본문내용
1. 돔 및 쉘 구조
1.1. 쉘구조의 정의
쉘구조의 정의는 다음과 같다.
쉘이란 말은 영어의 Shell에서 붙여진 말로서 곡면판을 의미하고 있으며, 오늘날 국제적으로 통용되고 있다. 쉘구조는 두께 방향의 치수가 다른 치수, 즉 곡률반경이나 스팬 등의 크기에 비해서 대단히 작은 곡면판 구조이다. 특히 곡률반경이 무한대로 될 경우, 그 곡면판을 평판이라고 부르고, 이는 곡면판의 특별한 경우에 해당된다.
다른 관점에서 쉘구조의 정의를 살펴보면, 수학적으로 이상화된 실체가 없는 곡면으로부터 출발하여, 그 곡면에 살 붙임(두께)으로써 쉘을 구성하고자 하는 발상이고, 2차원인 면에서 3차원인 입체공간으로 차원을 늘여 가는 것을 의미한다. 또 다른 개념은 3차원 물체를 출발점으로 하여 이를 2개의 곡면으로 둘러싼 것으로 구성하고자 하는 입장을 나타내고 있다. 이는 3차원 입체에서 얇은 두께의 물체로 차원을 줄여 가는 것을 의미한다.
따라서 쉘의 형상은 곡면으로 나타내지만, 쉘구조물을 취급할 때는 곡면 대신 기준면 또는 중앙 면이 이용된다. 마지막으로 얇은 굽은 판을 의미하는데, 평판의 휨에 의한 저항 매커니즘에서 곡면판의 면내럭에 의한 저항 매커니즘으로의 역학적인 변화를 내포하고 있다. 이와 같이 몇 가지 쉘의 정의로부터 알 수 있듯이 쉘 구조의 파악 방법이나 취급 방법에 다소 차이를 나타낸다.
1.2. 돔 구조의 정의 및 특징
돔 구조의 정의 및 특징은 다음과 같다.
돔은 구조물 중에서 가장 안정되고 단단한 구조물이라 할 수 있으며, 재료도 가장 적게 드는 구조물이다. 따라서 돔의 살 두께도 돔지름의 1/300~1/400이면 충분하다. 단점은 형틀제작에 공사비가 많이 드는 점이다. 또 돔에 외력이 가해졌을 때에 그 하단부분이 터질 가능성이 많으므로 테두리보로 충분히 동여매어야 한다. 또한 돔은 부분적 집중하중에 약하므로 지붕 한 부분이 하중이 걸려야 하는 경우에는 돔구조를 피하도록 하는 것이 좋다. 돔의 어원은 라틴어의 "domus dei(신의 집)"에서 나왔으며, 교회에 원형지붕의 잦은 사용으로 원형지붕을 '돔'이라 칭하게 되었다. 돔은 반구형으로 된 지붕이나 천장으로, 아치에서 발전된 반구형 건물구조체이다.
1.3. 쉘구조의 종류
1.3.1. 원통형 쉘
원통형 쉘은 주로 반원형의 단면을 사용한 원통으로서, 전체가 보의 작용을 하는 구조이다. 경간(경계축간 거리)은 철근 콘크리트인 경우 신축조인트 없이 건축할 수 있는 최대길이(약 60 m)까지 가능하며, 셸의 높이(원형부분의 반지름)는 일반구형보의 경우와 같이 경간의 약 1/10∼1/15이고, 셸의 살 두께는 원형부분의 지름의 1/30 내외가 적당하다. 또한 원형부분이 퍼지는 것을 막을 수 있도록 양끝 마구리를 막는 것이 효과적이다. 단원통 셸은 아치 상호간을 박단부분(薄端部分)이 벌어지지 않도록 지중보로서 상호 연결을 하거나, 또는 완전히 땅 속에 고정시키는 것이 효과적이다. 경간은 아치의 최대경간까지 가능하며, 200 m 경간의 실례도 볼 수 있다. 아치의 간격은 보통 7∼15 m이다."원통형 쉘은 건축물의 지붕에 사용되는 대표적인 쉘 구조 중 하나이다. 이는 주로 반원 단면을 가진 원통 형태로서, 전체적으로 보의 역할을 수행한다. 이 구조는 60m 정도까지의 경간을 가질 수 있으며, 셸의 높이는 경간의 1/10~1/15 정도이고, 셸의 두께는 지름의 1/30 수준이 적당하다. 또한 양끝단을 막아 원통이 벌어지는 것을 방지하는 것이 중요하다. 한편 단원통 셸의 경우 아치 사이의 얇은 부분이 벌어지는 것을 방지하기 위해 지중보로 상호 연결하거나 지중에 완전히 고정시키는 방법을 사용하며, 200m 경간까지 가능한 것으로 알려져 있다.
1.3.2. 구(돔)형 쉘
구(돔)형 쉘은 임의의 곡면을 어느 축을 중심으로 회전시켜 얻어지는 곡면을 말한다. 건축에서는 주로 지붕에 사용하는 구조재로서 이러한 곡면판을 외각(外殼)에 사용한 구조의 총칭이다. 이 구조는 세계 최대의 반구형 돔 건축물인 몬트리올 만국박람회 미국관, 파리의 과학공원 지오데식 돔형 극장, 일본 야구경기장 나고야돔 등에서 잘 나타난다. 구(돔)형 쉘은 구조적으로 안정되고 단단하며 재료가 가장 적게 드는 구조이기 때문에 200m 경간까지의 대규모 건축물 지붕 구조에 널리 사용되고 있다. 단, 형틀 제작에 건설비용이 많이 들고 부분적 집중하중에 약한 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 리브돔, 스웨들러 둠, 라멜라 돔, 네트워크돔, 지오데식 돔 등과 같은 다양한 돔 구조 형식이 발전했다""돔은 구조물 중에서 가장 안정되고 단단한 구조물이라 할 수 있으며, 재료도 가장 적게 드는 구조물이다. 따라서 돔의 살 두께도 돔지름의 1/300~1/400이면 충분하다. 단, 결점은 형틀제작에 공사비가 많이 드는 점이다. 또 돔에 외력이 가해졌을 때에 그 하단부분이 터질 가능성이 많으므로 테두리보로 충분히 동여매어야 한다. 또한 돔은 부분적 집중하중에 약하므로 지붕 한 부분이 하중이 걸려야 하는 경우에는 돔구조를 피하도록 하는 것이 좋다""
1.3.3. HP 쉘
HP 쉘은 직교하는 2개의 포물선(parabola)으로 이루어진 곡면을 가진 쉘이다. 상향포물선이 하향포물선을 따라 이동하였을 때 생기는 곡면이 HP 쉘의 형태이다. HP 쉘의 수평단면은 한 쌍의 쌍곡선(hyperbola)이 나타나므로 쌍곡포물곡면 쉘이라 불리며, 약칭으로 HP 쉘이라고 한다.
HP 쉘은 다음과 같은 특징이 있다. 첫째, 철근콘크리트 HP 쉘의 형틀은 직선재만으로 구성할 수 있어 형틀제작이 쉽다. 둘째, 2개의 HP 쉘의 접합부분을 직선으로 할 수 있어 여러 개의 HP 쉘을 합친 형태의 각종 구조물을 만들 수 있다.
HP 쉘은 직선만으로 이루어진 곡면 구조이기 때문에 기존의 곡면 구조에 비해 설계와 시공이 용이하다는 장점이 있다. 또한 구조적으로도 안정성이 높아 대공간 구조물에 적용할 수 있다. 이러한 특성으로 인해 HP 쉘은 건축 구조물에서 활용도가 높은 쉘 구조 형식 중 하나로 평가받고 있다.
1.3.4. 추동형 쉘
추동형 쉘은 하나의 평면곡선을 그 면과 직각되는 방향으로 평행이동시켜 얻어지는 곡면 구조물이다. 즉, 하나의 평면 곡선을 수직 방향으로 평행이동시킴으로써 공간적인 구(shell)을 구성하는 것이다. 이러한 추동형 쉘은 다양한 곡선을 사용할 수 있으므로 다양한 형태의 쉘 구조물을 만들어낼 수 있다. 대표적인 추동형 쉘로는 원통형 쉘, 구(돔)형 쉘, HP쉘 등이 있다. 추동형 쉘은 수직하중과 수평하중을 동시에 지탱할 수 있으며, 단순한 기하학적 형태로 인해 제작과 시공이 용이하다는 장점이 있다. 또한 자유로운 곡선 선택이 가능하므로 다양한 미적 효과를 창출할 수 있다. 한편 추동형 쉘은 복잡한 형상으로 인해 구조 해석이 어렵고, 처짐과 국부 응력 집중 등의 문제가 발생할 수 있다는 단점이 있다. 따라서 추동형 쉘을 적용할 때에는 면밀한 구조 검토가 필요하다.""
1.3.5. 원뿔형 쉘
원뿔형 셸은 원뿔 또는 원뿔곡면을 이용한 구조물이다. 원뿔형 셸은 아치 상호간을 박단부분이 벌어지지 않도록 지중보로서 상호 연결을 하거나 완전히 땅 속에 고정시키는 것이 효과적이다. 경간은 아치의 최대경간까지 가능하며, 200 m 경간의 실례도 볼 수 있다. 아치의 간격은 보통 7∼15 m이다. 원뿔형 셸은 강도와 안정성이 있으며 형태적으로 우아하고 실용적인 구조 시스템이다. 이러한 원뿔형 셸은 지붕 구조나 탑 등의 건축물에 주로 사용되고 있다. 특히 자연경관과 잘 어울리는 아름다운 실루엣을 만들어낼 수 있어 다양한 건축물의 지붕으로 활용되고 있다. 또한 원뿔형 셸은 구조적으로 안정성이 높고 경제적이기 때문에 대규모 공공시설이나 전시관, 스포츠 시설 등의 지붕으로 자주 사용된다.
1.4. 돔구조의 종류
1.4.1. 리브돔
리브돔(rib dome)은 원주 방향과 반지름 방향의 부재 반복으로 만들어진 돔구조이다. 리브(rib)라는 부재가 짜는 구조형태로 인해 이름 붙여진 돔 유형이다.
리브돔은 전통적인 돔 구조에서 발전한 형태로, 원주 방향의 부재와 반지름 방향의 부재를 교차시켜 짜는 방식으로 구축된다. 이러한 방식을 통해 돔 구조의 안정성과 지지력을 향상시킬 수 있다. 리브돔은 각각의 교차점에서 돔의 본체와 연결되는 지점이 생성되어, 돔 전체의 강성을 높이고 하중을 효과적으로 분산시키는 역할을 한다.
리브돔 구조는 트러스 이론을 적용하여 설계되며, 부재들의 교차점에 형성되는 절점으로 인해 돔 전체의 강성이 높아진다. 또한 리브의 배치 형태와 부재의 단면 크기 조절을 통해 돔의 구조적 거동을 최적화할 수 있다. 이처럼 리브돔은 전통적인 돔 구조에 비해 상대적으로 가벼우면서도 구조적 안정성이 높은 편이다.
대표적인 리브돔 사례로는 러시아 모스크바의 성 바실리 성당, 미국 미네소타 주의 미네소타 대학교 버클리 예술센터 등이 있다. 이 건물들은 리브돔의 구조적 장점을 잘 활용하여 대공간을 효과적으로 구현해낸 사례라고 할 수 있다.
1.4.2. 스웨들러 둠
스웨들러 둠(Schwedler Dome)은 리브돔의 한 유형으로, 리브돔 구조에 있어 주목할 만한 발전을 이루었다고 볼 수 있다.
리브돔(Ribbed Dome)은 돔의 표면을 격자 구조로 분할하여 각 부재가 서로 연결되어 지탱하는 구조이다. 돔을 구성하는 리브(rib)들은 동심원을 따라 배치되고 이를 가로지르는 리브들과 교차하며 격자 구조를 이룬다. 이러한 격자 구조를 통해 역학적 강성을 확보하고 부재 크기를 최소화할 수 있다는 장점이 있다.
스웨들러 둠은 리브돔의 일종으로, 리브 사이의 공간을 좀 더 세부적으로 분할하여 안정성을 높인 구조이다. 리브들이 교차하는 지점에 추가적인 보강재를 배치함으로써 지지점을 증가시키고 전체적인 강성을 높였다. 이를 통해 돔의 스팬을 늘릴 수 있게 되었다.
이처럼 스웨들러 둠은 기존 리브돔의 구조를 개선하여 보다 넓은 공간을 확보할 수 있게 한 혁신적인 돔 구조 시스템이라 할 수 있다. 특히 대공간이 필요한 체육관, 전시관 등의 건축물에 적용된 사례가 많으며, 공간 효율성과 구조적 안정성이 우수하다는 평가를 받고 있다.
1.4.3. 라멜라 돔
라멜라 돔은 원주방향의 부재 없이 반지름 방향의 부재를 곡선형으로 서로 교차시켜 만든 돔 구조이다. 라멜라 돔은 골조에 의한 강성 증대 효과가 크고, 단위 면적당 재료 사용량이 적은 구조적 장점이 있다.
라멜라 돔은 가벼우면서도 매우 강한 구조로, 부재가 곡선형태를 이루고 있어 효율적으로 하중을 전달할 수 있다. 또한 원주방향 부재가 없어 개구부를 자유롭게 만들 수 있는 장점이 있다. 라멜라 돔은 단순하면서도 미학적으로 아름다운 외관을 가지고 있어 대규모 공간을 필요로 하는 건축물에 많이 사용되고 있다.
라멜라 돔의 구조는 반지름 방향의 부재가 서로 교차하면서 곡선을 이루는데, 이러한 구조적 특성으로 인해 하중을 효과적으로 분산시킬 수 있다. 또한 원주방향 부재가 없어 내부 공간의 활용도가 높아 전시관, 박물관, 체육관 등 다양한 용도로 활용되고 있다.
라멜라 돔 구조는 시공이 비교적 복잡하지만, 반지름 방향의 부재만으로 구성되어 있어 재료 효율성이 높다는 장점이 있다. 특히 곡면 형태로 인해 빛과 공간의 조화를 이루어 내부 공간이 매우 아름답고 독특한 분위기를 연출할 수 있다.
라멜라 돔은 복잡한 기하학적 형태와 구조적 역학 특성으로 인해 설계와 시공에 많은 노력이 필요하지만, 효율적인 하중 분산과 경량성, 그리고 미학적 아름다움으로 인해 현대 건축에서 큰 주목을 받고 있는 구조 형식이다.
1.4.4. 네트워크돔
네트워크돔(network dome)은 라멜라 돔에서 발전한 형태로, 원주방향의 부재 없이 반지름 방향의 부재를 곡선형으로 서로 교차시켜 만든 돔 구조이다. 라멜라 돔과 달리 원주방향으로도 부재가 추가되어 더 체계적인 형태를 가지고 있다.
네트워크돔은 구조적으로 단순함과 효율성을 동시에 달성할 수 있는 장점이 있다. 부재의 교차로 인해 삼각형 격자가 형성되어 구조적 안정성이 높고, 부재 수가 많아 균등한 힘 분배가 가능하다. 또한 곡선으로 이루어진 부재로 인해 자연스러운 미적 아름다움...
