꺅 지진이다! 하지만 걱정마세요. 인스파이어가 있으니까요!

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  “구조해석, 최적화 등 건축 관련 분야에서 컴퓨터를 이용한 설계가 많아지기 시작하면서, 인스파이어와 같은 도구는 혁신적인 해결책을 제시하고 컨셉을 테스트하기 위한 최고의 방법으로 자리잡았습니다.”

잉그리드 파올레띠(Ingrid Paoletti) 교수
폴리텍니코 디 말라노 대학교(Politecnico di Milano University), 액틀랩 ABC


  액틀랩(ACTLAB)은 폴리텍니코 디 말라노 대학 건축학과, 주거 환경과, 건축 공학과의 건축 계산 및 기술 실험실입니다. 이곳에서 학생들은 건축 환경에서 새로운 기술을 이용하여 문제를 해결하는 방법에 대해 배우고 있습니다.

  여기 학생인 다비드 감베리니(Davide Gamberini)는, 자신의 학사 과제인 “위상 최적화를 이용한 건축물 붕괴 예방”의 연구를 위해, 이탈리아의 전통 건물들에 대한 비강화 벽돌 구조에 대해 공부했습니다. 유럽에서 가장 지진이 많이 일어나는 나라 중 하나인 이탈리아의 건물을 연구하며, 이 문화적 세습 재산의 보존을 위한 보다 나은 개조 전략을 개발할 필요가 있다고 생각했습니다.

  가상의 비강화 벽돌 빌딩 구조의 해석을 위해, 다비드는 솔리드씽킹 인스파이어(solidThinking INSPIRE)를 사용했습니다. 그는 잉그리드 파올레띠(Ingrid Paoletti) 교수와 함께, 건축 설계에서의 첨단 도구와 전략을 연구하면서 인스파이어에 대해 배웠습니다. 연구를 하며 다비드는, 구조 공학과 건축 설계 사이에서 발생하는 시너지 효과 및 상관관계에 매료되었습니다. 그는 인스파이어가 건물의 내진 성능을 향상시키기 위해 필요한 구조적인 개선책을 쉽고 빠르게 찾도록 도와주는 도구라는 것을 알게 되었습니다.

인스파이어를 이용한 설계 프로세스

[조건 1] 홀 사이에 수직 하중 적용.
기초 보는 고정 점으로 설정

1

▲ UHPC

2

▲ Steel

3

▲ CFRP

[조건 2] 홀 사이에 수직 하중 적용
기초 보는 구조적 요소로 영향을 주지 않음

4

▲ UHPC

5

▲ Steel

6

▲ CFRP

[조건 3] 홀 사이에 세로 하중 적용
기초 보는 고정 점으로 설정

7

▲ UHPC

8

▲ Steel

9

▲ CFRP

  먼저, 다비드는 네 개의 구멍, 하나의 문, 아래쪽에 창문 하나, 윗쪽에 두 개의 창문이 있고 하중이 존재하는 간단한 건물의 벽을 가상으로 설정하였습니다.

  그리고 다음의 세 가지 시나리오를 두었습니다.
  1. 건물 윗편에 위치한 두 개의 창문 사이로 지진에 대한 피해가 발생했습니다. 이에 따른, 수평 커브 지지를 포함한 면외 하중을 시뮬레이션 하였습니다.
  2. 동일하게 건물 윗편에 위치한 두 개의 창문 사이로 지진에 대한 피해가 발생했습니다. 이에 따른, 지반을 포함한 면외 하중을 시뮬레이션 하였습니다.
  3. 지진에 대한 피해가 하나도 없는 건물에 대한, 지반 지지, 윗쪽 벽, 지붕 연석 등의 조건 시뮬레이션 하였습니다.

  다비드는 구조 솔루션이 어디까지 해석이 가능한지 알아보고 싶었습니다. 그래서 혼합 울트라-고성능 콘크리트(UHPC), 철, 탄소 섬유 강화 폴리머(CFRP)의 세 가지 각기 다른 재료에 대한 해석을 수행했습니다.

  이를 통해 다비드는, 사용된 재료와는 상관없이 두 가지 형태의 힘의 패턴이 발생하는 것을 알 수 있었습니다. 첫 번째 시나리오에서는, 구부러지는 동안 정면과 평행한 셀이 드러났습니다. 두 번째와 세 번째 시나리오에서는, 축 방향 힘의 결과로 파이프와 같은 형태가 나타났습니다. 이 약해보이는 영역의 형상들은, 분명 구조적으로 뛰어난 컨셉을 제공하는데 도움을 줄 것입니다.

  그는 어떤 물질이 지진으로부터 가장 잘 보호할 수 있을지 알아보기 위해 대체 및 최대 전단 응력의 결과를 검사했습니다. 부피, 면적, 그리고 제조 방법에 대해서도 고려했습니다. 첫 번째 시나리오에서는, 혼합 울트라-고성능 콘크리트가 최고로 좋은 성능을 나타냈으며, 두 번째가 철, 세 번째가 탄소 섬유 강화 폴리머였습니다.

  다비드는 인스파이어의 유용성에 대해 인정했습니다. 그는 “인스파이어는 시작 단계에서부터 나를 옳은 길로 안내하여, 프로젝트의 초기 단계에서 설계에 대한 피드백을 제공해줍니다. 또한 배우고 사용하기가 손쉬우며, 구조 공학에 대한 깊은 지식을 필요로 하지도 않습니다.” 라고 말했습니다.

  파올레띠 교수 역시 다비드의 프로젝트에 있어서 인스파이어가 완벽한 도구라는 것에 동의했습니다. 그는 “인스파이어는 다비드의 평소 설계를 재평가하여, 새로운 설계를 할 수 있도록 도와주었습니다.” 라고 말했습니다.

다음은?

  인스파이어와 함께, 다비드는 빠르고 쉽게 지진 개조 설계를 위한 세 가지 뛰어난 컨셉을 발견할 수 있었습니다. 그는, 보다 고급 사용자들을 위한 알테어의 구조 해석 및 최적화 도구 옵티스트럭트(OptiStruct)를 이용하여 설계를 마무리 할 예정입니다. 또한 더 나은 제조 공정을 위해 다른 건축 자재들도 추가로 더 찾아볼 예정입니다. 조립할 수 있는 개조된 구조 안에서 해석 결과를 보다 잘 이해하기 위한 알고리즘 워크플로우를 개발할 예정입니다.


* 산업
– 건축 공학 건설(AEC)

* 과제
– 가상의 비강화 벽돌 구조에 대한 효과적인 지진 예방 설계 개발

* 솔루션
– 세 가지 설계 컨셉에 대해, 빠르고 쉽게 이상적인 형상 및 재료를 찾기 위해 솔리드씽킹 인스파이어 사용

* 결과
– 인스파이어가 복잡한 설계 프로세스를 빠르고 단순하게 하여, 단 몇 일만에 이상적인 컨셉을 얻을 수 있었습니다.
– 인스파이어의 사용자 친화적인 인터페이스와 작업 흐름 덕분에, 다비드는 정교한 구조 해석 및 위상 최적화 수행을 위한 건축 공학 고급 지식이 없이도 쉽게 작업을 마무리할 수 있었습니다.

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