건축의 입체 구조 - 절판 구조, 셸 구조, 돔 구조, 입체 트러스 구조, 현수 구조, 막 구조

1. 입체 구조

- 외력에 대하여 3차원적으로 저항하는 구조물로 넓은 공간이 필요한 건축물의 지붕 구조로 많이 사용된다.
- 힘의 흐름이 2차원보다 효율적이어서 경제적인 구조물이다.

(1) 절판 구조

- 얇은 판을 접어서 큰 강성을 발휘하게 한 구조이다.
- 판을 접으면 판의 중앙으로부터 멀리 떨어진 재료가 휨에 저항할 수 있는 응력 중심 거리를 확보할 수 있다.
- 절판 구조는 철골 공사를 할 때 바닥 슬래브를 타설 하기 전에 철골보 위에 설치하는 데크 플레이트에서 볼 수 있다. 데크 플레이트의 부재는 모두 얇은 판으로 되어 있다. 큰 강성을 발휘하기 위해 절곡 된 상태로 되어 휨에 저항할 수 있는 저항 거리가 커져서 부재의 강성이 커진다.

(2) 셸 구조와 돔 구조

- 셸은 곡률을 가진 얇은 판으로 주변을 충분히 지지시키면 면에 분포되는 하중을 인장과 압축과 같은 면 내력으로 전달시키는 역학적인 특성을 가지고 있다.
- 큰 공간을 덮는 지붕에 널리 사용되며 가볍고 강성이 우수한 구조 시스템이다.
- 가장 대표적인 셸 구조의 건축물은 시드니의 오페라 하우스이다.
- 셸 구조는 평면을 얻을 수 없으므로 하중이 작용하여 곡면이 평면이 될 때까지 힘이 필요하다. 그래서 면이 변형할 때 저항하는 힘으로 인하여 셸 구조가 곡률이 없는 평면 구조보다 더 큰 강성을 발휘한다.
- 셸 구조는 두께가 곡률 반지름, 폭, 길이 등의 다른 치수에 비하여 굉장히 얇은 곡면 형태의 판이다. 구조적인 특징은 구조체가 가볍고 큰 힘을 받을 수 있어서 넓은 공간이 필요할 때 사용한다. 재료는 주로 철근콘크리트와 강재를 사용한다.
- 곡면을 임의의 축을 중심으로 회전시켜서 얻은 곡면을 회전 셸이라고 하며 다른 말로는 구형 셸이라고 한다.
- 셸 구조는 상부에 작용하는 압축력이나 하부에 작용하는 인장력을 서로 상호 보완하는 형태로 저항하고 있다.
- 구형 셸에 하중이 계속 가해지면 하부에 작용하는 인장력에 의하여 벌어지려는 현상이 발생한다. 셸의 높이가 낮을수록 벌어지려는 힘이 더 커지므로 인장력을 받아줄 수 있는 인장 링이 필요하다. 인장 링은 돔의 하부에서 밖으로 퍼져 나가는 힘에 저항하기 위해 설치한 링으로 인장력을 담당하는 것이다.
- 셸 구조는 우수한 구조 성능을 가지고 있어서 대형 체육관의 지붕을 덮는 돔 구조로 많이 활용되고 있다. 그래서 돔 형상을 가지는 구조체는 셸 구조체의 일종이라고 할 수 있다. 돔을 형성하는 구조 시스템에는 트러스를 곡면으로 구성하여 돔을 형성하는 래티스 돔이 있다. 셸 구조는 면으로 구성되어 있지만 래티스 돔은 직선 부재로 구성된 구조 시스템이 면 내력에 저항한다는 차이가 있다.
- 돔 구조에는 리브 돔이 있는데 주요 골조가 트러스로 구성되어 있으며 돔의 상부에서 여러 부재가 만날 때 접합부가 조밀해지는 것을 방지하기 위하여 압축 링을 설치한 것이다. 돔의 하부에는 밖으로 퍼져 나가는 힘에 저항하기 위한 인장 링이 설치되어 있으며 전체적인 힘은 수직과 수평 방향으로 힘의 평형을 이루고 있다.

(3) 입체 트러스 구조

- 트러스는 축방향만으로 힘을 받는 직선재를 핀으로 결합하여 효율적으로 힘을 전달하는 구조 시스템이다.
- 스페이스 트러스, 스페이스 프레임은 2차원 트러스를 평면이나 곡면의 2방향으로 확장시킨 것이다.
- 입체 트러스는 모든 방향으로 이동이 구속되어 있어서 평면 트러스보다 큰 하중을 지지할 수 있다. 입체 트러스의 최소 유닛은 삼각형이나 사각형, 또는 삼각형과 사각형을 조합하여 사용한다.
- 입체 트러스는 체육관이나 공연장과 같이 넓은 대형 공간의 지붕 구조물로 많이 사용된다.

(4) 현수 구조

- 구조물의 주요 부분을 매달아서 인장력으로 저항하는 구조물이다.
- 건물의 1층에 기둥이 없는 공간을 만들기 위하여 상부에서 기둥으로 전달되는 하중을 케이블 형태의 부재가 지지한다.
- 하중은 상부에 있는 큰 트러스에 의해 지지되고, 이 트러스는 케이블의 지지점에서 안으로 모아지려는 압축력에 저항한다. 최종적으로 각 층에 작용하는 수직력은 양단부에 있는 코어에 의해 지반으로 전달된다.
- 현수 구조는 장 스팬 구조물에 효율적으로 이용되는 구조물이기 때문에 스팬이 큰 다리나 경기장 또는 공장 등에 광범위하게 이용되고 있다. 현수교는 케이블을 이용하여 구조물을 지지해서 건축물보다 교량에 많이 사용된다.
- 케이블을 이용한 구조 시스템은 사장 구조와 현수 구조로 나눌 수 있다.
- 현수 구조는 구조물의 무게를 케이블에 지지하여 케이블은 인장력을 받게 되므로 압축력을 받도록 설계된 구조물과 비교하여 부재의 좌굴을 고려할 필요가 없다. 그러므로 재료의 강도를 최대한 발휘할 수 있어서 적은 구조 물량으로도 큰 힘을 발휘할 수 있는 가장 효율적인 구조 시스템이다.

(5) 막 구조

- 텐트나 천막같은 형태이다. 그 자체로는 하중을 지지할 수 없지만 잡아다겨서 인장력을 주면 막의 자체에 강성이 생겨서 구조체로서 힘을 받을 수 있다.
- 막 구조에서 막은 거의 무게가 없어서 넓은 공간의 지붕 구조체로 효율성이 뛰어나다.
- 막 구조는 골조막 구조, 현수막 구조, 공기막 구조, 하이브리드 막 구조로 나눌수 있다. 골조막 구조는 막의 무게를 골조가 부담하는 구조 형식이고, 현수막 구조는 막의 무게를 케이블로 당겨서 지지하며, 공기막 구조는 공기압으로 막의 형태를 유지하는 구조이다.
- 공기막 구조는 단막 구조와 이중막 구조로 분류되며, 단막은 막 내부의 기압을 조절하여 낙하산에서와 같이 형태를 유지하는 형식이고, 이중막 구조는 풍선과 같이 막 안에 공기를 불어 넣어 구조물을 형성하는 구조 형식이다.
- 막 구조는 자연 친화성, 구조적 미, 공사 기간, 채광 등에서 장점이 있어 많이 사용한다.