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문제 정의
- <그림 18, 19>에 나타낸 것처럼 면진장치 사용이 지진하중에 대한 가속도 및 부재력 감소에 매우 효과적인 것을 알 수 있다. 따라서 지붕 구조 설계시 LRB의 속성을 반영하여 지진하중에 대한 안전성을 검토하였다.
제안 방법
- 본 건물은 행사 일정에 맞추어 개관하는 것이 목적이었으므로 공사기간이 20개월로 제한적이었다. Populous와 Buro Happolds에 의해 수행된 콘셉트 설계안(Concept Design)을 기반으로 나온 2011년 Design-build 국제 경쟁입찰에서 초기 설계안에 대하여 발주처에 경제성 확보방안(VE) 제시와 공사일정에 대한 확신을 줌으로 한화컨소시엄이 본 프로젝트를 수주하게 되었다.
- 지반가속도가 구조물을 통과하여 전달될 경우 구조물의 동적 특성에 따라 응답가속도가 감소 또는 증폭될 수 있다. 강성의 차이가 발생할 것으로 예상되는 지붕 지점부(Upper bowl 3개소, Service core 2개소)를 선정하여 지반가속도와 응답가속도를 비교하였다.
- 중력하중과 온도하중에 대한 스탠드의 축변형은 Slot hole을 설치하여 이 하중에 대한 변형을 허용하도록 하였다. 그리고 중력, 온도하중에 의한 허용변형보다 큰 지진력에 대한 변형은 구속하여 스탠드 요소가 지진력 저항 시 다이어프램으로써 역할을 하도록 계획하였다.
- 골조가 횡력에 대하여 25%이상 저항하므로 이중 골조 시스템이 선정하였다. 기둥과 보는 지진력에 대하여 연성 거동 할 수 있도록 특수 모멘트 골조방식으로 설계하였다.
- 본 건물의 경우 낮은 스팬-라이즈 비의 장스팬 돔 구조물이므로 동적 거동 특성을 예측하기 매우 어렵다. 따라서 동적 거동 특성에 따른 사용성과 안전성 확보를 위하여 지진하중에 대한 선형시간이력 해석을 수행하였다. 선형시간이력해석을 위하여 ASCE7-05에서 제시한 MCE(Maximum considered earthquake) 수준의 응답스펙트럼을 이용하여 3개의 인공 지진파를 생성하였다.
- 면진장치의 효과를 확인하기 위하여 변위가 가장 큰 중앙부의 임의의 위치를 선정하여 면진장치 유무에 따른 응답 가속도와 부재력을 비교하였다. <그림 18, 19>에 나타낸 것처럼 면진장치 사용이 지진하중에 대한 가속도 및 부재력 감소에 매우 효과적인 것을 알 수 있다.
- 상하부 강성과 강도의 불일치 등으로 인하여 충분한 비탄성 변형능력을 기대할 수 없기 때문에 구조물의 설계는 초과강도계수(Over-strength factor)를 적용하여 증폭된 지진하중에 대하여 설계하였다. 적용된 초과강도계수는 NSCP에서 제시하는 특수중심가새골조(Ω=2.
- 스탠드의 평면이 방사형으로 되어 있어 내측에 위치한 Lower bowl(하부 스탠드)는 기둥 모듈이 짧아 철근 콘크리트조로 계획되었다. 이 구조물의 횡력 시스템은 이중골조 시스템(특수모멘트골조)을 적용하였다. 구조해석 결과 지진하중에 의한 전단력은 골조(기둥과 보)가 약 43%, 전단벽은 57%를 저항한다.
- 선형시간이력해석을 위하여 ASCE7-05에서 제시한 MCE(Maximum considered earthquake) 수준의 응답스펙트럼을 이용하여 3개의 인공 지진파를 생성하였다. 이렇게 생성된 지진파를 2/3 수준으로 Scale down하여 DBE(Design based earthquake) 수준으로 설계에 반영하였다.
- 이와 같이 하부 구조물에 의한 지진력 증폭에 의한 영향을 최소화하기 위하여 지붕 면진시스템을 적용하였다.
- 이후 Fast-track으로 설계 및 시공이 단시간에 함께 이루어졌으며 CS구조엔지니어링은 해안건축과 협업하여 SD, DD, CD단계 구조설계 진행, 현장지원, Erection Engineering을 진행하였다.
- 필리핀 아레나는 총 4가지 주요 구조물로 분리된다. 지붕 구조물, Upper bowl(상부 스탠드), Lower bowl(하부 스탠드), Service core이며 지붕 구조물과 나머지 세 부분은 면진장치를 배치하여 하부 구조물과 분리거동 하도록 계획하였다. 지붕 구조물과 Upper bowl은 철골 구조물이며 Lower bowl과 Service core는 철근 콘크리트 구조물이다.
- 지붕 구조물의 비선형 거동을 알아보기 위하여 텐션 트러스의 유무에 따른 거동을 비교하였다.
- 지붕 설계 풍하중은 각 구역별 풍동실험의 결과를 반영하였으며 기준에 의한 풍하중보다 실험 결과가 작은 경우 기준에서 제시하는 바와 같이 기준 풍하중의 80%로 적용하였다.
- 필리핀 마닐라는 태풍의 영향권에 있기 때문에 지붕에 작용하는 적정한 풍하중을 판단하기 위하여 호주의 풍동실험 업체인 Windtech에서 풍동실험을 수행하였다. 지붕을 구성하고 있는 돔 구조물을 각각 42개의 구역으로 나누어 해당 구간의 작용하는 풍압을 측정하였다.
- 필리핀 마닐라는 태풍의 영향권에 있기 때문에 지붕에 작용하는 적정한 풍하중을 판단하기 위하여 호주의 풍동실험 업체인 Windtech에서 풍동실험을 수행하였다. 지붕을 구성하고 있는 돔 구조물을 각각 42개의 구역으로 나누어 해당 구간의 작용하는 풍압을 측정하였다.
- 또한 강성구조로서도 경제적으로 장스팬을 구현할 수 있는 시스템들이 있으나, 형태적으로 요구조건을 만족해야만 구현이 가능하다. 필리핀 아레나의 지붕은 설계조건(Metal cladding, 낮은 스팬-라이즈 비) 등을 만족하면서 180m의 장스팬을 구현할 수 있는 스페이스 프레임으로 설계되었다.
대상 데이터
- 본 건물은 필리핀 제2의 종교단체인 Iglesia Ni Cristo의 2014년 7월 100주년 기념행사 개최를 위해 기획된 프로젝트로서 필리핀의 수도인 마닐라 북서쪽 약 25km지점에 위치하고 있다. 하부 구조는 243m × 193m 50,000석 규모이며, 지붕 구조는 227m × 179m의 스페이스 프레임(Space frame) 돔 구조물로 실내 집회 및 공연시설로써 세계 최대 규모이다.
- 본 건물의 경우 면진장치로 LRB(Lead rubber bearing, 납면진받침)를 적용하였다. LRB는 고무로 둘러쌓인 납의 강성이 하중의 시간적 특성에 따라 다르게 작용하는 특징을 갖고 있다.
데이터처리
- 따라서 대공간 구조물의 안정성 확보를 위해서 기하학적 비선형 해석 및 재료적 비선형 해석을 통한 검토가 반드시 필요하다. 지붕 구조의 안정성 검토를 위해 범용 유한요소 해석 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 재료 및 기하 비선형 해석을 수행하였다.
이론/모형
- Upper bowl은 설계기준에서 분류하는 일반적인 지진력 저항 시스템을 적용하기 어려우나 구조물 스스로의 형상이 갖는 큰 강성으로 인하여 지진하중을 저항할 수 있을 것으로 판단하였다. 따라서 지진하중에 대한 구조물의 저항 성능과 구조물의 안전성 확인을 위하여 Push-over 해석을 수행하였다.
- 따라서 동적 거동 특성에 따른 사용성과 안전성 확보를 위하여 지진하중에 대한 선형시간이력 해석을 수행하였다. 선형시간이력해석을 위하여 ASCE7-05에서 제시한 MCE(Maximum considered earthquake) 수준의 응답스펙트럼을 이용하여 3개의 인공 지진파를 생성하였다. 이렇게 생성된 지진파를 2/3 수준으로 Scale down하여 DBE(Design based earthquake) 수준으로 설계에 반영하였다.
성능/효과
- 이 구조물의 횡력 시스템은 이중골조 시스템(특수모멘트골조)을 적용하였다. 구조해석 결과 지진하중에 의한 전단력은 골조(기둥과 보)가 약 43%, 전단벽은 57%를 저항한다. 골조가 횡력에 대하여 25%이상 저항하므로 이중 골조 시스템이 선정하였다.
- 본 건물은 대체적으로 단주기의 특성을 가지므로 지붕지점부의 응답 가속도가 지반가속도 대비 2~4배까지 증폭되는 결과를 나타냈다.
- 필리핀 아레나는 2014년 5월 안전하게 공사가 완료되었다. 본 프로젝트는 세계 최대의 아레나로 국내의 높은 기술력을 바탕으로 설계한 좋은 사례라고 할 수 있다. 당사는 필리핀 아레나의 구조 설계 뿐만아니라 지붕 구조물 설치를 위한 Erection engineering과 시공 중 계측을 통한 SHM(Structural Health Monitoring) 등 복합적인 엔지니어링을 수행하였다.
- 풍동실험 결과 외부 캔틸레버 구간을 제외한 내부 구간은 기준에 의한 풍하중과 유사하거나 하회하는 수준이었다.
후속연구
- 당사는 필리핀 아레나의 구조 설계 뿐만아니라 지붕 구조물 설치를 위한 Erection engineering과 시공 중 계측을 통한 SHM(Structural Health Monitoring) 등 복합적인 엔지니어링을 수행하였다. 이러한 경험은 국내 대공간 구조물의 설계 역량을 향상시키는 데 많은 도움을 줄 것으로 기대된다.
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