막구조 - 현수 막구조/ 골조 막구조/ 공기 막구조

막구조(Membrane structure)라고 하면 가장 먼저 떠오르는 것이, 캠핑가서 설치하는 텐트나, 운동회 때 볼 수 있는 천막이 아닐까 싶습니다. 막구조는 케이블구조와 같이 인장구조물에 속합니다. 

 

▶ [구조디자인] - 구조시스템의 분류

▶ 케이블 구조의 역학

 

막구조의 특성

막구조는 얇은 천 같은 막 재료에 인장응력만 발생하게끔 만들어진 구조물입니다. 케이블인 선적인 부재에 인장력이 발생하는 것이라면, 막구조는 천막같은 막재료에 인장력이 발생하는 구조입니다. 그러니까 케이블구조가 면의 형태로 확장된 것이 막구조라고 할 수 있습니다.

막구조는 얇은 막을 팽팽하게 당기는 방식으로 지탱하기 때문에 순수한 막구조라고 한다면 두 개의 곡률반경이 필요합니다. 

 

 

위 사진에서 볼 수 있는 것처럼 중력을 받아 아래로 처지는 막 재료를 양쪽에 팽팽하게 당기면 현수방향의 곡선(Ridge)이 생깁니다. 그런데 현수방향으로 당기는 것만으로는 막구조물을 안정적인 상태로 만들 수는 없습니다. 바람이 불면 위로 날아갈 수 밖에 없겠죠? 그래서 아래쪽으로 당겨주는 식으로 다시 고정해야 하고, 이렇게 아래로 당기는 힘에 의해 누름 방향의 곡선(Valley)가 형성됩니다. 이렇게 순수하게 막 자체의 인장력만으로 하중을 지탱하는 방식을 현수 막구조라고 합니다.

이 곡면의 형태는 현수방향으로 당기는 힘과 누름방향으로 당기는 힘의 상대적인 비율로 결정됩니다. 

 

현수 막구조처럼 순수하게 막 자체의 인장력만으로 하중을 지탱하려면 막 재료가 매우 튼튼해야 합니다. 그리고 인장력을 지탱할 수 있는 구조적인 성능뿐 아니라 내구성 측면에서도 더 많은 성능이 필요합니다. 폴리에스테르 섬유(PET)나 유리섬유, 아라미드 등이 인장강도가 높기 때문에 막 재료로 사용됩니다. 그러나 이 섬유들도 자외선에 오래 노출되면 성능이 떨어지기 때문에 다양한 처리과정을 거쳐야만 합니다. 

 

막구조의 종류

막구조는 크게 다음과 같이 나눌 수 있습니다.

• 현수 막구조
• 골조 막구조
• 공기 막구조

 

현수 막구조

현수 막구조는 막 재료에 초기 장력을 도입해서 형태를 만들고 곡면에 강성을 부여한 후 하중을 전달하는 구조 방식입니다. 아무래도 순수하게 현수 막구조로 만들어진 건축물은 그리 많지 않습니다. 현수 막구조의 대표적인 건축물로 수원 제1야외공연장을 꼽을 수 있습니다. 

 

수원문화재단 홈페이지(https://www.swcf.or.kr)에서 캡쳐한 화면

 

사진에서 볼 수 있는 것처럼 순수하게 막으로 하중을 전달하지는 않고, 케이블로 보강한 막에 인장력을 도입한 방식입니다.

 

골조 막구조

현수 막구조보다 일반적으로 많이 사용되는 것이 골조 막구조입니다. 골조 막구조는 뼈대를 다른 구조방식으로 하고 막 재료는 단순히 덮는 용도로만 사용한 방식입니다. 운동장 가운데에 위치한 관람석 같은 구조물에 많이 쓰이는 방식이지요.

 

야외 공연장 관람석에 사용된 골조 막구조

 

공기 막구조

공기 막구조는 풍선처럼 막 안쪽을 외기압보다 높은 기압 상태로 만들어 형태를 만들고 하중을 지지하는 방식입니다. 내부 기압을 외부 기압보다 약간 높게(1/1,000~1/100 정도) 유지한 상태로 형태를 만들고 하중을 부담합니다. 현수 막구조와 마찬가지로 막면에 응력이 고르게 분포하게 만드는데, 구형이 가장 표면적이 작기 때문에 구형으로 만들면 모든 막 표면에 동일한 인장력이 작용하게 됩니다.  

 

공기 막구조의 대명사라고 할 수 있는 건물이 도쿄돔입니다. 

 

Carpkazu at Japanese Wikipedia, CC BY-SA 3.0 <http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/>, via Wikimedia Commons

 

막 재료로는 불소수지 코팅이 된 유리 섬유막 소재을 이중으로 사용하였다고 합니다. 도쿄 돔 안의 기압은 바깥보다 0.3％ 높은 상태를 유지해서 지붕막을 지탱합니다. 따라서 내부 기압이 새지 않도록 회전문으로 출입문을 만들어 자동으로 닫히도록 해야 합니다. 내부 기압이 높기 때문에 도쿄돔 출입구에 들어서면 귀(고막)에서 압력을 느끼게 됩니다. 

 

도쿄 돔과 같은 공기 막구조의 가장 간단한 형태가 1중막 공기지지방식입니다. 공기막구조는 이 외에도 2중막 공기팽창방식, 관식 공기팽창방식이 있습니다.

 

 

2중막 공기팽창방식은 막을 2중으로 만들고 막 사이에 공기를 불어 넣는 방식입니다. 1중막 구조는 공기가 잘 새나가지 않는 출입구 등에 신경을 써야 하지만, 2중막은 지지 기둥을 사용하면 되기 때문에 출입구에 신경 쓸 필요가 없습니다. 판넬처럼 어느 정도 두께를 갖도록 만들고 내부에 높은 압력을 가하면 휨에도 저항할 수 있습니다.

관식 공기팽창방식은 가느다란 막대 풍선처럼 관으로 된 막을 만들어 공기를 불어넣는 방식입니다. 막대 풍선처럼 생긴 막구조를 여러 개 겹치면 넓은 공간을 만들 수 있으며, 다양한 곡률로 막대 풍선 형상을 휘어서 여러 가지 형상을 만들 수도 있습니다.

 

 

▶ [구조디자인] - 구조시스템의 분류

▶ 케이블 구조의 역학
▶ 케이블과 진동
▶ 케이블의 형태
▶ 케이블 건축물 - 일본 국립 요요기 경기장

 

▶ 보우 빔
▶ 보우 빔을 활용한 건축물

 

▶ 아치구조
▶ 아치구조의 역학
▶ 가우디와 아치
▶ 로마와 반원형 아치
▶ 돔(Dome) 구조 - 펜텐티브와 판테온

▶ 고딕 - 플라잉 버트레스, 부축벽, 첨탑

 

▶ 쉘(Shell)구조
▶ 쉘구조 건축물

 

▶ 트러스구조
▶ 트러스 건축물 - 퐁피두센터
▶ 트러스 - 스페이스 프레임

 

▶ [분류 전체보기] - 건축일반구조 지식 저장소 목차