건축의 평면 구조 - 골조 구조, 아치 구조, 벽식 구조

1. 평면 구조

- 힘의 전달이 평면적인 형태로 진행되는 구조체이다.
- 골조 구조, 아치 구조, 벽식 구조 등이 해당된다.

(1) 골조 구조

- 기둥-보 시스템은 공간을 구성하기 위해 기둥 위에 보를 얹어서 구성한 구조이다.
- 수평으로 된 보는 기둥 위에 단순히 얹혀져 있는 구조이다.
- 라멘 구조는 다른 말로 골조 구조라고 한다. 수직 부재인 기둥과 수평 부재인 보가 서로 만나는 접합부에서 서로 강접으로 연결되어 있어서 일체로 거동한다. 강접된 기둥과 보는 함께 이동하고 함께 회전하므로 수직 하중과 수평 하중에 대해서도 큰 저항력을 가진다.
- 트러스는 부재를 핀으로 연결하여 서로 떨어지지 않지만 자유롭게 회전할 수 있도록 연결된 구조이다. 직선 부재가 서로 한 점에서 만나고 그 형태가 삼각형인 구조물이다. 부재는 인장력과 압축력의 축력만 지지하므로 매우 효율적인 구조 시스템이다.
- 현대 건축물의 빌딩의 외관은 타일이나 벽돌, 커튼 월로 덮여 있지만 하중에 저항하는 부분은 골조이다.
- 목구조에서도 부재를 서로 강하게 연결하려는 접합부가 있으나 골조 구조로 분류하기에는 접합부의 회전 강성이 야해서 휨 모멘트에 저항하지 못한다.
- 골조 구조는 철근 콘크리트 구조나 철골 구조에 사용된다.
- 골조 구조의 장점은 기둥과 보가 강하게 연결되어 있어서 수직 하중, 수평 하중이 작용하는 경우에 구조물에 작용하는 휨 모멘트가 작다는 점이 장점이다.

(2) 아치 구조

- 아치는 개구부 상부의 하중을 지지하기 위하여 돌이나 벽돌을 곡선형으로 쌓아올린 구조이다.
- 아치는 상부에서 내려오는 수직 압력이 아치의 축선에 따라 좌우로 나누어져 밑으로 압축력만을 전달하게 한 것으로 부재의 하부에 인장력이 생기지 않게 만든 것이다. 그래서 벽돌은 이 축선에 수직 방향으로 줄눈을 맞추어 쌓아야 하고 줄눈의 방향은 모두 아치의 중심에 모이게 해야 한다.
- 아치 구조의 구조적인 움직임은 현수 구조와 비슷하다. 현수 구조는 케이블에 하중이 작용하는 구조 시스템이며 인장력만을 받을 수 있는 시스템이다. 그 이유는 케이블은 인장력만 받을 수 있고 휨이나 전단에는 저항할 수 없기 때문이다. 현수 구조에서 작용하는 모든 하중이 부재에 휨을 유발하지 않기 때문에 역학적으로 계산해도 아치 구조에 휨이 발생하지 않는다.
- 아치 구조에서 고려해야 할 문제는 지점을 수평 방향으로 이동시키려는 힘인 추력이다. 아치 구조는 압축력만으로 하중을 지지할 수 있어서 단면은 경제적이다. 그러나 지점에서 수평 방향으로 벌어지려는 힘에 저항해야하는데, 저항하지 못하면 아치 구조로서의 기능을 상실하게 된다. 아치에 발생하는 추력은 아치의 높이에 반비례한다. 아치가 높으면 지점에서 수평 성분이 작아지고 아치가 낮으면 수평 성분이 커진다.
- 아치 구조가 추력에 저항하기 위한 방법은 직접 저항할 수 있는 하부 구조를 설치하거나, 아치를 서로 연결하여 교점에서 추력을 상쇄시키거나, 버트레스를 설치하거나, 타이 바를 설치하는 방법이 있다.

(3) 벽식 구조

- 벽체나 바닥판을 평면적인 구조체만으로 구성한 구조물이다. 보와 기둥 없이 판으로 바닥 슬래브와 벽으로 연결되어 전체적으로 강한 구조이다.
- 라멘 구조가 직선의 부재로 이루어진 반면 벽식 구조는 면 부재로 이루어진다.
- 선 부재는 힘의 흐름이 한 방향으로만 흐르지만, 면 부재는 두 방향으로 힘을 전달하기 때문에 같은 힘을 전달할 때 더 얇은 부재를 사용할 수 있으므로 면 부재가 선 부재보다 더 효율적인 구조 부재로 사용할 수 있다.
- 같은 판이라도 수직으로 세워져서 힘이 면을 따라 전달되는 것을 벽이라고 하고, 판을 수평으로 설치하여 면에 직각으로 힘을 받는 것을 슬래브라고 한다.
- 벽식 구조를 사용할 때 중요한 점은 넓은 공간을 확보하기 위해 벽을 허물면 안된다. 왜냐하면 골조 구조는 기둥과 보가 하중을 지지하고 있어서 그 사이에 위치한 벽은 공간을 분할하거나 차음 등의 역할을 하는 비 구조재이지만, 벽식 구조의 벽은 상부로부터 전달되는 수직 하중과 수평 하중을 지지하는 아주 중요한 부재이기 때문이다. 이러한 중요한 벽을 제거하면 건물의 내력이 저하되어 균열이나 처짐이 발생하여 건물의 붕괴를 유발할 수 있다.

[ 튜브 구조 ]

- 초고층 구조 시스템의 하나로 관과 같이 하중에 저항하는 수직 부재가 대부분 건물의 바깥쪽에 배치되어 횡력에 효율적으로 저항하도록 계획된 구조 시스템이다.
- 튜브 구조는 수직 하중보다 바람이나 지진과 같은 효율적으로 저항할 수 있는 구조 시스템이다.