4D프린팅과 매트리얼 프로그래밍을 활용한 어댑티브 빌딩 파사드
- 주제(키워드) 4D프린팅 , 매트리얼 프로그래밍 , 어댑티브 파사드 , 형상기억합금 , 형상기억고분자 , 형상기억복합재
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 이황
- 발행년도 2021
- 학위수여년월 2021. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 건축학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000030924
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
본 논문은 키네틱 메커니즘을 기반으로 한 어댑티브 빌딩 파사드(adaptive building facade; AF)의 단점인 전력 소비, 복잡한 구성요소와 유지관리, 소음 및 진동 등을 해결하고자 추가 전력 없이 외부 환경에 따라 스스로 움직이는 형상기억합금(shape memory alloy; SMA)과 형상기억고분자(shape memory polymer; SMP)를 결합한 형상기억복합재(shape memory composites; SMC)로 간단하고 가벼운 AF 모듈을 제안한다. SMC를 사용한 AF 디자인은 선인장의 기공 개폐 메커니즘을 생체 모사한 수학적 모델로 비정형 건축물에 실제 적용 가능한 크기로 제시하였다. AF SMC 모듈에 사용되는 재료는 열역학적 테스트를 통해 물성을 파악하였다. 이를 통해 SMA를 고온에서 열처리하여 프로그래밍하고, 4D프린팅 기술을 통해 SMP를 프로그래밍한 뒤 두 재료를 결합하여 AF SMC 모듈로 제안하였다. AF SMC 모듈은 구성모델을 기반으로 한 1D, 3D시뮬레이션을 통해 움직임을 예측하고, 축소모형을 제작하여 변이온도에 따라 형태가 변하는 것을 확인하였다. 또한, 일조·에너지 시뮬레이션을 통해 AF SMC 모듈이 일조와 태양복사를 제어하여, 에너지를 낮춰 건물 성능을 높일 수 있음을 입증하였다. 본 연구 결과를 통해 AF SMC가 실제 건축에 적용되었을 때, 조도 조절 및 에너지 성능을 개선함으로써 어댑티브 건축에서 SMC가 유용성을 갖고 있음을 보여준다.
more목차
제 1장 서 론 1
1.1 연구의 배경 1
1.2 연구의 목적 및 범위 4
제 2장 선행연구 5
2.1 어댑티브 파사드(adaptive facade) 5
2.2 형상기억재료(shape memory material) 9
2.2.1 형상기억합금(shape memory alloy) 9
2.2.2 형상기억고분자(shape memory polymer) 12
2.2.3 형상기억복합재(shape memory composite) 14
2.3 4D프린팅(4D printing) 17
2.4 소결 22
제 3장 디자인 제안 및 분석 23
3.1 생체모사를 통한 어댑티브 파사드 디자인 제안 25
3.1.1 식물의 환경적응을 위한 형태변형 메커니즘 25
3.1.2 파사드 모듈 디자인 27
3.2 실험재료 32
3.2.1 형상기억합금 프로그래밍 32
3.2.2 형상기억고분자 프린팅 34
3.2.3 형상기억복합재 구성 36
3.3 재료분석 39
3.3.1 형상기억합금의 기계적 특성분석 39
3.3.2 형상기억고분자의 기계적 특성분석 41
제 4장 형상기억복합재 구성모델 및 시뮬레이션 45
4.1 형상기억복합재 구성방정식 45
4.1.1 구성모델을 위한 열역학 제1법칙, 제2법칙 45
4.1.2 형상기억합금 구성방정식 48
4.1.3 형상기억고분자 구성방정식 50
4.1.4 형상기억복합재 구성방정식 52
4.2 형상변화 1차원 시뮬레이션 55
4.3 형상변화 3차원 시뮬레이션 62
제 5장 결과 및 토의 65
5.1 SMC 모듈 제작 및 디자인 실험 65
5.1.1 형상기억합금 성능실험 65
5.1.2 형상기억고분자 성능실험 69
5.1.3 형상기억복합재 성능실험 73
5.2 어댑티브 파사드 형상기억복합재 기본형 모듈 프로토타입 75
5.3 앱솔루트 타워 어댑티브 파사드 축소모형 실험 78
5.4 앱솔루트 타워 어댑티브 파사드 일조환경 분석 86
5.5 결과 및 토의 94
제 6장 결 론 96
참고문헌 98
