실례로 본 구조 시스템 2012. 05

목 차 전통 목 구조 라멘 구조 벽식 구조 트러스 구조 아치, 쉘 구조 절판 구조 막 구조 케이블 구조 초고층 구조

1. 전통 목 구조 1 . 개 요 서양의 목 구조는 트러스를 기본. 한국 전통 목 구조는 모든 부재들이 맞춤에 의해 결구. 1 . 개 요 서양의 목 구조는 트러스를 기본. 한국 전통 목 구조는 모든 부재들이 맞춤에 의해 결구. 결구법에 따라 구조물의 구조적 강성이 차이가 남 . 기둥과 보의 접합은 휨 모멘트를 전달하기 어려운 핀접합 구조. 전통 목 구조는 기둥과 보로 이루어지는 직교구조와 지붕의 사선구조체계, 그리고 사선구조와 직교구조체계의 결구 등의 3가지로 구분. 전통 목 구조는 가구식 구조 형식으로 기둥, 보, 지붕 및 공포로 구성.

전통 목 구조(계속) 2. 구조특성 2.1. 기둥 배흘림 기둥 : 서양 건축의 엔터시스 양식과 같은 것이며, 이의 목적은 두개의 나란한 수직선은 가운데가 들어가 보인다는 착시 현상을 교정하기 위해 역으로 배를 부르게 한 것. 민흘림 기둥 : 전체적으로 밑동을 더 크게 함으로써 역학적인 안정성과 시각적인 안정감을 줌. 직립(원형) 기둥 : 조선시대에 많이 사용되었으며 착시 현상의 교정이나 안정감이 없는 형태. 2.2. 공포 처마를 깊게 하고 벽과 지붕사이의 결구를 단단히 하려는 필요성으로 발생. 기둥 상부와 지붕틀 하부의 도리를 붙잡아 매는 구조체. 공포는 서까래의 내민길이를 줄여주는 역할을 할뿐만 아니라 기둥과 기둥의 지점을 짧게 하여 보에 작용하는 휨 모멘트도 줄여주는 역할.

전통 목 구조(계속) 구 분 내 용 비 고 공포에는 주심포 양식, 다포 양식, 익공 양식으로 구분. 주심포양식 : 기둥의 상부에만 공포를 갖는 구조(고려전기 이전) 다포양식 : 기둥의 상부뿐만 아니라 기둥과 기둥 사이에도 공포를 갖 는 구조 (고려중기 이후 중국에서 도입)   익공양식 : 주심포가 간략화된 양식(조선초기 국내에서 발생) 구 분 내 용 비 고 공 포 주심포 양식, 다포 양식, 익공 양식 지 붕 팔작(합각)지붕, 맞배지붕, 우진각 등 규모(칸) 3X3, 5X3, 3X4, 3X2, 5X2, 5X5 등 가 구 3량, 5량, 7량 등 내주형식 정치 고주, 정치 차두주, 이주 고주, 이주 차두주 등 기 타 중층구조

전통 목 구조(계속) 주심포 양식 봉정사 극락전 부석사 무량수전

전통 목 구조(계속) 다포 양식 범어사 대웅전 관룡사 대웅전

전통 목 구조(계속) 청평사 회전문 익공 양식 강릉 해운정

전통 목 구조(계속) 서울 숭례문 중층 구조 경복궁 근정전

2. 라멘 구조 1. 개요 초기 고층건물에서 널리 사용된 방식으로 요즈음도 시공의 편의성으로 인해 재래식 시공방법을 이용하여 널리 시공. 부재의 접합부 형식에 따라 부재 접합을 강접합으로 처리하여 보와 기둥으로 횡력을 부담할 수있도록 하는 강성 골조방식. 횡력을 부담하는 부재를 별도로 두고 기둥-보의 접합부를 힌지로 하는 힌지 골조방식. 2. 강성 골조 시스템 철골조나 현장타설 콘크리트조의 경우, 보와 기둥을 강접합으로 연결하는 방식으로 보와 기둥이 연직력과 횡력을 동시에 지지하도록 하는 방식. 횡력에 대한 효율 : 스팬과 부재의 춤에 따라 달라짐. - 스팬이 작고 춤이 클수록 횡력에 대한 효율은 증가. - 보 간격이 작고 보의 춤이 클수록 증가.

라멘 구조 (계속) 3. 힌지 골조 시스템 힌지 골조 시스템은 연직력을 지지하게 하고, 수평력에 대해서는 강성골조로 지지하게 하는 방식으로 힌지 골조, 강성골조, 가새, 벽체와 같은 수평하중 저항시스템을 혼합 사용하는 방식. 횡력을 지지하는 구조체와 혼합될 경우 가새된 골조 형태가 되어 횡력은 수평하중 저항시스템이 부담. 철근콘크리트조 보다 철골이나 목조의 경우에 종종 사용되는 방식. 강접합 -용접에 의한 일체형 접합 반강접합 -골조를 볼트나 리벳 의한 접합 초고층 빌딩에는 주로 반강접합 내부코아 또는 양측면에 트러스 설치->강성 증가

라멘 구조 (계속) 수평 및 수직 부재들이 서로 강접합 부재의 휨강성으로 수평하중에 저항 중력에 의한 연직하중의 증가 평면 격자 형태로 구성 부재의 휨강성으로 수평하중에 저항 중력에 의한 연직하중의 증가 횡변위 제어의 목적 부재의 크기는 강성에 의하여 결정 횡력 저항을 위한 골조구조의 강재량 감소

라멘 구조 (계속) 모멘트 저항 골조 시스템의 높이 접합부의 강도 및 연성 높은 차수의 부정정 구조물 최대 20 – 30층 규모의 건물구조에 적합 접합부의 강도 및 연성 횡변위 제어를 위한 중요한 고려사항 높은 차수의 부정정 구조물 한 개 또는 그 이상의 부재 파괴시에도 붕괴되지 않음

3. 벽식 구조 1 . 내력벽 구조란 ? 종래의 조적벽 구조와 직접적으로 연관이 있는 구조형식으로 우리나라 주거용 건물의 구조형식에 가장 널리 사용되는 구조형식. 철근콘크리트 구조에 이용되고 있으며 벽체의 위치, 방향에 따라 내린벽구조, 장벽구조, 2방향구조 방사형구조 등으로 분류. 주로 10 ~ 20층 정도의 높이에 건물에 구조의 경제성을 가짐. 2. 내력벽 사용 장소 공간이 일정한 면적으로 분할되는 형태의 건축물에 사용되는 구조형식으로 간격을 3.6m ~ 5.4m 정도로 하여 축력과 횡력을 동시에 지지하는 방식.

벽식 구조 (계속) 3. 내력벽의 하중에 의한 거동에 영향을 주는 요소 4. 벽체의 압축응력에 영향을 주는 요소 구조재료  3. 내력벽의 하중에 의한 거동에 영향을 주는 요소 구조재료 벽체사이의 상호작용 벽체의 위치 벽체와 벽체, 벽체와 바닥사이의 연속 정도 4. 벽체의 압축응력에 영향을 주는 요소 벽체의 간격 건물의 높이 및 사용형태 벽체의 개구부 위치 및 배치

벽식 구조 (계속) 5. 내력벽의 주의점 충분한 강성을 갖지 못할 경우 벽체에 전달되는 횡력이 달라지게 되므로 이를 주의해야 함. 초고층 내력벽 구조에서는 벽체가 주로 압축력을 받게 되나, 횡력이나 기타 2차 효과에 의해 휨 인장을 받을 경우 기초설계에 유의. 분당 PARK VIEW ㆍ설계자 : 명인설계 ㆍ규 모 : 지하 2, 지상 34층 ㆍ용 도 : 주거용 ㆍ구조형식 : 내력벽 방식 ㆍ콘크리트 강도 : 35MPa ㆍ층고 : 2,900mm ㆍcore 벽두께 : 400mm

4. 트러스 구조 1.트러스 구조란 ? - 인장재와 압축재의 비교적 가늘고 긴 부재를 하나 또는 그 이상의 삼각형 형태가 되도록 배열한 구조. - 삼각형은 다른 형태의 구조물과는 달리 각 부재가 굽어지거나 부서지지 않는 한 가장 안정한 형태. 2. 특징 - 이탈리아 건축가 Andrea palladio가 16세기 경 처음으로 개발 - 외적인 응력 방향에 대한 부재의 위치가 부재력의 크기 결정. (힘의 방향에 대한 부재가 이루는 각도는 45도에서 60도가 적당) - 높이 감소 -> 외력 방향 성분 감소 -> 부재 응력 증가 -> 비효율적

트러스 구조 (계속) 3. 종 류 (a) warren, pratt truss : 평탄한 지붕, 스팬 12m∼38m에 주로 쓰임. 기울기는 6.25∼10.5 cm/m 이고 비교적 경제적. (b) 경사 pratt, howe truss : 중간정도의 경사 트러스로 스팬 27m∼30m (c) fink truss : 경사가 심한 지붕 , 스팬 36m 이상의 장지간에 주로 쓰임 d) 궁현 truss : 아치형 지붕, 스팬 36m 의 창고, 시장, 차고, 작은 농장등 복부 부재들이 받는 힘이 아주 작음. (e) 삼힌지 아치 truss : 스팬 30m 일 때 가장 경제적. 지붕과 기둥의 역할을 동시에 하는 형태로 트러스 내의 공간을 크게 사용할 수 있음. (f) 가위형 truss : 지붕의 기울기가 크고 지간이 짧은 교회나 특수형 건물 톱니형 truss : 외부 광선을 잘 받고 환기를 용이하게 하는 공장 등 사변형 truss : 스팬 30m 이상의 장지간에 주로 쓰임.

트러스 구조 (계속)

Francis Scott Key Bridge 트러스 구조 (계속) 방화대교 Francis Scott Key Bridge

트러스 구조 (계속) OITA 경기장 에펠탑

5. 아치, 쉘 구조 1. 아치 구조란 ? - 아치 구조는 쉘 구조와 함께 건축의 구조형식 중 가장 합리적인 형식으로 형태저항구조. 형태저항 구조란? 구조에 맞게 형태가 따라가는 것을 말함. 지탱해야 할 하중에 따라, 재료의 형태로 강도가 얻어지는 구조. 최소의 재료로 최대의 힘을 받기 때문에 가장 효율적인 구조. 면의 직각방향에서 작용하는 하중을 면내방향으로 전환하여 전달하는 구조형식으로 얇은 부재 단면으로 큰 하중에 저항. 2. 쉘 구조란? 두께가 곡률 반지름, 너비, 길이 등의 다른 치수에 비하여 매우 얇은 곡면으로 된 판.

아치, 쉘 구조(계속)

아치, 쉘 구조(계속) 사그라다․ 패밀리어 부속 초등학교 성Engel 벨트 교회 다레스 국제 공항

6. 절판 구조 1. 절판 구조란? - 수평형태의 슬래브와 수직형태의 슬래브를 합친 건축구조. - 수평형태의 슬래브와 수직형태의 슬래브를 합친 건축구조. - 판을 주름지게 하여 하중에 대한 저항을 증가시키는 건축구조. 종이를 주름지게 접으면 견고해지듯이 나무나 강철·알루미늄·철근콘크리트 등을 여러 번 접는 형태. 골과 골 사이에 절판이 몇 개인가에 따라 1절판·2절판·3절판·다절판 등으로 나눔. 평행한 주름 외에도 부채꼴 주름, 중간에 다른 주름과 교차시켜 가구에 꺾임매를 만들기도 하며, 꺾임매는 부재의 각도를 바꿀 수 있으며, 휨강성이 있는 모서리를 형성할 수 있슴. 수직과 수평하중에 저항하는 수직의 벽, 절판지붕과 절판벽의 결합은 지붕에 많이 사용되는데, 내부공간을 넓게 하는 데에도 유용.

절판 구조(계속)

절판 구조(계속) 사관학교(미국)

7. 막 구조 1. 막 구조란 ? 코팅된 직물을 주재료로 사용하는 구조. 구조체로써 연성의 막(membrane)을 사용하여 이것에 초기장력을 주고 외관의 강성을 늘림으로서 외부하중에 대하여 안정된 형태를 유지하는 구조물. 막 구조는 횡력에 의해서 발생되는 불안정성에 대하여 구조체의 자중으로 저항하는 일반적인 강체구조와는 달리 매우 가벼운 구조. 얇은 인장면은 골조나 아치와 같은 강철부재나 공기압에 의해서 지지. 인장구조는 자중이 없고 공중에 떠있기 때문에 이들의 안정성은 복잡하게 얽힌 곡선의 3차원 기하학과 밀접한 관계. 막의 하중전달 메커니즘 특성을 이용, 다양한 형태의 공간창출이 가능한 특유의 조형적 특성과 대공간 형성 및 재료사용의 경제성. 현대 산업사회가 요구하는 기본적인 목적에 크게 부응하는 제 3의 건축구조로 인정 받고 있음.

막 구조(계속) 2. 막 구조의 특징 비용이 저렴 공장제작이 가능 수송의 편리성 공기의 단축 안정성의 확보 건물의 붕괴 시에도 위험하지가 않음.

막 구조(계속) 상암동 월드컵 공원 인천 문학 경기장 반포 SK 주유소

8. 케이블 구조 1. 케이블 구조란 ? 인장재 Cable에 의한 하중지지 현수 케이블, 포물선 1. 케이블 구조란 ? 인장재 Cable에 의한 하중지지 현수 케이블, 포물선 - 장대교량: 현수교 (suspension bridge) 사장교 (cable staye bridge) 대공간 지붕구조 – 스타디움 현수교 : 다중 케이블 시스템의 배열은 모든 케이블이 타워의 꼭대기에 연결되는 팬 모양. 사장교 : 경사재가 평행하게 배치도는 하아프 모양으로 구성.

케이블 구조(계속) 2. 케이블 구조의 특성 경량 재료, 운반 용이 고강도(자중 가벼움), 고성능 구조재료개발 프리 스트레싱 기법 발전 형상의 자유도 높음 부재길이 제한 없음 가설공법 획기적 발전 내하력이 뛰어나고, 구조형식이 단순, 시공성 우수 현대 장대/대공간 구조 형식으로 각광

< 응력의 분포를 통해서 본 아치 시스템의 원리 > 케이블 구조(계속) 아치 시스템 상부에서 오는 수직압력이 아치의 축선에 따라 좌우로 나누어져 밑으로 직압력만으로 전달하게 한 것이고, 부재의 하부에 인장력이 생기지 않게 구조화한 것. < 응력의 분포를 통해서 본 아치 시스템의 원리 >

케이블 구조(계속) Normandy Bridge Golden gate Bridge 광안대교 서해대교

9. 초고층 구조 1. 초고층 구조란 ? 건물의 높이와 단변 길이의 비를 세장비라고 하는데, 일반적으로 이러한 세장비가 5 이상인 건물을 고층건물. 세장비만을 가지고 초고층건물을 정의하기에는 무리가 뒤따르므로 CTBUH(국제 고층건물학회, Council of Tall Building and Urban Habitat)에서 일정한 간격으로 발표하고 있는 세계 100대 빌딩(약 50층 정도에 해당)이라고 할 수도 있음. 구조엔지니어인 Mark Fintel은 구조적인 의미에서 초고층 건물을 "횡하중에 저항하기 위해 특별한 구조형식을 도입할 필요가 있는 건물" 이라고 정의.

초고층 구조(계속) 2. 구조 시스템 초고층 건물건설의 경제성에 가장 큰 영향을 미치는 요소는 층수에 따른 적절한 구조시스템의 결정이라고 할 수 있으며, 아래 그림은 각 구조시스템별로 적절한 층수와 실제 지어진 건물의 층수, 단위 면적당 구조물량을 나타낸 것.

초고층 구조(계속) 2-1. 골조 구조 시스템 접합부의 상태에 따라 강접합과 반강접합으로 나누어짐. 반강접합 골조에서 건물의 바닥과 골조는 리벳이나 볼트로 접합. 반강접합 조인트는 건물을 유연하게 하며, 이는 높이가 증가함에 따라 문제가 될 것이고 추가적인 바람은 건물을 비틀리게 함. 일반적으로 반강접은 저층 건물에서 선호되었으나, 고층 건물에서 강절과 함께 사용하였을 때, 사용성(Serviceability)과 안정성(Stability) 조건을 만족하는 한도 내에서는 전체 강절의 수가 줄어들어 경제적인 시공이 됨.

초고층 구조(계속) 2-2. 골조 & 가새 구조 시스템 외부 골조만으로는 과대한 변위를 유발하는 바람의 하중에 저항하기는 충분하지 않으므로, 강성을 증가시키기 위해서는 수직 전단 트러스가 건물의 외부 양면과 코어에 설치되어야 함. 트러스는 경량이지만 보강된 가새와 함께 강한 보강 프레임 역할을 함. CITICORP CENTER

초고층 구조(계속) 2-3. 골조 & 전단벽 구조 시스템 콘크리트 전단코어의 발전된 형태인 이 구조는 바람에 대한 저항력을 극대화하기 위하여 코어와 외부골조 그리고 바닥이 일체로 거동하도록 설계. 이는 추가적인 건설비용 없이 건물의 높이를 10층 더 올릴 수 있음. Natwest Bank Tower (London, 1980)

초고층 구조(계속) 2-4. 골조 & 아웃리거 구조 시스템 2-4. 골조 & 아웃리거  구조 시스템 골조 & 아웃리거는, 골조&가새, 골조&전단벽 구조에서 횡하중을 부담하는 코어(골조&가새의 경우는 Braced core, 골조&전단벽의 경우에는 전단벽)에 Outrigger와 Belt Truss를 설치하여 외곽기둥과 연결시킨 구조.

초고층 구조(계속) 2-5. 튜브  구조 시스템 고층 건물에 있어 골조 시스템의 문제점으로는 거대한 크기와 구조 재료 비용이 드는 비경제성이며, 건물내부에 배열된 콘크리트 전단벽 시스템에서도 강성과 전도에 대한 저항성능에서 가끔 충분하지 못한 단면크기를 갖게 됨. 이런 것이 고층 건물의 수평하중 저항에 대한 더 높은 효율을 갖는 전체 건물관성을 사용한 3차원 구조 시스템의 개념을 나타나게 함. 기본 개념은 건물의 외부 벽체에 개구부를 둠으로써, 횡하중에 대하여 튜브와 같은 거동을 하도록 하여 휨 강성을 최대화하여 건물의 높이를 최대화 할 수 있도록 하는 방식. 즉, 횡력에 대하여 건물 전체가 캔틸레버 보와 같은 거동을 하도록 하는 것.

초고층 구조(계속) 튜브 구조의 특징 - 수평하중 저항시스템이 건물 외주부에 위치하므로 건물의 전체 폭이 모멘트에 저항. - 수평하중 저항시스템이 건물 외주부에 위치하므로 건물의 전체 폭이 모멘트에 저항. - 수평하중 저항시스템이 건물 외주부에 위치하므로 내부구조체는 연직 하중만 지지하면 되므로 설계가 단순. 결과적으로 기둥이나 보의 자유로운 배치. - 튜브구조는 튜브를 이루는 구조체를 전층 동일하게 함으로써 시공성이 뛰어남. 튜브구조의 구성 이상적 응력발생

World trade center(높이 417m) 초고층 구조(계속) 1) 골조 튜브 형식 튜브형식중 가장 먼저 사용된 구조방식으로 외부에 기둥을 2m∼3.0m 로 촘촘히 배치하고 기둥과 기둥 사이를 60cm∼150cm 의 큰 보를 강접합으로 연결하는 형태로 외부 기둥이 구조물의 횡하중과 연직하중을 동시에 지지하도록 함. 골조튜브구조는 횡력 방향에 평행한 기둥이 웨브 역할을 하고 수직인 방향의 기둥이 플랜지 역할을 하여 횡력에 반응. World trade center(높이 417m)

Bank OF China Tower (홍콩) 초고층 구조(계속) 2) 트러스 튜브 형식 이 시스템은 건물 외부의 각면에 최소한의 가세를 설치하고, 모서리 기둥의 동일한 지점에서 가세가 교차하며, 각 면에 있는 모서리 기둥들 사이에서 X자형 을 형성. - 골조 튜브 시스템에 비하여 상대적으로 넓게 트인 공간을 사용. - 철골 건물의 특성인 창문을 위한 넓게 트인 공간을 사용. - 철골구조의 경우 100층 정도가 경제적인 것으로 나타남. John Hancock Center Bank OF China Tower (홍콩)

초고층 구조(계속) 3) 묶음 튜브(Bundled Tube) 묶음 튜브의 개념은 외부골조 튜브 형태로만 했을때 가능한 것 보다 튜브 벽에서 더 넓은 기둥 간격을 사용할 수 있음. 가장 효율적인 형태는 정방형이며, 삼각형 튜브는 효율이 가장 낮다. - 폐쇄된 형태의 모양은 묶음 형태를 만드는 데 사용될 수 있음. - 셀을 수직적으로 모듈화 하는 능력은 다양한 동적 형태에 대한 강력한 표현 수단을 만들어 낼 수 있음. Sears Tower