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2022년 12월 19일 (월) 21:03 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 침수 시 비상탈출을 위한 유압식 문 개방장치

영문 : Hydraulic door opening device for emergency escape in case of flooding

과제 팀명

육뇽

지도교수

나영승 교수님

개발기간

2022년 9월 ~ 2022년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 기계정보공학과 20XXXXX028 이재원(팀장)

서울시립대학교 기계정보공학과 20XXXXX015 류제환

서울시립대학교 기계정보공학과 20XXXXX008 김태우

서울시립대학교 기계정보공학과 20XXXXX015 박재경

서울시립대학교 기계정보공학과 20XXXXX038 편인애

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

본 과제는 침수 시 비상탈출을 위한 유압식 문 개방 장치(이하 문 개방 장치)를 개발하는 것이다. 반지하 건물 침수 시 문 안팎의 정수압차로 거주자가 쉽게 현관문을 열지 못하는 상황에서 장치를 이용하여 적은 힘으로도 문을 열어 거주자의 탈출을 도울 수 있도록 한다.

개발 과제의 배경

1. 개발 배경

1-1. 사회적 배경

올해 115년만의 기록적인 폭우로 인해 침수사고에 따른 사망인원이 13명이나 발생했다. 그 중 반지하 침수로 인해 4명이 사망하였다. 수위로 인한 내·외부 압력차로 거주자가 현관문을 열지 못해 탈출하지 못했기 때문이다. 통계청에 따르면 전국의 지하·반지하 가구·인구는 32만 7천 가구·59만 9천명으로, 우리나라 국민 중 지하 및 반지하에 거주하는 비중은 적지 않다. 서울시는 침수사고 이후 주거 용도의 반지하주택 건축허가를 금지한다고 발표했으나 아직까지 반지하 거주자가 많으며, 기존 주택에서 반지하 건축물을 없애는 데에도 10~20년이 걸리기 때문에 반지하라는 건축구조가 완벽히 사라지기까지는 오랜 시간이 걸린다. 또한 지구온난화 등에 의한 이상기후 현상으로 폭우, 침수 등의 사고위험은 꾸준히 제기되므로, 반지하 침수 사망사고의 근본적 원인은 해결할 수 없다. 국립재난안전연구원에 따르면 물이 가하는 압력은 제곱미터 당 116kgf의 무게에 해당한다. 이에 따르면, 수위 30cm에서 평균적으로 여성은 출입문을 열기 힘들어하며 40cm가 되면 열 수가 없고, 남성은 50cm부터 출입문을 열 수 없다. 따라서 침수 시 자력 외에도 힘을 증폭하여 문을 개방할 수 있는 장치의 필요성이 대두된다.

1-2. 기술적 배경

지하주거공간의 침수상황 탈출과 관련하여 현존하는 기술은 침수예방 및 방지 장치와 시스템이 대부분이다. 하지만 침수상황 그 자체를 벗어날 수 있는 장치는 없고 단지 예방적 차원에 그치며 침수를 지연시키는 방식을 이용하고 있다. 침수를 지연시키는 것이 탈출에 근본적인 해결책이 아니며, 침수 지연에 실패할 경우 지하주거공간의 특성상 유리창을 통한 탈출이 어려워 생존 가능성이 희박하다. 이러한 점을 통해서, 지하주거공간 침수상황을 능동적이고 확실하게 탈출할 수 있는 장치의 필요성이 대두된다.

1-3. 결론

상기와 같은 사회 및 기술적 배경에 따라 본 프로젝트는 침수 시 적은 힘으로 큰 힘을 낼 수 있는 유압식 문 개방장치의 개발을 제안한다.

2. 기대효과

2-1. 반지하 침수 시 탈출 및 생존 가능성 증대

기존에는 홍수가 발생하여 수압에 의해 문이 막히면 유일한 탈출구는 창문이었다. 하지만 대부분의 반지하 창문에는 방범창이 설치되어 있어 이를 뜯어내거나 굽히지 못하면 일반 성인은 나갈 수 없고, 반지하 특성상 창문의 높이가 지상의 집들보다 높게 위치하여 창문을 통한 탈출은 쉽지 않다. 하지만 본 과제에서 제작한 문 개방 장치를 사용하면 탈출에 더 용이한 현관문을 이용함으로써 거주민의 탈출 가능성을 높일 수 있다.

2-2. 비상 상황을 대비한 필수 도구로 인식

화재 진화를 위한 소화기는 어느 건물에 가더라도 구비되어 있고, 폭설을 대비한 제설제 역시 도로에 배치되어 있다. 하지만 홍수를 대비한 장치는 아직까지 부족한 실정이며, 이상 기후에 따른 큰 홍수의 빈도는 점점 잦아질 것으로 예상된다. 따라서 이제는 예기치 못한 상황에 폭우로 집 안에 갇혔을 때 탈출하기 위한 장치가 필수품으로 자리잡아야 한다. 본 과제에서 제작된 문 개방 장치의 안정성과 기능을 확실하게 검증한다면 실질적인 침수 피해사고를 줄일 수 있는 도구가 될 것이다. 위 장치를 이용해 탈출한 사례가 증가한다면 누구든 침수를 대비하여 하나씩 구비하는 필수 도구로 인식되는 효과를 기대할 수 있다.

2-3. 유압잭 제조사의 사업 확장 및 이미지 제고

본 과제에서 제작한 침수 시 비상탈출을 위한 유압식 문 개방 장치의 가장 주요 부품은 유압잭이다. 기존 유압잭 회사에서 생산하는 제품들은 물체를 들어올리는 것에 한정되어 있어 시장이 넓지 않다. 만약 유압잭 회사가 본 아이디어를 채택하여 여러 각도로 힘을 작용하는 제품을 제작하고 지지 구조도 함께 설계하여 판매한다면 반지하 가구들이 새로운 잠재적 고객이 될 수 있고, 생활용품이라는 더 넓은 시장을 공략할 수 있다. 또한, 본 제품이 자연재해에 의한 피해자를 줄이고자 하는 공익적 목적을 띠고 있으므로 기업 이미지 역시 제고할 수 있다.

개발 과제의 목표 및 내용

1. 개발 과제 목표

본 과제의 목표는 반지하 현관 복도 침수 시에 거주자가 탈출하기 어려운 상황을 해결하기 위해 현관 턱과 지지대, 유압 장치로 구성된 문 개방 장치를 개발하여 적은 힘으로도 문을 열 수 있도록 하는 것이다. 장치를 사용하기 위한 문은 일반 가정 현관문으로 가장 많이 사용하고 있는 알루미늄제 외여닫이문으로 그 범위를 제한한다. 과제의 목표를 달성하기 위한 세부 목표는 다음과 같다.

(1) 침수 상황에서 수압에 의해 문을 열 수 없을 때, 적은 힘으로 15° 이상 문을 개방할 수 있는 장치를 개발한다. 15°는 사람이 탈출하기 위한 최소한의 적정 각도로써 선정하였고, 이를 위해 유압잭(Hydraulic Jack)을 이용하여 문을 열기 위한 동력을 확보한다.

(2) 또한, 신발장 턱을 활용해 큰 힘을 지지할 수 있고, 문이 열리는 동안에도 균일한 위치에 힘을 전달할 수 있는 구조를 고안한다.

2. 개발 과제 내용

2-1. 문을 열기위한 유압잭 설계

힘을 증폭시키는 장치에는 대표적으로 압축된 공기를 사용하는 공압식, 모터를 사용하는 전동 액츄에이터, 압력 변동성이 작은 오일을 사용하는 유압식 장치가 있다. 공압 시스템의 경우 공기를 재사용하지 않아 구조가 간단하고 응답속도가 빠르다는 장점이 있다. 하지만 압력변동성이 커 주위 환경에 많은 영향을 받고, 낮은 압력을 사용하기 때문에 큰 힘을 발생시키는 작업에 사용되지 않는다. 전동 액츄에이터는 폭우 상황에서 정전으로 인하여 전기를 사용하지 못할 수 있고, 침수 시에는 감전의 위험이 있다.

이에 비해 유압 시스템은 정밀하고, 높은 압력으로 작동하기 때문에 크기에 비해 큰 힘을 낼 수 있다. 또한, 전기 없이 기계식으로 작동할 수 있으므로 폭우 시에 사용하기 적합하다. 이러한 점들을 고려하여 본 과제에서는 문을 열기위한 힘 증폭 장치로 유압장치를 채택하였다.

시중 유압잭의 경우 물건을 들어올리는 용도로 쓰이므로 수직 방향으로만 힘을 가할 수 있다. 하지만 본 과제의 경우 문을 밀기 위한 용도이므로 수평 혹은 90° 이하 특정 각도를 이루는 방향으로 힘을 가해야 한다. 이러한 기능을 구현하는 유압잭이 현재 존재하지 않으므로 이에 대한 고안이 필요하다.

물의 수위에 따라 문에 가해지는 압력이 달라지고, 유압잭에 요구되는 하중 역시 달라진다. 구조해석을 통해 수위 별로 문을 15°이상 열기 위해 필요한 힘을 계산하고, 이를 기반으로 유압잭의 규격을 정한다. 목표 하중을 설정한 뒤 유압잭이 수직이 아닌 방향에 힘을 효과적으로 작용할 수 있고, 전체 문을 밀어낼 때 이를 버틸 수 있는 받침대 구조를 고안한다. 본 과제에 사용하는 유압잭은 시중의 제품을 변형하여 제작한다.

2-2. 현관 턱을 이용한 지지구조 설계

유압잭을 이용해 문을 열게 되면 작용 반작용에 의해 문이 유압잭을 미는 힘이 발생한다. 이때, 유압잭을 지지하는 힘이 충분히 커야 문을 열 수 있다. 만약 지지력이 약하면 문이 열리는게 아니라 지지대 및 유압잭이 움직이게 되고, 장치가 부서질 수 있다. 따라서 어느 가정집에서나 찾아볼 수 있고, 현관문 주위에 있는 구조를 이용하여 이를 강하게 지지해야 한다.

Fig.6과 같이 대부분의 가정집에는 신발을 신고 벗을 수 있는 현관이 존재한다. 일반적인 원룸 현관의 크기는 1000*600mm이다. 가천대학교 실내 건축학과 김용성 교수에 따르면 주거공간의 현관 바닥과 방의 높이 차이는 50~100mm가 일반적이다. 만약 현관 바닥과 홀이 맞닿는 모서리에 임의의 각도로 힘이 가해지면 힘은 수평방향과 수직방향으로 분리된다. 수평방향 힘은 현관 턱이 버텨주고, 수직방향 힘은 바닥이 버티므로 현관문 주위 구조물 중 가장 강하게 힘을 지지할 수 있다. 따라서 유압잭의 지지대를 현관 턱을 이용하여 효과적으로 지지할 수 있는 구조를 설계한다.

2-3. 균일 위치 가압

일반적으로 문을 열 때 가장 효과적인 힘 작용 위치는 손잡이 위치이다. 하지만 물에 의해 추가적인 압력이 가해질 때는 그 위치가 변할 수 있다. 위치 변화는 수평 방향보다 수직 방향에서 크게 나타난다. 사용자가 적은 힘으로 문을 열기 위해서는 힘이 작용하는 위치 역시 중요한 요소이다. 따라서 구조해석을 통해 물 수위 별로 가장 효과적인 작용점의 위치를 확인한다. 이때, 사용자는 문 밖의 물이 어느 높이까지 올라왔는지 알 수 없으므로 30cm부터 50cm 이하까지 모든 경우에 적용할 수 있는 최적위치를 선정하여 사용자들에게 제시한다.

현관 턱으로부터 직선으로 뻗어 나간 유압잭에 의해 문을 열었을 때 아무런 고정장치가 없다면 문의 회전에 따라 힘 작용위치가 변하게 된다. Fig.8에서 X는 문과 유압잭의 접촉점, O는 유압잭 지지점이다. Fig.8와 Fig.9에서 문에서의 X와 현관 턱에서의 O 위치는 각각 동일하다. 문이 회전하면 문과 유압잭 끝의 접촉점 각이 90° 이상이 되면서 X는 문 바깥쪽으로, O는 안쪽으로 미끄러진다. X가 계속해서 변하면 힘이 분산되어 효율적으로 일할 수 없다. 그보다 더 중요한 것은 X가 문을 벗어나게 되면 더 이상 문이 열린 상태를 유지시키는 힘이 사라지므로 수압에 의해 문이 강하게 닫히면서 유압잭이 파손되거나, 신체의 일부가 끼는 등 2차 피해가 발생할 수 있다는 점이다. 따라서 문을 연 뒤, 탈출하는 모든 과정이 안전하게 진행되기 위해서는 접촉점과 지지점의 위치가 고정돼야 한다.

이를 위해 장치 탈부착이 가능하면서 유압잭의 지지점을 단단히 고정할 수 있고, 문이 회전해도 작기 끝과 접촉면이 일정하게 맞닿아 있을 수 있는 추가 구조를 설계한다. 또한, 물이 들어오는 상황을 함께 고려하여 적절한 소재를 사용한다.

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

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포스터

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완료작품의 평가

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향후계획

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특허 출원 내용

내용

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   물의 수위에 따라 문에 가해지는 압력이 달라지고, 유압잭에 요구되는 하중 역시 달라진다. 구조해석을 통해 수위 별로 문을 15°이상 열기 위해 필요한 힘을 계산하고, 이를 기반으로 유압잭의 규격을 정한다. 목표 하중을 설정한 뒤 유압잭이 수직이 아닌 방향에 힘을 효과적으로 작용할 수 있고, 전체 문을 밀어낼 때 이를 버틸 수 있는 받침대 구조를 고안한다. 본 과제에 사용하는 유압잭은 시중의 제품을 변형하여 제작한다.
-. 현관 턱을 이용한 지지구조 설계
+-2. 현관 턱을 이용한 지지구조 설계
   유압잭을 이용해 문을 열게 되면 작용 반작용에 의해 문이 유압잭을 미는 힘이 발생한다. 이때, 유압잭을 지지하는 힘이 충분히 커야 문을 열 수 있다. 만약 지지력이 약하면 문이 열리는게 아니라 지지대 및 유압잭이 움직이게 되고, 장치가 부서질 수 있다. 따라서 어느 가정집에서나 찾아볼 수 있고, 현관문 주위에 있는 구조를 이용하여 이를 강하게 지지해야 한다.
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   Fig.6과 같이 대부분의 가정집에는 신발을 신고 벗을 수 있는 현관이 존재한다. 일반적인 원룸 현관의 크기는 1000*600mm이다. 가천대학교 실내 건축학과 김용성 교수에 따르면 주거공간의 현관 바닥과 방의 높이 차이는 50~100mm가 일반적이다. 만약 현관 바닥과 홀이 맞닿는 모서리에 임의의 각도로 힘이 가해지면 힘은 수평방향과 수직방향으로 분리된다. 수평방향 힘은 현관 턱이 버텨주고, 수직방향 힘은 바닥이 버티므로 현관문 주위 구조물 중 가장 강하게 힘을 지지할 수 있다. 따라서 유압잭의 지지대를 현관 턱을 이용하여 효과적으로 지지할 수 있는 구조를 설계한다.
-. 균일 위치 가압
+-3. 균일 위치 가압
   일반적으로 문을 열 때 가장 효과적인 힘 작용 위치는 손잡이 위치이다. 하지만 물에 의해 추가적인 압력이 가해질 때는 그 위치가 변할 수 있다. 위치 변화는 수평 방향보다 수직 방향에서 크게 나타난다. 사용자가 적은 힘으로 문을 열기 위해서는 힘이 작용하는 위치 역시 중요한 요소이다. 따라서 구조해석을 통해 물 수위 별로 가장 효과적인 작용점의 위치를 확인한다. 이때, 사용자는 문 밖의 물이 어느 높이까지 올라왔는지 알 수 없으므로 30cm부터 50cm 이하까지 모든 경우에 적용할 수 있는 최적위치를 선정하여 사용자들에게 제시한다.