STEAM R&E 연구결과보고서

STEAM R&E 연구결과보고서

(분자구조를 활용한 안정한 건축물 설계)

2015. 11. 17.

대전동산고등학교

< 연구결과 요약 >

과 제 명 분자구조를 활용한 안정한 건축물 설계

연구목표

화학적으로 안정한 분자 구조를 활용하여 건축물을 설 계한다. 이 건축물의 안정성을 실험해봄으로써 분자 구 조를 이용해 튼튼한 건축물을 만들 수 있음을 알아본다.

연구방법

1. VSEPR이론에 따라 건축물에 적용이 용이한 분자구조 를 선정한다.

2. 분자구조를 이용한 건축물을 설계한다.

3. 설계도를 토대로 신문지와 테이프를 이용하여 건축물 모형을 만든다.

4. 만든 건축물 모형에 대해 안정성 실험을 한다.

5. 실제적으로 구현이 어려운 안정성 실험의 경우 3D설 계도를 바탕으로 안정성을 알아 볼 수 있는 다양한 외부 힘에 대해서 시뮬레이션 테스트를 해본다.

연구성과

1. 수직하중실험 결과를 바탕으로 수직하중에 대해 상대 적으로 튼튼한 분자 구조를 파악한다.

2. 시뮬레이션 결과를 바탕으로 여러 힘에 대해 상대적 으로 튼튼한 분자 구조를 파악한다.

3. 화학적 안정성과 물리적 안정성이 연관이 있음을 알 아낸다.

4. 분자 구조를 이용하여 지진에 대해 안정적인 건축물 을 설계 및 제작한다.

주요어 (Key words)

분자구조, 튼튼한 건축물, 안정성

1. 개요

□ 연구 동기 및 목적

○ 최근 네팔 지진으로 인해 많은 피해가 발생했다는 뉴스를 접하고 어떻게 하면 지진의 피해를 줄일 수 있을까 생각해보았다. 그러다가 많은 지진이 발생하는 지역인 일본은 왜 그렇게 큰 피해가 발생하지 않는지 의문이 들었고, 많은 인명 피해가 발생했던 쓰촨성 대지진과 아이티 대지진에 대해 찾아보았다. 그리고 이번에 피해가 발생한 네팔 과 같이 가난하고 기술력이 부족한 나라에서 지진에 잘 버틸 수 있는 건축물을 지을 수 있는 방법이 없을까 생각했다. 그렇게 건축물의 안정성에 대해 생각해보다가 분자 구조의 안정성을 떠올리게 되었고 분자의 화학적인 안정성이 과연 건축물에도 적용될 수 있는지 의문이 들었다. 그리고 분자 구조 모형을 찾아보면서 그 가능성을 볼 수 있었 다. 그래서 분자 구조 건축물을 만들어서 안정성을 테스트해보는 실험 을 진행하게 되었다.

- 많은 분자 구조 중에서 적절한 몇 개의 분자 구조를 선별해서 그 구조를 만들어 보고, 하중실험과 내진실험을 진행함으로써 선정한 분자 구조가 안정적인 건축물의 설계에 적용될 수 있는지 알아본다.

또 그 구조를 이용하여 건축물을 설계했을 때의 인장력, 압축력 등을 생각해봄으로써 이번 네팔 지진과 같이 기술과 자본이 부족해서 지진 에 취약한 지역에 분자구조를 이용하여 효율적이고 튼튼한 건축물을 설계하고 건설해서 다시 이런 지역에 지진이 났을 때 피해를 최소화할 수 있는 방안을 도출해낸다. 그리고 분자 구조의 화학적 안정성으로 나온 분자구조가 물리적인 안정성에도 적용될 수 있는가를 탐구해봄 으로써 과학적 지식을 여러 분야에 적용해보는 폭넓은 과학적 사고력 을 기른다.

□ 연구범위

○ 건축공학 분야에 속하는 안정적인 건축물 설계에 화학 분야에 속하는 분자구조를 접목시킨 연구주제를 선정하여 연구하였다.

2. 연구 수행 내용

□ 이론적 배경 및 선행 연구

○ 분자구조를 건축구조 상에 적용하기 전에 건축구조물에 작용하는 힘의 원리와 기하학적 접근과 구조역학적 접근을 하기로한다.

- 힘의 합성·분해

그림 1-다 빈치의 연구 그림 2- 스테빈의 연구

- 힘의 모멘트

그림 3 힘의 모멘트 그림 4 우력 그림 5 바리뇽의 정리

- 힘의 평형

그림 6 강체에 작용하는 힘의 평형

그림 7 힘의 평형

- 건축물에 작용하는 하중 1. 고정하중

고정하중은 구조물 자체의 무게에 바닥마감, 천정, 고정칸막이, 고정설비장치 등 건축물의 생애주기 동안 항구적으로 부착된 물체의 무게로서 건축구조물에 항시 작용하는 가장 주된 하중 의 하나이다. 고정하중은 그 크기와 작용 위치가 변하지 않고 고정되어 있으므로 붙인 이름이다.

그림 8 고정하중(자중)

2. 활하중

활하중은 건축물을 점유하여 사용함으로써 바닥에 작용하는 하중으로 수시로 그 크기와 작용위치가 변하는 하중이다.

3. 풍하중

풍하중은 바람에 의하여 건축구조물의 벽면과 지붕면에 작용 하는 하중이며 건축물이 위치한 지역의 풍속에 따라 정한 기본 풍속을 기본으로 하여 산정한다.

그림 9 풍하중

4. 지진하중

지진하중은 지진으로 인하여 발생하는 지반운동에 의하여 구 조물에 작용하는 일종의 관성력이다. 즉, 그림과 같이 구조물을 지지하는 지반이 지진에 의한 지반운동가속도로 인하여 갑자기 움직이게 되면 관성의 법칙에 의하여 정지해 있던 구조물에 지 반운동과 반대방향의 관성력이 발생하게 되는 것이다.

그림 10 지진하중

- 분자구조의 화학적 안정성

분자의 기하 구조는 분자 내 원자의 삼차원 배열을 말한다.

분자의 기하 구조는 녹는점, 끓는점, 밀도, 분자가 수행하는 반응의 형태들 같은 많은 물리적, 화학적 성질에 영향을 끼 친다. 일반적으로, 결합 길이와 결합각은 실험에 의해서 결정 되어야 한다. 분자의 루이스 구조에서 중심원자를 둘러싸고

있는 전자 수를 알면 간단하게 한 분자나 이온의 전체 기하 구조를 상당히 성공적으로 예측하게 하는 간단한 절차가 있다.

이러한 접근의 근거는 한 원자의 원자가껍질에 있는 전자쌍들 이 서로 반발한다는 가정이다. 원자가껍질은 한 원자의 최외각

전자를 차지하는 껍질이다. 이 곳에 있는 전자들이 결합에 참여 한다. 공유 결합에서 결합 전자쌍이라 부르는 전자쌍은 두 원자 를 잡아두는 역할을 한다. 그러나 중심원자와 주위의 원자간에

두 개 이상의 결합이 있는 다원자 분자에서는 다른 결합 전자 쌍에 있는 전자간 반발력이 궁극적으로 분자가 취하는 전자쌍들 이 가능한 저솔 멀리 떨어져 있게 하는 요인이 된다. 기하 구조

는 반발력을 최소화한다. 분자의 기하 구조의 연구에 이와 같은 접근법을 원자가껍질 전자쌍반발(valence-shell electron pair repulsion, VSEPR)모형 이라고 부른다. 왜냐하면 전자쌍간의 정 전기적 반발로 중심원자 주위에 있는 전자쌍의 기하학적 배열을

설명하기 때문이다.

□ 연구주제의 선정

○ 연구주제를 선정하던 당시 네팔에서 강진이 일어나 많은 사상자가 발생한 사건이 크게 이슈가 되고 있었다. 우리는 이러한 재앙으로부 터 어떡하면 사상자를 조금이라도 줄일 수 있을까 고민을 해보게 되었고, 여러 가지 생각을 해보고 조사도 해본 끝에 오래되고 부실한 건축물들의 붕괴가 많은 사상자들을 발생하도록 한 원인들 중 하나라 는 것을 알게 되었다. 이렇게 알게 된 사실을 바탕으로 우리는 건축물 을 조금 더 튼튼하고 안전하게 만들면 이런 재앙으로부터 발생하는 사상자를 줄일 수 있지 않을까 생각하게 되었다. 이런 생각을 하던 중 학교 화학시간에 배웠던 분자구조의 안정성을 떠올리게 되어서 이 분자구조의 안정한 특징을 건축물에 적용하면 어떨지 싶었다.

이러한 생각을 바탕으로 분자구조를 활용한 안정한 건축물의 설계라 는 연구주제를 선정하게 되었다.

□ 연구 방법

○ 분자구조 선정

- VSEPR이론에 따른 분자의 기하 구조에서 건축물의 적용이 용이하고 물리적인 안정성이 충분하다고 고려되는 구조 몇 개를 선정한다. 이때 다음과 같은 사항을 추가로 고려한다.

1) 건축물에 적용하는 분자의 기하 구조는 비공유 전자쌍은 고려하지 않고 외형적인 기하 구조를 적용한다.

2) 정육면체, 삼각기둥과 같은 입체 구조에 들어갈 수 있는

구조를 선정한다.

(선정된 분자구조는 다음과 같다)

그림 11 선정된 분자모형(출처 위키백과)

○ 분자모형 제작

- 분자모형을 제작할 때는 먼저 VSEPR이론에 따라 선정한 분자구 조를 가지고 신문지를 통해 제작한다. 이때 이음부는 포장용 테이 프를 사용하며 단단히 결합될 수 있도록 한다. 신문지를 말아 하 나의 막대를 만들어 그것을 재료로하여 골격을 제작하는데 신문지 를 말 때는 신문지가 잘 말려 딱딱해진 막대만 사용하도록 한다.

○ 하중실험 - 실험목적

(나)에서 제작한 분자모형의 수직압력에 대한 내구성을 측정하기 위하여 진행했다.

-실험방법

1. 선택한 분자구조를 가지고 모형을 신문지로 제작한다.

2. 제작한 분자구조모형 위에 5kg씩 책을 쌓아 올린다.

3. 책을 올리고 난 후 5초간 버티는지 확인하고 계속 책을 쌓아 올려 최대로 버틸수 있는 하중을 측정한다.

○ 구조 해석(시뮬레이션 사용)

구조해석 프로그램(MIDAS GenW)사용하고 기타 조건들은 아래 와 같이 설정한다.

<모델조건>

단위 : N, mm

부재(보부재 요소) 직경 2.5cm(25mm), 각부재 길이 40cm(400mm)

하부부분 경계조건

- 수직하중 작용시 : 핀지지(변위만 고정), 총하중 8000N(800kgf) - 수평하중 작용시 : 고정지지(변위와 회전구속) 총하중

8000N(800kgf) 이때 부재와 부재 절점은 고정시킨다.

1. 비교모델 (대조군)

1) 수직하중 작용시 : 8000N 크기의 수직하중을 가했을 때 최 대 수직변위는 0.056mm로 나타났다.

2) 수평하중 작용시

8000N 크기의 수평하중을 가했을 때 최대 수평변위는 30.393mm로 나타났다.

2. AX5E0 모델

1) 수직하중 작용시 : 8000N을 각절점에 3등분하여 가력함

8000N 크기의 수직하중을 가했을 때 최대 수직변위는 0.074mm로 나타났다.

2) 수평하중 작용시

8000N 크기의 수평하중을 가했을 때 최대 수평변위는 25.3mm 로 나타났다.

그림 13 수평하중 작용시 힘의 작용정도

그림 14 수평하중 모델링

3. AX6E0모델

1) 수직하중 작용시

8000N 크기의 수직하중을 가했을 때 최대 수직변위는 0.056mm로 나타났다.

2) 수평하중 적용시

8000N 크기의 수평하중을 가했을 때 최대 수평변위는 12.278mm로 나타났다.

그림 15 모델링

그림 16 수평하중 작용시 수평처짐

4. AX8E0모델 1) 수직하중 작용시

8000N 크기의 수직하중을 가했을 때 최대 수직변위는 0.055mm로 나타났다.

그림 17 AX8E0모델

그림 18 수직하중 작용시 수직처짐

2) 수평하중 작용시

8000N 크기의 수평하중을 가했을 때 최대 수평변위는 5.719mm로 나타났다.

<모델조건>

단위 : N, mm

부재(보부재 요소) 직경 2.5cm(25mm), 각부재 길이 40cm(400mm)

양쪽(상하)단부 핀지지(지지점 수직 및 수평하중만 고정)

- 중앙부 좌측 4절점에만 수평하중 2000kN, 총 8000kN을 가함 (단, AX5인경우는 중앙부 두 절점에 4000kN 가력함)

- 부재와 부재 절점은 고정

1. 비교모델 1) 해석결과

최대수평처짐 3.918mm

2. AX5E0(8000N을 좌측면 2절점에 2등분한 4000kN 가력함) 1) 해석결과 : 최대수평처짐 3.439mm

3. AX6E0(8000N을 좌측면 2절점에 2등분한 4000kN 가력함) 1) 해석결과 : 최대수평처짐 : 1.893mm

4. AX8E0 : 1) 해석결과 - 최대수평처짐 : 0.978mm

○ 3D 모델링(123D Design s/w사용)

□ 연구 활동 및 과정

7월29일

1. 역할 정하기

2. 재료결정 - 인터넷을 통해 구매 - 발사목 100개 구입.

3. 계획서 수정 및 검토. 어떤 분자구조를 이용할 것 인가 회의

8월7일

1. 발사목 재료 확인, 쓸 도구 주문- 멀티탭 1개, 사포 8절지 4장, 목공용 칼 4개, 고무 받침대 4장, 글루건총, 글루건심, 컷팅매트, 커터칼, 사포

2. 만들 분자 구조 정하기-전자쌍 공간 배치에 따른 형태별로 분자 분류

- 선정 : 풀러렌, 탄소나노튜브, 다이아몬드

8월13일 1. 탄소나노튜브 제작- 규격 정하기, 밑면과 윗면 제 작

8월14일 1. 탄소나노튜브 제작- 제작하는 과정에서 오차가 발생.상의

8월18일 1. 탄소나노튜브 3층 제작 완료

8월19일

1. 탄소나노튜브를 제작했으나 이음매를 연결하는 과정에서 기울어지는 문제 발생- 상의: 이음매 부분 을 공을 사용해 연결하자는 의견이 나옴

2. 새로운 분자구조 설계-다이아몬드 분자 설계 8월20일 1. 분자 구조 선정, 제작 방법에 관해 회의

8월21일

1. 기존 제작 방법의 문제점 파악, 새로운 제작 방법 회의- 3D프린트를 이용해 제작하자는 의견이 나왔 지만 가격이 비싸다는 문제점. 판자에 그림을 그려 서 잘라 붙이기. 자문 교수님을 구해 자문 구하기 등의 의견이 추가로 나옴.

2. 제작 방법에 문제점이 많아 제작 중단.

9월1일

1. 선생님의 추천으로 스파게티면을 이용한 제작 시 도- 스타게티면, 순간접착제 구매

2. 제작-스파게티면을 이어붙이기도 번거롭고 튼튼 하지가 않은 문제점 발생

3. 제작 방법 의논 - 3D 프린트 업체를 알아보기로 함.

9월16일 중간발표회

9월17일

1. 발표회에서 받은 피드백을 토대로 어떻게 연구를 진행할 것이지 회의

- 명확한 분자선정 기준

- 어떤 식으로 분자 구조를 이용하여 건축물을 설계

할 것인가

- 어떤 방식으로 제작할 것인가

- 어떤 방식으로 실험을 하여 설득력 있는 실험값을 얻을 것인가

결론 : 우리의 지식으로는 한계가 있으니 자문교수 를 알아보기로 함.

10월13일

1. 분자선정 기준에 대해 회의,탐색- 화학적 안정성 에 대해 찾아보고 화학적으로 안정한 분자 구조들을 찾아봄. 화학적 안정성과 물리적 연관성에 관한 선 행연구를 조사해봄

결론 : 선행 연구를 찾지 못했고, 우리들의 지식으로 명확한 기준을 세우기에는 한계가 있음

10월25일 1. 분자선정 기준 결정-VESPR원리에 따른 기본 분 자 모양 중에서 선택

10월26일

1. 한밭대 건축공학과 교수님을 찾아가 자문을 받음 - 건축공학에 대한 기본지식에 관한 설명을 듣고 기 존 연구방식의 문제점 파악-디자인적 요소만 고려했 지만 실질적인 건축물을 만들기 위해서는 더욱 많은 부분을 고려해야 함.

2. 자문을 토대로 분자 구조를 이용해 어떻게 건축 물을 설계할 것인가 토의

- 직육면체 기본 구조 안에 분자 구조를 집어넣는 방식으로 설계하기로 결정

3. 건축공학과 학생들이 신문지와 테이프를 이용해 건축물 모형을 만드는 모습을 보고 신문지와 테이프 를 이용한 제작 방법을 선택함.

10월27일 1. 재료 구매, 회의

2. 신문지와 테이프를 이용해 기본 직육면체 구조 제작 - 제작시간이 발사목이나 스파게티 면에 비해 훨씬 짧고, 비교적 튼튼하며, 이음매 연결이 용이함.

- 계속 제작을 진행하기로 결정

10월28일

1. 건축물 모형 제작 2. 지진 실험 키트 구매 -지진 실험을 위해 구매.

10월30일 재료 구매 - 테이프, 체중계

11월1일 1. 제작한 건축물 모형 수직 하중 실험 진행-교과서 를 5kg씩 쌓는 방식으로 진행

11월3일 1. 한밭대 2차 자문- 설계도면을 토대로 여러 힘에 대한 시뮬레이션을 돌림.

3. 연구 결과 및 시사점

□ 연구 결과

○실험 결과

그림 24 책 올려놓은 하중실험

나온 데이터 값을 보면 분자구조를 집어넣은 모든 건축물이 대 조군보다 수직하중을 더 많이 버틴 것을 확인할 수 있다. 즉, 분자구조가 내부를 연결해주어 힘을 분산시켜주는 역할을 했다 고 할 수 있다. 또, AX5E0, AX6E0, AX8E0 순으로 수직압력에 대해 잘 버티므로 AX8E0이 수직압력에 대해서는 가장 튼튼하 다고 할 수 있고, 건축물에 적용했을 때 외부의 수직압력에 대 하여 가장 잘 견딜 수 있는 구조라고 할 수 있다. 또, 수직압력 에 잘 버틸수록 분자모양이 복잡한 것으로 볼 때 분자모양이 복잡할수록 기둥들을 서로 많이 이어주어 힘을 잘 분산시켜줄 수 있다는 것을 알아낼 수 있다. 이는 건축물의 안정성에 대한 기본 원리이기도 하다. 즉, 복잡한 분자 구조를 활용할수록 건 축물을 더 안정하게 지을 수 있다는 결론이 나온다.

수직하중 시뮬레이션에서는 재질을 STEEL 파이프로하여 신문지 모 형으로 한 실험과 결과 값이 다르게 측정되었다. 특히 AX5E0모델이 아무런 변화도 주지 않은 대조군보다 수직하중에서 더 약하다고 나 타났다. 이는 같은 하중이 4개의 기둥으로 분산되는 다른 구조들과 다르게 삼각기둥형태인 AX5E0모델은 3개의 기둥으로 분산되기 때문 인 것으로 예상된다.

그림 26 수평하중

수평하중 시뮬레이션에서는 수직하중을 주었을 때와 다르게 모델별 로 큰 변화가 나타났다. 대조군의 수평처짐이 가장 심하게 나타났으 며 AX5E0모델, AX6E0모델, AX8E0모델 순으로 수평처짐이 작아졌 다. 구체적인 수치는 대조군이 30.393mm, AX5E0모델이 25.3mm AX6E0모델이 12.278mm, AX8E0모델이 5.719mm로 AX8E0모델이

그림 25 수직하중시뮬

수평하중에 가장 강한 것으로 나타났다. 수평하중에 가장 강하다는 것은 지진이 일어났을 때 S파의 영향을 덜 받는 것이라고 해석할 수 있으며 즉 AX8E0모델을 건축물에 적용할 경우 효과를 볼 수 있다고 할 수 있다.

그림 27 휨하중

휨 하중에서도 또한 수평하중을 줬을 때처럼 모델별로 큰 변화가 나타났다. 대조군이 가장 큰 수평처짐이 있었고 AX5E0모델, AX6E0 모델, AX8E0모델 순으로 수평처짐이 작아졌다.

□ 시사점

○ 연구활동을 통해 얻은 학습효과

- 실험결과에서도 봤듯이 어떤 구조도 사용하지 않은 건축물 보다는 분자구조를 적용시켜 제작한 건축물이 수직하중과 수평하중 두 힘 모두에 있어서 대부분 더 강한 내구성을 갖고 있다는 것을 알 수 있었다. 또한 간단한 분자구조를 적용시킨 것보다는 좀 더 복잡한 분자구조를 적용시킨 건축물의 내구성이 더 강하다는 실험 결과로 보아 적용한 구조가 복잡하면 복잡할수록 외부의 힘에 대한 내구성 이 증가한다는 것을 알 수 있다. 이러한 점을 활용해 복잡한 분자구 조를 건축물에 적용시킨다면 적용시키지 않은 건축물보다는 조금 더 외부자극에 안정한 건축물을 건축할 수 있을 것이라고 예상하게 되었다.

○ 연구의 제한점

- 처음에 분자 구조 선택 과정에서 관련된 논문이나 자문을 통하여 배워서 화학적 안정성에 대한 기준을 세워 실험에 쓸 구조를 선택하 고자 했다. 하지만 관련된 논문을 우리 수준에서 이해하기는 너무 어려웠고, 이러한 주제를 자문해줄 교수님을 찾기 또한 쉽지 않았다.

때문에 정확한 기준에 따라 분자 구조를 선택한 것이 아니라 VSEPR 이론에 따른 기본 분자 구조 중에서 건축물에 적용이 용이할 만한 구조를 우리가 임의대로 선택해서 실험을 진행했다. 또, 실험을 진행 하는 과정에서 지진이 일어났을 때 발생하는 여러 가지 힘에 대해 얼마나 잘 버티는 가를 실험해야 했지만 우리가 할 수 있는 실험이 한정되어 있다 보니 모든 힘에 대해 측정하지 못하였다. 또, 신문지 로 제작과정에서 사람이 완벽하게 정교하게 만들지 못하기도 하고 우리가 서툴다 보니 구조물에 많은 결함이 발생했다.

4. 홍보 및 사후 활용

교내 학생들에게 배부 된 교내 논문집에 본 논문을 실어 학생들이 우리의 연구 주제와 본 논문에 관심을 갖도록 하고 지식을 공유하는 장을 마련함.

5. 참고문헌

- 구광모, 류홍열, 김승현, 김대영, 황일순, 심준보, 이종현(2013) 액 체카드뮴음금용[실은 액체카드뮴음극용] 세라믹 소재의 화학적 안 정성 평가 한국방사성폐기물학회 Vol.11 no.1 (2013. 3) pp.23-29 - 대한건축학회, 건축구조기준 및 해설

- American Society of Civil Engineers, Minimum design Loads for Buildings and Other Structures, (2010)

- Malcolm Millais, Building Sturctures From concepts to design, 2nd edition, Spon Press (2005)

- Derek Seward, 강주원·김재웅·백신원·이진호·홍역균 공역 Understanding Structures 구조의 이해, 기문당, (2002)

- 대한건축학회, 건축구조60년사, (2006)

- 김석구, 건축공학과 건축학의 역할분담, 건설경제, 2009.10.19 - 田中㢱壽雄 著, 역학과 건축물의 형태, 도서출판 건설도서, 1996 - 레이먼드 창, 레이먼드창의 일반화학(2008)