[논문]고충진 압출성형 합성목재를 이용한 모듈러 돔의 구조모델링에 관한 연구

손수덕; 곽의신; 이승재

doi:10.11112/jksmi.2015.19.2.076

고충진 압출성형 합성목재를 이용한 모듈러 돔의 구조모델링에 관한 연구
A Study of Modular Dome Structural Modeling with Highly Filled Extrusion Wood-Plastic Composite Member 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.19 no.2, 2015년, pp.76 - 83

손수덕 (한국기술교육대학교 건축공학부) , 곽의신 (한국기술교육대학교 건축공학부) , 이승재 (한국기술교육대학교 건축공학부)

초록
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본 연구의 목적은 고충진 합성목재를 이용하여 친환경 모듈러 돔 구조시스템을 개발하고 부재와 절점을 모듈화하여 실제 구조체을 제작하는 것이다. 기존의 합성목재에 비해 높은 70% 목분함량 합성목재를 돔 구조모델의 부재로 이용하였고, 정이십면체 기반 지오데직 돔의 기하학적 특성을 분석하여 절점과 부재를 모듈화 하였다. 돔의 제작을 위한 모듈화와 실제 구조물의 제작과정의 연구결과로부터 6가지 절점과 3개의 부재종류의 모듈러 돔에 대한 적용성을 검토할 수 있었다. 또한 해석결과에서 최저차 좌굴모드는 경계부의 절점에서 절점좌굴이 예상되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper aims at developing an environmentally friendly modular dome structure system with highly filled extrusion wood-plastic composite (WPC) member, and manufacturing a real-size specimen by modularizing members and nodes. The member used in the model is the WPC member with 70% wooden fiber contests, which is higher then previous WPC one. Its members and nodes are modularized by analyzing geometric characteristics of icosahedral-based geodetic dome. Applicapability of the 6ea prototype nodes and 3ea prototype members to the modular dome is examined with the results of the modulaization and the making process for the real-size specimen. Besides, from the analysis results, the lowest buckling mode is expected to be a nodal buckling on a node near the boundary.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 재생목재의 활용을 위해서 친환경 곡면 돔 구조의 적용과 유닛화를 목적으로 구조물의 적용성과 모듈화 방법에 대해서 연구를 수행하도록 한다. 곡면 돔 구조의 모델링을 위해서 정이십면체 기반의 지오데직 돔과 같은 모듈화가 가능한 구조체에 대해 적용하도록 하고, 모듈화를 위한 부재 및 절점 모델링 방법과 제작방법 등에 대해서 연구하고자 한다. 정이십면체 기반의 지오데직 돔은 오랜 기간 많은 분야에서 역학적 우수성을 확인할 수 있는 형태저항형 구조체로서 모듈화 하여 생산하기 적합한 구조시스템이며 이를 활용한 공학적 제작물을 실제로 제작하여 공정 단순화 및 절점연결구의 모듈화를 통하여 실용성의 여부를 살펴보도록 한다.
그러나 곡면구조물에 대한 모델링 방법의 연구는 아직 미비한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 재생목재의 활용을 위해서 친환경 곡면 돔 구조의 적용과 유닛화를 목적으로 구조물의 적용성과 모듈화 방법에 대해서 연구를 수행하도록 한다. 곡면 돔 구조의 모델링을 위해서 정이십면체 기반의 지오데직 돔과 같은 모듈화가 가능한 구조체에 대해 적용하도록 하고, 모듈화를 위한 부재 및 절점 모델링 방법과 제작방법 등에 대해서 연구하고자 한다.
본 논문에서 적용되는 고충진 재생목재의 경우 친환경성이 뛰어난 제품으로 모듈러 구조물에 적용하기 위한 생산제품들은 KS F 3230의 기계적 특성 검증시험을 만족하며, GRF 2016의 환경성능 검증시험을 통과한 것이다. 각 검증시험의 항목으로는 최대굴곡하중, 뒤틀림성, 동결융해 (최대굴곡하중변화율), 내후성, 난연성, 수분흡수율 (중량변화), 길이선팽창계수 등의 사항에 대해서 필요조건을 만족한다.

제안 방법

해석을 통해 최대 소요강도를 구하여 구조물의 가장 취약부분을 확인하였으며, 이 결과를 통해서 모듈러 돔의 응력분포를 확인할 수 있었다. 고유치해석을 통해 구한 고유좌굴모드의 형상에서도 높은 형상의 돔에서 나타나기 쉬운 형태의 좌굴모드를 확인할 수 있었으며, 이는 얕은 돔에서의 전체좌굴이 우세한 특성과는 다른 고유모드를 관찰하였다. 또한 부재력 분포와 고유치해석에서의 결과는 절점간의 민감한 연성작용이 발생할 것으로 예상할 수 있었다.
본 연구를 통하여 정이십면체 기반 3차원 지오데직 돔 형상 구현 및 구조물을 구성하기 위한 점절 모듈을 개발, 제작하였으며, 목분 함유량 70%의 고충진 압출성형 합성목재를 사용하여 실재 모듈러 돔 구조물을 완성하였고, 제작된 모델의 구조적 특성을 고유치해석을 통해서 고찰하였다. 해석을 통해 최대 소요강도를 구하여 구조물의 가장 취약부분을 확인하였으며, 이 결과를 통해서 모듈러 돔의 응력분포를 확인할 수 있었다.
본 장에서는 모듈러 돔의 실 축척 모형에 대한 제작과정에 대해서 설명하도록 한다. 우선 모듈러 돔 구조물의 제작은 하부 기둥 조인트 부분과 하단 오각형 조인트 부재에 대해서 사전 조립한 후, 하부 돔 구조물을 제작하며, 상단부를 추가로 조립하여 설치를 완료하도록 하였다. 대상 구조물은 전체크기에 대한 단위길이가 다르더라도 절점의 수와 부재의 수는 변함이 없다.
이러한 형상을 가지는 모듈러 돔 구조물을 대상으로 범용해석 프로그램인 Midas GEN을 이용하여 일반적인 중력방향 하중과 풍하중, 지진하중 등 수평방향 하중에 대한 구조해석과 고유치 해석을 수행하였다. Fig.
기본도형의 경우 앞서 설명한 바와 같이 삼각형을 기반으로 오각 및 육각 뿔 모양의 결합도형이 주 형상이 된다. 절점의 모듈화를 위해 세 각도와 인접 다각형의 조건에 따라 오각형 절점 및 육각형 절점을 구성하였다. Fig.

대상 데이터

모듈러 돔에 적용된 시험모형의 경우 ED-SS35부재를 이용하도록 하며, 최대휨강도로 31N/mm2, 흡수율 0.6%, 미끄럼저항성 34BRN, 선팽창계수 2.9 × 10-5, 나사못 유지력 1.196N 및 휨강도 (내한성 및 습열성 시험) 30N/mm2의 KS규준을 만족하는 재품을 사용한다.
9는 구조물 조립과정과 완성된 돔 모듈러 구조물이다. 본 논문에서 적용된 모듈러 돔의 모형제작에 사용된 절점모델은 강재 SS400의 두께 3.2mm 강판을 사용하여 제작하였으며, 테스트모델에서는 마감재의 결속에 관한 세부디테일은 고려되지 않았다.
합성목재는 공원이나 해변가 산책로 및 등산 탐방로 등 유지관리가 힘들고 내구성을 필요로 하는 곳에 방부목 또는 천연목재의 대체용으로 많이 사용하였으며, 구조적 성능을 개선한 제품의 경우는 건축구조물의 부재로 사용가능하게 한다. 본 연구의 합성목재는 목분 70% + 폴리필렌 (PP) 18% + 기타 첨가제 12%를 결합함으로서 목재보다 월등한 물성을 가지며, 구조재로 사용되는 제품은 Table 1과 같이 분류된다. 특히 고충진 목분의 경우 제작시 수분과 제작공정의 특수한 기법이 필요하다.

성능/효과

고유치해석을 통해 구한 고유좌굴모드의 형상에서도 높은 형상의 돔에서 나타나기 쉬운 형태의 좌굴모드를 확인할 수 있었으며, 이는 얕은 돔에서의 전체좌굴이 우세한 특성과는 다른 고유모드를 관찰하였다. 또한 부재력 분포와 고유치해석에서의 결과는 절점간의 민감한 연성작용이 발생할 것으로 예상할 수 있었다.
본 연구를 통하여 정이십면체 기반 3차원 지오데직 돔 형상 구현 및 구조물을 구성하기 위한 점절 모듈을 개발, 제작하였으며, 목분 함유량 70%의 고충진 압출성형 합성목재를 사용하여 실재 모듈러 돔 구조물을 완성하였고, 제작된 모델의 구조적 특성을 고유치해석을 통해서 고찰하였다. 해석을 통해 최대 소요강도를 구하여 구조물의 가장 취약부분을 확인하였으며, 이 결과를 통해서 모듈러 돔의 응력분포를 확인할 수 있었다. 고유치해석을 통해 구한 고유좌굴모드의 형상에서도 높은 형상의 돔에서 나타나기 쉬운 형태의 좌굴모드를 확인할 수 있었으며, 이는 얕은 돔에서의 전체좌굴이 우세한 특성과는 다른 고유모드를 관찰하였다.

후속연구

정이십면체 기반의 지오데직 돔은 오랜 기간 많은 분야에서 역학적 우수성을 확인할 수 있는 형태저항형 구조체로서 모듈화 하여 생산하기 적합한 구조시스템이며 이를 활용한 공학적 제작물을 실제로 제작하여 공정 단순화 및 절점연결구의 모듈화를 통하여 실용성의 여부를 살펴보도록 한다. 또한 모듈러 돔 구조물의 모델링에 관한 연구 및 시험 조형물 모델 제작과 해당 구조물에 대한 구조해석을 실시함으로써 추후 구조성능 검증 적용에 기초자료로 활용하고자 한다.
본 연구는 합성목재 구조성능을 검증하는 기초자료로 활용될 것으로 판단되며, 형상 불완전성을 고려하기에 민감한 문제인 분기점의 예상은 본 모델과 같이 스팬-라이즈 비가높은 모델의 경우 매우 복잡한 양상을 보일 것이므로 형상불완전성과 비탄성 재료의 거동에 대한 추후 연구가 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고충진 합성목재를 이용한 건축 구조물이 경제성을 확보할 수 있는 이유는 무엇인가?	고충진 합성목재의 Fig. 1과 같은 생산공정은 여러 단계를 거쳐 압출 성형되며, 단위부재는 기본적으로 데크에 사용되는 규격에서 파생된 제품을 구성하는 것이 생산 시설의 중복 없이도 개발할 수 있게 되어 경제성을 확보할 수 있다. 구조재로서의 사용은 압출성형과정에서 성형하기 위한 방법도 영향을 미치지만 일차 영향은 목분의 함량과 목분과 플라스틱의 장단점을 골고루 가지게 하기 위한 컴파운드이다.
	지오데직 돔은 어떠한 구조를 가지고 있는가?	3과 같이 한 개의 꼭짓점에 다섯 개의 면이 만나고, 20개의 정삼각형 면으로 이루어진 3차원 정다면체이다. 지오데직 돔은 모든 절점이 구면에 위치하는 정이십면체의 꼭짓점을 정삼각형 패널로 분할한 구조로 오각뿔 및 육각뿔 유닛을 조합하여 Fig. 4와 같은 돔모듈러 모형을 형성할 수 있다.
	정이십면체은 무엇인가?	정이십면체 (Icosahedron)는 Fig. 3과 같이 한 개의 꼭짓점에 다섯 개의 면이 만나고, 20개의 정삼각형 면으로 이루어진 3차원 정다면체이다. 지오데직 돔은 모든 절점이 구면에 위치하는 정이십면체의 꼭짓점을 정삼각형 패널로 분할한 구조로 오각뿔 및 육각뿔 유닛을 조합하여 Fig.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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