초고층, 대공간 건축물 구조시스템 원리 이해하기(다이아그리드와 막구조)

문서 내 토픽

• 1. 초고층 건물의 개요

  초고층 건물의 기준은 시대에 따라 다르며, 세계초고층협회는 높이 200m 이상, 50층 이상인 건물로 정의하고 있다. 초고층 건물은 바람이나 지진과 같은 활하중이 구조설계에 큰 영향을 미치는 건물로 정의된다. 현대 사회의 사회적/경제적 요소들이 전세계적으로 초고층 빌딩의 증가를 부추기고 있다.

• 2. 초고층 건물의 구조 요소기술

  초고층 건물의 주요 구성 요소는 강재, 콘크리트, 합성재료이며, 수직하중 및 횡하중 시스템이 가장 중요한 시스템이다. 철을 사용하면 벽돌보다 훨씬 더 적은 양으로도 튼튼한 건물을 지을 수 있다. 수직하중 저항시스템에는 슬래브와 보, 기둥, 트러스, 기초 등이 있으며, 횡하중 저항시스템에는 벽체, 골조, 트러스, 다이아그리드 등이 있다.

• 3. 초고층 구조 시스템

  초고층 건물의 내풍 및 내진 구조 계획에는 기둥 축소량, 코어 계획, 초고층건물 조인트 계획 등이 중요하다. 기둥 축소량은 건물의 고층화에 따라 심해지며, 이로 인해 층고와 하중 불균형이 발생할 수 있다. 이를 보정하기 위해 건물 완공 후 일정 시점에서 수평부재의 설계 레벨을 확보하도록 한다. 고층부와 저층부 조인트 계획 시 expansion joint와 delay joint 등을 사용한다.

• 4. 횡력저항 구조 시스템

  고층 건물은 바람하중에 의해 영향을 많이 받으므로, 횡력을 지지하기 위한 수직적 구조 또는 벽체가 필요하다. 대표적인 횡력저항 구조 시스템으로는 아웃리거 벨트 시스템, 튜브 구조 시스템, SPINE WALL 구조, 수퍼프레임 구조 등이 있다.

• 5. 다이아그리드 시스템

  다이아그리드는 철골조 대형 건축물을 구성하는 대각선 방향의 반복적인 삼각형 요소 디자인으로, 하중의 흐름에 절대적으로 순응한다. 다이아그리드 구조는 휨강성 뿐만 아니라 전단강성도 제공하여 코어에 큰 강성을 요구하지 않는다. 다이아그리드 부재의 각도에 따라 전단 및 휨에 대한 저항 성능이 달라지며, 63°~76° 사이의 각도가 이상적이다.

• 6. 대공간 구조의 개요

  대공간 구조는 3차원적인 힘의 흐름과 면내력에 의해 외부 하중에 대한 저항 능력을 확보하는 형태저항형 구조이다. 지붕 구조는 점차 경량화되어 20세기 후반에는 공기막 구조가 등장하였다. 대공간 구조시스템에는 트러스 및 입체트러스구조, 돔 구조, 쉘 구조, 막 구조, 케이블 구조 등이 있다.

• 7. 막 구조 시스템

  막 구조는 기하학적으로 발생되는 면내 인장력에 의해 외력에 저항하는 형태저항형 구조물로, 코팅된 직물을 주재료로 사용한다. 막 구조의 종류에는 공기막 구조, 비공기막 구조(장력막 구조, 골조막 구조) 등이 있다. 막 구조는 대규모 공간 창조, 밝은 내부공간, 유니크한 외관 등의 장점이 있다.

• 8. 막 구조 시스템 적용 사례

  제주 월드컵 경기장은 장력막 구조, 서울 월드컵 경기장은 골조막 구조, 인천 월드컵 경기장은 공기막 구조(공기팽창방식), 대구 월드컵 경기장은 골조막 구조 등 다양한 막 구조 시스템이 적용되었다.

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• 1. 주제2: 초고층 건물의 구조 요소기술

  초고층 건물의 구조 요소기술은 매우 중요합니다. 건물의 안전성과 내구성을 확보하기 위해서는 기초, 기둥, 보, 슬래브 등 각 구조 요소의 설계와 시공이 정밀하게 이루어져야 합니다. 특히 지진이나 강풍과 같은 외부 하중에 대한 내진 설계와 풍하중 대응 기술이 필수적입니다. 또한 건물의 수직 이동을 위한 엘리베이터 시스템, 배관 및 전기 설비 등 다양한 건축 설비 기술도 중요한 역할을 합니다. 이러한 구조 요소기술의 발전은 초고층 건물의 안전성과 편의성을 높이는 데 기여할 것입니다.

• 2. 주제4: 횡력저항 구조 시스템

  초고층 건물에서 횡력저항 구조 시스템은 매우 중요한 역할을 합니다. 지진이나 강풍과 같은 수평 하중에 효과적으로 대응하기 위해서는 적절한 횡력저항 구조 시스템이 필요합니다. 대표적인 횡력저항 시스템으로는 전단벽 시스템, 브레이스 프레임 시스템, 튜브 시스템 등이 있습니다. 이러한 시스템은 건물의 높이, 용도, 지역 특성 등을 고려하여 선택되며, 최근에는 이들 시스템을 결합하거나 첨단 기술을 접목하여 더욱 효과적인 횡력저항 성능을 확보하고자 하는 노력이 이루어지고 있습니다. 횡력저항 구조 시스템의 발전은 초고층 건물의 내진 성능과 내풍 성능을 향상시키는 데 기여할 것입니다.

• 3. 주제6: 대공간 구조의 개요

  대공간 구조는 초고층 건물이나 대규모 시설물에서 효과적으로 활용되는 구조 시스템입니다. 이 시스템은 장스팬 구조를 통해 기둥이나 벽체 없이 넓은 공간을 확보할 수 있어 공간 활용도가 높습니다. 대표적인 대공간 구조로는 트러스 구조, 아치 구조, 돔 구조 등이 있습니다. 이러한 대공간 구조는 건물의 용도와 규모, 지역 환경 등을 고려하여 적절한 방식이 선택됩니다. 최근에는 첨단 재료와 시공 기술을 활용하여 대공간 구조의 경량화와 내구성 향상을 위한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 대공간 구조의 발전은 초고층 건물과 대규모 시설물의 설계 및 시공 기술 향상에 기여할 것으로 기대됩니다.

• 4. 주제8: 막 구조 시스템 적용 사례

  막 구조 시스템은 다양한 초고층 건물과 대규모 공간 구조에 적용되고 있습니다. 대표적인 사례로는 중국 베이징의 국립수영장, 싱가포르의 마리나 베이 샌즈 호텔, 독일 뮌헨의 올림픽 경기장 등을 들 수 있습니다. 이러한 건물들은 막 구조 시스템을 통해 개방적이고 투과적인 공간을 구현하였으며, 에너지 효율성과 내구성 향상에도 기여하고 있습니다. 최근에는 막 구조 시스템의 적용 범위가 더욱 확대되어 공항, 전시관, 스포츠 시설 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다. 이러한 막 구조 시스템의 성공적인 적용 사례는 초고층 건물과 대규모 공간 구조 설계의 새로운 가능성을 보여주고 있습니다.