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Capstone Design for the Better World

교량 설계 3D 프로그램

  • 최현민 [ 인천대학교 ]
  • 조회수176 리뷰수0 좋아요0
  • 공개여부 : 공개
  • 카테고리 : 기계, 교육/연구
  • 등록일 : 2019-04-15
  • 팀원(공동개발자) : 최현민, 김예린
  • 출품작 : 제15회 인천대학교 창의적종합설계경진대회 참가팀 모집

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수행 목적

교량 구조물 설계는 반복적인 테스트와 수정을 통하여 이루어지기 때문에 초기 개념 설계는 신속하고 정확한 교량 구조물의 설계를 위하여 중요합니다. 이를 위하여 필수 설계 조건의 입력 만으로 초기 개념 설계 단계에 사용할 수 있는 교량 구조물 모델을 자동으로 도출하고 신속하게 프로토타입을 제작하기 위한 프로그램을 제작하고자 합니다.

상세설명

1. 제작 계획서

 

1) 작품에서 다루고자 하는 문제는 무엇이고, 왜 그 문제가 풀 만한 가치가 있는지를 모두가 수긍할 만한 예를 들어설명하시오.

(한 페이지 이내, 글과 그림 포함)

- 다리 설계 회사에서는 다리를 건설하는데 설계 도면을 만들고 그에 따른 설계 모델에 대한 안전성을 검사한 뒤, 건설하는데 걸리는 시간이 중요합니다. 그래서 최대한 효율적이고 빠르게 지어질 수 있게 하는 것이 중요합니다. 그래서 저희는 도면을 설계하는 부분에서 시간을 줄일 수 있도록 교량 설계 3D 프로그램을 선택하게 되었습니다.

 

2) 문제에 대한 해결책이 무엇인지 설명하시오.

(한 페이지 이내, 글과 그림 포함)

구조 설계방법 중 위상 최적화 기법이 있습니다. 이 기법은 정적 하중 구조물에 하중이 주어질 때 가해지는 부분은 단단하게 설계하고, 가해지지 않는 부분은 제거하여 재료 비용을 절감시키고 경량화시킵니다. 이 기법을 활용하여 효율적인 도면 설계를 할 수 있고, 일일이 코딩을 하여 계산할 필요 없이 몇 가지 필수 요소를 넣기만 하면 자동으로 설계를 하는 프로그램을 개발할 생각입니다.

 

3) 2)번 해결책의 어떤 점들이 창의적인가?

(한 페이지 이내, 글과 그림 포함)

설계할 때 보통 매트랩을 이용하여 계산할 수 있도록 코딩을 일일이 적어 계산해야 합니다.

그러한 부분에서 저희는 그 코딩 부분을 만들 프로그램에 다 코딩을 해놓고 필수 요소만 넣으면 자동으로 설계해주는 면에서 편리하고 시간을 단축해 주는 부분이 저희가 설계할 프로그램의 이점이라 생각합니다.

 

4) 2)번 해결책의 세부사항들에 대해서 자세히 설명하시오.

교량을 설계할 때 수치해석, 정역학 및 유한요소, 기타 등등 신경 써야 할 부분들이 많습니다. 이러한 것들을 이용하여 교량에 걸리는 응력, 압축, 비틀림, 모멘트값들을 구하고 그에 따른 교량의 부분마다 안전계수를 대입하여 정상적으로 이용할 수 있는 교량을 설계할 수 있도록 합니다. 그리고 교량은 지진이나 태풍과 같은 자연조건에 견딜 수 있게끔 그 부분에 대해 코딩도 해놓을 예정입니다. 그렇게 프로그램을 이용해 교량 모델이 완성되면 3D 프린터로 바로 출력할 수 있는 파일로 변환한 뒤 3D 프린터로 교량 구조물을 만들어냅니다.

 

5) 유사한 아이템의 특허출원, 사업화 현황 등의 사례조사 및 2)번과의 차별성

- 지난 20161214일 카탈로니아 첨단 건축연구소(IAAC)는 마드리드 Alcobendas의 도시공원인 Castilla-La Mancha에 길이 12미터, 너비 1.75미터의 마이크로 철근 콘크리트를 사용한 세계 최초의 3D프린팅을 활용한 교량을 건설했습니다.

이것은 3D프린팅 기술을 토목 공학 분야에 적용한 첫 번째 사례입니다.

이 교량의 디자인 및 제작에는 2개월이 걸렸고, 파트 조립 후 건설하는 데는 8월부터 12월까지 총 4개월이 걸렸습니다.

이 교량은 건물안전법규를 준수하면서, 여러 가지 주변 환경 요구조건에 맞추어 디자인되었습니다.

또한, 필요한 부분에만 재료를 첨가하고 필요하지 않은 부분에는 재료를 빼는 최적화 기법을 통해 자재 분배의 효율성을 높였습니다.

그러나 이러한 과정은 매번 그 환경에 맞는 코딩이나 설계를 해야 하므로 제작기 간이 오래 걸리고 번거롭다는 단점이 있습니다.

이를 개선하기 위해 저희는 몇 가지 환경조건들을 입력하면 이를 바탕으로 최적의 디자인을 설계하는 것부터 3D프린팅을 이용한 교량 제작까지의 모든 과정을 자동으로 실행해주는 프로그램을 개발하여 교량을 건설하는데 보다 편리하고 빠른 제작을 가능하게 할 것입니다.

 

2. 작품제작 추진계획 및 일정표

 

작품 제작

내용

추진일정

비 고

5

6

7

8

9

설계요구조건 수집

 

 

 

 

 

 

교량 설계를 위한 계산코딩 작성

 

 

 

 

 

 

안전성 검사

 

 

 

 

 

 

3D 프린팅 후 테스트

 

 

 

 

 

 

프로그램 제작

 

 

 

 

 

 

 

 

3. 팀원간 업무내용

- 팀원간 각자 설계하기 위한 자료를 논문 및 관련서적 등을 이용하여 찾아서 공부하고, 각자 코딩 파트를 맡아 작성하여 완성 후 모델의 안전성을 검사하여 괜찮으면 3D 프린터로 출력해 실제 검사한 뒤 제작합니다.

 

4. 기대효과

- 이번 프로그램 제작경험을 통해서 다른 어플리케이션에 적용할 수 있는 프로그램을 만드는 것에도 좋은 바탕이 될 수 있을 것이다.

        

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