쉘(Shell)구조

쉘구조의 쉘(Shell)은 달걀이나 조개의 껍질을 의미합니다. 자연상태의 달걀이나 조개 껍질은 얇은 막이 구부러진 형태로 내용물을 효율적으로 보호하는 구조로 되어 있습니다. 닭의 입장에서 보면 가능한 재료를 적게 쓰면서 내용물을 보호하는 편이 자손을 많이 번식하는데 유리할 것입니다. 쉘구조는 이런 형태저항구조를 응용한 것입니다.

 

쉘구조의 원리

쉘구조는 슬래브 같은 판을 휘어서 곡면으로 만든 구조체로 볼 수 있습니다. 쉘의 형상은 휘는 형태나 곡률반경, 스팬 등에 따라 다양하게 만들 수 있습니다. 거꾸로 보면 평면판은 쉘구조 곡면판의 곡률반경을 무한대로 한 것으로 볼 수도 있겠죠.

 

 

쉘구조의 원리를 이해하기 위해 우선 슬래브 같은 평면판을 어떻게 해석할 수 있는지 살펴보겠습니다. 슬래브에 하중 P가 가해지면 X축과 Y축 두 방향으로 하중이 전달된다고 볼 수 있습니다. 이것은 슬래브를 미세하게 쪼개진 보를 접합해서 만든 것으로 해석하는 방식입니다. 그래서 X축 보 절편과 Y축 보 절편이 하중을 나누어 부담한다고 이해할 수 있습니다.

로마시대에 발전된 볼트 구조와 돔을 보겠습니다. 볼트를 절편으로 나누면 어떻게 될까요? 한 방향은 보 절편이, 또 다른 방향은 아치 절편이 하중을 부담하는 것으로 해석할 수 있습니다. 돔도 마찬가지로 절편으로 나누어 해석하면 두 개의 아치 절편으로 하중을 부담한다고 볼 수 있습니다. 앞에서 본 것 처럼 아치는 라멘구조에서 쓰이는 보(Girder, Beam)보다 효율적으로 하중을 지지할 수 있습니다.

 

▶ 슬래브 구조 해석의 원리

▶ 아치구조

▶ 아치구조의 역학

 

따라서 슬래브보다는 볼트가, 볼트보다는 돔이 더 큰 하중을 부담할 수 있습니다. 아치 부재에는 압축응력이 주로 발생하기 때문에 돔과 같은 쉘구조는 면을 따라 압축응력이 주로 전달된다고 볼 수 있습니다.

 

쉘구조의 형태

물론 지금은 비정형 곡면이 대세이기는 하지만, 쉘구조를 구부린 평판으로 생각해 보면 한 방향으로 구부린 것과 두 방향으로 구부린 것으로 구분할 수 있습니다. 로마시대에 많이 사용된 볼트나 에스키모인의 이글루(Igloo)는 반원형 쉘로 구분할 수 있습니다. 볼트는 한 반향으로 구부러진 형태이며, 반원형 아치 절편을 이어서 붙인 형태로 생각할 수 있습니다. 돔은 아치를 회전시켜 만든 것으로 두 방향으로 구부러집니다. 돔은 펜덴티브처럼 사각형 평면으로 만들 수도 있으며, 삼각형이나 다른 다각형 평면도 가능합니다.

평판을 복잡한 형상으로 구부린 것으로 코노이드 (Conoid) 쉘 및 HP(Hyperbolic Paraboloid) 쉘, EP(Elliptic Paraboloid) 쉘 등이 있습니다. HP 쉘이나 EP 쉘은 아치 곡면을 다른 곡면을 따라 평행이동 시킨 형태라서 추동(推動)곡면이라고도 합니다.

 

코노이드 쉘은 곡선과 직선을 연결한 형태입니다. HP쉘은 말 안장처럼 생긴 구조인데, 구성하는 곡선 두 개가 서로 다른 방향으로 휘어집니다. HP쉘은 수평으로 자른 등고선의 형태가 포물선 모양입니다. HP쉘은 아치 절편을 기본 구조로 상향 케이블을 조합하는 방식으로도 사용할 수 있습니다. EP쉘은 두 방향 모두 아래로 휘어지는데 수평으로 자른 등고선의 형태가 타원이 됩니다. 

▶ 쉘구조 건축물

 

 

쉘은 아치처럼 곡면을 따라 축력만으로 하중을 전달하기 때문에 쉘 곡면은 얇은 막으로 만들 수 있고, 압축응력만 발생한다고 생각할 수 있습니다. 그러나 현실적으로 완전히 축력만으로 힘을 전달하는 경우는 없습니다. 휨 모멘트가 2차 응력으로 발생하게 됩니다. 그런데 HP 쉘처럼 아치와 케이블로 형태를 구성하면 축력만으로 평형상태를 유지할 수 있어 안정된 구조체를 만들 수 있습니다. HP 쉘을 구성하는 곡선 두 개는 휘어지는 방향이 다르기 때문에 한 방향은 아치, 한 방향은 케이블이 힘을 부담한다고 볼 수 있습니다.  게다가 인장 케이블은 축방향으로 인장응력만 부담하면 되기 때문에 재료의 강도를 최대한 활용할 수 있는 장점도 있습니다.

 

특수구조 등 구조디자인과 관련된 내용들입니다.

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