Design of Eco-friendly Intelligent Large Span Spatial Structures

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(1)기 술 기 사. 친환경 지능형 대공간 건축물의 설계 Design of Eco-friendly Intelligent Large Span Spatial Structures. 박 강 근* Park, Kang-Geun. 이 동 우** Lee, Dong-Woo. 권 익 노** Kwun, Ik-No. 권 택 진** * Kwun, Taek-Jin. 1). 1. 친환경 지능형 설계 기준. 많은 기능들로부터 아이디어를 얻어서 건축물을 설 계하고 구축하는 것이다. 지능형 최첨단 기술과 친. 지구환경의 변화, 에너지 및 자원의 고갈, 생물의 다양성의 감소로 지구의 위기가 증가하고 있고, 인. 환경 설계가 동시에 고려함으로서 최첨단 대공간 시스템을 구축할 수 있다고 사료된다.. 간과 자연이 공존하는 친환경 생태건축의 필요성이 강조되고 있다. 자연의 형태와 기능을 연구하여 자. <Table 1> Green building certification. 연과 친숙하며 지속가능한 건축을 구현하기 위한 방법으로서 건축과 자연환경의 관계를 가능하면 친 밀하게 고려하는 건축이 필요하다. 자연과의 친화 를 고려한 환경 친화적 건축이란 건축계획, 설계, 시공, 유지관리 그리고 폐기에 이르기까지 에너지 및 자원을 절약하고 자연환경과 유기적 연계를 도 모하여 자연환경을 보전하며 인간의 건강과 쾌적성 을 향상시키는 것이다. 친환경 지능형 건축은 자연 생태계에 대한 과학적 지식과 이해를 바탕으로 생 태 친화적인 건축공간을 창조하고 자연의 신비한 ****한국공간구조학회, 공학박사 Korean Association for Spatial Structures ****(주)아이스트, 공학박사 I'ST Co., Ltd, Structural Engineering Group *** 한국공간구조학회, 공학박사 Korean Association for Spatial Structures. 4 _ 제 16권. 제3호 통권 65호, 2016. 9. <Fig. 1> Green building design.

(2) 친환경 지능형 대공간 건축물의 설계. 자연의 모양을 따라하는 전체복제, 자연의 일부를 모방하는 일부복제, 자연의 기능을 모방하는 기능 복제, 복잡한 구조의 핵심을 응용한 유사축약단계, 인간을 대신할 수 있을 정도의 뛰어난 영감설계단 계로 구분하였다. 독일의 연방교육연구부(BMBF)는 기능적 모폴로지(Morpology), 신호정보처리 및 바 이오 사이버네틱스 센스로봇, 나노생체모방과 자기 조립 적응기술로 분류하고 있다. 일본은 생물학과 정 <Fig. 2> Comparison of green building. 보기술을 융합시켜 생체모방을 생물규범공학으로 체. design and intelligent building design. 계화시켜 지속가능한 친환경 사회를 추구하고 있다.. 2. 자연 모방 친환경 기술. 2.1.1 거미줄 모방 섬유 기술 거미줄은 강철보다 20배, 방탄복 소재인 케블라. 2.1 자연 모방 기술. 섬유보다 4배 높은 강도를 가지고 있고, 방수기능도. 자연모방과학은 Biomimicry, Biomimetics, Bionics. 있다. 거미줄은 알레르기를 유발하지 않는 천연 단. 등의 용어와 동일한 의미이다. 생물모방(Biomimicry). 백질로 구성되어 있고, 생분해성이기 때문에 친환. 은 1950년대 후반 신경계 생물학자 Otto Schmitt. 경적이다. 거미줄은 인성이 강하고 자연 친화적이. 에 의해서 정의되었다. 신경시스템의 신호처리를. 라는 것에 착안하여 방탄복을 제작하였다. 1989년. 모방하여 소음을 제거하여 구형파로 변환하는 전기. 거미줄을 구성하는 단백질 생성 유전자를 발견하여. 회로를 발명하였다. 생체공학(Bionics)이란 용어는. 인공거미줄의 대량생산이 가능하게 되었다. 일본의. 1960년 Jack Steele에 의해서 정의 되었고. 이때. 바이오기업 스파이바는 누에 유전자를 조작해서 거. 부터 생체모사가 관심을 받기 시작하였다. 근대건. 미줄과 같은 단백질을 대량으로 생산하도록 했다.. 축의 거장 프랭크 로이드 라이트는 자연과 건축이. 캐나다의 생명공학 회사인 넥시아 바이오테크놀로. 유기적인 관계를 이루는 유기적인 건축(Organic. 지 사는 염소의 유방세포 안에 거미줄 유전자를 넣. architecture)을 강조하였다. 자연의 형상에서 나온. 어 염소가 젖으로 거미줄 단백질을 대량 분비하게. 구조와 형태의 발견이 조화로운 건축이라 하였다.. 만들었다. 거미줄은 낙하산이나 거미줄 총에도 사. 1980년대에는 자연모방기술이 유체역학 분야에 도. 용한다. 자동차에 거미줄 섬유를 사용하면 차체의. 입되어 미세기계와 전기전자를 결합한 로봇들이 개. 중량을 크게 줄여 연비를 향상시키고, 이산화탄소. 발되었다. 2008년에는 미국에서 Next Generation. 배출을 감축할 수 있다. 미국의 생명공학자 데이비. Bioinspired Material을 제안하여 자연모사 및 생. 드 캐플런은 거미실크로 사람 눈의 각막을 개발하. 체모방에 대한 재료분야 연구를 강조하였다. 미국. 였다. 거미줄은 인체에서 면역거부반응을 일으키지. 의 생태학자 Janine M. Benyecs는 자연을 디자인. 않기 때문에 인공힘줄, 인공장기, 수술 봉합실 등에. 모델, 판단기준, 조언자로 분류하였다. 유럽의 ESA. 도 쓰일 수 있다. 표면 에너지의 차이로 거미줄로. (European Space Agency)의 Mark Ayre는 5단계. 이슬을 모으는 방법으로 공기 중의 수분을 포집할. 로 분류하였고, 구조와 재료, 기구와 공정, 동작과. 수도 있다. 케이블 구조물은 거미줄처럼 가볍고 강. 제어, 감지와 통신, 세대 간 모사로 정의하였다. 영. 도가 강해서 초대형 대공간 건축물을 지을 수 있다.. 국의 Vincent 교수는 자연에서 배운 기술을 단순히 한국공간구조학회지 _ 5.

(3) 박강근․이동우․권익노․권택진. 2.1.2 연잎모방 자기세정 기술. 공기 튜브빔 시스템을 개발하여 지붕이나 교량 등. 흙탕물과 접하는 연잎이 깨끗함을 유지하는 비결. 에 활용하고 있다.. 은 연잎의 돌기형상 요철구조에 있다. 연잎에는 10~20㎛ 높이의 미세한 돌기들이 조밀하게 솟아. 2.1.4 곤충 눈 모방 기술. 있고, 이 돌기들은 100㎚ 크기의 초미세 돌기들로. 곤충 눈은 사람 눈 시야각보다 훨씬 넓다. 곤충의. 구성되어 있다. 이중 계층구조로 물방울이 연잎과. 눈은 수백에서 수만 개의 미세한 홑눈이 모여 하나. 접촉하는 면적이 아주 적어 연잎에 물에 젖지 않는. 의 겹눈을 이루는데, 반구 형태로 구성돼 있어 매우. 다. 물 분자들은 서로 끌어당기는 힘이 세고, 표면. 넓은 시야각(140~180도)을 갖는다. 사람 눈이나 카. 적을 줄이려는 표면장력도 강해서 접촉 면적이 작. 메라의 시야각이 50도 정도이다. 사람의 눈은 수정. 으면 둥근 모양을 유지하고 연잎에 떨어진 물방울. 체와 망막이 떨어져 있어 사물의 거리에 따라 별도. 이 뭉치는 과정에서 연잎에 묻어 있던 미세먼지까. 의 초점을 맞춰야 한다. 하지만 곤충의 홑눈은 멀든. 지 흡수한다. 연잎이 스스로 오염을 제거하는 기능. 가깝든 초점을 따로 맞추지 않고도 선명한 영상을. 을 갖는 성질을 연잎효과(Lotus effect)라고 한다.. 얻을 수 있다. 이러한 겹눈구조는 곤충뿐만 아니라,. 과학자들은 연잎효과 나노기술로 재현해서 때 묻지. 새우, 가재 등 갑각류에서 볼 수 있으며, 절지동물. 않는 옷감, 스스로 자정하는 유리창을 개발하였다.. 의 대다수가 겹눈구조를 갖고 있다. 미국 일리노이. 독일 STO사에서는 건물 외벽에 도포하였을 때 항상. 대 연구팀은 곤충겹눈을 본뜬 카메라를 개발했다.. 깨끗한 표면을 유지할 수 있는 LOYUSAN 페인트를. 지름 0.8㎜의 작은 렌즈 180개에 이미지 센서를 붙. 개발 하였고, BASF사는 자연계에 존재하는 자정기. 인 뒤 반구형으로 배열하여 각각의 이미지를 하나. 능을 모방한 벽면용 오염방지 도료를 개발 하였다.. 로 연결했다. 곤충눈 카메라는 넓은 화각과 무한 심. 연잎구조의 형상을 모방한 빌딩들이 인도와 중국에. 도를 가지기 때문에 초소형 무인 비행로봇, 전 방위. 서 지어졌고, 영국 런던 시는 Lotus 도시 계획안을. 물체 감지 센서, 초 광각 내시경 등의 분야에 응용. 세웠다.. 이 가능하다.. 2.1.3 상어피부 모방 기술. 2.1.5 샌드피쉬 모방 저마모 기술. 상어피부의 작은 돌기들은 마찰을 줄이고 소용돌. 사막에서 살고 있는 천선갑, 샌드피쉬 표면, 단단. 이를 생기지 않게 하여 물이 흐르는 속도를 높인다.. 한 조개껍질은 마찰이 많은 모래환경에서도 저마찰. 일본 브리지스톤사는 타이어 홈에 미세한 돌기를. 특성과 내마모의 특성을 가지고 있다. 샌드피쉬 도. 만들어 물이나 공기가 와류현상을 일으키지 않도록. 마뱀은 움직이기 힘든 모래 속에서 매우 자유로이. 하였다. 미국 3M사는 돌기가 있는 필름을 만들었. 움직일 수 있다. 조지아 공대 물리학과 연구진은 샌. 고, 미국 항공사인 캐세이퍼시픽 사는 필름을 비행. 드피쉬 도마뱀은 놀랐을 때 0.5초 만에 모래 속 10cm. 기 표면에 붙였다. 상어의 돌기구조가 세균이 피부. 까지 신속하게 파고 들어갈 수 있다고 밝혔다. 이런. 에 달라붙는 것을 방해한다는 현상을 이용하여 생. 능력은 뾰족한 삼각형 모양의 머리와 평평한 배 때. 물부착 방지기술을 개발하였다. Speedo사는 마이크. 문이다. 화성탐사에서 이러한 무인로봇을 보내 직. 로 비늘구조를 이용하여 물 저항을 5%정도 감소시. 접 땅을 파고 들어가 움직이며 관측할 수도 있다.. 키는 수영복을 개발하였다. 풍력터빈의 소음을 줄 이고 전기효율을 20% 증가시키는 기술도 개발되었. 2.1.6 생체모방 로봇 기술. 다. 스위스 EMPA사는 상어의 몸체 형상을 모방한. 생체모방 로봇 중에서 포유 동물형 로봇은 현재. 6 _ 제 16권. 제3호 통권 65호, 2016. 9.

(4) 친환경 지능형 대공간 건축물의 설계. 가장 발전된 분야이고, 장애를 지닌 인간을 보조하. 2.2.1 독일 뮌헨 올림픽 스타디움. 는 등의 의공학에 활용이 가능하다. 다관절 연체 동. 뮌헨 올림픽 스타디움은 1972년 하계올림픽을 개. 물형 로봇은 변형 자유도가 무한개이므로 기존의. 최한 경기장이고, 80,000명을 수용할 수 있다. Frei. 개념을 이용한 운동계획으로 가능하지가 않다는 문. Otto는 스위스 알프스 산의 이미지와 리듬감을 갖. 제점이 있다. 자기 조립형 로봇은 개념 확립단계에. 는 입면계획과 등가응력의 최소곡면을 갖는 지붕을. 있다. 건축분야에서는 3D 프린트를 이용하거나 누. 설계하였다. 지붕에는 초경량 PVC 코팅 폴리에스. 에모사 로봇, 우주 로봇 구조물 등이 개발되어 실용. 트를 사용하였고, 프리스트레싱 케이블에 의해서. 화 단계에 있다.. 유연한 곡면을 이루고 있다. 올림픽 스타디움의 지 2. 붕 길이는 450m, 지붕의 면적은 74,800m 이다. 지 2.1.7 생체모방 센서. 붕은 25mm의 강재 케이블로 지지된 9개의 안장형. 인간과 동식물의 감각기관을 모사한 자연모사 감. 네트구조로 되어있다. 케이블 네트는 50~70m의 8. 각센서는 고감도, 초소형, 저전력 감지소자의 기능. 개의 마스트로 지지되어 있고 이중곡면 구조로 바. 을 갖는다. 사람의 부동섬유와 유사한 나노 압전소. 람에 의한 플러트에 효과적으로 저항하도록 설계되. 자를 이용한 인공 달팽이관의 기술개발이 국내에서. 어 있다.. 진행되고 있다. 나노압전소자는 누르거나 당기는 등의 변형을 가하면 전기가 흐르는 특수한 물질이 다. 사람의 장기를 모방한 휴먼온어칩(Human on a chip)은 인공장기를 담은 작은 칩으로 신약개발 인 체실험에 적용할 수 있다. 스마트 폰이나 자동차에 사용되는 가속도 센서 MENS는 기울기나 관성 등을 정밀하게 측정할 수 있어 에어백, 정보통신, 항공, 로봇 등 다양한 첨단기술 분야에 활용되고 있다. 물 체에서 방출되는 눈에 보이지 않는 열선을 검출해. <Fig. 3> Munich Olympic Stadium inspired by Alps. 서 영상으로 재현하는 영상센서나 사람의 가시망막 과 적외선망막을 응용하여 개발한 인체 눈 모방 적. 2.2.2 영국 에덴 식물원. 외선 영상센서는 열추적 미사일 센서, 혈류진단, 기. 영국 콘월지역의 에덴동산은 첨단기술을 도입한. 상관측, 우주관측, 산업시설진단, 환경오염 측정,. 세계 최대 식물원이다. 고령토 폐광지역을 거대한. 인공위성 카메라, 유방암 진단, 기상관측, 우주관측. 온실 식물원으로 바꾸었고, 인간과 식물이 어우러. 등의 분야에 적용되고 있다.. 진 유토피아가 되었다. 최대 높이 55m, 길이 200m 의 6각형 격자구조 프레임으로 만든 돔 구조이다.. 2.2 대공간 건축물의 자연 모방 디자인. 외피재료로 사용된 ETFE 필름은 햇빛 투과율이. 자연모방 건축은 자연에서 모방한 기술을 응용하. 97%에 달하고 유리보다 가볍고 재활용이 가능한 물. 여 인간의 최적의 쾌적한 환경을 추구하고, 지구환. 질이다. ETFE는 유리무게의 1%에 불과하며 유리보. 경, 자연환경에 미치는 영향을 최소화하여 미래세대. 다 절연효과는 훨씬 뛰어나다. 파손 시에 파편이 발. 에게 건강한 환경을 갖는 지속가능한 건축을 추구하. 생하지 않으므로 유리에 비해서 안정이 매우 우수. 는 것이다. 본 연구에서는 자연으로부터 영감을 얻어. 하다. ETFE는 태양에너지의 90%를 흡수하므로 난. 디자인한 대공간 건축물의 사례를 분석한 것이다.. 방효과가 뛰어나다. 전체 열의 15%를 태양열로 충 한국공간구조학회지 _ 7.

(5) 박강근․이동우․권익노․권택진. 2. 당한다. 구멍이 생길 때 보수가 쉽다. 건축가 Tim. 338,836m 가 덮여있다. 지붕이 열리는 모양은 목. Smit가 달의 모습을 모티브로 설계하였다.. 련 꽃이 피는 모양을 표현하였다. 완전히 열거나 닫 는데 걸리는 시간은 8분이다. 배구, 농구, 탁구, 체 조 등의 국제 경기를 개최할 수 있도록 설계하였다. 지붕의 높이는 40m이고, 테니스 코트의 면적은 2. 30,649m 이다.. <Fig. 4> Bio-dome of Eden Project inspired by soap bubble, moon or radiolarian structure. 2.2.3 중국 베이징 올림픽 경기장 베이징 올림픽 경기장은 2008년 3월에 완공되었 고 경기장 모양을 따서 새둥지(Bird nest)라 불린 다. 수용인원은 약 80,000명이다. 길이 300m, 너. <Fig. 6> Qizhong Tennis Center inspired by. 비 220m, 높이 69.2m이다. 지붕의 철골 중량은. a blooming magnolia. 45,000톤이 사용되었고, 총 건설 비용은 3억5천 위 안이 소용되었다. 경기장의 형태는 지속가능한 생. 3. 개폐식 대공간 구조물. 태 디자인에 초점을 맞추었다. 새둥지가 주요 디자 인 모티브이고, ETFE 투명 필름을 지붕에 사용하여. 3.1 강성 개폐식 대공간 건축물. 햇빛 투과성과 단열성을 높였다.. 개폐식 지붕을 갖는 경기장은 외부 자연환경에 능동적으로 대응하여 관람자들이 쾌적한 환경에서 경기를 즐기기 위한 첨단 친환경 경기장이다<Fig. 7, 8>. 개폐식 구조물은 지붕이 열린 상태, 닫힌 상 태 또는 반 열린 고정 상태로 설계한다. 개폐지붕에 서는 일반적으로 폭풍 시와 강풍 시에는 닫힌 상태 로서 사용하고, 내부에는 바람과 비가 들어가지 않 도록 한다. 골조 막구조의 열린 상태에서는 폭풍에 대해서 구조상불리하게 되는 경우도 있기 때문에 개폐관리를 하고, 어느 풍속 이상이 되면 닫힌 상태. <Fig. 5> Beijing National Stadium inspired. 로 하는 경우가 많다. 지붕개폐 중의 풍속의 변동,. by bird's nest. 적설의 진행 등에 대해서도 개폐가 무리 없이 하도 록 하며 개폐 중의 구조체에 무리한 힘이 들지 않도. 2.2.4 중국 旗忠 스타디움. 록 하는 범위의 개폐조건을 설정한다. 어느 강설 이. 旗忠(Qizhong) 스타디움은 Qizhong Forest Sports. 상에서는 더욱이 설하중 저항이 적은 경우에는 열. City Tennis Arena(旗忠森林体育城兩球竟技場)라. 린 상태로 하고, 이 설하중으로 부터 피난하는 설계. 불린다. 상해시의 시화인 8개의 목련 꽃잎 모양의. 도 가능하지만, 이것은 확실한 개폐관리가 전제로. 2. 철골지붕이다. 건물면적은 85,000m 이고 지붕은. 8 _ 제 16권. 제3호 통권 65호, 2016. 9. 되는 이외 항상 열린 상태로 하는 관리한다. 폭서.

(6) 친환경 지능형 대공간 건축물의 설계. 시에는 지붕을 닫아 에어콘으로 실내 적정온도를 유지하여 쾌적한 관람상태를 유지한다.. 3.2 연성개폐식 대공간 건축물 케이블 스포크 휠 지붕 시스템은 거미줄이나 자 전거 바퀴를 건축구조시스템으로 개발한 것이다. Name. Capacity. Year. Rogers Centre /Toronto. 49,282. 1989. <Fig. 9>. 자중이 매우 가벼운 방사형 케이블 지붕 시스템은 초경량으로 친환경적이다. 중앙부는 개폐 가 가능한 지붕시스템으로 하여 비나 눈, 외부기온 의 영향을 받지 않고 경기를 관람할 수 있다. 운동. Seagaia Dome /Japan. 10,000. Reliant Stadium /Huston. 71,795. Marlin Ball Park /Florida. Arena. 1993. 장의 잔디생육을 위해서 햇빛 투과율이 좋은 ETFE 필름을 지붕재료로 사용하여 태양에너지를 이용하 는데 효율적이다. ETFE 이중 공기구조는 단열성능. 2002. 을 높이고 자외선을 차단한다. 스포크 휠 시스템 경 기장 지붕은 재료의 사용을 최소화 할 수 있고, 가 37,742. 장 최적화된 친환경 디자인 건축물이라 할 수 있다.. 2012. 막재의 표면에는 이산화 타이타늄(Titanium dioxide,. <Fig. 7> Retractable sliding cylindrical roofs. TiO2)을 도포하여 세정작용, 항균작용, 방오작용, 살균작용, 탈취작용을 한다.. Name. Capacity. Year. Structural system. Arthur Ashe Stadium /NewYork. 23,771. 1997. Komatsu Stadium /Japan. 10,000. 1997. Oita Stadium /Japan Veltins Arena /Germany. Arena. Zaragoza Toros. Frankfurt Arena. Bucharest Arena 40,000. 2001 Warsaw Arena. 54,740. 2001. <Fig. 9> Retractable cable spoke wheel. Wembley Stadium /London. 90,000. 2007. Friend Arena /Sweden. 54,329. 2012. Singapore Stadium /Kallang. Arena. roofs. 3.3 친환경 지능형 설비 시스템 최근의 대공간 구조물은 공간의 대형화, 행사의 다양화, 공간의 가변화이다. 대공간 건축물들은 스 55,000. 2014. 포츠, 콘서트, 박람회 등의 각종 이벤트 집회공간의 특성을 가지고 있다. 다양한 이용형태의 변화에 대. <Fig. 8> Retractable sliding dome roofs. 응하기 위해서는 쾌적한 실내 온열, 공기환경을 조. 한국공간구조학회지 _ 9.

(7) 박강근․이동우․권익노․권택진. 성할 수 있는 설비계획이 필요하다. 대공간 지붕을. 명효과가 저하한다. 열린 상태와 닫힌 상태의 조명. 갖는 건축물은 막 구조나 스페이스 프레임 등의 경. 효과가 다르지 않도록 계획한다. (e)개폐조건; 열린. 량 외피를 이용하여 자중을 최소화하고 있다. 이러. 상태로 행사를 하는 경우와 닫힌 상태로 행사하는. 한 경량 외피는 단열기능이 취약하다. 내부 공간에. 경우가 있고, 개폐지붕을 관객석 상부만 위치를 조. 서의 상하 간에 온도구배가 크게 발생하고 거주 영. 정하는 경우도 있다. (f)그림자; 운동장에 생기는. 역이 한정되어 있어 실내 온열 환경의 제어가 어렵. 그림자를 고려하여 플레이어의 플레이와 관객의 시. 기 때문에 자연 순환 공기 시스템의 적용, 퍼스널. 야확보 및 촬영 카메라의 시야확보에 대해서 고려. 공조 시스템, 지열의 활용, 공간의 가변화 등의 설. 한다.. 비계획을 한다. 자석 등받이 퍼스널 공조시스템은 좌석 주위를 효과적으로 냉각시킬 수 있고, 인체 발. 4. 대공간 구조물의 구조설계. 열 부하를 제거할 수 있다. 이중 공기막 지붕 온풍 시스템은 적설하중을 줄일 수 있고 지붕의 결로 방. 4.1 구조설계 개념. 지가 가능한 시스템으로 하부 공간으로 송풍하는. 개폐지붕의 설계에는 반드시 고려해야할 기본조. 시스템이다. 공간 가변형 공조 시스템은 다양한 이. 건들이 있다. 개폐지붕구조는 지붕의 열린 상태, 닫. 벤트를 만족하기 위해서 가장 효과적인 난방 시스. 힌 상태 및 개폐 중인 상태에서 각각 예상되는 하중. 템으로 최적의 공조방식이다. (a)개폐방법; 가능하. 및 외력에 대해 구조상 안전하도록 설계한다. 구조. 면 쉽고 단순한 개폐방법과 단순한 구동방법이 좋. 내력 상 중요한 부분은 설계하중에 대해서 구조계. 다. 개폐시간은 10~20분 정도가 걸린다. (b)환기;. 산 또는 실험에 의해 구조내력상의 안전성을 확인. 내부의 기온상승을 방지하기 위해서 자연환기 또는. 한다. 개폐지붕구조의 일상적인 사용을 목적으로. 강제환기를 하고, 열린 상태의 바람의 불어 들어오. 하는 기능을 충분히 가능하도록 설계한다. 설계상. 는 공기의 흐름를 고려하여야 한다. (c)음향; 지붕. 결정 된 지붕의 개폐조건은 개폐관리에 의해 엄격. 의 개폐 상태에 따라서 실내의 음향 상태가 달라진. 하게 지켜지도록 한다. 개폐지붕구조건축물은 적절. 다. 내부 소음이 외부로 유출되어 주변에 환경에 미. 하게 시공⋅제작⋅관리되도록 한다. 지붕개폐는 적. 치는 영향을 고려하여야 한다. (d)조명; 대공간의. 정하게 조작⋅운전되도록 한다. 개폐지붕구조는 열. 조명은 조명의 설치 높이가 중요하다. 높이가 높으. 린 상태와 닫힌 상태의 다른 형태로의 고정 상태와. 면 눈부심이 감소하고 수평면의 조도는 좋으나 조. 개폐 중의 이동 상태를 갖는 것이 큰 특징이다. 이 상태는 하중⋅외력과 함께 달라지므로 각각의 상태 에 대해서 충분한 안전성이 주어져야한다. 개폐방 식에서 안전성을 고려하는 방법은 개폐부가 단지 평면상을 이동⋅주행하는 경우와 경사면을 주행⋅ 이동하는 경우 또는, 매달린 상태로 상하에 이동할 때에는 달라진다. 정상적인 운전이 불가능한 경우 의 사고대책은 안전을 가지고 고려해 둔다. 구조 내 력상의 안전성은 상정된 하중⋅외력에 의한 구조해 석 또는, 실험에 의해 확인된다. 구조체의 해석에서 설계하중으로의 구조체의 변형과 응력 및 그 분포. <Fig. 10> Eco-friendly intelligent building design. 10 _ 제 16권. 제3호 통권 65호, 2016. 9. 를 합리적으로 예견하여 구조체의 안전성과 강도,.

(8) 친환경 지능형 대공간 건축물의 설계. 강성 및 내구성 등을 검토한다.. 다. 개폐지붕부가 구동장치의 고장 등 또는 탈선,. 지붕이 열린 상태, 닫힌 상태 또는 반 열린 고정. 탈삭 등으로 주행이동이 불가능하게 되었을 때 또. 상태로 할 것인가를 고려하여, 개폐지붕의 개폐조. 는 고정할 수 없는 경우에 대해서 안전대책 등도 설. 건 및 닫힌 상태, 열린 상태 및 필요한 경우 반 열린. 계에서 단계에서 계획 되어야 한다.. 고정상태 각각의 사용조건을 설계상 명확하게 한다.. 강성 대공간 개폐지붕 시스템은 지붕의 형태에. 개폐지붕에서는 일반적으로 폭풍 시와 강풍 시에는. 따라서 개폐방식이 달라지는 경향이 지배적이다.. 닫힌 상태로서 사용하고, 내부에는 바람과 비가 들. 원통형 지붕 시스템은 지붕을 2~3개 부분으로 나누. 어가지 않도록 한다. 골조 막구조의 열린 상태에서. 어 일부 지붕은 고정시키고 일부지붕은 수평 슬라. 는 폭풍에 대해서 구조상불리하게 되는 일도 있다.. 이딩 방식으로 열고 닫는 방식이다. 돔 지붕은 지붕. 이 때문에 개폐관리를 하고, 어느 풍속 이상이 되면. 의 형태가 곡면으로 이루어져 있기 때문에 지붕의. 닫힌 상태로 하는 경우가 많다. 지붕개폐 중의 풍속. 곡면에 따라서 개폐를 하는 시스템으로 개폐지붕. 의 변동, 적설의 진행 등에 대해서도, 개폐가 무리. 또한 지붕곡면과 같은 형태이다. 회전식 돔 구조는. 없이 하도록 하며 개폐 중의 구조체에 무리한 힘이. 지붕 축을 중심으로 회전이동 하면서 열고 닫는 방. 들지 않도록 하는 범위의 개폐조건을 설정한다. 이. 식으로 지붕을 삼각형 형태의 몇 개의 조각으로 나. 것은 어느 강설 이상에서는 더욱이 설하중 저항이. 누어서 만든다. 돔 지붕 중앙부를 카메라 렌즈와 같. 적은 열린 상태로 하고, 이 설하중으로 부터 피난하. 은 방식으로 열고 닫는 방식도 있다. 지붕의 일부를. 는 설계도 가능하지만, 이것은 확실한 개폐관리가. 개폐하기도 하고 지붕 전체를 개폐하기도 한다. 피. 전제로 되는 이외 항상 열린 상태로 하는 관리 이외. 봇 축을 중심으로 우산처럼 상하로 열고 닫는 방식. 에는 일반적으로는 생각하기 어렵다.. 은 비교적 작은 지붕에 주로 사용한다. 수평접기 방. 개폐부의 주행, 이동은 수평 슬라이딩, 수평 접. 식은 지붕을 분리된 여러 개의 병열 트러스 형태로. 힘, 회전이동 등이 행해지도록 계획한다. 궤도 및. 만들고 경량 막재를 부분이 접히고 펴지는 형태의. 가동부의 주행, 이동 중의 횡방향 흔들림, 상하방향. 개폐식 지붕을 말한다. 대공간 지붕의 개폐방법은. 흔들림, 막면 개폐 시의 널뜀 등 케이블 구조상에. 건물의 사용목적, 지붕의 개폐목적, 건물의 용도,. 궤도를 갖는 경우에 일어나기 쉬우므로 예상되는. 지붕의 개폐규모 및 범위, 주변 환경조건, 전체 대. 경우에는 구조계획은 신중하게 하고, 충분한 대책. 지 및 부지조건, 개폐관리에 대한 관리운영계획, 경. 을 마련한다. 개폐기구는 개폐구조의 중요한 부분. 제성 및 전체 디자인과의 조화로운 설계 등에 대해. 을 차지하는 것으로, 안전성 및 신뢰성이 없으면 취. 서 고려해야 한다.. 급과 유지보전에 지장을 가져올 뿐 아니라, 구조적 인 위험이 생기기도 하고 충분한 주의가 필요하다.. 4.2 구조 안정성의 설계. 주행에 레일을 사용하는 경우는 원활한 주행을 확. 개폐지붕구조에서는 지붕이 열린 상태, 닫힌 상. 보하기 위해 레일을 설치할 때는 수평도, 직선도,. 태, 사용예정이 있는 경우의 반 열림 고정상태 및. 스팬 또는 곡률에 대해서 정밀도를 보장하여야 한. 개폐 중의 풍하중은 각각 달라진 것으로 어느 상태. 다. 이것의 설치오차와 일그러짐이 발생한 경우는. 로 최대풍하중에 저항하게 할 것인가는 개폐방식과. 개폐지붕부의 주행 시 원활한 주행을 방해하고, 주. 설계방침에 의해 달라지지만, 각 상태로 견딜 수 있. 행저항을 증가시키며 지점강제변위에 의한 지붕구. 는 풍하중을 실용상 또는 개폐 관리상 문제없는 범. 조 및 취급 각부에 변형 및 응력을 발생시키는 결과. 위로 안전계획을 명확히 가져야 하며 그것에 따른. 가 된다. 따라서 부설정도는 계획상 명확하게 해 둔. 구조설계를 한다. 열린 상태, 닫힌 상태, 개폐 중일 한국공간구조학회지 _ 11.

(9) 박강근․이동우․권익노․권택진. 때의 설하중 설정은 개폐관리의 안전을 고려하여 결정한다. 닫힌 상태로의 설하중은 통상 건축물과 변함은 없지만, 개폐관리에 의해 열린 상태일 때 강 설 시에는 개폐관리가 실패되었을 때 사고가 일어 날 가능성이 크기 때문에 유의한다. 가동부가 주행 중일 때 지진하중의 취급이 특유의 문제가 된다. 개 폐지붕에서는 기계와는 달리 상시 움직이고 있는 것이 아니라, 지붕가동 중에 대지진이 발생하는 확 률은 통상 개폐지붕건축물에서는 극히 적지만 그러 나 관객이 많은 대규모 개폐구조에서는 설계자는. <Fig. 12> Antisymmetric vibration mode of an arch. 지진에 의해 상정되는 피해의 크기로부터 충분하게 대책을 세워 둘 필요가 있다. 공간구조물도 일반 라 멘구조 고층건물과 마찬가지로 수평지진동의 영향 이 있다. 공간구조가 일반 구조물과 다른 점은 수평 지진동에 따라서도 상하진동이 발생하기 쉽다는 점, 특히 라이즈가 큰 구조형식에서는 이 영향이 크게. <Fig. 13> Vibration mode of a dome. 나타나는 점, 일반적으로 스팬이 커지면 진동의 고 유주기가 다소 길어지고, 구조의 상하 진동주기가 상하지진동의 탁월한 고유 주기대에 일치하게 되어 상하진동이 생길 가능성이 있다는 것이다. 고유주 기와 진동모드는 공간구조의 형태, 높이, 스팬, 지 지조건에 존재하기 때문에 공간구조의 동적거동에 관하여서는 구조물 형태와 지지형식 등에 따른 분 석이 필요하다<Figs. 11~29>. <Fig. 14> Node instability for dome, cylinder, and HP shell. <Fig. 11> Vibration mode of a large span flat roof <Fig. 15> Ring and line instabilities of dome and cylindrical roof. 12 _ 제 16권. 제3호 통권 65호, 2016. 9.

(10) 친환경 지능형 대공간 건축물의 설계. <Fig. 19> Local buckling by dynamic effect of cylindrical shell. <Fig. 16> General buckling and local buckling of a dome by snow load. <Fig. 20> Coupling buckling by node and member instability. <Fig. 17> Local buckling by dynamic effect. <Fig. 18> Member buckling and local instability. <Fig. 21> Global instability of a dome 한국공간구조학회지 _ 13.

(11) 박강근․이동우․권익노․권택진. <Fig. 22> Large deflection geometric nonlinear analysis of a hinged spherical shell <Fig. 24> Vertical dynamic response time history of shell and displacement contour. <Fig. 25> The response time history for vertical displacement of a truss at the center of bottom <Fig. 23> Large deflection geometric nonlinear analysis of cylindrical roof. <Fig. 26> Live load distribution cases of dome in analysis. 14 _ 제 16권. 제3호 통권 65호, 2016. 9.

(12) 친환경 지능형 대공간 건축물의 설계. 5. 결론 1. 자연모방 친환경 디자인에서 자연에 존재하는 자연과 생체물질은 오랜 시간 동안에 발전해 오면 서 고효율 최적화된 고도기능 시스템으로 자연모방 과학으로부터 어려운 공학적인 난제나 복잡한 메커 니즘을 해결할 수 있는 실마리를 찾을 가능성이 높 다고 생각된다. 대공간 구조물의 자연모방 건축디 자인의 조사에서 산의 모양, 달이 뜨는 모습, 새둥 <Fig. 27> Structural system of retractable. 지의 모양, 모란꽃이 피는 모습, 거미줄 형상구조. cable spoke wheel system. 등을 주요 디자인 모티브을 적용한 사례 건축물들 은 기능을 중요시한 다른 대공간 건축물보다 아름 답고 유명하며 친환경적인 건축물로 알려져 왔다. 2. 친자연 재료와 친환경 에너지를 적용한 친환 경 생태건축은 흙이나 나무 같은 자연재로를 어떻 게 이용할 것인지, 바람, 지열, 태양에너지를 어떻 게 이용할 것인지, 빌딩의 냉난방은 어떻게 할 것인 지, 빌딩에 위해한 요소는 어떻게 줄일 것인지 등에 대한 자연과 인간의 상호 밀착된 자연모방 디자인 및 시스템에 대한 포괄적인 연구가 필요하다고 생 각된다. 자연 모방 디자인 분야에서 자연의 기능과. <Fig. 28> Nonlinear behavior of a cable. 생명체의 생명현상을 응용한 생체 모방 로봇, 광합. spoke wheel system with center post. 성 에너지의 활용, 곤충 눈 카메라, 거미줄 인공심 줄 및 수술용 실, 샌드피쉬 모방 저마모 재료, 자기 세정 의복 및 페인트, 모르포 나비 모방 나노 바이 오 복합체, 상어피부 모사 수영복 및 타이어 등의 신기술 개발 분야가 매우 놀라운 결과이다. 자연모 방 건축은 자연과 인간과의 유기적인 상호 공존하 는 관계를 추구하는 생태건축, 친환경 디자인, 그린 디자인, 지속가능 디자인, 에코 디자인, 친자연 디 자인의 개념을 함축하고 있다고 사료된다. 자연, 인 간, 건축의 공생적 관계를 추구하기 위해서 자연 친 화적인 디자인, 친자연 형태의 디자인, 지역의 기후. <Fig. 29> Tensile test curve of a cable and PZT response. 와 환경에 적합한 재료, 재사용이 가능한 재료, 주 변 자연환경과 소통하는 내부 및 외부 공간의 유기 적 관계, 지역 사회 문화와의 조화로운 공간 디자. 한국공간구조학회지 _ 15.

(13) 박강근․이동우․권익노․권택진. 인, 자연 에너지의 적극적인 활용 등이 중요한 요인 으로 생각된다. 3. 본 연구에서는 개폐식 대공간 구조물의 사례 조사를 수행하였다. 강성개폐식 및 연성개폐식 구 조물의 형식과 종류를 분석하였고, 개폐방식에 대 해서도 조사를 하였다. 강성 개폐식 대공간 구조물 평지붕 수평 슬라이딩 방식, 원통지붕 수평 슬라이 딩 방식, 원통지붕 수평 접기 방식, 원형 돔 지붕 중 앙부 카메라 렌즈 개폐방식, 돔 지붕 경사면 슬라이 딩 방식 등으로 분류된다. 연성 대공간 지붕의 개폐 식은 스포크 휠 시스템이 가장 많이 사용되어 왔고, 점진적으로 발전되어 중앙부 포스트를 갖는 스포크 휠 시스템이 역학적으로 많은 장점이 있다고 사료 된다. 대공간 구조물은 절점좌굴, 부재좌굴, 전체 좌굴에 대한 안정성 검토가 중요하고, 개폐 시의 이 동하중에 대한 동적거동도 분석할 필요가 있다고 사료된다. 케이블 단부 소켓의 내력 평가를 위한 인 장시험이 반드시 이루어져야 한다고 생각된다.. 감사의 글 본 연구는 국토교통부 도시건축연구사업의 연구 비지원(16AUDP-B100343-02)에 의해 수행되었습 니다.. References 1. K.G. Park, D.W. Lee, " A Nature Inspiration Design of Eco-friendly Spatial Buildings, Korea Residence Environment Association, 2016. 6, pp.1-20 2. The Design Specification for Retractable Spatial Structures, Korean Association for Spatial Structures, 2011 3. Nisa Programming, Crane Software , 2016. 16 _ 제 16권. 제3호 통권 65호, 2016. 9.

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