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[국내논문] 굴곡형 케이블-막 지붕 시스템의 비선형 해석
Nonlinear Analysis of Curved Cable-Membrane Roof Systems 원문보기

한국공간구조학회논문집 = Journal of the Korean Association for Spatial Structures, v.17 no.3, 2017년, pp.45 - 55  

박강근 ((주)아이스트 기술연구소) ,  권익노 ((주)아이스트) ,  이동우 ((주)아이스트)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

The objective of this study is to estimate the mechanical characteristics and nonlinear behaviors on the geometric nonlinear analysis of curved cable-membrane roof systems for long span lightweight roof structures. The weight of a cable-membrane roof dramatically can reduce, but the single layer cab...

주제어

#Curved cable-membrane roof systems   #Long span lightweight roof structures   #Structural stiffness  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 굴곡형 케이블 네트 구조에 막재가 덮여진 지붕 시스템에 대한 기하 비선형 해석방법과 역학적 특성에 대해서 분석하였다.
  • 막재의 선택은 사용 목적, 규모, 구조 시스템 등에 따라 적절한 막재가 선택이 되어야 한다. 본 연구에서는 막재의 역학적 성능 중에서 인장강도, 인열강도에 대한 특성에 대한 실험결과를 분석한다2).
  • 본 연구에서는 비교적 변형이 작고 안정적이며 강성의 확보가 용이한 역방향 곡률을 갖는 굴곡형 케이블-막 지붕 시스템의 기하학적 비선형 거동 및 역학적 특성을 분석하고자 한다. 역방향 곡률의 케이블이 방사형으로 설치되어 상하 방향의 하중에 대해서 효과적인 굴곡형 지붕 시스템을 제안하고 케이블 보강 막 지붕 시스템에 대한 역학적 특성에 대해서 분석을 하고자 한다.
  • 본 연구에서는 사각형 형태의 평면 지붕을 상부 및 하부 하중에 대해서 효과적으로 저항하기 위한 굴곡형 케이블-막 지붕 시스템이다. 굴곡 지붕에 0.
  • 본 연구에서는 역방향 곡률로 된 커테너리 곡선을 갖는 굴곡형 케이블-막으로 된 원형 지붕 시스템에 대한 기하학적 비선형 해석을 수행하여 역학적 특성을 파악하였다. 지붕하중은 막재의 표면하중 0.
  • 본 연구에서는 비교적 변형이 작고 안정적이며 강성의 확보가 용이한 역방향 곡률을 갖는 굴곡형 케이블-막 지붕 시스템의 기하학적 비선형 거동 및 역학적 특성을 분석하고자 한다. 역방향 곡률의 케이블이 방사형으로 설치되어 상하 방향의 하중에 대해서 효과적인 굴곡형 지붕 시스템을 제안하고 케이블 보강 막 지붕 시스템에 대한 역학적 특성에 대해서 분석을 하고자 한다. 케이블-막을 동시에 해석을 하기 위한 요소 방정식 및 기하학적 비선형 해석을 위한 해석적인 방법을 정식화 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
장스팬 지붕에 사용되는 케이블 특징? 장스팬 지붕에 사용되는 케이블은 인장강도가 매우 높지만, 휨 강성은 매우 낮아서 큰 변형을 유발하므로 설계 시에 가능하면 변형이 작은 구조시스템을 선정해야하고 또한 기하학적인 비선형성을 고려한 해석이 수행되어야 한다. 유연한 케이블 지붕 시스템의 변형을 최소화 하고 필요한 강성을 확보하기 위해서는 상향 및 하향의 역방향 곡률을 갖는 지붕 시스템이 매우 효과적이다1-14).
굴곡형 케이블 네트 구조에 막재가 덮여진 지붕 시스템에 대한 기하 비선형 해석방법과 역학적 특성에 대한 본 논문의 분석결과는? 1) 건축용 막재의 인장시험에서 유리섬유 막재의 탄성계수는 3618~4443MPa, 신율은 6.00~9.87%, 폴리에스터 막재의 탄성계수는 375~452MPa, 신율은 18.52~28.35%, ETFE 필름의 탄성계수는 387MPa, 신율은 약 350~400%의 실험값을 얻었다. 2) 역방향 곡률을 갖는 굴곡형 케이블 네트 시스템은 상하 연직하중에 대해서 필요한 강성을 확보하는데 매우 효과적인 구조 시스템이다. 3) 케이블 트러스 구조나 텐세그러티 구조 등은 지붕 시스템의 구성에서 압축재가 필요하지만 굴곡형 케이블 네트 시스템은 압축재가 필요하지 않다. 지붕을 보다 경량화 할 수 있는 장점이 있다. 4) 막재가 외장재인 경우에는 모델링 시에 케이블 요소의 절점을 중심으로 막재를 분할하면 케이블의 인장력이 증분하중을 이끌어가므로 기하 비선형 반복해석이 잘 수행될 수 있다. 막재를 상세하게 모델링하면 막 부분만 비선형 해석을 먼저 끝나는 경우가 자주 발생한다. 5) 복잡한 케이블 구조인 경우는 초기 장력 및 형상해석을 통해서 잘 설계된 시스템이라도 케이블에 압축이 생가는 경우가 발생하여 인장력만을 받는 케이블 요소가 수학적 오류를 발생시킬 수 있다. 이러한 압축력이 발생하는 케이블인 경우는 아주 작은 인장력(1.0E-09)으로 대체하여 비선형 반복해석을 수행하여 만족할 만한 결과를 얻었다. 본 해석에 사용된 두 모델은 총 반복회수 200~300회 정도로 비선형 해석이 잘 수행될 수 있는 모델이다.
유연한 케이블 지붕 시스템의 변형을 최소화 하고 필요한 강성을 확보하기 위해서는 어떤 지붕 시스템이 효과적인가 장스팬 지붕에 사용되는 케이블은 인장강도가 매우 높지만, 휨 강성은 매우 낮아서 큰 변형을 유발하므로 설계 시에 가능하면 변형이 작은 구조시스템을 선정해야하고 또한 기하학적인 비선형성을 고려한 해석이 수행되어야 한다. 유연한 케이블 지붕 시스템의 변형을 최소화 하고 필요한 강성을 확보하기 위해서는 상향 및 하향의 역방향 곡률을 갖는 지붕 시스템이 매우 효과적이다1-14).
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참고문헌 (14)

  1. Design Standard of Cable Structures, Korean Association for Spatial Structures, 2009 

  2. Design Standard of Membrane Structures, Korean Association for Spatial Structures, 2010 

  3. K.G. Park, S.J. Lee, D.W. Lee, "A Study on the Structural System of Flexible Large Span Spatial Roofs Using Steel Cables," Journal of The Residential Environment Institute of Korea, 2015.12, 13(4), pp.393-404 

  4. K.G. Park, D.W. Lee, "A Study on the Nature Inspiration Design of Eco-friendly Spatial Buildings," Journal of The Residential Environment Institute of Korea, 2016. 6, 14(2), pp.1-20 

  5. K.G. Park, D.W. Lee, "Mechanical Characteristics of Cable Truss Roof Systems," Journal of Korean Association for Spatial Structures, 2016. 6, 16(2), pp.89-96 

  6. K.G. Park, D.W. Lee, T.J. Kwun, "Mechanical Characteristics of Large Span Spoke Wheel Systems," International Association for Spatial Structures(IASS), 2016. 9, ID1341 

  7. K.G. Park, D.W. Lee, S.J. Lee, "A Nature Inspired Design Philosophy of Spatial Structures," International Association for Spatial Structures(IASS), 2016. 9, ID1342 

  8. K.G. Park, D.W. Lee, "Mechanical Behavior of Cable Net Structures Considering Sag Ratio," Journal of Korean Association for Spatial Structures, 2016. 9, 16(3) pp.47-58, 

  9. K.G. Park, M.H. Lee, M.J. Park, "Nonlinear Behaviors of Cable Spoke Wheel Systems," Journal of Korean Association for Spatial Structures, 2017. 3, 17(1), pp.31-40 

    원문보기 상세보기 crossref

  10. K.G. Park, D.W. Lee, D.I. Choe, "Mechanical Characteristics of Retractable Radial Cable Roof Systems," Journal of Korean Association for Spatial Structures, 2017. 6, 17(2), pp.55-66 

  11. K.G. Park, D.W. Lee, M.J. Park, "Mechanical Characteristics of Circular Cable Roof Systems," International Journal of Innovations in Engineering and Technology, 2017. 6, 8(3), pp.296-302 

    상세보기

  12. K.G. Park, D.W Lee, D.I. Choe, M.J. Park, "Geometric Nonlinear Behaviors of Shallow Shells by Boundary Conditions," International Journal of Latest Trends in Engineering and Technology, 2017. 7, 8(4), pp.133-139 

  13. K.G. Park, M.J. Park, B.M. Park, "The Material and Geometric Behavior of a Composite Shell with a Quadratic Curve," International Journal of Innovations in Engineering and Technology, 2017. 8, 8(4), pp.29-34 

  14. K.G. Park, M.J. Park, S.H. Shin, "Design of Large Space Cable Roofs with Retractable Systems to Open and Close.," International Journal of Latest Trends in Engineering and Technology, 2017. 8, 8(4-1), pp.197-203 

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