[논문]리모델링 부재 적용을 위한 텐세그리티 유닛 설계기법

이승혜; 이재홍; 정성원

doi:10.9712/kass.2017.17.4.141

리모델링 부재 적용을 위한 텐세그리티 유닛 설계기법
A Design Method of Tensegrity Units for Renovation Elements 원문보기

한국공간구조학회논문집 = Journal of the Korean Association for Spatial Structures, v.17 no.4, 2017년, pp.141 - 148

이승혜 (세종대학교 건축공학과) , 이재홍 (세종대학교 건축공학과) , 정성원 (세종대학교 건축학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, an advanced form-finding method of tensegrity unit modules is presented to apply on renovation building. Here a fitness function of maximum natural frequency which can lead to a maximum stiffness status was used for a genetic algorithm. To apply the lightweight pin-jointed structure to the renovation project is more economical over to build new structures. In this paper, two types of tensegrity unit are presented to build expanded structures, and their force densities are shown using the proposed form-finding method. The expanded structures which may influence renovation projects are presented by using the tensegrity units.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

만일 제약조건을 고려하여 형상탐색을 수행할 경우 그 조건에 맞는 가상의 부재(Dummy element)를 대입하여 문제를 해결할 수 있지만 적절한 부재를 설정하기 어렵다는 단점이 있다⁵⁾. 따라서 본 논문에서는 구조물이 최대 고유진동수를 갖는 상태에서 최대 강성을 얻을 수 있는 조건에 기반한 최적의 자기응력 값을 얻어내는 알고리즘을 개발하였다. 구조물의 접선강성행렬(Tangent stiffness matrix)과 밀도행렬을 결합한 비 감쇠 자유 진동(Undampedfree vibration) 식을 고유 값 문제(Eigenvalueproblem)로 풀어 고유진동수를 도출한다.
본 논문에서는 리모델링 부재 적용을 위한 텐세그리티 유닛을 제안하면서 설계를 위한 형상탐색기법을 제안하였다. 내력밀도법은 형상탐색 과정에서 선형방정식만 필요하기 때문에 매우 효과적이다.

가설 설정

다섯 모듈로 연결된 4-스트럿 텐세그리티 구조물은 20개의 스트럿 부재와 56개의 케이블로 총 76개의부재 수를 가지고 있다. 기본 유닛에서 확장한 형태는 다루어야 하는 부재수가 증가하여 유전알고리즘내의 최대세대수를 1,000으로, 집단크기를 100으로설정하고 해석을 수행하였다.

제안 방법

본 논문에서는 구조물이 최대 고유진동수를 갖는상태에서 최대 강성을 얻을 수 있는 조건에 기반한최적의 자기응력 값을 얻어내는 형상탐색 기법을 제안하였다. 동시에 리모델링 구조물에 적용이 가능한 경량 텐세그리티 형상을 제안하기 위하여 2가지의 유닛 모델을 서술하였으며, 제안된 기법으로 형상탐색을 수행하였다.
본 논문에서는 구조물이 최대 고유진동수를 갖는상태에서 최대 강성을 얻을 수 있는 조건에 기반한최적의 자기응력 값을 얻어내는 형상탐색 기법을 제안하였다. 동시에 리모델링 구조물에 적용이 가능한 경량 텐세그리티 형상을 제안하기 위하여 2가지의 유닛 모델을 서술하였으며, 제안된 기법으로 형상탐색을 수행하였다.
이때 유전알고리즘(Genetic algorithm)을 사용하여 시스템의 최대 고유 진동수 상태를 도출하였다. 수치해석부분에서는 텐세그리티 유닛을 제안하였으며, 해석 후 내력밀도를 도출하였다. 본 유닛을 연결하여 사용함으로써 수직 혹은 수평으로 확장된 텐세그리티 구조물을 구축할 수 있으며, 제안한 형상탐색 기법을 사용하여 각 구조물의 내력밀도를 효과적으로 구할 수 있었다.

데이터처리

이러한 특성은 대공간 구조물에 적용하기에 유용하다. 4-스트럿텐세그리티 유닛은 절점을 고정하여 오직 부재의 내력밀도를 산출하는 Force-finding 과정을 수행하였다. 이러한 과정은 리모델링 시에 기존의 구조부재 크기에 맞추어 설계하는 방식으로 적합할 것이다.

이론/모형

T-3 프리즘 텐세그리티는 상부 방향으로 계속 적층하여 수직구조물로 구성이 가능하다. 본 논문에서는 더블 T-3 프리즘 유닛을 제안된 기법으로 형상탐색을 수행하였다. T-3 프리즘 유닛은 총 18개의 케이블과 6개의 스트럿으로 구성되며 각 절점의 연결은 [Fig.
식 (4)의 변수를 텐세그리티의 각 부재의 내력밀도로 설정하고 최대 고유진동수를 유도하면 구조물의 최대 강성을 도출할 수 있다. 본 논문에서는 최대 고유진동수 T를 유도하기 위해 유전알고리즘을사용하였으며, 목적함수 식은 다음과 같다.
구조물의 접선강성행렬(Tangent stiffness matrix)과 밀도행렬을 결합한 비 감쇠 자유 진동(Undampedfree vibration) 식을 고유 값 문제(Eigenvalueproblem)로 풀어 고유진동수를 도출한다. 이때 유전알고리즘(Genetic algorithm)을 사용하여 시스템의 최대 고유 진동수 상태를 도출하였다. 수치해석부분에서는 텐세그리티 유닛을 제안하였으며, 해석 후 내력밀도를 도출하였다.

성능/효과

2가지 유닛 모델은 4-스트럿 텐세그리티 유닛과T-3 프리즘 유닛으로 모두 제안된 형상탐색 기법으로 내력밀도를 구하였고, 기존 연구와의 비교에서정확성을 입증하였다. 5장에서는 2가지 유닛 모델을 연결하여 구성한 확장 모델의 예를 서술하였으며, 제안된 형상탐색 기법으로 수행한 결과 기존 연구보다 더 좋은 결과 값을 도출할 수 있었다.
이것은 식 (1)의 선형방정식에 따른 것으로 부재 내력에 따라 부재의 길이가 변화한다는 것을 알 수가 있다. 결론적으로 리모델링 구조물에 본 확장모델을 적용할 시에는 대략적인 유닛의 수를 산정한 후 형상탐색을 수행하고 최종 형상대로 시공을 하되 기존 구조물과의 이격거리만큼 신축이음(Expansion joint) 등을 두어 간격을 조절할 수 있다.
수치해석부분에서는 텐세그리티 유닛을 제안하였으며, 해석 후 내력밀도를 도출하였다. 본 유닛을 연결하여 사용함으로써 수직 혹은 수평으로 확장된 텐세그리티 구조물을 구축할 수 있으며, 제안한 형상탐색 기법을 사용하여 각 구조물의 내력밀도를 효과적으로 구할 수 있었다.

후속연구

추후에는 더 큰 크기의 확장 유닛을 해석하여 가상의 리모델링 사례와 접목한 설계결과를 도출하는 연구를 진행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존 리모델링 방식 중하나인 기본 골조만 남기고 모두 다시 설비하는 추진 성향의 문제점은 무엇인가?	이 시점에서 리모델링 관련 법안과 정책들이 수립되고, 리모델링 사업이 진행되는 등 주거환경 개선을 위한 건설 시장의 변화가 발생하고 있다. 기존 리모델링 방식 중하나인 기본 골조만 남기고 모두 다시 설비하는 추진 성향은 비용 부담 증가 및 건축 폐기물의 대량발생의 한계가 있었다. 또한 건물에 대한 새로운 설계 시 부재의 중량에 대한 부담으로 증축 및 확장에 어려움이 예상된다.
	건축부재의 경량화 및 고강도화를 만족시킬 수 있는 소재는 무엇인가?	건축부재의 경량화 및 고강도화는 리모델링 방식의 다양성을 위해 꼭 필요한 조건이다. 프리스트레스 핀 접합 구조물(Prestressedpin-jointed structure)이 갖는 중량 대비 큰 강성은 이와 같은 요구사항에 최적이라 할 수 있다.
	텐세그리티 시스템의 특징은 무엇인가?	프리스트레스 핀 접합 구조물 중 하나인 텐세그리티(Tensegrity) 시스템은 안정 상태를 위해 압축력 혹은 인장력을 가하게 되며, 이러한 프리스트레스는 구조물의 강성을 증가시켜 더욱 안전하고 경제적인 구조물을 구성할 수 있다. 또한 텐세그리티 모듈을 연결하여 대공간 구조물의 지붕을 덮는 형식이나, 기존 구조물에 부착이 어려운 태양광 패널의 하부 지지대로의 사용, 또는 모듈을 상부 방향으로 적층 수직 구조물을 구성하는 등의 다양한 활용방안을 모색할 수 있다.

참고문헌 (8)

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Connelly, R., "Rigidity and energy". Inventiones Mathematicae, 66(1), pp.11-33. 1982

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Guest S., "The stifness of prestressed frameworks: A unifying approach". International Journal of Solids and Structures 43. pp.842-854, 2006

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Oppenheim, I., & Williams, W., "Mechanics of tensegrity prisms". In Proceedings of the 14th international symposium on automation & robotics in construction. 1997

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