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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.9 No.4 pp.40-48
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2018.9.4.040

Structural Characterization of Structural Insulated Panels(SIP) under Racking Load

Jaeyong Ryoo1, Hwanseon Nah2, Sangbong Kim2, Sejung Lee3, Sungmo Choi4
1Doctoral Course, Department of Architectural Engineering, University of Seoul, Seoul, Korea
2Korea Electric Power Research Institute, Korea
3President, Sejin R&S, Korea
4Professor, Department of Architectural Engineering, University of Seoul, Seoul, Korea

본 논문에 대한 토의를 2019년 2월 28일까지 학회로 보내주시면 2019년 3월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Choi, Sungmo Department of Architetural Engineering, University of Seoul, 163, Seoulsiripdaero, Dongdaemun-gu, Seoul, Korea. Tel: +82-2-6490-2759, Fax: 82-2-6490-2749, E-mail: smc@uos.ac.kr
October 22, 2018 November 16, 2018 November 20, 2018

Abstract


Racking load tests were carried out to get the structural performance of the SIP (Structural Insulated Panels), which is widely used as residential type in Europe and North America. Outside the country, design standards for SIP have been prepared and the research has been carried out variously. However, in Korea, the research of the structural insulated panels is very small, and the related standard is not provided. In this study, the racking load was applied to the structural insulated panels with opening. The size of the test specimen is 2,400×2,400㎜. The number of test specimens was 8. The size of the openings and the reinforcement method around the openings were used as variables. Variable analysis was carried out to suggest the optimal opening dimension. The analytical model was verified through comparison with experimental results. The structural behavior of the structural insulated panels with the opening size as a parameter was analyzed through finite element analysis. We propose an optimal opening size suitable for the structural insulated panels.



반복횡하중을 받는 구조단열패널(SIP)의 구조적 특성

류 재용1, 나 환선2, 김 상봉2, 이 세정3, 최 성모4
1서울시립대학교 건축공학과 박사과정
2한국전력 전력연구원
3세진R&S 대표
4서울시립대학교 건축학부 교수

초록


북미와 유럽 등지에서 주거용 주택소재로서 폭넓게 사용되고 있는 구조단열패널(SIP)의 구조적 성능을 평가하기 위 해 면내전단하중 시험을 수행하였다. 국외의 경우, 구조단열패널의 기준과 관련된 연구들이 다양하게 진행되었다. 하지만, 국내 의 경우, 구조단열패널에 대한 기준은 마련되어 있지 않으며, 성능평가와 관련된 연구는 극소수이다. 본 연구에서는 구조단열패 널을 내력벽으로 활용하기 위한 구조성능평가 실험을 수행하였으며, 벽체에 개구부 설치 후 면내전단하중을 가력하였다. 실험체 의 크기는 2,400×2,400㎜이며, 변수로는 개구부의 크기와 개구부 보강방법이다. 실험체의 수량은 총 8개이다.



개구부가 있는 구조단열패널의 구조 해석을 수행 하였다. 해석 결과는 구조 실험 시험 결과와 비교하였다. 이를 통해 구조단열 패널의 구조 거동을 예측할 수 있는 해석 모델을 완성하였다. 개구 크기를 변수로 하여 면내전단하중을 받는 구조단열패널의 거동을 유한 요소 해석을 통해 분석하였다. 연구를 통해 구조단열패널의 최적 개구부 크기를 제안한다.



    1. 서 론

    2016년 경주에서 발생한 규모 5.8 지진, 2017년 11월 포항에서 발생한 규모 5.4 지진 등 상당한 규모의 지진으로 재산/인명 피해가 많이 발생하였다. 통계청 조사에 의한 지난 5년간 우리나라 지진 발생 수를 살펴보면, 최근 2년간 지진 발생 건수가 평균 4배 이상 증가한 것을 확인할 수 있다.

    이에 대한 대책으로 2017년 12월부터 시행된 건 축법 시행령 제32조가 1) 층수가 2층(목구조 건축물 은 3층)이상 인 건축물, 2) 연면적 200㎡(목구조 건 축물은 500㎡)이상인 건축물의 경우 건축물의 설계 자로부터 구조 안전의 확인 서류를 받아 허가권자에 게 제출하게끔 변경되었다.

    1995년 일본 고베에서 발생한 지진에서 목구조 주택이 콘크리트, 강구조 등으로 지어진 주택에 비 해 상대적으로 피해가 적었다. 이러한 경험을 통해 일본에서 2009년 수행한 ‘다층목조건축물의 내진성 테스트’에서 목조건축물이 우수한 내진성능을 갖고 있음을 확인할 수 있었다.

    본 연구에서는 다양한 목구조의 공법들중에서 구 조적 기능과 더불어 우수한 단열성능을 보유하고 있 는 구조단열패널(Structural Insulate Panels, SIP) 소재 에 대한 구조적 성능을 확인하고자 한다. 구조단열 패널은 OSB(Oriented Strand Board)와 EPS(Expanded Polystyrene)로 구성된다. 구조단열패널은 별도의 기 둥을 설치하지 않고, 내력벽체로서 외력에 저항하는 부재로서 활용되고 있다.

    국내 구조단열패널에 대한 연구(Nah et al., 2012, 2013)는 SIP의 구조적 성능 평가를 위해 개구부가 설치되지 않은 패널을 대상으로 편심축하중, 반복하 중, 면내가력하중, 인방보 실험 등을 진행하였다. 이 를 통해 국외 문헌(NTA,2010;Edward, 2006)에서 제 시한 구조단열패널의 구조적 거동 특성과 비교분석 하여 구조적 성능이 확보됨을 확인하였다.

    Kermani et al.(2006)가 수행한 연구에서는 창호와 문 등의 설치를 위해 개구부를 설치한 후, 수평력 (Racking Shear)을 반복 가력하는 실험을 수행하였다. 이를 통해 SIP가 벽체로서의 저항하는 강성이 충분 함을 실험적으로 입증하였다. 하지만, 실험에 사용된 실험체의 개구부는 인방보만 보강이 이루어졌다. Fig. 1

    본 연구에서는 국내 현장에서 대중적으로 사용되 는 1,200㎜×2,400㎜ 크기의 구조단열패널 2쪽을 이어 붙여 시공한 후, 반복횡하중(Racking Load)에 대한 구조적 내력성능을 분석하고자 한다. 개구부율(크기) 에 의한 구조적 거동의 차이점과 국외 문헌에서 실 험 수행한 개구부 1면(인방)보강과 국내 현장에서 수 행하고 있는 개구부 4면 보강에 의한 구조적 거동의 차이점을 평가하였다. 창호의 설치방향에 대한 Eurocode 제시기준에 대해 실험 결과를 통해 검증하 였고, 변수해석을 통해 개구부 설치방향에 대한 구 조성능을 분석하였다. 총 8개의 실험체를 제작하였 으며 반복횡하중(Racking Load) 실험과 유한요소해석 을 진행하였다. Fig. 2

    2. Structural Experiment

    2.1 실험 계획

    반복 횡하중에 대한 개구부가 설치된 구조단열패널의 구조성능을 평가하기 위해 기존 연구로서 Kermani et al.(2006)이 수행한 방법을 참고하였다. 실험체는 크기 2,400㎜×2,400㎜, 두께 117㎜로 제작되었다. 다양한 크 기의 개구부를 대상으로 실험체를 제작되었으며, 개 구부 보강처리는 상부 1면(인방)만을 시공하였다(Fig 4). 실험 결과는 Fig. 3(b)에 나타냈다. 실험은 British Standards Institution BSI. (1996a, 1996b)에 의해 수행 되었다.

    본 연구에서는 국내 시공현장에서 주로 사용되는 크기인 1,200㎜×2,400㎜, 두께 162㎜의 구조단열패널 을 2장을 연결하여 실험체를 제작하였다. 구조단열 패널 162㎜는 OSB 11㎜, 단열재 EPS 140㎜로 구성 된다.

    연구 목적은 개구부가 설치된 구조단열패널의 반복 횡하중(Racking Load)에 대한 저항성을 평가하기 위한 것이다. 국내 현장에서 시공되는 방법인 개구부 4면 보강과 국외 문헌에서 수행한 개구부 1면 보강(인방보)에 의한 구조적 거동 특성과 개구부 크기 변화에 의한 구조단열패널의 거동을 분석하기 위해 실험체를 계획하였다. 이를 위해 총 8개의 실험체를 제작하여 진행하였다(Table 1, Fig 5).

    2.2 실험체 제작

    구조단열패널 실험체 제작에 사용된 단열재(EPS)는 2종 2호(네오폴)로서 밀도는 26kg/㎥으로 KS M 3808 에 의해 제작하였다. OSB(Oriented Strand Board)는 최소 공칭두께가 11㎜(7/16인치)이며, 캐나다 생산품 으로 품질보증이 된 제품을 사용하였다.

    1,200㎜×2,400㎜ 크기의 패널 2개 사이에 구조용 목재(SPF 2&BTR)을 설치하였고, 150㎜ 간격으로 8d(0.4㎜×63㎜) 나사못을 패스너로 사용하여 고정하 였다. Table 2

    구조단열패널에 창호를 설치하기 위한 개구부의 크기는 국내 목조주택에서 가장 대중적으로 사용되 는 크기를 조사하였으며, 이를 통해 600㎜×1,200㎜를 기준 창호로 정하였다. 이것을 기준으로 1,200㎜×900 ㎜크기를 비교변수로 선정하였다. 제작은 OSB를 창 호 크기로 절단하였으며, 개구부 보강을 위한 구조 용 목재를 설치하기 위해 내부 EPS는 구조용 목재 의 두께(38㎜)만큼 추가로 절단하였다.

    2.3 실험방법

    하중은 1,000kN 용량의 Actuator를 사용하여 1.8kN/min 의 속도로 가력하였다. 3.5, 7.0, 10.5kN의 3단계로 하 중을 실험체에 균일한 속도로 적용하였다. 먼저, 3.5kN의 하중을 실험체에 가력 후 하중을 제거하였다. 두번째로 7.0kN 하중을 가력한 후, 하중을 다시 제거 하였다. 세 번째 단계에서는 10.5kN까지 하중을 증가 시킨 다음, 하중을 다시 제거하였다. 마지막으로 파 괴가 발생할 때까지 또는 총 변형이 100㎜가 될 때 까지 다시 하중을 가력하는 방법으로 진행하였다. 이러한 하중 가력 패턴은 British Standards Institution BSI(1996a), ASTM E72, KS F 2273에서 확인할 수 있다. Table 3

    구조단열패널의 변위량을 측정하기 위해 Fig. 6과 같이 패널상부 우측에 1개의 변위계를 설치하여 수 평방향 변위(Δ1)를 측정하였다. 패널 하부에 패널의 변형량을 측정하기 위해 2개의 변위계를 설치하여, 패널의 수직방향(Δ2)과 하부 수평방향(Δ3)을 계측하 였다.

    2.4 실험 결과

    개구부 4면 보강한 실험체(R612F)는 가력하중 약 27kN일 때 OSB와 EPS의 계면탈락이 시작되었으 며, 개구부를 1면 보강한 실험체(R129U)는 가력하 중 약 20kN에서 계면탈락이 시작되었다. 구조단열 패널의 파괴 형태는 개구부 보강 방법에 따라 차이 가 있었다.

    개구부 4면 보강된 실험체는 최대하중에서 하부 구조용 목재와 고정용 지그의 패스너가 절단되었고, 가력부 하단의 들림(Δ2)에 의해 실험이 종료되었다. 또한, 구조단열패널의 중앙부의 OSB에서 약 2㎜의 벌어짐이 발생하였다. 개구부 좌측 하단의 OSB 벌어 짐 현상과 더불어 EPS의 절단 현상도 함께 발생하 였다. Fig. 7, 8

    개구부의 상부 1면만 보강된 실험체는 개구부 상 하부 모든 부위에서 OSB가 벌어지는 현상이 발생하 였다. 또한, 전단력에 의해 OSB 표면의 박리현상도 함께 관찰되었다. 실험체 R612F-1은 하중 가력 도중 SIP 하부 구조목 SPF의 탈락에 의해 충분한 내력을 발휘하지 못하고 실험이 종료되었다. 개구부 설치로 인한 구조단열패널의 강성저하는 약 10%미만으로 크지 않았으며, 개구부율을 변수로 한 R612F와 R129F 실험체의 최대하중과 최대 변위에 대한 실험 결과, 개구부율 18.8%의 R129F 실험체가 각각 6%, 7% 높은 것으로 나타났다(Fig. 9).

    개구부 보강방법에 의한 구조 거동의 차이 비교 를 위해 실험체 R129F, R129U를 평가하였다. 국내 시공현장에서 사용되고 있는 개구부 4면 보강의 경 우, 1면 보강에 비해 최대하중과 최대변위가 각각 9%와 13% 증가하는 것으로 나타났다(Fig. 10).

    3. FEM Analysis

    3.1 개요

    구조 벽체로서 사용하기 위해서는 수평력에 대한 저 항성을 가지고 있어야 한다(British Standards Institution BSI. (1996b)). 이를 위해 강성이 큰 재료로 피복되거 나 모멘트에 대한 저항성을 갖게끔 사선 방향의 보강 또는 패널 연결부위에 구조 목재를 삽입하는 형태로 구성되어야 한다. 목구조 패널의 단단함과 강도는 식 (1)에 의해 결정되어야 한다.

    R a c k i n g r e s i s t a n c e o f W a l l = R b L K w
    (1)

    • Rb = basic test racking resistance British Standards Institution BSI. (1996b)

    • L = length of panels(m)

    • Kw = modification factor of material

    2,400㎜×2,400㎜ 실험체는 British Standards Institution BSI. (1996a)의 기준에 의해 수행되며, British Standards Institution BSI. (1996b)에 의해 정의된 패널과 재료들의 계수를 사용하여 횡력에 대한 저항성을 구할 수 있다.

    2,400×2,400㎜ 크기의 구조단열패널에서 최적의 개구부 크기와 설치방향을 도출하기 위해 변수해석 을 수행하였다. 반복하중을 받는 구조단열패널의 거 동을 평가하기 위해 ABAQUS 프로그램 이용한 상세 비선형 해석을 수행하였으며, 실험결과와 비교를 통 해 해석 모델에 대한 검증을 하였다. 모델화 형상은 Fig. 9(a)에 나타내었다. OSB, EPS, SPF는 솔리드 요 소 C3D8 요소로 모델화 하였다. 재료 비선형 모형으 로는 United States Department of Agriculture (2010)와 Caryn(2003)의 모형을 사용하였다. Fig. 11

    3.2 해석 모델 검증

    실험 결과(개구부율 12.5, 18.8%)와 해석 결과의 하 중-변위 관계를 Fig. 12에 나타내었다. 해석에서 OSB 개구부 주변의 파괴에 의해 내력의 저하가 발생하는 것을 확인할 수 있었다.

    각 실험체의 해석 결과의 최대하중은 개구부율 12.5, 18.8% 각각 34.8, 33.6kN으로 나타났다 이는 기 존의 실험 결과로 얻은 최대하중인 32.9, 31.0kN과 약 8%이내의 오차를 갖는 것으로 나타났다.

    해석에 의한 변형 결과는 Fig. 13에 나타내었다. 해석에서 실험과 동일한 개구부 주변의 국부적 파괴 와 개구부가 설치되지 않은 패널의 OSB의 탈락에 의한 파괴형태를 보였으며, 실험결과와 유사한 강성 과 변형형상을 확인할 수 있다. 이를 통해 수행된 해석의 모델링과 적용된 조건이 실제와 유사하며, 유한요소해석 모델링 방법의 타당성을 갖는다고 판 단된다.

    3.3 변수 해석

    검증된 해석 모델을 통해 개구부율과 설치방향에 대 해 변수해석을 수행하였다. 개구부율은 12.5%, 18.8%, 25%, 37.5 총 4가지 타입으로 해석을 진행하 였다. 개구부 설치방향은 개구부가 구조단열패널 1 면에 설치되는 경우와, 2면에 걸쳐 설치되는 경우를 변수로 해석을 수행하였다. Fig. 14, 15, 16

    3.4 해석 결과

    개구부율을 변수로 해석을 수행한 결과, 개구부율이 25% 이상인 경우에는 개구부 하부 OSB에서 응력 집중이 발생하였고, 구조단열패널 상부의 변위량이 증가하는 것으로 나타났다. 개구부의 과도한 크기로 인해 반복 횡하중에 의한 전단력이 수직보강재로 원 활하게 전이 되지 않음이 원인으로 판단된다.

    개구부 설치방향을 변수로 해석을 수행한 결과, 600㎜×1,200㎜, 1200㎜×600㎜ 크기에서는 강성과 최 대하중의 차이가 크지 않은 반면, 900㎜×1,200㎜, 1200㎜×900㎜에서는 강성과 최대하중의 차이가 크게 발생하는 것으로 나타났다. 이는 개구부 설치시 패 널 양단부의 잔존 면적의 영향으로 판단된다. Fig. 17

    4. 분석 및 고찰

    4.1 개구부율의 영향

    구조단열패널을 구조벽체로 활용함에 있어 다양한 크기의 창호설치가 필요할 것으로 예상되어 개구부 율(12.5, 18.8%)을 변수로 실험을 진행하였다. Fig. 18

    구조단열패널의 반복 횡하중에 대한 구조성능을 평가하기 위해 허용전단강도를 분석하였다. 국외 문 헌(Edward, 2006, Borjen, 2008, NTA, 2010)에서 제시 한 허용하중은 최대하중의 1/3로 정할 수 있으며, 허 용전단강도는 구조단열패널 단위 길이당 허용하중으 로 구할 수 있다.

    M a x i m u m L o a d = A l l o w a b l e L o a d × 3
    (2)

    A l l o w a b l e S h e a r L o a d = A l l o w a b l e L o a d / P a n e l L e n g t h
    (3)

    S h e a r D e f o r m a t i o n = ( Δ 1 Δ 2 ) / h Δ 3 / b
    (4)

    실험체별 실험과 해석에 의한 평균 최대하중, 허용 하중, 허용전단강도, 전단변형량의 결과를 Table 4에 나타냈다. 미국 목재 공학협회(APA)에서 실험을 통해 제시한 평균 허용하중은 14.2kN(Edward, 2006). 개구부 가 설치되지 않은 구조단열패널(RN)의 평균 허용하중 은 14.7kN로서 미국 APA에서 제시한 기준(14.2kN)과 비교하여 약 4% 상회하는 것을 알 수 있다.

    Eurocode 5에 의하면, 설계 시 2가지에 대한 검토 가 필요하다 제시하고 있다.

    • 1) 구조단열패널의 OSB가 전단강도에 저항하기 위해서는 개구부를 제외한 구조단열패널의 너비가 최소 구조단열패널 길이를 4로 나눈 값 이상이어야 한다.

    • 2) 구조단열패널에 개구부를 설치되는 경우, 개구 부 각 측면에서의 패널의 길이는 별도의 패널로 고 려되어야 한다.

    구조단열패널의 중앙부에 1,800㎜×600㎜(개구부울 19%) 크기의 창호를 설치할 경우, 위 2가지 조건에 따른다면 횡력에 대한 저항성능은 0이다. 하지만, 900㎜×2,100㎜(개구부울 33%) 크기의 창호를 구조 단열패널 중앙부에 설치하였을 경우, 횡력에 대한 저항성능은 1,800㎜×600㎜에 비해 높은 것으로 나 타났다.

    본 연구에서 실험 진행한 R612F와 R129F 실험체 에 대하여 Eurocode 5의 기준을 적용한다면, 구조단 열패널 OSB 잔존 너비는 600㎜, 길이는 600㎜이상으 로서 조건은 동일하기 때문에 유사한 결과를 나타낼 것으로 예상할 수 있다. R612F, R129F 실험체의 개 구부율은 각각 12.5%, 18.8%로서 약 50%의 차이가 있지만, 평균 허용하중 결과는 약 6%로서 크지 않 다. R612F 실험결과가 다소 높은 것은 2장의 구조단 열패널을 연결에 사용된 구조용 목재(SPF)의 단면적 손실이 없었기 때문으로 판단된다. 이를 통해 구조 단열패널의 반복 횡하중에 대한 저항성능은 개구부 의 방향, 설치 위치 그리고 패널의 연결에 사용되는 구조용 목재(SPF)가 중요 영향인자라고 판단할 수 있다.

    4.2 개구부 보강 효과

    개구부 보강에 의한 구조단열패널의 구조성능을 평 가하기 위해 R129F와 R129U 실험결과를 비교분석하 였다. 국내 시공시 주로 사용되는 개구부의 4면 보 강을 통해 약 10%의 허용하중 증가 효과가 있는 것 을 알 수 있다. 개구부 주변의 OSB에 응력이 집중되 어 파괴가 발생함으로써 구조단열패널의 내력이 손 실된다. 개구부 보강을 위한 구조용 목재(SPF)의 설 치가 OSB의 파괴를 지연시키고 구조단열패널의 내 력을 증가시키는데 효과가 있다고 판단할 수 있다.

    개구부 설치로 인한 단면적 손실과 개구부 보강이 이루어지지 않았을 경우를 고려하여 2,400㎜×2,400㎜ 구조단열패널의 허용하중과 허용전단강도는 각각 최 소 9.5kN, 4.0kN/m로 제시한다.

    5. 결 론

    개구부가 설치된 구조단열패널의 반복횡하중에 대한 구조적 거동을 실험과 유한요소해석을 통해 분석하 였다. 이를 위해 8개의 실험체에 대하여 실험과 해 석을 수행하였다. 이를 통해 다음과 같은 결론을 얻 었다.

    • (1) 본 연구에서 수행한 개구부가 설치되지 않은 구조단열패널의 반복 횡하중에 대한 허용하중은 미 국 목재공학협회에서 제시한 기준(14.2kN) 대비 약 4%이상 높게 나타났으며, 이를 통해 국내 현장에서 사용되고 있는 일반 구조단열패널에 대해 구조적 성 능을 확인하였다.

    • (2) 개구부율을 변수로 한 실험과 해석 결과를 통해 Eurocode5의 구조단열패널 설계 조건을 확인하 였다. 개구부가 설치된 구조단열패널의 반복 횡하중 에 대한 저항성능의 중요 영향인자는 개구부의 방 향, 설치 위치 그리고 패널의 연결에 사용되는 구조 용 목재(SPF)로 판단된다.

    • (3) 구조단열패널의 개구부 보강법을 변수로 한 실험 결과를 통해, 국내 구조단열패널 시공현장에서 사용되고 있는 개구부 4면 보강방법이 국외 문헌에 서 수행한 개구부 1면 보강방법 대비 약 10%의 허 용하중 증가 효과가 있었으며, 이를 통해 구조적 성 능을 확인하였다. 이는 개구부 보강에 사용된 구조 용 목재가 구조단열패널의 주요 구조 부재인 OSB 의 파괴를 지연시키는데 효과가 있기 때문으로 판 단된다.

    • (4) 국외 설계기준(APA), 해외 문헌(Kermani, 2006)과 본 연구 결과의 비교평가를 통해 개구부가 설치된 2,400㎜×2,400㎜ 구조단열패널의 허용하중 과 허용전단강도를 각각 최소 9.5kN, 3.9kN/m로 제 시한다.

    ACKNOWLEDGMENT

    This experimental study had been conducted under the financial support provided by Korea Electric Power Research Institute The support is appreciated.

    Figure

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    Frequency of earthquakes in recent 5 years (Statics Korea)
    KOSACS-9-40_F2.gif
    Structural Insulated Panel(Thermapan, 2007)
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    Results of Previously Studies
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    Details of Specimens(Kermani, 2006)
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    Details of SIP Specimens
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    Setting plan of Specimen and Loading Pattern
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    Setting of Specimen and LVDT
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    Fracture shape
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    Load-Displacement of SIP
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    Load-Displacement of SIP
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    Boundary Condition and Analysis model
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    Load-Displacement Graph
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    Deformed shape by Analysis
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    Load-Displacement Graph(Opening ratio)
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    Deformed shape by Analysis (Opening ratio)
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    Load-Displacement Graph (Opening direction)
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    Deformed shape by Analysis (Opening Direction)
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    Allowable Load and Shear Strength of Specimens

    Table

    Specimens List
    Material Properties
    List of Parameters(Opening ratio) Analysis
    Results of Experiments and Analysis

    Reference

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