Three-dimensional printing-based construction modular block systems can maintain high productivity even in extreme environments. Therefore, interest in such technology has increased in the construction field. The nacre-like geometry is considered a key pattern for the modular block because it significantly enhances the impact resistance of the structure. However, its exceptional impact performance is activated only in the height direction and significantly deteriorated in the others. In this study, we suggest new composite structures for the modular block to overcome the limitation of the nacre-like materials. Surface orientation independent BCC Voronoi bi-material structures are designed using the Bravais lattice system and the three-dimensional Voronoi diagram. Then, those are fabricated as specimens using an FDM-based dual-extruder 3D printer. To explore the optimum Voronoi pattern and material, geometrically manipulated Voronoi structures are also produced using an algorithm transforming the size of each Voronoi cell. In addition, mortar-TPU patterns are fabricated to prove the feasibility of these structures. The impact performance of each specimen is analyzed through a drop weight impact test. A finite element model of the 3D Voronoi pattern is developed and the impact test is simulated. An in-depth analysis of the impact resistance behavior of the model is conducted to provide a fundamental understanding of its failure mechanism. Both experiment and numerical results reveal that the newly developed block structure is orientation independent and has excellent impact performance. This study can foster the progress of construction modularization technology and optimization of composite material patterns.
3D 프린팅 기반의 건설 모듈화 블럭은 인력의 직접적인 투입이 어려운 극한 환경에서도 높은 생산성을 유지할 수 있는 장점으로 인해 건설 분야에서 많은 관심을 받고 있다. 이러한 극한 환경에서는 구조물이 외부의 물리적 충격에 쉽게 노출되므로 높은 내충격성이 요구된다. 따라서 구조의 내충격성을 월등히 향상시키는 진주층 모사 패턴을 이러한 건설 모듈화 블럭에 적용하는 것이 우선적으로 고려될 수 있다. 하지만, 기존의 진주층 모사 구조에는 우수한 충격 성능이 특정 방향에서만 발현된다는 단점이 존재한다. 이에 본 연구에서는 이러한 한계를 개선함과 동시에 건설 모듈화 블럭에 적용할 수 있는 새로운 복합재료 구조를 제안하고 해당 구조의 형상 최적화 방안을 모색하였다. 브라베 단위 격자와 3차원 보로노이 다이어그램을 활용하여 충돌 방향과 관계없이 동일한 성능을 보이는 3차원 보로노이 BCC 복합재료 패턴을 설계하였다. 패턴의 내충격성을 평가하기 위해 FDM 기반 이중 재료 압출 3D 프린터를 활용하여 고강성-고연성 재료로 이루어진 보로노이 패턴 시편을 제작하였다. 또한, 해당 패턴의 최적화 연구를 위해 각 보로노이 셀의 크기를 변경하는 알고리즘을 개발하고, 이를 기반으로 변형된 보로노이 패턴 시편을 제작하였다. 뿐만 아니라, 패턴의 건설 현장 실증성을 입증하기 위하여 고강성 재료를 모르타르로 변경한 모르타르-TPU 패턴 시편을 추가로 제작하였다. 낙하충격실험을 수행하여 제작한 시편들의 충격거동을 분석하였고, 3차원 보로노이 패턴의 수치해석 모델을 개발하여 낙하충격실험을 모사하고 모델의 충격 저항 거동에 대한 심도 있는 분석을 수행하여 손상 메커니즘의 근본적인 원리를 탐구하였다. 실험 및 수치해석 결과를 바탕으로, 새롭게 개발된 패턴 구조가 방향 독립적이며 우수한 충격 성능을 가짐을 입증하였다. 본 연구는 건설 모듈화 공법과 복합 재료 패턴의 형상 최적화를 촉진하는 데 도움이 될 수 있다.
