인장구조

인장 구조는 장력만 전달하고 압축이나 굽힘은 없는 요소의 구성이다. 인장이라는 용어는 장력과 압축 요소를 모두 갖춘 구조 형태인 텐션그리티와 혼동해서는 안 된다. 인장 구조는 얇은 껍질 구조의 가장 일반적인 유형이다.

대부분의 인장 구조는 마스트(The O₂, 이전의 밀레니엄 돔과 같이), 압축 고리 또는 빔과 같은 어떤 형태의 압축 또는 휨 요소에 의해 지지된다.

인장막 구조는 경제적으로나 매력적으로 먼 거리를 가로지를 수 있기 때문에 지붕으로 가장 많이 사용된다. 인장막 구조는 완전한 건물로도 사용될 수 있으며, 몇 가지 일반적인 용도는 스포츠 시설, 창고 및 보관 건물, 전시 장소 등이다.^[1]

역사

이러한 형태의 건축은 20세기 후반에 이르러서야 더욱 엄격하게 분석되어 대형 구조물들에 널리 보급되었다. 인장 구조물은 오랫동안 텐트에서 사용되어 왔는데, 텐트 로프와 텐트 폴은 천에 프리텐션을 제공하여 천이 하중을 견딜 수 있도록 한다.

러시아의 엔지니어 블라디미르 슈호프는 인장 구조물, 조개, 막의 응력과 변형에 대한 실질적인 계산을 개발한 최초의 사람 중 한 명이었다. 슈호프는 1896년 니즈니노브고로드 박람회를 위해 인장 구조물 8개와 얇은 껍질 구조물 전시관을 설계했으며, 면적은 27,000㎡이다. 막으로 덮인 인장 구조를 최근에 대규모로 사용한 것은 1958년에 건설된 시드니 마이어 뮤직 볼이다.

안토니오 가우디는 이 개념을 역이용해 콜로니아 구엘 교회를 위한 압축 전용 구조를 만들었다. 그는 압축력을 계산하고 기둥과 금고의 기하학적 구조를 실험적으로 결정하기 위해 교회의 매달린 인장 모델을 만들었다.

이 개념은 후에 독일의 건축가 겸 엔지니어인 프리 오토에 의해 옹호되었는데, 이 아이디어의 첫 번째 용도는 몬트리올 엑스포 67에 서독관을 짓는 것이었다. 오토는 그 다음 1972년 뮌헨 하계 올림픽을 위해 올림픽 경기장 지붕에 이 아이디어를 사용했다.

Since the 1960s, tensile structures have been promoted by designers and engineers such as Ove Arup, Buro Happold, Walter Bird of Birdair, Inc., Frei Otto, Mahmoud Bodo Rasch, Eero Saarinen, Horst Berger, Matthew Nowicki, Jörg Schlaich, the duo of Nicholas Goldsmith & Todd Dalland at FTL Design & Engineering Studio and David Geiger.

꾸준한 기술 발전으로 원단 지붕 구조물의 인기가 높아졌다. 재료의 저중량은 표준 설계보다 쉽고 저렴하게 시공할 수 있으며, 특히 광대한 개방 공간을 커버해야 할 경우 더욱 그러하다.

장력이 큰 구조물의 종류

선형구조

• 현수교
• 응력 리본 브리지
• 드레이프 케이블
• 사장 보 또는 트러스
• 케이블 트러스
• 직선 장력 케이블

입체 구조물

• 자전거 휠(수평 방향의 지붕으로 사용할 수 있음)
• 3D 케이블 트러스
• 시제그리티

표면압축 구조물

• 프리스트레스트 막
• 공압응력막
• 격자껍질
• 원단구조

케이블 및 막 구조

멤브레인 소재

이중 곡선 원단 구조의 일반적인 재료는 PTFE 코팅 섬유유리와 PVC 코팅 폴리에스테르 입니다. 이것들은 서로 다른 방향으로 다른 강점을 가진 직물들이다. 워프 섬유(원래 직선으로 되어 있는 섬유들 - 베틀 위의 시작 섬유와 동일)는 웨프트 섬유 또는 채우기 섬유보다 더 큰 하중을 운반할 수 있으며, 워프 섬유들 사이에 짜여져 있다.

다른 구조물은 ETFE 필름을 단일 레이어 또는 쿠션 형태로 사용한다(뮌헨의 알리안츠 아레나에서와 같이, 좋은 절연 특성을 제공하거나 미적 효과를 위해 팽창할 수 있다). ETFE 쿠션은 또한 다른 레벨로 부풀렸을 때 다른 레벨의 빛이 통과하도록 하기 위해 패턴으로 식각될 수 있다.

낮에는 직물막 반투명성이 은은한 자연채광 공간을 제공하고, 밤에는 인공조명을 이용해 주변 외부 발광을 연출할 수 있다. 이중 곡률에서 강도를 얻을 수 없기 때문에 구조 프레임에 의해 지지되는 경우가 대부분이다.^[2]

케이블

케이블은 연강, 고강도 강철(끌려진 탄소강), 스테인리스강, 폴리에스터 또는 아라미드 섬유일 수 있다. 구조용 케이블은 일련의 작은 가닥들이 뒤틀리거나 서로 결합되어 훨씬 큰 케이블을 형성한다. 강철 케이블은 나선형 가닥으로, 원형 막대가 서로 꼬여져 폴리머를 사용하여 "융기"되거나, 개별 연동형 강철 가닥이 케이블(흔히 나선형 가닥 코어가 있음)을 형성하는 잠금형 코일 가닥이다.

나선형 가닥은 잠긴 코일 가닥보다 약간 약하다. 강철 나선형 가닥 케이블은 영의 계량형 E 150±10 kN/mm²(또는 150±10 GPA)이며 직경 3 ~ 90 mm의 크기로 제공된다.^{[citation needed]} Spiral Strand는 케이블이 로드될 때 Strand가 압축되는 구조 스트레칭에 시달린다. 이것은 보통 케이블을 미리 고정시키고 최종 인장 하중의 45%까지 부하를 위아래로 순환시킴으로써 제거된다.

잠긴 코일 가닥은 일반적으로 160±10kN/mm²의 영의 계수를 가지며 직경 20mm ~ 160mm의 크기로 나온다.

다양한 재료의 개별 가닥의 특성은 아래 표에 나타나 있으며, 여기서 UTS는 최종 인장 강도 또는 파단 하중이다.

구조 형태

공기 지지 구조는 직물 외피가 가압된 공기만으로 지지되는 인장 구조물의 한 형태다.

대부분의 직물 구조는 이중 곡선 형태에서 힘을 얻는다. 직물이 이중 커브를 취하도록 강요함으로써 직물은 자신이 받는 하중(예: 바람과 눈 하중)을 견딜 수 있을 만큼 충분한 강성을 얻는다. 적절하게 두 배로 구부러진 형태를 유도하기 위해서는 직물이나 지지 구조를 프리텐셔닝하거나 프리스트레싱해야 하는 경우가 가장 많다.

형태 찾기

강도에 도달하기 위해 프리스트레스에 의존하는 구조물의 거동은 비선형적이기 때문에 1990년대까지 매우 단순한 케이블 이외의 어떤 것도 설계하기가 매우 어려웠다. 이중으로 곡선된 직물 구조를 설계하는 가장 일반적인 방법은 최종 건물의 규모 모델을 제작하여 그 행동을 이해하고 형태 파악 연습을 하는 것이었다. 그러한 규모 모델은 구조적인 직물과 매우 유사한 방식으로 작용하기 때문에 스타킹 재료나 타이츠 또는 비누 필름을 사용하는 경우가 많았다(전단을 운반할 수 없음).

비누 필름은 모든 방향에서 균일한 스트레스를 가지고 있으며 형성되기 위해서는 닫힌 경계가 필요하다. 그것들은 자연스럽게 최소한의 표면 즉, 최소한의 면적을 가지고 최소한의 에너지를 구현하는 형태를 형성한다. 하지만 그것들은 측정하기가 매우 어렵다. 대형 영화의 경우, 무게는 형태에 심각한 영향을 미칠 수 있다.

두 방향의 곡률을 갖는 막의 경우 평형의 기본 방정식은 다음과 같다.

${\displaystyle w={\frac {t_{1}{1}{R_{1}}+{\frac {t_{2}}:}{R_{2}}:}$

여기서:

• R과₁ R은₂ 비누 필름의 주된 곡률 반경 또는 직물의 Warp와 weft의 방향이다.
• t와₁ t는₂ 관련 방향의 긴장이다.
• w는 제곱미터당 하중이다.

원곡률 선은 꼬임이 없으며 원곡률의 다른 선과 직각으로 교차한다.

측지선 또는 측지선은 일반적으로 표면의 두 점 사이에 있는 가장 짧은 선이다. 이러한 선은 일반적으로 절단 패턴 심선을 정의할 때 사용된다. 이는 평면 천이 생성된 후 상대적으로 직선적이어서 천의 찌꺼기가 줄어들고 직물 짜임과 더 가깝게 정렬되기 때문이다.

사전 응력되지만 언로드된 표면 w = 0이므로 t $1{\displaystyle \frac{{}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{}_{}}{{}_{}}}$ ${\displaystyle \frac{{1\mathrm{}}_{}}{}}$=${\displaystyle }$- ${\displaystyle t\frac{{}_{}}{}}$ 2 ${\displaystyle \frac{{R\mathrm{}}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{2\mathrm{}}_{}}{}}$ ${\$ {$t_{1$}:{1$}=-{\frac$ {$t_{2$}}:00$\}=\{\backslash$frac ${t_{$2}}.

비누₁ 필름에서 표면 장력은 양방향 모두 균일하므로 R = -R₂.

이제 강력한 비선형 수치해석 프로그램(또는 유한요소해석)을 사용하여 직물 및 케이블 구조를 형성하고 설계하는 것이 가능하다. 그 프로그램들은 큰 편향을 허용해야 한다.

직물 구조의 최종 형태 또는 형태는 다음에 따라 달라진다.

• 직물의 모양 또는 무늬
• 지지 구조(마스트, 케이블, 링빔 등)의 기하학적 구조
• 직물 또는 지지 구조물에 적용되는 프리텐셔너

최종 형태는 막이 변형되어 국소적인 기능 상실이나 전체 구조물의 점진적인 기능 상실로 이어질 수 있기 때문에 물이 고이지 않도록 하는 것이 중요하다.

눈 부하는 막 구조물에 심각한 문제가 될 수 있는데, 이는 눈이 물처럼 구조물에서 떨어지지 않는 경우가 많기 때문이다. 예를 들어, 이것은 과거에 휴버트 H의 (임시) 붕괴를 초래했다. 미네소타 주 미니애폴리스의 공기 주입식 건물인 험프리 메트로돔. 연못에 갇히기 쉬운 일부 구조물은 열을 이용해 눈 위에 쌓인 눈을 녹인다.

이중으로 구부러진 형태는 여러 가지가 있는데, 그 중 많은 형태는 특별한 수학적 특성을 가지고 있다. 가장 기본적인 이중 곡선은 쌍곡선 포물선(모든 안장 모양이 쌍곡선 포물선인 것은 아님)이 될 수 있는 안장형이다. 이것은 이중 지배 표면이며 경량 쉘 구조물에 사용된다(하이퍼볼로이드 구조 참조). 진정한 지배 표면은 인장 구조에서 거의 찾아볼 수 없다. 다른 형태는 항탄성 안장, 다양한 방사형 원뿔형 텐트 형태, 그리고 그것들의 조합이다.

프리텐셔너

프리텐셔닝(pretention)은 구조물 요소에서 자체 중량 또는 부과된 하중 외에 인위적으로 유발되는 장력이다. 일반적으로 매우 유연한 구조 요소가 가능한 모든 부하에서 뻣뻣한 상태를 유지하도록 하기 위해 사용된다.^[3][4]

하루하루의 프리텐셔닝의 예는 바닥에서 천장까지 이어지는 전선에 의해 지지되는 선반형 유닛이다. 와이어는 장력이 걸려 있기 때문에 선반을 제자리에 고정시킨다. 와이어가 느슨해지면 시스템이 작동하지 않을 것이다.

프리텐셔닝은 가장자리로부터 막에 스트레칭을 하거나, 막에 지지되는 프리텐셔닝 케이블에 의해 적용되어 형태를 변경할 수 있다. 적용되는 프리텐션 레벨에 따라 막 구조의 모양이 결정된다.

대안적 형태 조사 접근법

형태 찾기 문제 해결책에 대한 대안적인 근사 접근법은 그리드-노달 시스템의 총 에너지 균형에 기초한다. 물리적 의미 때문에 이 접근법을 스트레치 그리드 방법(SGM)이라고 부른다.

케이블의 간단한 수학

가로 및 균일하게 적재된 케이블

두 지지대 사이에 균일하게 적재된 케이블은 1차 곡선 및 포물선 사이의 중간 곡선을 형성한다. 단순화 가정은 (반경 R의) 원형 호에 가깝다고 할 수 있다.

평형 기준:

수평 및 수직 반응:

${\displaystyle H={\frac {wS^{2}}{8d}}}$

${\displaystyle V={\frac {wS}{2}}:}$

지오메트리 기준:

케이블 길이:

${\displaystyle L=2R\arcsin {\frac {S}{2R}}}$

케이블의 장력:

${\displaystyle T={\sqrt {H^{2}+V^{2}}}}}$

대체 기준:

${\displaystyle T={\sqrt {\\\frac {wS^{2}}:{8d}\오른쪽)^{2}+\frc({\frac {wS}{2}}\오른쪽)^{2}}:$

장력은 또한 다음과 같다.

$[\displaystyle T=wR}$

적재 시 케이블의 연장은 (축강성 k가 $k{\displaystyle }$= ${\displaystyle \frac{}{}}$ L ${\$과 같은 경우)이다.$L}}$ }):$$

${\displaystyle e={\frac {TL}{EA}}$

여기서 E는 영의 케이블 계통이고 A는 영의 단면 영역이다.

초기 프리텐셔너인 ${\displaystyle {T\mathrm{}}_{}}$ $0{\displaystyle {}_{}}$ ${\$이 케이블에 추가되면 확장은 다음과 같이 된다.

${\displaystyle e=L-L_{0}={\frac {L_{0}(T-T_{0})}{{0}}}{{}}}}{{}}}}}}{EA}}$

위의 방정식을 조합하면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

${\displaystyle {\frac {L_{0}(T-T_{0})}{{}}{{}}}}{EA}+L_{0}={\frac{2}T\arcsin \left({\frac {wS}{2)T}\오른쪽)}{w}}}$

이 방정식의 왼쪽을 T에 대해 그리고 오른쪽을 T에 대해서도 같은 축에 표시함으로써 교차점은 주어진 하중 w와 주어진 프리텐셔너 $T 0$에 대해 케이블에 실제 평형 장력을 부여한다$.$

중앙점 부하가 있는 케이블

위와 유사한 해결책은 다음과 같은 경우에 도출할 수 있다.

평형 기준:

${\displaystyle W={\frac {4Td}{L}}}$

${\displaystyle d={\frac {WL}{4}T}}$

지오메트리 기준:

${\displaystyle L={\sqrt {S^{2}+4d^{2}}}}}={\sqrt {S^{2}+4\왼쪽({\frac {WL}{4)T}}\오른쪽)^{2}}:$

이는 다음과 같은 관계를 제공한다.

${\displaystyle L_{0}+{\frac {L_{0}(T-T_{0})}{{0}}{{}}}}{{}}}}}{EA}}={\sqrt {S^{2}+4\왼쪽({\frac {W(L_{0}+{\frac {L_{0}})(T-T_{0}}}}}}){{\frac}}{{0}}}}}}}{\frac}}}}}}{{}}}}}}}}}}}}EA}}{4T}}\오른쪽)^{2}}:$

이전과 같이 장력에 대하여 방정식의 왼쪽과 오른쪽을 그림으로 표시하면 주어진 프리텐션 $T{\displaystyle {}_{}}$ ${\$과 부하 W에 평형 장력이 주어진다.

장력 케이블 진동

장력 케이블의 기본 자연 주파수 f는₁ 다음을 통해 제공된다.

${\displaystyle f_{1}={\frac {\sqrt {\\\좌({\frac {T}{m}\우)}}}{2}}L}}$

여기서 T = 뉴턴의 장력, m = 질량(kg), L = 스팬 길이.

주목할 만한 구조물

• 1896년 러시아, 슈호프 로툰다
• 86년 캐나다 플레이스, 밴쿠버, 브리티시 컬럼비아 엑스포 개최지
• 일본 도쿄 요요기 공원 겐조 단지 국립 체육관
• Eero Saarinen이 지은 예일대학교 잉걸스 링크
• 카자흐스탄 누르술탄의 칸 샤티리 엔터테인먼트 센터
• 플로리다 주 상트페테르부르크 트로피카나 필드
• 올림피아파크, 뮌헨 프리 오토
• 멜버른 시드니 마이어 뮤직볼
• Buro Happold와 Richard Rogers Partnership의 O(구₂ 밀레니엄 돔), 런던
• 덴버 국제공항, 덴버
• 도튼 아레나, 롤리
• Heery and Weidlinger Associates by Georgia 돔, 애틀랜타, 조지아 주(Georgia Dome, Atlanta, Georgia) (
• 그랜틀리 아담스 국제공항, 바베이도스 크리스처스
• 그레이엄 맥코트 건축가, 얀 보브로스키와 파트너의 펜성장 새던돔, 캘거리
• 스웨덴 고텐부르크 스칸디나비움
• 홍콩 해안 방어 박물관
• 불가리아 소피아 중앙역 현대화
• 레드버드 아레나, 일리노이 주립 대학교, 노멀, 일리노이 주립 대학교
• 사우디아라비아 메디나 주 알마스지드 안나바위, 접이식 우산
• 슈투트가르트 킬레스베르크 타워

잘 알려진 인장 구조 갤러리

• 

  뮌헨 올림피아파크의 프리 오토에 의한 지붕 인장 구조물

• 

  부로합폴드와 리차드 로저스의 밀레니엄 돔(현재의₂ O)

• 

  덴버 국제공항 터미널

• 

  Schlaich Bergermann & Partner에 의한 TTR-300 케이블망 건식 냉각탑, 하이퍼볼로이드 구조

• 

  슐라이히 버거만 파트너의 슈투트가르트 킬레스베르크 타워

• 

  애틀랜타의 조지아 돔

• 

  SL Rasch GmbH 특수 및 경량 구조물이 메디나에 있는 예언자 성 사원 앞에 놓인 대형 접이식 우산

• 

  세계 최고 인장구조인 칸 샤티르 엔터테인먼트 센터의 주간 컴퓨터 렌더링

분류번호

건설 사양 연구소(CSI) 및 건설 사양 캐나다(CSC), MasterFormat 2018 Edition, Division 05 및 13:

• 05 16 00 – 구조 케이블 연결
• 05 19 00 - 장력 로드 및 케이블 트러스 어셈블리
• 13 31 00 – 패브릭 구조
• 13 31 23 – 인장 직물 구조
• 13 31 33 – 프레임 패브릭 구조

CSI/CSC MasterFormat 1995 Edition:

• 13120 – 케이블 지지 구조
• 13120 – 직물 구조

참고 항목

• 벅민스터 풀러
• 가우스 곡률
• 지오데식 돔
• 지리학
• 하이퍼볼로이드 구조
• 칼리스 요한슨스
• 케네스 넬슨
• 현수교
• 텐세어리티
• 텐세그리티
• 와이어 로프

참조

추가 읽기

• "니즈니노브고로드 전시회는 다음과 같다. 워터 타워, 공사 중인 방, 91피트 길이의 스프링, "엔지니어", № 19.3.1897, P.292-294, 런던, 1897.
• 호르스트 버거, 빛 구조, 빛의 구조: 인장 아키텍처의 기술 및 엔지니어링 (Birkhauter Verlag, 1996) ISBN 3-7643-5352-X
• Alan Holgate, The Art of Structural Engineering: 구조 공학: Jorg Schlaich와 그의 팀의 작품 (Books British, 1996년) ISBN 3-930698-67-6
• 엘리자베스 쿠퍼 영어: "아크히테크투라 아이 니모스티": 건축학 논문인 '러시아의 신비-철학-수학적 지적 전통'에서 소련 전위 합리주의 건축의 기원은 2000년 펜실베이니아 대학 264p.
• "블라디미르 G. 수코프 1853-1939. Die Kunst der sparsamen Konstruktion.", Rainer Graefe, Jos Tomlow und Ander, 192 S, Dutsche Verlags-Anstalt, 1990, ISBN 3-421-02984-9

• 콘래드 롤랜드: Frei Otto – Spannweiten. 이데엔과 베르수체 줌 라이프바우. 아인 베르크스타트베리히트 폰 콘라드 롤랜드 울슈타인, 베를린, 프랑크푸르트/메인 und Wien 1965.
• Frei Otto, Bodo Rasch: 형태 찾기 - 미니멀한 판 악셀 멘지스의 건축을 향하여, 1996, ISBN 3930698668
• 네르딩거, 윈프리드: 프리 오토. Das Gesamtwerk: 라이히트 바우엔 나튀를리히 게스탈텐, 2005년 ISBN 3-7643-7233-8