본 논문은 광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 대공간 구조물의 실시간 모니터링을 설명하였고, 외부 외력 작용시에 대공간 구조물의 요소인 막이나 케이블의 변형을 계측하는데 광섬유 브래그 격자 센서가 매우 적합하다는 점을 검증하고 있다. 이와 함께 대공간 구조물에 광섬유 브래그 격자 센서를 이용하여 변형을 모니터링하는 실험을 실시하였다. 장스팬의 대공간 구조물을 모니터링하기 위하여 많은 요소를 계측할 수 있는 장비가 필요하다. 실험의 결과로 광섬유 브래그 격자 센서는 외력 작용시에 정확한 계측을 보여주었다. 그러므로 대공간 구조물의 변형율을 계산할 수 있고 실시간 모니터링이 가능하다.
인간의 생활이 날로 윤택해지고 다양화되며 과학기술이 발달됨에 따라 쾌적하고 거대한 공간에 대한 요구가 커져 가고 있다. 이러한 대공간의 종류에는 종교건축 집회장, 공항 터미널, 역사, 스포츠 시설(실내 체육관, 수영장 등), 공연장, 호텔 등의 대 연회장, 사무소건물 등의 아트리움, 공장 등이 있으며, 우리나라에서도 이미 여러 곳에 대공간의 건물이 건립되었고 앞으로도 보다 많은 대공간의 건립이 예상되고 있다.
본 연구에서는 대공간을 동계 및 하계로 구분하여 실내온열환경의 변화를 실측하고 냉 난방조건과 관련하여 대공간에서 형성되는 실내온열환경의 특성을 파악하는 것을 목적으로 하여, 대공간의 수직 및 수평온도분포, 객석온도분포, 실내표면온도분포, 실내온열쾌적성 등의 실내온열환경을 검토하였다.
본 연구에서는 기존 대공간의 냉방시에 발생될 수 있는 분포상의 문제점을 실측실험을 통해 확인하여, 궁극적으로는 대공간의 열환경 개선과 효율적인 냉방설계를 위한 기초데이터를 제시하고자 하였다. 본 연구에서는 인체부하 미고려시의 하계 대공간의 실내온열환경 실측실험을 실시하여 공간내 수평 및 상하온도분포특성, 취출기류의 거동특성, 실내쾌적온열환경 특성, 환기량 평가 등 대공간의 하계 실내온열환경을 포괄적으로 검토하였다.
대공간 구조물은 형태에 따라 구조물의 설계와 시공에 미치는 영향이 크기 때문에 초기 단계에서의 최적형태 설계가 중요하다. 그러나 기존의 대공간 구조물의 최적형태 설계는 구조엔지니어의 직관이나 경험을 바탕으로 수행되어 왔다. 따라서 본 연구에서는 대공간 트러스 구조물의 체계적인 최적형태 설계를 위해 위상최적화 기법과 Cellular Automata 모델을 이용한 통합프로세서를 제안하고자 한다. 먼저 위상최적화 기법을 이용하여 구조물의 초기 최적형상을 찾고, 다음 단계로 Cellular Automata 규칙에 의해 생성된 구조패턴을 적용하여 대공간 트러스 구조형태를 생성한다. 최종적으로 구조해석을 실시하고 크기최적화를 적용함으로써 설계조건을 만족하는 최적형태를 제안하고자 한다.
최근 산업 발전과 더불어 대공간 건축물의 수요가 급증하고 있다. 이 분야 선진 기술은 지간 300m 이상의 대공간 건축물 실현도 가능하게 하고 있다. 대공간 구조에는 쉘구조, 스페이스 프레임 구조, 막구조, 케이블구조 등이 있다. 대공간 건축물은 기둥 없이 넓은 공간을 확보해야 하는 구조적 특성 때문에 설계초기 단계에서부터 시공문제를 병행하여 검토할 필요가 있다. 대공간 건축물 시공에 있어서 erection 공법은 공사비용, 공사기간 그리고 안전성 등에 큰 영향을 주는 것으로 알려져 있다. 대공간 건축물 erection 공법은 현장 여건 및 제반 조건에 따라서 그 수를 헤아릴 수 없을 정도로 많고 다양하지만, 대표적인 공법으로는 Element 방식, Block 방식, Sliding 방식, Lift-up 방식 그리고 복합방식 등이 있다. 본 연구에서는 기존 대공간 건축물을 대상으로 시공당시 적용한 erection공법을 조사하여 이것을 규모별, span별, 층고별, 구조형식별로 분석 및 검토하여 향후 대공간 건축물의 효율적 erection 공법 개발을 위한 기초 자료를 제공하는데 그 목적이 있다.
대공간 구조물은 힘의 흐름을 자연스럽게 하고, 휨모멘트의 영향을 가능한 저감 시켜 면내력만으로 외부하중에 저항하는 역학 개념을 기초로, 구조 시스템의 효율성을 극대화시키는 형태저항형 구조이다. 구조물의 경제성 분석은 그 프로젝트의 실행을 결정할 수 있는 중요한 요소이다. 대공간 건설에는 일반 건물에 비해 많은 기술적 고려가 요구된다. 프로젝트의 성공적인 수행을 위해 타당성 검토 단계에서 구조물의 전 생애의 필수적인 요소에 대한 분석이 요구된다. 본 논문에서는 기존 대공간 구조물의 사례를 조사하며, 이를 통해 자료를 수집하고 공사비를 분석하였다. 본 연구는 대공간 구조의 데이터 베이스 구축을 위한 기본적인 데이터 제공을 목적으로 한다.
본 연구에서는 기존 대공간의 난방시에 발생될 수 있는 분포상의 문제점을 실측실험을 통해 확인하여, 궁극적으로는 대공간의 열환경 개선과 효율적인 난방설계를 위한 기초데이터를 제시하고자 하였다. 본 연구에서는 인체부하 미고려시의 동절기 대공간의 실내온열환경 실측실험을 비난방시와 난방시로 구분하여 실시하였으며 공간내 수평 및 상하온도분포특성, 취출기류의 거동특성, 실내쾌적온열환경 특성, 환기량 평가 등 대공간의 실내열환경을 포괄적으로 검토하였다.
스팬 30m 이상을 갖는 건축물로 한정하여, 1960년대 이후 건립된 국내 공공 대공간 건축물의 발달과정과 건립특성에 대하여 연구하였다. 국내 대공간 건축의 용도와 규모의 현황을 살펴보고 구조방식이 건립된 건축물에 미치는 영향을 살펴보고자 한 것이다. 연구결과, 1980년대-90년대에는 스팬 40-70m 규모의 체육시설이 집중적으로 건립되었으나 2000년 이후에는 용도가 다양화되면서 대규모의 컨벤션센터 건립이 다수 이루어지고 있는 것으로 나타났다. 또한 초기 독특한 구조형태와는 달리 80년대에는 입체트러스가 보편적으로 활용되었고, 2000년 이후에는 형태효과를 고려하여 구조체를 고안하거나 새로운 구조시스템을 활용하는 시도가 보여지고 있다.
대공간의 건축물의 합리적인 설계를 위해서는 온도 및 기류분포의 정확한 예측이 필요하다. 예측 방법으로 정밀해석 모델(CFD)만을 최선의 방법으로 생각하는 경우가 대부분 이지만, 비용과 시간을 줄이기 위해서는 설계 단계별로 보다 적합한 예측 방법을 적용 할 필요가 있다. 이것은 다양한 예측 모델들의 장·단점 및 실용성에 대한 충분한 이해가 전제될 때 가능할 것이다. 본고에서는 열환경·설비 설계시, 설계 단계에 따른 적합한 예측 모델들을 소개한다. 더불어, 적절하고 타당한 예측 기술이 설계에 반영되어 대공간 건축물의 실내 열환경 개선 및 에너지 절약이 이루어지기를 기대한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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