공학 자료등록 건축 특수구조 - 현수구조 조사 레포트

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공학 자료등록 건축 특수구조 - 현수구조 조사

[공학] 건축 특수구조 - 현수구조 조사

건축 특수구조 - 현수구조 조사

현수구조는 수직하중을 지반에 전달하는 기둥과 로프, 와이어와 같은 케이블로 구성되어 있어 프리스트레스(prestress : 미리 응력을 가하는 것.) 되어 3차원적으로 만곡된, 편평한 하중을 가진 구조물들과는 다르다. 현수구조는 지붕면의 경사로 인한 충분한 자중이나 프리스트레스 인장력으로 안정될 수 있고 지붕면 곡선은 우세한 조건으로 자체적 질서를 따라 형성 되어 보통 한 방향으로만 만곡 된 구조로서 프리스트레스 없이 자중으로서 안정된다.

현수구조는 현대에 와서 현실화된 구조시스템이 아니라 기원 전 8000년 무렵부터 유목민에 의해 텐트구조와 함께 사용되었다. 유목민들은 유랑생활을 했기 때문에 조립식 주거공간이 필요했고 자신들의 주거공간을 빠른 기간 내에 설치하고 철거할 필요가 있었기 때문이다. 그러므로 유목민들은 현수구조로 된 주거공간을 만들기 위하여 중심 폴을 지반에 정작 시키고 대나무나 로프에 의해 동물가죽으로 된 천막을 지지하였다. 유목민들에 의하여 시작된 현수구조는 돛을 가진 배에 이용되었고, 특히 교량에서는 현수구조를 채택함으로써 최고 2000m에 가까운 장스팬(long span : 기둥과 기둥 사이가 긴 것.)의 시대를 맞고 있다.

현수구조가 장스팬 을 가능하게 할 수 있는 것은 케이블이 전단력과 휨에 저항하는 것이 아니라 순수 인장력만을 부담하기 때문이다. 예를 들자면 우리가 야영 중 나무가지를 꺾을 때 끌어당겨서 뽑지 않고 구부려서 꺾는 경우로부터 알 수 있다. 잡아당겨 뜯는 데는 꺾을 때보다 수십 배, 수백 배의 힘이 필요하다는 것을 체험적으로 알고 있기 때문이다. 1톤의 중량을 원형단면 길이 10m의 단순보의 중앙에 작용 시킨다면, 그것을 매다는 데에 필요한 원형봉의 약 40배의 단면적을 필요로 하게 된다. 따라서 강도 면에서의 현수구조는 상당히 이상적인 구조 시스템이라 할 수 있다.

현수구조의 케이블이 전단력과 휨에 저항하지 않고 순수 인장력만 부담할 수 있는 이유는 케이블은 본래 연성구조이고 모양이 유동적이기때문에 인장력만 전달 할 수 있기 때문이다. 그러나 케이블을 인장력으로만 작용시키기 위해서는 각 하중조건에 따라 케이블의 형태를 달리해야 한다.

케이블이 수직하중을 지지하는 구조를 예로 설명하기 위하여, 두 사람이 줄을 잡고 있다고 가정하고 두 사람이 줄을 서로 팽팽하게 당기기 전을 생각해보면 줄의 자중에 의해 줄은 아래로 볼록한 포물선의 형태를 이루고 있을 것이다. 그 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. 줄의 양 끝을 잡고 있는 손이 안으로 끌려가게 되는 현상은 케이블에 발생하는 수직하중을 지지하기 위하여 케이블 지지점에서 추력이 발생하는 현상이다. 그리고 반대로 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
증가 하지만 케이블에 발생하는 인장력은 감소하게 되므로 단면적을 줄일 수 있게 된다.
케이블이 이루는 아래로 볼록한 현수선의 최적의 처짐은 스팬의 약 1/3이다. 처짐과 스팬의 비를 1/3으로 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.

이러한 현수구조를 적용하는 방식에는 크게 두 가지로 구분할 수 있는데, 첫 번째는 탑 모양의 기둥을 세워서 플랫에 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 네르비는 천재성을 발휘하여 만토바에 있는 종이공장의 지붕에 현수교량 시스템을 도입하였는데, 이 공장은 폭 30m, 순 스팬249m 규모의 건물로, 기둥은 케이블의 추력을 받기 위해 후면으로 기울어져 있어서 마치 그리스 문자 λ(lambda)와 같은 모양이며 짧은 콘크리트 지주로 지지되어 있다.

현수지붕 중 수평지붕은 지상에서 조립된 철근콘크리트 보와 슬래브로 구성되어 있고, 와이어 행거 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.

가장 간단한 케이블 지붕은 휨에 저항할 수 있는 기둥과 케이블로 구성되며 케이블은 보나 건물과 같은 구조 요소를 지지하기 위한 인장기둥이나 현수부재로 사용된다. 케이블 지지구에서 바닥은 풍하중과 출렁임에 의해 발생되는 상승력에 저항하기 위해 최소한의 자중이 필요하고 케이블의 수평력은 지붕보에 압축력으로 전달되고 자중으로 발생하는 높은 휨모멘트를 지지한다.

몇 개의 대규모 현수 지붕이 1965년 오토와 로프가벌드에 의해 디자인되어 메카의 회의 센터를 덮고 있는데 1972년 완성되었다. 원래는 파이살 왕의 추천으로 줄 망 구조를 위한 공모 설계가 리야드의 회의 센터에 사용된 것이다. 이 설계는 실현되지 않았으나 메카 회의 센터 설계를 위임받고 건립하도록 했다. 메카 도시의 변방에 있는 큰 콤플렉스는 호텔과 회의장의 두 지역으로 구성되어 있는데 각각 내부 중정을 둘러싸는 방식으로 정리되었다. 이 현수 지붕은 철사와 목재 커버


자료출처 : http://www.ALLReport.co.kr/search/detail.asp?pk=15020847&sid=qjfRnf777&key=



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