[논문]대공간 구조를 위한 텐세그리티 모듈 제작

이승혜; 정진우; 안승환; 이재홍

doi:10.9712/kass.2019.19.3.61

[국내논문] 대공간 구조를 위한 텐세그리티 모듈 제작
Fabrication of Tensegrity Modules for Spatial Structures 원문보기

한국공간구조학회논문집 = Journal of the Korean Association for Spatial Structures, v.19 no.3, 2019년, pp.61 - 68

이승혜 (세종대학교 건축공학과) , 정진우 (코스피(주)) , 안승환 (코스피(주)) , 이재홍 (세종대학교 건축공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

A tensegrity module structure is suitable type for spatial structures. Because the tensegrity is composed of set of discontinuous compressive elements (struts) floating within a net of continuous tensile elements (cables), the system can provide the basis for lightweight and strong. However, despite the advantages of tensegrities, design and fabrication of the systems have difficulty because of form-finding methods, pin-connection and the control of prestress. In this paper, the new pin-connection method was invented to make the tensegrity module. The production process and practical implementation of uniformly compressed the tensegrity structures by using a UTM are described. Experiments showed the mechanical response and failure aspects of the tensegrity system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 대공간 구조를 구축하기 위한 텐세그리티 모듈을 제작하고 이를 위해 새로운 핀 접합구를 제안하였다. 텐세그리티 모듈은 사방으로 확장되어 대공간 구조물의 지붕을 덮는 형태나 기존 구조물에 부착이 어려운 태양광 패널의 하부 지지대 등으로 활용이 가능하다.
본 연구에서는 제안된 텐세그리티 시스템 접합구의 건전성 및 구조물 전체의 거동을 확인하기 위하여 만능구조물시험기를 사용하여 정적 가력하였다.
본 연구에서는 텐세그리티 구조물의 제작을 위한 새로운 핀 접합 시스템을 제안한다. 제안된 모듈은 실제 대공간 지붕 구조물을 구축하기 위한 확장 가능한 시스템으로 접합부에서 각 모듈이 분리될 수 있는 장점을 갖는다.
본 장에서는 대공간 구조물의 구축을 위한 기본 모듈인 4중 스트럿 텐세그리티 모듈에 대해 기술한다. 기본 모듈의 연결성(Connectivity)을 제시하고 내력 탐색(Froce-finding)을 통해 각 부재의 프리스트레스 값을 도출하며 이를 실제 제작에 적용한다.

제안 방법

케이블 및 스트럿은 각각 5개의 시험편을 준비하였다. 500kN 강재피로 시험기에서 케이블은 인장 실험, 스트럿은 압축 실험을 각각 수행하였다.
본 장에서는 대공간 구조물의 구축을 위한 기본 모듈인 4중 스트럿 텐세그리티 모듈에 대해 기술한다. 기본 모듈의 연결성(Connectivity)을 제시하고 내력 탐색(Froce-finding)을 통해 각 부재의 프리스트레스 값을 도출하며 이를 실제 제작에 적용한다.
제안된 모듈은 실제 대공간 지붕 구조물을 구축하기 위한 확장 가능한 시스템으로 접합부에서 각 모듈이 분리될 수 있는 장점을 갖는다. 단일 4중 스트럿 텐세그리티 모듈(Single 4-strut tensegrity module)을 제작하고 실험을 위해 새롭게 제안된 핀 접합 시스템을 사용하여 4개의 모듈을 접합하였다. 제작 후에는 5MN 대형 만능구조물시험기(UTM, Universal Test Machine)를 사용하여 시험체 상부를 전면 가력하였으며 이를 통해 하중-변위 곡선을 얻을 수 있었다.
실험 전 케이블 및 스트럿 재료의 물성치 확인을 위해 재료 실험을 수행하였다. 케이블 및 스트럿은 각각 5개의 시험편을 준비하였다.
순수 텐세그리티는 각 절점에서 3개의 케이블과 1개의 스트럿이 결합한다. 이 점에 착안하여 기존 구 형태의 접합부를 배제하고 새롭게 정착구를 제작하여 케이블 구속을 위한 3개의 홀을 가공하였다.
4개의 단일 모듈을 결합한 텐세그리티 구조물의 상단 전체를 동일하게 가력하기 위해서는 최소 2m의 폭이 필요하였다. 이를 위해 계명대학교 첨단건설재료실험센터에 의뢰한 후 5MN 대형 만능구조물 시험기를 사용하여 실험을 진행하였다.
본 연구에서는 텐세그리티 구조물의 제작을 위한 새로운 핀 접합 시스템을 제안한다. 제안된 모듈은 실제 대공간 지붕 구조물을 구축하기 위한 확장 가능한 시스템으로 접합부에서 각 모듈이 분리될 수 있는 장점을 갖는다. 단일 4중 스트럿 텐세그리티 모듈(Single 4-strut tensegrity module)을 제작하고 실험을 위해 새롭게 제안된 핀 접합 시스템을 사용하여 4개의 모듈을 접합하였다.
단일 4중 스트럿 텐세그리티 모듈(Single 4-strut tensegrity module)을 제작하고 실험을 위해 새롭게 제안된 핀 접합 시스템을 사용하여 4개의 모듈을 접합하였다. 제작 후에는 5MN 대형 만능구조물시험기(UTM, Universal Test Machine)를 사용하여 시험체 상부를 전면 가력하였으며 이를 통해 하중-변위 곡선을 얻을 수 있었다.
텐세그리티 구조물 거동을 실험으로 확인하기 위하여 4개의 텐세그리티 모듈을 제작하여 연결구로 결합하였다[Fig. 8]. 스트럿의 양 끝단에는 스크류 방식의 홈을 마련하여 핀 접합구와 결합 시 길이를 조절할 수 있게 하였다.
사방의 4절점은 단순 지지 모사를 위해 받침대를 사용하여 지지하였다. 텐세그리티 구조물 상단을 정적으로 가력하여 하중변위 곡선을 얻었으며 가력은 변위 제어하였다. 시험기의 가력 부분은 넓은 판으로 구성되어 등분포 하중을 모사하기 적합하였다.

대상 데이터

4중 스트럿 텐세그리티 모듈은 4개의 스트럿과 12개의 케이블의 총 16개 부재로 구성되어 있다. 각 부재의 연결은 [Fig.
내력 탐색을 위한 단일 4중 스트럿 텐세그리티 모듈의 물성치는 제작을 위해 설계된 실제 부재를 기반으로 하였다. 모듈의 수치 해석을 위해 탄성 계 수 E=210GPa, 스트럿 단면적 As=254.
모듈의 수치 해석을 위해 탄성 계 수 E=210GPa, 스트럿 단면적 As=254.47mm2, 케이블 단면적 Ac=1.86mm2, 밀도 ρ=7800kg/m3 값으로 설정하였다.
2]는 호주 브리즈번 강에 위치한 세계 최대 텐세그리티 구조물인 Kurilpa Bridge이다. 보도와 자전거 도로로 설계된 Kurilpa Bridge는 총 길이가 470m이며 6.8Km의 나선형 스트랜드 케이블(Strand cable)을 포함하여 총 560ton의 구조용 강재가 사용되었다³⁾. 하지만 Kurilpa Bridge를 제외한 대부분의 텐세그리티 구조물은 미술 작품이거나 텐세그리티 개념을 다른 구조 형식에 접목한 융합형이다.
실험 전 케이블 및 스트럿 재료의 물성치 확인을 위해 재료 실험을 수행하였다. 케이블 및 스트럿은 각각 5개의 시험편을 준비하였다. 500kN 강재피로 시험기에서 케이블은 인장 실험, 스트럿은 압축 실험을 각각 수행하였다.

이론/모형

본 연구에서는 내력 탐색을 위해 내력밀도법(Force density method)을 사용하였다. 내력밀도법은 식 (1)과 같이 부재의 내력을 그 길이로 나눈 선형 방정식을 사용한다⁷⁾.
식 (2)에서의 각 절점의 좌표는 고정되었으므로 부재의 내력 밀도로 구성된 평형 방정식을 통해 안정 상태의 부재 내력을 도출하여야 한다. 식 (2)의 우변 항을 0으로 만드는 부재 내력을 구하기 위해서는 여러 방법을 사용할 수 있지만 본 연구에서는 유전 알고리즘(Genetic algorithm)을 도입하였다. 유전 알고리즘은 다윈의 진화 과정에 기초한 최적화 기법으로 텐세그리티 구조물의 설계 목적에 맞게 제약 조건을 설정하고 이 제약 조건에 의해 구속되는 목적 함수를 구성한다^9),10).

성능/효과

이는 손상을 입은 모듈만 추후 손쉽게 교체가 가능하도록 반영한 것이며 설계 및 제작 과정에서도 구조물 전체 크기로 다루는 것에 비해 훨씬 간결하다. 개발된 텐세그리티 모듈을 실제 현장에 적용한다면 중량 대비 강성 측면에서 철골 트러스 구조나 콘크리트 구조보다 훨씬 우수한 성능을 얻을 수 있다. 추후 본 연구에서 도출된 보완 사항을 반영하여 개선된 텐세그리티 모듈을 확정하고 해석 프로그램 결과와의 비교를 통한 검증을 수행하여 실제 설계 및 제작 지침 작성을 위한 기반을 마련하기로 한다.
하지만 부재가 중복될 때 손상 모듈을 교체할 경우 인접하는 모듈에도 영향을 미칠 수 있다. 본 연구에서 제안하는 독립된 단일 모듈은 손상된 모듈만 핀 접합 부분에서 탈락하여 교체가 가능하다.
스트럿은 STS304 재질로 항복 강도 205.00MPa, 인장 강도 520.00MPa이 요구되었으나 텐세그리티 부재로 사용할 때에는 압축력만 받게 되므로 압축을 시험하여 평균 15.99kN의 압축력을 얻을 수 있었다. 이에 대응하는 수축 길이는 평균 0.
텐세그리티 구조물 상단을 정적으로 가력하여 하중변위 곡선을 얻었으며 가력은 변위 제어하였다. 시험기의 가력 부분은 넓은 판으로 구성되어 등분포 하중을 모사하기 적합하였다.
이는 EN12385-4의 1770 등급을 사용한 케이블이 요구하는 최소 1,570MPa, 최대 1,960MPa 인장 강도를 만족한 결과였다. 파단력 또한 기준에서 요구하는 2.54kN을 상회하는 결과를 얻을 수 있었다.

후속연구

이는 스트럿 제작 시에 여유를 두어 스크류 연결부에서 조절하도록 해야 한다는 의미이다. 시공 오차와 접합구를 제외한 순 길이 등을 고려해야 하며, 본 제작 과정은 추후 텐세그리티 설계 지침 작성 시 중요한 정보로 활용될 수 있다.
경량의 텐세그리티가 강성이 약할 것이라는 우려와는 달리 기대 이상의 결과를 얻을 수 있었다. 이는 4개의 텐세그리티 모듈을 결합한 형태의 결과이므로 대공간 구조물로 결합하거나 부재의 크기를 증가시킨다면 더욱 큰 강성을 기대할 수 있을 것이다.
개발된 텐세그리티 모듈을 실제 현장에 적용한다면 중량 대비 강성 측면에서 철골 트러스 구조나 콘크리트 구조보다 훨씬 우수한 성능을 얻을 수 있다. 추후 본 연구에서 도출된 보완 사항을 반영하여 개선된 텐세그리티 모듈을 확정하고 해석 프로그램 결과와의 비교를 통한 검증을 수행하여 실제 설계 및 제작 지침 작성을 위한 기반을 마련하기로 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	텐세그리티 시스템은 무엇으로 구성되는가?	텐세그리티 시스템(Tenasegrity system)은 연속된 인장 부재(케이블, Cable) 내에 압축력을 받는 비연속 부재(스트럿, Strut)로 구성되며 안정 상태를 위해 인장 부재에 인장력을 가하고 이로 인해 스트럿 부재에도 압축력이 가해진다. [Fig.
	텐세그리티 시스템을 설계하기 위해 도출해야 하는 것은 무엇인가?	이러한 장점에도 불구하고 텐세그리티 시스템이 실제 구조물에 적용되는 사례가 적은 이유는 설계와 제작의 어려움에 기인한다. 텐세그리티 시스템을 설계하기 위해서는 형상 탐색 기법(Form-finding method)을 통해 안정 상태의 형상과 최적의 프리스트레스 상태를 도출해야 한다. 또한 제작 시 핀 접 합 구조물(Pin-joint structure)의 절점 부분에서 각 부재가 다양한 각도로 연결되어야 하고, 특히 케이블 부재를 정착시켜야 하는 어려움으로 인해 실제 구조물에 다양하게 적용하지 못하고 있는 실정이다.
	텐세그리티 시스템을 실제 구조물에 다양하게 적용하지 못하는 이유는 무엇인가?	텐세그리티 시스템을 설계하기 위해서는 형상 탐색 기법(Form-finding method)을 통해 안정 상태의 형상과 최적의 프리스트레스 상태를 도출해야 한다. 또한 제작 시 핀 접 합 구조물(Pin-joint structure)의 절점 부분에서 각 부재가 다양한 각도로 연결되어야 하고, 특히 케이블 부재를 정착시켜야 하는 어려움으로 인해 실제 구조물에 다양하게 적용하지 못하고 있는 실정이다.

참고문헌 (10)

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10.7781/kjoss.2016.28.5.337 Lee, S., Lee, J., & Kang, J. W., "Form-finding of tensegrity systems by using frequency constraints", Journal of Korean Society of Steel Construction, Vol.28, No.5, pp.337~344, 2016

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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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