국내에서 연성개폐식 막 구조물의 연구가 부진했던 주된 이유는 시공 및 구조설계분야에 있다. 연성부재의 특성인 유연성을 통제하기 위해서는 구조물을 구성하는 모든 부재들의 장력 변화를 조절해야하는데, 이 부분은 정밀한 기술력이 요구되므로 지속적인 연구와 수많은 시행착오가 요구되고 안전사고의 위험이 내재돼 있어 단기간의 연구로는 해결하기 힘들다. 시공사와 구조엔지니어들의 입장에서는 경제성을 고려해 시도를 기피했을 것으로 판단된다. 이로 인해 연성구조시스템 설계분야는 독일과 미국, 일본 등과 같은 기술선진국에 의존하며 막대한 로열티를 지불하고 있지만 핵심기술이 이전되지 않아 현재까지도 국내 기술진에 의한 검토와 확인이 어려운 상황이다.
이러한 상황에서 국민의 생활수준 향상에 따른 지역주민들을 위한 중소규모 공공공간인 건물의 중정, 노천극장, 지하광장, 공연장 등의 중요성이 증대되고 있다. 이곳을 다목적 공간으로 활용하고 기후변화에 관계없이 다양한 행사를 유치하기 위해서 가변형 지붕구조물의 필요성이 부각되고 있다. 이에 적합한 구조시스템으로 중량의 강성개폐식 구조물보다는 건축적 미학이 부각되어 랜드마크적인 역할을 할 수 있으며, 경량구조로도 구조적 안정성 확보할 수 있어서 기존의 구조물에도 증축이 용이한 연성개폐식 막 구조물이 적합하다. 하지만 국내의 기술력으로는 연성개폐식 막 구조물에 대한 설계 및 검증이 곤란하며, 해외의 전문가들의 컨설팅을 진행할 경우에는 막대한 로열티를 지불되어 과도한 예산지출이 예상된다.
본 논문을 통해서 위의 분석된 문제점들을 해결하기 위해 전체 구조물에 대한 설계 및 검증을 완벽하게 수행할 수 없지만, 차후의 연구와 설계진행에 필요한 구조디자인과 접합디테일, 구동장치 설계 및 해석에 대한 가이드라인을 제시하고자 한다.
2장은 연성개폐식 막 구조물에 적용 가능한 연성구조시스템과 개폐 메커니즘의 원리, 막의 특성을 중점적으로 분석하고 고정식 막 지붕과 개폐식 막 지붕 구조물이 갖는 차이를 구별한다. 3장에서는 국내에서는 연구사례가 드문 해외 시공사례 및 선행연구사례를 분석하는 기준으로 2장의 내용을 활용했다. 트랙터 시스템은 구조적 불안정성과 구동에너지의 비효율성으로 인해 사장되고 현재는 고정식 구동 시스템이 적용되고 있음을 파악했다. 1990년대 이후 규모별로 적용되는 연성개폐식 막 구조물은 대부분 스포크-휠 구조물 조합을 기반으로 하고 있으며, 케이블 구조시스템의 형상에 따라 케이블 거더 구조에는 갈고리형 트롤리, 단일 케이블 구조에는 관통형 트롤리가 적용됨을 파악하고 구조물의 구조적 안정성과 구동에너지의 효율성 증대를 위해 구동 메커니즘의 단순화와 함께 구동장치의 크기가 축소되고 마찰성능이 향상되고 있음을 파악했다.
4장에서는 3장의 구동장치 분류안을 기준으로 분석결과를 정리하고 6장의 구조디자인 설계안에 필요한 구동장치의 디테일과 개폐 메커니즘, 케이블의 종류 및 특성, 접합디테일을 분석했다. 5장은 3장의 구동장치의 분석과 4장의 프로토타입 초기안에서 고찰한 접촉부재의 중요성을 기반으로 엔지니어링 플라스틱이 슬라이딩 패드에서 블럭(block) 형상으로 만들어지면서 구조적인 기능을 수행하고 건축부재로써 적용 가능성이 있음을 파악했다. 해당 부재의 재료로 적용 가능한 폴리아세탈과 폴리아미드에 대한 비교·분석을 진행하고 구동장치 적용에 가장 적합한 재료를 내후성·내열성·난연성 등이 우수한 폴리아미드로 도출했으며, 부재를 제조하기 위한 제작방법을 알아보았다. 또한 7장의 유한요소해석법에 적용되는 재료의 기계적 물성값과 마찰조건(슬라이딩 마찰계수 0.31)을 고려하기 위해 참고문헌과 자료들을 분석했다.
위의 결과들을 종합하여 6장의 연구과제 테스트 베드 설계안의 비정형 대상지에 적합한 구조디자인을 기존의 마스트 구조시스템과는 차별화된 ‘마스트 + 압축 보’ 구조시스템 기반의 중소규모 연성개폐식 막 구조물을 도출했다. 단일 케이블 구조시스템에서 구동 메커니즘이 단순화 될 수 있도록 케이블의 접합디테일인 소켓 엔드 피팅에 도르래를 설치하고 구동케이블이 수평으로 순환될 수 있도록 설계를 진행했다. 또한 마스트에 케이블들이 집중되면서 발생하는 케이블간의 간섭을 최소화하기 위해서 중심허브를 상부와 하부로 분류하고 케이블 정착점을 지그재그로 배치하고 막 지붕의 폰딩(Ponding)현상을 방지하기 위해서 유리캐노피와 배수로를 설치했다.
7장에서는 6장의 설계안에서 요구되는 트롤리의 성능 및 크기를 파악하고 4장의 프로토타입 초기안과 상용프로그램 Ansys mechanical을 활용하여 설계 및 해석을 진행했다. 실험을 통해 트롤리 부재들의 최적두께를 접촉부재인 폴리아미드의 두께는 6mm, 클램프부재인 스테인리스 강의 두께는 13mm로 한정하고 최적 접촉면적조건은 케이블 직경의 60~90˚로 면 접촉해야 함을 도출했다. 이를 통해 테스트 베드 설계안에 최적화된 Sliding carriage 재설계안(너비 × 길이 × 높이 = 180 × 140 × 90mm)을 도출했다. 안전계수를 고려한 허용응력은 15.88 ~ 26.54MPa으로 검증되어 접촉부재 재료는 고강도 유리섬유 배합 폴리아미드보다 강도는 낮지만 우수한 마찰계수가 확보되는 PTFE가 배합된 폴리아미드 부재를 사용하는 것이 적합함을 파악했다.
본 연구는 해외의 선진기술력에 비해 도입단계에 머물고 있는 특수구조시스템 중 연성개폐식 막 구조물에 대한 구조디자인과 구동장치에 대한 연구를 진행하여 초기설계안에 대한 가이드라인과 기초기술을 확보함에 의의가 있다. 또한 트롤리 장치의 설계 및 해석을 통한 최적화된 재설계로 마찰력을 약 46% 감소시켜 구동에너지를 효율을 극대화시켰다. 본 논문에서는 유한요소해석 시뮬레이션실험을 통한 구동장치의 최적화를 제안했지만, 차후의 연구에서는 실제 재료를 적용한 프로토타입 모형을 활용하여 기계적 실험을 통한 명확한 성능검증이 진행되어야 할 것으로 판단된다.

The main reason for the lack of research on retractable membrane structures in Korea is in the field of construction and structural design. In order to control the flexibility, which is the characteristic of the ductile member, it is necessary to control the change of the tensile force of all members constituting the structures. Since this part requires precise technology, continuos research and numerous trial and error are required. So it is difficult to solve it in short-term research. It seems that the constructor and structural engineer have avoided the attempt considering economical efficiency. As a result, the non-rigid structural system design field depends on a technologically advanced country such as Germany, USA, Japan, etc. and it pays a huge royalty. However, since the core technology is not transferred, it is difficult to review and confirm by domestic engineers.
In this situation, the importance of public space such as the courtyard of building, the open-air theater, the underground plaza, the performance hall, etc., which are small and medium sized public spaces for local residents due to the improvement of people''s living standards, is increasing. In order to utilize this space as a multipurpose space and to attract various events regardless of climate change, the need for a retractable roof structures are emphasized. The structural system that is suitable for this purpose can be used as a landmark by emphasizing the architectural aesthetic and it is possible to secure the structural stability even with the lightweight structure, so that a retractable membrane structure is more suitable than a retractable rigid structure of heavy weight. However, it is difficult to design and verify a retractable membrane structure with domestic technology, and when consulting overseas experts, it is expected to spend a large amount of royalties and excessive budget expenditure.
In this paper, we can not completely design and verify the entire structure to solve the above-mentioned problems. However, we need to consider the structural design and joint detail, driving device design and analysis required for future research and design progress. So i would like to propose the guidelines.
Chapter 2 focuses on the principles of the non-rigid structural system and the mechanism of opening and closing, the characteristics of the membrane applicable to the retractable membrane structure. also distinguishes between the fixed membrane roof structure and the retractable membrane roof structure. In Chapter 3, we used the contents of Chapter 2 as a basis for overseas construction cases and advanced research case analysis that have rare research cases in Korea. The tractor system is obsolete due to structural instability and inefficiency of the driving energy, and now it is understood that a stationary driving system is being applied. Since the 1990s, most of the retractable membrane structures based on the combination of spoke-wheel structures. According to the shape of the cable structural system, the hook type trolley is applied to the cable girder structure and the penetrative trolley is applied to the single cable structure. In order to improve the structural stability of the structure and the efficiency of the driving energy, the driving mechanism is simplified and the size of the driving device is reduced and the friction performance is improved.
In Chapter 4, the analysis results are summarized based on the driving device classifications of chapter 3, and the details of the driving devices, the retractable mechanism, the types and characteristics of the structural cables, and the joint details for the structural design designs of chapter 6 are analyzed. Chapter 5 is based on the analysis of the driving device of chapter 3 and the importance of the contact member of trolley considered in the initial phase of the trolley prototype of Chapter 4. The engineering plastic is made into a block shape from the sliding pad and performs structural functions. We have been comparing and analyzing polyacetals and polyamides which can be applied as the material of the contact member of driving device, and we have deducted the most suitable materials for the application of driving devices as polyamide with excellent weather resistance, heat resistance and flame retardant, etc. The reference and reference data were also analyzed to take into account the mechanical properties of the material and the friction conditions (sliding coefficient of friction: 0.31) applied to the finite element analysis method of chapter 7.
Based on the above results, we deducted a small and medium sized retractable membrane structure based on the ''mast + compression beam'' structural system, which is different from the existing mast structural system, In order to simplify the driving mechanism in a single cable structural system, a pulley was installed into the socket end fitting, which is the joint detail of the cable structure, and the design was made so that the reef cable could be circulated horizontally. In order to minimize the interference between the cables caused by the concentration of the cables in the mast, the central hub is divided into the upper and lower parts, and the cable fixing points are arranged in a zigzag shape. In order to prevent the ponding of the membrane roof, a glass canopy and a drain Installed.
In Chapter 7, the performance and size of the trolley required in the design of Chapter 6 were determined, and the design and analysis were carried out using the initial trolley prototype of chapter 4 and the commercial program Ansys mechanical. Experiments have shown that the optimum thickness of the driving device members is limited to 6 mm of the thickness of the polyamide as the contact member and 13 mm of the thickness of the stainless steel as the clamp member and that the optimum contact area condition is 60 to 90 degrees of the cable diameter. This resulted in a sliding carriage redesign (width × length × height = 180 × 140 × 90 mm) optimized for the test bed design. The allowable stress considering the safety factor is 15.88 ~ 26.54MPa, and it is suitable to use PTFE compounded polyamide member which has lower strength than the high strength glass fiber compounded polyamide but has excellent coefficient of friction.
In this study, it is meaningful to secure the guidelines and the basic technology for the initial design by carrying out the study on the structural design and the driving device for the retractable membrane structure in the special structural system which is in the introduction stage compared with the advanced technology of the overseas . In addition, optimized redesign through the design and analysis of the trolley unit has reduced frictional force by about 46%, maximizing driving energy efficiency. In this paper, i have proposed the optimization of the driving system through the finite element analysis simulation experiment. In the future research, the driving device prototype model using the actual material should be used to verify the performance clearly through the mechanical experiment.