 험편의 제작 및 측정 면에서 5호형에 비하여 2호형 이 더 타당한 결과를 제공한다고 평가할 수 있다.

    이상의 결과를 종합하여 2호형 TD의 결과를 ETFE 필름재의 대표값으로 하면, 인장강도는 44~46MPa, 파단 시 연신율은 493~508%, 탄성계수 는 791~849MPa를 나타낸다고 할 수 있다.

    4.결론

    본 연구에서는 ETFE 필름재의 단축 인장시험을 실시하고, 각 시험편 형상에 따른 시험결과를 분석 하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

    • 1) 시험편 형상별로 기계방향(MD)과 수직방향 (TD)의 결과를 비교한 결과, 2호형 인장강도에서 MD 대비 TD의 강도가 10% 내외로 낮게 측정되는 이외 특별한 경향은 없는 것으로 파악되었다.

    • 2) 시험편 형상별 인장강도를 비교한 결과, 2호형 44~52MPa에 비하여 5호형은 46~60MPa를 나타내 어 대체로 더 큰 값을 갖는 경향을 나타내었으며, 최대 37%까지 더 크게 평가됨을 확인할 수 있었다.

    • 3) 시험편 형상별 파단 시 연신율을 비교한 결과, 2호형은 460~558%를 나타낸 반면에 5호형은 그 절 반에 가까운 215~276%를 나타내었다.

    • 4) 시험편 형상별 접선탄성계수를 비교한 결과, 2 호형은 791~982MPa를 나타낸 반면 5호형은 1,034~1,164MPa로 약 200MPa 가까이 더 큰 값을 나타내었다.

    이상의 결과로부터 그립 간 거리로 연신율을 측 정하는 경우 시험편의 제작 및 측정 면에서 5호형 에 비하여 2호형이 더 타당한 결과를 제공하고, 2호 형 인장강도 측면에서 MD보다 TD가 더 안전한 측 면으로 평가되므로, 2호형 TD의 결과를 ETFE 필름 재의 대표값으로 하면 인장강도는 44~46MPa, 파단 시 연신율은 493~508%, 탄성계수는 791~849MPa를 나타낸다고 할 수 있다.

    감사의 글

    본 연구는 국토교통부 도시건축연구사업의 연구비 지원(17AUDP-B100343-03)에 의해 수행되었기에 이 에 감사드립니다.

    Figure

    KASS-17-159_F1.gif

    Welcome Pavilion of the Ferrari(2011)

    KASS-17-159_F2.gif

    UNIQLO Shinsaibashi(2010)

    KASS-17-159_F3.gif

    Icheon Environment Learning Center(2014)

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    Severance Hospital(2014)

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    Specimen type 2

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    Specimen type 5

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    σ-ε curves of specimen type 2

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    σ-ε curves of specimen type 5

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    σ-ε curves of 100μm

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    σ-ε curves of 200μm

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    σ-ε curves of 250μm

    Table

    Specimen of ETFE film

    Results of specimen type 2 & 5

    Machine directional results

    Transverse directional results

    Reference

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