구조시스템의 분류

우리 주위에서 가장 많이 볼 수 있는 구조 방식은 라멘(Rahmen)구조입니다. Rahmen이라는 말은 독일어로 '액자' 혹은 '사진틀'이라는 뜻입니다. 기둥과 보를 일체가 되도록 접합해서 장방형의 액자처럼 짜나가는 구조방식이라는 의미입니다. 

기둥과 보를 격자형태로 짜가면서 슬래브를 깔면, 한층 한층 겹쳐 쌓기가 수월합니다. 그런데 이런 라멘구조는 스포츠 경기장이나 공연장처럼 넓은 공간을 만들기가 쉽지 않습니다. 기둥 간격이 커지면 휨모멘트나 전단력을 보가 감당하기 어렵기때문입니다. 넓은 공간을 만들려면 다른 구조방식이 필요합니다. 어떤 방식이 있을까요?
 
▶ [구조디자인] - 라멘구조
▶ [구조디자인] - 벽식구조
 
 

구조시스템의 분류

구조시스템을 분류하는 가장 좋은 방법은 그 시스템을 구성하는 구조 부재에 어떤 응력이 발생하는가를 따져보는 것입니다. 그래서 아래 그림처럼 가로축에 힘이 전달되는 경로를 나타내고 세로축에 부재 내부에서 발생되는 응력을 나타내면 구조시스템의 특성을 한 눈에 파악할 수 있습니다.
 
 

▶ 응력이란?
▶ [힘과 응력] - 인장응력
▶ [힘과 응력] - 압축응력
▶ [힘과 응력] - 전단응력
▶ [힘과 응력] - 휨응력
 
구조부재에 발생되는 응력은 인장, 압축, 휨으로 대별할 수 있습니다. 트러스를 구성하는 부재는 인장이 생길 수도 있고 압축이 생길 수도 있어서 복합으로 분류했습니다. 가로축은 부재의 형상을 나타냅니다. 

구조 부재는 기둥이나 보처럼 막대 모양으로 된 부재가 있고, 슬래브나 벽처럼 얇은 판 모양으로 된 부재가 있습니다. 막대 모양으로 된 부재는 힘이 선을 따라 흐르고, 판은 면을 따라 흐른다고 볼 수 있습니다.
 
이렇게 배열했을 때 인장력을 유도하는 케이블구조가 가장 효율적입니다. 가장 작은 단면으로 재료의 성능을 최대한 활용할 수 있기 때문입니다. 막구조는 얇은 천으로 된 막재료에 인장응력이 발생하게끔 만든 구조시스템입니다. 폴리에스테를(PET) 섬유나 아라미드 섬유 같은 합성 고분자 섬유의 성능이 향상되면서 막구조 건축이 활발하게 적용되고 있습니다.
 

▶ 케이블 구조

▶ 막구조 - 현수 막구조/ 골조 막구조/ 공기 막구조

 

아치나 돔처럼 곡면형태로 구조체를 만들면 내부에 압축응력이 발생합니다. 서양건축에서 많이 써왔던 석재는 인장력이 약해 압축력을 유도할 수 있는 아치 형태로 발전할 수 밖에 없었습니다. 유럽을 지배한 로마는 반원형 아치와 돔을 활용해서 제국을 건설했으며, 서양건축은 아치와 돔구조를 더욱 발전시켰습니다.

 

▶ 아치구조
▶ 돔(Dome) 구조 - 펜덴티브와 판테온

 
라멘구조는 콘크리트를 강재로 보강한 철근콘크리트구조가 만들어지면서 비약적으로 발전했습니다. 라멘구조의 보 부재에는 인장과압축이 복합적으로 작용하기 때문에 압축력에 약한 콘크리트를 철근으로 보강하면 구조적인 성능이 높아집니다. 
 
▶ 철근과 콘크리트의 궁합
▶ 보의 구조적 역할
 
트러스 부재에도 인장력과 압축력이 복합적으로 나타납니다. 부재를 삼각형 모양으로 연결하고 절점을 회전단으로 만들어주면 단위 부재에 압축이나 인장 같은 축력만이 발생합니다. 따라서 비교적 얇고 짧은 부재를 짜서 넓은 공간을 덮을 수 있습니다. 스페이스 프레임은 트러스를 3차원 공간으로 확장한 것인데, 조인트 부분의 연결기술이 발전하면 복잡한 형상이 가능해졌습니다.
 
▶ 트러스구조
▶ 건축구조 지식 저장소 전체 내용 보기