건축물의 구조는 건축물의 뼈대를 구성하는 방식, 골조를 말한다. 건축물의 구성요소로서의 뼈대는 건축물의 수명을 결정짓는 핵심적 부분으로서 사람의 몸에 비유한다면 뼈와 근육과 같은 골격에 해당하며, 기계설비와 전기설비는 사람의 몸이 있어서 혈관과 장기라고 할 수 있으며, 외부 및 내부마감은 피부에 비유될 수 있을 것이다. 사람의 장기가 손상될 경우에는 치료를 통해 원래의 기능을 되찾을 수 있고, 피부 역시 치료나 화장 등의 방법으로 원형을 회복하거나 더욱 미적으로 개선할 수 있겠지만 타고난 골격은 바꾸거나 고치기가 거의 불가능하다고 할 수 있다.
▶건축구조 개요
건축의 구조의 선택에 있어 고려해야 할 사항은 다음과 같습니다. 1) 안전성 : 건축물은 인간생활의 용기라는 측면에서 우선 인간을 안전하게 수용해야하며 2) 거주성 : 피난처(shelter)로서의 기능인 방수, 단열, 채광, 통풍 등의 물리적 성능을 확보해야 하며 3) 내구성 : 건축물은 오랜기간 사용되므로 물리적,역학적 성능이 잘 유지될 수 있어야 하며 4) 경제성 : 일정한 성능을 충족하는 가운데서 공기단축, 시공비의 절감을 고려해야 하며 5) 구조미 : 구조방식자체가 건축의 표현이므로, 합리적인 구조방식을 선정해야 한다.
건축법과 건축물의 구조기준 등에 관한 규칙에서의 규정 1) 주요구조부 : 건축물의 공간을 구성하는 주요부분으로 기초, 벽, 기둥, 바닥, 보 지붕 및 주계단 2) 벽 : 두께에 직각으로 측정한 수평치수가 그 두께의 3배를 넘는 수직부재 3) 기둥 : 높이가 최소 단면치수의 3배 혹은 그 이상이고 축압축 하중을 주로지지하는 데 쓰이는 부재 건축법규에서의 주요구조부는 주로 방화상의 목적을 지닌 규정으로 기초는 방화상 규제대상이 아니므로 주요구조부에서 제외하고 있습니다.
구조의 분류는 여러 가지 방법으로 다양하게 분류될 수 있습니다. 건축구조는 구성방식, 형식, 부재의 구성재료, 시공방식에 의해 분류할 수 있습니다. 건축법규에서는 이외에도 방재의 목적으로 내화구조와 방화구조를 규정하고 있으나 건축물의 구성방식으로의 구조와는 다르므로 제외합니다.
▶구조부재의 구성재료에 의한 분류
목구조 (Wooden construction, Timber structure) 목재를 접합연결하여 건물의 뼈대를 구성하는 구조로 가볍고 가공이 쉽다.
벽돌구조 (Brick construction) 하중을 받는 벽, 내력벽을 벽돌을 쌓아 구성하는 구조
시멘트블록구조 (Cement block construction) 시멘트블록과 몰탈로 내력벽을 쌓아 구성하는 구조로 필요시 블록내부공간에 철근과 몰탈로 보강
철근콘크리트구조 형틀(거푸집)속에 철근을 조립하고 그사이에 콘크리트를 부어 일체식으로 구성한 구조
철골구조 철로된 부재(형강, 강판)를 짜맞추어 만든 구조로 부재접합에는 용접, 리벳, 볼트를 사용
철골철근콘크리트구조 내화, 내구, 내진성능을 위해 철골조와 철근콘크리트조를 함께 사용하는 구조
▶구조의 시공방식에 의한 분류
습식구조 wet construction
조적식구조, 철근콘크리트구조처럼 구조체 제작에 물이 필요한 구조 단위작업에 한계치가 있고, 경화에 일정기간이 소요
건식구조 dry construction
목구조, 철골구조처럼 규격화된 부재를 조립시공하는 것으로 물과 부재의 건조를 위한 시간이 필요없어 공기단축이 가능
현장구조 field construction
구조체 시공을 위한 부재를 현장에서 제작, 가공, 조립, 설치하는 구조 넓은 면적의 현장면적이 필요
조립구조 prefabricated structure
공장에서 부재를 제작, 가공하고 현장에서는 조립, 설치 하는 구조 대량생산에 따른 시공비절감과 균일한 품질확보, 공기절감이 가능
▶구조의 구성방식에 의한 분류
가구식구조 Framed Structure
목구조, 철골구조가 해당되며 선형의 구조 재료를 조립하여 골조를 구성
조적식구조 Masonry Structure
벽돌구조, 석구조, 블록구조가 해당되며 단일재료를 시멘트등의 교착제를 사용하여 쌓아 구조체를 구성
일체식구조 Monolithic Structure
철근콘크리트구조가 해당되며 전체 구조체를 구성하는 구조부재들을 일체로 구성
특수구조 Special Structure
현수식구조, 입체골조(space frame), 쉘(shell)구조, 막구조 등
▶구조의 형식에 의한 분류
라멘(Rahmen)구조 기둥과 보, 바닥으로 구성되며 철근콘크리트구조와 철골구조 등에 사용
벽식구조 내력벽과 바닥으로 구성되며 아파트 등의 구조방식으로 사용
트러스(Triss)구조 주로 삼각형의 형태로 체육관 등 큰 공간의 천장구조방식으로 사용
아치(Arch)구조 하중을 기둥없이 면내력으로 지지하는 구조로 조적식구조에도 적합함
플랫슬라브(Plat Slab)구조 보가 없이 하중을 바닥판이 부담하는 구조로 큰 내부공간 조성이 가능
절판(Folded Plate)구조 병풍같이 굴절된 평면판의 큰지지력을 이용한 형식으로 주로 지붕구조에 사용
셀(Shell)구조 곡판구조, 곡률반경에 비해 얇은 곡면의 판부재를 이용하여 곡면내응력으로 대스판을 처리하는 방식
스페이스 프레임(Space Frame)구조 단일부재를 입체적으로 조합한 입체트러스구조
현수식(Suspension)구조 케이블을 사용하여 인장응력에 의하여 하중을 지탱하는 구조로, 대스판이 가능하여 교량 등에 이용
막구조 1) Truss Membrane Structure 구조적인 안정감과 개구부를 자유롭게 만들수 있는 특징을 가지며 경제성이 뛰어나 대,소 규모에 상관없이 넓고 다양하게 사용 2) Suspension Membrane structure 기복(높고낮음)이 풍부한 형태로 곡면의 유니크함을 살릴 수 있는 디자인, 그리고 강한 임펙트로 시각효과가 높은 건축물을 구축 3) Air dome 기둥이나 보없이 공기압으로 지탱하는 돔 형태의 구조물로 광대한 공간 형성에 있어 높은 경제성, 시공성이 있는 구조방식
조적식 구조 - 적벽돌 벽식구조
조적식구조-시멘트블록 트러스구조-목조(지붕)
철근콘크리트조 라멘구조, 일체식구조
철골구조 라멘구조, 가구식구조
스페이스프레임 구조
목구조 가구식구조
막구조 Suspension Membrane
쉘(shell)구조
현수식구조
하중 저항방식에 의한 건축구조
▶건축하중 개요
건축구조는 단순하게 골조를 구성하는 재료에 따라 목구조, 철근콘크리트조 등으로 구분할 수 있겠으나, 건물에 작용하는 힘에 저항하는 방식으로 구분하는 것이 구조에 대한 정확한 이해를 근거로 한 분류라고 할 수 있을 것이다. 건축에 작용하는 대표적인 하중으로 축하중과 수평하중이 있다.
축하중 : 중력하중(Gravity Force), 수직하중(Vertical Load) 지구의 중력에 의한 지면과 수직되는 방향의 힘
수평하중 : 횡하중(Lateral Force) 바람이나 지진과 같이 건축물에 수평적으로 작용하는 힘
▶축하중에 의한 구조방식
보기둥구조(Beam & Column Structure) : 바닥-보-기둥-기초 바닥슬래브의 적재하중과 고정하중이 보를 통해 모여져서 기둥으로 전달되고, 기둥을 타고 내려가 기초로 전달되어 최종적으로 지반으로 전달되는 일반적이고 전통적인 구조방식 적용 : 철근콘크리트조, 철골철근콘크리트조, 철골조, 목구조
벽식구조(Wall Column Structure) : 바닥-콘크리트벽-기초 바닥슬래브의 하중이 하단의 벽체를 타고 내려가 기초판을 거쳐 지반으로 전달되는 방식으로 보가 차지하는 공간이 없기 때문에 그 만큼 건축물의 층고를 줄일 수 있다. 또한 벽체와 슬래브의 마감공사가 단순해지는 경제적인 구조이다. 이러한 이유로 아파트와 같은 공동주택에 많이 채택되는 구조방식이다. 그러나 내력벽과 내력벽 사이의 거리제한으로 넓은 공간을 확보하기 어렵고, 평면상 가변성이 없다는 점, 상부의 충격소음이 내력벽으로 전달되어 차음성능이 떨어지는 단점이 있다. 적용 : 철근콘크리트조
조적조 : 바닥-테두리보-조적벽-기초 바닥슬래브의 하중이 테두리보에 거쳐 조적벽체를 경유해 기초로 전달되는 구조로 테두리보와 기초가 주로 철근콘크리트로 되기 때문에 완전한 조적조 구조방식은 거의 없다. 적용 : 벽돌조, 블록조
무량판구조 : 바닥-기둥-기초 기둥과 슬래브로 구성되는 구조방식으로 벽식구조처럼 보가 없으며 보바닥구조처럼 슬래브의 하중이 기둥을 통해 기초로 전달된다. 보가 없어 층고를 줄일 수 있는 장점이 있으나 슬래브의 두께가 두꺼워지는 단점이 있다. 또한 기둥주위의 슬래브에 펀칭전단응력(Punching Shear Force)이 크게 작용하므로 기둥주변 슬래브의 전단보강에 각별히 주의해야 한다. 이 펀칭전단응력에 저항하는 슬래브의 드롭헤드패널(Drop Head Panel)의 유무에 따라 플랫데크(Flat Deck)와 플랫슬래브(Flat Slab)로 구분된다. 적용 : 철근콘크리트조
▶횡력저항방식에 의한 구조의 분류
가새(Bracing) : 목재가새/철골가새 건물에 횡력이 작용하면 수직부재와 수평부재는 옆으로 찌그러지려 한다. 이를 방지하기 위해서 수직부재와 수평부재 사이에 대각선 방향의 부재를 추가하여 구조물을 트러스 형태로 만들어 주면 횡력에 저항할 수 있게 된다. 이러한 방식이 일반적인 가구식 구조로서 힌지(Hinge)접합으로도 가능하기 때문에 경량철골구조, 목구조에 적용할 수 있다.
라멘(Rahmen)구조 : 철근콘크리트라멘조/철골라멘조/철골철근콘크리트라멘조 부재간 접합을 강접(Moment Connection)하여 횡력에 저항하게 하는 방식이 라멘(Rahmen)구조방식이다. 이 구조방식은 철근콘크리트구조나 철골철근콘크리트구조에서 채택되는 방식으로 보기둥구조, 무량판구조가 이 방식에 해당되며 그리 높지 않은 대부분의 구조물에 채택된다. 아파트구조에 주로 채택되는 벽식구조는 벽체와 슬래브가 서로 강하게 결속되어 저헝하므로 벽체가 기둥역할을 하고 슬래브가 보의 역할을 하므로 철근콘크리트 벽식구조도 일종의 라멘구조방식이라고 할 수 있다.
코어(Core)구조 : 철근콘크리트코어/철골철근콘크리트코어 라멘구조방식은 건축물이 그리 높지 않을 때는 큰 문제가 없으나 층수가 많아지고 건축물의 높이가 높아지면 기둥과 보의 부재단면이 축하중에 저항할 수 있는 단면보다 훨씬 커져야 하는 불합리한 점이 있다. 이러한 문제점을 해결할 수 있는 구조방식이 코어벽체구조(Core Wall Structure)인데 일반적인 고층 건축물에 적용되는 구조로서 엘리베이터, 계단실, 파이프샤프트 등 건축물의 상하부를 기능적으로 연결시키는 공간인 코어를 콘크리트 파이프처럼 만들고 여기에 기둥과 보의 라멘구조가 합성되어 라멘과 코어가 서로 힘을 합해서 횡력에 저항하는 방식이다. 이때 코어에 횡력을 전달하는 부재는 건축물의 바닥판 슬래브로서 슬래브는 횡력이 코어에 전달되게 하는 기능뿐만 아니라 보와 거더의 좌굴과 비틀림을 막아주는 역할도 한다. 반대로 지하층에서는 옹벽에 작용하는 토압이나 수압과 같은 횡력으로 인한 슬래브의 판좌굴을 보와 거더가 막아주는 역할을 한다.
튜브(Tube)구조 : 단일튜브/2중튜브/복합튜브 코어구조도 초고층 건물의 경우에는 그 강성이 부족하여 비경제적인 구조가 되므로 초고층 건축물, 예를 들면 60~70층 건축물에서 코어구조의 단점을 극복하기 위해 채택되는 구조방식이 튜브(Tube)구조방식이다. 튜브구조는 강한 외피로 둘러싸인 피막구조라고 할 수 있다. 이 피막(튜브)이 몇 개냐에 따라 단일튜브(Single Tube)방식, 2중튜브(Double Tube)방식, 복합튜브(Multi-Tube)방식, 코어와 외부튜브가 복합된 Tube in Tube 방식 등으로 구분되며, 튜브의 형태에 따라 골조튜브(Framed Tube), 가새튜브(Braced Tube) 등으로 구분된다. 튜브방식을 적용하면 콘크리트로도 초고층건물을 지을 수 있는데, 축하중을 외벽과 내벽 코어벽체가 상당부분 부담하므로 내부기둥의 의존도가 낮아져 넓은 내부공간을 만들 수 있게 된다. 외피, 즉 외벽이 횡력에 저항하는 중요한 역할을 하므로 창과 같은 개구부 계획에 제약이 있다는 점이 튜브구조의 단점이다.
