돔 외벽 추락 사례를 통해 충돌 해석 정보를 확인하십시오.
해석 사례
돔(Dome) 외벽 청소 중 추락 사고 대비 완충제 선정 사례
해석 목적
돔 외벽 청소 작업자의 추락에 대비한 추락 위치 선정 및 완충제 스펙을 산정하여 인명피해가 발생하지 않도록 하기 위한 수치해석 진행
해석 내용
안녕하세요? 이엔지베이 입니다.
이번에 소개드릴 해석 사례는 충돌 해석으로, 일상생활 또는 산업현장에서 발생할 수 있는 위험 요소를 분석하여 안전을 확보한 사례로 돔(Dome)의 외벽 청소에 관한 내용입니다.
충돌 해석(Explicit Dynamics)이란, 해석하고자 하는 구조물이 외부와의 빠른 충돌, 폭파 그리고 자유낙하를 할 때 그 구조물의 물리적 거동을 규명합니다. 구조해석적으로는 일반적인 과도 해석 기법인 ‘Implicit’와는 다른 ‘Explicit’ 해석 기법이 적용되며 매우 짧은 시간 동안 발생하는 충돌에 대해 Explicit 시간 적분법을 통해 정확하고 효율적으로 해석 결과를 도출해 냅니다.
충돌 해석이 가능한 분야로는 충격파 전파, 대변형, 재료의 파손 및 비선형 거동 분석, 복잡한 접촉 문제, 분열, 비선형 좌굴 등을 파악할 수 있으며 일반적으로 구조물의 낙하 시험, 충격 및 관통 문제를 다루게 됩니다.
재료의 비선형성이 1초 미만인 문제 즉, 1초 미만의 충돌 시간을 다루는 분야부터 0.0001초 문제인 초고속 충돌 문제까지 활용 분야가 다양합니다.
해석 예)낙하, 관통, 폭발, 초고속 충돌 문제 등
Step1) 돔 외벽 이탈 위치 및 지면 충돌 시 순간속도 도출
위 그림과 같이 돔 외벽의 특정 위치에서 자유낙하를 시작할 경우 외벽을 따라 낙하 중 특정 위치에서 외벽을 벗어나는 자유 상태가 됩니다. 이후 공중에 뜬 상태로 지면까지 자유낙하하게 됩니다.
충돌 해석을 수행하기 위한 전제 조건으로 충돌 시 위치와 속도가 필요하게 되는데 해당 값을 얻기 위해 충돌 해석을 수행하기 전 강체동역학(Rigid-Body Dynamics) 해석을 통해 이론적인 충돌 위치와 속도 데이터를 산출 합니다.
위 해석 결과를 바탕으로 지면과 충돌하는 위치를 알 수 있어 충돌 완충제의 위치 선별을 가능하게 합니다.
또한 지면과 충돌 순간의 속도 데이터를 통해 충돌 해석을 수행하게 됩니다.
강체동역학 해석결과 지면에 충돌하는 순간은 0.745초이고 이때의 위치 및 속도를 산출할 수 있습니다. 산출된 데이터는 충돌해석의 Input Data로 사용 됩니다.
Step2) 충돌 완충제(매트리스) 물성치 선정
충돌 해석 수행에 가장 중요한 자료는 재료의 물성 데이터입니다. 물성 정보에 따라 해석하고자 하는 소재의 파단 여부 등 결정적인 해석 결과를 좌우하게 되므로 해석 사례와 동일한 물성 정보기입이 필수적입니다.
본 해석에서는 일반적으로 흔하게 사용되는 완충제인 PU(폴리우레탄) Foam을 사용하였습니다.
PU Foam의 강도 모델로 Porous-Crushable Foam을 사용하였고, 선정 타당성에 관한 상세 내용은 아래 논문을 참조할 수 있습니다.
논문출처: Hosein Andami and Hamid Toopchi-Nezhad. Performance assessment of rigid polyurethane foam core sandwich panels under blast loading. International Journal of Protective Structures 2020, Vol. 11(1) 109-130
논문출처: Benjamin Krausa, Raj Dasa, Biswajit Banerjeeb. Anisotropy and variability in polyurethane foams: experiments and modeling.
충돌 시 PU Foam의 변형을 묘사하기 위해 정확한 Principal Stress vs Volumtric Strain 데이터가 요구됩니다.
본 해석에서는 위 자료를 참고하였고, 충돌로 인한 PU Foam의 변형이 Foam의 두께보다 크다면 인전성이 확보되지 못하는 것으로 판단할 수 있습니다.
Step3) 충돌 해석 수행
상기 내용을 근거로 충돌 해석을 수행하고, PU Foam의 변형량 확인을 통해 안전성 여부를 판단합니다.
본 해석에서는 PU Foam과 충돌하는 물체를 80 kg의 질량체로 가정하였습니다.
해석 결과는 PU Foam의 물성에 따라 변화하므로 해석을 수행하기 전 물성 정보의 수집이 무엇보다 중요합니다.
Foam 밀도에 따라 변형량이 상이 함을 알 수 있습니다.
해석 결과
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