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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.20 No.9 pp.42-47
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2021.20.09.042

One-touch Descending Lifeline with Sliding Linkage Structure

Wonchan Kim*, Dayul Na*, Hyein Moon*, Sang-Hyun Kim*#
*School of Mechanical Engineering, HANSUNG UNIV.
#Corresponding Author : shkim@hansung.ac.kr Tel: +82-2-760-8012, Fax: +82-2-760-4356
07/07/2021 20/07/2021 23/07/2021

Abstract


A one-touch descending lifeline that can easily be installed and rapidly evacuated in the event of a fire accident in high-rise buildings was proposed to overcome difficulties of conventional descending lifeline such as complex installation methods and procedures. However, this lifeline exhibits limitations such as restrictions in installation location and large apparatus size. Therefore, this paper proposes a sliding-type descending lifeline, which has a similar operation to that of current one-touch descending lifeline and solves the aforementioned limitations. A double square link mechanism including a sliding four-bar linkage is proposed and the descending lifeline support is redesigned to unfold in two different planes, allowing 3D movement. Additionally, the shape of the support frame is designed to obtain two attachment surfaces that can be attached to a wall, irrespective of the angle between the window and the inner wall. FEA analysis using ABAQUS is performed to ensure that the robustness of the presented support complies with the Fire Control Act Enforcement Decree. Finally, the feasibility of the proposed sliding one-touch descending lifeline is verified through fabrication.



슬라이드 링크 구조를 이용한 원터치 완강기

김 원찬*, 나 다율*, 문 혜인*, 김 상현*#
*한성대학교 기계시스템공학과

초록


    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    3층 이상의 건물에서 화재가 발생하였을 경우, 외부 도움을 받을 수 없다면 재실자 스스로 신속 하게 대피해야 한다. 하지만 화재 확산의 영향으 로 피난 통로가 막히게 되면 피난기구인 완강기를 이용한 탈출이 유일한 피난방법이다. 이러한 역할 때문에 소방법은 대부분의 건물에 완강기를 설치 하도록 규정하고 있다[1].

    화재 시 탈출을 위해서는 재실자가 완강기 지 지대를 창밖으로 꺼내 지지대 고리에 후크를 걸고 릴을 창밖으로 던진 후, 벨트를 가슴에 착용하여 내려가는 총 5가지의 절차가 필요하다. 설문조사 에 따르면 연구대상자의 79.26%는 이론중심의 소 방안전교육을 받았으며 81.43%가 완강기 사용 경 험이 없어 완강기 설치법에 익숙하지 않다고 응답 하였다[2]. 또한 화재 시 발생하는 유독가스의 독성 농도가 1% 이상이면 사망에 이르고, 0.03% 이상 만 되어도 보행에 곤란을 초래하여 피난행동에 지 장을 주기 때문에 가능한 신속하게 대피해야 한다 [3]. 하지만, 급박한 화재 상황에서 완강기 사용 절 차를 수행하여 안전한 탈출을 하는 것은 현실적으 로 불가능하다.

    이러한 완강기의 문제점을 해결하고자 최근 완 강기 본체와 지지대가 일체형으로 연결되어 설치 시간을 줄인 원터치 완강기 구조가 제안되었다[4]. 원터치 완강기는 한 번의 작동으로 실내에 있는 완강기가 건물 밖으로 펼쳐지므로 사용 절차가 간 단하고 손쉽게 사용할 수 있지만, 기존 완강기에 비해 부피가 크고 부착 가능한 위치가 제한적이라 는 새로운 문제점이 야기되어 실제 사용에 어려움 이 있다.

    따라서 본 논문에서는 완강기 부피를 줄이고, 모든 벽에 부착 가능한 새로운 원터치 완강기를 제안한다. 선행연구에서 제안된 일체형 구조의 원 터치 방식은 유지하되 링크 구동방식을 개선하여 지지대의 움직임을 최소화하였으며 창문과 내벽의 각도와 벽면 여유 공간의 제약 없이 모든 벽에 부 착될 수 있도록 프레임링크의 형상을 변경하였다. 또한, 완강기는 실제 사람이 사용하였을 때의 하 중을 견뎌야하기 때문에 ABAQUS 프로그램을 통 해 제안된 지지대의 안정성 검증 해석을 수행하였 으며 제작을 통해 성능 작동 여부를 검증하였다.

    2. 설계배경

    기존 완강기는 설치 과정이 복잡하고 사용법이 대중적이지 않아 위기상황에서 신속하고 올바르게 설치하는 것이 매우 어렵다. 이를 보완하기 위해 Fig. 1과 같이 새로운 일체형 원터치 완강기가 제 안되었지만 다음과 같은 문제점이 있다[4]. 선행연 구에서 제안된 이중 4절링크 지지대는 동일 평면 에서 병진과 회전운동이 일어나며 건물 밖으로 펼 쳐진다. 하지만 지지대와 연결되어 있는 완강기 구성품은 프레임링크와 수직한 방향으로 박스에 부착되어 있다. 따라서 박스 내부에 실제 사용되 지 않는 빈 공간이 생기게 되면서 기존 완강기에 비해 박스 부피가 커지게 되었다. 또한 지지대 프 레임의 길이 때문에 좁은 벽면에는 부착하지 못하 고, 벽면이 넓고 창문과의 각도가 180°인 경우에 만 사용할 수 있다.

    Fig. 2는 원터치 완강기의 문제점을 보완하기 위해 제안된 완강기 지지대의 개념도이다. 기존 이중 4절링크 중 일부를 슬라이드 링크기구로 바 꾸고 지지대가 창문 가로 방향에서 세로 방향으로 부착되도록 설계를 진행하여 지지대의 움직임의 최소화되고 벽면의 여유 공간과 관계없이 부착이 가능하다. 또한 동일한 평면에서만 움직이는 원터 치 완강기와 다르게 각기 다른 두 평면에 링크를 설계하여 3차원 움직임을 갖도록 하고, 프레임링 크를 ‘ㄴ’형상으로 만들어 창문과 내벽의 각도에 따른 부착 문제를 해결한다.

    본 논문에서 설계하고자 하는 완강기는 한 번의 입력 동작만으로 사용할 수 있는 원터치 방식으 로, 다음과 같은 기구의 움직임을 계산하는 쿠츠 바흐 판별식(Kutzbach criterion)에 의해 결정된다[5].

    M = 3 ( n 1 ) 2 j 1 j 2
    (1)

    식 (1)에서 M은 기구의 운동성, n은 링크 수, j1j2는 각각 자유도가 1과 2인 조인트 수를 나타낸다. 링크기구는 링크의 조합, 링크의 길이와 입력 및 출력링크의 위치에 따라 다양한 운동이 가능하므로 설계하려는 기구의 운동성에 맞는 적 절한 링크와 조인트의 경우를 선정해야 한다.

    3. 설계과정

    3.1 수 합성

    본 논문에서 설계하고자 하는 슬라이딩 완강기 는 입력 한번으로 설치되는 원터치 형식이므로 기 구의 운동성은 1이여야 한다. 또한 완강기 지지대 는 건물 내부 벽면에 부착되어 있기 때문에 창문 을 통해 건물 밖으로 완전히 펼쳐지기 위해서는 Fig. 3(a)와 같이 별개의 평면운동이 가능한 4절링 크 두개가 필요하다. 완강기 부피를 줄이기 위해 슬라이딩 구동방식의 4절링크를 사용하였다.

    쿠츠바흐 판별식의 식 (1)을 통해 운동성이 1이 면서 이러한 기구 운동조건을 만족하는 링크 조합 은 n = 6, j1 = 7이 되며 이를 구현하기 위해 4 절링크 두개를 합성한 이중 4절링크(double square linkage) 형상을 Fig. 3(b)에 나타내었다. 좌측 하단 링크 L2와 우측 상단링크 L3가 결합되어 입력링 크인 L6의 슬라이드 홈을 따라 움직인다. 또한 좌 측 상단링크 L1과 우측 하단링크 L4가 하나로 결 합되어 입력링크의 움직임에 따라 운동하는 커플 러의 역할을 하게 된다. 링크 L1과 L2는 출력링크 L5와 또 다른 4절링크를 구성하므로 슬라이드 링 크와 연결된 결합 링크들의 움직임으로 출력링크 의 거동이 결정된다.

    한 번의 동작으로 완강기 지지대가 창밖으로 펼쳐지기 위해서는 지지대의 최종 출력링크는 슬 라이드 링크와 수직한 평면에 존재해야 하지만 Fig. 3(b)의 이중 4절링크 형상은 xy평면에서만 움 직인다. 따라서, 조인트 1과 3을 기준으로 출력링 크 L5를 수직하게 연결하여 지지대의 3차원 움직 임을 구현하였다.

    3.2 구속조건

    일체형 원터치 완강기는 기존에 분리되어 설치 되어 있는 완강기 구성품들(조속기, 로프, 릴, 벨 트)과 지지대가 박스에 내장되어 벽면에 부착된 후 필요시 펼쳐진다. 따라서 좁은 벽면에도 부착 가능한 완강기 박스의 최소 부피 설정이 필수적이 다. 우선 내장되는 부품 중 지지대를 제외하고 가 장 큰 부피를 갖는 릴의 너비(22cm), 조속기의 폭 (5cm) 및 부품 배치 등을 고려하여 완강기 박스 너비는 각각 22cm, 27cm 이하가 되도록 설정하였 다. 또한 이중 4절링크가 벽면의 세로방향으로 부 착되므로 완강기 박스의 최소 높이를 가장 대중적 인 기존 완강기 지지대의 미사용시 길이를 고려하 여 60.5cm로 제한했다. 조속기와 릴을 포함한 완 강기 부품들과 지지대를 고려한 박스 최소 부피를 Fig. 4에 나타내었다.

    3.3 지지대 상세설계

    앞에서 제안된 지지대의 3차원 거동 개념과 완 강기 박스의 구속조건을 고려한 이중 4절링크 기 구의 치수 선정 과정을 Fig. 5에 나타내었다. 완강 기 박스에 대한 제한조건 때문에 내설된 지지대는 xy평면에서 최소 22cm 이상 펼쳐져야 한다. 하지 만 기구 설계의 특성상 링크는 두께와 단면형상을 가지므로 Fig. 5(a)에서 슬라이드 링크를 최대한 펼쳤을 때의 조인트간의 거리(J1-J2)는 이를 고려 하여 설정한다. 또한 각 링크를 연결하는 조인트 부분은 실제 볼트와 너트로 결합되므로 Fig. 5(b) 의 슬라이드 조인트(J6)의 최소 여유 공간(J2-J4)은 가장 큰 너트의 규격(6.35cm)을 고려해 선정한다. 따라서 이중 4절링크의 대각선 길이(J1-J4)는 피타 고라스 정리를 사용하여 구한다. xy평면의 링크는 프레임링크를 제외하고 대칭이므로 대각선 링크 (J2-J3)는 같은 길이를 갖는다. Fig. 5(c)의 J7의 위 치는 yz평면의 하단링크(J1-J7)가 지면과 평행하게 펼쳐질 수 있는 위치를 계산하여 선정한다. yz평 면은 최종 출력링크가 설계되는 평면이므로 건물 외부로 충분히 펼쳐질 수 있도록 Fig. 5(d)와 같이 J1에서 J7방향으로 링크가 연장되었다.

    Fig. 5에 제시한 슬라이딩 완강기는 창문과 내 벽의 각도에 따른 부착 문제를 해결하기 위해 지 지대의 프레임링크는 ‘ㄴ’형상으로 설계된다. 또한 소방법에서 조속기는 벽면으로부터 40cm 이상 떨 어져 있어야 한다고 명시하고 있다[6]. 하지만 이를 만족하도록 Fig. 5(d)의 출력링크를 연장할 경우 지지대를 완벽히 접었을 때 최종 출력링크가 프레 임링크와 간섭을 일으키며 완강기 박스 한쪽 너비 가 30cm가 되어 박스 최소 부피 조건을 만족하지 못한다. 따라서 두 가지 부착면을 갖기 위해 프레 임링크의 옆면을 돌출시켰으며 지지대가 돌출된 프레임링크 끝단에 수직하게 접힐 수 있도록 출력 링크가 연장되는 각도를 조절하였다. Fig. 6은 최 종 지지대의 형상을 나타낸다. 출력링크의 굽힘 각도가 152.2°로 연장될 때 프레임링크와 간섭 없 이 수직으로 접히며 지지대의 너비가 17.24cm로 줄어 최소 완강기 박스의 구속 조건을 만족함을 확인하였다.

    기구 설계에서는 링크의 평면 거동만 고려하지 만 실제 링크는 3차원 형상을 가지므로 적절한 단 면 형상을 선정해야 한다. 일반적으로 링크는 굽 힘 하중에 대한 안정성이 높은 중공 사각빔을 사 용하지만 질량 대비 단면 크기가 커서 이웃한 4절 링크의 3차원 거동에 간섭을 일으키거나 박스 부 피 제한조건을 만족하지 못할 수 있다. 따라서 동 일한 단면2차 관성모멘트를 가지면서 가공이 용이 한 중실 사각빔을 사용하여 설계했다. 수직한 두 평면에 설계된 링크들이 한 평면에서처럼 원활하 게 움직일 수 있도록 아이볼트(eye bolt)와 너클조 인트(knuckle joint)를 사용하였으며 보다 안정적인 결합을 위해 아이볼트와 너클조인트 각각 양쪽에 링크를 결합하여 마치 2겹의 링크처럼 보이게 설 계가 진행되었다.

    4. 안전성 검증 및 제작

    완강기는 도르래 원리를 이용하며 피난자가 로 프를 몸에 고정한 후 높은 층에서 지상으로 안전 하게 내려올 수 있도록 충분한 강성이 보장되어야 한다. 통상적으로 완강기 지지대는 일반 구조용 압연 강재를 사용하므로 재질의 강도는 고정 값이 다. 따라서 기 설계된 일체형 링크구조의 단면 형 상을 선택하는 안전성 검사를 진행하였다.

    완강기 지지대의 안정성 검증 해석을 위해 사 용되는 지지대 재료의 물성값[7]은 Table 1과 같으 며 FEA 형상 및 해석 조건을 Fig. 7에 나타내었 다. 제안된 완강기는 창문과 내벽의 각도에 관계 없이 사용이 가능해야 하므로 두 가지 부착면을 각각 구속하여 해석을 진행하였다. 또한 하강 시 탑승자의 자중에 의한 정적·동적거동과 안전계수 를 고려하여 지지대와 조속기가 고정되는 부분에 최대 5,000N의 집중하중(concentrated force)을 부여 하였다[8]. 일반적으로 링크가 연결되는 조인트 부 분에 응력집중이 발생하므로 지지대 단면 치수와 함께 조인트가 위치하는 링크 중앙의 조인트 지름 을 점차 증가시키면서 안정성 해석을 수행하였다.

    모델링 편의성과 해석 모델 형상을 고려해 1차 요소인 C3D8(hexahedral: 124,834)을 사용하였으며 Fig. 8에 최종 원터치 완강기 링크기구의 해석 결 과를 나타내었다. 지지대 단면 높이가 5cm, 너비 가 1.5cm, 링크 중앙 조인트 부분의 지름이 8cm 일 때 가장 안전하였으며 두 가지 구속조건 모두 아이볼트와 직접적으로 결합되는 링크 구멍 안쪽 에서 약 81.6MPa의 최대응력이 발생하였다. 지지 대 내부에 발생하는 최대응력이 재료의 항복강도 인 275MPa보다 낮으며 약 3.4의 안전계수를 가지 므로 본 논문에서 제시된 지지대 형상은 정적 하 중에 대해서 안전하다고 판단된다.

    Fig. 9는 안정성 해석을 통해 수정된 완강기 링 크기구가 박스에 내설된 모습을 나타낸다. 슬라이 딩 지지대가 박스 최소 부피 조건을 만족하며 타 부품과 간섭 없이 펼쳐짐을 확인하였다.

    Fig. 10은 위에서 진행한 설계를 바탕으로 실제 제작한 완강기 모습이다. 지지대와 릴, 로프 등 완 강기 부품들이 모두 연결되어 박스 안에 내설되어 있으며 상자 밖으로 돌출되어 있는 손잡이를 아래 로 내리면 지지대를 구성하는 각 링크들의 기구학 적 상호작용에 의해 출력링크가 창밖으로 펼쳐지 며 조속기와 연결된 벨트를 매고 탈출이 가능함을 확인하였다.

    5. 결 론

    본 논문에서는 선행연구에서 제안된 원터치 완 강기의 문제점인 부피 증가와 부착 위치 제약을 해결하기 위해 새로운 원터치 완강기 구조를 제안 하였으며 제작을 통해 성능을 확인하였다. 지지대 와 완강기 구성품은 기존 일체형 구조와 같은 원 터치 방식을 유지하였으며, 손잡이를 내리는 한 번의 동작만으로 완강기 지지대가 창밖으로 펼쳐 지도록 운동성이 1이면서 슬라이드를 포함한 링크 6개와 조인트 7개로 합성된 이중 4절링크 구조를 설계하였다.

    슬라이드 링크의 형상 및 구동방식을 변경하여 3차원 움직임이 가능하게 하였으며 모든 벽면에 부착될 수 있도록 프레임링크를 ‘ㄴ’형상으로 설 계하였다. 또한 하강 시 안전한 탈출을 위해 지지 대에 발생하는 내부 응력이 재료의 항복강도를 넘 지 않도록 안정성 해석을 통해 지지대 단면형상을 선정하였다. 기존 원터치 완강기보다 제안된 슬라 이드 링크 구조를 이용한 완강기 부피가 약 30% 가량 감소되었으며 실제 제작을 통해 성능 작동 여부를 확인하였다.

    후 기

    “이 논문은 한성대학교 교내학술연구비 지원과제 임.”

    Figure

    KSMPE-20-9-42_F1.gif
    Double square linkage movement of current one-touch descending lifeline
    KSMPE-20-9-42_F2.gif
    Conceptual design for sliding-type one-touch descending lifeline
    KSMPE-20-9-42_F3.gif
    Driving mechanism of sliding typed double square linkage
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    Configuration of descending life line box for minimum volume
    KSMPE-20-9-42_F5.gif
    Design procedure of support
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    Configuration of sliding linkage support and its dimensions
    KSMPE-20-9-42_F7.gif
    FEA modeling and boundary conditions
    KSMPE-20-9-42_F8.gif
    Stress distribution of sliding linkage support in static analysis
    KSMPE-20-9-42_F9.gif
    The last shape of proposed descending life line box
    KSMPE-20-9-42_F10.gif
    Actual production for one-touch escape

    Table

    Material properties of SS275

    Reference

    1. Korea Ministry of Government Legislation, National Fire Safety Code(NFSC) 301, Article 4, Clause 1.
    2. Lee, W. and Lee, C. S., "A Survey Study on the Learner’s Recognition about the Descending Life Lines for the Fire Emergency Escaping Purpose", Fire Science and Engineering, Vol. 32, No. 2, pp. 73-81, 2018.
    3. Kim, B. S., "A Study on the Fire Safety Management measures from during a fire toxic gases generated (Focus to Co gas measures)", Korean Society for Safety Management Autumn Conference, 2011.
    4. Yun, S.-G., Park, J.-W., Jung, G.-H., Jung, M.-H. Kang, S. and Kim, S.-H., “Design of All-in-One Descending Lifeline with Reduced Usage Time”, Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 19, No. 5, pp. 21-26, 2020.
    5. Uicker, J. J., “THEORY OF MACHINES AND MECHANISMS”, ITC, pp. 12-63, 2010.
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    7. Childs, P., Mechanical Design Engineering Handbook, Elsevier, 2018.
    8. Park, J.-W., Yun, S.-G., Jung, G.-H., Jung, M.-H. and Kim, S.-H., “Robust Design of Descending Lifeline Using Double Square Linkage Mechanism”, Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 20, No. 6, pp. 108-113, 2021.