KR102374195B1 - 트러스 지지부가 포함된 대공간 구조물 - Google Patents

Abstract

본 발명의 아치형 입체 트러스 구조물로 형성된 대공간 구조물은 입체 트러스 유닛(20a)(20b)이 복수 개가 반복적으로 아치 형상으로 연결되어 일측과 타측이 지상에 고정되도록 일체로 구성된 아치형 입체 트러스 구조물(2)과, 상기 아치형 입체 트러스 구조물(2)을 건축 구조물의 길이방향으로 복수 개 설치하고 복수 개의 퍼린(70)으로 상기 복수 개의 아치형 입체 트러스 구조물(2)을 연결 설치하며 상기 아치형 입체 트러스 구조물(2)의 상부에 경량 철판, 천막 또는 합성수지재의 지붕 패널을 덮어서 완성된 대공간 구조물에 있어서, 상기 아치형 입체 트러스 구조물(2)의 상부 중앙부분의 소정간격 이격된 구간(L)에 트러스 지지부(50)를 형성한 것을 특징으로 한다.

Description

트러스 지지부가 포함된 대공간 구조물{Large spatial structure with truss support}

본 발명은 대공간 구조물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대공간 구조물을 형성하는 아치형 입체 트러스 구조물에 트러스 지지부를 부가함으로써 폭설이나 돌풍 등 외력에 의한 변형을 완화시킬 수 있어서 구조물의 폭과 높이를 늘려 내부공간을 확장하면서도 트러스 구조물을 경량화할 수 있는 아치형 입체 트러스 구조에 트러스 지지부가 포함된 대공간 구조물에 관한 것이다.

본 발명은 구조물의 지붕 및 벽체구조가 일체로 구성된 입체 트러스 구조에 트러스 지지부가 포함된 대공간 구조물에 관한 것으로, 특히 몸체를 아치형 입체 트러스 구조로 하여 실제 응력 분포에 따른 부재 설계로 불필요한 부재를 절감할 수 있어서 시공의 단순화와 시공비의 절감을 도모할 수 있는 경제적인 입체 트러스를 제공하고자 하는 아치형 입체 트러스 구조로 형성된 대공간 구조물에 관한 것이다.

요즈음 화력발전에 사용되는 유연탄 등은 주로 외국에서 수입되어 발전소 야외 부지에 노출되어 저장되는데 바람이 심한 날에는 유연탄이나 석탄 등의 미세 분진에 의해 대기가 오염되기도 한다. 그리고 겨울철과 봄철 미세먼지가 심한 날이 반복되어 사회적으로 대기의 질 문제가 심각한 사회 건강 문제로 대두되고 있다. 따라서 각 발전소나 유연탄 등을 연료로 사용하는 공장 등은 야적되는 유연탄이나 석탄 등의 보관방법을 달리하여 실내로 반입하여 저장함으로써 유연탄이나 석탄 등의 미세분진이 바람 등에 날려 대기를 오염시키지 않도록 실내 저장공간 시설을 구축하고 있는 추세이다.

상기 실내공간은 통상적인 철근콘크리크 구조 방식의 대공간 건축물로 건축되기도 하는데, 설계와 시공비가 많이 들고 및 공사기간이 길어지며, 철근콘크리트 구조의 특성상 내부공간의 크기를 확장하는데는 한계가 있다는 문제점이 있어서 경량의 트러스 구조물을 지붕 및 벽체 구조물로 하여 시공기간 및 경비를 절감하는 방식으로 석탄 저장고를 설치하는 시설이 늘고 있다.

본 발명에서 대공간 구조물의 벽체 및 지붕구조를 구성하기 위해서는 일체로 형성된 입체 트러스 구조에 대해서 설명하고자 한다.

이러한 입체 트러스는 체육관, 공항의 버스 승, 하강장, 건물입구 및 대형 석탄 저장고 등에 대부분 시설하고 있으며, 그 입체 트러스에 유리판, 판넬, 비닐이나 천막 등을 씌워서 지붕의 역할을 하도록 하여 기초적인 구조물을 가지도록 하는 것이다.

일반적으로 트러스에는 평면 트러스, 입체 트러스(SPACE TRUSS), 합성 트러스(PEP TRUSS) 등이 있다. 평면 트러스란 도 1a 및 도 1b와 같이 모든 부재가 휘지 않게 접합점을 힌지로 만든 삼각형의 구조물로서 각 부재는 축력(인장, 압축)만 받도록 만든 것이다.

구조물의 보 형식에서 하중이 걸리면 보가 휜다. 이때 보를 구부리는 힘은 상·하단이 가장 크고 중간은 작다. 즉, 보의 중간에는 아직 여력 또는 낭비가 있다고 말할 수 있다. 그래서 이 낭비 부분을 빼기 위해 또 보에 기둥을 세우고 선을 쳐서 보를 보강해서 커다란 지간으로 사용할 수 있다. 이와 같이 보를 보강해서 낭비를 없애려는 것이 도 2와 같은 트러스 구조의 시초이다.

2개 이상의 세장한 직선부재들의 양단을 회전단으로 연결시켜 삼각형 공간으로 조성된 구조물, 즉 트러스가 삼각형 단위공간으로 구성되는 이유는 부재들이 삼각형 공간으로 구성될 때는 부재들의 연결점이 회전단이라 하더라도 사각형 공간일 때 보다 쉽게 변형이 일어나지 않는 안정된 형태가 되기 때문이다. 트러스에 하중이 작용할 경우 상현재에는 압축력이 작용하고 사재의 벌어짐을 억제하는 하현재에는 인장력이 작용한다.

이러한 부재를 삼각형 구면을 갖는 트러스로 조립한다면, 보 단면의 상부와 하부 사이 거리는 자중의 증가를 가져오지 않고도 얼마든지 키울 수 있으며, 삼각구조가 갖는 이점으로 변형도 압도적으로 작게 되므로 길이가 긴 스팬 구조에 널리 이용할 수 있다

건축 구조물의 재료면에서 고강도·고성능 구조재료의 개발, 구조면에서 경량화, 장 스팬화, 고층화, 강성의 제어, 붕괴형식의 제어, 생산·시공면에서 건설수요의 증가와 건설기능자의 감소에 따라서 인력절감, 노동생산성 향상을 목표로 한 구조요소의 프리패브화, 공기단축, 건설비의 저감 등 다양한 요소들이 관련되어 있다.

단순트러스는 도 3과 같이 획일적인 부재 선정으로 인하여 설계중량이 과다하여 불필요한 물량투입으로 경제적인 부담도 크다. 그리고 현장에서 설치시간이 많아 안전 및 품질 면에서 불리하며 구조적으로 대형구조물이므로 운반 및 설치장비가 아주 불리하다.

입체 트러스는 도 4와 같이 3차원적인 형태를 창조하기 위해 3각형을 사용하는 구조적 조직망이다. 하중이 작용할 때 한 점으로부터 어떤 방향으로도 움직이지 않으려면 같은 평면에 놓이지 않는 최소한 3개의 부재가 필요하다. 이런 기본적인 안정된 3차원 구조가 삼각대이다.

삼각형은 유일하게 안정된 기하학적인 형태로 구조적인 이점을 가지고 있다. 삼각형은 세 개의 다리를 갖고 있기 때문에 평면상에서 형태를 바꾼다는 것은 불가능하다. 정사각형, 직사각형, 육각형, 팔각형은 하중을 받으면 형태가 바뀐다. 삼각형의 이러한 역량과 이점이 단일 평면이든 복수의 평면이든 모든 입체 트러스에서 재료 사용의 효율성을 창조했다.

입체 트러스는 이러한 삼각대를 서로 덧붙이기만 하면 된다. 동일한 결론이 기본 유닛인 사면체로부터 추출된 공간 트러스로의 발전에 의해 발견되었다. 단순히 삼각대를 부가함에 의해 4개의 절점과 6개의 부재를 갖는 안정된 자족적인 유닛이 이루어진다. 이 사면체는 평면구조에서의 삼각형과 마찬가지로 가장 기본적으로 안정된 공간적 유닛이다. 지주와 절점부재는 축력을 받으며 파괴되지 않는 시스템을 창조하기 위해 하중을 분배하고 또한 공유하는 성질을 갖고 있다. 한 부재가 이러한 부재의 조직에서 한계에 도달하면 다른 부재가 그 이상의 하중을 분담한다.

입체 트러스의 삼각형 조직은 변형될 수 없는 기하학적인 단위를 만든다. 기하학적 형태를 바꾸기 위해서는 결합이 바뀌든지 부재의 길이가 바뀌어야 한다.

입체 트러스는 본질적으로 인장력이나 압축력으로 작용하는 축력에 의해서만 힘을 받는다. 종종 하나는 인장력으로 다른 하나는 압축력이 되는 변화하는 방향의 하중에 대처하기 위해 보통의 스페이스 프레임 요소는 두 종류의 힘을 수용하도록 정해졌다. 모든 봉의 요소는 대개 원통형으로 이는 실용적인 방법이라 할 수 있다. 트러스 부재에서 동일 평면을 벗어나는 좌굴의 위험을 피하기 위해 평면 트러스는 일종의 가새를 필요로 한다. 둘 이상의 평면에서는 삼각형태는 이러한 결점을 갖지 않는다. 결과적으로 입체 트러스(스페이스 프레임)는 모든 방향에서 강하며 특히, 부재의 수가 이것을 상당한 부정적으로 만드는 경우일 때 더욱 그러하다. 완전 삼각분할 형태에서 만일 모든 하중이 절점에 작용되었다면 트러스의 각 부재에서 단순 압축이나 인장으로 수행된다.

구조적 원리를 간단히 요약하면, 목구조나 철구조에서는 보를 주로 트러스로 만들어 사용한다. 그렇다면 상현재(Top Chord)와 하현재(Botton Chord)는 각각의 힘에 견딜 수 있는 부재(member)를 쓰고, 그것들을 연결하는 사재(diagonal chord)로 연결시켜 주면 될 것이다. 즉, 상현재에는 압축력이 작용하고, 사재는 벌어짐을억제하며, 하현재에는 인장력이 작용하게 된다.

입체트러스는 전술한 구조적 원리에 의한 사면체와 연속적으로 접속하여 트러스로 만들어진 슬래브(Slab)라고 보면 된다. 이 슬래브가 두 방향으로 힘이 가는 것처럼 입체트러스도 역시 마찬가지다. 이것을 사용하면 트러스를 사용할 때보다 그 두께를 줄일 수 있고 중간에 기둥을 세울 필요가 없어 대공간이 요구되는 건축 구조물에 적합한 구조 시스템이다.

입체트러스는 상호 연결된 결정체 같은 입체 모듈들의 연속체로써 복잡하고 부재가 많아 시공성이 떨어져 경제적으로 불리한 반면, 웅장하고 견고한 구조물을 제공할 수 있는 이점이 있다.

상기 도 5의 입체 트러스 구조물(2)은 도 6, 도 7과 같이 입체 트러스 유닛(20a)(20b)이 복수 개가 반복 연결되어 하나의 일체로 된 아치형 입체 트러스 구조물(2)을 형성한다. 입체 트러스 유닛(20a)(20b)은 상현재(21a)와 하현재(22), 상현재(21a)를 연결하는 수평재(21b) 및 여러 개의 사방 연결재(23)가 상호 연결되게 구성하여 입체 트러스의 하중이 분산 배분되도록 한다. 상기 사방 연결재(23)는 상부측에 수평으로 설치되어 있는 것은 사재(23a), 수평재(21b)와 하현재(22)가 삼각형상을 이루도록 아래로 경사지게 연결되는 사재(23b), 상현재(21a)와 하현재(22) 및 수평재(21b) 사이에 상호간 경사지게 삼각형상을 이루도록 연결되는 사재(23c, 23d)로 구성된 것을 통칭한다.

입체 트러스 유닛(20a)(20b)의 각 연결부위는 하나의 연결지점으로 집결되도록 연결구로 연결한다. 상기 연결구는 파이프 상호간을 연결할 수 있는 부재라면 어떠한 것을 사용하여도 무방하다.

상기 입체 트러스 유닛(20a)(20b)의 일단이 지상에 고정되고 아치 형태를 이루면서 반복 연결되어 타측단이 지상에 고정되면 하나의 아치형 입체 트러스 구조물(2)이 형성된다. 나아가 상기 아치형 입체 트러스 구조물(2)을 복수 개 설치하고 건축 구조물의 길이 방향을 따라 복수 개의 퍼린(purline)(70)을 연결 설치하여 건축 구조물의 뼈대를 형성한다. 퍼린(70)이 설치된 후 퍼린의 상부에 경량 철판, 천막, 합성수지재 등을 이용하여 지붕 패널을 설치함으로써 대공간 구조물을 완성한다.

이와 같이 형성된 입체형 트러스 구조물을 이용한 대공간 구조물을 석탄 등의 저장고나 체육관 시설, 공연장 등으로 사용할 경우에 내부의 공간을 넓게 확보할 수 있고, 기둥이 없으므로 경기장이나 공연장으로써 유용하게 활용할 수 있으며, 석탄 등을 저장할 경우에 내부에 다수의 포크레인을 운용할 수 있어서 작업공간의 활용도를 높일 수 있다.

그런데, 상기 아치형 입체 트러스 구조물(2)을 폭이나 길이를 크게 하여 대용량의 구조물을 건축할 경우에는 외부의 바람, 돌풍 등에 의한 풍력이나, 폭설에 의한 처짐 등이 발생할 수 있어서 내부의 폭과 높이에 제한을 받을 수 있게 된다.

종래 선행기술 문헌 1은 아치형 트러스 구조물이 복수 개 길이방향으로 연결되어 텐트 하우스를 형성하는 골조 구조에 관한 것이다. 상기 선행기술 문헌 1은 단순한 평면 트러스 구조를 이용한 건축물로서 입체형 트러스 구조물에 비해 폭설이나 돌풍 등에 견딜 수 있는 강도가 떨어져서 수백 미터의 대공간 구조물을 형성하기에는 구조적으로 곤란한 문제점이 있다.

종래의 선행기술 문헌 2는 전산 설계를 통해 최적의 트러스 구조물을 설계하는 것에 관한 것이다. 상기 선행기술 문헌 2는 2차원 트러스 형상으로 설계한 구조물로서 트러스 구조가 이중으로 형성되어 있다. 선행기술 문헌 2도 2차원 형상의 트러스 구조로서 입체형 트러스 구조물에 비해 그 강도가 약하고 이중으로 형성되는 하부의 트러스 구조가 기본 트러스 구조보다 크게 형성되어 트러스 구조가 커지므로 내부 공간이 감소되며, 트러스 중량이 증가하여 시공비가 증가하고 시공기간이 길어지는 문제점이 있었다.

(문헌 1). 대한민국 등록특허공보 제10-1318180(2013.10.15.) (문헌 2). 한국전산구조공학회논문집; 위상최적화와 Cellular Automata 모델을 이용한 대공간 트러스 구조물의 최적 형태 설계(2012. 2. Vol 25.)

본 발명은 종래의 단순 2차원 형상의 단순 트러스 구조물 대신에 입체 트러스 구조물을 이용하며, 상기 아치형 대공간 구조물에 트러스 지지부를 보강함으로써 종래 2차원 형상의 단순 트러스 구조물이나 통상의 아치형 대공간 구조물보다 폭설이나 돌풍 등에 의한 변형이 적고, 내부 공간의 폭과 높이를 확장할 수 있으며, 투입되는 트러스 구조물을 중량을 경감할 수 있는 구조적으로 튼튼하고 시공비가 절감되는 아치형 입체 트러스 구조물로 형성된 대공간 구조물을 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적들을 해결하기 위한 본 발명의 아치형 입체 트러스 구조물로 형성된 대공간 구조물은 입체 트러스 유닛(20a)(20b)이 복수 개가 반복적으로 아치 형상으로 연결되어 일측과 타측이 지상에 고정되도록 일체로 구성된 아치형 입체 트러스 구조물(2)과 상기 아치형 입체 트러스 구조물(2)을 건축 구조물의 길이방향으로 복수 개 설치하고 아치 형상을 따라 일정 폭을 가지고 길이방향으로 길게 설치되는 복수 개의 퍼린(70)으로 상기 아치형 입체 트러스 구조물(2)을 일체로 연결하며, 상기 일체로 연결된 복수 개의 아치형 입체 트러스 구조물(2)의 상부에 경량 철판, 천막 또는 합성수지재의 지붕 패널을 덮어서 완성된 대공간 구조물에 있어서, 상기 아치형 입체 트러스 구조물(2)의 상부 중앙부분의 소정간격 이격된 구간(L)에 트러스 지지부(50)를 형성한 것을 특징으로 한다.

상기 트러스 지지부(50)는 아치형 입체 트러스 구조물의 상부에서 서로 연결되는 수평부재(A), 수직부재(B) 및 경사부재(C)에 의해 삼각형상을 이루는 트러스 구조인 것을 특징으로 한다.

상기 수평부재(A)는 아치형 입체 트러스 구조물(2)의 상부 중앙부분의 소정간격 이격된 구간(L)을 수평으로 연결하는 하나의 수평바(51)인 것을 특징으로 한다.

상기 수직부재(B)는 아치형 입체 트러스 구조물(2)의 상부 정중앙부분에서 수직으로 내려져 수평바(51)에 연결되는 수직바(53)와 상기 수직바(52)의 좌우에서 일정거리 이격되어 설치되는 수직바(52)(54)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 경사부재(C)는 아치형 입체 트러스 구조물(2)의 상부 정중앙부분에서 수직으로 수평바(51)와 연결 설치된 수직바(53) 및 상기 수직바(53)의 좌우에 설치되는 수직바(52)(54) 사이에서 삼각형상을 이루도록 일측은 각 수직바(52)(53)(54)의 상부에 연결되고 타측은 수평바(51)의 중간 연결지점(59a)(59b)에 연결되는 경사바(55, 56, 57, 58)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 아치형 입체 트러스 구조물이 복수 개 연결되어 형성된 대공간 구조물의 길이방향 측면에서 폭설이나 돌풍 등에 의한 외력에 의해 최대 변형량이 발생하는 부분에 보강용 아치형 입체 트러스 구조물을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 아치형 입체 트러스 구조물(2)의 측면 부분을 지지하는 지지케이블 부재(60)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 지지케이블 부재(60)는 아치형 입체 트러스 구조물(2)의 측면 부분을 외부쪽에서 지지하는 지지케이블(61)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 지지케이블 부재(60)는 아치형 입체 트러스 구조물(2)의 측면 부분을 내부공간쪽에서 지지하는 지지케이블(62)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

위와 같이 이루어지는 본 발명인 아치형 입체 트러스 구조물로 형성된 대공간 구조물은 트러스 지지부에 의해 지지할 수 있는 하중이 증가함으로써 아치형 입체 트러스 구조물을 형성하는 각 트러스의 중량을 경감할 수 있어서 구조물을 경량화하고 시공기간 및 시공비용을 절감시키는 효과가 있다.

그리고 트러스 지지부에 의해 감당할 수 있는 하중이 증가하므로 통상의 아치형 입체 트러스 구조물보다 변형에 대한 저항력이 증가하여 폭설이나 돌풍 등에 의한 측면 변위량이 감소되는 효과가 있다.

또한, 측면 변형에 대한 저항력이 증가함으로써 종래 아치형 입체 트러스 구조물보다 내부 공간의 폭과 높이가 더 커진 아치형 대공간 구조물을 건축할 수 있으므로 저장되는 유연탄이나 석탄 등을 증대시킬 수 있고, 내부에서 작업하는 포크레인 등의 작업 효율성을 향상시킬 수 있다.

도 1a는 단순보에서의 하중 작용 예시도
도 1b는 단순보에서 하중 작용시 역학 관계도
도 2는 트러스 구조의 단순보에서 하중 작용시 역학 관계도
도 3은 종래 2차원 형상의 단순 트러스의 구성도
도 4는 종래 입체 트러스의 구성도
도 5는 아치형 입체 트러스 구조의 사시도
도 6, 7은 입체 트러스 유닛의 구성도
도 8은 비교 예 1의 아치형 입체 트러스 구조물의 변형 상태도
도 9는 비교 예 1의 아치형 입체 트러스 구조물의 최대 변형량이 표시된 대공간 구조물
도 10은 비교 예 2의 바 지지부재가 부가된 아치형 입체 트러스 구조물의 수직 단면도
도 11은 비교 예 2의 바 지지부재가 부가된 아치형 입체 트러스 구조물의 변형 상태도
도 12는 비교 예 2의 바 지지부재가 부가된 아치형 입체 트러스 구조물의 최대 변형량이 표시된 대공간 구조물의 사시도
도 13은 본 발명의 트러스 지지부가 부가된 아치형 입체 트러스 구조물의 사시도
도 14는 본 발명의 트러스 지지부가 부가된 아치형 입체 트러스 구조물의 변형 상태도
도 15는 본 발명의 트러스 지지부가 부가된 아치형 입체 트러스 구조물의 최대 변형량이 표시된 대공간 구조물
도 16은 본 발명의 트러스 지지부가 부가된 아치형 입체 트러스 구조물의 최대 확장 폭과 높이를 보여주는 사시도
도 17은 본 발명의 아치형 입체 트러스로 형성된 대공간 구조물의 사시도
도 18은 비교예 1의 아치형 입체 트러스 구조물을 동일조건에서 실험했을 때의 변위량과 철골 물량을 보여주는 사시도
도 19는 비교예 2의 아치형 입체 트러스 구조물을 동일조건에서 실험했을 때의 변위량과 철골 물량을 보여주는 사시도
도 20은 본 발명의 아치형 입체 트러스 구조물을 동일조건에서 실험했을 때의 변위량과 철골 물량을 보여주는 사시도
도 21은 본 발명의 아치형 입체 트러스로 형성된 대공간 구조물의 다른 실시 예
도 22는 종래기술의 2차원 형상의 트러스 구조물로 이루어진 대공간 구조물의 사시도
도 23 및 도 24는 종래기술의 이중 구조의 트러스 구조물로 이루어진 대공간 구조물의 사시도

이하에서 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 기술구성을 보다 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에 도시된 구성요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다는 점을 유념하여야 할 것이다. 본 발명을 설명함에 있어 종래기술과 동일한 기술구성에 대하여는 동일한 명칭을 그대로 부여하여 설명한다.

도 5는 비교 예 1로서 통상 사용되는 입체 트러스 구조로 벽체와 지붕이 일체로 형성된 아치형 입체 트러스 구조물(2)이다. 상기 아치형 입체 트러스 구조물(2)은 도 6, 7의 입체 트러스 유닛(5a, 5b)이 번갈아 연결되어 지상의 일측단에서 벽체를 이루면서 지붕을 형성하고 지상의 타측단이 벽체를 형성하면서 벽과 지붕이 일체로 형성되는 하나의 구조물을 이룬다. 각 입체 트러스 유닛(5a, 5b)이 삼각 형상의 트러스 구조를 기본 단위로 하고 있다.

도 8은 비교 예 1의 아치형 입체 트러스 구조물을 상용되는 구조해석 프로그램인 ‘Midas Gen’을 이용하여 바람 등에 의한 변형량을 구조 해석한 결과이다.

비교예 1, 2 및 본 발명의 아치형 입체 트러스 구조물의 길이는 대략 380m를 기준으로 하고 있다. 통상적인 설계에서 대략 동일한 철골 물량을 사용하였을 경우, 비교 예 1의 아치형 입체 트러스 구조물의 폭은 대략 170m 정도로 할 수 있다.

실험의 결과, 비교 예 1의 통상의 아치형 입체 트러스 구조물은 높이 40.5m에서 측면으로 145.2mm 옆으로 밀리는 변위량을 보여준다. 즉, 중앙 상부보다 측면이 바람 등에 의해 변위되는 양이 많으며, 구조물을 지지하는데 보강이 필요하다는 것을 보여주고 있다. 그리고 도 9는 아치형 입체 트러스 구조물을 길이방향으로 복수 개 연결 설치하여 형성된 대공간 구조물의 구조해석 결과로서, 길이방향 중앙부분의 측면에서 최대 145.2mm가 밀리는 변형이 발생하고 있다. 따라서 최대 변위가 발생하는 부분은 아치형 입체 트러스 구조물을 보강하여야 하므로 추가되는 트러스 구조물 때문에 시공비용과 시공기간이 늘어난다.

도 10은 비교 예 2의 종래의 입체 트러스로 형성된 아치형 입체 트러스 구조물(2)의 사시도로서 구조물을 보강하기 위하여 중앙부분 상부에 지지부재(30)를 더 포함하고 있는 대공간 구조물이다.

상기 지재부재(30)는 아치형 입체 트러스 구조물의 상부 중앙부분의 소정거리 이격된 구간에 수평케이블(40)을 설치하고 중앙부분의 트러스에서 다수의 지지케이블(31, 32, 33, 34, 35)을 아래로 내려 수평케이블(40)과 연결함으로써 아치형 입체 트러스 구조물의 중앙부분을 보강하여 폭설이나 돌풍 등에 의한 변형에 저항할 수 있는 저항력을 증가시키고 있다. 도 11의 구조해석 결과를 보면, 비교 예 2는 높이 40.5m에서 측면 최대 변형량이 103.2mm로 비교 예 1보다 측면 변형량이 28.9% 감소하였다.

그리고 도 12는 비교 예 2의 복수 개의 아치형 입체 트러스 구조물을 복수 개의 퍼린으로 길이방향으로 연결한 대공간 구조물의 구조해석 결과로서 길이방향 중앙부분의 측면에서 최대 변형량이 발생하고 있다. 따라서 비교 예 2도 길이방향의 중앙부분에서 아치형 입체 트러스 구조물의 보강이 필요하다고 할 수 있다.

도 13은 본 발명의 아치형 입체 트러스 구조물로서 구조물을 보강하기 위하여 상부에 트러스 지지부(50)를 설치한 것이다. 본 발명의 아치형 입체 트러스 구조물은 구조물의 지붕을 형성하는 아치형 입체 트러스 구조물의 상부 중앙부분의 소정간격 이격된 구간(L)에 트러스 지지부(50)가 형성되어 트러스 구조물의 강도를 보강하고 있다.

소정간격 이격된 구간(L)은 아치형 입체 트러스 구조물(2)의 상부에서 트러스 지지부(50)가 설치되는 구간을 의미하며, 아치형 입체 트러스 구조물(2)의 공간 규모에 따라 트러스 지지부(50)가 설치되는 소정간격 이격된 구간(L)은 구조해석 결과를 인용하여 적절하게 변경할 수 있다.

상기 트러스 지지부(50)는 아치형 입체 트러스 구조물의 상부에서 서로 연결되는 수평부재(A), 수직부재(B) 및 경사부재(C)에 의해 삼각형상을 이루는 트러스 구조를 이루도록 한다. 그리고 상기 수평부재(A)는 아치형 입체 트러스 구조물(2)의 상부 중앙부분의 소정간격 이격된 구간(L)을 수평으로 연결하는 하나의 수평바(51)로 형성된다.

상기 수직부재(B)는 아치형 입체 트러스 구조물(2)의 상부 정중앙부분에서 수직으로 내려져 수평바(51)에 연결되는 수직바(53)와 상기 수직바(53)의 좌우에서 일정거리 이격되어 설치되는 수직바(52)(54)로 형성된다.

상기 경사부재(C)는 아치형 입체 트러스 구조물(2)의 상부 정중앙부분에서 수직으로 수평바(51)와 연결 설치된 수직바(53) 및 상기 수직바(53)의 좌우에 설치되는 수직바(52)(54) 사이에서 삼각형상을 이루도록 일측은 각 수직바(52)(53)(54)의 상부에 연결되고 타측은 수평바(51)의 중간 연결지점(59a)(59b)에 연결되는 경사바(55, 56, 57, 58)로 형성되어 트러스 구조를 이루도록 한다.

상기 트러스 지지부(50)는 아치형 입체 트러스 구조물의 내부공간의 폭과 높이에 따라 적절하게 그 트러스 구조를 증가 또는 감소시켜 설치할 수 있다.

상기 트러스 지지부(50)를 설치함으로써 본 발명의 아치형 입체 트러스 구조물(2)은 외부의 폭설이나 돌풍 등에 의한 변형에 대해 저항력이 증가하여 구조물이 흔들리는 변형량이 감소하므로 트러스 구조물의 폭과 높이를 늘려서 내부공간을 더 넓게 형성할 수 있으며, 트러스 지지부(50)에 의해 하중을 분산시킬 수 있어서 아치형 입체 트러스 구조물(2)을 형성하는 구조재의 전체 하중을 경감시킬 수 있으므로 그 시공비용과 시공기간을 절감할 수 있다.

도 14 및 도 16은 본 발명의 아치형 입체 트러스 구조물의 구조해석 결과로서 높이 40.5m에서 측면으로 최대 80.6mm의 변형량이 발생하고 있다. 이는 비교 예 1의 최대 변형량 145.2mm와 비교해서 변형량이 55.5%에 불과하고, 비교 예 2의 최대 변형량 103.2mm와 비교해서 78.1%에 불과하므로 트러스 지지부(50)를 부가하여 아치형 입체 트러스 구조물의 강도를 훨씬 더 증대시키고 있다. 따라서 비교 예 1, 2에 비교하여 동일 크기의 공간 구조물을 설치할 때 보강되는 구조물의 크기나 강도가 훨씬 줄어들게 된다.

그리고 도 15 및 도 17을 보면, 본 발명의 아치형 입체 트러스 구조물은 내부공간 폭을 119.75m, 높이를 63m로 형성할 수 있는 반면에, 도 10의 비교 예 2의 아치형 입체 트러스 구조물은 내부공간 폭을 183m, 높이를 61.166m로 형성할 수 있다. 따라서 본 발명은 비교 예 2의 아치형 입체 트러스 구조물에 비해서 내부공간 폭이 9.1% 증가하고, 높이가 약 3% 증가하며, 비교 예 1과 대비하면, 내부 공간 폭이 약 17% 증가하므로 종래기술에 비해 대공간 구조물의 내부공간의 폭과 높이를 증가시킬 수 있어서 공연장으로 사용할 경우, 내부의 공연 좌석수를 증가시킬 수 있고, 체육시설로 사용할 경우에도 유효한 운동 공간을 확대할 수 있으며, 석탄이나 유연탄 등을 적재할 경우에도 그 적재량을 증가시킬 수 있으며, 내부공간이 넓어지므로 석탄 등을 저장 또는 반출하는 포크레인 등의 작업장치의 작업 효율성을 향상시킬 수 있다.

아래는 비교 예 1, 2 및 본 발명의 아치형 입체 트러스 구조물을 구조해석 프로그램인 ‘Midas Gen’을 이용하여 수직단면의 변형량을 측정할 결과의 비교표이다. 기재된 수치는 외부 변형력에 의해 기존 트러스 구조물이 이동한 변위량이며 단위는 mm이다.

	비교 예 1		비교 예 2		본 발명
	상부	하부	상부	하부	상부	하부
1	44.3	0	33.1	0	28.6	0
2	94	62.9	69.3	46.6	59.0	40.1
3	122.1	107.3	88.5	78.5	72.3	65.8
4	145.2	128.7	103.2	92.2	80.6	75.5
5	142	142.4	100.6	99.5	74.1	78.8
6	131.7	142.4	93.9	98.9	64.3	76.0
7	117.9	141.7	87.6	96.6	55.2	71.3
8	103.9	136.2	81.5	96.0	47.1	66.8
9	89.8	130.3	75.4	95.3	40.9	61.8
10	77.2	124.5	69.4	96.0	37.7	55.2
11	70.1	113.9	66.5	92.9	37.9	51.2
12	66.4	101.2	65.4	87.2	39.4	47.7
13	67.8	89.5	67.4	82.2	42.0	45.7
14	71.6	78.0	70.9	77.3	44.4	45.3
15	74.7	67.7	74.7	73.7	47.5	45.9
16	74.8	56.0	77.4	68.7	50.5	44.6
17	70.5	42.8	77.2	62.5	51.4	41.6
18	60.7	28.5	74.2	55.8	50.3	37.3
19	47.0	16.2	68.1	50.0	45.4	31.0
20	31.0	4.7	60.7	43.9	39.1	25.4
21	14.2	-7.0	50.7	37.1	30.3	19.4
22	-5.2	-17.0	35.9	25.7	17.5	9.6
23	-18.2	-24.9	21.5	16.9	5.7	2.3
24	-28.9	-30.2	4.7	5.6	-6.7	-6.2
25	-27.3	-29.5	-3.4	-1.1	-10.6	-10.0
26	-18.0	-20.0	-4.4	-4.0	-7.5	-8.5

그리고 비교 예 1, 2 및 본 발명의 아치형 입체 트러스 구조물(2)을 설계 기본 풍속(m/sec), 노풍도 구분 및 중요도 계수가 동일한 조건하에서 구조해석 프로그램인 ‘Midas Gen’을 이용하여 시험을 실시한 결과 각 구조물의 횡변위량과 필요한 철골 물량은 아래의 표 2와 같으며, 도 18 내지 도 20은 비교 예 1, 2 및 본 발명의 아치형 입체 트러스 구조물(2)을 동일 조건하에서 실험한 결과가 도시된 것이다.

시험 조건에서 설계 기본 풍속은 태풍 등을 고려하여 30m/sec로 하고, 노풍도 구분은 ‘D’이며, 중요도 계수는 1.0(특)으로 설정하였다. 여기서 노풍도는 구조물이 설치되는 지역이 허허벌판, 밀집지역, 산악지역, 해변, 도심지역인가에 따라, 그리고 바람의 세기에 따라 등급이 나누어진다. 본 발명의 구조물은 밀집 지역이나 도심지역에서 벗어나 있으나, 대략 해안가의 평지에 설치되므로 바람의 세기가 센 경우에 해당하여 ‘D’등급으로 설정한다. 중요도 계수는 사람이 거주하는지 여부에 따라 달라지는데, 본 발명의 구조물을 석탄 또는 유연탄 등을 적재하는 공간을 목적으로 하므로 그 계수는 1.0으로 한다, 사람이 거주할 경우에는 1.1로 높아진다.

구분	비교 예 1	비교 예 2	본 발명
시험 조건	풍속: 30m/s, 노풍도: D, 중요도: 1.0
철골 물량(ton)	11,240	10,680	9,462
횡 변위(mm)	108.56	93.73	79.30

상기 시험 결과를 보면, 본 발명의 철골 물량은 비교 예 1과 대비하면 84.18%, 비교 예 2와 대비하면 88.6%에 불과하므로 종래기술에 비해 트러스 구조물의 중량이 11.4% 감소하고, 횡 변위는 15.4% 감소하고 있다.

또 다른 실시 예로서 도 21은 본 발명의 아치형 입체 트러스 구조물의 외측 또는 내부공간쪽에 지지케이블 부재(60)를 부가하여 외부 충격에 대응할 수 있는 저항력을 증가시킬 수 있다. 상기 지지케이블 부재(60)는 외측에 지지케이블(61)을 설치하거나 내측 공간에 지지케이블(62)을 설치할 수도 있으며, 내·외측에 동시에 설치할 수도 있다. 상기 부가되는 지지케이블 부재(60)에 의해 폭설이나 돌풍 등에 의해 발생되는 변형에 대한 저항력이 증대될 수 있다.

상기에서 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

2; 아치형 입체 트러스 구조물 20a, 20b; 입체 트러스 유닛 21a; 상현재 21b; 수평재 22; 하현재 23; 사방 연결재 23a, 23b, 23c, 23d; 사재 30; 지지부재 31, 32, 33, 34, 35; 지지케이블 40; 수평케이블 50; 트러스 지지부 51; 수평바 52, 53, 54; 수직바 55, 56, 57, 58; 경사바 59a, 59b; 중간 연결지점 60; 지지케이블 부재 61; 외측 지지케이블 62; 내측 지지케이블 70; 퍼린 A; 수평부재 B; 수직부재 C; 경사부재 L; 소정간격 이격된 구간(트러스 지지부가 설치되는 구간)

Claims (9)

1. 입체 트러스 유닛(20a)(20b)이 복수 개가 반복적으로 아치 형상으로 연결되어 일측과 타측이 지상에 고정되도록 일체로 구성된 아치형 입체 트러스 구조물(2)과 상기 아치형 입체 트러스 구조물(2)을 건축 구조물의 길이방향으로 복수 개 설치하고 아치 형상을 따라 일정 폭을 가지고 길이방향으로 길게 설치되는 복수 개의 퍼린(70)으로 상기 아치형 입체 트러스 구조물(2)을 일체로 연결하며, 상기 일체로 연결된 복수 개의 아치형 입체 트러스 구조물(2)의 상부에 경량 철판, 천막 또는 합성수지재의 지붕 패널을 덮어서 완성된 대공간 구조물에 있어서,
   상기 아치형 입체 트러스 구조물(2)의 상부 중앙부분의 소정간격 이격된 구간(L)에 트러스 지지부(50)를 형성하고, 상기 트러스 지지부(50)는 아치형 입체 트러스 구조물의 상부에서 서로 연결되는 수평부재(A), 수직부재(B) 및 경사부재(C)에 의해 삼각형상을 이루는 트러스 구조이며, 상기 아치형 입체 트러스 구조물이 복수 개 연결되어 형성된 대공간 구조물의 길이방향 측면에서 폭설이나 돌풍 등에 의한 외력에 의해 최대 변형량이 발생하는 부분에 보강용 아치형 입체 트러스 구조물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 아치형 입체 트러스 구조를 이용한 대공간 구조물.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 수평부재(A)는 아치형 입체 트러스 구조물(2)의 상부 중앙부분의 소정간격 이격된 구간(L)을 수평으로 연결하는 하나의 수평바(51)인 것을 특징으로 하는 아치형 입체 트러스 구조를 이용한 대공간 구조물.
4. 제1항에 있어서, 상기 수직부재(B)는 아치형 입체 트러스 구조물(2)의 상부 정중앙부분에서 수직으로 내려져 수평바(51)에 연결되는 수직바(53)와 상기 수직바(53)의 좌우에서 일정거리 이격되어 설치되는 수직바(52)(54)를 포함하는 것을 특징으로 하는 아치형 입체 트러스 구조를 이용한 대공간 구조물.
5. 제1항에 있어서, 상기 경사부재(C)는 아치형 입체 트러스 구조물(2)의 상부 정중앙부분에서 수직으로 수평바(51)와 연결 설치된 수직바(53) 및 상기 수직바(53)의 좌우에 설치되는 수직바(52)(54) 사이에서 삼각형상을 이루도록 일측은 각 수직바(52)(53)(54)의 상부에 연결되고 타측은 수평바(51)의 중간 연결지점(59a)(59b)에 연결되는 경사바(55, 56, 57, 58)를 포함하는 것을 특징으로 하는 아치형 입체 트러스 구조를 이용한 대공간 구조물.
6. 삭제
7. 제1항에 있어서, 상기 아치형 입체 트러스 구조물(2)의 측면 부분을 지지하는 지지케이블 부재(60)를 포함하는 것을 특징으로 하는 아치형 입체 트러스 구조를 이용한 대공간 구조물.
8. 제7항에 있어서, 상기 지지케이블 부재(60)는 아치형 입체 트러스 구조물(2)의 측면 부분을 외부쪽에서 지지하는 지지케이블(61)을 포함하는 것을 특징으로 하는 아치형 입체 트러스 구조를 이용한 대공간 구조물.
9. 제7항에 있어서, 상기 지지케이블 부재(60)는 아치형 입체 트러스 구조물(2)의 측면 부분을 내부공간쪽에서 지지하는 지지케이블(62)을 포함하는 것을 특징으로 하는 아치형 입체 트러스 구조를 이용한 대공간 구조물.
   

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