KR100624402B1 - 3차원 트러스 중간층의 접기가 가능한 샌드위치 판구조물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 토목, 건축 현장에서 조립하여 사용할 수 있는 대형 경량 샌드위치 판구조물을 구성하는 방법에 관한 것이다. 샌드위치 판구조물은 상/하 면판(face sheet)과 트러스 중간층으로 구성된다. 트러스는 3차원 옥테트, 3차원 카고메, 피리미드 트러스 중의 하나의 형태를 취하며 파이프로 만들어진다. 중간층 트러스를 이루는 파이프는 상부 또는 하부의 끝 부분이 상/하 면판 중 하나에 핀 조인트(pin joint)로 연결되어 있어 상/하 면판 중 하나의 평면 위에 규칙적인 형태로 접혀질 수 있으며 파이프의 반대쪽 끝은 나머지 면판에 임시로 단순한 기계적 방법으로 연결된다. 따라서 현장 조립시 상/하 면판 중 하나에 접혀진 채로 붙어 있는 파이프를 일으켜 세워 그 끝을 반대편 면판에 결합하기만 하면 샌드위치 판재의 형태 구성이 완성된다. 반대로 해체하고자 하면 임시로 결합된 부분을 풀고 파이프를 핀 조인트로 연결된 상/하 면판 중 하나에 접어 놓는다. 따라서 현장에서 이 샌드위치 판구조물을 설치하고자하는 경우 파이프의 배열과 고정이 간편하게 되며 해체 시 쉽게 분해하여 부피를 줄임으로써 파이프의 운반과 보관이 편하고 반복사용이 가능하다. 역학적으로 이상적인 구조를 가지기 때문에 가벼우면서도 기계적인 강도와 강성도가 높으며, 내부의 빈 공간을 통로, 저장, 열전달, 배선 등의 용도로 활용할 수 있다.

트러스구조, 옥테트 트러스, 카고메 트러스, 피라미드 트러스, 경량구조재, 샌드위치 판구조물

Description

3차원 트러스 중간층의 접기가 가능한 샌드위치 판구조물{Fold-up Sandwich Panels with Three Dimensional Truss Cores}

도 1은 격자형 중간층을 갖는 샌드위치 판재의 예

도 2는 피라미드 트러스 구조물 1개층의 형상

도 3은 3차원 옥테트 트러스 구조물 1개층의 형상

도 4는 3차원 카고메 트러스 구조물 1개층의 형상

도 5는 도 2의 피라미드 트러스 구조물의 상하면을 단순 면판으로 대체하여 만들어진 샌드위치 판구조물의 형상

도 6은 도 3의 3차원 옥테트 트러스 구조물의 상하면을 단순 면판으로 대체하여 만들어진 샌드위치 판구조물의 형상

도 7은 도 4의 3차원 카고메 트러스 구조물의 상하면을 단순 면판으로 대체하여 만들어진 샌드위치 판구조물의 형상

도 8은 특허 제 223442호의 장지간 가설교량 상부 구조물의 형상

도 9는 특허 제 173513호의 장지간 가설교량의 구조

도 10은 하부면판 위에 파이프를 소재로 피라미드 트러스 중간층을 만들어 세운 형상

도 11은 하부면판 위에 파이프를 소재로 3차원 옥테트 트러스 중간층을 만들어 세운 형상

도 12는 하부면판 위에 파이프를 소재로 3차원 카고메 트러스 중간층을 만들어 세운 형상

도 13은 상/하부면판과 파이프 트러스요소를 연결하는 핀 조인트의 두 가지 형상

도 14는 피라미드 트러스용 파이프 들이 접어진채 하부면판에 배열되어 있는 형상

도 15의 왼쪽 그림은 도 14의 접어졌던 파이프 중 일부가 세워지는 모습, 오른쪽 그림은 4개의 파이프가 동시에 연결되어야하는 부분에 필요한 핀조인트 연결부의 형상

도 16은 옥테트 트러스용 파이프 들이 접어진채 하부면판에 배열되어 있는 형상

도 17은 도 16의 접어졌던 파이프 중 일부가 세워지는 모습

도 18은 카고메 트러스용 파이프 들이 접어진채 하부면판에 배열되어 있는 형상

도 19는 도 18의 접어졌던 파이프 중 일부가 세워지는 모습

도 20은 파이프가 면판에 뚫어진 구멍을 통하여 반대편에 볼트와 플러그에 결합된는 형상

도 21은 파이프로 구성한 3차원 카고메 트러스의 형상 확대그림

도 22는 도 21의 트러스의 세 파이프가 교차하는 지점을 고정하는 체결구의 형상

도 23은 판구조물을 연장하여 보다 길거나 넓은 판구조물을 만들고자 할 때 상하면판을 연결하는 방법 세 가지

본 발명은 토목, 건축 현장에서 조립하여 사용할 수 있는 대형 경량 샌드위치 판구조물을 구성하는 방법에 관한 것이다. 샌드위치 판구조물은 상/하면에는 강도/밀도가 높은 재료, 중간층에는 밀도가 낮은 다공질재료나 격자형 소재들로 구성된다. 도 1은 격자형 중간층을 가진 몇 가지 샌드위치 판구조물의 형상을 나타내고 있다. 격자형 중간층은 현장에서 제조하기 어렵기 때문에 공장에서 제조 후에 현장으로 이송하여야하지만 부피를 많이 차지하기 때문에, 특히 구조물의 크기가 큰 경우에는 운송에 불리하다. 그리고 내부가 여러 개의 막힌 방으로 구성되어 있어 공간 활용이 곤란하다.

최근 새로운 중간층 소재로서 주기적인 트러스구조가 소개되고 있다 (H.N.G. Wadley, N.A. Fleck, A.G. Evans, 2003년, Composite Scinece and Technology, Vol.63, pp.2331-2343). 정밀한 계산을 통해 최적의 강도를 갖도록 설계된 트러스 구조는 허니컴(honeycomb) 격자에 버금가는 기계적 물성을 가지면서 내부가 개방되어 공간을 활용할 수 있는 이점이 있다. 가장 일반적인 트러스 형태는 피라미드(pyramid) 트러스이다. 4개의 정삼각형 격자가 경사면을 이루고, 정사각형 격자는 아랫(또는 윗)면은 이루고 있어 사각형 형태의 판구조물을 만들기 유리하다. 보다 이상적인 트러스구조로서 정사면체와 정팔면체가 조합된 형태의 옥테트(Octet) 트러스(R. Buckminster Fuller, 1961, US Patent 2,986,241)를 들 수 있다. 트러스의 각 요소가 서로 정삼각형을 이루고 있어 강도와 강성도면에서 더 우수하다. 21세기 들어서 옥테트 트러스를 변형한 카고메(Kagome) 트러스가 발표되었다.(S. Hyun, A.M. Karlsson, S. Torquato, A.G. Evans, 2003, Int. J. of Solids and Structures, Vol.40, pp.6989-6998) 도 2, 도 3와 도 4은 각각 피라미드, 3차원 옥테트와 3차원 카고메 트러스 구조의 1개 층을 나타내고 있다. 카고메 트러스의 기계적 강성도(stiffness)는 옥테트 트러스와 같으나 트러스 요소의 길이가 옥테트 트러스의 절반이기 때문에 좌굴강도가 높으며 중간의 한점에서 상하로 서로 마주보고 있는 두 정사면체 트러스 중 하나에서 좌굴이 발생한 뒤에도 나머지 한 트러스가 하중을 견딜 수 있으므로 갑작스러운 붕괴가 발생하지 않는다. 도 5, 도 6과 도 7은 각각 도 2, 도 3와 도 4의 트러스구조의 상/하면을 단순 면판(face sheet)으로 대체한 샌드위치 판구조물의 형상을 나타내고 있다.

트러스구조는 토목, 건축분야에서 널리 응용되어 왔다. 다른 장소에서 조립되어 운반하기에는 부피가 너무 큰 경우가 많아 주로 현장에서 용접이나 볼트 결합으로 조립되므로 시공기간을 길게 하는 단점이 있다. 반면에 가설 교량과 같이 임시 구조물이지만 높은 하중에 견뎌야하는 경우 현장조립 시간 단축되어야 할 뿐 아니라 강도(strength)와 강성도(stiffness)가 우수해야하며 재사용을 위하여 해체/운반도 용이해야 한다. 교량과 같이 굽힘 하중을 받는 임시 설치형 판 구조물을 만드는 가장 일반적인 방법은 기둥 (또는 교각)과 기둥 (또는 교각) 사이를 H-빔과 같은 형강으로 거더(Girder)를 구성한 후 그 위에 복공판을 배열하는 것이다. 이 경우 복공판은 단순히 구조물 상부를 덮어 면을 구성하는 역할을 할뿐 굽힘 하중은 거더가 전부 지지해야하므로 비효율적이며 기둥 (또는 교각)과 기둥 (또는 교각) 사이 거리인 지간을 크게 할 수 없다. 또한 현장에서 조립하는 과정에 용접시공하게 되므로 시공비가 많이 들고 품질관리가 어렵고 공사기간이 많이 소요되며 자재를 재활용하기 어렵다.

도 8은 특허 제223442호의 가설교량 상부 구조물을 나타낸 것이다. 구조물의 가장자리에 2차원 3각 트러스를 배치하여 굽힘강도 및 강성도를 높임으로써 지간을 크게 할 수 있다. 도 9는 특허 제173513호의 장(long) 지간 가설교량의 구조를 나타낸 것이다. 주(main) 구조물 하부에 고장력 선재를 배치하여 미리 인장력을 가하여 (pre-stressed) 상부 구조물에 가해지는 굽힘 하중의 일부를 상쇄함으로써 장지간을 가능하게 한다.

그러나 위의 두 사례에서도 차량바퀴와 같이 실제 부하를 전달하는 물체와 접촉이 일어나는 부분은 여전히 단순히 배열된 복공판으로 굽힘 하중을 견디는 역할은 거의 하지 않는다. 역학이론에 의하면 굽힘 하중을 받는 부재의 상면과 하면이 부재의 나머지 부분에 단단히 결합되어 있다면 상하면이 굽힘하중에 의한 응력을 대부분 담당하게 되어 부재의 굽힘 강도와 강성도를 크게 높일 수 있다.

위와 같은 문제점을 해결하고자, 본 발명의 목적은 사용하지 않을 때는 중간 층 트러스를 접어서 부피를 작게 하여 운반이나 보관에 유리하고, 사용하고자 할 경우 현장에서 간단히 핀이나 볼트결합으로 조립할 수 있는, 강도와 강성도가 높아 가볍고 장지간이 가능한 샌드위치 판 구조물을 제작하는 방법을 제시하는데 있다.

하부 면판(face sheet) 위에 파이프 들을 세워 트러스 중간층을 구성하고 그 위로 상부 면판을 놓아 샌드위치 판구조물을 완성한다. 도 10 ~12는 파이프가 하부 면판 위에서 각각 피라미드, 3차원 옥테트와 3차원 카고메 트러스형태로 배열된 모습을 나타내고 있다. 상/하부의 면판과 파이프의 결합방법은 조립과 해체가 용이하도록 볼트결합 또는 핀 조인트와 같은 단순 기계식이다. 도 13은 두 가지 핀 조인트 방식을 나타내고 있다. 파이프 (1)의 양쪽 끝에 부착된 연결부 (2a)를 상/하부 면판에 부착된 연결부 (2c) 또는 (2d)에 맞춘 후 핀 (2b)를 삽입하여 결합한다. 이와 같은 결합법은 핀을 중심으로 회전이 가능하게 하므로 이동/보관 시 파이프의 양쪽 연결부 (2a)를 모두 분리하지 않고 한쪽은 결합된 채로 파이프를 접어 둘 수 있다. 이렇게 하면 해체와 조립 시간이 단축될 수 있고 조립 시 파이프 배열이 용이해진다. 도 14는 피라미드 트러스용 파이프 들이 접어진 채 상/하부 면판 중 하나에 배열되어 있는 형상을 나타내고 있다. 각 변이 2개의 파이프로 구성된 정사각형 격자 형상이다. 도 15의 왼쪽 그림은 접어졌던 파이프 중 일부가 세워지는 모습을 나타내고, 오른쪽 그림은 4개의 파이프가 동시에 연결되어야하는 부분에 필요한 핀조인트 연결부의 형상을 나타내고 있다. 이것은 도 13의 (2b)와 (2c) 또는 (2d)가 4개 결합된 것이다. 도 16은 옥테트 트러스용 파이프 들이 접어진채 상/하부 면판 중 하나에 배열되어 있는 형상을 나타내고 있다. 파이프들이 정삼각형 격자를 이루고 있다. 정삼각형 도 17은 접어졌던 파이프 중 일부가 세워지는 모습을 나타내고 있다. 도 18은 카고메 트러스용 파이프 들이 접어진채 상/하부 면판 중 하나에 배열되어 있는 형상을 나타내고 있다. 파이프가 정육각형과 정삼각형이 규칙적으로 혼재된 격자 형태로 배열되어 있는 이러한 형상을 2차원 카고메 구조라고 부른다.(Huyn and Torquato, 2002, Journal of Materials Research, Vol.17, pp.137-144) 도 19는 접어졌던 파이프 중 일부가 세워지는 모습을 나타내고 있다.

도 20은 파이프와 상/하부 면판이 결합되는 다른 두 가지 방법을 나타내고 있다. 파이프 (1)에 부착된 단부 (3a)의 암나사와 면판에 뚫어진 구멍 (3b)를 통하여 반대쪽의 볼트 (3d)에 의하여 체결되거나, 파이프에 면판 건너편의 플러그 (3h)가 구멍 (3b)를 통하여 삽입되고 핀 (3f)를 구멍 (3e)와 (3g)에 끼워 넣음으로써 결합된다. 이 결합방법은 도 13의 방법에 비하여 면판 쪽 연결부의 크기를 작게 하기 때문에 파이프로 만들어지는 중간층 트러스의 형상을 이상적인 트러스에 보다 가깝게 한다. 그러나 이 방법으로 파이프가 상부 또는 하부 면판에 결합되면 결합된 상태에서 파이프를 접는 것이 불가능하므로 파이프를 접어 두는 면판 쪽에는 사용하는 것이 불가능하고 반대쪽 면판에 임시적으로 결합하는 부분에만 사용될 수 있다.

파이프로 도 12와 같은 카고메 트러스를 구성할 경우, 다른 두 트러스와는 달리, 중간에 세 파이프가 교차하는 부분이 있다. 도 21은 그 형상을 나타내고 있다.이 부분의 세 파이프를 서로 결합해야만 카고메 트러스의 장점인 우수한 좌굴강도를 실현할 수 있다. 단순히 와이어를 감아 고정하는 방법과 함께 도 22에 나타낸 결합 도구를 이용할 수도 있다.

이 판 구조물을 연결하여 보다 길거나 넓은 판 구조물을 만들고자 할 경우에는 중간층 트러스끼리의 간격을 일정하게 유지하면서 상/하부 면판만 서로 연결하면 된다. 도 23은 판 구조물을 연결하는 세 가지 방법을 나타내고 있다.

파이프의 소재로서 금속과 함께 합성수지, 섬유강화 복합재료(FRP)를 쓸수 있으며, 면판의 소재로서 금속, 합판 등 목재류, 섬유강화 복합재료 등의 균질판과 내부가 비어 있거나 격자형 중간층을 가진 샌드위치 판을 쓸 수 있다.

본 발명의 장점은 다음과 같다.

첫째, 사용하지 않을 때는 중간층 트러스를 이루는 각각의 파이프를 그 한쪽 연결부로부터 분리하고 반대쪽 면판 위로 접음으로써 전체 구조물의 부피가 작아져서 운반이나 보관에 유리하고, 사용하고자 할 경우 현장에서 한쪽 면판 위에 접혀져 있던 파이프를 일으켜세우고 파이프의 반대쪽 끝을 나머지 면판에 연결하는 것만으로 조립이 거의 완성되므로 파이프의 배열이나 설치하는 시간이 단축된다. 소재의 대부분을 반복 사용할 수 있기 때문에 경제적이고 철거 후 재료 폐기를 최소화할 수 있어 환경친화적이다.

둘째, 단면의 관성2차모멘트(Second moment of inertia)가 매우 큰 샌드위치 구조로서 상/하부의 면판에 걸리는 인장과 압축으로 굽힘 모멘트의 대부분을 지지하고 중간층은 이상적인 3차원 트러스로 전단력만을 담당하기 때문에 역학적으로 높은 강도와 강성도를 갖는다. 따라서 같은 하중을 받는 다른 구조물에 비하여 훨씬 가벼우며 장지간을 실현할 수 있다.

셋째, 상부 면판은 굽힘 모멘트를 견디는 역할뿐 아니라 실제하중을 가하는 물체와 접촉하고 지지하는 역할을 하므로 별도의 복공판이 필요 없다.

넷째, 중간층 트러스 사이의 공간 부의 빈 공간을 통로, 저장, 열전달, 배선 등의 용도로 활용할 수 있다. 내부의 빈 공간을 합성수지나 콘크리트 등 고체로 채워 트러스의 좌굴을 억제함으로써 강도를 높이거나 차음 성능과 단열 성능을 높일 수도 있다.

Claims (9)

1. 동일한 길이를 가지는 파이프들이 조합되어 피라미드 트러스나, 정사면체 형태의 옥테트 트러스나, 카고메 트러스와 유사한 다수의 규칙적인 3차원 트러스 구조를 이루고 있는 중간층, 이것의 상부와 하부에 배치된 얇은 면판, 중간층의 파이프 단부들과 상/하부 면판을 결합하는 핀조인트나 볼트-너트 조합으로 구성됨을 특징으로 하는 샌드위치 판구조물로서;

   파이프(1)의 양끝 중 최소 하나에 부착된 단부(2a)에 있는 구멍과 상/하부 면판에 고정된 상대편 연결부(2c 또는 2d)에 있는 구멍을 서로 일치시킨 후 핀(2b)을 삽입함으로써 파이프와 상부 또는 하부 면판에 연결하도록 되어 있어;

   파이프 들을 면판 위로 접어 놓으면, 세워져 있었을 때 피라미드 트러스와 유사한 구조를 하고 있었던 파이프(1a~1d)들은 각 변이 두 개의 평행하게 맞닿은 파이프로 구성된 정사각형 격자 형태로; 세워져 있었을 때 옥테트 트러스와 유사한 구조를 하고 있었던 파이프(1e~1g)들은 각 변이 한 개의 파이프로 구성된 정삼각형 격자 형태로; 세워져 있었을 때 카고메 트러스와 유사한 구조를 하고 있었던 파이프(1h~1j)들은 2차원 카고메 격자 형태로 접어지는 것을 특징으로 하는 샌드위치 판구조물.
2. 제 1 항에 있어서, 파이프들로 피라미드 트러스와 유사한 트러스를 반복적으로 만들 때 필요한, 상/하부 면판에 고정된 상대편 연결부(2c 또는 2d) 네 개가 한꺼번에 조합된 연결부로서, 중앙에 한 개의 축이 있고 이것의 옆면에 네 개의 핀 구멍이 있고 바깥쪽 둘레 네 방향에 상대편 핀 구멍이 있는 브라켓이 있어 네 개의 파이프(1a~1d)의 단부(2a)를 한꺼번에 연결할 수 있는 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 파이프가 접어지는 쪽이 아닌 반대쪽 면판과 결합하는 장치로서 파이프(1)에 부착된 단부(3a)에 파이프의 길이 방향으로 뚫어진 암나사와 면판에 뚫어진 구멍(3b)를 통하여 반대쪽의 수나사(3d)를 체결함으로써 파이프로 이루어진 3차원 트러스형 중간층과 상/하부 면판과의 결합하는 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 파이프가 접어지는 쪽이 아닌 반대쪽 면판과 결합하는 장치로서 파이프(1)에 면판 건너편의 플러그(3h)가 면판의 구멍(3b)를 통하여 삽입되고 핀(3f)을 파이프 단부의 구멍(3e)와 플러그의 구멍(3g)에 끼워 넣음으로써 파이프로 이루어진 3차원 트러스형 중간층과 상/하부 면판과의 결합하는 장치.
5. 제 1 항에 있어서, 3개씩의 파이프(1h~1j)로 구성된 카고메 트러스와 유사한 구조의 중간 부분에서 파이프가 서로 교차하는 부분을 고정하기 위한 용도로 사용되는 핀과 힌지로 구성된 결합도구.
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