[창의적공학설계입문] Baumi(바우미)를 이용한 교량제작

소개글

[창의적공학설계입문] Baumi(바우미)를 이용한 교량제작에 대한 보고서 자료입니다.

목차

◯ 문제정의문

◯ 가정사항

◯ 교량의 종류와 그 특성

◯ 교량선택과정

◯ Baumi를 이용한 교량제작 과정

◯ 결론

◯ 참고문헌

본문내용

교량선택과정
Baumi를 이용한 교량제작 과정
결론
참고문헌
문제정의문
교량에서 어떤 구조가 가장 튼튼할까?
교량의 종류에 대해 조사해 보고 어떤 구조가 튼튼한지 가설을 세워 Baumi를 이용하여 제작한다. 무게 지탱여부에 따라 가설을 수정하고 보완하여 가장 튼튼한 구조의 교량을 만들어보도록 한다.
가정사항
- 노드 60개이하, 스트럿 150개이하를 사용하여 제작할 것.
- 3층 높이 이하가 되도록 제작할 것.
- 교각의 거리는 60cm이상이 되도록 제작할 것.
- 같은 하중을 버틸시에는 최소의 노드와 스트럿을 이용하여 제작할 것.
- 20cm의 테이프를 사용하여 만들되 용도는 자유롭게 사용할 것.
- 재하하는 하중의 무게는 0.5kg씩 증가시킬 것.
교량의 종류와 그 특성
- 거더교
들보의 성질을 이용하는 교량으로 외부 차량 하중을 부재내의 휨과 전단 또는 비틀림 저항에 의하여 지점으로 전달하는 구조형식

- 트러스교
축방향 인장재와 압축재 만으로 조합하여 하중에 저항하는 구조
- 아치교
교량의 주체를 아치로 하여 지점이 이동 못하도록 만든 교량이므로 아치리브가 축방향 압축 및 휨에 저항하는 구조형식
- 사장교
주탑에 케이블을 연결하여 교량에 가해지는 하중을 케이블과 주탑을 통해 지반으로 전달하는 주조형식
- 현수교
주탑 및 앵커리지로 주케이블을 지지하고 이 케이블에 현수재를 매달아 지지하는 주조형
교량설계과정
우리 조에서는 Baumi 세트로 교량을 만드는 데에 있어서 여러 교량의 종류에 대해서 조사를 하였다. 보고서에도 작성했듯이 거더교, 트러스교, 아치교, 사장교 즉 이 4종류의 교량을 조사했다. 그 결과 조원간의 토의를 통해 조사한 교량의 모든 종류가 Baumi 세트로 나타낼 수 없다는 한계를 찾았다.
이번 프로젝트의 가장 궁극적인 목표는 최대한 큰 하중을 버텨내야 한다는 것인데, 거더교의 경우 구조적으로 인장력과 전단력에 대항하여 구조물을 지탱하는 것이므로 우리의 목표와 맞지 않았다. 게다가, Baumi 세트의 특성은 인장재인 스트럿과 압축재인 노드로 구조를 만들어야 한다는 것인데, 거더교는 거더(큰보)와 빔(작은보) 즉, 보를 만들어야 한다는 점에서 부합하지 않아 여러 경우의 수에서 배제했다.
사장교의 경우 단순보 또는 연속보인 주형을 사장재인 케이블로 하중을 각 지점과 주탑의 기초를 통해 지반으로 전달하는 구조인데, 하중을 지반으로 전달한다는 우리의 취지와는 부합했다. 그러나, Baumi 세트로 케이블과 보를 만드는 것이 사실상 불가능한 일이기 때문에, 사장교 또한 경우에서 배제 하였다.
아치교의 경우 주구조가 위쪽으로 볼록한 모양을 하고 있고 자중이나 활하중에 대하여 주로 압축력으로 저항하는 구조이다. 이 역시 하중을 압축력으로 저항한다는 점에서는 취지에 부합했다. 그러나, 사장교의 경우와 마찬가지로 우리가 활용해야 하는 Baumi 세트로는 아치교의 가장 대표적은 특징인, 위로 볼록한 이차곡선의 모양을 만드는 것이 불가능 하므로 아치교 또한 경우에서 배제하였다.
트러스교의 경우 축방향 인장재와 압축재 만으로 조합하여 하중을 지탱한다는 점에서 부합한 구조라고 판단을 하여, 이 구조로 교량을 만들기로 했다.
Baumi를 이용한 교량제작 과정
- Baumi set
- 교량의 기초작업
사용된 노드의 수
사용된 스트럿의 수
36개
84개
- 단순기초를 이용한 교량 제작
사용된 노드의 수
사용된 스트럿의 수
44개
112개
* 단순기초 교량의 문제점
1. 교량 제작간 사용된 노드와 스트럿 부재의 수가 가정사항의 개수보다 턱없이 적게 사용 되었다.
2. 구조적인 안전성이 부족하다.
3. 하중이 재하되는 중앙부분의 연결되는 스트럿과 노드의 수가 부족
하다.
4. 교량의 양 끝에 불필요한 부분으로 하중을 버티는데에 과다한 스트 럿과 노드가 사용되었다.
* 해결방안
1. 제한되는 노드와 스트럿의 개수가 가까운 교량제작을 생각해본다.
2. 교량의 역학적인 구조특성을 이용하여 트러스트교와 거더교의
장점을 적절히 사용한다.
3. 하중이 재하되는 중앙부분의 연결을 복잡하게 하여 충격을 받는 부 분의 면적을 넓힌다.
4. 교량의 양 끝 지지단을 평행하도록 제작한다.
- 교각의 양끝 지지단이 평행한 교량 제작
사용된 노드의 수
사용된 스트럿의 수
50개
125개
* 추가사항
교량을 정면부와 후면부로 나뉘었을 때 각각의 부분은 촘촘하게 연결이 잘 이루어져 있지만 정면부와 후면부의 연결된 부재의 수는 부족하여 구조적인 안정성에 문제가 있었다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 트러스 교량의 중간의 두 부분을 대각선 방향 한쪽으로만 되어있던 것을 X자 모양으로 대체하였고 X자 모양 가운데에 들어간 노드를 이용하여 정면부와 후면부를 연결하여 교량의 구조적인 안정성을 높인다.
- 최종 완성된 교량
사용된 노드의 수
사용된 스트럿의 수
52개
135개
결론
- 최종 선택한 교량
사용된 노드의 수
사용된 스트럿의 수
52개
135개
＊문제점
최종 선택한 교량은 무게 1.4kg 의 책 2권, 약 3kg의 하중을 버틸 수 있었다. 그러나 교량의 길이가 약간 짧아 교각부분에 다 걸치지 못해서 지 지부분이 약해 책을 3권째 올릴 때 교각 지지부분의 스트럿이 빠지면서 교 량이 붕괴되었다. 또한 중앙부에 하중을 지지하는데 불필요한 스트럿과 노 드가 포함되었다.
＊해결방안
1. 중앙부에 하중을 지지하는데 불필요한 스트럿과 노드를 제거하고 교각 양쪽 부분에 X자 모양으로 보강한다.
2. 테이프를 이용하여 교각부분에 스트럿이 잘 빠지는 부분을 접착하여 잘 빠지지 않도록 보강한다.
- 최종 선택한 교량의 특징
최종적으로 선택한 교량은 하중이 집중되는 중앙 전면부와 후면부에 X자 모양의 스트럿을 넣어 하중을 분산시켜 안정성을 높였다. 또한 가운데 노드 를 이용, 정면부와 후면부를 연결하여 흔들림을 최소화하였다. 처음 설계한 교량보다 사용된 노드와 스트럿의 수가 많아 하중이 적절히 분산되어 많은 무게를 버틸 수 있다.
참고문헌
조효남, 『교량공학』, 구미서관, 2001
오제택,『새로운구성 교량계획과 설계1』, 반석기술, 2010
국토해양부편집부, 『교량』, 국토해양부편집부, 2008

키워드

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