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건축기사 토막지식

장스팬 건물 구조계획

by k소장 익스크롬 2021. 2. 28.
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스팬 span 구조 부재간의 거리를 말합니다 교량에서는 지간을 말하고 건축물에서는 기둥 중심간 거리를 말합니다.

장대구조  long spanned structure 라고 해석이 되는데......

건축물에 대한 설계 및 시공 수준이 아직 선진외국에 비해 아주 미약하지만 철골트러스 구조는 장스팬을 구축하는데 많이 사용되어 지고 있는 시스템이라 할수 있겠습니다. 국내에서도 설계 및 시공분양에서도 자립화 되었다고는 하지만 아직은 부족한적이 많이 있는 것으로 알고 있습니다..

국내에서도 이 분야에 대한 관심이 높아져 중·소규모의 시설물에 대한 설계 및 시공의 자립도가 어느 정도 이루어져 있지만 선진외국에 비하면 아주 미약한 수준이라고 할 수 있다. 철골트러스구조는 장스팬을 구축하는데 가장 많이 이용되는 시스템이다. 이 분야에 대한 국내의 설계 및 시공기술은 어느 정도 자립화되어 있다고 생각하지만 아직은 부족한 것이 사실이고, 골조자체에 외부에서 프리스트레스트 및 포스트텐션을 가하여 트러스춤을 줄인다든지, 상·하현재에 미리 매입된 케이블을 잡아당겨 응력의 변화를 유도하여 트러스춤을 줄임과 동시에 강재량을 절약하는 공법에 대해서는 매우 미약하다고 하여도 과언은 아니다. 장스팬 건축물은 산업사회의 발달에 힘입어 최근에 그 수요 또한 늘고 있지만, 이 분야에 대한 국내의 기술수준은 선진국에 비해서 상대적으로 낙후되어 있다. 국내의 장스팬 건축물 시공시에 설계 및 시공단계에서 외국기술에 대한 의존도가 크고, 외국의 설계기준에 따라 설계, 시공되기 때문에 기술습득이 늦어지고 있다. 이 분야에 대한 국내의 연구실적은 일부 대학에서의 학술적인 연구가 주종을 이루고 설계 및 시공에 관련된 기술개발은 미미한 실정이어서 현장에서의 실용화하고는 아직 거리가 먼 것이 사실이다. 또한, 국내에는 이분야와 관련된 설계지침서 및 시방서가 전무하여 외국의 것을 그대로 참조하고 있는 것이 현실이다. 따라서 국내 건설시장의 개방화 추세에 대비하고 국제 경쟁력을 향상시키기 위해서, 장스팬 건축물에 관한 기술개발 및 자립화는 매우 시급하다. 이에, 본 연구에서는 국내에서 생산되는 각형강관을 이용한 트러스에 대해 실험 및 이론해석을 병용하여 중점적으로 연구하고, 연구결과를 토대로 개선된 각형강관 트러스 시스템을 제안함과 동시에 여러 형식의 트러스 이음부에 대한 설계식을 제안하여 국내지침서 및 시방서의 작성에 도움을 주는 데 연구의 목적이 있다. 또한, 프리스트레스트를 도입한 철골 트러스에 대해서도 문헌연구를 병행하여 이 분야에 대한 기본개념, 긴장력 도입방식과 긴장력 정착방식등을 조사·분석하여 국내 기초자료의 정립에 도움을 주고자 한다.

 

1) 장스팬 건축물 조사·분석 건물용도별 장스팬 구조방식 조사·분석 및 재료에 따른 장스팬 구조방식 조사·분석 2) 철골트러스 공법 연구 철골트러스 장스팬 구조방식의 조사·분석 연구와 강관 트러스 구조방식 및 외부 긴장력 도입방식 철골트러스의 조사분석 연구 3) 각형강관의 재료역학적 특성에 관한 연구 국내생산 각형강관의 인장 및 압축시험을 통한 재료적 특성 파악 4) 각형강관 트러스 접합부의 실험 및 이론해석(1 차) 이음방식에 따른 접합부의 내력 및 변형 성상을 파악하기 위해서 단조가력 시험을 통한 분기이음 형상별 거동의 파악 및 이론해석을 통한 실험결과와 해석결과와의 비교·분석 <2 차년도(1996 년)> 5) 각형강관 트러스 접합부의 실험 및 이론해석(2 차) T 형 및 K 형 접합부 실험에서 기존형태인 정방형과 개선형태인 지관 45° 회전형의 내력 및 변형성상의 변화여부를 확인하고, 이론해석을 병행함 6) 트러스 접합부의 내력 및 변형성상에 관한 실험연구 3 격간 트러스와 5 격간 트러스에서의 접합부 이음형상에 따른 내력 및 변형성상을 규명하고 지관 45° 회전에 따른 성능개선효과의 검증. 7) 각형강관 T 형 및 K 형 접합부의 설계식 제안 정방형과 지관 45° 회전형에 대한 설계식을 허용응력설계법 및 한계상태설계법에 따라 제시함 - 8 - 8) 긴장력 도입방안 및 시공방안에 대한 문헌연구 프리스트레스 도입 철골트러스의 긴장력 도입방식과 정착방식에 대한 조사·분석

 

1.4.1 활용방안 1) 각형강관 T 형 및 K 형 접합부의 설계식 활용 ① 정방형 : 지관과 주관의 회전이 없는 형태 ② 지관 45° 회전형(개선형) : 지관만을 45° 회전시켜 접합한 형태 2) 국내 각형강관 트러스 접합부에 대한 연구의 토대 마련과 실험 및 이론해석에 대한 자료제공 3) 각형강관 트러스의 설계 및 시공시에 지관 45° 회전형 접합형식의 활용 4) 지관 45° 회전형(개선형) 접합형식의 개선 및 개발로 인한 국제 경쟁력의 제고 1.4.2 기대효과 1) 지관 45° 회전형의 적용시 정방형에 비해 내력의 개선효과 ① T 형 접합부 : 항복내력이 최저 약 15%증가 ② K 형 접합부 : 최대내력이 평균 약 11%증가 2) 내력의 개선효과로 인한 강재사용량의 절감효과 예상 3) 지관 45° 회전형의 적용시 정방형에 비해 변형능력의 개선효과 ① T 형 접합부 : 파괴모드의 변화(최대내력 이후에도 내력을 그대로 유지하는 파괴모드로 전환) ② K 형 접합부 : 급격한 내력감소형에서 충분한 소성변형능력을 발휘하는 형태로 파괴모드의 전환 4) 충분한 변형능력의 확보로 인한 안정성의 제고

2. 장스팬구조의 종류 및 특성 2.1 일반사항 최근에는 국내의 산업발달 및 경제력 향상에 힘입어 스포츠 및 종합레져시설, 공항의 대형 격납고, 산업박람회 관련시설물을 중심으로 무주대공간의 장스팬구조의 창출에 대한 요구가 증가하고 있으며 재료와 시공법의 발달 및 컴퓨터를 이용한 해석기술의 발달로 점차 그 규모가 초대형화되어 가고 있는 추세이다. 장스팬 구조는 재료와 구조시스템에 따라 좌우되지만 일반적으로 스팬이 30m 이상으로 붕괴할 위험성이 높기 때문에 일반 건축구조물과는 다른 설계방법·재료를 사용해야 하고 특별한 상세기술이 필요할 뿐만 아니라 건물의 외관이 독특하다. 또한, 장스팬은 규준으로 주어지는 것보다 훨씬 정확한 하중의 평가가 요구된다. 장스팬구조를 구축하는 방식에는 시대별로 돔쉘구조, 서스펜션구조, 스페이스 프레임구조, 케이블구조, 공기막구조, 이들을 혼합한 복합구조 등이 대표적인 구조 방식이다. 현재 장스팬구조의 주류를 이루는 쉘구조, 서스펜션구조, 트러스구조 등은 고대의 아치구조, 막구조, 로프구조 등이 발전된 형태이다. 그러나, 최근에 등장한 공기막구조는 재료자체로 중력을 지지한다는 개념에서 벗어나 가압된 공기에 의해 중력을 지지한다는 새로운 개념이다. 또 하나의 새로운 구조방식은 복합구조이다. 서울올림픽 체조경기장과 조지아 돔등 대스팬 막구조물에 가장 많이 이용되고 있는 케이블-트러스 복합구조(Tensegrity)등이 여기에 해당된다. 장스팬구조의 각 용도별 스팬의 범위를 살펴보면 실내체육관 시설은 대략 40m∼235m 의 분포를 가지며, 공항은 30m∼90m 전시장은 30m∼130m, 격납고는 40m∼100m 의 스팬을 가진다. 구조형식별 스팬의 규모는, 아치볼트구조는 114m 내외, 돔 쉘구조의 스팬분포는 40m∼200m 의 분포를 보인다. 평판형 스페이스 프레임은 25m~l90m 의 스팬분포를 보이며 휨응력을 사용하는 구조중에서 효율성이 높은 포탈프레임구조는 35m∼98m, 인장구조인 케이블부착구조는 30m∼130m, 공기막 구조는 20m∼220m 의 분포를 보이고 있다. 연대별로 스팬이 가장 큰 구조형식을 살펴보면 쉘구조가 본격적으로 건설되기 전인 19 세기말과 1950 년대 까지는 아치볼트가 대형공간의 구조형식으로 널리 사용되었으며 그 이후 1970 년대 중반 까지는 RC 및 철재 리브돔 쉘구조가 그 이후로는 공기막구조가 최대스팬의 구조형식으로 자리잡고 있다. 200m 이상의 스팬을 가진 구조형식은 공기막구조와 쉘구조 등이다. (大韓建築學會學術發表論文集, 1995. 6) 장스팬구조는 방대한 요소기술의 복합체로서 거대한 볼륨을 갖는 구조물을 만들기 위해서는 재래기술의 개량에 더하여 새로운 기술의 개발이 불가결하다. 건물의 안전성을 확보하기 위한 - 10 - 가구(架構)관련기술이 무엇보다 중요하지만 공조·조명등 설비관련기술, 피난·소화등 방재관련기술등 유용한 거대공간을 실현하기 위해서는 수많은 기술의 조합이 필요하다. 2.2 장스팬구조의 소재특성 (建築技術情報, 1994.2) 장스팬 건축구조기술에 있어서 구법전반에 대한 통찰과 동시에 최소의 재질로 최대의 공간을 구축하는 것이 구조기술 최대의 과제이다. 구조특성의 파악만으로 일의적으로 구조형태를 형상화할 수 없지만 역학이나 시스템공학·공법론 또는 생산론 등을 매개함으로써 소재 고유의 특성을 구축할 수 있다. 구조 요소들에 채택된 형상들은 가공된 재료의 물리적 성질인 강도, 강성, 밀도에 크게 영향을 받는다. 그 중에서 재료의 강도는 이들이 전달하는 내부의 힘의 종류와 크기를 결정지으므로 재료의 성질에 적합한 요소의 형상들을 결정한다. 본 절에서는 구조재료들 중에서도 대형공간 구조물의 주요재료인 목재, 철, 철근콘크리트, 막의 소재특성을 살펴보고자 한다. 2.2.1 목재 최근 수년간 일본을 비롯한 북미를 중심으로 목구조, 특히 대형 목조건축의 발전에는 새로운 목재재료의 개발 등에 힘입어 괄목할만한 성장을 이루었다. 이들 건물에 사용되는 목재의 재료도 지금까지의 제재차원에서 엔지니어 우드로 불리우는 재료가 사용되기 시작하였다. 엔지니어링 우드는 성능의 차이가 적고 강도성능이 보장된 목재 엔지니어링을 위한 목재·목질재료로 정의하고 있다. 엔지니어링 우드로 불리우는 것에는 구조용집성재·구조용 LVL(Laminated Veneer Lumber) I 형빔·MRS 재(기계적으로 등급이 구분된 제재)·핑그조인트재나 OSB.WB(모두 깍은 조각을 접착가공한 구조용 패널)등이 있다. 구조용집성재는 대형목조건축에 주로 사용되는 재료로서 최근에는 장대재를 얻기 위해 레미나(Lamina)의 세로이음을 지금까지의 스카프조인트에서 핑거조인트로 대체하였다<그림 2.1>. 핑거조인트는 세로의 이음강도가 약간 떨어지지만 가공품셈이 좋고 자동화가 되며 접착후 즉시 취급이 가능하다는 제조상의 이점이 있다. <그림 2.1> 레미나의 세로이음(Vertical Joints of Lamina) 구조용 LVL 은 두께 수㎜의 단판을 겹친 목질재료이며 합판이 단판의 섬유방향을 각층마다 직교시키고 있는데 비해 LVL 은 평행한 것이 특징이다. LVL 을 플랜지재로 이용한 목질 I 형빔은 - 11 - 경량에다 장척인 장선이나 서까래재로서 주택 외에도 여러 용도에 사용된다. 파라팜(PSL : Parallel Stand Lumber)은 북미에서 개발된 엔지니어링 우드로서 길이 2.4m 두께 2 ㎜∼4 ㎜의 판을 건조후 접착제를 분무한 스트랜드를 차례로 죄면서 마이크로파로 가열해서 단면 279×431 ㎜의 제품을 연속적으로 제조하는 것이다. (1) 목구조의 구조와 형태 일반적으로 철 또는 콘크리트로 구성되는 건축구법 및 형태의 대부분은 목구조에 의해 원칙적으로 형성가능하다. 더욱이 목재는 철 또는 콘크리트 보다 가공성이 좋은 소재이므로 목구조의 구법과 형태는 철 또는 콘크리트와 동등 이상의 폭넓은 구법과 자유로운 형태를 형성할 수 있는데다 따뜻하고, 아늑한 실내공간을 제공할 수 있는 장점이 있다. 몇가지 사례를 들어 목구조의 구법 및 형태에 관하여 설명한다. 가. 이즈모돔 이즈모돔은 직경 140m 나 되는 일본 최대의 목조건축이며 <그림 4.42>처럼 대형 단면집성재의 아치, 철골조의 압축링, 케이블재에 의한 텐션링·PC 강봉에 의한 브레이스 및 막재료로 구성되는 복합구조이다. 대형 단면집성재에 의한 아치부재는 가장 중요한 구조요소이며 돔의 주응력인 방사방향의 압축력을 하부구조에 전달하고 있다. 아치부재는 <그림 2.2>처럼 두 개 주재(主材)와 충복재로 구성되는 조립부재로 하여 약축둘레의 굽힘강성을 확보하는 동시에 압축력에 의한 아치부재의 좌굴내력을 향상시키고 있다.

철근콘크리트 - 15 - 콘

크리트는 시멘트·물·골재(자갈·모래·깬돌)를 원재료로 사용하여 이것들을 혼합하여 단체(單體)로 경화시킨 복합재료이다. 최근에는 콘크리트의 품질개선이나 경제효과를 꾀할 목적으로 각종 혼화재료를 사용하는 경우가 많다. 건축구조 재료로서 콘크리트는 강재에 비해 ① 내화성·내구성이 뛰어나 다양한 형상의 구조물에 대응가능, ② 조형성이 뛰어나 다양한 형상의 구조물에 대응가능, ③ 재료의 조달이 용이하고 제조설비가 비교적 간단, ④ 재료가 비교적 값싸서 경제적으로 건설가능, ⑤ 중량감이 있는 강성이 높은 구조물이 이루어지며 방진성·차음성·단열성 등 거주성에 적합한 등의 장점이 있는 반면, ① 강도에 비해 자중이 크고 부재치수가 커진다, ② 인장강도가 작아 균열이 생기기 쉽다, ③ 변형성능이 작은 취성재료이다, ④ 시공이 노무집양형이며 성능에 영향, ⑤ 개조·파괴에 많은 비용이 든다 등의 결점이 있다. 콘크리트는 압축강도에 비해 인장강도가 약 (1)/(10)로 작고 더욱이 변형성능이 작은 취성(무른성질)재료이다. 때문에 인장강도가 크고 인성재료인 철근으로 보강함으로써 콘크리트구조부재·골조에 내력과 점성을 갖추게 할 수 있다. 철근콘크리트 구조는 연속된 일체구조이며 조형성이 뛰어나 갖가지 형상의 구조물에 적용되고 있다. 통상의 기둥·보 골조(라멘구조)뿐만 아니라 보가 없는 플랫슬래브구조, 기둥이 없는 벽식구조, 아치, 돔, 쉘 등에도 적용된다. (1) 콘크리트 및 철근의 고강도화의 현황 건축구조물에서는 통상 사용되는 콘크리트의 설계기준 강도 F_{c}의 레벨은 보통 콘크리트에서 270 ㎏/㎟을 고강도 콘크리트로서 규정하고 있다. 또, 철근도 σ_{y}=40 ㎏/㎟를 상한으로 해서 사용해 왔다. 최근 일본의 경우 철근콘크리트에 고층건축물(초고층 RC)이 건설됨에 따라 규준을 초과하는 콘크리트 및 철근을 사용하고 있다. 현재 콘크리트는 F_{c}=600 ㎏/㎟, 철근의 주근으로서 σ_{y}=70 ㎏/㎟, 가로보강근은 σ_{y}=130 ㎏/㎟까지 실용화 되어 있다. 또한 초고층 RC 의 일개층의 고층화·장스팬화의 요구에 대해 더한층의 재료고강도화에 관한 기술개발이 다방면에서 활발히 진행되고 있다. (2) 초고층 RC 의 현상과 전망 기존의 고층건축물의 구조방식은 철골조나 철골철근콘크리트가 일반적이었다. 그 이유는 RC 조는 철골조 등에 비해 내진성이 의문시되고 기존의 시공법으로는 생산성이나 품질확보에 난점이 있고 더욱이 종래의 재료와 설계법으로는 합리적이고 경제적인 설계를 할 수 없었다. 한편, RC 조에 의한 고층화의 잇점은 철골조에 비해 강성이 높으므로 바람이나 지진으로 인한 요동이 적고, 차음성도 확보하기 쉬운데다 건설비용도 절감된다. 또한 SRC 조에 비해 철골이 없는 분 만큼 시공의 합리화가 이루어져 공기의 단축이 가능하며 지상구체에서 15%정도의 비용절감이 가능하다. 현재는 대형구조실험이나 컴퓨터를 이용한 고도의 해석법에 의해 내진성의 검토와 아울러 고강도콘크리트나 고강도 태경(太徑)철근을 사용하여 내진성이나 시공성이 좋은 배근구조로한 고성능의 구조부재·골조가 실용화 되고 있다. 또 고품질 구체를 확보하는 한편, 생산성이 좋은 시공법으로서 콘크리트 분할타설공법·철근프리패브공법·거푸집의 대형화·유닛화공법 및 - 16 - 프리캐스트공법이 실용화되고 있다. 2.2.4 막재료 막구조는 최근 일본의 도쿄돔, 이즈모돔 등을 비롯한 세계 각국의 대규모 건축물에 적용되어 막구조는 바야흐로 현대건축구조 기술중에서 확고한 한 분야를 형성해 가고 있다. 막구조의 유래는 유목민의 천막까지 소급할 수 있는데 천막의 재료는 주로 동물의 가죽 또는 식물의 섬유였다. 그후 목화의 섬유, 합성섬유 등의 의복용 섬유를 개량한 건축용섬유가 서커스텐트 등에 사용되었다. 내구성·내화성의 향상을 꾀한 폴리에스테르 섬유막이 개발되어 1967 년의 몬트리올박람회에서의 독일관에서 최초로 채택된 이래 건축막재료의 주종이 되다시피 하였다. 막재료의 발전은 열화하지 않고 타지 않는 재료의 필요성에 따라 1970 년대에 4 불화에틸렌수지를 코팅한 유리섬유막이 미국에서 개발되었다. 이 재료는 후술하는 것처럼 거의 열화하지 않고 내구성과 불연성을 갖춘 획기적인 재료이다. 이 막재료를 사용한 최초의 막구조물은 1973 년 미국에서 건설된 대반대학 체육시설의 서스펜션막구조이다. 막구조가 영구건축물로서 인정을 받으려면 구조적 안정성 및 건축공간으로서의 쾌적성이 보장되어야 하는데, 이러한 설계이념을 최초로 도전한 것은 프라이오토이며 비누막, 와이어 등을 사용한 실험을 통해 천막에서 탈피한 역학적 합리성을 갖춘 각종 막구조형태를 추구하였다. 1980 년대에 접어들어 북미를 중심으로 하여 스팬 200m 급의 대규모 공기막구조가 등장하여 막구조를 영구건축물로서 확고한 지위를 구축할 수 있었다. 도쿄돔으로 대표되는 공기막구조는 각종 군사시설로서의 레이더 돔 또는 간이창고로부터 구법의 개발이 시작되었다. 그후 종전의 구형 또는 원통형의 간이구조로부터 탈피하여 저라이즈(편평)에다 케이블을 보강함으로써 풍압력을 낮추어 구조안정성을 제고한 구조시스템이 미국의 가이거에 의해 개발되어 엑스포 '70 의 미국의 파비리온에서 실현되었다. 이 구조시스템이 현재의 스팬길이 200m 급의 대규모 공기막구조의 기본이 되어 있다. (1) 막재료의 분류 일반적으로 막재료는 <그림 2.6>처럼 섬유직물과 코팅재로 구성되며 직물은 주로 강도를 부담하고 코팅재는 막재료에 내후성·방화성·내수성·내오염성을 부가하는 역할을 담당하고 있다. 막재료는 크게 A, B, C 종으로 나뉘는 데 A 종은 유리섬유직물에 4 불화 에틸렌수지를 주성분으로 하는 수지를 코팅한 것이고 B 종은 유리섬유직물에 염화비닐수지·크롤로프렌고무·크롤로설폰화폴리에틸렌고무 그밖의 이와 유사한 것을 코팅한 것이며 막재료 C 종은 폴리아미드계·폴리아라미드계·폴리에스테르계 또는 폴리부틸알코올계 섬유직물에 염화비닐수지·크롤로프렌고무·크롤로설폰화폴리에틸렌고무 그밖의 이와 유사한 것을 코팅한 것이다. 이중에서 대규모 영구막구조물에 사용되는 막재료는 A 종이며 현재까지 14 종류의 A 종 막재료가 상품화 되어 있다. 이중 A 종 막재료의 소재특성은 다음과 같다.

 

2.3 장스팬구조의 구조적 특성 구조시스템을 결정짓는 가장 본질적인 요소는 구조물에 작용하는 주응력이다. 따라서, 이러한 관점에서 구조시스템을 분류하면 크게 축력계, 점계, 전단력계가 있다. 지배적인 응력이 축력인지 굽힘인지 혹은 전단인지가 구조시스템의 특징을 가장 잘 나타내지만 단일 응력으로 대표되지 않고 두 개 이상의 응력이 병존하는 경우가 많기 때문에 이들의 조합에 따라 축력·휨계, 휨·전단계, 전단·축력계 그리고 축력·휨·전단계의 4 가지가 존재한다. 이들은 다시 구조물을 구성하는 부재에 따라 선재와 면재로 세분되며 선재는 직선, 절선, 촉선 등으로 면재는 평면, 절면, 곡면으로 나눌 수 있다.

출처:2013년도 주요사업 1차년도 보고서(기관고유임무형) KICT 2013-222 대공간 건축물 화재시 3시간 이상 견딜 수 있는 구조부재 및 연기 피난 기술 개발 장스팬 구조물 내화구조 공법개발 Development on Fire Resistance Method of Long Span Structure in Large Space Building 2013.12.

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