[논문]케이블 기반 개폐 막 지붕의 오픈형 최적 트롤리 모델 개발

이돈우; 손수덕; 최봉영; 이승재

doi:10.5762/kais.2021.22.1.719

[국내논문] 케이블 기반 개폐 막 지붕의 오픈형 최적 트롤리 모델 개발
Development of an Open-Typed Optimal Trolley Model for Cable-Based Retractable Membrane Roof 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.22 no.1, 2021년, pp.719 - 727

이돈우 (한국기술교육대학교 디자인.건축공학부) , 손수덕 (한국기술교육대학교 디자인.건축공학부) , 최봉영 (한국기술교육대학교 창의융합공학협동과정) , 이승재 (한국기술교육대학교 디자인.건축공학부)

초록
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건축 분야는 최근 기계·로봇 분야와 접목하여 환경에 유동적으로 대응할 수 있는 개폐식 장치를 경기장과 같은 대공간 구조물의 지붕에 많이 적용하고 있다. 이러한 장치 중에서 외관이 수려한 개폐 막은 경량이어서 경계부의 견인 장치만으로 막을 쉽게 개폐할 수 있다. 그러나 막은 주 케이블에 트롤리로 연결되어 이동하므로 지붕의 면적에 비례해 트롤리 개수가 늘어난다. 본 연구에서는 이러한 막의 개폐 장치에 많이 사용되는 오픈형 트롤리를 위상 최적 기법을 이용하여 모델을 제안한다. 해석은 ANSYS 프로그램을 사용하였고, 결과를 바탕으로 피드백 과정을 통해서 새로운 모델을 제안하고, 검토하였다. 이 과정에서 트롤리 중량은 줄고, 내구성이 높아진 원형을 개발할 수 있었다. 오픈형 트롤리는 정적 해석 결과와 이에 대한 경계조건을 바탕으로 위상 최적화를 수행하며, 세 가지 타입의 최적 트롤리 원형을 설계하였다. 제안된 트롤리는 기본형 트롤리와 같은 조건에서 비교한 결과, 최대 71.04%의 부피를 감소시켰고, 항복강도는 8.67~11.43%에 달하였다. 결론적으로 본 연구에서 제안된 최적화 트롤리 모델은 경제성과 안정성을 신뢰할 만하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the field of architecture, retractable devices capable of responding flexibly to the environment have been applied widely to large structures. Among these devices, the aesthetically pleasing retractable membrane is lightweight so that the membrane can be opened easily using only a traction device. On the other hand, because the towed membrane moves as it is connected to the main cable by a trolley, the number of trolleys needed increases in proportion to the roof's area. This study proposes an optimal model for an open-type trolley (OTT), which is used widely in these devices, using topology optimization. The analysis used the ANSYS program. A new model was proposed based on the results and reviewed through the feedback. Through this process, it was possible to develop a prototype with increased durability and reduced weight. For OTT, optimization was performed based on static analysis and the boundary conditions, so three prototypes were designed. A comparison of the proposed trolley with the conventional one under the same conditions revealed an up to 71.04% decrease in volume while the yield-strength reached 8.67 to 11.43%. In conclusion, the optimal trolley proposed was found to be reliable in terms of economy and stability.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. Retractable Roof System
그림 Fig. 2. Open-Type Tractor & Trolley Drawing
그림 Fig. 3. Classification of the Retractable Roofs
표 Table 1. Structure using Open Type Trolley
그림 Fig. 4. Default Open Type Trolley
그림 Fig. 5. Topology Optimization Process
그림 Fig. 6. Default Open Type Trolley
표 Table 2. Material Property for Analysis
그림 Fig. 7. Trolley 3D Modeling by ANSYS
그림 Fig. 8. Results of OTT Model
그림 Fig. 9. Topology Optimization Results(TOT Model)
표 Table 3. Material Property for Analysis
표 Table 4. Material Property for Analysis
표 Table 5. Specification of SUGT Model
표 Table 6. Analysis Results of SUGT Model

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 기존의 연구에서 다루지 않은 오픈형 트롤리를 이용하여 위상 최적화를 진행하고 최적화 모델을 제안하여 구조적 내구성과 경제성을 판단하고자 한다. 본 논문의 구성은 2장에서 오픈형 트롤리의 리뷰, 3장에서는 위상 최적화 기법을 이용한 최적화 모델에 대한 설명, 4장에서는 해석 결과를 통한 결론을 도출한다.
본 연구에서는 개폐 막 지붕의 기계적 요소인 오픈형트롤리를 위상 최적화하여 새로운 타입의 모델을 제안하고 제안된 모델들의 내구성과 안전성을 평가하였다. 오픈형 트롤리 모델의 정적해석과 제안된 모델들의 해석 결과를 비교한 결과 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.

제안 방법

2) TOT 모델의 부피값 이하로 3가지 타입의 SUGT 모델을 제안하였다. 특히 C-Type의 경우 71.
OTT 모델의 최적 설계 모델을 제안하기 위해 정적해석 결과를 바탕으로 위상 최적화를 진행하였다. 최적 설계는 주어진 제약 조건하에서 구조체가 최고의 성능을 발휘할 수 있도록 설계하는 기술이며, 기계·메카 등 다양한 분야에서 사용하고 있다.
OTT 해석 기본 모델을 정적해석 및 위상 최적화 결과를 바탕으로 SUGT 모델을 제안하였다. 제안한 모델은 3 가지 모두 연성 막 구조물의 기계적 요소로서 충분한 안전성을 가지고 있어 실제 적용이 가능할 것으로 판단되며, 약 70%의 부피를 감소시켜 경제적일 것으로 판단된다.
04% 작게 설계하였다. 각 타입의 안전성을 평가하기 위해 기본 해석 모델의 정적해석과 동일하게 지점 조건, 하중 조건을 설정하여 해석을 진행하였다.
설계영역에서 제외하였다. 목적함수는 컴플라이언스 (Compliance)의 최소화, 구속조건은 Mass 40%, 설계변수는 요소 형상의 밀도로 설정하였으며, 상용프로그램 (ANSYS)을 사용하여 해석을 진행하였다. 해석 진행 결과 Fig.
6, Table 2와 같다. 몸통부와 레일부는 볼트 접합이 되기 때문에 몸통부의 볼트접합 되는 부분에 지점 조건 (_, _, _=0)을 설정하였다. 트롤리와 막이 연결되어 직접적으로 막의 장력이 전달되는 부분과 막이 펼쳐졌을 때 상·하현재 수직 연결고에 고정되어 장력을 받는 체결 부에 하중을 설정하였다.
5와 같이 진행하였으며, 최적화 모델을 제안하기 위해 기본 모델을 정적해석 후 도출된 응력을 이용하여 위상 최적화를 진행하였다. 위상 최적화 결과를 바탕으로 3가지 타입의 최적화 모델을 제안하였으며, 각 모델의 해석 결과를 비교하여 구조적 안전성을 평가하였다.
특히, 이동 중의 막은 트롤리의 마찰력이 낮을수록 좋지만 고정된 상태에서는 구조물의 안정성을 위해서는 마찰력이 높을수록 유리하다. 폐쇄형 트롤리의 경우 마찰력의 영향을 구조체의 내구성에 주안점을 두고 참고문헌 [11]에서 다루어졌으며, 다양한 재료에 대한 마찰력의 영향을 비교하였다. 또한 이러한 상태에 대해서 최상의 상태를 구하려고 여러가지 시도를 하였다.
해석의 간편화를 위해 레일부를 제외한 부분만을 기본 모델로 설정하였다. 해석 프로세스는 Fig. 5와 같이 진행하였으며, 최적화 모델을 제안하기 위해 기본 모델을 정적해석 후 도출된 응력을 이용하여 위상 최적화를 진행하였다. 위상 최적화 결과를 바탕으로 3가지 타입의 최적화 모델을 제안하였으며, 각 모델의 해석 결과를 비교하여 구조적 안전성을 평가하였다.

대상 데이터

해석을 위한 오픈형 트롤리의 기본 모델은 몸통 부와 체결 부를 이용했으며, 모델의 형상 및 치수, 물성치는 Fig. 6, Table 2와 같다. 몸통부와 레일부는 볼트 접합이 되기 때문에 몸통부의 볼트접합 되는 부분에 지점 조건 (_, _, _=0)을 설정하였다.
4와 같이 막의 장력과 같은 하중에 저항하는 몸통부(Body Part), 케이블과 마찰하며 직접적으로 주행하는 레일부(Rail Part), 막이 완벽하게 펼쳐졌을 때 트롤리의 위치를 상·하현재 수직 연결 고에 완벽하게 정착하기 위한 체결부(Locking Part)로 구분된다. 해석의 간편화를 위해 레일부를 제외한 부분만을 기본 모델로 설정하였다. 해석 프로세스는 Fig.

데이터처리

위의 내용으로 유한요소해석프로그램(ANSYS)을 이용하여 해석을 진행하였다. 해석을 진행하기 위한 3D 모델링 및 하중 지점 설정은 Fig.

성능/효과

1) OTT 모델 해석을 바탕으로 위상 최적화를 수행한 _결과, TOT 모델의 부피는 1.3793e+6^_로 58.23%의 부피를 감소하였고, 무게도 10.828 감소하였다.
3) 부피가 줄어든 만큼 기존에 사용하는 OTT 모델과 비교하여 약 60~71%의 무게를 감소시켜 구조물 지붕에 가해지는 하중의 크기도 상당수 줄일 수 있을 것으로 판단된다.
최대 변위는 OTT 모델에 비해 크게 증가하였으나, 실제적인 수치로는 미소한 값으로 판단된다. 변형에너지는 0.11029, 0.10924, 0.09531이 발생하였으며, OTT 모델과 비교하였을 때 21.59%, 22.34%, 32.24% 감소하는 양상을 확인하였다.
바탕으로 SUGT 모델을 제안하였다. 제안한 모델은 3 가지 모두 연성 막 구조물의 기계적 요소로서 충분한 안전성을 가지고 있어 실제 적용이 가능할 것으로 판단되며, 약 70%의 부피를 감소시켜 경제적일 것으로 판단된다.

후속연구

추후 트롤리뿐만 아니라 구동력을 가진 트랙터와 경계부의 정착을 위한 앵커링의 최적 설계에 관한 연구가 필요하며, 정적인 하중이 아닌 개폐가 진행되는 과정에서의 안전성을 검토하여 설계에 반영하는 연구가 필요할 것으로 판단된다.

참고문헌 (15)

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상세보기
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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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