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주거용 건물의 평강 지붕 막에 우박이 미치는 영향 모델링
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주거용 건물의 평강 지붕 막에 우박이 미치는 영향 모델링

Jul 28, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 19836(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

금속 지붕 패널은 주거용 및 상업용 건물에 일반적으로 사용됩니다. 우박에 노출된 강철 패널은 찌그러짐 저항성에 대해 아직 적절한 테스트를 거치지 않았습니다. 전체 테스트 설정을 분석하기 위해 유한 요소 모델(FEM)이 사용되었습니다. 인공 우박과 충돌 후 손상되지 않은 자연 우박을 비교하기 위해 서로 다른 종단 속도에서 서로 다른 크기의 인공 우박을 서로 다른 강판에 충돌시켰습니다. 시뮬레이션과 재료 특성은 실험 결과를 FE 모델과 비교하여 평가됩니다. 운동에너지와 응력을 기반으로 함몰 깊이를 예측하는 방정식도 제시됩니다. 이 연구의 결과는 우박 및 지붕 패널의 파손 모드와 덴트 저항에 미치는 영향에 대한 더 나은 이해를 제공합니다. 본 연구에서는 관찰 및 수치 시뮬레이션 결과가 해석 모델의 결과와 잘 일치했습니다. 결과적으로 제안된 방정식은 유한 요소 모델로 얻은 덴트 깊이에 비해 덴트 깊이를 과대 평가하는 반면, 방정식은 강판에서 발견된 덴트 깊이를 과소 평가합니다.

우박 폭풍은 지붕을 심각하게 손상시킬 수 있습니다. 공기 흐름에 따라 우박 폭풍 중에 직경 최대 45mm의 우박이 관찰될 수 있습니다. 우박 폭풍 관련 피해는 종종 지붕 손상과 관련이 있습니다. 문헌에서는 여전히 우박 폭풍으로 인해 지붕이 심각한 손상을 입을 수 있다고 암시하고 있습니다. 누수 또는 기타 눈에 보이는 손상이 없으면 지붕에 우박 손상이 보이지 않습니다. 또한, 충격 후에도 단단하게 남아 있는 우박은 심각한 피해를 입힙니다. 지붕 재료의 우박 파괴를 정확하게 평가하려면 우박의 영향을 통한 거동을 시뮬레이션하는 것이 중요합니다. 자연적인 우박은 부서지지 않기 때문에 부서져도 에너지가 손실되지 않기 때문에 더 많은 피해를 입힙니다1. 또한, 고속 충격에도 인공우박이 온전하게 유지될 수 있는 방법이 개발되어야 한다. 액체 질소는 고속 충격 후에도 온전하게 유지될 수 있는 우박을 생성하는 데 사용됩니다. 천연 우박과 마찬가지로 인공 우박도 균일하고 밀도가 높습니다. 특히 동적 조건에서 강판의 내덴트성을 정확하게 결정하려면 충격 시 우박의 현실적인 거동을 얻는 것이 필요합니다. 지붕 시스템의 고장 위험은 우박 크기, 우박 속도, 지붕 판 형태 및 극한 응력과 같은 중요한 요소와 함께 평가되어야 합니다. 지금까지 이런 종류의 연구는 없었다. 본 연구에서는 덴트 저항성을 결정하기 위해 계산 및 실험 테스트가 사용되었습니다. FE 시뮬레이션은 Abaqus 소프트웨어2를 통해 수행되었습니다. 이 연구의 새로운 측면은 실험실 테스트를 통해 검증된 우박의 유한 요소 분석을 수행하는 것입니다. 주요 초점은 우박 폭풍 후 강판의 찌그러짐 깊이에 있습니다. 왜냐하면 하중 방향에 따라 두께가 달라지기 때문입니다.

인공 우박이 외부에서 내부로 얼면 공기가 외부 껍질에 모입니다. 국부적으로 유지되는 갇힌 공기의 결과로 우박에는 약점이 있습니다. Kim et al.3과 Flüeler et al.4는 Tippmann5에 의해 복제된 합성 우박을 생성하기 위해 얕은 층을 사용했습니다. 실제 우박은 바닥부터 끝까지 양파 층과 유사한 층 구조를 가지고 있습니다. 따라서 이 방법으로 생성된 모든 우박은 단단한 표면에 부딪히면 부서집니다. Allaby와 Garratt6의 침지 방법은 드라이아이스 위에서 배아를 성장시킨 다음, 상단에 구멍이 있는 탁구공에 넣어 끓는 물에 얼리는 것입니다. 이 과정에서 우박은 구형이었고 바깥층은 투명했습니다. 테스트된 12개 모델 중 하나는 첫 번째 충격 테스트에서 살아남았지만 완벽하게 둥근 모델은 없었습니다. 충격 후에 얼음 구체는 인장 강도를 증가시켜 견고성을 유지할 수 있습니다. Gold7이 실시한 연구에 따르면 파이크리트로 알려진 물질은 얼음과 매우 다른 특성을 가지고 있는 것으로 나타났습니다. 얼음의 인장강도를 높이기 위해 면섬유나 폴리프로필렌 섬유가 포함됐다. Wu8에 따르면 인공 우박은 PVA 기반 접착제와 극세사로 강화되었지만 매개변수는 크게 변경되지 않았습니다. 인공 우박은 두께 0.55mm의 G300 강철판에 거의 30m/s의 속도로 발사되었습니다. 88%의 끓는 물과 PVA 접착제로 만든 얼음 공만이 충격 테스트를 통과했습니다. 우박에 PVA를 혼합하면 고무처럼 작용합니다9,10. 여기서 최초로 액체질소와 물로 인공 우박을 만들었다는 사실이 문헌에 보고됐다. 인공 우박을 만드는 데에는 88% 탈염수와 12% PVA의 혼합물이 사용되었습니다. 더 높은 종단 속도로 강철 지붕에 충격을 가할 때 액체 질소로 생성된 인공 얼음 우박은 그대로 유지되었습니다.