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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.9 No.2 pp.15-22
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2018.9.2.015

Flexural Strength Evaluation of Wood Plastic Composite Deck Reinforced with Aluminum

Joon-Seok Park1, in-Woo Choi2
1Post-Doctoral Researcher, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology, Goyang, Korea
2Team Manager, Department of R&D, ISIS E&C, Seoul, Korea
Corresponding author: Choi, Jin-Woo Department of R&D, ISIS E&C, 750 Gukhoe-daero, Yeongdeungpo-gu, Seoul 07236, Korea. Tel: +82-2-2088-2084, Fax: +82-2-704-8897, E-mail: jinu385@hanmail.net
May 14, 2018 May 28, 2018 June 7, 2018

Abstract


Synthetic wood has been widely used in place of wood such as the building exterior materials and/or the floor plate of moving path. However, it has many disadvantages such as relatively low strength, low durability, and heavy weight, etc. In this study, the synthetic wood deck combined with an aluminum profile was suggested to overcome these disadvantages. The flexural strength of the aluminum-synthetic wood deck was obtained through the theoretical equations under three-point bending conditions. In addition, the finite element analyses were also conducted to evaluate the flexural strength of the aluminum-synthetic wood deck.



알루미늄 보강 합성목재 데크의 휨강도 평가

박 준석1, 최 진우2
1한국건설기술연구원 구조융합연구소 박사후연구원
2㈜아이시스이엔씨 팀장

초록


    1 서 론

    목재는 인류의 역사와 함께 발전한 주된 건축재료 중 하나로서 높은 비강도와 낮은 단위중량을 가지고 있 기 때문에 강재의 제조기술이나 콘크리트 생산기술이 개발되기 전까지 석재와 함께 주요 건설재료로서 각 광받았으며, 현재에도 미적 효과 및 천연 재료로서의 가치로 인해 외장재 및 일부 구조재로 사용되고 있다. 그러나 목재는 대부분 수분 등의 외부 환경에 의해 내구성의 문제가 발생하고, 재료의 역학적 성질이 균 질하지 못하기 때문에 구조적 신뢰성이 있는 재료로 사용되기 어렵다. 이에 최근에는 사출, 압출 등의 방 식을 적용하여 성형성이 우수하고, 강도 및 내구성이 향상된 플라스틱과 목재를 융합한 합성목재(wood plastic composite, WPC)가 목재를 대체하고 있는 추 세이다(Lee et al., 2012).

    합성목재는 플라스틱에 목질계 필러(filler)를 사용 하여 제조하며, 목질계 필러의 배합량 및 제조방식에 따라 다양한 역학적 성질을 나타내기 때문에 다양한 환경에서 적용성이 우수하고, 목분 및 폐플라스틱을 사용하여 제조할 수 있기 때문에 친환경적이며, 목재 와 거의 유사한 질감을 나타내기 때문에 미적으로 뛰 어나다(Lee et al., 2012).

    합성목재를 구조재로 사용하는 가장 대표적인 예 는 이동로 등에 설치하는 합성목재 데크(deck)가 있 으며, 시공성이 우수하고 미적 효과가 뛰어나기 때문 에 건축물 뿐만 아니라 수변공간의 이동로, 등산로 등 에도 다양하게 적용되고 있다. 합성목재 데크는 두께 가 20∼30mm 정도로 얇고, 길이가 길게 사용되기 때 문에 충분한 휨강도를 확보하여야 한다.

    이 연구에서는 합성목재 데크의 휨강도를 개선하 기 위해 알루미늄-합성목재 데크를 제안하였다. 알루 미늄-합성목재 데크는 합성목재가 노출되어 기존의 미적 요소를 유지하며, 단면 내부에 강도와 강성이 우 수한 알루미늄 프로파일을 삽입하여 휨성능을 개선하 였다. 또한 합성목재와 알루미늄 프로파일은 접착제를 사용하여 접착하고, 기계적인 저항을 할 수 있는 단면 형태로 제안하였다. 이 연구에서는 2가지 형태의 알루 미늄-합성목재 데크를 제안하였으며, 기존의 합성목재 데크와의 휨강도를 비교하기 위한 실험, 이론적 해석 및 유한요소해석을 수행하였다. 또한 검토과정에서 알 루미늄-합성목재 데크의 구조적 특징을 분석하였다. 알루미늄-합성목재 데크의 형태는 Fig. 1, 합성목재 데크(WPC) 및 알루미늄-합성목재 데크(AWPC-1,2) 의 검토단면 형태는 Fig. 2에 각각 나타내었다.

    2 휨강도시험

    2.1 역학적 성질 및 단면 특성

    일반적인 합성목재 데크의 역학적 성질은 KS F 3230(2011)에 따라 결정한다. KS F 3230(2011)에서는 완전 충진형 합성목재의 경우, 별도의 제품에 언급이 없는 경우 총 길이 600mm(순지간 500mm)로 절단하 여 3점재하시험을 수행하도록 규정하고 있으며, 최대 하중은 최소 3kN이 되도록 규정하고 있다.

    알루미늄은 6063-T5 강종을 적용하며, 국외 설계 자료(Aluminum Association, 2010)에서 제시하고 있 는 역학적 성질을 적용하였다. 합성목재와 알루미늄의 역학적 성질은 Table 1에 정리하였다. Table 1에서 합성목재의 인장 및 압축에 대한 최대강도는 휨강도 시험 결과를 통해 얻은 파괴시 집중하중을 근거로 산 출하였다.

    각 데크의 단면은 합성목재의 폭과 두께가 일정하 며, 내부에 삽입되는 알루미늄 프로파일은 폐합단면으 로 구성하여 휨강도를 향상시킨 방식(AWPC-1)과 합 성목재와의 기계적 접촉면이 많은 방식(AWPC-2)으 로 구분되어 있다. 각 데크의 단면 특성은 Table 2에 정리하였으며, 단면 치수는 Fig. 3에 나타내었으며, 하 였다. Table 2에서 A는 단면적, I는 강축에 대한 단 면2차모멘트를 의미한다.

    2.2 휨강도시험

    휨강도시험은 KS F 3230(2011)에서 제시한 시험법을 참고하여 순지간 400mm, 500mm, 600mm 및 700mm 의 WPC, AWPC-1, AWPC-2 시험체를 대상으로 Fig. 4와 같이 3점재하시험을 수행하였다.

    휨강도시험 결과, AWPC-1는 WPC에 비해 2.12∼ 2.84배, AWPC-2는 1.34∼1.54배 큰 휨강도를 나타내 는 것으로 나타났다. 따라서 알루미늄-합성목재 데크 는 합성목재 데크에 비해 우수한 휨성능을 확보하고 있음을 확인하였다. 각 휨강도시험체의 시험결과는 Table 3에 정리하였다.

    3 해석적 검토

    3.1 휨강도해석

    알루미늄-합성목재 데크는 접착면이 균일하지 않고, 부착강도 등 합성거동을 위한 조건에 대한 신뢰도가 부족하기 때문에, 구조적 측면에서 합성거동을 기대하 기 어려우며, 각 재료가 별도로 휨모멘트에 저항하게 된다. 그러나 두 재료의 계면 사이의 마찰, 단면형상 으로 인한 기계적 맞물림을 통해 발생하는 저항 등으 로 인해 이론적인 비합성단면보다는 높은 휨강도를 나타낼 수 있다. 이 연구에서는 알루미늄-합성목재 데크가 비합성거동과 합성거동을 할 경우에 대하여, 휨강도공식을 적용하였으며, 실험결과와의 차이를 분 석하였다.

    3점재하 상태에서, 재하하중과 자중에 의한 휨모 멘트는 식(1)과 같다(Gere et al., 2017).

    M u = P u L 4 + w d L 2 8
    (1)

    식 (1)에서 M u 는 극한 상태의 휨모멘트, P u 는 최 대하중, L 은 실험체의 길이, w d 는 자중(분포하중)을 의미한다. 이 때 휨모멘트로 인해 부재 내에 발생하는 휨응력은 식 (2)와 같으며, 두 식을 연립하면 식 (3) 과 같다(Gere et al., 2017).

    f u = M u I y
    (2)

    f u = L y I ( P u 4 + w d L 8 )
    (3)

    식 (2)에서 f u 는 최대하중 작용시 연단에서의 응 력, y 는 도심에서 연단까지의 거리를 나타낸다.

    합성목재와 알루미늄 프로파일이 비합성거동을 한 다고 가정할 경우, 합성목재-알루미늄 합성 데크의 최대하중은 휨모멘트에 별도로 저항하기 때문에, 합성 목재와 알루미늄 프로파일 각각의 파괴강도를 적용하 여 식 (4)와 같이 나타낼 수 있다(Gere et al., 2017).

    P u = 4 L ( f w I w y w + f a I a y a w w L 2 8 w a L 2 8 )
    (4)

    식 (4)에서 아래첨자 w 는 합성목재, a 는 알루미늄 을 의미한다.

    또한 합성목재와 알루미늄 프로파일이 합성거동을 한다고 가정할 경우, 합성목재-알루미늄 합성 데크의 최대하중은 식 (5), (6)을 통해 합성단면의 도심과 단 면2차모멘트를 각각 구하고, 합성 단면의 역학적 성질 을 이용하여 연단에 발생하는 응력이 인장항복 또는 압축파괴강도에 도달하는 하중을 최대하중으로 적용 하여 식 (7), (8)과 같이 구한 후, 작은 값으로 결정된 다(Gere et al., 2017).

    c = E w A w y w + E a A a y a E w A w + E a A a
    (5)

    I c = I w + I a + A w ( y w c ) 2 + A a ( c y a ) 2
    (6)

    I c = I w + I a + A w ( y w c ) 2 + A a ( c y a ) 2
    (7)

    P u = 4 f w I c L ( h c )
    (8)

    식 (5)에서 c 는 합성단면의 인장측 연단에서 도심 까지의 거리, A 는 단면적을 의미하며, 식 (8)에서 h 는 합성단면의 두께를 의미한다.

    식 (1)∼(8)까지 나타낸 이론식을 적용하여 WPC, AWPC-1, AWPC-2에 작용가능한 최대하중을 구하 였으며, 최대하중은 휨강도시험과 동일한 길이 변수를 적용하였다.

    WPC는 시험결과에 비해 약 0.89∼0.94배의 차이 를 나타내어 비교적 정확한 결과를 도출하였다. 또한 모든 검토항목은 시험결과보다 강도가 작게 평가되어 안전측 검토를 유도하였다. 또한 AWPC-1의 휨강도 는 WPC에 비해 비합성의 경우 약 1.45배, 합성의 경 우 약 16.60배, AWPC-2의 휨강도는 비합성의 경우 0.88배, 합성의 경우 3.09배인 것으로 나타났다.

    AWPC-1은 비합성으로 가정할 경우 0.45배∼0.63 배, 합성으로 가정할 경우 5.18∼7.29배의 차이를 나타 내었으며, AWPC-2는 비합성으로 가정할 경우 0.50 배∼0.61배, 합성으로 가정할 경우 2.57∼3.10배의 차 이를 나타내었다. 따라서 알루미늄-합성목재 데크는 부착강도 등의 영향으로 인해 비합성에 가까운 거동 을 하며, 최대하중은 알루미늄 프로파일과 합성목재의 단면 형상 특성에 의하여 비합성으로 검토한 결과에 비해 AWPC-1의 경우 1.58배 이상, AWPC-2의 경우 1.65배 증가하는 것으로 나타났다. 비합성거동과 합성 거동 여부에 따른 알루미늄-합성목재 데크의 최대하 중은 시험결과와 비교하여 Table 4에 정리하였다.

    3.2 유한요소해석

    휨강도해석을 이용하여 구한 알루미늄-합성목재 데크 의 휨강도는 단면의 형태에 대한 특성을 정확히 검토 하기 어렵다. 즉, 알루미늄 프로파일은 얇은 판으로 구성되어 있으며, 휨강도해석은 전체 단면의 단면적과 단면2차모멘트만을 고려하여 휨강도를 구하기 때문에 알루미늄 프로파일 단면을 구성하는 각 판의 거동을 이해할 수 없으며, 알루미늄 프로파일과 합성목재의 단면 특성으로 인한 기계적 맞물림의 영향을 고려할 수 없다. 따라서 이 연구에서는 보다 정확한 휨강도를 구하기 위한 유한요소해석을 수행하였다.

    유한요소해석은 범용유한요소해석 프로그램인 ANSYS Workbench Ver. 15를 사용하여 수행하였으 며, Solid 요소를 사용하여 모델링하였다. 또한 유한요 소해석 모델은 기존의 연구자료(Soury et al., 2009)에 서 수행한 합성목재의 유한요소해석을 참고로 하여 모델링하였으며, 알루미늄 프로파일과 합성목재의 경 계면은 휨강도해석을 이용한 결과를 반영하여 마찰이 없는 것으로 가정하였다.

    알루미늄과 합성목재의 역학적 성질은 Table 1에 나타낸 결과를 적용하였으며 선형탄성거동하는 것으 로 가정하였다. 특히 합성목재는 유리섬유보강 여부에 따른 합성목재의 휨강도를 평가하기 위한 3점재하시 험을 수행한 기존 연구(Zolfaghari et al., 2013)에서 선형에 가끼운 거동을 하다가 취성파괴되는 거동을 나타내었기 때문에 파괴 전까지는 선형탄성거동을 하 는 것으로 가정하였다. 기존 연구(Zolfaghari et al., 2013)에서 수행한 유리섬유보강 합성목재(HWPC60) 와 일반합성목재(WPC60)의 3점재하시험 결과에 따른 하중-변위 관계는 Fig. 5에 나타내었다.

    경계조건은 각 모델 단부에 단순지지로 설정하였 으며, 하중은 KS F 3230(2011)에서 제시한 완전충진 형의 최소하중기준을 참고로 하여, 중앙부에 3kN을 재하하여 알루미늄 프로파일과 합성목재의 축방향 최 대응력 및 변형을 확인하였다. 또한 해석결과를 바탕 으로 각 모델이 저항할 수 있는 최대하중을 추정하였 다. 유한요소해석모델은 Fig. 6에 나타내었으며, 경계 조건 및 하중조건은 Fig. 7에 나타내었다.

    해석 결과, 3kN 재하시 WPC의 축방향 최대응력 은 데크 중앙부의 인장측에서 발생하였으며, WPC-1 의 5.33∼5.55배, AWPC-2의 3.85∼4.18배로 나타났다. 따라서 휨강도는 AWPC-1, AWPC-2, WPC의 순서 로 크게 나타나며, 알루미늄의 보강효과를 확인하였다.

    또한 WPC의 최대하중은 2.27∼3.29kN, AWPC-1 은 5.09∼8.54kN, AWPC-2는 2.87∼4.04kN로 나타났 다. 또한 AWPC-1, 2는 합성목재의 파괴보다 알루미 늄 프로파일의 항복이 먼저 발생하는 것으로 나타났 으며, 특히 AWPC-2의 알루미늄 프로파일은 인장변 형률이 가장 큰 하부연단을 구성하는 판의 단면이 작 아 과도한 인장응력이 발생하는 것으로 나타났다. AWPC-2 알루미늄 프로파일의 최대 인장응력, 최대 압축응력 발생 위치는 Fig. 8에 나타내었다.

    휨강도해석으로부터 구한 WPC의 최대하중은 실 험결과 89∼93%, 유한요소해석으로 얻은 결과는 72∼ 91%의 차이를 나타내었다. 그러나 AWPC-1, 2의 경 우 비합성으로 고려한 휨강도해석에 의한 결과는 실 험결과에 비해 45∼63%, 유한요소해석에 의한 결과는 66∼96%의 차이를 나타내었다. 따라서 유한요소해석 은 안전측의 결과를 유도하였으며, 알루미늄 프로파일 과 합성목재의 기계적 맞물림 효과를 고려하여 휨강 도해석에 의한 결과보다 정확한 결과를 도출하는 것 으로 나타났다.

    각 해석모델의 해석결과 중 700mm의 응력분포 및 변형형상은 Fig. 911에 나타내었다. 또한 중앙부 에 3kN 재하시 유한요소해석 결과는 Table 5, 최대 하중에 대한 실험, 휨강도해석 및 유한요소해석의 결 과비교는 Table 6에 나타내었으며, WPC, AWPC-1, 2의 길이에 따른 검토 결과는 Fig. 1214에 각각 나 타내었다.

    4 결 론

    이 연구에서는 기존의 합성목재 데크의 휨강도를 보 강하기 위하여 알루미늄 프로파일을 합성목재 내부에 보강한 알루미늄-합성목재 데크를 제안하고, 기존 합 성목재 데크와 알루미늄-합성목재 데크의 휨강도를 비교 검토하기 위해 시험, 재료역학적 이론을 적용한 휨강도해석 및 유한요소해석을 수행하였다.

    휨강도해석은 합성목재와 알루미늄 프로파일의 거 동 특성을 예측하기 위해 합성거동 여부를 검토하였 으며, 유한요소해석은 휨강도해석 결과를 고려하여 각 단면을 비합성으로 가정하여 수행하였다. 또한 유한요 소해석은 3kN의 하중을 재하할 때의 최대응력과 변 위를 구하였으며, 해석결과를 바탕으로 각 모델이 저 항할 수 있는 최대하중을 추정하였다. 이 연구를 통해 얻은 결과를 요약하면 다음과 같다.

    • (1) 휨강도시험은 KS F 3230을 참고로 하였으며, 시편의 순지간 400mm, 500mm, 600mm 및 700mm 인 경우에 대하여 수행하였다. 시험 결과, AWPC-1 는 WPC에 비해 2.12∼2.84배, AWPC-2는 1.34∼1.54 배 큰 휨강도를 나타내어 알루미늄 프로파일의 보강 효과를 확인하였다.

    • (2) 기존 합성목재 데크(WPC)의 휨강도해석은 휨 강도시험법을 참고로 하여, 자중과 중앙부에 재하되는 하중을 근거로 수행하였다. 휨강도해석 결과, WPC는 시험결과에 비해 약 0.89∼0.94배의 차이를 나타내었 으며, 모든 검토항목은 시험결과보다 강도가 작게 평 가되어 안전측 검토를 유도하였다.

    • (3) 알루미늄-합성목재 데크(AWPC-1, 2)의 자중 과 중앙부에 재하되는 하중을 근거로 수행하였으며, 알루미늄 프로파일과 합성목재의 합성거동 여부를 평 가하였다. 휨강도해석 결과, AWPC-1의 휨강도는 WPC에 비해 비합성의 경우 약 1.45배, 합성의 경우 약 16.60배, AWPC-2의 휨강도는 비합성의 경우 0.88 배, 합성의 경우 3.09배인 것으로 나타나 비합성과 유 사한 거동을 나타내었다.

    • (4) 유한요소해석 결과, 3kN 재하시 WPC의 최대 응력은 AWPC-1의 5.33∼5.55배, AWPC-2의 3.85∼ 4.18배로 나타났다. 따라서 각 해석모델의 휨강도는 AWPC-1, AWPC-2, WPC의 순서로 크게 나타나 알 루미늄의 보강효과를 확인하였다.

    • (5) 유한요소해석 결과, WPC의 최대하중은 2.27∼ 3.29kN, AWPC-1은 5.09∼8.54kN, AWPC-2는 2.87∼ 4.04kN로 나타났으며, AWPC-1, 2는 합성목재의 파 괴보다 알루미늄 프로파일의 항복이 먼저 발생하는 것으로 나타났다. 또한 AWPC-2는 알루미늄 프로파 일의 하부연단을 구성하는 판의 단면이 작아 과도한 인장응력이 발생하는 것으로 나타났다.

    • (6) 휨강도해석으로부터 구한 WPC의 최대하중은 실험결과 89∼93%, 유한요소해석으로 얻은 결과는 72∼ 91%의 차이를 나타내며, AWPC-1, 2의 비합성으로 고려한 휨강도해석결과는 실험결과에 비해 45∼63%, 유한요소해석에 의한 결과는 66∼96%의 차이를 나타 내었다. 따라서 유한요소해석은 안전측의 결과를 유도 하였으며, 알루미늄 프로파일과 합성목재 단면의 기계 적 맞물림 효과를 고려하여 휨강도해석 보다 정확한 결과를 도출하는 것으로 나타났다.

    Figure

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    Aluminum-Wood Plastic Composite Deck

    KOSACS-9-15_F2.gif

    Cross-Sections of Wood Plastic Composite Deck and Aluminum-Wood Plastic Composite Deck

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    Cross-Section of Deck

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    3 Point Bending Test (KS F 3230, 2011)

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    Load-Deflection Curves Obtained from the Three-Point Bending Test for WPC60 and HWPC60 (Zolfaghari et al., 2013)

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    FE Analysis Model

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    Load and Boundary Condition

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    Maximum Stress Location of Aluminum Profile about AWPC-2 (L=700mm)

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    FE Analysis Results (WPC, L=700mm)

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    FE Analysis Results (AWPC-1, L=700mm)

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    FE Analysis Results (AWPC-2, L=700mm)

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    Length and Maximum Stress Relationship

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    Length and Maximum Stress Relationship (AWPC-1)

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    Length and Maximum Stress Relationship (AWPC-2)

    Table

    Material Properties of WPC and Aluminum

    Characteristics of Cross-Section

    Test Results

    Comparison between Analytical and Test Results

    FE Results (P=3kN)

    Comparison among Test, Analytical, and the FEM Results

    Reference

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