| 건물의 안전을 다루는 건축구조(울산대신문 게재) | |||||
| 작성자 | 김** | 작성일 | 2015-06-06 | 조회수 | 1486 |
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(*이 글은 2015년 6월 5일자 울산대 신문의 '테트리스' 칼럼에 게재하기 위해 투고한 초안입니다. 울산대 신문은 각 전공의 소개를 위한 글을 게재하고 있으며, 첨부파일의 내용은 본인이 원하는 지면상 약간의 편집이 이루어졌습니다. )
제목 : 건물의 안전을 다루는 건축구조
글쓴이 : 건축공학부 김이두 교수
집은 눈, 비, 바람, 추위, 더위 등의 기후로부터 사람을 보호하며, 사회로부터 사생활을 확보하기 위해 집을 짓고 산다. 집은 그릇이나 술잔처럼 인간의 삶을 담는다. 건축이라는 삶의 그릇은 그 안에서의 생활의 내용 및 행태에 따라 매우 다양한 형태를 취한다. 건축은 물리적 구축물로서의 건축과 그 안팎에서 일어나는 인간 활동을 모두 포괄하기 때문에 다루는 폭이 매우 넓다. 건축에는 기본적 개념인 공간을 비롯하여 환경, 구조, 기능, 형태, 표현 등을 다룬다. 건축에는 구조물안전을 추구하는 건축구조, 열, 빛, 소리, 공기 등의 거주여건을 다루는 건축환경 및 설비, 그리고 경제성인 생산을 추구하는 건축시공 및 재료, 기능 및 형태의 건축계획 및 설계, 그리고 건축이론 및 역사 등의 분야가 있다.
건물은 뼈대(skeleton)와 피복(envelope)으로 이루어진다. 인체에 비유한다면 골격은 뼈대이고 살과 피부는 피복이다. 골격은 체중을 실어 땅에 전달하고 피복은 내장을 보호하고 체온을 유지하는 역할을 한다. 건물뼈대는 그 건물을 구성하는 지붕, 바닥, 벽, 기둥 등의 무게를 견디어야 하고, 게다가 그 건물의 용도에 따른 무게와 바람과 지진 등에 의해 그것에 가해지는 다른 힘들도 지탱해야 한다. 우리가 흔히 보는 건물들은 이러한 힘을 지반에 까지 효율적으로 전달할 수 있는 내부골격(메카니즘)을 가지고 있는 데 이를 보통 구조라 한다. 이러한 구조방식은 고층건물, 대형경기장 등과 같은 건축물의 규모가 커짐에 따라 건축물의 형태를 결정하는 중요한 요소가 되어, 건물의 기능을 만족시키면서도 구조 그 자체로서 미적 특성을 가지게 된다.
우리는 식물과 동물의 자연적인 형태에서 훌륭한 구조를 발견할 수 있다. 나무를 이러한 관점에서 살펴보면, 줄기는 수직하중을 가지로부터 지반으로 전달하기에 충분하게 굵고도 강하다는 것을 알 수 있다. 동시에 태풍에도 견딜 수 있도록 유연하다. 눈이 덮여도 과도하게 처질정도로 무겁지만 않는다면 가지들은 옆으로 뻗어나가서 잎들을 지지하기에 충분할 만큼 튼튼하다. 뿌리의 구조는 나무의 전체 무게를 땅의 넓은 범위에 동시에 분산시키고, 바람에 의해 쓰러지는 힘(전도모멘트라고 한다)을 지탱하기 위하여 땅밑에서 방사형으로 뻗어있다. 이렇게 나무는 각 구성요소가 그 자체로서의 국부적인 기능을 수행함과 동시에 전체로서 조화로운 역할을 하도록 형성되어 있다.
건물도 이러한 자연형태와 닮은 점이 많다. 동굴과 아치구조, 계란껍질과 돔구조, 거미집과 케이블망구조, 잎맥과 리브(rib)바닥구조 등은 개념상 같은 형태이다. 그러나 다른 한편으로서의 건축은 인간활동을 담기위해 직선과 평면과 같은 자연적인 것에 반하는 형태를 사용한다. 결국 건물은 외력과 기후 등의 자연의 환경을 견디기 위한 인간의 노력의 산물로 볼 수 있다.
건물이 지탱해야 하는 힘(이를 하중이라 한다)은 그 특성에 따라 크게 정적하중과 동적하중으로 나누어진다. 짧은 시간에 작용하여 진동을 유발하게 되는 경우를 동적하중이라 하며, 그렇지 않은 하중을 정적하중이라 한다. 정적하중으로는 건물 자체의 무게와 마감재, 기계설비 등 반영구적으로 건물에 부착되는 요소들의 무게인 고정하중, 건물의 용도에 따라 예상되는 사용하중인 적재하중, 재료의 열팽창정도가 상이함에 따른 온도하중, 기초지반의 변동에 따른 부동침하 등이 있다. 바람과 지진 등과 같이 건물에 단기간에 작용하는 동적하중은 건물에 진동을 발생시키고 이에 따라 구조적인 변형도 빠르게 변하게 된다. 건물을 설계하기 위한 바람의 속도(설계풍속)는 보통 50년 정도의 주기를 기본으로 하여 계산한다. 풍속은 지면에서 높아질수록 증가하고 설계 값도 그에 따라서 증가한다. 지진에 의해 건물에서 발생된 힘은 수반되는 지반가속도의 크기 뿐만 아니라 지반과 건물의 상대적인 강성과 건물 자체의 진동특성에도 영향을 받는다.
건물을 설계할 때는 이러한 여러 하중이 건물에 동시에 작용하는 지의 여부를 따져 건물이 가장 불리한 경우에도 견딜 수 있도록 설계를 하고 있다. 즉, 건물구조는 예상되는 하중을 지탱할 수 있도록 각 구조요소들을 짜임새있게 배열함으로서 구성된다. 따라서, 영화에서처럼 슈퍼맨이 건물을 들고 하늘을 날아다니는 것은 불가능한 일이다. 이러한 구조계획을 효율적으로 수행하기 위해서는 구조역학 외에, 철근콘크리트구조, 강구조, 철골철근콘크리트 구조, 프리스트레스트 콘크리트 구조, 기초구조 등, 각 종 구조설계법이나, 최근의 구조기술, 재료의 생산기술, 시공기술 등에 대한 광범위한 지식과 경험이 요구된다.
우리는 간혹 건설현장에서의 사고나 완공된 건물이 무너지는 불행을 겪고 있다. 이러한 현상은 기술적인 문제라기 보다는 사회적인 요인에 기인하고 있다. 건축주나 발주처는 전문기술자가 설계안을 충분히 검토할 수 있는 비용과 기간을 확보해주어야 하며, 이들의 의견을 존중해 줄 필요가 있다. 건축법규에서는 건물의 안전을 충분히 확보하도록 규정하고 있다. 돈과 업적보다 인간이 우선이다.
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