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| 김 종 수 | ||
| 대공간 건축물 연구단 연구단장/(주)C.S구조엔지니어링 대표이사 | ||
1. 서론
“보다 넓게”, “보다 환경친화적으로” “상징성을 지닌 최첨단 기술”. 건축물은 이제 단순히 인간의 거주 혹은 집회장소로서의 의미를 벗어나 인간생활 자체의 보다 나은 안락함과 차별성 있는 특별한 상징성을 갖고 싶어 한다. 이러한 변화는 첨단산업을 중심으로 하는 새로운 기술 집약 시대를 맞고 있으며, 여러 첨단산업들 중에서도 초대형 구조물 분야의 기술력 확보는 최근 더욱 중요한 과제로 대두되고 있다.
여러 첨단산업들 중에서도 초대형 구조물 분야, 특히 대공간 건축물 분야의 신기술 개발은 21세기 우리 한국의 기술발전을 위해서는 필수적인 과제이다. 1980년대 중반까지는 건축ㆍ토목 분야의 노동력 중심의 해외 수출이 우리 경제성장의 많은 부분을 차지하였으나, 그 후 임금상승 등 여러 가지 악조건으로 인하여 점차 국제경쟁력을 잃고 있다. 이러한 국제경쟁력 약화의 타개책 및 고용창출과 국내 고급인력 인프라구축에 대한 하나의 시발점으로 건축분야의 최첨단분야인 대공간 건축물의 기술개발이 절실히 요구된다.
이에 본 연구단은 ‘대공간 건축물 건설기술의 국산화 및 고도화’를 최종 목표로서 전국적인 전문가그룹과 중소기업을 주축으로 하는 관련 기업들의 협력을 바탕으로 설계 및 시공에 관한 핵심요소기술의 개발에 매진하고 있으며, 나아가 침체된 국내 건설시장의 활성화에 따른 고용창출과 3%에 머물러 있는 국제건설시장에서의 경쟁력확보로 이어지는 파급효과를 기대하고자 한다.
대공간 건축물의 핵심기술기반 구축을 위한 본 연구단의 연구분야 구성은 다음과 같다.
-구조시스템 개발 및 경제성 분석
-비선형해석 및 구조설계기법 개발
-시공 및 친환경 설계기법 개발
-실용화 방안 연구
각 분야에서 연구된 연구 중점 사항들을 연계하여 최종적 성과물로 300m 스팬의 대공간 건축물 건설기술 실현을 위한 실질적인 기술이 도출될 예정이다. 또한 본 연구단의 연구내용 중 주목 할 사항은 Pilot Project로서, 300m 스팬의 대공간 구조물을 1/10 스케일로 축소한 실제 구조물을 제작하여 시공하는 연구로서, 개발된 요소기술의 실용성 및 성능검증을 목적으로 설계 및 시공 준비가 종료되어 시공을 목전에 두고 있다. Pilot Project는 실험 및 관측을 포함한 연구목적 이외에 연구종료 이후에도 실제 전시시설로 사용될 예정으로, 개폐식 지붕 및 연성구조물 특유의 수려한 디자인 및 기능성을 특징으로 들 수 있다.
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| 본 연구단의 최종목표 | ||
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연구단 조직도 |
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한국예술종합대학의 박선우 교수 연구진은 강성구조시스템, 연성구조시스템 및 하이브리드(Hybrid) 시스템에 관한 구조시스템에 관한 연구를 진행하였다. 특히 사회적 요구가 높은 개폐식 구조 시스템의 축소모델 실험을 통해 대공간 건축물의 최적 구조시스템의 특성을 분석, 정리하였다. 경상대학교의 이상진 교수 연구진은 크기(Size), 형상(Shape), 위상기하(Topology) 및 형태의 생성과 자동화 설계방안을 제시하여 향후 자동화 설계방안의 밑거름을 제공하고 있다.
(재)건설품질연구원이 담당하고 있는 접합부 해석 및 설계 분야에서는 각 시스템, 특히 연성구조 시스템에서 필요로 하는 접합부의 형태해석 및 설계에 적용할 수 있는 다양한 모듈의 접합부에 대한 연구를 수행하고 있다. 연구 성과로서 연성구조물의 주요 구조재로 사용되는 케이블의 초기장력도입 및 재긴장이 가능한 소켓의 개발은 본 연구단의 중요 연구 성과라고 할 수 있다.
대림대 서삼열 교수가 담당하고 있는 대공간 구조 시스템의 경제성 분석은 실용화 입장에서 연구의 가치를 평가하고 포괄적인 분석 및 DB구축을 통해 설계초기단계에서 필요한 중요한 자료를 제공하고 있다.
3. 비선형 해석 및 구조설계기법 개발
대공간구조물은 형태저항구조로서 일반적인 골조와는 달리 대변형 혹은 유한변형을 동반하므로 정적, 동적해석에 관계없이 비선형해석이 요구된다. 비선형 해석 연구에서는 기하학적 비선형 및 재료적 비선형 뿐 아니라 복합비선형해석 방법 등을 통해서 구조물의 거동을 미리 예측할 수 있는 알고리즘을 제공한다. 또한 이러한 해석메커니즘과 더불어 연성구조물의 형상 및 비선형 거동해석을 수반하는 시뮬레이션기법은 타 연구와 더불어 발전해야 양질의 결과를 얻을 수 있다. 세종대 이재홍 교수 연구팀은 강성 및 연성구조에 대한 비선형 해석기법을 개발하였으며, 해당 프로그램의 소프트웨어 등록 등 많은 연구 성과를 도출하고 있다.
구조적 안정 문제는 루마니아 부카레스크돔 사고의 예에서 알 수 있듯이 실제 구조물의 붕괴거동에 해당되는 내용으로, 대공간 건축물에서 구조안정문제를 규명하지 않고는 대형인명피해사고를 유발하는 원인이 된다. 구조적 안정문제를 다루는 데 있어서 크게 정적 불안정 현상과 동적 불안정 현상의 문제로 생각할 수 있으며, 특히 동적 불안정의 문제에 관해 세명대학교의 김승덕 교수 연구진이 상기의 문제를 극복하기 위해 노력하고 있다.
영남대 강주원 교수는 대공간 건축물의 동적거동특성, 하부구조의 거동특성 영향 및 면진구조 시스템에 관한 연구를 진행 중에 있으며, 연구 내용을 토대로 현행 내진설계기준에 부합되며 실무에 직접 도입될 수 있는 대공간구조물의 내진설계지침을 마련하고자 한다.
4. 시공 및 친환경 설계기법 개발
대공간 건축물의 재료 및 시공분야에서는 지붕구조에 일반적으로 사용되는 막, 케이블의 구조성능을 정확히 파악하기 위한 물리적 측정기법을 개발하여 직접 측정, 분석할 뿐 아니라 초강도 신소재를 대공간 건축물에 응용할 수 있는 기법의 개발을 목적으로 한다. 경동대학교 연구팀은 강성 및 연성구조시스템의 최적화된 가설공법(Erection Method)기법을 포함하여 시공해석 및 시공자동화기법개발에 관한 연구를 진행 중에 있으며, 연구 성과로서 휴대용 막장력 측정 장치 개발 등이 있다.
많은 사람들이 모이는 대공간 건축물은 쾌적하고 안전한 설계가 되어야 할 뿐 아니라 환경적 친화요소의 개발과 재해에 대해서도 안전한 형태적 문제를 함께 해결하기 위한 친환경 설계가 필수적이다. 친환경설계는 열환경, 풍환경 및 음환경 분야로 구성되며, 환경친화적 요소와 재난 예방에 대한 관계를 포괄적으로 다루어 진정한 친환경설계 구현을 목적으로 한다.
- 열환경 분야에서는 냉난방 설계기술, 친환경설계기술, 실내 환경 시뮬레이션 기술개발, 방재기술 개발 등을 목표로, 다양한 연구 성과가 발표되고 있다.
- 전북대학교 풍동실험센터에서는 대공간 건축물의 형태에 따른 바람의 특성을 친환경적 차원에서의 적용방법 등을 모색하고, 감쇠율 해석기법개발, 진동모형에 대한 특성 등을 개발하였으며, 개발된 기술은 서울시 서남권 돔 야구장 및 안산돔의 구조설계 및 풍환경 평가에 실제 적용되었다.
- 음환경 분야에서는 음향성능을 검토할 수 있는 시뮬레이션기술을 개발하여 전체음향계획과정을 체계화하고 요소기술의 각 단계별 적용방안을 수립하고 실내음향을 최적화할 수 있는 설계 기법개발을 목표로 현재 설계지침서가 작성 중에 있다.
5. 실용화 방안 연구
대공간 건축물의 설계에 관련된 구조 및 재료에 대한 합리적이고 기술적 오류가 없는 설계 지침을 마련하기 위해서 (사)한국공간구조학회 권택진 교수팀은 국내외의 문헌, 기준, 규격, 지침 분석, 정리하여 국내 실정에 맞는 지침서를 작성하였다. 구체적인 연구 성과로서 케이블 구조 설계기준 및 해설집이 관련학회 및 관련 기관의 공인을 얻어 출판되었으며, 실제 구조물 설계에 직접적으로 적용되고 있다. 또한 스페이스 프레임 및 개폐식 구조에 대한 지침서가 추가로 출간될 예정이다.
한국기술교육대학교 이승재 교수 연구진이 담당하고 있는 유지관리 분야는 대공간 건축물이 완공 된 후 전체구조물에 대한 응력 및 변위를 추적하여 측정할 수 있는 계측제어 시스템 개발을 목적으로 한다. 주요 연구 성과물로서 막장력 측정을 위한 무인로봇이 개발되었으며, 향후 막구조 건축물의 유지관리 및 보수기술 지침(안)이 발간 예정에 있다.
(주)CS구조 엔지니어링의 연구진은 핵심요소기술 적용을 위한 Pilot Project의 설계 및 시공을 담당하고 있으며, 특히 지붕의 개폐부에 적용될 경량 하이브리드부재인 TABS(Tensioning Air Beam System)의 개발에 성공, 3건의 특허를 출원하였다.
6. Pilot Project
파일롯 프로젝트는 300m 경간 대공간 구조물의 건설기술 실현 가능성을 검증하기 위한 30m 경간의 실제 구조물 건축을 목적으로 한다. 설계전략은 구조시스템 선정을 포함한 구조설계방법, 시공방법 및 사후관리 등, 대공간 구조물 구축에 필요한 모든 요소기술을 포함시키는 것을 기본적인 전략으로 하며, 본 프로젝트의 구축 및 경험을 통해, 향후 국내에 건설 될 대공간 구조물의 지표가 될 수 있도록 한다.
본 프로젝트의 적용된 대표적인 핵심요소기술은 다음과 같다.
-케이블 넷 구조: 막과 케이블 구조를 적극적으로 활용
-텐셔닝에어빔 시스템: 지붕구조 중, 개폐부의 경량화를 목적으로 적용
-가설공법: 킬아치 시스템에 따른 리프트 업(Lift up)공법 적용 및 시공 중 안정해석
-개폐식 구조 풍하중 실험: 연성구조물 및 개폐식 구조에 대한 풍하중 산정
-유압식 재긴장 소켓 : 케이블의 시공 후, 장력측정 및 인장력의 재도입 가능
-유지관리 : 막 및 케이블의 시공 후, 장력 측정
-설계기준 : 구조설계에 케이블구조 설계지침서 적용
-음환경 평가 : 막구조물에 대한 음환경 평가 및 실내설계
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Pilot Project 대상구조물의 조감도
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| Pilot Project 대상구조물의 조감도 | ||
지금까지 국내에 건설된 대부분의 대공간 건축물은 해외 선진기술에 대한 의존성이 높았음에도 불구하고 대공간 건축물의 국내기술자립이 힘든 이유는 선진국형 고급핵심기술의 폐쇄된 장벽을 기업차원에서 극복하기 어렵기 때문이고, 전문기술보유의 중소기업 중심의 기반구축이 매우 부족했기 때문이다. 따라서, 국가적 차원에서의 지속적인 지원과 대공간 건축물의 전문성을 보유한 전문 업체 개발 등의 체계적인 정책이 절실히 필요하였다. 국토해양부 첨단도시개발사업의 일환인 대공간 건축물 건설기술 개발에 대한 정부차원의 지원은 상기 문제점의 근본적인 해결에 큰 도움이 될 것으로 기대된다. 본 연구단은 총 6차년도의 연구기간 중 현재 4차년까지 연구를 마친 상태이며, 지금까지 2건의 기술이전 및 10건 이상의 특허출원 등, 실질적인 기술개발성과를 도출하여왔다. 향후 본 연구단의 연구가 성공적으로 수행된다면 대공간 건축물의 국내기술자립음 물론 경제적으로도 1조원 이상의 외화획득효과가 있을 것으로 기대된다.
<정리=서태원기자 taeji@>
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