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보우 빔과 케이블로 구조시스템을 최적화한 교과서적인 건축물이 있습니다. 이 르노 물류 센터는 휨응력이 거의 발생하지 않습니다. 오직 축방향력인 압축응력과 인장응력만 발생하고 그 점을 구조적인 형태로 표현했습니다.
르노 물류 센터(Renault distribution center)
노먼 포스터(Norman Foster)가 설계한 르노 물류센터는 구조부재에 축방향 응력만 발생하도록 설계했습니다. 일반적으로 보와 기둥에는 휨응력이 크게 발생합니다. 보에 생기는 휨응력은 경간 길이의 제곱에 비례합니다. 이 건물은 모듈 하나의 크기가 24m × 24m에 달합니다. 철근콘크리트로 지어진 건물은 기둥 경간이 보통 8~9m 정도니까 이 건물은 기둥 간격이 거의 3배 정도 크다고 할 수 있습니다.
그런데 이 건물은 보우빔과 케이블을 활용해서 휨이 거의 발생하지 않도록 만들었습니다. 압축응력과 입장응력 같은 축방향력만 작용하기 때문에 크기가 작은 부재로 효율적으로 저항할 수 있습니다. 일종의 최적화 문제를 해결한 시스템과 비슷하다고 하겠습니다.
기둥에도 케이블을 활용했다. 기둥 높이가 높아지면 좌굴 위험이 커집니다. 기둥의 길이가 두 배가 되면 좌굴에 대한 저항력이 1/4로 떨어집니다. 좌굴을 억제하려면 기둥을 두껍게 해야 하는데 그렇게 하면 보우빔과 어울리지 않겠죠? 대신 케이블을 써서 좌굴을 억제하는데 기둥 상단과 하단에 지지점을 설치한 후 케이블로 당겨 기둥이 구부러지는 것을 방지합니다.
구조형태의 변화와 휨모멘트
르노 물류 센터의 구조형태가 변해가는 과정을 휨모멘트로 살펴보겠습니다.
일반적인 철근콘크리트구조처럼 보가 기둥이 강접합되면 보와 기둥에 모두 휨응력이 발생합니다(맨 좌측 그림). 기둥에 접합된 보 부분은 위로 구부러지면서 휘는데, 기둥도 따라서 구부러지고 바깥쪽으로 볼록하게 휘어집니다. 접합부에서 휘는 정도는 보와 기둥의 상대적인 강성에 따라 달라집니다.
보를 약간 구부려 아치 형상으로 만들면 상대적으로 휨모멘트는 작아지고 압축응력이 더 커지게 됩니다. 아치의 형상에 따라 발생하는 휨응력이나 추력의 크기도 달라집니다.
▶ 아치구조
▶ 아치구조의 역학
어쨌든 보를 아치와 가깝게 구부리면 보 중앙부의 휨모멘트를 줄이고, 천장도 높일 수 있어 내부 공간을 더 크게 만들 수 있습니다.
이제 보를 보우빔으로 바꾸면 휨모멘트보다는 각 부재에는 축력이 작용합니다. 하부 케이블에는 인장력이 작용하고 상부에는 압축력이 작용합니다. 상부 부재에 압축력이 작용하기 때문에 좌굴에 대비하기 위해 부재가 두꺼워집니다. 보우빔의 하부 케이블은 상대적으로 얇아 천장에 노출하더라도 시각적으로 부담이 없으며 오히려 구조적인 힘을 표현하는 수단이 됩니다. 케이블이 노출되면 상대적으로 내부 공간은 더 커진다. 이제 기둥과 보 브라켓(Bracket)에만 휨응력이 발생합니다.
보 브라켓을 케이블로 연결하고 기둥 상부로 당긴 후 지반에 고정합니다(맨 우측 그림). 이렇게 하면 보 브라켓과 기둥에는 압축응력이 발생합니다. 이 구조시스템을 보면 인장응력과 압축응력이 발생하는 부재가 뚜렷하게 눈에 들어옵니다. 압축은 좌굴 때문에 두꺼운 부재를 써야 하니까.
특수구조 등 구조디자인과 관련된 내용들입니다.
▶ 케이블 구조의 역학
▶ 케이블과 진동
▶ 케이블의 형태
▶ 케이블 건축물 - 일본 국립 요요기 경기장
▶ 아치구조
▶ 아치구조의 역학
▶ 가우디와 아치
▶ 로마와 반원형 아치
▶ 돔(Dome) 구조 - 펜텐티브와 판테온
▶ 고딕 - 리브 볼트와 첨두 아치
▶ 고딕 - 플라잉 버트레스, 부축벽, 첨탑
▶ 트러스구조
▶ 트러스 건축물 - 퐁피두센터
▶ 트러스 - 스페이스 프레임
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