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KIGAS Vol. 12, No. 3, September, 2008(Journal of the Korean Institute of Gas)

소방·가스안전용 헬멧의 강도안전성에 관한 연구

†김한구·심종현*·김청균*

르노삼성자동차(주) 중앙연구소, *홍익대학교 트리보·메카·에너지기술 연구센터

(2008년 8월 7일 접수, 2008년 8월 26일 수정, 2008년 8월 26일 채택)

A Study on the Strength Analysis of the Helmetsfor Fire and Gas Safety

†Han Goo Kim · Jong Hyun Shim* · Chung Kyun Kim*

Technical Center, Renault Samsung Motors

*Research Center for Tribology, Mechatronics and Energy Technology, Hongik University, Seoul 121-791, Korea

(Received 7. August. 2008, Revised 26. August. 2008, Accepted 26. August. 2008)

요 약

본 본문에서는 유한요소법을 사용하여 여러 가지 헬멧 모델의 강도안전에 관한 응력과 변형률을 해석

하였다. 차세대 헬멧은 작업자의 안전성과 작업성을 높일 수 있도록 제작되어야 하고, 오랫동안 착용해도

불편함이 없으면서 머리를 보호할 수 있어야 한다. 결국 헬멧은 안전하고, 착용성이 좋아야 하며, 헬멧의

모체 구조물을 가볍게 제작해야 한다. 따라서 헬멧은 화재나 가스폭발과 같은 가혹한 작업조건에 잘 견

딜 수 있어야 한다. FEM 해석결과에 의하면, 외부의 충격력이 헬멧모체 구조물의 정상부 지역에 가해졌

을 경우 최대응력과 변형률은 하중이 작용되는 지점부위에서 발생하였다. 따라서 헬멧의 모체 구조물에

는 보강뼈대를 설치하고 두께를 늘려서 강도안전성을 확보하는 것이 중요하다. 반면에 헬멧의 일반적인

균일한 두게는 줄여서 헬멧의 경량화를 추구하는 것도 중요하다.

Abstract − In this paper, the strength analysis has been presented for the stress and strain by using the

finite element method for various shell models of the helmets. The advanced helmet that would provide

head protection without causing discomfort to the user when it was worn for long periods of time should

be manufactured for increasing the safety and workability of the workers. We need a safe, comfortable

and light weight of the helmet shell structure. Thus, the helmets had to stand up to the most rigorous

conditions encountered for the fire and gas explosion. The FEM computed results show that when the

impulsive force is applied on the summit area of a helmet shell structure, the maximum stress and strain

have been occurred around the position of an applied impact force, which may lead to the initial failure

on the summit of the helmet shell. Thus, the summit area of the helmet shell should be supported by a

bead frame and increased thickness of the bead. But the overall thickness of the helmet is to decrease

for the light weight of a helmet.

Key words : helmet, shell, bead frame, strength safety, stress, strain, FEM

I. 서 론

사람의 머리를 보호하기 위해 사용하는 안전헬멧

(Helmet)은 물체와의 충돌로 인한 충격력, 사람의 추

락이나 전도로부터 발생하는 충격력, 열원에 의한

화상, 물이나 눈과 같은 오염물질 등으로부터 보호

해준다.

따라서 소방관이나 가스연료 취급자처럼 화재나 가

스폭발 등에 의해 안전을 위협받는 작업장에서 일하는

사람, 오토바이나 경주용차를 운전하는 사람, 야구나

미식축구의 운동선수는 헬멧을 착용하여 머리를 다치

지 않도록 해야 한다.

안전헬멧에 대한 연구논문은 많지 않지만, 연구의 대

부분은 오토바이용 헬멧[1-3]에 집중되었고, 스포츠[4]

나 소방/가스용[5] 헬멧에 대한 연구는 거의 없는 실정

이다. 연구의 대부분은 두부의 안전을 확보할 수 있는†주저자:ilgoo@dreamwiz.com

김한구·심종현·김청균

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충돌시험 연구가 대부분이고, 강도안전에 연계된 응력

해석이나 변형률 해석을 통한 설계까지는 아직 진행된

사례가 없다.

따라서 본 연구에서는 안전헬멧의 강도안전을 확보

할 수 있는 응력 및 변형거동에 대한 수치적 연구를 수

행하고자 한다. 사람들이 헬멧을 사용하는 첫 번째 목

적은 강도를 확보하여 사람의 머리를 보호하자는 것으

로 본 연구에서는 FEM으로 강도안전성을 고찰하고자

한다.

II. 헬멧구조 및 소재

안전헬멧은 모체, 착장체, 충격흡수재, 턱끈, 반사표

시, 보안렌즈, 벽걸이장치, 물받이 등으로 구성된다. 헬

멧의 모체(Shell)는 외부로부터 가해지는 충격을 받거나,

물이나 모래와 같은 비상 이물질과 제일 먼저 접촉하

는 고강도 구조물로 안전성과 오염원을 차단할 수 있

어야 한다.

Fig. 1은 열가소성 플라스틱 소재(Thermoplastic

material)로 제작한 헬멧의 모체와 내부에 장착한 착장

체와 충격흡수재에 관한 것이다.

헬멧은 성형성과 내열성, 내식성, 특히 가벼우면서

강도가 우수한 열가소성 플라스틱 소재를 사용한다. 보

통 헬멧소재는 강도안전성이 우수한 PC + ABS이고, 특

히 헬멧의 충격강도와 내구성을 높이기 위해 Nylon66

과 Nylon66 + 25%GF를 사용하기도 한다. FEM 강도해

석에 사용한 소재특성은 Table 1에서 제시한다.

III. FEM 해석조건

3.1. 강도해석 모델

헬멧의 강도안전에 관련된 응력과 변형거동 특성을

해석하기 위해 Fig. 2와 같은 FEM 강도해석 모델을 설

정하였다.

모체의 두께는 헬멧 외부의 직경에 비해 대단히 얇

기 때문에 FEM의 쉘요소(Shell element)를 사용하였고,

헬멧을 바닥면에 놓았을 때 헬멧의 가장자리가 바닥과

접촉하는 지점을 고정하여 강도해석 및 변형거동 특성

에 대한 연구를 수행하였다.

3.2. 하중조건

2001년에 행정자치부에서 제정한 소방용 헬멧 규격

[6]과 소방헬멧의 성능시험에 대한 NFPA 1971[7]에 의

하면 헬멧의 꼭대기에 3.58 kg±0.05 kg의 철제추를

1.5 m의 위치에서 떨어뜨렸을 때 헬멧에 처음 전달되는

최고 충격력은 4,540 N 정도를 초과해서는 안 된다. 따

라서 소방헬멧은 최소한 4,540 N의 힘에 견뎌야 하고,

그 이상의 힘에 대해서도 어느 정도는 강도를 확보해

야 한다.

또한, 헬멧의 무게는 착용자의 머리부위를 보호하고

작업의 안전성과 효율성을 확보하기 위해 1.3 kg을 초

과하지 않도록 규정하고 있다. 따라서 헬멧의 경량화를

위해 소재개발과 최적설계 기술로 무게를 줄이는 기술

개발이 필요하다. 여기서 제시한 1.3 kg은 헬멧 전체의

무게이므로 모체만을 고려할 경우는 더욱 낮게 제작해

야 한다.

모체의 무게는 헬멧의 경량화 작업에서 중요한 요소

로 헬멧의 총중량 대비 40% 정도로 설계하는 것이 바

람직하다. 현재 많이 사용하고 있는 헬멧의 무게를

1.3 kg으로 할 경우 모체의 무게는 540 g, 나머지는 760 g

으로 제작하고 있다. 그러나 헬멧의 무게는 착용자의

안전과 작업성을 위해 지속적으로 줄여나가고 있다.

Fig. 1. Conventional helmet.

Table 1. Material properties.

Property

Material

E

(GPa)

Poisson’s

ratio

Tensile

strength

(MPa)

Density

(kg/m3)

PC + ABS 2.53 0.39 54.3 1150

Nylon66 3.1 0.35 83.0 1140

Nylon66 + 25%GF 8.6 0.35 180.0 1330

Fig. 2. Finite element model and boundary conditions.