보우 빔

보우(Bow)는 활이나 활처럼 구부러진 것을 뜻하고 빔(Beam)은 보를 의미합니다. 보우 빔은 모양이 활처럼 생겼는데, 보에서 발생하는 휨응력에 효과적으로 대응하기 위해 케이블을 사용합니다. 보우빔의 원리를 이해하려면 우선 보에 생기는 휨응력을 이해해야 합니다.

 

 

보우 빔구조로 된 건축물

 

휨모멘트도(Bending moment diagram)

보에 생기는 휨응력은 하중이 가해지는 형태나 지지점에서 고정된 방법 등에 따라 달라집니다. 아래 그림은 등분포하중(일정한 크기로 고르게 가해진 하중)이 가해졌을 때 휨응력의 크기를 나타낸 것입니다. 양단의 지지방법에 따라 휨응력의 분포가 달라진다. 지지점을 삼각형으로 나타낸 것이 회전단(Hinge)인데, 이 지지점에서는 부재가 회전할 수 있기 때문에 모멘트가 0입니다. 지지점과 일체로 만들어진 고정단(Fixed)은 모멘트가 생깁니다.

 

보에 생기는 휨응력은 지지점과 하중의 유형 등에 따라 달라진다.

맨 위에 있는 보는 양쪽이 회전단으로 되어 있는데 ‘단순보’라고 합니다. 보에 하중이 가해지면 아래로 볼록하게 구부러질 것입니다. 이렇게 아래로 구부러지면 –값으로, 위로 구부러지면 +값으로 나타냅니다. 두 번째 그림을 보면 양쪽이 고정단으로 된 보의 단부(지지점에 가까운 부분)가 +값이며 위로 휘어집니다. 중앙부는 아래로 구부러지는데 고정단이 휘어지지 못 하게 꽉 붙들고 있어서 단부가 위로 휘는 현상이 나타납니다. 

 

다시 맨 위에 있는 단순보를 보면 지지점에서 중앙부로 갈수록 휘어지는 힘이 더 세게 나타납니다. 보에 등분포하중이 가해지면 휨모멘트는 중앙으로 갈수록 곡선의 형태로 증가합니다. 한 가운데가 가장 크고 지지점으로 갈수록 줄어들며 회전단에서는 0입니다.

 

양쪽이 고정단으로 된 두번째 그림을 보면 중앙부의 휨모멘트 값이 첫번째 그림에 비해 줄었습니다. 지지점을 회전단이 아닌 고정단으로 바꾸면 보 양쪽에서 휘어지지 않게 꽉 붙잡고 있는 상태가 되기 때문에 한 가운데가 덜 휘어지게 됩니다. 맨 위 그림처럼 양쪽 지지점을 회전단으로 만들면 중앙부에서 훨씬 더 많이 구부러지고 그만큼 내력이 큰 부재를 써야만 합니다. 

 

휨모멘트 곡선의 위치를 살펴보면 맨 위쪽의 휨모멘트도가 가운데 그램에서는 위로 올라간 형태로 나타난다. 지지점의 형태에 따라 휨응력의 크기가 어떻게 달라지는지 그리고 휨모멘트도로 어떻게 표현하는지 잘 이해한 후 보우빔을 살펴봅시다.

 

보우빔(Bow beam)

단순보는 중앙에서 휨응력이 가장 크게 나타납니다. 휨응력이 생기면 사각형 단면은 사다리꼴로 변하고 위쪽은 압축응력, 아래쪽은 인장응력이 발생합니다. 가운데에 줄어들지도 늘어나지도 않는 부분을 중립축이라고 하는데, 이 부분에는 응력이 발생하지 않습니다. 중립축을 기준으로 위로 갈수록 압축응력이 선형으로 증가하고, 아래로 갈수록 인장응력도 선형으로 증가합니다. 중립축 부근에 발생하는 응력이 작다면 이곳에는 재료를 쓰는 않고 가장 먼 곳에 집중하는 것이 효율적일 것입니다. 

보우 빔은 보에서 발생하는 휨모멘트를 인장과 압축으로 분해한 것이다.

 

보우빔은 이 원리를 보 형태에 반영한 것입니다. 가운데는 비우고 맨 위에는 압축부재를, 맨 아래에는 인장부재를 설치합니다. 가만히 보면 휨모멘트도랑 닮았습니다. 결국 휨모멘트도의 곡선은 늘어나는 곳과 늘어나는 힘의 크기를 표시하는 것으로 볼 수 있습니다. 인장부재는 얇지만 압축부재는 조금 두껍습니다. 압축응력은 좌굴을 감안해야 하기 때문에 그렇습니다.

 

보우빔의 모든 부재에는 압축이나 인장만 발생합니다. 이렇게 부재에 축력만 발생하도록 설계하면 부재 단면을 작게 할 수 있어 재료를 효율적으로 쓸 수 있습니다. 그리고 넓은 공간을 만드는데 유리합니다. 보우빔의 케이블은 비교적 가늘어서 천장에 노출해도 부담이 없습니다. 구조 시스템을 노출하는 것이 힘을 표현하는 디자인 요소가 됩니다. 케이블을 노출하지 않더라도 압축재와 인장재 사이의 빈공간에 설비배관을 설치하면 공간을 효율적으로 쓸 수 있습니다.

 

보우빔은 다양한 방식으로 건축물에 활용할 수 있습니다.

 

일본 후쿠오카에 있는 아일랜드 시티 중앙공원에는 일본의 건축가 이토 도요(Ito Toyo)가 설계한 그린그린 파크가 있습니다.

 

■ 쉘구조 건축물

 

그린그린파크는 비정형 쉘구조로 되어 있는데 식물원 상부 천창에 보우빔 구조를 활용했습니다. 넓은 천창을 지지하는 구조체를 보우빔을 격자형으로 배열했는데, 구조체가 많은 체적을 차지하지 않기 때문에 식물원에 필요한 햇빛을 맘껏 받아들일 수 있습니다.

 

특수구조 등 구조디자인과 관련된 내용들입니다.

▶ [구조디자인] - 구조시스템의 분류

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

▶ 보우 빔을 활용한 건축물

 

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

▶ 고딕 - 리브 볼트와 첨두 아치
▶ 고딕 - 플라잉 버트레스, 부축벽, 첨탑

 

▶ 쉘(Shell)구조
▶ 쉘구조 건축물

 

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

 

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