Investigation of Structural Characteristics About Retractable Roof of Spatial Structure

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개폐식 대공간 건축물의 지붕구조에 따른 특성분석

Investigation of Structural Characteristics About Retractable Roof of Spatial Structure

이 영 락*

Lee, Young-Rak

김 현 수**

Kim, Hyun-Su

강 주 원***

Kang, Joo-Won

1)

1. 서론

대공간 구조물(Large spatial structure)은 3차 원적인 힘의 흐름과 면내력에 의해 외부하중에 대 한 저항능력을 극대화시킨 형태 저항형 구조로 구 조시스템 및 재료, 설비, 방재기술 등 방대한 요소 기술의 복합체로 구성된 미래지향적 첨단 건축물이 라 할 수 있다. 대공간 구조물은 다양한 규모와 형 상을 가지므로 많은 경험을 축척하고 있는 일반적 인 라멘 구조물과는 구조특성이 매우 다르고, 또 경 험적으로 예측할 수 없는 요소가 많이 존재한다. 구

*** 학생회원․ 영남대학교 일반대학원 건축학과 박사과정 Dept. of Architecture, Graduate School of Yeungnam University

*** 정회원․ 선문대학교 건축사회환경학부 부교수, 공학박사 Div. of Architecture, Architectural & Civil Engi- neering, Sunmoon University

*** 정회원․ 영남대학교 건축학부 교수, 공학박사 School of Architecture, Yeungnam University

조형식 및 형상에 관하여 다양성을 가지고 있는 대 공간 구조물이 외부로부터 동적하중이 작용할 때 나타나는 구조물의 거동 특성을 파악하기는 더욱 힘들다. 특히 최근에 고층화, 대형화 되고 있는 건 축시장의 동향을 분석해 볼 때, 대부분의 대공간 구 조물은 체육관, 강당, 홀 등 공공성을 가지는 것이 특성을 지니고 있다. 많은 사람들이 이용하는 공간 이기 때문에 안전성에 관한 중요성이 더욱 인식되 고 있다¹⁾. 이에 따라 대공간 구조물의 안전성 확보 및 적합한 설계와 시공을 위해 대공간 구조물에 대 한 연구가 진행되고 있다.

우리나라에서도 올림픽, 엑스포, 월드컵 등의 각 종 국제적인 행사를 주체함으로써 대공간 구조물에 대한 수요가 증가되고 있다. 이를 통해 향후 활용 가능한 대공간 건축물 중 지붕구조의 개폐가 가능 한 구조물을 예로 들 수 있다. 지붕구조 개폐시스템 은 대공간 건축물에서만 구현될 수 있는 독특한 시

기 술 기 사

개폐식 대공간 건축물의 지붕구조에 따른 특성분석

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스템으로 지붕구조의 개폐로 인하여 대공간 건축물 의 전천후 사용이 가능하게 되었다. 지붕구조의 개 폐는 대공간 건축물의 사용성이 증대할 뿐 아니라 지붕이 열리고 닫히는 특징으로 랜드마크적인 효과 를 기대할 수 있다.

2. 개폐식 대공간 건축물의 지붕구조

개폐식 지붕구조는 구조형식, 마감재료 및 개폐 방식에 따라서 매우 다양하다. 구조형식에 따라서 케이블구조와 골조구조로 구분할 수 있으며, 재료 에 따라서 막재료와 강판재료로 구분할 수 있다. 또 한 지붕구조의 개폐는 수평이동, 중첩, 주름접기 등 매우 다양하게 구현할 수 있다²⁾. 이에 따라 시공법 이나 시공관리 기법에 있어서도 매우 고난도의 기 술을 필요로 한다.

실제 건설된 개폐식 대공간 건축물을 통해 지붕 구조 개폐에 대한 특징을 살펴보면 다음과 같다. 수 평이동방식은 <Fig. 1>의 말린스 볼 파트(Marlins Ball Park)와 같이 지붕구조가 단순히 평행하게 움 직여서 지붕을 개폐하는 것이다. 중첩방식은 몇 개

<Fig. 1> Rogers Center

<Fig. 2> Yahoo Dome

로 구성된 지붕이 완전히 열려진 상태가 될 때 지붕 이 2중 또는 그 이상으로 겹쳐지는 지붕구조로 회전 이동, 상하이동, 평행이동 등으로 지붕이 움직이는 방식이다. <Fig. 2>는 일본 후쿠오카에 위치한 야 후 돔(Yahoo Dome)구장으로 회전이동 중첩방식을 적용한 것이다. 주름접기방식은 케이블에 막을 메 달아 커튼처럼 막을 펴고 접는 방식으로 상하 주름 접기, 방사형 주름접기, 수평 주름접기, 부채꼴형 주름접기 등이 있다. <Fig. 3>은 캐나다에 위치한 BC 플레이스 경기장(BC Place Stadium)으로 방사 형 주름접기 방식을 적용한 것이다.

<Fig. 3> BC Place Stadium

이영락․김현수․강주원

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국내에서 개폐식 지붕구조 시스템을 적용한 사례 는 <Fig. 4>와 <Fig. 5>와 같이 청도 소 싸움경기장 과 나래돔이 있으며 지붕구조의 개폐는 슬라이딩 중첩방식을 적용하고 있다. 그러나 국내 대공간 구 조물의 건설실적은 물론 개폐식 대공간 구조물의 실적도 매우 적으며 엔지니어링 설계에 있어서도 초기단계에 있다.

<Fig. 4> Bullfight Stadium

<Fig. 5> Narae Dom

앞서 살펴본 특징들에 대해 개폐식 지붕구조의 설계에는 고려해야 할 조건들이 있다. 개폐지붕구 조는 지붕의 열린 상태, 닫힌 상태 및 개폐 중인 상 태에서 각각 예상되는 하중 및 외력에 대해 구조적 으로 안전하도록 설계해야 한다. 특히 대공간 건축 물의 내진설계를 효과적으로 수행하기 위해서는 구 조적 동적 특성을 파악하는 것이 필요하다.

3. 개폐식 지붕구조에 대한 구조적 특성

본 절에서는 장변방향이 Keel 아치 트러스로 구 성되어 있고 단변방향의 Cross 거더 및 이를 연결 하는 스페이스 트러스로 구성된 개폐식 대공간 건 축물에 대해 살펴보았다.

<Fig. 6>은 일본에 위치하여 2001년에 완공이 된 오이타 종합경기장이다. 규모는 직경 245m, 최고 높이는 58m로, 약 4만 명의 인원을 수용할 수 있 다. 지붕의 형태는 Elliptical dome roof로 Pipe arch구조와 Space frame을 사용하여 넓은 스팬에 가장 경제적인 구조 시스템을 적용하였다. 아치 프 레임은 Triangular lattice를 사용하였고 지붕의 중 앙하부 부분은 Titanium, 움직이는 개폐부분은 Teflon 막재를 사용하였다. 7개의 아치가 경기장 지붕을 지지하고 중앙에 남북 방향의 아치가 7개의 아치를 고정하고 있다.

<Fig. 7>은 2014년에 완공이 된 싱가포르 국립경 기장이며, 300m 스팬에 80m 높이로 설계된 세계 최장 스팬 경기장이다. 지붕은 싱가포르의 덥고 습 한 기후에 적합한 스틸 판과 ETFE 막재를 사용하였 다. 지붕을 4개의 아치 트러스와 중앙 하부 부분에 연결한 대각 트러스를 서로 묶어서 지붕의 연직하 중 뿐 만아니라 바람이나 지진 등의 횡력에도 효과 적으로 저항할 수 있도록 설계되었다.

<Fig. 6> Oita Stadium

<Fig. 7> Singapore sports hub

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<Fig. 8>은 일본에 위치한 고메츠 돔경기장으로 장변방향의 최대 스팬은 162m, 최고 높이 59m이 다. 지붕구조는 스페이스 트러스구조로 이루어져 있고, 마감은 PTFE 코팅 유리섬유로 되어 있으며 2 중 막구조로 설계되었다.

<Fig. 8> Komatsu Dome

고메츠 돔을 이용한 지붕구조의 동적특성 분석³⁾ 으로 구조물의 고유진동주기는 뼈대를 이루는 Keel 아치에 의해서 주로 결정되지만 지붕의 개폐상태 및 적설하중의 고려에 따라서 달라질 수 있다고 보 고되었다. 기존 연구를 보면 지붕구조물이 닫힌 상 태일 때에 비해서 열린 상태일 때 장변방향 및 단변 방향의 고유진동주기가 증가하였다. 또한 지붕이 닫힌 상태에서 적설하중을 고려하지 않을 때에 비 해서 고려했을 때 고유진동주기가 증가하는 것을 알 수 있었다. 개폐식 대공간 구조물의 동적 특성은 지붕의 개폐여부 및 적설하중의 고려여부에 따라서 크게 달라지기 때문에 내진설계 또는 진동제어시스 템 설계 시에서 개폐에 따른 특성 변화가 반드시 고 려되어야 할 것이다.

4. 결언

개폐식 대공간 건축물의 지붕구조는 고정된 지붕 과는 달리 지붕의 개폐상태에 따른 구조물의 동적 특성을 파악하여야 한다. 설계 시 열린상태, 주행상 태, 닫힌상태 등에 대해서 종합적으로 분석을 해야 하며, 지붕전체의 주요부분과 개폐부분의 주요부분 에 대한 파악도 중요하다. 또한 여러 동적하중을 비 롯한 적설하중은 중요하게 고려해야 할 사항 중 하 나이므로 적설하중에 의한 안전성 및 안정성 검토 가 이루어져야 한다. 이러한 적설하중은 대공간 구 조물의 정적거동에 영향을 미칠 뿐만 아니라 구조 물의 추가 질량으로 작용하여 동적거동에 영향을 미치게 되므로 이에 대한 검토도 필요하다. 따라서 개폐식 대공간 건축물을 대상으로 지붕의 개폐여부 에 따른 동적특성 변화를 분석할 필요가 있다고 판 단된다.

References

1. K.I. Kim, E.S. Lee, C.W. Jung, J.W. Kang, “A Study on the Seismic Response of Arch Structures Using Simulated Earthquake Motion”, The Regional Association of Archi- tectural Institute of Korea, pp341~344, 2008.

2. G.C. Kim, J.W. Kang, H.S. Kim, “Vibration Analysis of Space Structure with Retractable Roof”, Journal of korea association for spatial structures, Vol. 11, No. 1, pp113~120, 2011.

3. Y.R.Lee, L.K.Lee, S.J.Kim, S.G.Kim, K.Y.Kim, H.S. Kim, J.W. Kang, “Investigation of Dynamic Characteristics of Retractable Spatial Structure (Concerning Komatsu Dome)”, Architecture &

City 2016, Architectureal Institute of Korea.