출처: http://www.irbnet.de/daten/iconda/CIB18795.pdf
많은 장점으로 인해 샌드위치패널(판넬)의 사용은 점점 더 증가하고 있습니다. 그러나 과학적으로 샌드위치패널(판넬)의 최적화는 아직 이루어지지 않았습니다. 샌드위치패널(판넬) 생산 업체는 주로 제조 공정과 관련하여 제품의 선택적인 최적화 작업을 수행했습니다. 현재 프로젝트에서 최적화의 목표는 하중을 지지하는 허용량과 샌드위치패널(판넬)의 비용이 최적화되는 방식으로 금속 표면의 형상과 단열재의 특성을 조정하는 것입니다. 생산 기술도 고려해야 합니다. 이것은 주로 샌드위치패널(판넬)의 하중 지지 용량을 결정하는 수많은 매개 변수로 인해 매우 광범위합니다.
금속 시트의 최적 형상과 단열재의 최적의 기계적 특성은 이론적 조사를 바탕으로 개발되어야 하며, 다음의 기계적 테스트에서 확인해야합니다. 첫 단계에서는 사용된 재료의 달성할 수 있는 기계적 특성이 결정됩니다. 그 후 가장 큰 스팬을 얻기 위해서 기계적 특성과 샌드위치패널(판넬)의 형상을 조합할 수 있습니다. 따라서 샌드위치패널(판넬)의 높은 하중 지지력 및 모든 기계적 특성의 높은 활용도를 동시에 달성하는 것이 중요합니다.
수행된 조사는 샌드위치패널(판넬)의 최적화 가능성을 보여줍니다. 비용을 크게 증가시키지 않고 더 큰 스팬을 달성하는 것은 단열재 속성을 변경해야만 가능합니다. 또한 금속 시트의 최적화에 대한 중요한 가능성을 인식하였습니다. 금속 시트의 품질과 형상을 다양화할 가능성이 있습니다. 샌드위치패널(판넬)의 특성을 결정하는 수많은 매개 변수는 최적화를 복잡한 절차로 전환합니다. 그러나 다른 한편으로는 최적화 프로세스에서 다양한 대안을 제공합니다.
1. 서론
1) 샌드위치패널(판넬) 구조
건축 공학에 사용되는 샌드위치패널(판넬)은 일반적으로 두 개의 얇은 고밀도 면 사이에 밀도가 낮은 두꺼운 단열재로 구성됩니다. 재료는 여러 가지 가능한 조합으로 구성할 수 있습니다. 예를 들어, 얇은 금속면의 피복층에는 아스팔트 멤브레인, 목재 판, 유리섬유 강화 플라스틱 등이 사용될 수 있습니다. 대부분의 경우 단열재 층은 폴리우레탄(PIR), 폴리스트렌(PS) 또는 광물섬유 단열재(GW, MW)와 같은 구조화된 폼을 만들어집니다.
샌드위치패널(판넬)은 산업 및 상업용 건물에서 경량 지붕 및 벽 외장으로 사용됩니다. 일반적으로 구조물은 자체 중량, 눈 및 바람 하중과 같은 영구적인 하중으로 하중을 받습니다. 그러나 샌드위치패널(판넬)에 대한 정적 계산을 고려할 때 외부 밑 내부면 사이의 온도 차이 또는 단열재의 변화와 같은 추가 하중을 고려해야 합니다.
샌드위치패널(판넬)의 높은 하중 지지력은 단열재와 피복층 사이의 견고한 결합의 결과입니다. 휨 모멘트는 두 면(예를 들어, 축방향 하중 형태로 평면을 갖는 샌드위치패널에 대해)에 분포되고 전단 하중은 단열층에 의해 전달됩니다.
하중 지지에 대한 샌드위치패널(판넬)의 최적화는 가능한 최대 스팬에 도달할 수 있도록 단열재 및 금속 면의 기계적 특성을 조정하는 것을 의미합니다. 샌드위치패널(예: 단열 특성)의 다른 중요한 구조적 특성 또는 제조 조건을 동시에 고려해야 합니다. 현재 최적화는 경량으로 성형된 강판 및 경질우레탄폼 단열재로 만들어진 외피가 있는 샌드위치패널(판넬)에서 수행되었습니다. 이 경우, 단열재의 두께는 40~300mm일 수 있습니다. 강판의 두께는 0.4~1.0mm(국내 0.4~0.8mm)입니다.
2) 금속면이 있는 샌드위치패널(판넬)의 최적화: 필요성과 가능성
거의 모든 산업 분야에서 돈과 자원을 절약하는 것은 중요합니다. 이런 의미에서 적용 중심의 연구는 제조 공장에서 재료의 최적 활용을 찾는 역할을 합니다. 스틸, 콘크리트 또는 목재 구조와 비교할 때, 샌드위치패널(판넬)은 상대적으로 새로운 구성 요소입니다. 샌드위치 건설의 첫 적용은 지난 세기의 70년대에 시행되었습니다. 이것은 샌드위치 구조가 이전에 언급된 다른 구조 유형만큼 심층적으로 조사되지 않은 이유입니다. 이것은 또한 샌드위치패널(판넬)의 최적화에 대한 조사가 이전에 수행되지 않은 이유이기도 합니다.
이 자료에서는 샌드위치패널(판넬)의 하중 지지력을 최적화하기 위한 가능한 방법을 설명합니다.
샌드위치패널(판넬)의 하중 지지력 최적화와 관련하여 두 가지 주요 가정이 있습니다. 첫째, 샌드위치패널(판넬)의 모든 기계적 특성은 가능한 최대 스팬에 도달할 수 있도록 조정되어야합니다. 둘째, 모든 기계적 특성은 최대한 활용해야 합니다.
이 두 가지 가정은 여러 정적시스템 및 발생할 수 있는 다른 가능한 하중 사례와 함께 샌드위치패널(판넬)의 최적화를 복잡한 과정으로 전환합니다. 사용될 수 있는 몇 가지 정적시스템과 발생할 수 있는 다른 하중은 스팬 폭을 결정하는데 결정적인 역할을 하는 다양한 고장 유형을 생성합니다.
샌드위치판넬 이론에 따르면 샌드위치패널(판넬)을 위한 계산 방법은 최적화 계산을 위한 배경을 형성합니다. 이와 관련하여 샌드위치 구조물의 다음 주요 특성은 하중지지 방법을 설명합니다. 계산 방법에서 중요한 요소는 다음과 같습니다.
① 금속 면의 주름 응력 σw ② 단열재의 압축강도 fCc ③ 단열재의 전단강도 fCv ④ 단열재의 세로 탄성계수 Ec ⑤ 단열재의 전단 탄성계수 Gc
또한 고온에서 전단 강도 및 전단 탄성계수와 장기간 반응에 대한 전단 강도는 실온에서 측정된 적절한 주요 값의 함수로 표현될 수 있습니다.
이러한 특성을 결정하기 위해, 각 샌드위치패널(판넬) 유형에 대한 테스트가 수행되어야 합니다. 여러 기계적 특성 사이의 관계는 알려져 있지 않습니다. 또한 금속 표면의 달성 가능한 주름 응력이 사용된 재료의 특성과 면 형상에 어떻게 의존하는지를 설명하는 구성 방정식은 없습니다. 불가능한 프로세스에 대한 분석 방식(테스트 없이)으로만 하중지지 용량을 결정합니다.
샌드위치패널(판넬)의 달성 가능한 주름 응력은 많은 매개 변수에 따라 다릅니다. 이러한 재료는 특성만 정의된 재료가 아닙니다. 매우 중요한 점은 단열재 층과 피복재 사이의 접착이며, 이는 많은 요인에 의해 영향을 받을 수 있습니다. 예를 들어 전착된 샌드위치패널(판넬)의 경우에 사용되는 제조 절차 또는 접착제는 각 단일 샌드위치패널(판넬) 유형의 최종 특성에 중요할 수 있습니다.
조사를 통해 샌드위치패널(판넬)의 최적화를 수행하려면 달성할 수 있는 주름 응력을 설명하는 이론적 모델이 필요합니다. 이 모델에서는 단열재의 기계적 재료 특성과 금속 면의 형상 및 기계적 특성도 고려해야합니다. 기존 재료 및 생산 결함으로 인해 이론 모델은 주름이 있는 응력 값의 추정에만 사용할 수 있습니다.
샌드위치패널(판넬)의 기계적 행동에 영향을 미치는 수 많은 다른 요인과 행동을 설명하는 구성 방정식이 부족하기 때문에 기존의 수학적 최적화 방법은 현재 합리적으로 사용할 수 없습니다. 한 가지 방법으로, 첫 번째 단계에서 샌드위치패널(판넬)의 계산 방법에 따른 매개 변수 분석을 수행해야 합니다.
현재 프로젝트의 목표는 단열재와 면의 형상을 한 번에 모두 고려하는 최적화 방법을 개발하는 것입니다. 그러나 언급된 기술적인 장애로 인해, 샌드위치패널(판넬)의 최적화는 단열재의 최적화와 금속 표면의 최적화의 두 단계로 나누어집니다.
2. 단열재의 최적화
1) 단열재 최적화에 따른 이론적 사전 분석
이 자료에서 가장 많이 사용되는 단열재 중 하나인 폴리우레탄의 최적화에 대한 조사가 표시됩니다. 단열재의 최적화는 최적의 단열재를 얻기 위해 필요한 기계적 값을 정의하는 것을 의미합니다.
첫 단계에서는 기존 샌드위치패널(판넬) 형상에 대한 단열재의 최적화를 실행할 수 있습니다. 이 경우 주어진 형상을 가진 기존 샌드위치패널(판넬)을 사용할 수 있으며, 주어진 형상 및 새로운 단열재가 하중지지 용량과 관련해 최적의 샌드위치패널(판넬)을 가져오는 방식으로 단열재의 기계적 특성을 최적화할 수 있습니다.
기계적 특성은 특정 결합에 포함됩니다. 이 경우 단열재의 최적화는 정의된 결합에서 기계적 특성의 조합을 찾는 것을 의미합니다. 생성된 조합은 샌드위치패널(판넬)의 높은 하중 지지력과 스팬의 제한에 의한 모든 기계적 성질의 최대 활용 계수로 이어져야 합니다. 우선 단열재(폴리우레탄)의 기계적 특성은 알려진 재료 특성에 따라 결정됩니다. 이 절차의 배경은 재료의 조합이 제조 가능한 재료 특성으로 설정되어야 한다는 것입니다.
예를 들어, 단열재의 밀도에 따른 전단 계수는 아래 그림과 같습니다. 모든 관련 기계적 특성이 이러한 방식으로 배치된 후, 단열재의 달성 가능한 기계적 성질의 경계가 정의되었습니다. 선택한 밀도에 따라 가능한 기계적 특성 범위가 나타나 있으며, 새로운 조합을 생성하기 위한 점방식으로 나타낼 수 있습니다. 이 경우 5가지 값의 점 형태가 선택되었습니다.
[단열재 밀도에 따른 폴리우레탄폼의 전단 탄성계수] 
[밀도 40kg/m³의 단열재 특성 조합을 만들기 위한 점방식의 예]
모든 관련 기계적 값에 대한 알려진 범위는 다음과 같이 결정할 수 있습니다.
① 단열재의 전단 탄성계수 Gc〈1.9; 5.5〉in N/mm² ② 단열재의 세로 탄성계수 Ec〈1.0; 5.0〉in N/mm²
③ 단열재의 압축강도 fCc〈0.060; 0.200〉in N/mm² ④ 단열재의 전단강도 fCv〈0.085; 0.225〉in N/mm²
모든 값 범위에 대한 속성 조합을 만들기 위해 5개의 점방식이 선택되었습니다.
[폴리우레탄폼의 기계적 특성 조합(밀도 40kg/m³)]
주요 값의 조합은 625개의 기계적 특성을 제공합니다. 동일한 표면 형상과 다른 단열재를 가진 625개의 샌드위치패널(판넬)이 생성되었습니다. 모든 625개의 가상 샌드위치패널(판넬)의 스팬을 결정하면, 그 중 하나가 최적의 결과를 가져올 수 있습니다. 최적의 샌드위치패널(판넬)은 최대 스팬을 제공해야하며 단열재의 기계적 특성을 최대한 활용해야 합니다.
예를 들어, 주어진 면의 형상 및 폴리우레탄폼 단열재를 가진 샌드위치패널(판넬):
① 밀도: 40kg/m³ ② 샌드위치패널(판넬)의 두께: 80mm ③ 외부 면, 스틸, 마이크로 리브 형상 tF1=0.60mm ④ 내부 면, 스틸, 소골 형상: tF2=0.50mm ⑤ 조합시스템: 수직 벽 샌드위치패널, 원 스팬 빔
[단열재의 기계적 특성: 기본 샌드위치패널과 최적의 조합]
계산 결과의 분석을 단순화하기 위한 수단으로 달성 가능한 스팬은 Davies에서와 같이 증가하는 부하에 의존하여 아래 그림과 같이 표시되었습니다.
[하중 범위 곡선, 주어진 단열재가 있는 기본 샌드위치패널과 최적의 단열재가 있는 패널의 예]
조사 결과에 따르면 스팬의 증가는 단열재 특성의 향상으로만 가능하다는 것을 보여줍니다. 그러나 가장 관련이 있는 경우 주름 응력 또는 처짐 한계는 샌드위치패널(판넬)의 스팬을 결정하는데 결정적입니다. 이것은 저 부하 범위(0.25~1.5N/m²)에서 관찰할 수 있습니다.
주름 응력은 단열재에 따라 달라지지만 금속 면의 특성에 따라 달라집니다. 이는 주름이 더 높은 응력을 받는 것과 관련하여 금속면의 형상 최적화에 대한 더 깊은 조사가 필요합니다.