현수 구조

[바니디자인]

현수 구조

 

현수구조는 수직하중을 지반에 전달하는 기둥과 로프(rope), 와이어(wire)와 같은 케이블로 구성되는데, 프리스트레스(Prestress)되고 3차원적으로 만곡된, 편평한, 하중을 가진 구조물들과는 달리 현수 지붕은 보통 한 방향으로만 만곡된 구조로서 프리스트레스 없이 자중으로서 안정된다. 이 지붕면 곡선은 우세한 조건으로 자체적 질서를 따라 형성된다. 현수구조는 지붕면의 경사로 인한 충분한 자중이나 프리스트레스 인장력으로 안정될 수 있다. 이러한 현수구조는 현대에 와서 현실화된 구조시스템이 아니다. 기원 전 8000년 무렵부터 유목민에 의해 텐트구조와 함께 사용되었다. 그들은 유랑생활을 했기 때문에 조립식 주거공간이 필요했고 자신들의 주거공간을 빠른 기간 내에 설치하고 철거할 필요가 있었다. 따라서 중심 폴(pole)을 지반에 정착시키고 대나무나 로프(rope)에 의해 동물가죽으로 된 천막을 지지했다. 이렇게 시작된 현수구조는 돛을 가진 배에 이용되었고, 특히 교량에서는 현수구조를 채택함으로써 최고 2000 m에 가까운 장스팬의 시대를 맞고 있다. 현수구조가 장스팬을 가능하게 할 수 있는 것은 케이블(cable)이 전단력과 휨에 저항하는 것이 아니라 순수 인장력만을 부담하기 때문이다. 이것은 우리가 어린아이 때부터 자연스럽게 터득한 것으로 야영 중 나무가지를 꺾을 때 끌어당겨서 뽑지 않고 구부려서 꺾게 된다. 잡아당겨 뜯는 데는 꺾을 때보다 수십 배, 수백 배의 힘이 필요하다는 것을 체험적으로 알고 있기 때문이다. 1톤(ton)의 중량을 원형단면 길이 10m의 단순보의 중앙에 작용시킨다면, 그것을 매다는 데에 필요한 원형봉의 약 40배의 단면적을 필요로 하게 된다. 따라서 강도 면에서 현수구조는 상당히 이상적인 구조 시스템이라 할 수 있다. 케이블은 본래 연성구조이고 모양이 유동적이기 때문에 인장력만 전달할 수 있다. 케이블을 인장으로만 작용시키기 위해서는 각 하중조건에 따라 케이블의 형태를 달리해야 한다. 케이블이 수직하중을 지지하는 구조를 이해하기 위하여, 우리는 두 사람이 줄(rope)을 잡고 있다고 가정하자. 두 사람이 줄을 서로 팽팽하게 당기기 전에는 줄의 자중에 의해 줄은 아래로 볼록한 포물선의 형태를 이룰 것이다. 줄의 중간에 추를 달아 놓으면 줄은 추의 하중에 의해 삼각형이 형성될 것이고 추의 무게에 의해 줄의 양 끝을 잡고 있는 손이 안으로 끌려가게 될 것이다. 이것이 케이블에 발생하는 수직하중을 지지하기 위하여 케이블 지지점에서 추력(thrust)이 발생하는 것이다. 그리고 줄을 잡고 있는 양쪽 손을 멀리하게 되면 추력은 점점 증가하게 되고 추의 처짐은 감소할 것이다. 즉, 추력은 처짐에 대하여 반비례 관계에 있음을 알 수 있다. 따라서 처짐이 증가할수록 케이블의 길이는 증가하지만 케이블에 발생하는 인장력은 감소하게 되므로 단면적을 줄일 수 있게 된다. 케이블이 이루는 아래로 볼록한 현수선(catenary)의 최적의 처짐은 스팬의 약 1/3이다. 처짐-스팬 비를 1/3로 한다면 이론적으로 14,000kg/㎠의 인장강도를 가진 강철 케이블은 약 27km에 걸쳐 지지될 수 있다(케이블의 무게와 거리에 걸리는 인장은 모두 그 단면적에 비례하므로 케이블 직경과는 무관하다). 하지만 실제에 있어서 케이블은 자체의 무게보다 훨씬 더 큰 하중을 지지하도록 설계되며 처짐-스팬 비 1/3은 너무 높고 값비싼 주탑을 필요로 하기 때문에 현실적으로 적정한 처짐은 스팬의 1/10 - 1/20 정도로 설계하는 것이다. 가장 간단한 케이블 지붕은 휨에 저항할 수 있는 기둥과 케이블로 구성되며 케이블은 보나 건물과 같은 구조 요소를 지지하기 위한 인장기둥이나 현수부재로 사용된다. 케이블 지지구조에서 바닥은 풍하중과 출렁임에 의해 발생되는 상승력에 저항하기 위해 최소한의 자중이 필요하고 케이블의 수평력은 지붕보에 압축력으로 전달되고 자중으로 발생하는 높은 휨모멘트를 지지한다. 현수구조를 적용하는 방식에는 크게 두 가지로 구분할 수 있는데, 첫 번째는 탑 모양의 기둥을 세워서 플랫(flat)에 조립된 평행현 트러스의 지붕을 사장교와 같이 케이블로 매다는 방식이다. 이 때의 케이블은 보조적인 역할을 하고 트러스 보나 기둥이 주요 구조부재가 된다. 그리고 케이블 자체를 지붕의 주요 구조부재로 하여 막이나 패널로 피복하는 방식이 있다. 이 때 막재료에 강도를 분담시키지 않는 것 때문에 막구조와는 구별된다. 현수구조의 원리는 교량에만 국한되지 않고 거대한 집회장이나 전시장의 지붕으로 이용되어 왔다. 이탈리아의 네르비(P. L. Nervi)는 천재성을 발휘하여 만토바(Mantova, Italy)에 있는 종이공장의 지붕에 현수교량 시스템을 도입하였는데, 이 공장은 폭 30m, 순 스팬 249m 규모의 건물로 기둥은 케이블의 추력(thrust)을 받기 위해 후면으로 기울어져 있어서 마치 그리스 문자 λ(lambda)와 같은 모양이며 짧은 콘크리트 지주로 지지되어 있다. 수평지붕은 지상에서 조립된 철근콘크리트 보와 슬래브로 구성되어 있고, wire-hanger 방법에 의하여 케이블에서 달아 올렸다. 이 구조 시스템은 중간 기둥없이 약 930㎡ 넓이를 덮고 있으며 풍압을 지지할 수 있는 수직기둥으로 지지되어 있고 철근콘크리트 지붕은 자중에 의해 케이블을 고정한다. Otto와 그의 팀이 만든 현수 chain 모델로 작업한 형태는 전 시대의 역사적 건축물들을 설명할 뿐 아니라 그물 rope, 인장재 bar로 만든 현수구조의 설계에 있어 핵심적인 것이다. 몇 개의 대규모 현수 지붕이 1965년 Otto와 Rolf Gutbrod에 의해 디자인되어 Makkah의 회의 센터를 덮고 있는데 1972년 완성되었다. 원래는 Faisal 왕의 추천으로 rope 망 구조를 위한 공모 설계가 Riyadh의 회의 센터에 사용된 것이다. 이 설계는 실현되지 않았으나 Makkah 회의 센터 설계를 위임받고 건립하도록 했다. Makkah 도시의 변방에 있는 큰 complex는 호텔과 회의장의 두 지역으로 구성되어 있는데 각각 내부 중정을 둘러싸는 방식으로 정리되었다. 이 현수 지붕은 steel cable과 목재 covering, 단열재, 그리고 주름이 잡힌 알루미늄 지붕 마감으로 만들었다. 4개의 회의실은 그것을 두른 복도로 연결되어있다. rope는 회의실 사이에서 당겨지는데 이 회의실은 shady lath lattice element를 받치는 방사형 rope로 되어있다. 인접된 모스크의 내부 중정의 차양은 강관 기둥으로 지지된다. Otto는 Ulm의 의과 대학에 신속히 세울 수 있는 간이 건물을 위해 2개의 철, 유리 복합 현수 구조물을 디자인했다. 강의와 연구가 자유롭게 배치된 강의실과 연구실에서 이루어지게 되었다. Ulm의 Fachhochschule을 위한 건물을 Ulm의 연방 건설과로부터 위임받는 기초가 되었다. 대학과 아주 가까운 곳, 같은 캠퍼스에 IL에서의 연구와 강의 경험을 살려 학교를 건립하게 되었다. 그러나 기술적인 면에서의 세심한 준비에도 불구하고 더 이상 진행할 수 없었다. Bad Munder의 Wikhahn 별관은 산업 생산 시설 건축디자인의 전래에 새로운 접근을 보여준다. 이 복합단지는 1987년 세워졌는데 서로 다른 기능에 부합되도록 세심한 배려 가운데 디자인되었다. 4개의 생산단위는 길이 22m의 정사각형 대지 위 4개의 같은 구조물 안에 설치되었다. 현수 지붕은 각각 주요 지지대인 2개의 3힌지 프레임으로 구속되고 여기로부터 지붕을 지지하는 lath가 드리워진다. 3힌지 프레임은 그 두 프레임 사이에 편평한 지붕이 생기고 유리로 덮는 방식으로 가운데에 설치되었다. 내부 공간은 빛으로 넘쳐 기분 좋은 작업환경을 보장해 준다. 이 지붕 구조들은 전체적인 건축계획에 따라 평지붕으로 된 긴 건물을 따라 정렬되고 필요하면 덧붙일 수 있는 작고 관리가 용이한 unit으로 되어 있다. Otto는 Stuttgart에 있는 Neckarstadion(현재 Gottlieb-Daimler-Stadion)과 베를린의 올림픽 경기장 관중석을 덮을 같은 방식의 서로 다른 크기 현수물 2개를 1969-70년 설계경기 때 디자인했다. 이 현수 지붕의 지지 시스템은 평행하게 현수 된 steel cable 위에 올려진 steel rope로 구성되었고 모든 요소는 크레인처럼 생긴 jib 시스템과 버팀줄로 고정된다. 스탠드 지붕의 외부 segment는 각각 rope로 기초까지 당겨진다. 두 지붕 모두 투명 아크릴 판으로 마감이 계획되었다. 바람이 불 때의 거동성을 파악하기 위해, 안정화된 구조에 필요한 필요하중을 계산하기 위해 풍동 실험을 했다. 저가 고효용성의 디자인에도 불구하고 2가지 제안 모두 실현되지 않았다. 국내에서도 교량 구조물 외에 건축물에 현수구조를 도입한 예가 있는데 현재 영종도에 건설 중인 인천신공항의 여객터미널이다. 여객터미널의 지붕구조물은 상호 독립적으로 거동하는 여러 개의 단위 모듈의 연속결합체로 구성되며 각 모듈은 구조시스템의 형식과 위치에 따라 'Terminal', 'Concourse' 그리고 'Antler Truss' 시스템의 3 가지 방식으로 구분된다. 터미널 트러스 시스템(Terminal Truss System)은 경간 92m의 입체트러스 구조이고, 콘코스 트러스 시스템(Concourse Truss System)은 지붕트러스를 인장재인 Tie Rod로 지지하는 현수구조로 되어있으며, 앤틀러 트러스 시스템(Antler Truss System)은 외관상 콘코스 트러스 시스템과 유사한 형상이나 Tie Rod로 지지하는 현수구조가 아니라 지붕트러스의 단부에 기둥을 설치하여 지지하는 형식으로 설계되었다. 현수구조로 되어 있는 콘코스 트러스 시스템의 단위 모듈은 가로 59.8m, 세로 58.4m의 규모로 바닥면에서 지붕 상단까지의 높이는 13.2m, 중앙부 기둥은 26m이다. 구조형식은 중앙부 4개의 기둥(Mast)과 가로방향으로 설치된 비렌딜 트러스(Vierendeel Truss)가 지붕구조의 주요 골조(Rigid Frame)를 형성하여 수직 및 수평력에 저항하도록 설계되었다. 지붕면을 지지하는 삼각형 입체트러스의 내단부는 기둥과 비렌딜 트러스에 지지되고 외단부는 기둥 상부로부터 연결되는 Tie Rod에 의해 지지된다. Tie Rod는 압축력에 저항할 수 없으므로 어떠한 하중조건에서도 압축력이 작용하지 않도록 설계되어야 한다. Tie Rod에 압축력이 작용하지 않도록 설계하기 위하여 인장기구(Disc, Spring Box)를 사용하여 Tie Rod에 Prestress를 가하여 인장상태에 있게 되면 어떠한 하중조건에서도 입체트러스를 안정적으로 지지할 수 있게 되므로 전체적으로 지붕구조 시스템은 충분한 강성을 확보할 수 있는 것이다.

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