돔(Dome) 구조 - 펜덴티브와 판테온

돔은 면을 따라 하중이 전달되기 때문에 쉘(Shell)구조로 분류할 수 있습니다. 조개껍질에서 따온 이름처럼 쉘 구조는 얇은 껍질로 표면을 감싸는 방식이며 주로 압축응력이 발생합니다. 달걀껍질은 일정한 곡률로 만들어져 재료를 적게 쓰면서 압축응력에 효과적으로 대응할 수 있습니다.

 

돔에 작용하는 응력

돔에 작용하는 응력을 살펴보겠습니다. 반원처럼 일정한 곡률이 있는 곡선을 수직축을 중심으로 360도 회전시켜 만든 곡면을 돔(Dome)이라고 합니다. 로마는 반원으로 돔을 만들었지만 현수선 아치나 포물선, 타원, 쌍곡선 등 다양한 형태가 가능합니다.

 

지구를 위도와 경도로 나누는 것처럼 반원형 돔도 경선과 위선으로 나눌 수 있습다. 아치에 압축응력이 주로 발생하는 것처럼 돔의 경선 방향으로는 압축응력이 주로 발생합니다. 그런데 돔에는 위선 방향의 힘도 함께 작용합니다.

 

■ 아치구조

■ 아치구조의 역학

■ 로마와 반원형 아치

돌로 돔을 한 층씩 쌓는다고 생각하면, 맨 아래 위선을 따라 돌아가는 링(Ring)을 만들 수 있습니다. 위선 방향으로 맞물린 돌들은 아치의 홍예석처럼 작용합니다. 그래서 아무런 지지대 없이도 한층 한층 돔을 쌓아 올릴 수 있습니다. 그런데 위선 방향의 링이 쌓여 돔이 점점 완성되어 가면 무게가 증가하고 경선 방향(수직단면 방향)으로 아치가 형성됩니다.

 

이렇게 되면 수직단면 아치 하단에는 추력이 크게 작용하게 되고 돔 아랫부분에는 압축이 아닌 인장응력이 발생니다. 돔 하부에는 이처럼 벌어지는 힘이 크게 발생하기 때문에 볼트처럼 벽체를 두껍게 하거나 인장링을 설치해 보강해야 합니다.

 

펜덴티브(Pendentive)

반구형 돔은 원형 평면 위에 세워집니다. 그런데 사각형 평면 위에 반구형 돔을 얹으려면 어떻게 해야 할까요?

 

 

먼저 사각형 평면을 감싸는 외접원을 기준으로 반구형 돔을 세웁니다. 그다음 사각형 둘레에 맞춰 수직으로 자르고, 돔의 윗부분도 사각형의 내접원에 맞춰 잘라냅니다. 이렇게 하면 돔을 얹을 수 있는 원형 평면이 나옵니다. 이런방식로 쌓아올린 구조를 펜덴티브(Pendentive)라고 합니다.

 

원형 돔을 받치는 펜덴티브 구조물의 4면/ 성 이슈트반 대성당(Szent Istvaacuten Bazilika) - 헝가리 부다페스트

 

■ 교회건축 - 4대 복음사가(福音史家)의 도상/ 천사, 사자, 소, 독수리

 

이스탄불의 성 소피아 성당 (HagiaSophia)이 대표적인 펜덴티브 구조물입니다.

 

판테온(Pantheon)

판테온(Pantheon)은 로마의 모든 신에게 바쳐진 신전입니다. 접두사 Pan은 ‘모두, 전체’라는 뜻인데, 파노라마(Panorama; 전경)와 같은 낱말에 붙은 접두어입니다.

 

출처 : By Arpingstone - https://en.wikipedia.org/wiki/File:Pantheon_rome_2005may.jpg, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=191742

 

위의 판테온 사진을 보면 전형적인 그리스 신전양식으로 된 정면이 보이는데 뒤에 있는 반구형 돔이 중요합니다. 사실 돌로 쌓은 그리스식 신전은 구조적인 면에서 비효율적이죠. 휨에 약한 석재를 기둥에 걸쳐보처럼 쓰다 보니 기둥 간격이 좁아질 수밖에 없었습니다.

 

By Georg Dehio/Gustav von Bezold - This image is taken from Georg Dehio/Gustav von Bezold: Kirchliche Baukunst des Abendlandes. Stuttgart: Verlag der Cotta'schen Buchhandlung 1887-1901, Plate No. 1. Due to its age, it is to be used with care. It may not reflect the latest knowledge or the current state of the depicted structure., 퍼블릭 도메인, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=522888

판테온의 평면을 보면 신전 형태의 정면 뒤로 원형 평면이 보입니다. 벽체를 원통형으로 대략 43 m 높이로 쌓은 후 그 위에 반경 43 m의 반구형 돔을 얹었습니다. 판테온의 몸체는 콘크리트로 만들어졌는데 반구를 받치는 원통형 벽체 피어는 두께가대략 6.2 m나 됩니다. 피어 안쪽이 비어 있기는 하지만 돔 하부에 발생하는 추력에 저항하기 위해 매우 두꺼
운 벽체를 사용한 것을 알 수 있습니다.

 

출처 : By Giovanni Paolo Panini - 1AHJFNF8OkfG9Q at Google Cultural Institute maximum zoom level, 퍼블릭 도메인, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=21996534

로마 건축에는 구조적인 안정성을 높이기 위해 다양한 아이디어가 적용되었습니다. 돔의 추력을 줄이려면 무게를 줄이는 것이 효과적인데, 하부는 단단하고 무거운 현무암을 쓰고 상부로 갈수록 가벼운 다공성 골재를 썼습니다. 또 돔의 두께가 위로 갈수록 점점 얇아집니다. 

 

천장면은 막센티우스 바실리카와 마찬가지로 와플처럼 오목하게 만들었는데, 이렇게 하면 시각적인효과도 살리면서 천장의 무게를 줄일 수 있습니다.

 

■ 서양건축사 목차

 

특수구조 등 구조디자인과 관련된 내용들입니다.

▶ [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

▶ 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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