경동대학교 건축토목공학부 교수 정환목(hmjung@k1.ac.kr) 디자인기초 12주차 경동대학교 건축토목공학부 교수 정환목(hmjung@k1.ac.kr)

건축구조로 공상의 날개 펴기(대공간구조편) 12주차 주제 : 건축구조로 공상의 날개 펴기(대공간구조편) 12.1 정의 12.2 쉘(사전:셸)구조 12.3 스페이스 프레임 구조 12.4 막 구조 12.5 케이블 구조 12.6 대공간 구조 전망 12.7 대공간 건축물 시공 사진 소개 퀴즈-세계에서 기둥 간격이 가장 넓은 대공간 구조물?

■ 12.1 대공간 구조의 정의 대공간 구조란 말 그대로 넓고 큰 공간을 확보하는 구조를 말하며, 그 넓은 공간 속에 벽이나 기둥을 사용하지 않는 것이 특징이다. 대공간을 덮는 지붕구조 시스템의 기본적인 구조저항 메카니즘은 지붕구조 자체의 곡률을 이용하여 면외방향으로 작용하는 하중에 대해 구성부재의 면내력으로 이 하중에 저항시키는 형태저항구조시스템이다.

■ 대공간 구조 분류

■ 대공간 구조 발전 단계(외국-일본) 1단계 : 1970년 이전 조적식 돔 건립 3단계 : 1990-1994년 대규모 고정 및 개폐식 지붕의 구조적 해결과 실내환경의 개선이라고 하는 하드와 소프트(soft)병용 지향적인 케이블 돔, 개폐식 돔 등이 건립되어 기상변화에 능동적으로 대처할 수 있는 전천후 공간의 확보와 개폐구조 그 자체가 이벤트가 되는 시기 - 1993년 철골조 개폐식 돔인 후쿠호카 돔 2단계 : 1972-1989년경 투광성이 있는 개방적 공간에 대한 요구에 부응하여 참신한 조형미와 경쾌감을 주는 하드(hard) 지향형의 공기막 구조(pneumatic structure), 고정식 돔 등이 건립 – 동경돔 4단계 : 1990-1994년 다목적 다기능의 공간가변 구조시스템과 양호한 휴먼환경의 창조가 주테마인 소프트지향의 시기이며, 공간을 자유로이 확장, 분할하고 다목적용도 예를 들면 멀티미디어의 중추기지로써의 기능을 수행할 수 있는 공간창출-1997년 완공된 나고야돔과 오사카 돔

■ 대공간 구조 발전 단계(국내) 1단계 : 1980년 이전 원시적인 소규모 공간구조 건립 3단계 : 1986-1995년 ’88올림픽과 대전엑스포 ’93을 계기로 비약적인 발전, 설계, 구조해석 및 시공기술 자체개발시기) 2단계 : 1980-1985년경 스페이스프레임 자재가 국산화되면서 현대적 개념의 대공간 구조물의 설계를 위한 이론, 구조해석기법 빛 시공기술이 발전 4단계 : 1995년 이후 아시안게임, 월드컵경기 등이 유치되고, 영종도신공항, 고속전철역사 등 대규모 SOC사업에 적용-대공간구조의 비약적 발전단계(자체기술력개발보유

■12.2 쉘구조 정의 쉘은 한 방향이나 두 방향으로 초기 곡률을 가진 면형의 3차원 구조물로서 막작용과 휨작용에 의하여 외력을 지지하는 하중저항 구조체이다.

■ 형태에 따른 쉘의 분류 ■ 가우스 정곡율쉘 - 구형돔형쉘(Spherical Domes) 타원포물쉘(Elliptic Paraboloids) ■ 가우스 0곡율쉘 -원통쉘(Cylinders), 원추형쉘(Corns), 반원통형쉘(Barrel Shells) ■ 가우스 부곡율쉘 - 쌍곡포물쉘(HP쉘, Hyperbolic Paraboloids) ■ 가우스 정.부곡율쉘 - 절판쉘

■ 쉘 해석방법 계산기가 발달하지 않았던 시기에는 고전적 이론에 근거한 연속체쉘이론을 정립하여 해석을 했으며, 오늘날에는 유한요소법 등에 의해 계산기를 사용하여 주로 해석한다. 오늘날에도 구조설계의 초기단계에서는 연속체쉘이론에 근거한 거시적 관점에서 형상 및 규모를 가정하는 구조계획이 필요하며, 형태의 다양성에 따른 해석상의 매개변수가 많은 실시설계에서는 보다 정확한 구조설계가 요구되어지므로 유한요소법 등을 이용한 계산기에 의한 미시적관점에서의 정밀 수치해석이 필요하다. ■ 구형쉘좌굴하중식 Qcr=[2E/3(1-v2)}1/2](t/R)2 (E:사용재료의 영계수. v=프와송비, t=쉘두께, R=구형쉘의 곡율반경)

■12.3 스페이스 프레임 구조 정의 종횡의 부재가 상호 연결되어 완전하게 독립적인 구조요소를 형성하며, 힘이 입체적으로 전달되도록 구성된 구조시스템이다. 국내 건설 현황을 보면, 2000년도에 들어와서는 년간 크고 작은 약 300-400여개의 프로젝트가 수행되고 있는 추세이다. 현재는 스포츠시설, 공장시설, 문화센터, 모델하우스, 대형건물의 주출입구 등의 용도로 중소규모 공간 구조물로서 건설되고 있으나 점점 대공간 구조물로서의 필요성이 증대되고 있는 추세이다.

■ 스페이스 프레임 격자형태 자연물 스페이스 프레임 뼈대 <스페이스 프레임 격자형태>

■ 스페이스 프레임의 구조 원리 플랜 프레임 원리 스페이스 프레임 원리

■ 스페이스 프레임 구조 장점 1. 경량구조 2. 공장제작 현장조립 3. 건식공법 4. 골조가 미적이므로 천정노출 가능 5. 접합부 조립 간단

■ 접합시스템(메로시스템) Mero System의 구성

■ 설치방법 1) 엘리먼트방식 2) 블록방식 3) 리프트업방식 4) 슬라이딩방식

블록 방식 <블록 방식>

리프트업방식

■ 국내 건설현황 소개

■12.4 막구조 ■ 특징 1) 의장성 풍부 2) 투광성 풍부 3) 연출성 풍부 4) 시공성 풍부 5) 비용 저렴 6) 형태의 자유도

■ 막구조물의 분류 1) 골조막구조 2) 현수막구조 3) 공기막구조

■ 골조막구조(Framed Membrane Structure) 철골 등 강성골조에 의하여，산형，아치 형태，입체 프레임 등의 골조를 형성하고，지붕재 및 벽재로서 막 재료를 이용한 구조이므로, 이것은 인장구조의 하중계산 메카니즘에 어울리지 않는 모델이고, 건축적인 측면에서나 역학적인 측면에서 골조구조의 특성에 가깝다고 볼 수 있다. 지붕형태에 따라 입체트러스와 평면트러스 형식으로 나눌 수 있다.

■ 현수막구조(Suspended Membrane Structure) 말 그대로 메어 단 막구조란 뜻으로, 가우스 플러스곡률, 마이너스 곡률을 복합적으로 사용하여 지지방법이나 환경형태에 따라 다양한 형상의 구조물을 구축할 수 있는 구조방식이다. 일반적으로 프레임에 케이블을 연결하여 막으로 보강한 현수막구조는 복합구조시스템에 속하기는 하지만 매우 중요한 막구조의 하나이다. 지지방식에 따라 아치식과 지주식이 있다

■ 공기막구조 공기지지방식(Air-Supported)과 공기팽창방식(Air-Inflated)으로 크게 나눌 수 있다. 현재 세계 각국의 대규모 공간구조에서는 주로 공기지지방식이 채택되고 있고 그 적용분야가 날로 확장, 증가추세에 있다. 반면에 공기팽창방식은 밀폐된 이중막 사이에 공기압을 불어 넣어 외력에 저항하는 구조시스템이다. 즉, 외기압보다 조금 높은 기압(1/1000-10/1000 기압정도)을 막내에 투입시켜 막을 자립시켜 외압에 견디도록 한 구조시스템이다. 구조지지방법에 따라 외겹막구조, 이중막구조, 튜브막구조 등으로 나눌 수 있다.

■ 막재료의 종류와 성능 ■ PVC 염화비닐과 폴리에스텔의 합성재이며, 장기적 용도의 건물보다는 단기설치건물에 유리하며, 접합성, 내굴곡성이 우수하다. 내구 년한은 보통 5-15년이다. ■ MB 염화비닐과 유리섬유의 합성재이며, 코팅재는 합성 수지나 고무가 사용 되고 있다．이 막 재료 MB코팅은 방염성에 관하여 PTFE 종과 다르기 때문에 등급의 차이가 주어지고 있다．이 막재는 내구성, 내염성이 우수하나 자정력이 결핍한 단점이 있다. 내구년한은 보통 10-20년 정도이다. ■ PTFE(테프론) 막재료 내구 년수가 20-30년 이상인 막재로서. 기포인 유리 섬유는 불연성의 역학 특성을 갖고，코팅재인　４불화 에틸렌은 방화성，내후성，방오성，방수성 등의 특징을 가지고 있다. 주간에는 약한 조명이나 혹은 조명 없이도 충분한 조도를 얻을 수 있다．

■ 막구조물의 시공순서 1) 컴퓨터에 의한 설계 설계로부터 구조 해석, 적산, 제조까지의 전 공정을 컴퓨터의 오리지널 종합 소프트웨어 CADDEM으로 토탈 관리하고，고품질의 제품을 효율적으로 생산한다. ２) 공장에서 가공 제작 돔에 사용될 지붕막 재료 PTFE 막재를 공장에서 가공 제작한다. ３) 막재의 레이저 재단 컴퓨터가 작성한 막재의 재단 데이터를 기초로，막재를 레이저 재단한다. ４) 트레일러에 의한 막재의 반입 가공된 롤 모양의 막재는 블루 시트로 포장하여 건설 현장에 트레일러로 반입 ５) 가설 발판의 설치 트래스 각도가 어떻게 변화하더라도 작업공간이 수평에 가까워지도록 가변식 발판을 설치한다. ６) 케이블 배치 지붕 트래스 위에 스프레더로 외막-내막 케이블을 가 배치한다. ７) 스프레더에 의한 막재의 펼침 크레인으로 도착한 막재 부분을 스프레더를 이용하여 펼쳐준다. ８) 이동식스프레더에 의한 막재의 펼침 중앙 부분의 막재는 막 정착 철물（MS 철물）위를 주행하는 이동식 스프레더를 이용하여 막재를 펴준다. ９) 외막을 고정 외막전장, 막재를 가 고정한후，장력장치를 사용하여 장력을 가하고 프레임에 외막을 고정한다. 10) 외막 내막에 케이블 매달기 외막의 V자 곡부에 U자 철물로 케이블을 설치하고，장력을 도입한 후，내막에도 케이블을 설치한다. 11) 플랩 막의 용착 외막 분할부에 빗물이 들어가는 것을 막기위해，막 용착기로 플랩 막의 용착을 행한다. 12) 막구조물 완성

■ 막구조 적용범위 1) 스포츠시설 스타디움 , 실내체육관 , 수영장 , 테니스코드 , 운동장 케노피 등 <완주 공설운동장 본부석> 1) 스포츠시설 스타디움 , 실내체육관 , 수영장 , 테니스코드 , 운동장 케노피 등 <고양시 운동장>

■ 막구조 적용범위 2) 산업시설 공장 , 연구소 , 수처리 시설 , 창고 , 울류센타 , 농업용 그린하우스 등 <SK반포주유소>

■ 막구조 적용범위 3) 상업시설 백화점 , 쇼핑센터 , 레스토랑 등 <서울대공원 사자우리 커피숍(1999)>

■ 막구조 적용범위 4) 문화시설 전시장 , 극장 ,회의장 , 식물원 , 야외음악당 , 상징물 등 <사천시 열린문화관>

<고속철도 TGV 중부 전시장> ■ 막구조 적용범위 <고속철도 TGV 중부 전시장> 5) 교통시설 버스 터미널 , 공항 , 기차역 플랫폼 지붕 등

■12.5 케이블 구조 ■ 구조원리: 케이블은 인장내력만으로 외력에 저항 <케이블 구조 이미지 그림>

■ 현수구조의 주부재인 케이블의 스퀴징 과정 (1) Air Spinning Wire Strand = wire합성 + (1) Air Spinning Wire Strand = wire합성 able 완성 =strand합성 (2) Squeezing 전후 단면 + Squeezing 전 Squeezing 후

■ 국외현황 <재건설중인 플라이 오토 전시장>

■ 국내현황

■12.6 대공간 구조의 전망 88년 올림픽과 93년 엑스포를 통하여 대공간 구조 시스템이 일반인들에게 널리 알려지게 되었으며, 초창기는 대부분 외국기술에 의존해 오던 것을 현재는 산학협동연구등을 통해 국내기술로도 실용적이고 합리적인 구조믈을 건설할 수 있는 많은 노하우를 축적하고 있다. 그러나 대공간구조물만을 전문으로 설계, 시공하는 국내 건설사는 아직 수 개에 지나지 않으며, 그 규모면에서도 일반건설사에 비해 작은 것이 현실이다. 그러나 분명한 것은 외국의 경우를 보더라도 산업의 발전과 함께 초고층구조, 대공간구조의 수요는 급격히 증가했으며, 그 결과 많은 초고층, 대공간 구조물이 건설되었다.

■12.6 대공간 구조의 전망 대공간 구조의 경우 그 수요처는 무궁무진하다. 스타디움, 실내체육관, 수영장, 테니스코드, 운동장 케노피 등 스포츠시설, 공장, 연구소, 수처리 시설, 창고, 울류센타, 농업용 그린하우스 등의 산업시설, 백화점, 쇼핑센터, 레스토랑 등의 상업시설, 전시장, 극장, 회의장, 식물원, 야외음악당, 상징물 등의 문화시설, 버스 터미널, 공항, 기차역 플랫폼 지붕 등의 교통시설을 비롯하여 앞으로는 우주, 항공, 해양분야에서 이 구조물의 수요는 기하급수적으로 증가할 것이다. 우리나라의 경우, 일반구조물에 대한 많은 기술과 시공실적을 가지고 있다. 특히 초고층의 경우는 수년전부터 범국가적 차원에서 프로젝트를 지원하고 있고 지금도 이 구조물에 대한 연구는 매우 활발하게 추진하고 있다. 이제 대공간 구조 분야 연구자, 기술자, 건설사를 포함한 산학관은 곧 다가올 미래의 엄청난 수요에 미리 대처하여 이 분야 기술 습득을 지금부터 준비해야 할 것이다. 그래야만 ‘93 대전엑스포, 2002 월드컵때 이 분야 핵심기술을 포함한 특수자재 등은 거의 외국선진기술국에 의존한 어리석음을 재현하지 않을 것이다.

12.7 대공간 건축물 시공 사진 소개

나미하야 돔 (오사카부립 카도마 스포츠센터) 나미하야 돔 (오사카부립 카도마 스포츠센터)

코마츠 돔

교세라 돔 오사카(개칭) (前 오사카 돔)

욧카이치 돔

오다테 쥬카이 돔

파크 돔 쿠마모토

키타큐슈 미디어 돔

세이부 돔

야마구치현 키라라 스포츠교류공원 다목적 돔

효고현립 타지마돔

나고야 돔

후쿠오카 야후 재팬 돔

삿포로 돔(애칭:히로바)

오이타 스포츠공원 종합경기장 빅아이

선 돔 후쿠이 (후쿠이현 생산진흥시설)

이즈모 모쿠모쿠 돔

고베 윙 스타디움

나가노 올림픽 기념 아레나 (나가노 M-Wave)

토쿄 돔(BIG EGG)

히로시마현 하쿠류 돔

아키타 스카이 돔 (아키타현영 지붕달린 그라운드)

쿠마가야 돔