Author: structuretoday
Form controlling technique
The force flow turns out to be directly the form of the structure, which may be an efficient structural system with aesthetic implication.
The computer aided geometric design (CAGD) technology is the crucial element to represent and control the structure in efficient way.
how to make tensegrity model with 3D printer 2
Tensegrity is a simple structural system. It is consist of two materials such as the cable and the strut. It is a lightweight structure and its load resisting mechanism is very clear.
Buckminster Fuller is known as the first person to develop tensegrity as a structure. However, the first ideas and attempts at tensegrity were initiated by young artist Kenneth Snelson. Snelson created a tensegrity model in 1948 and showed it to his instructor Fuller. Later, Fuller summarized the theoretical background of tensegrity and actively engaged in engineering attempts. Therefore, the young Kenneth Snelson who created and gave the idea of the first tensegrity model is relatively unknown.
Fuller coined the term “tensegrity” and sometimes described it as “island on the sea.” If you look at a tensegrity structure, you will feel like “Strut is floating on the cable”. Fuller’s expression of “Island of Compressed Materials on the Sea of Tension” (1965) is sufficient to define tensegrity.
A cap is designed by a young architect and was recently 3D printed and applied to produce a model of icosahedral tensegrity.
The tensegrity model is very helpful in understanding the load resistance mechanism of structures. In particular, even without much theoretical background, it is useful to experience the structural system directly with the model.
Recently, engineering students, who try to understand structures, are increasing. To understand the structure well and become an expert on the structures, it is necessary to be interested in the structure itself. Tensegrity structure may be a good example of the first step in understanding the structure.
3D 프린터를 이용한 텐세그리티 구조 제작
20면체 텐세그리티 구조물 제작 동영상을 만들어 2013년 2월 유튜브에 올려놓은 적이 있다. 세명의 제자와 함께 제작한 것인데 오늘 확인해 보니 조회횟수가 20,085이다. 평균적으로 하루에 10번이상의 조회가 이루어진 것으로 나타났다.
구조연구실이 구조혁신센터를 부설로 운영하기로 결정하였다. 최근에는 3D프린터를 구입하고 이용하고 있다. 이번에 20면체 텐세그리티 구조물의 제작과정에 조금의 변화를 주기로 했다. 구조물에 사용될 부품을 제작하는 과정에 3D프린터를 이용하기로 하였다.
4차 산업혁명이라는 다소 피곤한(?) 소용돌이 속에 있다고 하는데 사실 큰 변화를 느끼지 못하는 상황이다. 공학도들이 조금이나마 현 상태를 즐길 수 있는 기회를 가질 수 있다면 성공이다. 그래서 텐세그리티를 만드는 작업자체 보다도 각 구조요소를 제작하고 준비하는 과정에 최신기술을 도입하는 것에 초점을 맞추었다.
동영상을 보면 기존의 제작방법은 텐세그리티의 스트럿(Strut)은 나무로 된 바 그리고 케이블은 실로 제작하였다. 제작과정에 스트럿의 끝에 실을 걸기위해서 스트런 단부의 중앙을 칼로 반으로살짝 분리하여 실을 걸었다.
이번 제작과정은 기존의 것과는 다르게 케이블을 스트럿에 걸수 있는 캡(cap)을 만들어 보기로 했다. 캡을 제작하기 위해서 CAD 도구를 이용하여 캡을 디자인 하였다. 그리고 디자인 된 캡을 STL파일로 만들고 이를 이용해서 3D프린팅하는 작업을 진행하였다. 이러한 과정은 칼로 나무 스트럿의 단부 단면을 자르는 제작과정이 생략될 수 있게 되었다. 기존의 작업을 하면서 학생들이 손을 다칠수도 있다는 생각이 들었는데 이제는 걱정이 없다. 그리고 디자인된 캡은 필요할 때 마다 프린트해서 사용할 수 있으므로 한번 디자인한 캡은 지속적으로 사용할 수 있다. 또한 캡의 디자인이나 성능을 지속적으로 개선할 수 있게 되었다. 캡의 디자인은 젊은 건축학도에게 의뢰하여 이루어졌다.
따라서 3D프린팅으로 만든 캡과 나무로 된 스트럿 그리고 실대신에 고무줄을 이용하여 20면체 텐세그리티 구조를 제작할 수 있게 되었다. 구조모델을 만드는 이유는 여러가지가 있으나 가장 중요한 것은 손으로 직접 구조물의 거동을 경험해 볼 수 있기 때문이다. 구조모델을 만드는 과정을 통해서 구조물을 효율적으로 시공하는 구법을 스스로 이해하게 될 수도 있다. 축소모델을 통해서 힘에 대한 구조의 저항방식을 잘 이해할 수 있는 장점이 매우 크다. 이때 모델을 제작할 때 건설재료가 정확히 동일하지는 않은 것은 중요하지 않다.
(to be continued)
콘크리트 재료모델에 대한 연구
새로운 밀레니엄이 시작되기 전 마지막 여름, A는 영구귀국을 하였다. 보스의 요구로 인해서 6개월이라는 다소 긴 프로젝트 인수인계 기간을 가졌고 조금은 지친상태였다. 평온하던 영국과는 달리 IMF중이던 한국의 분위기는 좋지 않았다. 지금도 인상적인 것이 연구원 본관 출입구에 텐트가 설치되어 있었고 노조원들이 그 텐트를 이용하고 있었다. 귀국했다는 사실을 실감하였다. 지금 돌이켜 생각해 보면, 그 당시 A의 젊음이란 “미숙과 무모”의 두단어로 요약될 수 있을 것 같다.
한국에 귀국하여 처음 시작한 연구가 프리스트레스 콘크리트 격납건물의 비탄성해석이었다. 쉘구조라는 연관성때문에 지원한 자리였다. 연구원에서 그때까지 진행되어온 연구내용을 빠르게 팔로우업(follow-up)하기 시작했다. 그런데 연구의 진행상황은 그리 좋아보이지 않았다. 구식 오픈소스를 이용하여 격납건물을 해석하는 코드를 개발하려는 계획을 가지고 있었으며 프리프로세서(pre-processor)와 포스트프로세서(post-processor)는 외주를 주려고 하였다. 문제는 오픈소스가 너무 구식이었고 외주를 주면서 조악한 소프트웨어를 보유할 필요가 없어보였다. 장기적인 연구계획과 함께하는 소프트웨어 개발이 필요했고 최신의 오픈소스를 이용해야 한다고 판단했다.
그런데 무엇보다도 제일 큰 문제는 콘크리트라는 재료의 불확실성을 충분히 커버할 수 있는 재료모델이 없었다. 고민이 깊어가는 즈음에 동경대학교에 계신 Prof. M 생각이 났다. 그리고 Lab장의 소개로 찾아뵙게 된 성균관대학교의 Prof. S가 Prof. M의 랩에서 학위를 하게 된 것을 알게 되었다. 재료모델에 대한 고견을 구하기 위해서 두분을 만나기 시작했다. 참 다행인 것은 두 분다 콘크리트해석 코드를 개발해야 하는 것을 당연하게 생각하는 콘크리트랩을 운영하고 있었다. 여러번의 만남 끝에 Prof. S는 Dr. C의 박사학위 논문과 관련 코드를 주시면서 연구가 잘 이루어지기를 바란다는 덕담을 해주셨다. 그리고 Prof. M은 동경대학교를 2주간 방문하는 동안 깊은 환대와 함께 콘크리트 재료모델과 관련실험에 대한 자료를 한아름 챙겨주셨다.
일본에서 가져온 관련자료를 읽고, Dr. C가 작업한 코드를 분석하기 시작했다. 그리고 결론적으로 기존의 콘크리트 해석코드에서 재료모델 부분만 따로 정리한 뒤에 개발하려고 하는 격납건물해석 코드에 삽입하기로 결정하게 된다. 나중에 알게 되었지만 Prof. S의 랩에서는 이미 구식 코드를 버리고 재료모델을 새로운 코드에 삽입하여 이용하고 있었다. 그래서 나는 두 가지의 작업을 동시에 진행하였다. 새로운 쉘 유한요소를 도입하고 재료모델을 완전히 분리하여 개발하는 코드에 삽입하는 것이었다. 이때 A는 재료모델 부분을 소스레벨에서 다루지 않고 라이브래리를 만들어서 이용하였다. 개발자에 대한 최소한의 예의였다. 이후에도 A는 스스로 재료모델에 대한 코드를 배포한 적은 없다.
스완지에서는 소성학에 기반한 콘크리트구조물의 해석이 주로 이루어졌다. 소성학을 기반으로 하는 재료모델(이하 소성모델)은 해석이론을 공부한 사람들이 선호한다. 그러나 이 모델은 콘크리트의 물리적 현상을 세세하게 다룰 수 없는 부분이 있었다. 반면 실험데이터를 기반으로 다양한 세부재료모델을 개발해온 동경대학교의 재료모델(이하 동경모델)은 대부분의 구조물에 탁월한 해석결과를 보여주었다.
물리적현상을 이해하고 이를 수학적 모델로 표현하는 일들이 반드시 한가지의 방식으로만 이루어지는 것은 아니다. 그래서 한편으로 소성모델을 격납건물에 도입하는 방식을 함께 추진하였다. 스완지는 80년대에서 90년대 초반까지 콘크리트해석과 관련된 연구가 심도있게 수행되었다. A는 이 연구결과를 격납건물해석에 이용하기로 결정했다.
(to be continued)
자유곡면 공간구조 생성
이 연구는 프리폼 구조(free form)를 설계하기 위한 기반기술을 확보하기 위해서 수행하였다.
연속체 구조물은 곡면을 조절하기 위해서 CAGD가 도입된 바 있다. 그러나 1차원 요소를 사용하는 공간구조물은 상대적으로 이와 관련한 기반기술의 개발과 보유가 미흡하였다.
따라서 먼저 자유곡면(free-form surface)을 가지는 공간구조를 생성하기 위해서 CAGD(Computer aided geometric design)를 도입하였다.
특히 CAGD를 이용하여 모델링된 자유곡면에 상응하는 2개의 층을 가지는 공간구조를 자동으로 생성하는 기법의 개발에 초점을 맞추었다.
이를 위하여 모델링 도구를 이용하여 생성한 자유곡면 데이터를 이용하였다. 이 프로젝트에서는 최근 다양한 분야에서 사용되는 Rhino를 이용하여 원하는 자유곡면을 형성하였다.
이렇게 생성된 자유곡면은 Rhino의 모델링 환경내에서 직접 수정할 수 있다. 그러나 현재로써는 이렇게 형성된 자유곡면 자체만으로는 구조적 의미가 결여되어 있다. 즉 곡면의 수정으로 인해 발생하는 구조 성능의 변화에 대한 확인이 어렵다. 따라서 구조엔지니어가 해석도구를 이용하여 각 케이스별로 안전성을 점검하게 된다.
이 프로젝트에서는 Rhino로 형성된 자유곡면을 CAGD의 수학적 정의로 변환하는 과정을 포함하고 있다. 따라서 구조해석과 최적화를 통하여 자유곡면에 상응하는 공간구조의 안전성과 경제성을 직접 확인할 수 있게 하였다. 이때 CAGD의 정의에 대한 컴퓨터 코드를 직접개발하여 이용하였다.
이 연구에서 가장 중요한 부분은 공간구조의 최적설계에 적용할 자유곡면 형태를 가지는 공간구조 자동생성기를 확보하는데 있다. 자유곡면 공간구조 생성기는 주어진 제약조건을 만족하는 공간구조물의 형태를 설계하는데 이용될 수 있다.
이 프로젝트를 통해서 자유곡면 형태를 가지는 공간구조에 대한 적용기술이 확보되었으며 특히 새로운 형태의 공간구조를 효율적으로 설계하기 위한 기반기술이 확보되었다.
공간구조 부재크기 자동선정
전라북도 무주군 설천면 무설로 1482에 위치한 태권도 경기장의 지붕 구조설계를 최적화한 결과이다.
참고로 이 경기장은 세계에서 규모가 제일 큰 단일 태권도 경기장이며 연면적 18,107 m2, 지하 2층, 지상 4층 규모의 건물이다.
부재수가 많은 비정형 공간구조물에 대한 초기단면을 가정하는 것은 경험이 많은 엔지니어도 힘든 부분이다.
이 프로젝트를 통하여 구조엔지니어가 설계한 부재의 패턴을 검토하고 최적설계기법을 이용하며 최상의 부재사이즈를 제공하였다.
최적설계프로그램은 직접 개발하였으며 수학적프로그래밍기법과 유한요소법을 기반으로 하였다. 공간구조물의 주요부재 단면증가와 단면감소를 정량적으로 계산하고 최종 부재사이즈를 제공하였다.
참고로 좌측은 단면이 증가한 부재를 우측은 단면이 감소한 부재를 나타내고 있다.
이는 초기부재단면을 설계 최적화기법을 통해서 정량적으로 산정하여 전체 물량을 줄일 수 있는 프로젝트로 구조분야의 원가절감(Value Engineering)을 실현한 좋은 사례로 간주될 수 있다.
이 프로젝트는 2009년 상반기 CS구조의 의뢰를 받고 수행하였다.
건축구조물의 3D 프린팅
1994년 겨울 A는 영국유학길에 올랐다. 하나만 보고 달리는 나이였다. 그래서인지 두려운 것도 무서운 것도 없었다. 하나만 보고 달리면 그 하나 이외에는 아무것도 보이지 않기 때문이다.
곡면을 최적화하는 일을 시작하면서 A는 RP(Rapid Prototyping)에 대해서 알게 된다. 그 당시에도 신발 회사에서 mock-up을 만들때 3D 프린터를 사용하고 있었다. 곡면의 정의를 개발하는 일련의 그룹이 존재한다는 사실도 알게 되었고 기하학적인 정의가 컴퓨터에서 사용하기 쉬운 형태로 만들어졌다는 것도 알게 되었다. 신기하기만 했다. 벌써 20년도 훨씬 넘는 때의 일이다.
한국에 돌아와서 3D프린터에 대해서 까맣게 잊고 있다가 A는 자신이 사용하는 CAD모델링 도구에 STL파일을 생성해 주는 기능이 있다는 것을 알게 되었다. 그리고 한참 뒤인 2014년 학교플랜트에 3D프린터가 들어왔다. 제대로된 고가의 장비가 들어 오니 사용해 보고 싶다는 생각이 제일 먼저 들었다.
그래서 그동안 진행했던 연구결과 중의 일부를 STL파일로 생성해서 프린트해 보았다. 곡률을 가지는 단순한 면인데도 거의 42시간의 시간이 소요되었고 시뮬레이션을 통해서 디자인 한 막구조의 mock-up을 처음으로 손에 쥐었다. 4차 산업혁명이 A의 연구분야에서도 이루어 지고 있었다.
그런데 2016년에 구입할 것으로 계획했던 3D프린터는 학과에 전산실을 만드는 일로 2년 정도 미루어졌다. 그리고 2018년 여름 3D프린터의 구입이 완료되었다. 하지만 구조 커리큘럼에 이용될 이 새로운 기자재를 사용하기 위해서 실험실을 운영하게 된다. 유학시절 가장 부러워했던 이노베이션 센터(Innovation center)를 벤치마킹하기로 했다. 아래는 구조혁신실험실의 운영을 알리는 안내문이다.
“구조연구실(structure lab)에서 구조혁신센터를 함께 운영합니다. 2년간 한시적으로 통합 운영되며 실험실 공간이 마련되면 공간분리 예정입니다. 구조혁신센터에 새 장비가 설치되었습니다. 구조디자인을 통해서 설계한 구조물을 RP를 통해 모델을 직접 만들 수 있게 되었습니다. 학교 플랜트에 있는 고가의 장비와 비교하면 유지관리면에서도 유리하고 3D프린터를 가까이에서 경험할 수 있게 되어 연구/교육 환경이 일부 개선될 것 같습니다.”
구조혁신센터에 설치된 3D프린터는 학교 플랜트에 설치된 장비와 비교하면 정밀도가 다소 떨어졌다. 그리고 구동방식이 레진에 레이저를 쏘아서 굳게 만드는 Stereolithography방식이다. 따라서 프린팅을 하는 동안 가상의 지지대를 꽤 많이 생성하는데 이러한 상황이 프린트 결과물에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 그러나 기본적인 mock-up을 만들기에는 부족함이 없었다. 다만 곡면을 표현하는데 있어서 정밀도가 현저하게 떨어져 원하는 결과물을 얻지 못하는 상황이 빈번하게 발생하였다.
따라서 정밀도와 대상구조물에 따라서 3D프린터를 선별적으로 이용하는 것이 필요한 것으로 보인다.
하나만 보고 달릴때는 단 하나만 보여야 한다. -S LEE
격납건물 텐돈 모델링
원전 격납건물은 사고로 인해서 급격히 증가하는 내압에 충분히 견딜 수 있어야 한다.
격납건물이 내압에 효율적으로 저항하기 위해서 격납건물에 텐돈(tendon)을 설치하여 프리스트레싱 가한다.
격납건물 아래부분과 윗부분이 원통쉘과 반구형쉘로 설계된 것은 내압에 효율적으로 저항하기 때문이다. 이때 텐돈의 배치 패턴은 격납건물의 형태와 밀접한 관계를 가진다.
아래 그림과 같이 격납건물이 대칭이고 개구부를 고려하지 않으면 구조해석시에 텐돈은 대칭으로 배치되었다고 가정한다.
격납건물의 해석에 유한요소법을 이용하면 1차원, 2차원, 3차원 요소를 동시에 사용한다. 이때 유한요소의 차원은 전체공간을 분할하는 차원과는 다르며, 트러스와 보는 1차원, 평면요소, 판요소는 2차원 그리고 고체요소는 3차원 요소로 분류한다.
격납건물을 모델링하는 하나의 예로써, 3차원의 고체요소는 콘크리트 벽체와 돔 부분을 텐돈은 1차원요소를 모델링할 수 있다. 이때 일반적인 1차원 요소는 절점과 절점사이에 존재해야 한다. 따라서 텐돈의 형상에 맞추어 요소를 배치해야 하는 극한 상황이 발생하게 된다.
이러한 상황에서는 2가지의 해법이 있다. 텐돈의 배치패턴에 준하는 유한요소망을 생성하거나. 아니면 3차원 고체요소의 형상에는 무관한 삽입요소(embedded tendon요소)를 개발하는 것이다.
이 연구는 고체요소의 형상에 관계없이 텐돈요소를 배치할 수 있는 1차원 삽입요소를 개발하고 시연한 것이다. 2004년 우리연구팀(Y.J. LEE & Sang J. LEE)에 의해서 개발된 1차원 요소에 대한 성능검증과 평가가 아직 미완이다. 이 분야에 대한 기반기술은 아직 미진한 것으로 판단되며 적절한 검증과 평가가 반드시 필요하다. 이 연구에 관심을 가지는 연구자가 나타나기를 바란다.
