건축구조 레포트 - 하중이 크거나 스팬(Span)이 큰 구조물에 필요한 특별한 구조방식과 특수 제작 구조체에 대해

I. 서론

체육관에 들어갔을 때 천장을 먼저 올려다본 적이 있다. 농구 코트 위에 기둥이 하나도 없는데 지붕은 넓은 면적을 덮고 있었다. 보통 교실처럼 기둥과 보를 촘촘히 세우는 방식으로 같은 공간을 만들었다면 경기장 한가운데 기둥이 생겨 사용이 어려웠을 것이다. 큰 스팬 구조에서는 "얼마나 강한 재료를 쓰는가"만큼 "힘이 어떤 길로 흘러가게 만드는가"가 중요하다. 부재를 깊게 만들거나 재료 양을 늘리는 방법에는 무게와 시공 한계가 있으므로 트러스, 아치, 공간구조, 케이블과 막처럼 형태 자체로 하중을 전달하는 구조방식이 필요하다. 큰 하중을 받는 부재도 압연 형강 하나로 해결하지 못하면 판재와 형강을 조합한 제작 부재를 사용한다.

II. 본론

1) 큰 스팬에서 힘의 길을 바꾸는 구조 원리

스팬은 지지점과 지지점 사이의 거리다. 보가 같은 하중을 받더라도 스팬이 길어지면 휨모멘트와 처짐이 빠르게 커진다. 짧은 보에서는 충분했던 단면이 긴 보에서는 강도나 사용성 조건을 만족하지 못할 수 있다. 부재를 무작정 두껍게 만들면 자중이 늘고, 늘어난 자중이 다시 더 큰 하중으로 작용한다. 장스팬 설계가 재료의 양보다 구조 형식의 선택을 중요하게 보는 이유다.

일반적인 보와 기둥 골조는 외력을 주로 휨과 전단으로 전달한다. 휨을 받는 부재에서는 단면의 일부가 인장, 다른 부분이 압축을 받으므로 재료가 모든 위치에서 같은 정도로 일하지 않는다. 장스팬 구조는 가능한 한 휨을 줄이고 축력이나 막응력처럼 재료를 더 넓게 활용하는 힘의 흐름을 만든다. 한국공간구조학회 자료에서도 대공간 구조의 기본 생각을 힘의 흐름을 자연스럽게 하고 휨 영향을 줄여 축력과 면내력 중심으로 외력에 저항하는 형태저항형 구조로 설명한다.

형태저항형 구조의 대표적인 예가 아치다. 곡선 형상이 하중을 지점 쪽으로 압축력 중심으로 전달한다. 현수 케이블은 반대로 인장력 중심으로 하중을 전달한다. 쉘은 얇은 곡면 전체가 힘을 나눠 받으며, 공간트러스는 삼각형 부재가 3차원으로 결합해 여러 방향으로 하중을 분산한다. 같은 재료라도 직선 보 하나로 쓸 때와 구조 형상에 맞춰 배열할 때 가능한 스팬이 달라진다.

큰 하중을 받는 구조에서도 같은 원리가 적용된다. 산업시설이나 대형 지붕처럼 집중하중이 크면 단면 강도뿐 아니라 좌굴, 접합부, 지점 반력, 하중의 전달 경로를 같이 확인해야 한다. 압축부재는 재료 강도가 충분해도 길고 가늘면 좌굴로 먼저 불안정해질 수 있다. 얇은 판을 쓰는 대형 보에서는 웨브가 국부좌굴할 수 있어 보강재가 필요하다. 장스팬 구조는 부재 하나의 강도 검토만으로 끝나지 않고 전체 형상이 안정된 상태를 유지하는지 살펴야 한다.

처짐과 진동은 강도와 별개의 중요한 조건이다. 부재가 파괴되지 않더라도 지붕이 지나치게 처지면 마감재가 손상되거나 배수가 나빠질 수 있다. 관람석이나 보행교처럼 사람이 활동하는 곳에서는 진동이 불쾌감을 줄 수 있다. 장스팬 지붕은 바람에 따른 들림과 진동, 적설의 불균형, 온도 변화로 생기는 변형도 크게 받을 수 있다. 케이블과 막구조는 가볍다는 장점이 있지만 강성이 작아 큰 변형을 전제로 비선형 거동을 검토해야 한다.