광명 돔 구조, 대공간 건축구조, 돔 구조 설계

건축 구조개요

지붕 구조의 종류인 돔 구조를 활용하여 광명 돔을 계획하였습니다. 광명 돔을 설명하기 앞서 돔 구조 설계에 대해서 알아보겠습니다. 

1) 시공을 고려한 구조계획으로 시공의 난이도는 시공품질과 직접적 연관을 가집니다.

2) SNAPPING 

1. 돔구조물의 비선형 구조거동 특성

• 면외방향 외력을 면내력으로 저항 가능케 한 Shell형 구조물
• 형태 저항형 구조이므로 가볍고 얇게 대공간 구축 가능
• 응력, 변형 해석+비선형 불안정 Snapping 검토가 필수

2. 구조 불안정에 의한 파괴 매니커즘 검토 : Snapping 현상

• 1963년 루마니아 부카레스트 돔의 붕괴로 Snapping의 중요성 인지
• 돔의 Rise-span비, 두께 등 기하학적 특성에 따른 다양한 불안정 현상에 의해 붕괴 메커니즘 발생
• Snapping의 분류 - 대칭 붕괴 : Snap-through,  -비대칭 붕괴 : Couplingg에 의한 Bifurcation

3. 비선형 구조 불안정 해석

• 대변형 이론을 이용한 비선형 강성방정식에 의한 구조불안정 검토
• 불안정 거동 분류 - 비선형 해석 수행 - 강성 및 고유치 확인 - 불안정 임계하중 판정

-돔 구조 설계 : SNAPPING 자유 절점 트러스를 이용한 Snapping 거동 분석

5. 초기 불완전에 의한 민감도 비교

6. 소결 : 돔의 기하학적 형상에 따라 다양한 비선형 불안정 거동출현

• 얕은 쉘형 돔 : Snap-through
• 높은 쉘형 돔 : Bifurcation

• Bifuraction에 의한 임계하중은 구조물의 형상 및 초기 불완전에 민감히 반응하며 현저히 저하
• Snapping현상의 파악 및 임계하중 점검은 돔형 구조물의 붕괴 예방을 위해 필수적임

7. 지붕의 Snapping 거동해석

구조개요 -2

1) 개요 : 하부에 인장 링 상부의 압축 링을 형성한 후, 이를 FLOW TRUS로 연결하고 대각부재로 SHELL ACTION을 유도하여 트러스의 간격을 확장

2) 건축미의 표현 : 유선형 돔의 이미지 표현, 내부에서 트러스 하현재의 생락으로 인한 공간감 표현

3) 시공성 & 경제적 : 힘의 흐름에 따른 적절한 FLOW TRUSS의 분배장 단변의 FLOW TRUSS가 동일한 곡률을 가지게 함으로써 부재의 규격화를 통해 균일한 시공 품질 확보 가능

4) 투시도 & 구조해석

결과 : 구조설계에 기본방침, 건축적 요구의 수용, 시공성, 경제성 등의 평가를 통해 FLOW TRUSS DOME을 지붕 구조시스템으로 선정 곡선형 청장을 FLOW SHELL에 표현합니다.

지붕구조의 개념

                                                   <지붕구성부재>                                                          <지붕구조형상개념> 

Compressing Ring / Inner Grid  : 압축에 저항,     Tension Ring : 인장력에 저항 

- 지붕 구조 시스템 :&nbsp; FLOW&nbsp; TRUSS DOME

외부하중에 대해 내부 압축링, 트러스와 방사형으로 형성된 Flow Truss, Flow shell의 Shell의 Shell Action으로 저항하고, 이렇게 외부로 펄쳐 나가는 하중에 대해 인장림, 트럼스가 지지하여 돔을 형성하는 트러스의 강성으로 전체 지붕이 지지되는 시스템.

인장링 트러스를 수직방향으로만 지지 시키고 수평방향에 대해서는 인장링 트러스가 가지는 강성에 의한 변위를 허용, 온도 변화가 구조물에 끼치는 영향을 최소화 할 수 있는 시스템.

지붕 구조는 크게 Flow Truss, 압축링 트러스(Compre-ssion Ring Truss), 인장링 트러스(Tension Ring Truss), Flow shell, inner Grid 등으로 형성되어 있다. 이 중 Flow Truss는 구조 시스템의 중심에 있는 부재로서 역삼각형의 단면으로 형성. 인장링, 트러스 하부에는 수직 방향의 지지점을 형성 시키고 수평방향으로는 변위를 허용하기 위해 탄성 받침을 사용합니다.

탄성받침은 한쪽 방향으로만 이동을 허용, 직각 방향의 변위는 구속하여 횡력에 대한 전체적인 지붕의 안정성을 확보합니다.

공법

공법의 종류 

첫 번째 : 기존의 재래식 방법 - 지붕하부에 가설지주를 설치하고 지붕 높이 레벨에 가설구조대를 설치한 후 가설구대 상부에서 철골지붕의 부재를 하나씩 재래식으로 조립하는 방법

두 번째 : Lift - up 공법 

광명 경륜동 프로젝트에서 채택된 시공 방법으로 지상에서 지붕을 조립하고 유압 잭으로 Lifting한 후 소정의 위치에 설치하는 방법

시공단계

1. 압축링을 포함한 Inner dome 설치
2.  Innerdone의 Lift - up
3. 인장링 설치
4. 풀로우 트러스 설치

시공단계 ( STAGE 2-5 : Lift - up 공법 )

STAGE1 : 최종 트러스의 상태를 고려하여 Inner Dome (CR+IG)을 가설대(리프트 프레임) 위에서 제작 및 설치

STAGE2 : ⓐJacking Tower 설치 ⓑStrand Jack 설치 및 리프트 프레임에 연결 ⓒBack Tie 80톤 연장 ⓓ 정지시 사용 될 Bumper설치

STAGE3 : 리프트할 지붕구조물 지점부 위치확인, 리프트 설비 검토, 위치 확인시 문제가 있으면, Jack에 의한 조정

STAGE4 : ⓐ테스트 리프트 (지상10cm) ⓑ1차 리프트 (지상4m), 수직 리프트 허용오차 ±25mm, ⓒcatwalk 설치

STAGE5 : ⓐ최종 레벨(지상 39m)까지 2차 리프팅 ⓑ Inner Dome의  위치 검측 및 보정

STAGE6 : ⓐSupport Tower ( Inner Dome의 Seating 용) 설치

STAGE7 : ⓐ설치된 베어링 ( 탄성 받침) 검측 ⓑTension Ring 설치

STAGE8 : ⓐ최종 지붕 위치에 맞추어 Support Tower의 상단부 조정 Ⓑ설치된 Support Tower에 Inner Dome을 Seating ( Jacking Down )

STAGE9 : ⓐJack Strand의 인장 제거 ⓑJacking Tower의 상부3단 제거

STAGE10 : 플로우 트러스 설치

 

-ERECTION 순서

1) Inner roof 지상조립 , 2) Jacking Tower ,  3) inner roof의 Lifting,  4) support tower의 조립

5) Inner roof의 설치 , 6) Tensin ring, flow truss의 설치, 7)지붕설치 및 Jack down,  8) 지붕자립 및 Support tower의 해제

-Lift - up 공법

장 / 단점

장점 : 지상에서 주요 구조체를 조립하므로 시공성이 향상, 품질관리가 용이하고 공기 단축 가능

단점 : Jack 등 특수 장비를 사용하므로 시공의 정밀도와 계측이 필요, Jacking용 가설이 요구 (비용)

광명 경륜 돔 Lift – up 공법

1) 현장 배치

내부 Inner Dome (CR + Ig)은 최종 상태를 고려하여, 즉, 건축적인 고려로 1.5m 기울어진 상태로 10개의 리프트 (#1~#10)에 놓여진 상태에서 제작 설치되었다. 리프트 프레임을 들어 올릴 Jack Strand가 설치된 6개의 Jacking Tower (#1 ~ #6)를 배치 Lift – up 은 6개 지점에서 이루어 지며, Lifting이 완료된 후, Inner Dome을 최종 위치에 Seating 하게 될 10개의 Support Tower가 하부에 설치.

2) Jacking Tower 설치

그림 4와 같이 Jacking Tower의 전면 상부에는 185ton 용량의 유압 Jack (PSC)을 설치하고, 각 유압 Jack에는 지름 18mm의 Strand (38Tonf)를 12가닥 사용하고, 후면에는 PL 20 x 250 (SM490)의 평강 부재를 80 Tonf로 인장 (Pre-Tension) 하여 Back – Tie로 사용. Back – Tie는 리프팅 하중에 대한 반작용 (Reaction)으로 상쇄 역할을 수행 할 뿐만 아니라, 리프팅에 따른 타워의 변위 제어를 수행하여, Lifting시 구조적으로 가장 중요한 부재로 간주된다. 따라서, 부재 및 접합부 설계에 대하여도 여러 차례 구조 검토를 수행하여, Back-Tie의 인장력 적정성 여부 등에 대하여 재검토하였다. 또한, 부재 접합상태, 정착 부위 용접 상태 등 시공 및 품질 관리에도 상당한 주의를 기울였다.

- MONITORING

1)Monitoring의 목적 : 광명 경륜 돔 구장 건설 공사에 따른 구조적인 안전성 확보 및 고품질시공을 위해 시공단계별로 주요 부재 및 Jacking Tower 기초의 거동 특성을 실시간으로 관찰하여 그 안전성을 체크하였다.

2)계측 개요계측 항목은 형식과 제원, 하중조건 등에 따라 결정되므로 공사의 안전성과 경제성을 도모하는 한편 대상 구조물의 구조적인 거동과 계측시스템의 목적,계측방법, 관리방법 등을 고려하여 선정하였다.

  (1)구조물의 응력 측정 : 구조물의 대표단면을 선정하여 부재의 응력 변화량을 계측하는 것으로 지붕 돔의 Lifting시 및 잭다운시 주요부재의 응력을 체크하여 구조물 전체의 거동을 파악하므로써 대공간 부재의 시공시 안전성 확보를 도모하였다.

  (2)가설 구조물의 침하 측정 : Jacking Tower의 기초 침하를 계측하는 것으로서 대공간 구조물의 Lifting시 Jacking Tower 에 걸리는 하중을 지반에 전달하는 기초에 부등 침하가 발생한다면 구조물 전체의 안전에 심각한 영향을 미치게 되므로 Lifting시 실시간으로 Jacking Tower  기초의 부등변위량을 체크하였다.

3)센서 수량 및 계측 내용 : 센서 수량과 계측 내용은 아래 표 및 사진과 같다. 돔 구장 상부 구조물에 설치된 변형률계와 Jacking Tower 기초에 설치된 경사계를 자동 계측기에 연결하여 시공 중 임시  계측실까지 Data Cable을 포설, 시공 중 계측을 실시하여 구조물의 응력변화, Tower기초의 침하를 자동적, 객관적으로 감시하는 시스템을 구축하여 운영하였다.