건축시공기술사 전주월드컵경기장

[갑성스]

건축시공기술사 전주월드컵경기장...

전주월드컵 경기장 구조에 대한 자료입니다.

건축시공기술사 수험생분들 참고하시기 바랍니다.

그림1 전주 월드컵 경기장


(주)CㆍS구조엔지니어링 대표이사 건축구조기술사

1. 머리말
2002년 월드컵은 한국과 일본 두 나라에 많은 대형 경기장 건립의 기회를 가져다주었다.
각각의 경기장은 독특한 형태로 설계되었고, FIFA 규정에 의하여 일정 비율 이상의 지붕을 가지는 구조물이 될 수밖에 없기 때문에 경기장의 설계는 지붕 구조 시스템의 결정에서부터 해석, 설계에 이르기까지 복잡한 과정을 거치게 된다.
전주 경기장(그림 1)의 구조 시스템 역시 독특한 의미를 가지고 있는데, 고장의 안녕과 풍년을 기원하는 솟대(마스트), 전주의 가야금 12현(인장케이블), 합죽선(지붕의 호 및 형태)이 그것이다.
이러한 설계개념을 바탕으로 하여 이를 구조적으로도 합리적이면서 시공성이 좋고, 유지보수가 가능한 지붕으로 만들기 위하여 여러 가지 상세한 해석, 설계를 수행하였다.

2. 구조계획

2.1. 구조 개요
전주 경기장은 약 42,000명의 관객을 수용할 수 있으며, 약 20,000m²의 지붕으로 구성되어 있다.
지붕은 전체가 크게 4개의 부채모양 지붕으로 나누어져 있고 각각의 지붕은 다시 네 귀퉁이에서 연속되는 Ring Truss와 Branch Beam 그리고 Floor Stay Cable에 의하여 묶여 있다.
(그림 2) 경기장 스탠드 네 모서리의 Dead space를 이용하여 큰 Mast를 세우고 지붕 트러스를 매달리게 함으로써, 내부는 효율이 좋고, 구조체를 의식시키지 않는 공간이 되었다.
케이블은 압축력을 받는 경우에는 구조성능을 발휘할 수 없게 되므로, 지붕의 케이블은 트러스 모양으로 삼각형을 구성하고 모든 외부의 힘에 대해서도 소멸하지 않는 초기장력을 도입해서, 어떠한 하중에 대하여도 트러스 구조의 성능을 발휘할 수 있도록 하였다. 케이블의 비선형성을 해석단계에서 고려하여 충실한 구조해석이 이루어지도록 주의하였다. 지붕 전체가 하나의 Diaphragm으로 거동할 수 있도록 하는 것이 지붕의 안정성을 확보하는 데 아주 중요하므로, Main Truss를 원형강관과 Tension rod로 보강하였다. 지붕 가새로 사용된 Tension rod 역시 인장재로서 압축력에 저항할 수 없으므로 케이블과 마찬가지로 초기장력을 도입하여 모든 하중조합에 대하여 구조적으로 거동할 수 있도록 계획하였다. Mast의 주각부는 기초에 과도한 모멘트를 전달하지 않고, 시공에도 유리하도록 어느 방향으로도 회전이 가능한 Hinge로 계획되었으며, 지진 등의 큰 힘에 대해서도 탈락을 방지할 수 있는 상세를 도입하였다.


2.2. 구조 재료
본 경기장에 사용한 구조 재료는 가능한 범위내에서 국산품을 사용하는 것으로 계획되었다.

2.2.1. 강재

1) 용접부재

두 께(mm)	기 호	항복강도(Fy)
∼ 40	SM490 B	3.3 t/cm2
41 ∼ 90	SM490 TMC	3.3 t/cm2
91 ∼	SM490 B	3.0 t/cm2

2) 강 관
SPS 490 (Fy = 3.3 t/cm2)

2.2.2. 와이어 로프 인장 부재인 와이어 로프는 ASTM A603-88에 부합되는 것으로 A급 코팅을 한다.
프리스트레칭을 거친 로프 가닥의 최소 탄성 계수는 A급 코팅의 경우 14060 kg/mm²이다.
본 경기장에서 사용된 케이블의 사양은 다음과 같으며, 이는 국내에서 생산 가능한 부재들이다.

Wire Rope Cable Construction	Norminal Diameter (mm)	Approx. Cross metallic Area (mm2)	Mimium Breaking Load (Metric ton)
6×WS(36) + 7×7CFRC	65.1	2198	303
8×WS(36) + (8×7+1×19) CFRC	84.9	3963	529.8
	95.3	4994	671.2
	100.8	5586	745.7

2.2.3. 고강도 강봉(지붕 부재) 인장부재 중에서 길이가 길지 않은 부재는 고강도 강봉을 이용하였고, 용도에 따라 강도를 달리하였다.

직경 (mm)	인장 시험				탄성 계수 (N/mm2)
	인장 강도 (N/mm2)	항복 강도 (N/mm2)	연신율 (%)	단면 수축율 (%)
19∼146	최소 610	최소 460	최소 20	최소 45	최소 19×104
19∼146	980	830	12	45	19×104

2.2.4. 소켓 및 Fitting 류
1) 케이블 접합부
케이블 접합부, 기타 복잡한 형태의 접합부에 사용되는 각종 소켓이나 Fitting류는 주강품을 이용하였고 KSD4106 SCW550 또는 ASTM A148 80-50에 해당하는 재료를 사용하도록 설계하였다.
2) 강봉 접합부 : 고강도 강봉과 동일 재질
2.3. 지붕 구조 시스템지붕의 지지시스템은 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 첫 번째로는 모서리에 위치한 4개의 Mast와 이것에 연결되는 Tension Cable, 그리고 이 Cable에 지지되는 Ring Truss와 Main Truss로 조립 구성되는 Suspension 구조이고, 두 번째의 지지구조는 내부의 Ring Truss와 외부의 Perimeter Truss로 구성되는 Dome 구조이다. 이 두 지지 시스템에 의하여 중력하중 뿐만 아니라 지진과 태풍의 수평, 수직 방향 힘에 대해서도 저항하도록 계획되었다. 2.3.1. 중력하중 System

Ring Truss 및 Main Truss의 중력하중은 Cable의 인장력으로 처리되며 Mast를 통해 지반으로 전달된다.(그림 3)
또한 Suspension에 의한 Front Stay Cable의 인장력은 Mast와 Branch Beam에 강한 압축력을 발생시키고, Branch Beam의 압축력은 Ring Truss의 Arch 거동의 수평방향 분력을 제공한다.(그림 4)

Main Truss에 작용하는 중력하중은 전면부 Ring Truss와 Front Stay Cable, 후면의 Post와 Perimeter Truss에 의해 지지된다.(그림 5)


2.3.2. 횡하중 System

바람하중에 의한 지붕면 부상(浮上)을 Front Guy와 Ring Truss의 인장력(Suspension)에 의해 저항한다. (Valley Cable Truss : 그림 6)

또한 횡하중에 대해서는 Front Guy가 Valley Cable과 더불어 지붕면의 부상을 Cantilever로 저항한다.(그림 7)
또한 Main Truss에 Roof Bracing을 통한 Diaphragm역할을 강화함으로써 횡방향 변위 및 하중을 제어하게 하였다.(그림 8)

3. 구조해석

3.1.개요
전체 구조물을 모델링하는데 있어서는 원하는 출력을 빠르고 정확하게 얻기 위하여 몇 가지 별도 모델을 만들어 해석에 적용하였으며, 해석 프로그램은 Midas-Gen을 사용하였다. 전주 경기장의 구조물 해석을 위한 모델링은 그 형태의 복잡함과 좌표 입력의 어려움 때문에 CAD에 의하여 3차원 Modeling한 후 이를 Midas에서 읽어들이는 방법을 적용하였다. 이 방법은 좌표입력의 시간을 줄일 뿐 아니라 형상적 오류를 최소화하는 방법이어서 Modeling 시간을 최소화할 수 있었다. 지붕 부재의 설계를 위해서는 지붕을 이루는 모든 요소를 모형화 하였고, 지붕의 전체적인 거동에 영향을 주지 않는 부재들은 삭제하였다. 부재의 설계에 있어서는 각 해석에서의 결과를 취합하여 적용하였으며, 하중조합 역시 각 해석 결과를 검토하여 적용하였다. 또, 전체 구조물의 거동에 대한 해석으로 부족한 부분에 대하여는 부분 확대 해석을 함으로써 해석의 정밀도를 높였다. 해석 모델은 크게 정적 해석과 동적 해석을 위한 모델로 구분하였고, 지붕의 모드형상을 정확히 알아보기 위한 지붕 동해석 모델을 정적 해석 모델에서 변형하여 따로 적용하였다. 지붕구조물의 해석에는 지붕의 하중을 직접 지지하는 상단 경사보를 모델에 포함시켰다. 상단경사보는 지붕에 포함되지 않지만, 경계조건을 정확히 반영하기 어렵기 때문에 직접 모델에 포함시켰으며 이와 관련된 부재까지 모델링에 포함되어 전체적으로는 3층 이상의 부재가 모델링에 포함되었다. 또한 Mast 하부 역시 전체 지붕의 거동에 큰 영향이 있으므로 모델에 포함하였다. 케이블은 경기장 지붕을 구성하는 부재중에서 그 중요도가 매우 큰 부재이면서, 비선형성을 가지고 있어서 구조해석에서는 특별히 많은 고려가 필요하였다.

3.2.설계 하중
지붕의 설계는 고려할 수 있는 모든 경우의 하중을 고려하였고, 각각의 하중 조합을 통하여 부재 설계에 적용하였다.

3.2.1. 고정하중
고정하중은 지붕의 자중에 접합부에 대한 고려 및 용접부에 대한 고려로써 자중에 20%를 더하였고, 부가적인 고정하중으로 Purlin, 마감, 조명, 스피커, 등의 하중을 고려하였다.

3.2.2.활하중
사람의 접근이 용이하지 않는 지붕에 대한 활하중에 대한 ANSI 규정에 의하여 적용하여 60 kgf/m²을 적용하였고, 적설하중은 활하중보다 작은 값이므로 하중 조합에서 활하중으로 대치하여 고려하였다.

3.2.3.풍하중
구조물이 건립되는 전주는 지역 구분으로는 노풍도 B에 해당되지만, 전주 월드컵 경기장은 전주시 외각에 위치하고 있고, 주변이 대부분 논으로 이루어진 상태이므로 노풍도 C로 구분하여 상, 하방향 각각 150kg/m²을 적용하였다. 또, 풍동실험을 통하여 얻은 결과 역시 별도의 하중으로 고려하여 검토하였다.

3.2.4.지진하중
내진 해석 방법은 크게 등가 정적 해석과 동적 해석으로 나뉜다.

1) 등가 정적 해석 정적 해석은 구조물의 형태가 정형일 경우에 적용되고 해석이 간단한 이점이 있지만, 본 경기장 구조물은 일반 건물과는 형태 및 구조가 판이하게 다르므로 등가 정적 해석만으로는 구조적 특성을 고려하기 어렵다. 그러나, 지붕재에 대하여는 동해석에 의하여 부재를 가정하기 어려운 점을 감안하여 초기 설계 단계에서는 고정하중의 10% 해당하는 지진력을 입력하여 해석한 결과에 의하여 부재를 가정한 후, 최종적으로 동해석을 통한 정밀 해석을 수행하였다.
2) 동적 해석 비정형 구조물의 동적 특성을 반영하기 위해서는 동적 해석이 수행되어져야 하며, 동적 해석에는 크게 시간 이력 해석(Time History Analysis)과 응답 스펙트럼 해석(Response Spectrum Analysis)이 사용되고 있다. 응답 스펙트럼 해석은 각 규준에서 정하고 있는 설계용 스펙트럼을 이용한 내진 설계에 주로 활용되고 있으며, 임의 모드에서의 최대 응답치를 각 모드별로 구한 다음, 적정한 조합을 통해 최대 응답치를 예견하게 된다. 각 모드의 응답을 조합하는 방법으로 가장 널리 쓰이는 조합방법은 SRSS(Square Root of Sum of Square)이나, 이 방법은 조합결과가 과대 또는 과소 평가되는 경향이 있기 때문에 본 설계에서는 모드간 확률적 상관도를 고려할 수 있는 CQC (Complete Quadrat -ic Combination)를 적용하였다

3.2.5. 온도 하중
온도 하중에 대한 적용은 1961∼1990년 사이의 기상청 자료를 바탕으로 하였다. 온도 상승에서는 +20℃를, 온도 하강에는 -30℃를 적용하였고, 직사광선에 직접 노출되는 지붕 철골 부재의 경우에는 +45℃를 적용하였다.

3.2.6.Pretension Force
케이블에 적용하는 Pretension Force는 능동적으로 지붕의 거동을 변화시키는 요소이지만 케이블 이외의 부재에 있어서는 하중으로 역할을 하게되므로 별도의 하중으로 다루었다.

3.3.하중 조합
부재 설계를 위한 하중 조합은 규준에 따라 적용되었으며, 그 내용은 다음과 같다.

3.3.1.장기
- 고정하중+활하중+Pretension

3.3.2.단기
- 고정하중+활하중+풍하중+Pretension
- 고정하중+활하중+지진하중+Pretension
- 고정하중+활하중+온도하중+Pretension
- 고정하중+풍하중+온도하중+Pretension
- 고정하중+지진하중+온도하중+Pretension
- 고정하중+활하중+풍하중+온도하중 +Pretension
- 고정하중+활하중+지진하중+온도하중 +Pretension

3.4.케이블 해석
케이블은 재료적 비선형성과 기하학적 비선형성을 가진 부재이므로 일반적 해석방법을 그대로 적용하기 어렵다. 그러나, 전주경기장의 케이블 부재는 현수구조처럼 부재가 포물선을 이루지 않고 직선부재이므로 재료적 비선형성과 기하학적 비선형성(Sag)을 적절히 고려하여 선형부재로 치환한 해석이 가능하다. 이 중 재료적 비선형의 문제는 Cable 제작시 도입되는 Pre-stretching 작업에 의해 균질한 탄성 계수를 얻으므로써 해결할 수 있으나, 기하학적인 비선형 문제는 구조 해석시 별도로 고려하여야 한다. 다음은 케이블의 비선형성을 고려하여 선형해석을 하도록 하는 과정을 나타내었다.

1) Cable의 탄성계수
여기서 언급하고 있는 기하학적인 비선형 문제는 Cable 부재의 자중에 의해 발생하는 중력 방향 변위량(sag)에 의해 Cable의 유효탄성계수가 변화하는 성질을 의미한다. 자중에 의한 Sag가 발생하고 있는 상태에서의 유효 탄성 계수 (Effective Modulus of Elast -icity)는 다음과 같이 구할 수 있다


Eeq : Cable의 유효탄성계수
E : Cable의 정규탄성계수
w : Cable의 단위 길이당 자중
L : Cable의 수직투영길이
A : Cable의 단면적
T : 자중에 의한 Sag량 발생상태에서의 Cable내 발생부재력


위 식에서 유효 탄성계수는 Cable내에 발생하는 부재력과 매우 밀접한 관계에 있다는 사실을 알 수 있다. 현장에서 Cable 설치 후 길이 조정 작업을 완료하면 Cable에는 일차적으로 자중에 의한 Sag 및 부재력이 발생하게 되며, 이후 하중의 증가에 따라 Sag량은 감소하고 부재력은 증가하게 된다. 즉 작용하중의 증감에 따른 탄성계수 값의 변화가 나타나게 되며 결국 비선형 조건으로 거동하게 되는 결과를 낳게 된다.

2) 해석과정
본 설계에서는 비선형성을 고려하기 위하여 다음과 같은 과정을 통하여 구조 해석 및 Cable 부재의 설계를 수행하였다.

• Cable의 탄성계수(E) 대비 90%에 해당하는 유효탄성계수(E90) 산정
• 각 케이블별로 E90을 얻기위한 T를 식(1)로부터 산정
• E90을 만족하는 Pretension Force산정
• ③ 해석에 의하여 얻어진 각 케이블별 장력에 해당하는 Eeq 산정
• ③,④단계에서 얻은 PT와 Eeq를 적용하여 구조해석 및 설계 수행

3.5.동적 해석

동해석을 위한 모델은 해석 목적에 따라 지붕부재 검토용과 하부구조물 해석용으로 구분하였다.
지붕 구조 검토용 모델은 앞에서 언급했던 것처럼, 초기 설계 단계에서 등가 정적 해석을 통하여 가정된 부재의 정밀 해석을 위한 것으로 지붕의 모든 부재가 모델에 포함되어 있으며, 동해석까지 포함하여 해석을 하는 경우 24시간 이상 소요되는 대규모 모델이다.
하부 구조물의 지진 하중에 대한 영향을 평가하기 위해서는 Run-time의 절약과 효율적인 해석을 위하여 단면적, 질량, 단면 2차 모멘트, 비틀림 강성이 Truss와 거의 일치하도록 간략화한 모델을 사용하였다.
또한 간략화한 모델 해석의 적정성은 지붕 부재가 모두 입력된 전체 모델 해석 결과와의 비교를 통하여 검토되었다. 기타, Sub Front Guy의 효율을 분석하기 위하여 부재의 유무에 따른 고유치 해석을 실시하였고,(3.5.1절 참조) Rear Guy의 형태에 따른 해석에 의하여 부재의 형태를 결정하였다.

3.5.1. Sub Front Guy 효율분석
Sub Front Guy의 유무에 따른 효율을 분석하였다. 해석결과 초기 6차 모드까지의 결과로 미루어 볼 때, 강성의 증가 효과가 나타나고 있으므로, Sub Front Guy는 지붕의 Flutter 등을 방지하는 목적으로 배치되었다.
(표 3.5.1, 3.5.2 참조)

그림 9 2차 Mode
그림 10 3차 Mode
그림 11 4차 Mode

표 3.5.1 X 방향 모드 분석

	Sub Front Guy 있을때		Sub Front Guy없을때		비 교
모드	주 기(초)	Effective Mass	주 기(초)	Effective Mass	주 기(%)	강 성(%)
X	1.0452	4.534	1.0489	4.234	99.65	101
X	0.7426	0.511	0.7668	1.623	96.84	107
X	0.6050	10.479	0.6361	9.470	95.11	111
X	0.3441	21.865	0.3449	26.204	99.77	101
X	0.3219	2.816	0.3384	1.919	95.12	111
		40.205		43.45

표 3.5.2 Y방향 모드 분석

	Sub Front Guy 있을때		Sub Front Guy없을때		비 교
모드	주 기(초)	Effective Mass	주 기(초)	Effective Mass	주 기(%)	강 성(%)
Y	1.0418	2.146	1.0728	1.304	97.11	106
Y	0.7298	4.751	0.7584	6.562	96.23	108
Y	0.5429	5.177	0.5525	4.944	98.26	104
Y	0.4559	2.515	0.4649	1.716	98.06	104
Y	0.3449	2.664	0.3689	3.495	93.49	115
Y	0.3206	19.461	0.3210	18.956	99.33	101
		36.939		36.977

3.6.시공과정을 고려한 해석

구조물의 각 부재가 받는 하중의 형태와 크기는 시공과정에 직접적인 영향을 받는다. 특히, 복잡한 구조물에 있어서는 시공과정에 따라 동일한 부재에 발생할 수 있는 부재력의 편차가 매우 심각할 수 있다. 따라서, 전주경기장에 대한 구조설계에는 시공과정을 고려한 구조해석이 포함되었고, 이를 위하여 우선 시공과정을 명확히 하는 것이 필수적이다.
그림 12 Step 1~2
그림 13 Step 3
그림 14 Step 4~7
그림 15 Step 8~10

본 설계에서는 다음과 같이 시공 단계를 세분하고 그에 대한 하중 패턴을 분리하여 설계에 적용하였다. 시공과정을 단계별로 정리하면 다음과 같다. (그림 12∼15 참조)

▷ 1 단계 : 지붕 설치를 위한 준비 단계 Ring Truss 하단에 가설 지주대를 설치한다. 가설 지주대 상단에는 Jack down device를 설치하며, 모든 지붕 구조물의 조립 기준 높이는 이 Device의 상단 Level을 기준으로 한다.
▷ 2 단계 : 지붕 Truss 설치 지붕 Truss는 설치 순서에 의해 가장 합리적인 설치를 해야 한다. Main Truss, Ring Truss, Perimeter Truss들은 중첩되며 공기에 따라 여러곳에서 동시에 시공할 수도 있다.
▷ 3 단계 : Mast 설치 Mast 설치 및 Branch Beam 설치는 전체 지붕의 Stability에 관계된 내용으로 시공과정 중에는 반드시 가설 Cable과 가설 부재들에 의해 지지되어야 한다. 또한 기 설치된 지붕 Truss를 묶어주는 Roof Brace를 설치하고 각각에 대한 길이 조정 작업을 한다.
▷ 4 단계 : 지붕 상부 Cable 설치 지붕 전면 Cable을 먼저 설치한다.
▷ 5 단계 : 지붕 후면 Cable 설치 지붕 후면 Cable들을 설치할 때 각 설치 시공 단계에서의 Mast의 응력 검토를 수행해야 하며, 또한 Mast 하부의 전단력 및 Ball의 저항력을 검토해야 한다.
▷ 6 단계 : 지붕 Cable의 길이 조정/장력 도입 지붕 Cable에 Pretension을 도입한다. 이는 사전 계산된 각 Cable 별 부재력을 기준으로 실시하되 전체 도입될 인장량을 여러 단계로 분할하여 단계별 기준치와의 확인 작업을 매 단계마다 실시하도록 하여 도입 인장량의 과부족 상황에 대한 검토를 병행하도록 한다.
▷ 7 단계 : 가설 지주의 Jack Down 가설 지주의 제거가 가능한 Jack down 높이를 검토하여 점진적으로 Jack down을 실시한다.
▷ 8 단계 : 지붕 하부 Cable 설치 지붕 하부 Cable들을 설치하고 필요한 Pretension Force를 도입한다.
▷ 9 단계 : Cable 장력 조정 완료 각 Cable의 최종 장력값의 검토를 실시하고, 각 Truss 및 Mast의 최종 응력 및 변위량을 검토한다.
▷ 10 단계 : 시공완료 Jack down device와 가설 지주대 등을 해체하고 지붕 구조물 Erection 작업을 완료한다.

4. 구조 부재 설계

4.1.트러스 설계
지붕을 구성하고 있는 Truss 부재들은 모두 원형강관으로 구성된다. 시공의 편의를 위하여 모든 부재는 직선부재를 이용하였고, 부재 제작적인 측면에서 지붕의 Geometry를 유지하는 최대한의 조건을 만족시키기 위해 Ring Truss에서 지붕 후면까지의 MT1∼MT16까지의 트러스의 형태를 일정하게 유지하였다. (표 4.1.1) 각 부재는 국내 규준에 의해 설계되었으며, 접합부에 대해서는 원형 강관의 분기이음에 대한 검토 등 상세 해석을 통하여 안전성을 검토하였다.

4.2.Cable 설계
케이블의 유효 설계 파단 강도는 UBC (1994)에서 규정하고 있는 케이블 인장 조건에서의 하중 조합에서의 값을 취했다. 본 설계에서는 풍하중 등 최대 응력이 발생하는 조건에서 케이블 파단 강도의 50%를 케이블의 허용응력으로 하고 설계에 적용하였다.

표 4.1.1 트러스 부재

구분	명칭	부재	길이(mm)
Main Truss	MT1∼MT16	A: Φ318.5×6t ∼Φ500.0×12t B: Φ267.4×6t ∼Φ355.6×9t C: Φ139.8×4t ∼Φ216.3×7t D: Φ139.8×4t ∼Φ267.4×9t	W : 1,200 ∼2,400 H : 1,500 ∼3,000
Ring Truss	RT1∼RT17	A: Φ700.0×25t∼Φ700.0×35t B: Φ508.0×12t∼Φ508.0×16t C: Φ267.4×6t D: Φ165.2×4.5t∼Φ216.3×8t	W : 2,400 H : 3,000
Perimeter Truss	PT1∼PT16	A: Φ355.6×9t∼Φ508.0×16t B: Φ318.5×6t∼Φ355.6×12t C: Φ165.2×4.5t∼Φ216.3×8t D: Φ139.8×4t∼Φ165.2×7t	W : 1,200 H : 1,500

케이블 부재의 설계는 시공과정을 고려한 해석을 바탕으로 적용되었으며, 그 결과는 (표 4.2.1)과 같다.

4.3.Rod 설계
지붕의 Diaphragm 역할을 하는 브레이스와 같이 길이가 비교적 짧은 인장부재는 Rod를 이용하였다. Rod 역시, 국내에서 생산 가능한 규격을 적용하였다. 지붕의 브레이스로 사용하는 Steel Rod는 다음과 같은 부재로 구성된다.
(표 4.3.1)

표 4.3.1 Steel rod

부호	Nominal Dia(mm)	Pretension(ton)
FBR3, FBR4	Φ76	24
FBR7	Φ64	24
FBR5	Φ76	18
FBR6	Φ64	18
FBR1, FBR2 FBR8, FBR9	Φ30	4

표 4.2.1 케이블 설계

Cable 명칭	Nominal Dia(mm)	E90 (t/cm2)	TE (ton)	T1(ton)	Tmax(ton)	Tmin(ton)	Tnor(ton)	Enor(t/cm2)	Tallo(ton)	Ratio
FSC1	65.1	1260	34	-	49.5	34.8	45.8	1336.9	303.0	0.16
FSC2	65.1	1260	29	-	66.5	29.3	49.9	1368.9	303.0	0.22
FSC3	84.9	1260	44	-	143.0	44.1	84.8	1379.2	416.4	0.34
FSC4	2×84.9	1260	72	-	283.6	76.9	142.1	1379.6	681.3	0.42
FSC5	2×84.9	1260	72	-	285.9	82.5	142.6	1379.8	681.3	0.42
FSC6	65.1	1260	24	-	73.8	26.6	46.2	1378.2	303.0	0.24
FSC7	65.1	1260	29	-	58.7	33.2	48.7	1368.0	303.0	0.19
RSC	6×100.8	1260	126	1700	1274.4	568.4	824.7	1399.4	2388.6	0.53
RGC	6×100.8	1260	222	1700	1667.5	738.1	1066.9	1398.6	2388.6	0.70
FGC1	84.9	1260	28	60	204.3	29.5	29.6	1284.4	416.4	0.49
FGC2	84.9	1260	28	60	165.7	28.8	28.8	1275.2	416.4	0.40
SSC1	65.1	1260	14	53	53.5	16.9	34.5	1389.1	303.0	0.18
SSC2	95.3	1260	32	172	177.4	118.8	149.1	1398.4	487.1	0.36
SGC1	65.1	1260	13	53	71.5	18.5	50.8	1397.1	303.0	0.24
SGC2	95.3	1260	30	172	181.3	151.0	171.2	1399.1	487.1	0.37
FRSC1	84.9	1260	30	88	45.6	31.9	41.0	1341.6	416.4	0.11
FRSC2	84.9	1260	30	88	45.6	31.9	41.0	1341.6	416.4	0.11

1) E₉₀ : Cable의 정규 탄성 계수 대비 90%의 탄성 계수
2) T_E : E90을 발현하기 위한 Cable의 부재력
3) T₁ : Cable의 Laboratory Elastic Modulus 대비 90% 수준을 유지하는데 필요한 Pretension
4) T_max ; Maximum Cable Tension Force (Pretension을 고려한 Final 상태)
5) T_min : Minimum Cable Tension Force (Pretension을 고려한 Final 상태)
6) T_nor : Cable Tension Force (Normal Operating Condition)
7) E_nor : T_nor일 때의 탄성계수
8) T_allo : Cable의 허용강도 (Breaking Strength × 0.5 : 단기조건)
9) Ratio : T_max / T_allo

4.4.Mast 설계 Mast
는 전체 길이가 63m이고, 3층 바닥에서 19.6m 지점에서 Branch Beam에 의하여 횡방향으로 지지되고 있다. 건축적인 요구에 의하여 branch beam과 만나는 부분이 볼록한 변단면 형상(Tapered Section)을 하고 있고, 부재의 설계시 운반 및 스티프너의 개수, 그리고 Mast의 두께의 변화 등을 고려하여 전체를 7부분으로 나누어 설계하였다. 가장 볼록한 부분에서 직경 3000mm, 두께 20mm부터 가장 작은 부분 직경 1000mm 에 두께 45mm 까지 변화되는 단면을 가지고 있다. 전제 지붕하중의 60%를 부담하고 있는 Mast는 그 거동이 구조물의 전체적인 Stability에 결정적인 영향을 미치게 되는 부재이다. 또, 형태상 변단면으로 되어있고, 부재의 두께 역시 다른 점을 감안하여 Mast에 대한 별도의 해석을 통하여 부재의 거동을 검토하였는데, 해석결과, Branch Beam이 있는 위치에서 횡좌굴을 방지하는 효과가 있는 것으로 나타났다. Mast는 변단면의 강관으로 집중하중과 모멘트의 조합응력을 받는 부재이다. 따라서 Mast의 좌굴내력을 구하기 위해서는 변단면을 고려한 탄성 좌굴 하중 뿐만 아니라, 기둥의 세장비에 따른 재료적 비탄성을 고려한 비탄성 좌굴 하중을 산정하였고, 모멘트에 대한 응력 조합을 함께 고려하여 설계되었다.

4.5.Post 설계
주 트러스를 지지하고 지붕의 외부테두리 트러스를 지지하는 Post 부재는 A자 형상으로 구성되어 있다.(그림 20) Post의 Anchor는 plate와 Shear Stud를 이용하여 정착하였고, 전단력이 크게 걸리게 되어 전단력 전달을 위하여 SM490의 강판을 이용하였다. (그림 21)

그림 22 Pipe 분기이음 설계

그림 23 Mast 하부 상세 해석

4.6. 접합부 설계
4.6.1.강관 분기 이음
Truss 연결부 이음은 강관의 분기이음으로 상세 설계가 필요한 부분이다. 각 접합부는 강관구조 설계규준(안) 및 시공지침(1997, 대한건축학회)에 의하여 검토되었다. 4.6.2.Mast 하부 접합부 Mast 하부의 경우 Mast에서 오는 압축력과 Cable의 인장력을 동시에 받으면서 결과적으로 발생하는 하중을 골조에 전달하는 역할을 하는 중요한 부재이다. 그래서 이 부분은 부분 확대 해석을 통하여 안전성을 검증하였다. (그림 23)

5. 맺음말
전주 경기장은 구조 형식과 개념이 일반 구조물과는 다른 대공간 특수 구조물이다. 이러한 특수 구조물 설계 분야의 대부분이 외국의 Engineering에 의존하고 있는 현 상황에서 계획부터 실시 설계까지 일련의 과정을 국내의 독자적 기술로 수행했다는 데 의의가 있다고 하겠다. 대공간 구조물이나 특수 구조물의 경우 Erection Engineering을 통하여 시공과정에서 발생할 수 있는 여러 가지 요소들을 고려하여 대처함으로써 시공과정에서의 안전성 확보는 물론 보다 완성도 높은 건물을 지을 수 있게 된다. 본 경기장에 있어서는 본사에서 Erection Engineering의 중요성을 강조하여 지붕 입찰 내용에 E.E. (Erection Engineering)이 포함되었는데, 낙찰업체가 E.E.까지 수행하도록 되어 E.E.에 참가할 수 없었던 점은 안타깝게 생각한다.

 

< 출처 : 네이버카페 - 김우식 건축시공기술사 공부방 >

<제공 : 용산건축토목학원 www.yspass.co.kr >