건축 관련 분야 – 구조 공학

구조는 건물의 골격을 말합니다. 건물을 점유하는 사람들의 안전과 직결되기 때문에 건축의 중요한 측면으로 꼽힙니다. 한국의 삼풍백화점과 성수대교 붕괴와 같은 비극적인 사건은 구조적 무결성의 중요성을 분명히 보여줍니다. 건축가는 설계가 적절한 강도와 안정성을 유지할 수 있도록 구조적 지지에 의존해야 합니다. 모든 건축 자재와 그 응용은 구조 공학의 원칙에 기반합니다.

건물의 기본 설계가 준비되면 구조 전문가들은 건물의 규모를 검토하고 기둥의 적절한 간격과 치수를 계산합니다. 예를 들어 기둥 없이 공간을 만들 수 있는지, 긴 캔틸레버 캐노피를 안전하게 만들 수 있는지 여부 등 이러한 구조적 고려 사항은 설계에 큰 영향을 미칩니다. 요컨대, 설계 형태와 관계없이 구조 시스템이 건축가의 의도를 얼마나 잘 반영하고 지원할 수 있는지가 관건입니다. 또한 건물을 경제적이고 합리적인 방식으로 설계하는 것은 구조 엔지니어의 역량에 달려 있습니다. 과도한 보강 없이 법적 기준을 충족하려면 과학적 설계 방법을 사용해야 합니다. 이러한 전문가를 구조 엔지니어(라이선스 전문가)라고 하며, 대학 졸업 후 현장 경험을 쌓은 후 시험 볼 수 있는 자격이 주어집니다. 이상적인 디자인을 만들려면 건축가는 구조 엔지니어 및 건설 계약자와 긴밀히 협력해야 합니다. 건물은 끊임없이 다양한 힘을 받으며, 이러한 힘을 견딜 수 있도록 세심하게 설계되어야 합니다.

건축구조-기둥/보 시스템
이것은 가장 일반적으로 사용되는 구조 시스템입니다. 하중은 빔을 통해 수평으로 전달된 다음 기둥을 통해 수직으로 전달됩니다. 간단하고 모듈식 시스템이라 직선으로 쉽게 만들 수 있지만, 스팬 길이에 비해 무게가 상대적으로 무거워져 빔이 얼마나 멀리 뻗어나갈 수 있는지에 제한이 있습니다. 하지만 소재의 발전으로 더 긴 스팬이 점점 더 가능해지고 있습니다.

건축구조- 슬래브/벽 시스템
벽-슬랩 시스템이라고도 하는 이 구조는 슬래브와 벽이 직접 하중을 견디기 때문에 보와 기둥이 필요하지 않습니다. 과거에는 현대적인 골조 시스템이 개발되기 전의 주요 방법이었습니다. 흥미롭게도 이 시스템은 여전히 한국 아파트 건물에서 일반적으로 사용되고 있습니다. 그 이유는 기둥에 의한 모서리 공간에 대한 제약이 없고, 깊은 빔으로 인한 바닥 높이 증가를 방지합니다. 그리고 비용 절감 효과를 제공합니다. 그러나 이 방법은 지하 주차장에는 매우 불리하여 결국 지하 부분에는 빔과 기둥을 결합한 혼합 구조 시스템이 자주 사용됩니다.

 

건축구조- 트러스 시스템
트러스 시스템은 기둥이 없는 넓은 공간을 만드는 곳에 매우 유리합니다. 삼각형 요소를 통해 하중이 효과적으로 분산되며, 각 구성 요소가 가볍기 때문에 기둥 없이도 긴 스팬의 처리가 가능합니다. 대각선 부재로 여러 개의 트러스를 연결하면 측면 하중에도 안정적인 구조를 유지할 수 있어 방해받지 않는 공간이 필요한 체육관 및 기타 넓은 공간에 적합합니다.

 

건축구조- 스페이스 프레임
스페이스 프레임의 연구와 설계를 최초로 확립한 사람은 콘래드 바프만입니다. 스페이스 프레임은 트러스를 3차원적으로 통합한 것입니다. 2차원 트러스에 비해 재료가 덜 필요하지만 짧고 가느다란 부재로 단단하게 연결되어 있어 넓은 공간을 커버하기에 경제적입니다. 프레임은 섬세하고 가벼운 조립식 요소로 구성되며, 설계와 시공 모두에서 조인트를 정밀하게 처리해야 합니다.

건축구조- 지오데식 돔
원래 벅민스터 풀러가 개발한 이 구조는 곡선 트러스 시스템으로 설명할 수 있습니다. 격자는 삼각형으로 나뉘며, 부재가 짧고 단단하여 구조가 가볍지만 매우 강합니다. 이러한 장점으로 측지 돔은 내부 지지대 없이도 넓은 영역을 덮을 수 있습니다. 시각적으로 눈에 띄는 형태 덕분에 기념비적이거나 상징적인 존재감이 필요한 건물에 자주 사용됩니다.

건축구조- 아치 시스템
고대 로마인들이 처음 개발한 아치 시스템은 곡선 형태로 배열된 절단된 돌 블록을 사용합니다. 아치 상단의 압축력과 마찰력을 안정화하는 키스톤은 매우 중요합니다. 양쪽 끝에 적절한 앵커링을 하여 아치에 하중을 견딜 수 있습니다. 이 시스템은 미적으로 보기 좋지만 광범위한 기초 작업과 숙련된 석조가 필요하며, 팽창과 수축으로 인한 응력에 취약하다는 단점이 있습니다.

건축구조- 돔 시스템
아치나 금고와 마찬가지로 돔은 압축의 원리에 기반합니다. 돔은 기본적으로 중앙 수직 축을 중심으로 360도 회전하여 원형 평면을 형성하는 아치입니다. 고전적인 건축은 돔을 넓은 개방 공간에 사용했고, 우아한 형태는 내부에 신비로움과 웅장함을 더했습니다. 돔은 구조적으로 견고하기 위해서 튼튼한 기초와 두껍고 원형인 지지벽이 필요합니다.

 

건축구조- 아치 볼트 시스템
아치와 같은 압축 원리에 따라 볼트 시스템은 돌 블록을 아치 모양으로 길게 쌓아 만듭니다. 약간의 차이는 있지만 현대 터널은 볼트 구조의 가장 간단한 예입니다. 블록 사이에는 엄청난 압축력과 마찰력이 발생하며, 볼트의 척추를 따라 내장된 키스톤은 구조를 단단히 결속하는 데 중요한 역할을 합니다. 버팀벽은 볼트의 수평 압축력에 저항하는 데 사용되는 구조 장치입니다.

건축구조- 장력 시스템
인장 구조는 기본적으로 텐트 모양입니다. 유연한 직물이나 케이블은 수직으로 세운 기둥 위에 매달려 지면에 고정됩니다. 이 기둥은 재료에 장력을 가하여 매우 넓은 공간을 덮을 수 있습니다. 가볍고 쉽게 운반할 수 있는 구조적 형태입니다. 재료 과학과 공학의 발전으로 인장 구조는 더욱 정교하고 안전해졌습니다. 대표적인 예는 상암동에 위치한 서울월드컵경기장입니다.

건축구조- 케이블 시스템
케이블 시스템은 양쪽 끝에 고정된 유연하고 비강성 케이블로 구성됩니다. 이 케이블은 간단한 인장 응력을 가지고 외부 수직 하중을 전달하여 구조물의 곡선 부분으로 재분배합니다. 케이블은 스팬 길이에 비해 가볍기에 장거리 응용에 매우 경제적입니다. 현대의 케이블 구조물은 종종 첨단 기술의 외관을 가지고 있어 부분적으로나 전체적으로 건물의 이미지를 향상하여 인기가 높습니다.

건축구조- 절판 시스템
이 시스템은 일반적으로 강철 메시로 보강된 얇은 콘크리트로 만든 곡면으로 구성됩니다. 접힌 형상은 강도와 강성을 제공하여 최소한의 재료로 긴 스팬을 가능하게 합니다. 접힌 부분이 만들어내는 날카로운 기하학적 선은 강한 시각적 인상을 남기므로 접힌 판 시스템은 현대 건축에서 구조적 및 미적 목적으로 자주 사용됩니다.

건축구조- 셸 시스템
달걀 껍데기의 원리에 따라 이 시스템은 일반적으로 철근망 위에 콘크리트를 깔아 얇고 자립적인 구조를 형성합니다. 곡선이 뚜렷할수록 구조가 더 안정적으로 변합니다. 셸 구조는 장시간 사용해도 효율적이고 자유로운 형태의 디자인이 가능하며 미적 호기심을 불러일으켜 상징적인 건물에 사용됩니다.

 

건축구조- 공기압력(공중 지원) 시스템
원래 미 공군이 레이더 기지를 덮기 위해 개발한 이 구조는 공기로 채워진 막 구조로, 일반적으로 공기압력 구조라고 합니다. 두 가지 유형이 있습니다. 압력을 가한 공기를 사용하여 섬유 튜브나 렌즈와 같은 형태의 요소를 보강하는 팽창된 구조물과 공기 지지 구조물은 막의 내부 표면에 직접 공기압을 가하여 지지합니다. 밀폐된 얇은 막은 가볍고 유연하며 테플론으로 코팅된 플라스틱, 비닐 또는 유리섬유로 만들어졌으며 내부와 외부의 미세한 압력 차이로 지지가 됩니다. 바람에 취약하지만 기술 발전으로 안전성이 크게 향상되어 매우 매력적인 조형물을 만들 수 있게 되었습니다.