[논문]개폐식 방사형 케이블 지붕 시스템의 역학적 특성

박강근; 이동우; 최동일

doi:10.9712/kass.2017.17.2.021

[국내논문] 개폐식 방사형 케이블 지붕 시스템의 역학적 특성
Mechanical Characteristics of Retractable Radial Cable Roof Systems 원문보기

한국공간구조학회논문집 = Journal of the Korean Association for Spatial Structures, v.17 no.2, 2017년, pp.21 - 32

박강근 ((주)아이스트 기술연구소) , 이동우 ((주)아이스트) , 최동일 (인천도시공사)

Abstract ▼ AI-Helper

The objective of this study is to analysis the mechanical characteristics on the geometric nonlinear behavior of radial cable roof systems for long span retractable cable roof structures. The retractable roof is designed as a full control system to overcome extreme outdoor environments such as extreme hot or cold weather, strong wind or sunlight, and the cable roof greatly can reduce roof weight compared to other rigid structural system. A retractable cable roof system is a type of structures in which the part of entire roof can be opened and closed. The radial cable roof is an effective structural system for large span retractable roofs, the outer perimeter of the roof is a fixed membrane roof and the middle part is a roof that can be opened and closed. The double arrangement cables of a radial cable truss roof system with reverse curvature works more effectively as a load bearing cables, the cable system can carry vertical load in up and downward direction. In this paper, to analyze the mechanical characteristics of a radial cable roof system with central posts, the authors will investigate the tensile forces of bearing cables, stabilized cables, ring cables, and the deflection of roof according to the height of the post or hub that affects the sag ratio of cable truss. The tensile forces of the cables and the deflection of the roof are compared for the cases when the retractable roof is closed and opened.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 100m 스팬 및 200m 스팬의 방사형 케이블 지붕 시스템과 케이블 스포크 휠 지붕 시스템의 역학적 특성에 대해서 연구를 수행하였다. 지붕의 중앙부 포스트 높이에 의해서 결정되는 지붕의 경사에 의한 케이블 트러스의 새그 비를 고려한 지붕의 변형, 방사형으로 설치된 케이블들의 인장력, 링 케이블의 인장력, 지붕 포스트의 압축력에 대한 기하학적 비선형 해석을 수행하여 전체 지붕의 역학적 특성을 분석하였다.
본 연구에서는 구조적으로 안정적이며 강성의 확보가 용이한 장스팬 경량 개폐식 구조물에 사용할 수 있는 방사형 케이블 지붕의 구조시스템을 제안한다. 초기장력, 중앙부 허브의 높이 등에 대한 영향을 고려한 기하학적 비선형해석을 수행하여 제안된 시스템의 역학적 특성 및 구조적 거동을 분석하고자 한다.
본 해석에서는 200m 스팬의 80개의 케이블 트러스로 구성된 스포크 휠 지붕 시스템에 대한 비선형 해석을 수행하고, 역학적 특성을 분석하기 위해서 등분포 하중을 변환한 절점하중에 대한 지붕의 처짐, 케이블의 인장력, 중앙부 허브 포스트의 압축력 등을 분석하고자 한다. 케이블 지붕의 주변에 원형으로 설치된 링에는 케이블의 인장력에 의해서 압축이 발생하므로 압축링이라 부른다.
100m 및 200m 스팬의 방사형 지붕 시스템과 스포크 휠 시스템을 비교하고, 제안된 케이블 지붕 시스템에 대한 지붕의 처짐, 안정 케이블의 인장력, 내력 케이블의 인장력, 중앙부 포스트의 압축력 등을 비교 및 분석한 연구를 수행하고자 한다. 지붕의 경사도와 케이블의 새그 비에 영향을 미치는 지붕의 중앙부 포스트의 높이에 따른 전체지붕의 역학적 특성에 대해서 중점적으로 연구를 한다.

제안 방법

초기장력, 중앙부 허브의 높이 등에 대한 영향을 고려한 기하학적 비선형해석을 수행하여 제안된 시스템의 역학적 특성 및 구조적 거동을 분석하고자 한다. 100m 및 200m 스팬의 방사형 지붕 시스템과 스포크 휠 시스템을 비교하고, 제안된 케이블 지붕 시스템에 대한 지붕의 처짐, 안정 케이블의 인장력, 내력 케이블의 인장력, 중앙부 포스트의 압축력 등을 비교 및 분석한 연구를 수행하고자 한다. 지붕의 경사도와 케이블의 새그 비에 영향을 미치는 지붕의 중앙부 포스트의 높이에 따른 전체지붕의 역학적 특성에 대해서 중점적으로 연구를 한다.
지붕이 닫혀 있을 때 지붕전체에 등분포 하중이 작용하는 경우와 지붕이 열렸을 때에 지붕의 외주부에만 하중이 작용하는 경우에 대한 처짐 및 인장력을 비교하였다. [Fig. 26~29]는 100m 스팬의 방사형 지붕 시스템에 대한 비선형 해석 결과에 대한 처짐, 케이블의 인장력, 들림 포스트의 압축력 등을 닫힌 상태와 열린 상태의 경우에 대해서 분석 및 비교를 하였다. [Fig.
연성구조물의 비선형 해석 시에는 해석 모델을 단순화 시켜야만 해석결과의 정밀도와 신뢰성을 높일 수 있고 예측 불가능한 반복 증분 해석시간을 단축시킬 수 있다. 기하학적 비선형 해석 시 압축링의 변형에 의해서 케이블 시스템에 미치는 영향을 무시하기 위해서 케이블과 압축링이 만나는 부분에 회전 지점을 설정하였다. 지붕 중앙부 허브의 높이에 의한 스포크 휠 지붕의 처짐 및 케이블의 인장력을 분석하였다[Fig.
방사형 케이블 지붕 시스템의 지붕 중앙부 링 케이블에 설치된 들림 포스트의 높이에 따라서 달라지는 역학적 특성을 분석하였다. 지붕의 들림 포스트의 높이가 높아지면 지붕의 처짐 및 내력 케이블의 인장력이 감소하였고, 포스트의 압축력은 증가하였다.
본 해석에서는 200m 스팬의 80개의 케이블 트러스로 구성된 방사형 케이블 지붕 시스템에 대한 기하학적 비선형 해석을 수행하고, 역학적 특성을 분석하기 위해서 등분포 하중에 대한 지붕의 처짐, 케이블의 인장력, 지붕 포스트의 압축력 등을 분석하였다[Fig. 10~15].
본 해석모델은 100m 스팬 지붕에 40개의 케이블 트러스를 설치한 스포크 휠 지붕 시스템이다. 역학적 특성을 분석하기 위해서 등분포 하중에 대한 케이블 스포크 휠 지붕의 처짐, 케이블의 인장력, 포스트의 압축력 등을 분석하였다. 지붕 주변 원형 압축링의 영향을 무시하기 위해서 케이블과 압축링이 만나는 위치에서 회전지점으로 하였다[Fig.
역학적 특성을 분석하기 위해서 등분포 하중에 대한 케이블 스포크 휠 지붕의 처짐, 케이블의 인장력, 포스트의 압축력 등을 분석하였다. 지붕 주변 원형 압축링의 영향을 무시하기 위해서 케이블과 압축링이 만나는 위치에서 회전지점으로 하였다[Fig. 16].
기하학적 비선형 해석 시 압축링의 변형에 의해서 케이블 시스템에 미치는 영향을 무시하기 위해서 케이블과 압축링이 만나는 부분에 회전 지점을 설정하였다. 지붕 중앙부 허브의 높이에 의한 스포크 휠 지붕의 처짐 및 케이블의 인장력을 분석하였다[Fig. 21~25]
방사형 케이블 지붕 시스템은 지붕 중앙부에 여러 개의 들림 포스트를 중심으로 연직하중에 효과적인 하부 내력 케이블, 지붕의 들림에 저항하는 상부 안정 케이블, 내력 케이블과 안정 케이블을 연결하여 트러스 거동을 하게 하는 브레이싱 케이블이 중앙부 포스트를 중심으로 방사형으로 설치된다. 지붕 포스트의 높이, 작용 하중의 크기에 따라서 발생하는 지붕의 처짐 및 케이블의 인장력, 중앙부 포스트의 압축력 등을 분석하고자 한다. 케이블 지붕의 반경은 50m이고 방사형 케이블의 개수는 40개이다.
케이블 지붕의 반경은 50m이고 방사형 케이블의 개수는 40개이다. 지붕의 외피 막은 하부 내력 케이블에 설치되므로 작용하중은 내력 케이블에 연직방향의 절점하중을 작용시켜 기하학적 비선형해석을 수행하였다[Fig. 3~9].
본 연구에서는 100m 스팬 및 200m 스팬의 방사형 케이블 지붕 시스템과 케이블 스포크 휠 지붕 시스템의 역학적 특성에 대해서 연구를 수행하였다. 지붕의 중앙부 포스트 높이에 의해서 결정되는 지붕의 경사에 의한 케이블 트러스의 새그 비를 고려한 지붕의 변형, 방사형으로 설치된 케이블들의 인장력, 링 케이블의 인장력, 지붕 포스트의 압축력에 대한 기하학적 비선형 해석을 수행하여 전체 지붕의 역학적 특성을 분석하였다.
지붕의 들림 포스트의 높이가 높아지면 지붕의 처짐 및 내력 케이블의 인장력이 감소하였고, 포스트의 압축력은 증가하였다. 지붕이 닫혀 있을 때 지붕전체에 등분포 하중이 작용하는 경우와 지붕이 열렸을 때에 지붕의 외주부에만 하중이 작용하는 경우에 대한 처짐 및 인장력을 비교하였다. [Fig.
본 연구에서는 구조적으로 안정적이며 강성의 확보가 용이한 장스팬 경량 개폐식 구조물에 사용할 수 있는 방사형 케이블 지붕의 구조시스템을 제안한다. 초기장력, 중앙부 허브의 높이 등에 대한 영향을 고려한 기하학적 비선형해석을 수행하여 제안된 시스템의 역학적 특성 및 구조적 거동을 분석하고자 한다. 100m 및 200m 스팬의 방사형 지붕 시스템과 스포크 휠 시스템을 비교하고, 제안된 케이블 지붕 시스템에 대한 지붕의 처짐, 안정 케이블의 인장력, 내력 케이블의 인장력, 중앙부 포스트의 압축력 등을 비교 및 분석한 연구를 수행하고자 한다.

대상 데이터

본 해석모델은 100m 스팬 지붕에 40개의 케이블 트러스를 설치한 스포크 휠 지붕 시스템이다. 역학적 특성을 분석하기 위해서 등분포 하중에 대한 케이블 스포크 휠 지붕의 처짐, 케이블의 인장력, 포스트의 압축력 등을 분석하였다.

성능/효과

1) 방사형 케이블 지붕 시스템은 내력 케이블과 안정 케이블이 역방향으로 구성되고 지붕 포스트에 의해서 지붕의 경사가 조절된다. 포스트를 연결하는링 케이블의 인장력에 의해서 전체 지붕이 위로 들어 올려져 안정된 구조 시스템을 이룬다.
3) 전체 지붕에 대한 기하학적 비선형 해석의 결과에서 지붕의 처짐, 내력 케이블의 인장력, 중앙부 포스트의 압축력은 등분포 하중을 케이블에 작용하는 절점하중으로 변환된 절점하중의 크기 비에 따라서 거의 비례적으로 증가하였다.
4) 전체 지붕의 경사도와 중앙부 허브의 포스트 높이와 관련이 있는 지붕의 스팬에 대한 높이의 비, 즉 새그 비가 클수록 내력 케이블의 인장력은 감소하였고, 지붕 중앙부의 포스의 압축력은 거의 비례적으로 증가하였다.
5) 케이블 스포크 휠 지붕 시스템이 방사형 케이블 시스템보다 연직하중에 대한 전체지붕의 변형이 작았다. 또한 인장력도 훨씬 작은 값으로 주어지므로 케이블의 직경을 줄일 수 있다.
30]에서 지붕의 들림 포스트의 높이가 높을수록 처짐이 감소하였다. 내력 케이블 및 링 케이블의 인장력에 대한 비교에서도 지붕 포스트의 높이가 높을수록 인장력이 감소하였고, 포스트의 압축력은 증가하였다. 지붕의 닫힌 상태와 열린 상태에 대한 해석 결과에서 곡선의 변화가 유사하게 나타났다.
9]는 지붕 포스트들의 압축력을 나타낸 것이다. 중앙부 포스트의 높이가 높을수록 내력 케이블 및 안정 케이블의 인장력도 감소하였고, 압축력은 높이에 비례하여 증가하였다[Fig. 6~9].
방사형 케이블 지붕 시스템의 지붕 중앙부 링 케이블에 설치된 들림 포스트의 높이에 따라서 달라지는 역학적 특성을 분석하였다. 지붕의 들림 포스트의 높이가 높아지면 지붕의 처짐 및 내력 케이블의 인장력이 감소하였고, 포스트의 압축력은 증가하였다. 지붕이 닫혀 있을 때 지붕전체에 등분포 하중이 작용하는 경우와 지붕이 열렸을 때에 지붕의 외주부에만 하중이 작용하는 경우에 대한 처짐 및 인장력을 비교하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	방사형 지붕의 구조설계시 고려해야할 중요한 요인은 무엇인가?	이러한 방사형 케이블 시스템은 장스팬이고 외부 하중에 대한 변형이 크기 때문에 지붕의 새그비와 초기장력의 크기에 따른 역학적 특성에 대한 분석이 매우 중요하다. 지붕의 스팬에 따른 적정한 트러스의 개수와 중앙부의 허브 높이의 결정이 방사형 지붕의 구조설계 시 고려해야할 중요한 요인이다. 방사형 케이블 개폐식 지붕 시스템은 지붕의 외주부는 고정막 지붕으로 하고, 중앙부는 열고 닫을 수 있는 개폐식으로 하여 외부의 기후조건에 능동적으로 적응할 수 있는 지붕 시스템이다.
	방사형 케이블 지붕 시스템이란 무엇인가?	방사형 케이블 지붕 시스템은 중앙부 허브를 중심으로 내력 케이블과 안정 케이블이 방사 방향으로 역방향 곡률을 이루어 매우 가볍고 안정된 지붕 시스템이다. 방사형 케이블 지붕 시스템에서 각각의 케이블의 인장력을 지지하는 역할을 하는 외부 링과 자기 평형을 이룬다.
	일반 방사형 케이블 시스템 대비 스포크 휠 케이블 지붕 시스템의 장점은?	스포크 휠 케이블 지붕 시스템은 자전거 바퀴의 시스템을 모방한 케이블 지붕 시스템이다. 일반 방사형 케이블 시스템보다 구조적으로 유리하고 시스템도 단순하여 역학적인 장점이 많다. 방사형 케이블 시스템에 비해서 변형이 작고 개폐식 지붕의 필요한 경사를 만들기가 매우 용이하다.

참고문헌 (9)

Midas Programming, MidasIT, 2016
NISA Programming, Crane Software, 2015
Design Standard of Cable Structures, Korean Association for Spatial Structures, 2009
K.G. Park, S.J. Lee, D.W. Lee, "A Study on the Structural System of Flexible Large Span Spatial Roofs Using Steel Cables," Journal of The Residential Environment Institute of Korea, 2015.12, Vol.13(No.4), pp.393-404
K.G. Park, D.W. Lee, "A Study on the Nature Inspiration Design of Eco-friendly Spatial Buildings", Journal of The Residential Environment Institute of Korea, 2016. 6, Vol.13(No.5), pp.1-29
K.G. Park, D.W. Lee, "Mechanical Characteristics of Cable Truss Roof Systems," Journal of Korean Association for Spatial Structures, 2016. 6, pp.89-96
K.G. Park, D.W. Lee, "Mechanical Behavior of Cable Net Structures Considering Sag Ratio," Journal of Korean Association for Spatial Structures, 2016. 9, pp.47-58
K.G. Park, D.W. Lee, T.J. Kwun, "Mechanical Characteristics of Large Span Spoke Wheel System", International Association for Spatial Structures(IASS), N. 1341, 2016. 9
K.G. Park, D.W. Lee, S.J. Lee, "A Nature Inspired Design Philosophy of Spatial Structures", International Association for Spatial Structures(IASS), N. 1342, 2016. 9

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