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ISSN : 1598-4095(Print)
ISSN : 2287-7401(Online)
Journal of The korean Association For Spatial Structures Vol.18 No.3 pp.4-7
DOI :

Air-Supported Fabric Structures

Jae-Yeol Kim*
*Hyupsung University, Department of Architectural Engineering, Ph.D

Abstract


Airdome의 사용과 구조적 안전성

김 재 열*
*협성대학교 건축공학과 교수, 공학박사

초록


    1. 서론

    고대 로마시대 건축 구조 양식으로부터 발전된 돔(Dome) 건축은 초기에는 재료와 구조 기술의 한 계에 의해 오늘날에 비하면 소규모의 공간이었다. 그러나 당시에는 상대적으로 큰 규모의 내부 공간 으로 주로 신전 등으로 사용되었으며, 높고 둥근 천 장에서 느껴지는 장엄함, 경외감으로 인한 공간 자 체의 상징성에 의미가 있었다. 반면 현대의 돔 건축 은 도시의 상징적 조형으로서의 외부 형태 뿐만 아 니라 다양한 용도와 기능으로 활용되는 내부 공간 의 구성으로 돔의 의미가 변화되었다. 현대의 돔 건 축은 인공적 ․ 기계적으로 내부 공간을 조절하여 쾌 적성을 확보하며, 외부의 미세먼지 등을 피할 수 있 는 공간을 창출하고, 계절 조건에 제한 없이 전천후 다목적으로 활용하는 시설 유형으로 대부분 돔 건 축이 해당된다. 특히 실내 인공 스키장, 레저 온수 풀, 실내 체육관, 다목적 공간 등이 대표적인 사례 이다. 최근 돔 구조물은 축구장 몇 개를 합쳐놓은 만큼의 대공간이 필요하거나 기후변화에 대처 및 극복하기 위한 방법으로 활용된다. 즉 돔은 기후 환 경에 영향을 덜 받는 실내 대공간을 만든다고 설명 할 수 있다. 이때 대공간은 단순히 넓은 공간만을 의미하는 것이 아니다. 공간을 최대한 사용할 수 있 도록 벽이나 기둥이 전혀 없거나 최소한으로 설치 해야 한다. 이러한 인공적 환경을 만들어내는 건축 학적 돔 구조의 형식 중에서 에어돔(Airdome)을 소 개하고 구조적 안전성에 대해 기술하고자 한다.

    공기막(Airdome) 구조는 공기의 가압을 통해 실 내 공간을 형성하는 돔 구조로서 내부 지주 없이도 대공간을 창출할 수 있는 장점으로 인해 최근 적용 범위가 넓어지고 있다. 일반적으로 공기막 구조는 실내 공간에 가압 송풍된 공기의 내압을 통해 인장 력을 확보하는 단일 공기막과, 튜브와 같은 막 구조 물에 공기를 주입하고 이 공기 튜브가 지지 역할을 하는 공기 지지 구조로 구분된다. 본고에서는 전자 의 경우로서 송풍기로 불어 넣은 공기압과 바람과 같은 외부 하중에 견딜 수 있도록 설계된 공기막 구 조를 다루고자 한다.

    공기막 구조는 철근 콘크리트 구조 및 철골 구조 건축물보다 가볍고 설치가 쉽기 때문에 많이 사용되 고 있다. 또한 구조적인 측면에서 안정성이 높고, 계 획적인 측면에서 무주 대공간 창출이 가능하며, 실 내의 공기 흐름이 우수하다. 돔의 실내는 유선형 구 조로 공기의 흐름이 원활하기 때문에 내부가 상대적 으로 쾌적하고 온도 변화 및 유지 관리가 우수하다.

    근래에 들어서는 지진 및 미세먼지와 같은 자연 재해에 대응하기 위해 공기막 구조물이 다수 지어 지고, 자연재해가 발생했을 때 한 번에 많은 인원을 수용할 수 있는 임시 수용소 등에 많이 쓰이고 있 다. 또한 미세먼지의 피해로부터 벗어나고자 어린 이 운동장과 같은 대형 구조물, 휴대가 가능한 우주 구조물에도 점점 활용도가 높아지고 있다.

    2. 공기막 구조의 구성

    공기막 구조는 일반적으로 <Fig. 1>과 같이 구성 되며 공기로 지지되는 구조물이다. 그림 상부에서 보는 바와 같이 막은 케이블로 덮여져 있으며, 그림 하부는 그 가운데 하나의 유니트에 받는 내․외부 하 중의 평형 상태를 나타낸 것이다. 그림과 같이 바 람, 눈 등 외부 하중(External load)에 안전할 수 있도록 내부압(Pe)과 케이블의 인장력이 평형을 이 루는 구조이다. 구조물의 안전성이 공기 내압으로 만 지지되므로 에어돔의 안전성을 확보하기 위하여 막재의 외부에 케이블을 설치하게 된다. 이러한 케 이블은 눈이나 바람에 의해 막에 가해지는 외부 하 중을 분산시키는 역할을 한다. 설계 시에 내부압과 케이블의 인장력을 계산하여 주어지며, 한 유니트 의 크기에 분담하는 인장력의 크기를 정하여 설계 하게 된다. 그러나 눈과 바람 등 외부력이 설계 시 고려한 것과 같을 수 없고, 케이블과 케이블의 접합 점이 처음 설계했을 때와 다르게 움직여서 케이블 하나가 이루는 유니트의 크기 및 담당하는 면적이 달라질 수가 있다. 이는 응력 집중이나 주름 발생에 따른 파손의 원인이 될 수 있으므로 설계 및 시공 시 주의 해야 한다.

    3. 공기막 구조 설계

    공기막(Airdome) 구조의 특징으로는 (a) 설치 지 역에 제한이 없고, (b) 시공이 매우 쉽고, (c) 일반 건축물에 비해 건축 비용이 매우 저렴하며, (d) 설 치 목적에 따라 다양한 모양을 만들 수 있다는 점을 들 수 있다1). 공기막 구조는 돔 안의 압력을 일정하 게 유지하기 위해 공조 시스템이 반드시 필요하고, 막 재료가 무한정 팽창하는 것을 막고 고정시키기 위한 케이블 네트가 사용된다. 구조물 내부에 기둥 이나 대들보가 없기 때문에 철저한 구조 계산에 의 해 설계·제작·시공된다. 공기막 구조 설계 시 모 든 케이블은 인장력이 걸리는 부재인데 만약 시공 후 느슨하여 쳐져있는 상태가 되면 당초 구조 계산 과 다른 구조물이 된다. 만약 일부 케이블에 이러한 현상이 발생하면 그 케이블이 부담해야 할 하중을 다른 케이블이 추가적으로 견뎌야 하므로 응력의 집중 현상이 발생할 수 있으며 이로 인하여 강풍, 지진, 폭설 등으로 케이블이 끊어지는 현상과 막의 파손이 연속적으로 일어나게 된다. 일반적인 방식 의 케이블은 처짐 현상이 발생될 확률이 매우 높다. 따라서 가장 안전한 케이블 형태는 바람과 같은 외 부 하중에 의해 원래 설계되었던 케이블의 위치가 변하여 응력 집중이 생기지 말아야 하며, 외력에 의 해 발생된 부가 하중을 기초로 전달하지 않도록 원 래의 케이블 형태를 유지할 수 있는 Self-balance 기능을 갖추어야 한다. 이러한 Self-balance 기능 은 케이블의 이동에 의한 응력 집중 방지, 주름 (Wrinkling) 방지에 도움이 되어 공기막 구조가 파 괴되는 것을 미연에 방지할 수 있다. 국내 및 국외 에서 이론적으로 케이블의 이동에 의해 응력 집중 과 주름이 발생할 수 있다는 것은 규명하였으나2-4), 이를 방지하거나 줄일 수 있는 시스템에 대해서는 아직 기술적 보고가 없다. 공기막 구조는 가볍고 상 대적으로 외부에 노출된 경우가 많아 바람 및 눈 하 중의 영향이 많기 때문에 이로 인해 케이블 이동과 응력 집중 및 주름이 발생하므로 케이블의 위치가 변 했을 때 가능한 한 원래 설계 위치를 찾아주는 Selfbalance 부분에 많은 노력을 기울여야 할 것이다.

    다음으로 막의 재질은 에어돔의 내구성을 좌우하 는 중요한 역할을 한다. 근래에는 자동차에 의한 공 기오염뿐 아니라 막 표면의 미세먼지 부착에 의한 오염도 고려해야 한다. 특히 해안 도시에는 해풍으 로 인한 부식 방지 처리(코팅)된 막재(PVF, 예: Dupont Tedlar)를 사용하는 것이 바람직하다.

    최근에는 미세먼지로 인한 막 자체의 오염 뿐만 아니라 심각한 대기오염 유해물질로부터 에어돔 내 부의 쾌적한 공기를 유지하기 위해 공기 청정 시스 템을 갖추어야 한다.

    4. 해외 설계 예

    2012년 중국 심천에 약 43m/s의 태풍이 내륙으 로 상륙했지만 에어돔으로 지어진 배드민턴 체육관 은 전혀 지장 없이 태풍에 견뎠다. 심천은 중국의 남부 지역으로 홍콩과 맞닿은 항구 도시이다. 이곳 은 동남아의 강태풍 지역에 걸쳐 있기 때문에 매년 최소 20m/s에서 최대 50m/s의 태풍의 피해가 있는 지역이다<Fig. 2 (a)>.

    칭짱 고원 지진대 구역에 위치한 청두 후스캉 크 린 공장은 프로젝트 준공 후 부근에서 규모 7.0의 지진이 두 차례 일어나 많은 피해가 있었지만 에어 돔에는 전혀 피해가 발생하지 않았다. 해당 에어돔 은 후스캉을 생산하기 위해 설치한 면적 2,560㎡의 크린 공장 중 하나로 미국 Apple의 부품 조립 공장 이다<Fig. 2 (b)>.

    2008년 쓰촨성 완촨에서 8.0 강진, 2013년 쓰촨 성 루산에서 7.0 강진, 2017년 쓰촨성 주자이거우 에서 7.0의 강력한 지진이 있었는데 에어돔으로 지 어진 Apple의 아이폰 공장은 전혀 피해가 없었다고 한다<Fig. 2 (c)>.

    중국의 국제학교 ISB는 극심한 초미세먼지의 영 향을 받지 않는 에어돔으로 CNN에 소개가 될 정도 로 아주 좋은 사례이다. ISB는 에어돔 최초로 초미 세먼지(pm2.5)의 수치가 외부는 400μm일 때 내부 는 평균 20μm 정도가 나올 만큼 매우 쾌적하고 안 전한 에어돔이다<Fig. 2 (d)>.

    5. 결론

    지구 온난화, 대기오염, 자연재해로부터 보호받 을 수 있는 에어돔과 같은 초대형 공간의 필요성이 나날이 대두되고 있다. 따라서 미세먼지로부터 자 유로운 공간을 창출하고, 자연재해로부터 안전하며, 환경 친화적이고 과학적인 에어돔은 우리들의 삶에 매우 긍정적인 건축 구조이다. 최근에는 이 같은 문 제를 극복할 수 있는 기술들이 다수 상용화된 상태 이며, 공기막 구조의 장점을 살리고 안전하고 쾌적 하게 상용화하기 위해 다음의 기본적인 사항에 관 심을 두어야 한다.

    해석 및 설계 시에는 외부력으로부터 평형과 안 정을 유지할 수 있는 형태를 취하는 것은 기본이고, 파손을 피하기 위해 케이블 간격을 조금 더 촘촘히 하거나 어떠한 움직임에도 케이블이 원 위치로 다 시 돌아 올 수 있는 장치 및 기능(Self balancing) 이 있으면 도움이 될 것이다. 또한, 케이블 접합부 의 돌출에 의해 눈이 쌓이지 않도록 적절한 곡률 및 케이블의 간격, 시공의 정확성에 주안점을 두고 형 상 결정을 해야 할 것이다.

    돔의 핵심 자재인 막 재료가 다양하게 개발되어 야 한다. 특히 근래에 화두가 되고 있는 미세먼지 및 오염에 의한 피해를 줄여야 한다. 또한 사용 용도에 따라 복사열과 가시광선 투과율을 고려해 적합한 막 재료를 선택해 사용할 수 있어야 한다. 목적에 맞는 조도를 확보하거나 알맞은 조명을 설치하고 자외선, 열의 이동, 소음, 결로 등에 대처해야 한다.

    중요 요소인 공조 시스템도 돔의 활용도를 높일 수 있다. 자동으로 내부 압력을 조절해 돔 형태를 유지할 수 있으며 풍속, 적설 등에 실시간으로 대응 할 수 있다. 또한 실내 온도를 일정하게 유지하고, 정전에 대비해 보조 발전까지 할 수 있는 공조 시스 템도 상용화되어야 한다.

    마지막으로 시공의 섬세함과 정확성이다. 설계된 그대로 시공할 수 있는 능력과 경험을 키워야 한다. 이와 더불어 사명감을 가지고 설계 및 시공할 수 있 다면 공기막 구조의 사용은 늘어날 것이며 많은 사 람들이 안전하게 이용하는 쾌적한 구조 시스템으로 자리매김 할 것이다.

    Figure

    KASS-18-4_F1.gif

    Air supported structures

    KASS-18-4_F2.gif

    Examples of air supported structures

    Table

    Reference

    1. Ryu, S. H. (2017, November 11). Large spatial airdome out of whether changes, Kosca Journal, Retrieved from http://www.koscaj.com/news/articleView.html?idxno=100172
    2. Kim, J. Y. , Kang, J. W. , & Park, S. M. , " A Study on the Slipping Problem for Cable-Membrane Structures ", Journal of Korean Association for Spatial Structures, Vol.8, No.5, pp.95~105, 2008
    3. Kang, J. W. , & Kim, J. Y. , " A Study on Uniaxial Tensile Stress of Tensioned Membrane ", Journal of Korean Association for Spatial Structures, Vol.11, No.3, pp.85~93, 2011
    4. Kim, J. Y. (2012). Wrinkling Check in Tensioned Membrane Structure. IASS-APCS 2012, Republic of Korea, pp.258