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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.49-58
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2018.9.4.049

Structural Characterization of Structural Insulated Panels(SIP) under Eccentric Axial Loading

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 23, 2018 November 19, 2018 November 22, 2018

Abstract


Eccentric axial 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 related research has been carried out variously. However, in Korea, the research on the performance of the structural insulated panels is very small, and the related standard is not provided. In this study, the eccentric axial load was applied after the opening was installed to utilize the structural insulated panels as the structural wall. The size of the test specimen is 1200×2400㎜. The number of test specimens was 7, and 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 and the structural behavior of the structural adiabatic panel subjected to eccentric axial load with the opening size as a parameter was analyzed through finite element analysis. Through this, we propose an optimal opening size suitable for the structural insulated panels.



편심축하중을 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


본 연구에서는 구조단열패널을 구조 벽체로서 활용하기 위하여 개구부를 설치한 후 편심축하중 실험 및 해석을 수행 하였다. 실험체의 크기는 1200×2400㎜이다. 실험체는 7개로서 개구부의 크기와 개구부 보강방법, 강재를 시용한 구조단열패널 보강을 변수로 하여 진행하였다. 구조단열패널에 대하여 개구부 설치에 따른 구조적 거동을 분석하기 위한 변수해석을 수행하 였다. 구조성능 실험 결과와의 비교분석을 통해 해석에 대한 검증을 하였고, 개구부 크기를 변수로 하여 편심축하중을 받는 구 조단열패널의 구조적 거동을 유한요소해석을 통하여 분석하였다. 이를 통해 구조단열패널에 적합한 최적의 개구부 형상을 제안 하고자 한다.



    1. Introduction

    최근 10년간 국내 목조주택의 착공동수는 꾸준히 증 가하는 것으로 나타났다. 국토교통부 자료(2016년 기 준)에 따르면 국내 전체 건축물 착공동수 231,972동 중 6.5%에 해당하는 15,266동이 목구조로 지어진 것 으로 분석되었다. 목조건축 시대가 본격화 되는 시점 이라고 전망할 수 있다. 건강(Health)과 친환경 (Eco-friendly)가 미래성장의 핵심 키워드로 자리 잡아 가고 있기 때문에 친환경 건축 소재인 목재가 갖는 특성에 대한 관심이 높아져서 그렇다고 할 수 있다.

    또한, 최근 경북 포항과 경주 지역에서 발생한 지진에 대한 영향도 크게 작용하였다고 판단된다. 가까운 일본의 경우, 1995년 규모 7.2의 고베 대지진 은 사상자가 약 1만 9천여 명, 가옥 완전파괴 6만 7 천여 동, 반파 5만 5천여 동이라는 큰 피해를 일으 켰다. 이러한 피해 속에서도 내진 설계된 목조 주택 은 온전한 모습을 유지하고 있어 목조 주택의 우수 성이 증명되었다.

    본 연구에서는 목구조에서 사용되는 여러 소재 들 중 구조단열패널(Structural Insulated Panels, SIP)의 구조적 성능을 확인하고자 한다. 친환경 소재인 목 재를 주재료로 활용함으로서 북미와 유럽 등의 주택 시장에서 활발하게 적용되고 있는 구조재인 구조단 열패널은 OSB(Oriented Strand Board)와 EPS (Expanded Polystyrene)로 구성된다. 구조단열패널은 별도의 기둥을 설치하지 않고, 내력벽체로서 외력에 저항하는 부재로 활용되고 있다. 구조단열패널의 제 작은 단열재 역할을 하는 EPS의 양쪽에 접착제를 도포한 후, 구조재로서 내력을 발휘하는 목질판 (OSB)을 압착하는 형태로 이루어진다. 외부에 위치 한 OSB는 압축력과 인장력에 저항하고, 내부에 위치 한 EPS가 전단력에 저항하는 형태이다. 구조단열패 널의 연결부와 개구부의 주변은 SPF(Spruce-Pine- Fir) 소재의 구조목이 삽입되어 보강이 이루어진다. Fig 1

    구조단열패널을 구성하는 요소는 일반 목구조에 비해 단순하기 때문에 열교현상(Thermal Bridging)에 대해 우수한 성능을 발휘할 수 있다. 구조단열패널 은 열 소모가 적고 에너지 비용이 전혀 들지 않는 연속적인 전체 벽 시스템을 생성하므로 에너지 효율 이 매우 높다. 물질의 에너지 효율성을 측정하는 주 요 계수 R factor는 단열재의 성능에 의해 결정된다. 구조단열패널의 R값은 중심부의 단열재 타입과 두께 에 의해 결정된다. 결과적으로 구조단열패널로 외벽 이 구축된 건물의 R값은 종래의 기존 목구조보다 매 우 높다(Lee, 1977).

    국내 구조단열패널에 대한 연구(Nah. et al 2012, 2013)는 구조단열패널의 구조적 성능 평가를 위해 개 구부가 설치되지 않은 패널을 대상으로 편심축하중, 반복하중, 면내가력하중, 인방보 실험 등을 진행하였 다. 이를 통해 국외 문헌(NTA,2010; Edward, 2006)에 서 제시한 구조단열패널의 구조적 거동 특성과 비교 분석하여 구조적 성능이 확보됨을 확인하였다. Fig 2

    Kermani(2006)가 수행한 연구에서는 창호와 문 등 의 설치를 위해 개구부를 설치한 후, 수평력(Racking Shear)을 반복 가력하는 실험을 수행하였다. 이를 통 해 구조단열패널이 벽체로서 저항하는 강성이 충분 함을 실험적으로 입증하였다. 하지만, 실험에 사용된 실험체의 개구부는 인방보만 보강이 이루어졌다. 이 는 국내 구조단열패널 시공현장에서 주로 사용하는 개구부 보강 방법과는 차이가 있다. 국내 시공에서 는 창호 설치의 편리성을 위해 개구부의 4면 모두 구조목으로 보강을 하고 있다.

    Zarghooni(2009)는 구조단열패널의 장기간에 걸친 크리프 실험을 수행하였으며, 그 결과 기존의 목재 프레임만큼 우수한 결과를 나타냄을 확인하였다.

    본 연구에서는 국내 현장에서 시공되고 있는 방 법에 의한 구조단열패널 개구부의 4면 보강과 국외 문헌에서 수행한 방법인 상부 1면(인방보)만을 보강 한 경우의 구조적 거동 특성을 분석하고, 개구부 크 기에 의한 구조단열패널의 내력 변화를 분석하고자 한다. 또한, 구조단열패널의 내력이 부족한 경우, 이 를 해결하기 위한 방안으로 강판을 구조단열패널 외 부에 부착 보강하였을 경우의 내력 증가에 대해 평 가하고자 한다. 이를 위해 총 7개의 실험체를 제작 및 실험하였으며, 유한요소해석을 진행하였다. Fig 3

    2. Analytical study

    미국 목재공학협회(APA, 1990)는 휨과 축 방향 하중 의 조합에 대한 상호 작용 방정식을 정의하였다. 풍 하중이 있는 벽 패널 또는 휨 및 축 방향 응력이 있 는 다른 패널을 설계 할 때 다음과 같은 결합 하중 방정식을 사용할 수 있다

    단열재 EPS 두께는 강도 보다는 단열에 대한 요 구 사항을 반영하여 결정된다. 따라서, 구조단열패널 은 식 (1)∼(6)의 절차에 따라 설계가 이루어진다.

    설계에 의한 등분포 휨하중, 축하중은 구조재인 OSB 면적에 의해 결정된다.

    A 1 + A 2 = P F c
    (1)

    구조단열패널의 중립축은 식(2) 방정식에 의해 찾을 수 있다.

    y = A 1 ( h t 1 / 2 ) + A 2 ( t 2 / 2 ) A 1 + A 2
    (2)

    샌드위치 패널 단면에 대한 단면2차모멘트와 단 면 계수는 각각 식 (3)에 의해 결정된다.

    I = A 1 A 2 ( h + c ) 2 4 ( A 1 + A 2 ) S 1 = I h y ¯ S 1 = I y ¯
    (3)

    기둥 좌굴 하중을 찾기 위해 식(4)의 복합 단면 특성을 기반으로 오일러 공식을 사용한다.

    S 1 = π 2 E I ( 12 L ) 2 + [ 1 + π 2 E I ( 12 L ) 2 × 6 ( h + c ) G c ]
    (4)

    구조단열패널의 구조재인 OSB의 좌굴은 식(5)에 의해 결정된다.

    C c r = 0.5 E E c G c 3
    (5)

    패널 응력의 최대 휨은 초기 횡 방향 하중 변형 을 통해 작용하는 축 방향 하중에 의한 휨 Δmax를 포함하여 다음 식(6)에 의해 결정된다.

    f b max = 1.5 w L 2 + P Δ max S 1
    (6)

    샌드위치 패널의 최대 조합 응력은 패널 길이방 향의 중앙부 또는 중간 높이에서 발생하며, 작용된 축 방향 응력과 패널의 압축측 휨 응력 합으로 구할 수 있다.

    3. Structural experiment

    3.1 Experiment plan

    실험방법과 세팅 등을 위해 참고한 Hassan(2014)은 구조단열패널의 편심축하중에 대한 실험적 평가를 수행하였다. 실험체의 크기는 2,750㎜×1,220㎜, 두께 165㎜이며, 총 3개의 실험체를 제작하였다(Table 1). 실험은 ASTM 72-10(2010)의 방법에 의해서 수행되 었다. 실험결과, 전단력과 휨에 구조단열패널 하부 고정 피스가 파단되고, 하부 OSB에 사선방향의 균열 이 발생하면서 파괴가 이루어져 구조단열패널의 변 형이 급격하게 발생하였다. Fig 4

    본 연구에서는 국내 시공현장에서 주로 사용되는 치수인 1,200㎜×2,400㎜, 두께 162㎜의 구조단열패널 을 사용하여 실험체를 제작하였다. 구조단열패널 162 ㎜는 OSB 11㎜, 단열재 EPS 140㎜로 구성된다.

    연구의 목적은 개구부가 설치된 구조단열패널의 편심축하중에 대한 저항성을 평가하기 위한 것이다. 이를 위해 국내 현장에서 시공되는 방법인 개구부 4 면 보강과 국외 문헌에서 수행한 개구부 1면 보강 (인방보)에 의한 구조적 거동 특성과 개구부 크기 변 화에 의한 구조단열패널의 거동을 분석하기 위해 실 험체를 계획하였다. 또한, 구조단열패널 보강방법으 로서 강판을 구조단열패널 압축면에 부착하여 보강 효과를 평가하였다. 이를 위해 총 7개의 실험체를 제작하였다.

    3.2 Manufacture of specimens

    구조단열패널 실험체 제작에 사용된 단열재는 2종 2 호(네오폴), 밀도는 26kg/㎥으로 KS M 3808에 의해 제작하였다. 단열재 두께는 140㎜로 구성하여 에너 지효율 향상을 고려하였다. 이는 국내 4계절 기후 평균에 적합한 단열재 두께로서, 기후 편차가 큰 지 역의 경우 단열재(EPS) 두께를 달리하여 사용할 수 도 있다. OSB(Oriented Strand Board)는 최소 공칭두 께가 11㎜(7/16인치)이며, 캐나다 생산품으로 품질보 증이 된 제품을 사용하였다. 접착제는 OSB와 단열 재를 부착하기 위한 재료로서 ASTM D2559-12a (2018)에서 규정하는 구조 목재용 접착제 성능에 적 합한 재료를 사용하였다. 구조단열패널의 구조용 목 재에 OSB를 연결하기 위해 사용된 패스너는 ASTM F1575-17(2017)에 부합하는 8d(0.4㎜×63㎜) 나사못을 사용하였다. 구조단열패널에 사용된 구조용 목재는 SPF(Spruce-Pine-Fir) 2&BTR 등급의 목재를 사용하였 다. AE66FS 실험체는 추가적인 내력 보강이 필요한 경우를 위해 구조단열패널 압축측 OSB 외부면에 1.2㎜ 아연도금강판을 부착하여 제작하였다.

    3.3 Experiment setup

    실험방법은 2,000kN 용량의 UTM(Universal Testing Machine)을 사용하여 실험체의 내력 저하가 발생하 는 시점까지 하향 단조가력 하였다. 편심축하중을 균 등하게 분포시키기 위해 UTM 상부에 강재를 활용한 지그를 설치하였다. 또한, 실험체의 고정을 위하여 구조단열패널 하부에 이탈방지를 위한 고정 지그를 설치하였다(Fig 5). 실험체의 상하단의 단부에 변위 계를 설치하여 길이방향 변형량을 측정하였다. 실험 체 중앙부 양쪽에 변위계를 설치하여 휨에 의한 면 외 변형량을 측정하였다.

    변위계의 측정 단위는 0.25㎜이하 크기까지 표시 가 가능한 것을 사용하였다. 실험체의 면내 변형량 을 측정하기 위해 상하부 끝부분에 변위계를 설치하 였다. 하중 가력은 실험체를 하단에 평평한 단부가 있는 기둥으로 가정하여 진행하였다(Fig. 6). 실험체 의 위쪽 끝을 덮고 있는 스틸 플레이트에 압축 하중 을 적용하였다. 안쪽 면에 평행을 이루고 있는 라인 을 따라 안쪽 면으로부터 실험체 두께의 1/3(편심)에 하중을 균일하게 적용시켰다. 하중 가력은 공칭 0.8 ㎜/min의 속도로 진행하였다(Fig. 5)

    3.4 Experiment results

    가력하중 40∼60kN에서 압축측 OSB와 EPS 계면탈 락이 발생하였으며, 가력하중 80kN에서 탈락하는 빈도가 증가하였다. 개구부의 보강 여부에 따라 계 면탈락 위치에 차이가 있었다. 개구부 4면 보강한 실험체(AE66F, AE69F)는 OSB 상부에서 계면탈락 이 집중된 반면, 개구부 상부 1면만 보강한 실험체 (AE69U)는 실험체 상하부에서 동시에 계면탈락이 발생하였다. 개구부 4면 보강 실험체는 OSB 개구 부 측면 파괴와 개구부 하부 주변부에서 2∼3㎜ 이 격이 발생하였다. 개구부 1면만 보강한 실험체는 인장측 OSB 하부에서의 파괴도 동시에 발생하였 다. Fig. 7

    개구부 설치로 인한 구조단열패널의 강성저하는 약 50%인 것으로 나타났으며, 개구부율을 변수로 한 AE66F와 AE69F의 최대하중과 최대 변위에 대한 실 험 결과는 개구부율 18.8%의 AE69F 실험체가 각각 13%, 5% 높은 것으로 나타났다(Fig. 8).

    개구부 보강방법에 의한 구조 거동의 차이 비교 를 위해 실험체 AE69F, AE69U를 평가하였다. 국내 시공현장에서 사용되고 있는 개구부 4면 보강의 경 우, 1면 보강에 비해 최대하중과 최대변위가 각각 13%와 16% 증가하는 것으로 나타났다.

    개구부 설치로 인한 구조단열패널의 단면적 감소 는 내력의 저하로 이어질 수 있다. 이에 대한 보강 방법으로 구조단열패널 외면에 강판(steel plate)를 부 착하여 해소하고자 하였다. 강판 부착(AE66FS)을 통 해 최대하중은 약 95% 증가, 변위는 약 50% 감소하 는 것으로 나타났다.

    4. FEM analysis

    4.1 Outline

    구조단열패널의 개구부 세로 길이에 변화를 주어 1,200×2,400㎜ 크기의 구조단열패널에서 최적의 개구 부 치수를 도출하기 위해 변수해석을 수행하였다.

    편심축하중을 받는 구조단열패널의 거동을 평가 하기 위해 ABAQUS 프로그램 이용한 상세 비선형 해석을 수행하였으며, 실험결과와 비교를 통해 해석 모델에 대한 검증을 하였다.

    모델화 형상은 Fig. 9(a)와 나타내었다. OSB, EPS, SPF는 솔리드 요소 C3D8 요소로 모델화 하였다. 재 료 비선형 모형으로는 United States Department of Agriculture (2010)와 Caryn(2003)의 모형을 사용하였 다. OSB, EPS, SPF 접합면은 완전 결합을 가정한 tie 요소를 적용한 것으로 가정하였다. 하중은 축력과 모멘트를 동시에 발생시킬 수 있게끔 SIP 상부 두께 의 1/3 지점에 가력하였다. 실험 조건과 동일하게 가 력점과 SIP 하부는 X, Y 방향을 제외하고 모두 고정 하여 회전하지 않도록 구속하였다.

    4.2 Verification of analysis model

    실험 결과(개구부율 12.5, 18.8%)와 해석 결과의 하 중-변위 관계를 Fig. 10에 나타내었다. 해석에서 OSB 개구부 주변의 파괴에 의해 내력의 저하가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 각 실험체의 해석 결과 최 대하중은 개구부율 12.5, 18.8% 각각 118, 137kN으로 나타났다 이는 기존의 실험 결과로 얻은 최대하중인 116, 131kN과 5%이내의 오차를 갖는 것으로 나타났 다. 해석에 의한 변형 결과는 Fig. 11에 나타내었다. 해석에서 실험과 동일한 개구부 주변의 국부적 파괴 가 발생하는 파괴형태를 보였으며, 실험결과와 유사 한 강성과 변형형상을 확인할 수 있다. 이를 통해 수행된 해석의 모델링과 적용된 조건이 실제와 유사 하며, 유한요소해석 모델링 방법의 타당성을 갖는다 고 판단된다.

    4.3 Parameters analysis

    검증된 해석 모델을 통해 개구부율에 의한 변수해석 을 수행하였다. 개구부의 세로길이에 변화를 주어 개구부율의 크기를 12.5, 18.8, 25.0, 37.5% 총 4가지 타입으로 선정하여 해석을 진행하였다.

    4.4 Analysis results

    Fig. 12(a) 하중-수직변위 그래프에서, 개구부 크기 600×600은 낮은 초기강성과 취성파괴 형태를 나타낸 반면, 600×900에서 600×600에 비해 초기강성이 16% 높게 나타났으나, 충분한 연성적 거동 없이 파괴가 발생하였다. 600×1,200에서 연성적 거동을 보이며, 안정적으로 거동하는 것으로 나타났으며, 600×1,800 은 연성적 거동을 보이기는 하나, 낮은 강성과 최대 하중을 보이며 해석이 종료되었다. Fig. 12(b)의 하중 -수평변위 그래프에서, 개구부 크기 600×600과 600×1,800은 휨에 대한 저항성능이 낮은 것을 확인 할 수 있다.

    5. Discussion

    5.1 Effect of opening ratio

    구조단열패널을 구조벽체로 활용함에 있어 다양한 크기의 창호설치가 필요할 것으로 예상되어 개구부 율(12.5, 18.8%)을 변수로 실험을 진행하였다. 개구부 율이 증가하면 편심축하중에 의한 내력이 줄어들 것 으로 예상하였으나, 평균 허용전단강도(kN/m)가 약 13%가 높은 것으로 나타났다. 실험결과는 구조단열 패널의 구조부재인 OSB와 개구부 보강에 사용된 수 직보강재와의 부착길이(사용된 패스너의 수량 약 40% 증가)가 영향을 미친 것으로 판단된다. 하지만, 개구부율이 적은 실험체(AE66F)의 수량이 한 개로 적기 때문에 추가 실험을 통해 정확한 원인 규명이 필요하다고 판단된다. Fig. 13

    미국 목재공학협회에서 제시하고 있는 2,438㎜× 2,438㎜(96inch), 두께 165㎜(6.5inch) 일반 구조단열패 널의 허용축하중과 허용전단강도는 각각 126kN, 35kN/m이다. 개구부가 설치되지 않은 AE 실험체의 허용전단강도는 제시된 미국 협회 기준과 비교하여 약 9% 높은 것으로 나타났다. 또한, 개구부 보강된 AE69F 실험체는 기준을 약 5% 상회하는 결과를 보 이고 있다. 하지만, 더 우수한 결과를 나타낼 것으로 예상된 AE66F 실험체는 기준 대비 8% 낮은 결과를 보임으로써, 실험 진행과정에서 일부 오류가 있었을 것으로 예상된다. 또한, 수평 변위를 측정하는 LVDT 의 이상으로 실험 data의 확보에도 실패하였다. Fig. 14

    미국 목재가공협회에서는 일반 구조단열패널의 수평변위에 대한 한계값(3.2㎜)도 제시하고 있다. 개 구부가 설치되지 않은 AE 실험체와 개구부 보강이 된 AE69F 실험체는 한계값 이하로 나타내었다. 개구 부율에 의한 구조단열패널의 구조적 거동을 정확하 게 평가할 수는 없으나, 18.8%의 개구부율이 구조단 열패널에 설치가 되더라도, 미국 목재공학협회의 허 용강도와 수평변위의 한계값을 만족시키는 거동을 나타낸다고 할 수 있다. Fig. 15

    5.2 Effect of opening reinforcement

    국내 현장에서 활용되고 있는 구조단열패널 개구부 보강법의 효과에 대한 확인하였다. 국외 문헌 (Kermani, 2006)에 의하면, 실험체의 경우 개구부 보 강을 상부 1면(인방보)만을 처리하였다. 국내의 경우, 개구부에 설치되는 창호 설치의 용이함과 개구부 보 강을 위해 개구부 4면 보강을 기본으로 시공하고 있 다. 동일한 개구부율을 갖는 구조단열패널의 개구부 4면 보강시 허용전단강도와 수평 변위가 각각 14%, 20%의 높은 것으로 나타냈다. Fig. 16

    개구부 4면 보강은 허용전단강도와 수평변위 모 두 미국 공학협회의 한계값을 만족시키고 있으나, 상부 1면만을 보강한 구조단열패널은 한계값을 만족 시키지 못하였다. 구조단열패널의 주요파괴 형태중 하나는 개구부 주변의 OSB 균열이다. OSB와 수직보 강재의 패스너를 이용한 결합을 통해 개구부의 OSB 에 집중되는 하중을 일부 수직보강재로 전이시킴으 로서 개구부 보강이 가능하다고 할 수 있다. 이를 통해 구조단열패널의 창호 설치를 위한 개구부 시공 을 한다면, 반드시 4면 보강이 필요하다고 판단된다. 구조단열패널을 활용함에 있어, 구조적 내력이 부족 하거나 추가적 보강이 필요한 경우, 구조단열패널 OSB의 바깥면에 강판을 부착하여 부족한 내력을 증 가시킬 수 있다. 이를 위해 강판으로 보강된 구조단 열패널 AE66FS와 AE, AE66S 실험체를 비교평가하 였다. AE 실험체는 실험 진행 오류로 인해 예상보다 낮은 허용전단강도와 수평변위를 얻어 비교평가하기 에는 어려움이 있다. 개구부가 설치되지 않은 AE 실험체와의 비교평가 결과, 허용전단강도는 약 65%, 수평변위는 10% 높은 결과값을 나타냈다. 또한, 미 국 목재공학협회의 기준값을 만족시키고 있다.

    구조단열패널의 강판 보강 효과를 확인하였으 며, 이를 통해 실험에 적용한 개구부율(18.8%) 보 다 큰 도어 설치를 위한 개구부 등에는 강판 보강 을 통해 구조적 성능을 확보할 수 있을 것으로 판 단된다.

    6. Conclusion

    개구부가 설치된 구조단열패널의 편심축하중에 대한 구조적 거동을 실험과 유한요소해석을 통해 분석하 였다. 이를 위해 7개의 실험체에 대하여 구조실험을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.

    • (1) 본 연구에서 수행한 개구부가 설치되지 않은 구조단열패널의 편심축하중에 대한 허용축하중은 미 국 목재공학협회에서 제시한 기준(126kN) 대비 약 9%이상 높게 나타났으며, 이를 통해 국내 현장에서 사용되고 있는 일반 구조단열패널에 대해 구조적 성 능을 확인하였다.

    • (2) 국내 목구조 주택 시공 현장에서 보편적으로 사용되고 있는 창호의 크기는 600㎜×900㎜ 또는 600 ㎜×1,200㎜이다. 이 중 600㎜×900㎜ 크기의 개구부를 1,200㎜×2,400㎜ 구조단열패널에 시공하였을 경우, 미국 목재공학협회에서 제시한 한계값을 만족함을 확인하였다. 실험에서 확인한 치수 이상의 개구부 설치가 필요하다면 보강효과가 확인된 강판 보강 또 는 구조부재인 OSB의 두께를 증가시킴으로서 가능 하다고 판단된다.

    • (3) 국내 구조단열패널 시공에서 사용되고 있는 개구부 4면 보강은 허용전단강도와 수평변위 모두 미국 공학협회의 한계값을 만족시키고 있으나, 상부 1면만을 보강한 구조단열패널은 한계값을 만족시키 지 못하였다. OSB와 수직보강재의 패스너를 이용한 결합을 통해 개구부에 집중되는 하중으로 인한 OSB 의 파괴를 지연시킬 수 있다고 판단된다. 이를 통해 구조단열패널의 창호 설치를 위한 개구부 시공을 한 다면, 반드시 4면 보강이 필요하다고 판단된다.

    • (4) 개구부가 설치된 구조단열패널의 구조적 보 강이 필요한 경우, 강판 부착을 통해 해결할 수 있 다. 개구부 설치로 인한 구조부재 OSB의 단면 손실 을 강판 보강 실험을 통해 보완할 수 있다. 강판 보 강을 통해 강성은 약 50%, 최대 내력은 약 2배 증가 하는 것을 확인하였다.

    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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    Wooden house construction trend(MOLIT)
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    Diagram of Structural Insulated Panels
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    Setup of Experiment
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    Details of SIP Specimens
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    Jig Setting
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    Setting Figuration of SIP
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    Fracture shape
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    Load-Vertical displacement of SIP
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    Analysis model and Boundary Condition
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    Load-Displacement Graph
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    Deformed shape by Analysis
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    Load-Displacement Graph
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    Load-Horizontal Displacement of SIP
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    Allowable Shear Strength and Horizontal Displacement of Specimens
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    Allowable Shear Strength and Horizontal Displacement of Specimens
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    Allowable Shear Strength and Horizontal Displacement of Specimens

    Table

    Results of Experiment(Hassan, 2014)

    Reference

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