지진에도 끄떡없는 아름답고 안전한 건물, 하이퍼웍스로 만든다!

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프린스턴 대학(Princeton University)과
형상 탐색 연구실(Form Finding Lab)에 대해…

  프린스턴 대학(Princeton University)은 활발한 학문 및 연구 활동을 통해 국가적인 공헌을 제공한 미국의 대표 명문 대학교입니다. 1746년에 설립되어 미국 내에서 4번째로 오래된 역사를 자랑하는 프린스턴 대학은 종교적 이념을 내세우지 않는 독립적인 남녀공학 교육기관으로서 인문학, 사회학, 자연과학 및 엔지니어링 분야에 수많은 인재를 배출하였습니다.

  세계에서 손꼽히는 연구 대학교인 프린스턴 대학은 지식을 탐구하고 전파하는 데 있어 큰 발자취를 남기고자 노력하고 있으며, 학부 교육에 있어서도 연구 대학교 중 가장 우수한 대학으로 이름을 널리 알리고 있습니다. 현재 프린스턴 대학에서는 1,100여 명의 교직원이 약 5,200명의 학부 과정 학생과 약 2,600명 학사 과정 학생을 가르치고 있으며, 재능있는 학생이 불우한 경제 사정으로 입학하지 못하는 상황을 최대한 방지할 수 있도록 충분한 학비 지원 프로그램도 제공합니다.

  프린스턴 대학의 형상 탐색 연구실(Form Finding Lab)은 곡선형 구조를 통해 강성도를 유지할 수 있는 내진 구조 설계를 집중적으로 연구하고 있습니다. 이들의 연구 결과에 따르면 이러한 구조는 극도로 얇게 건축이 가능하며, 비용 효율성이 높고 CO2 발생량도 적습니다. 또한, 미학적인 측면에서도 높게 평가됩니다. 형상 탐색 연구실에 대한 더욱 자세한 정보와 연구 내용은 http://formfindinglab.princeton.edu/에서 확인할 수 있습니다.

  형상 탐색 실험실의 책임자이자 구조 공학자인 시그리드 아드리앤슨(Sigrid Adriaenssens) 박사는 구조적 표면의 형태 발견 분야에 대한 전문가입니다. 현재 프린스턴 대학의 토목 및 환경 공학 학부에서 조교수로 재직 중인 시그리드는 영국 바스 대학(University of Bath)에서 경량화 구조 박사 학위를 취득했으며, 런던에 있는 제인 워닉 어소시에이트(Jane Wernick Associates)와 벨기에 브뤼셀에 있는 네이 + 파트너스(Ney + Partners)에서 프로젝트 엔지니어로 근무한 경험이 있습니다.
  시그리드는 이 분야에 대한 2권의 책과 40개의 논문을 발표했으며, 쉘 구조를 연구하는 IASS 작업 그룹 5(IASS Working Group 5)의 공동 책임자이자 입체 구조물 국제 저널(International Journal of Space Structures)의 공동 편집자로도 활동 중입니다. 현재 시그리드는 패시브 구조, 액티브 구조, 어댑티브 구조에 대한 연구를 진행하고 있습니다.

  프린스턴 대학에서 박사 학위를 취득 중인 팀 미셸(Tim Michiels)은 형상 탐색 연구실에서 지진과 같은 자연 재해에 의한 쉘 구조물 움직임에 대해 연구하면서, 굳은 흙과 아도비 점토와 같은 친환경 소재를 사용해 회복탄력성을 가진 쉘 구조물을 설계하는 방법을 개발했습니다. 벨기에 KU 루벤 대학교(KU Leuven)에서 토목 공학 학사 및 석사 학위를, 문화재 보존을 위한 레이몬드 르메르 국제 센터(Raymond Lemaire International Centre for Conservation)에서 문화재 보존학 석사 학위를 취득한 팀은 프린스턴 대학에서 박사 과정을 진행하기 전에 게티 보존 연구소(Getty Conservation Institute)에서 근무하며 흙으로 건축된 문화재 건물을 지진으로부터 보호하는 방법을 연구하고 모로코와 페루에서 현장 프로젝트를 진행한 바 있습니다.

쉘 구조의 내진성 분석을 위한 소프트웨어의 필요성

  뉴스에 보도되는 무너진 빌딩과 도로를 보면 지진의 파괴력이 어느 정도인지 손쉽게 짐작할 수 있습니다. 수십 년에 걸친 연구를 통해 지진 현상에 대해 많은 것을 이해할 수 있었지만, 건축 전문가 및 연구원들은 여전히 지진 발생 시 건물 내부의 인명을 안전하게 보호할 수 있도록 건물 움직임을 개선할 수 있는 더욱 정교한 수치 계산법을 찾기 위해 지속적으로 노력하고 있습니다.

  지진이 발생했을 때에도 안전하게 사용할 수 있는 우아하고 아름다운 구조물 설계 방식에 대해 연구하고 있는 프린스턴 대학 형상 탐색 연구실 연구원들은, 아주 얇은 곡선 형태이고 일반적으로 폭이 매우 넓으며 철골, 유리, 콘크리트, 벽돌 및 점토 등 매우 다양한 자재를 사용할 수 있는 쉘 구조물에 주목하고 있습니다.

  특히 유명 쉘 구조물 건축가인 펠릭스 칸델라(Félix Candela)가 설계한 멕시코시티의 쉘 구조물들은 1985년 발생한 지진을 피해 없이 견뎌내며 쉘 구조의 우수한 내진성을 이미 입증하였습니다. 하지만 이와 같이 지진력에 따른 구조물의 움직임을 분석하려면 반드시 강력한 성능의 계산 소프트웨어가 필요합니다.

PrincetonUNV_SS_011216_Letter_web1▲ Las Manantiales 레스토랑,
멕시코시티

PrincetonUNV_SS_011216_Letter_web2▲ 더욱 알맞은 쉘 구조물의 두께 분배를 위해 옵티스트럭트(OptiStruct)에 내장된 최적화 기능을 사용하여 진동 속성을 개선


최적화 기반 설계 방식 위해 알테어 하이퍼웍스 채택!

  형상 탐색 연구실 연구원들은 시뮬레이션 및 분석 작업에 알테어의 첨단 시뮬레이션 소프트웨어 패키지인 하이퍼웍스(HyperWorks)를 사용했습니다. 연구원들은 하이퍼웍스를 사용해 쉘 모양의 건물이 지진 발생 시 어떤 내진성을 보이는지 분석하고, 지진력에 의한 흔들림이 두께에 따라 어떻게 달라지는지 시뮬레이션을 진행했습니다.

  기하학적 구조는 다른 CAD 소프트웨어에서 손쉽게 하이퍼메시(HyperMesh)로 가져올 수 있었기 때문에, 추가적으로 모델 속성만 입력하면 하이퍼웍스의 옵티스트럭트(OptiStruct) 솔버를 통해 각기 다른 강도를 가진 지진의 시뮬레이션을 진행할 수 있으며, 따라서 일련의 구조가 지진 발생 시 어떤 저항력과 움직임을 보여주는지 예측이 가능합니다. 또한, 옵티스트럭트에 내장된 최적화 기능은 주어진 제약 안에서 가능한 최적의 구조적 형태를 검색할 뿐 아니라, 쉘 구조물 중 어떤 부분의 두께를 변경하면 원하는 진동 속성을 얻을 수 있는지까지도 예측해줍니다.

  이러한 성능 때문에 다양한 형태의 쉘 구조가 지진에 어떻게 반응하는지 전체적으로 이해하는 연구에 하이퍼웍스가 사용된 것입니다. 쉘의 전체적인 형태, 특히 쉘 구조가 가진 곡선은 진동 속성과 지진에 따른 움직임에 매우 큰 영향을 주는 것으로 증명되었습니다. 곡선이 많아지면 쉘의 강성도가 높아지기 때문에 구조물의 기본적인 주파수가 증가하여 지진에 의한 떨림이 감소합니다. 두께 배분은 그 다음으로 중요한 요소이지만, 구조물 크기의 최적화는 응력 집중을 감소시키는 데 유용한 것으로 연구되었습니다. 이러한 연구 결과는 진역 내에서 더욱 안전한 쉘 형태의 구조물을 설계하는 데 있어 매우 큰 발전입니다.

PrincetonUNV_SS_011216_Letter_web3▲ Los Manantiales,
멕시코시티 소치밀코

PrincetonUNV_SS_011216_Letter_web4▲ 쉘 구조물의 폭과 형태가 단일 곡선 및 이중 곡선 쉘 구조물의
진동 속성에 영향을 주는 것을 보여주는 그래프


스스로 그 가치를 증명한 하이퍼웍스!

  이 연구에서 최적화 전문가로 구성된 알테어 팀이 지원하는 하이퍼웍스 패키지는 매우 유용한 리소스임이 명확하게 증명되었습니다. 뛰어난 계산적 효율성을 제공하는 소프트웨어 덕분에 많은 시뮬레이션을 동시에 진행할 수 있었으며, 내장된 최적화 기능은 구조물의 움직임을 파악하는 데 있어 매우 효과적이었습니다. 알테어의 기술 전문가들은 프린스턴의 연구 팀이 소프트웨어 패키지가 가진 다양한 가능성을 최대한 활용할 수 있도록 지원을 제공했습니다. 이들은 모델 구축을 지원하고 사용 가능한 다른 최적화 방식을 소개해주었으며, 특정 데이터 분석을 위한 스크립트를 작성해 주기도 했습니다.

  이제 연구원들은 쉘 구조 형태가 가진 내진성에 대한 연구 결과를 펠릭스 칸델라의 건축물과 같은 실제 구조물에 적용함으로써 연구를 지속할 계획입니다. 연구원들은 수집된 데이터를 사용해 혁신적인 저비용 자재가 사용된 쉘 구조물 프로토타입을 설계할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

TimL.Michiels“이 연구에서 최적화 전문가로 구성된 알테어 팀이 지원하는 하이퍼웍스 패키지는 매우 유용한 리소스임이 명확하게 증명되었습니다. 뛰어난 계산적 효율성을 제공하는 소프트웨어 덕분에 많은 시뮬레이션을 동시에 진행할 수 있었으며, 내장된 최적화 기능은 구조물의 움직임을 파악하는 데 있어 매우 효과적이었습니다.”


팀 L. 미셸(Tim L. Michiels),
프린스턴 대학(Princeton University) 토목공학 박사과정,
형상 탐색 연구실(Form Finding Lab)



* 업종
– 대학교/연구, 건축 엔지니어링 건설

* 과제
– 진역 내에서 안전하게 사용할 수 있는 아름다운 구조물 설계를 위한 구조적 최적화

* 알테어 솔루션
– 하이퍼웍스를 이용한 쉘 구조의 내진성 탐구

* 이점
– 구조물의 움직임 예측
– 다양한 구조 형태의 내진성 이해
– 응력 집중도 개선

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