목재의 엄청난 강도, 기존 건축자재 대체 가능성 ‘Spectacular experiments’ show wooden walls withstand 100 kilonewtons of pressure

‘Spectacular experiments’ show wooden walls withstand 100 kilonewtons of pressure

The discovery brings timber construction closer to replacing conventional materials.

Swiss researchers have overturned the assumption that windowed timber walls offer no structural support after they proved that they can withstand more than 100 kilonewtons of horizontal load.

The breakthrough, led by Nadja Manser, a PhD student and researcher at the Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology (Empa), came during a series of large-scale experiments alongside ETH Zurich and the Bern University of Applied Sciences.

https://interestingengineering.com/science/wooden-walls-withstand-pressure

'놀라운 실험'으로 나무 벽이

100킬로뉴턴의 압력을 견뎌낸다는 사실이 밝혀졌습니다.

이 발견으로 목재 건축이 기존 건축자재를 대체하는 데 한 걸음 더 다가갔습니다.

스위스 연구진은 창문이 있는 목재 벽이 100킬로뉴턴 이상의 수평 하중을 견딜 수 있다는 것을 증명한 후, 창문이 있는 목재 벽이 구조적 지지력을 제공하지 않는다는 가정을 뒤집었습니다.

스위스 연방 재료 과학 및 기술 연구소(Empa)의 박사 과정 학생이자 연구원인 나디아 만서가 이끈 이 획기적인 발견은 ETH 취리히와 베른 응용 과학 대학이 공동으로 진행한 일련의 대규모 실험을 통해 이루어졌습니다.

이 연구는 창문이 있는 벽에 대한 구조적 데이터가 부족하다는 목재 공학의 심각한 맹점을 해결하기 위해 4년간 진행된 국가적 이니셔티브의 정점을 나타냅니다.

"스위스나 다른 유럽 국가에서는 현재 창문이 있는 목재 골조 벽이 견딜 수 있는 수평 하중을 규제하는 규정이 없습니다."라고 만서는 설명했습니다.

그러나 맨서의 팀은 일련의 실험을 통해 창문이 있는 목재 벽이 상당한 측면 힘을 견뎌내고 구조적 안정성을 향상시킬 수 있음을 성공적으로 증명했습니다.

목재의 잠재력을 최대한 활용하다

창문이 있는 벽은 구조적 안정성 에 거의 기여하지 않는다는 생각은 오랫동안 목조 건물 설계 방식에 영향을 미쳐 왔습니다. 공학 모델에서 이러한 부분은 종종 공극(void) 또는 구조적 사각지대(structural dead zone)로 간주됩니다.

"외관에 창문을 계획하는 순간, 계획 엔지니어는 벽 전체를 마치 공기처럼 다뤄야 합니다."라고 만서는 밝혔습니다. "그건 정말 비효율적입니다."

박사과정 학생인 나디아 만서(Nadja Manser)가 창문이 있는 목재 프레임 벽의 수평 하중 지지력을 연구하고 있습니다.출처: Empa

이 주장에 반박하기 위해 연구팀은 목조 건축 에 일반적으로 사용되는 개별 판넬을 시험하기 시작했습니다 . 점차 다양한 크기의 창문이 있는 전체 벽면으로 확장해 나갔습니다.

"우리는 창문이 있는 목재 프레임 벽을 갖춘 건물의 수평 보강에 대해 조사하고 있습니다."라고 박사과정 학생이 설명했습니다.

마지막 단계는 Empa의 건설 홀에서 진행되었다고 합니다. 작업팀은 실물 크기의 2층 목재 벽 에 파괴가 일어날 때까지 수평 하중을 통제하여 가했습니다.

결국 100킬로뉴턴이 넘는 힘에 구조물은 그 힘에 삐걱거렸고, 마침내 들보 중 하나가 의도적으로 붕괴되어 연구에 중요한 데이터를 제공했습니다.

실제 건설 적용

극적인 실패에도 불구하고, 벽의 성능은 연구자들의 가설을 입증하고 오랫동안 유지되어 온 공학적 가정에 의문을 제기했습니다. 이는 개구부가 있더라도 이러한 벽이 측정 가능한 보강 성능을 제공한다는 것을 증명했습니다.

Manser는 현재 이 결과를 활용하여 창문이 있는 목재 벽의 수평 강성을 파악하는 전산 모델을 개발하고 있습니다. 이는 이전에는 대부분의 구조 계산에서 제외되었습니다.

그녀는 이러한 데이터 포인트를 통합함으로써 엔지니어가 보수적인 근사치를 사용하지 않고도 측면 하중에서 벽 세그먼트가 어떻게 동작할지 더 정확하게 예측할 수 있을 것이라고 믿고 있습니다.

맨서는 "특정 건물에서는 현재 많은 목조 건물에서 원하는 강성 값을 달성하기 위해 필요한 콘크리트 코어를 사용하지 않아도 될 수도 있습니다."라고 말했습니다.

이는 목재 구조물의 설계, 계산 및 최적화 방식에 있어 상당한 발전을 의미합니다 . 특히 자재 절감과 구조적 효율성이 동시에 요구되는 중층 또는 다층 건물에서 더욱 중요합니다.

현재 팀은 새로운 계산 모델을 간소화하기 위해 업계 파트너들과 긴밀히 협력하고 있습니다. 맨서는 보도자료 에서 "현재 우리는 수많은 매개변수를 포함하는 복잡한 연구 모델을 가지고 있습니다."라고 결론지었습니다 . "목표는 계산 집약도는 낮으면서도 충분히 정확한 값을 제공하는 단순화된 실제 모델을 도출하는 것입니다."

https://youtu.be/jqL-hvGxPCk