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문제 정의
- 본 기사에서는 국내에서 개발된 노드를 소개하고 싱글 레이어 구조물에 적용시킨 과정을 설명하고자 한다. 구체적으로 2장에는 개발된 FREE NODE의 구성 및 세부사항, 3장에서는 실험을 통한 구조성능 평가, 4장에서는 실제 적용을 위한 과정에 대해 기술한다.
- 본 기사에서는 싱글 레이어 프리폼 구조물에 적용되는 FREE NODE에 대한 구조 성능을 검토하여 실제 적용되는 과정을 살펴보았다.
제안 방법
- 3D 모델링을 통해 검증된 도면을 바탕으로 Ball과 Sub-Wing을 계산된 각도대로 공장 용접하여 현장으로 배송되고, 현장에서는 노드를 해당 좌표에 위치시켜 각형강관을 연결하였다. 이때 작업의 편의성을 위해 노드의 6개 부재중에서 4개는 볼트접합으로 2개는 용접으로 연결하였다(<그림 16>).
- Ball의 성능을 파악하기 위해 Wing과 각형강관을 생략하고 Ball에 Sub-Wing만 부착하여 압축 및 인장을 가력 하였다. 설명한 바와 같이 노드는 싱글 레이어 구조물에서 특별히 중요한 부분이므로 개발된 FREE NODE가 각형강관, 즉 노드를 연결하는 부재에 비해 높은 구조 성능을 가져야 한다.
- FREE NODE를 디자인 할 때 축력뿐만 아니라 모멘트에 대해서도 강한 힘을 받을 수 있는 구의 형상으로 계획을 하였기 때문에 높은 모멘트 성능을 가질 것으로 예상되고, 이러한 성능을 실험을 통해 검증하였다.
- 삼각형 모양의 셀을 만들기 위하여 「DomeDesign」 프로그램을 이용하여 원하는 형태의 면을 형성하였다. 「DomeDesign」은 삼각형 그리드를 지원하지 않아 육각형의 그리드로 형태를 만들고 육각형의 점들을 연결하여 원하는 삼각형 그리드를 구현 하였다.
- 검증된 FREE NODE를 설계하고, 3D 모델링을 통해 검토하여 공장 제작 및 현장 조립으로 건물에 설치하였다.
- 고정하중·활하중·풍하중·설하중·노드가 작용하는 부분의 노드하중들을 하중 조합하여 해석함으로써 가장 불리한 조건에서의 처짐이 어느 지점에서 얼마나 생기는지 파악하였다.
- 국내에서 아직까지 생소한, 싱글 레이어 프리폼 구조물을 모듈화 할 수 있는 노드를 개발하고 이를 직접 적용시키는 경험을 통해 설계, 제작, 설치에 노하우를 축적하였다. 또한 FREE NODE는 비싼 로열티를 지불해야하는 국외의 제품을 대체할 수 있는 국내 기술 개발의 초석으로써 큰 의미를 가진다 하겠다.
- 각각의 노드에 대해 Sub-Wing의 각도를 일일이 직접 계산하는 것은 비효율적이다. 그러므로 초기 데이터인 노드의 절대 좌표값만 입력을 하면 주변 노드의 좌표값을 이용하여 노드 Ball에 Sub-wing이 어떤 각도로 붙어야 하는지 간편하고 한눈에 알 수 있도록 엑셀 시트를 작성하였다. <그림 12>에서 노드위치입력 부분에 노드의 글로벌 X, Y, Z 좌표만 입력을 하면 여러 단계의 계산을 거쳐 노드마다 6개의 수평·수직·비틀림 각도를 표시한다.
- 노드 형상을 결정하기 위해 다양한 노드들을 FEM 해석을 통해 변수 스터디하여 새로운 FREE NODE를 개발하였다. 싱글 레이어 프리폼 구조에서 노드는 축력과 모멘트를 동시에 받아야하고, 기하학적 형상을 결정하는 중요한 요소이다.
- 노드를 연결하는 부재를 기준으로 노드의 크기를 결정하였다. 부재인 각형강관은 시공성을 고려하여 인부 2명이 들 수 있는 중량 40kg으로 제한하였고 그에 따라 길이 2m의 각형강관 150×80×6을 고려하였지만, 볼트로 접합할 경우 연단거리 확보를 위해 150×100×4.
- 실험체 상세는 <그림 6>과 같다. 노드의 성능 평가이므로 Ball과 Sub-Wing 6개로 구성하고 아래 위 대칭으로 4개의 Sub-Wing에는 노드가 움직이지 못하도록 잡아줄 플레이트에 강하게 연결하고 하나의 Sub-Wing에만 캔틸레버와 같이 길게 밖으로 빼내어 액추에이터로 가력 할 수 있게 하였다.
- 싱글 레이어 프리폼 구조에서 노드는 축력과 모멘트를 동시에 받아야하고, 기하학적 형상을 결정하는 중요한 요소이다. 따라서 노드와 노드를 연결하는 부재의 성능보다 우수해야하므로 실험을 통해 개발된 노드의 성능을 검증하였다.
- 또한 설계하중의 가장 불리한 하중 조합을 받고 있을 때 구조물의 부재들에 발생되는 응력을 체크하여 부재의 로컬 좌굴에 대한 위험도를 파악하였다. 내부보 중에서 가장 높은 응력을 받는 부재는 허용 응력에 비해 46%, 외부보의 가장 높은 응력을 받는 부재는 허용 응력에 비해 50.
- 부재인 각형강관은 시공성을 고려하여 인부 2명이 들 수 있는 중량 40kg으로 제한하였고 그에 따라 길이 2m의 각형강관 150×80×6을 고려하였지만, 볼트로 접합할 경우 연단거리 확보를 위해 150×100×4.5(SPSR400)을 선택하였다.
- 삼각형 모양의 셀을 만들기 위하여 「DomeDesign」 프로그램을 이용하여 원하는 형태의 면을 형성하였다. 「DomeDesign」은 삼각형 그리드를 지원하지 않아 육각형의 그리드로 형태를 만들고 육각형의 점들을 연결하여 원하는 삼각형 그리드를 구현 하였다.
- 실제 구조물에서 부재와 부재는 노드에 연결되어 접합이 되지만 마이다스와 같은 프로그램에서 절점을 모델링 하여 반영하기 힘들므로 실험으로 구한 노드의 강성 값을 노드가 있어야 할 부분을 다른 부재로 대체해 맞추었다. 실제 구조물에 적용되는 볼트 6개로 접합한 실험체의 모멘트-회전각 그래프를 그려서 초기강성을 구하고, 초기강성과 비슷한 성능 효과를 낼 수 있는 B-80x40x3.2 부재를 선택하여 노드가 들어가야 할 부분을 대신하여 해석하였다.
- 실제 구조물에서 부재와 부재는 노드에 연결되어 접합이 되지만 마이다스와 같은 프로그램에서 절점을 모델링 하여 반영하기 힘들므로 실험으로 구한 노드의 강성 값을 노드가 있어야 할 부분을 다른 부재로 대체해 맞추었다. 실제 구조물에 적용되는 볼트 6개로 접합한 실험체의 모멘트-회전각 그래프를 그려서 초기강성을 구하고, 초기강성과 비슷한 성능 효과를 낼 수 있는 B-80x40x3.
- 이렇게 구해진 각도는 과 같이 Solid Edge 프로그램을 통해 직접 조립해 보아서 지붕의 선과 각도에 따라 부착한 Sub-wing의 위치가 일치하는지 확인하였다.
- 지붕 정중앙의 일부분을 제외하고는 노드들이 기울어져 있기 때문에 단순히 수평 수직각을 도면상에서 측정할 수 없고 비틀림까지 고려해야 하므로 노드의 벡터를 이용하여 수평·수직·비틀림 각을 결정하였다.
- 해당 지붕 건축물은 7mX20m 의 비교적 작은 구조물임을 감안해 공장에서 하나의 모듈로 조립하고 현장에서 설치하는 방법을 채택하였다().
대상 데이터
- 대상 건물의 가로 세로 길이가 7mX20m로 장변의 중간에 기둥이 없기 때문에 안정적인 거동을 위해서 위로 볼록한 형상을 택하였으며(), 네 변에서도 곡률을 가지게 하기위해 건물면적보다 지붕을 크게 하여 안으로 들어가는 형상을 취했다.
- 앞에서 소개한 실험을 통해 FREE NODE의 구조 성능을 검증하였고, 충청북도 충주시 동량면 대전리 14-1번지에 위치한 신성건설주식회사의 신기술 적용 및 전시용 건물의 지붕에 FREE NODE를 적용하였다.
성능/효과
- 2m 길이의 각형강관 부재를 사용할 때, 고정하중, 활하중, 적설하중, 풍하중 등의 하중조합을 고려하여 노드 하나에 걸릴 수 있는 모멘트를 산정하면 11.54kN·m이고 실험을 통해 얻은 FREE NODE의 모멘트-회전각의 결과에서 항복모멘트는 55.7kN·m, 최대모멘트는 84.1kN·m로 기준에 비해 380% 이상 높은 것을 확인할 수 있다.
- 또한 설계하중의 가장 불리한 하중 조합을 받고 있을 때 구조물의 부재들에 발생되는 응력을 체크하여 부재의 로컬 좌굴에 대한 위험도를 파악하였다. 내부보 중에서 가장 높은 응력을 받는 부재는 허용 응력에 비해 46%, 외부보의 가장 높은 응력을 받는 부재는 허용 응력에 비해 50.9%로 예상치 못한 추가적인 하중에 대해서도 안전할 수 있도록 보수적인 안전율을 가지도록 하였다.
- 각형강관의 경우 압축력을 받을 때 좌굴에 의해 항복할 경우 435kN의 항복내력을 가지고, 인장력을 받을 때는 볼트 접합 부분에서 블록쉬어가 일어나 250kN의 항복 내력을 가진다. 실험에 의한 Ball의 압축에 의한 항복 내력은 786kN, 인장에 의한 항복내력은 850kN으로 기준보다 각각 80%, 240% 높은 내력을 가지고 있음을 확인했다.
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