막구조 설계기준

왜 배우는가: 막구조는 얇은 막재에 장력을 주어 형태를 유지하는 구조라서 일반 건축구조와 다른 설계 원리와 기준이 적용된다. 건축구조기술사 시험에서는 막구조 설계기준과 하중조합, 재료 강도, 변위 제한을 묻는 문항이 반복해서 나오므로 개념의 출발점을 정확히 잡아 두어야 한다.

출제 이력: 제132회 4교시 4번, 제127회 1교시 12번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의 문장은 다음과 같다.

막구조는 휨·비틀림 저항이 작은 얇은 막재에 초기장력을 도입하여 막응력으로 외력에 저항하고 형태를 유지하는 구조이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 막재(膜材): 코팅된 직물 등 두께가 얇은 막 형태의 구조 재료
• 초기장력(Initial Tension): 형태와 강성을 확보하기 위해 막과 케이블에 미리 주는 인장력
• 막응력: 막이 면내 인장력만으로 하중을 전달하는 응력 상태
• 공기막 구조: 내외부 압력차로 막에 강성을 주는 방식
• 지붕형 구조: 철골 지붕 위에 막재를 외장으로 덮는 방식
• 케이블: 막의 가장자리나 내부에서 장력을 전달하는 인장 부재
• 허용응력설계법: 막재 설계의 기본 방법으로 준용되는 설계법
• 변위 제한: 막재의 과도한 처짐과 변형을 막는 설계 조건

2. 개념 풀이

막구조를 쉽게 말하면, 천을 힘껏 잡아당겨 팽팽하게 만들어 지붕이나 벽으로 쓰는 구조다. 축 늘어진 천은 하중을 받지 못하지만, 장력을 주면 면 전체가 인장력으로 하중을 버틴다.

정식 정의는 다음과 같다. 막구조는 자중을 포함한 외력에 저항하기 위해 휨과 비틀림 저항이 작은 천이나 고무 등을 구조재료로 쓰는 구조이며, 셀 구조의 기본 원리인 막응력과 전단력만으로 외력에 저항한다. 막은 2차원 저항 구조이지만 휨과 전단에 의한 판 응력을 일으킬 수 없고, 압축에 대한 저항을 무시한다. 따라서 막은 인장에만 저항하는 얇은 판 재료로 취급한다.

핵심 용어를 풀이하면 다음과 같다.

막재는 구조용 직물에 코팅을 입힌 재료이다. 인장강도, 파단 신장율, 인열 강도 같은 성질로 평가한다. 두께는 0.5밀리미터 이상이어야 하며 인장강도는 폭 1센티미터당 300N 이상이어야 한다 폭 1cm당 300N 이상.

초기장력은 막을 설치할 때 주는 미리 정한 인장력이다. 외력이 없을 때도 막이 팽팽하게 유지되어 강성과 형태 안정성을 확보하는 역할을 한다. 초기장력이 부족하면 바람이나 눈에 의해 막이 펄럭이거나 주름이 생긴다.

공기막 구조는 막으로 둘러싼 내부에 공기를 공급해 내외부 압력차로 막에 강성을 주는 방식이다. 에어돔형 폐기물매립시설이 이 방식에 해당한다.

지붕형 구조는 철골 지붕과 기둥 위에 막재를 외장으로 덮는 방식이다. 막이 하중을 직접 지지하지 않고 폐쇄 공간을 만드는 역할을 한다.

3. 등장 배경과 필요성

막구조는 초기에는 박람회 파빌리온 같은 가설건축물에 주로 쓰였다. 그러나 막재료의 발전과 컴퓨터를 이용한 설계와 시공 기술의 향상으로 영구 건축물에도 적용 범위가 넓어졌다. 현재는 스포츠 시설, 문화 시설, 쇼핑센터, 이벤트 시설, 학교 체육관, 리조트 시설 등 여러 용도로 쓰인다.

필요성은 세 가지로 정리된다. 첫째, 넓은 무주 공간을 가볍게 덮을 수 있다. 막은 자중이 작아 큰 스팬을 경제적으로 덮을 수 있다. 둘째, 투광성과 디자인 자유도가 높다. 셋째, 시공 기간이 짧다. 다만 막은 얇고 변형이 크므로 기존 골조 구조와 다른 해석과 기준이 필요해졌다.

이 때문에 국내에서는 막과 케이블 구조를 별도의 설계기준으로 정리하게 되었다. 건축 구조기준 체계에서 막과 케이블 구조는 특수 건축물 구조설계기준의 하위 기준으로 규정되어 있다.

막구조 설계는 막재의 인장 거동과 초기장력 도입을 중심으로 하는 별도의 설계 원리를 따른다.

4. 구성요소·원리·절차

막구조는 막재, 케이블·프레임, 정착부, 그리고 공기막이면 송풍설비로 구성된다. 각 요소가 하중을 나눠 받아 형태를 유지하므로 설계 때는 구성요소별로 강도와 변위를 함께 확인한다.

막구조는 막응력과 초기장력으로 형태를 안정시킨다. 막은 압축과 휨에 저항하지 못하므로 인장력만으로 외력에 견뎌야 한다. 따라서 초기장력 도입이 강성 확보의 출발점이다. 케이블은 막의 강성을 보강하고 외력 변화에 따른 불안정 현상을 막는다.

에어돔형은 내·외부 압력차가 막에 강성을 준다. 내부압이 떨어지면 형태가 무너지므로 내부압 유지가 안전의 핵심이다. 설계 때는 최대 내부압을 심각한 구조변경에서도 최악의 상태가 나오지 않도록 정하고, 최소 내부압은 정상 기후에서 구조 안전성을 확보하는 값으로 정한다.

케이블의 허용인장력은 파단하중을 기준으로 정한다. 장기허용인장력은 파단하중의 1/3, 단기허용인장력은 장기허용인장력에 1.33을 곱한 값이다.

$T_{a,long} = \frac{T_{break}}{3}, \qquad T_{a,short} = 1.33\,T_{a,long}$

여기서 T_{break}는 케이블 파단하중(N), T_{a,long}는 장기허용인장력(N), T_{a,short}는 단기허용인장력(N)이다. 예를 들어 파단하중이 300kN인 케이블의 장기허용인장력은 100kN, 단기허용인장력은 133kN이다. 두 값 모두 파단하중보다 충분히 작아 상식 범위다.

절차는 다음 순서로 진행한다.

• 설계하중과 하중조합을 정한다.
• 막재의 종류와 물성을 선정한다.
• 초기장력을 도입하고 형상을 찾는다.
• 하중조합별로 막과 케이블의 응력과 변위를 구한다.
• 허용응력과 변위제한을 검토한다.
• 정착부와 기초의 인발력을 검토한다.
• 송풍설비의 내부압과 예비 설비를 확정한다.

5. 관련 법령·기준·표준

막구조의 설계기준은 국토교통부 KDS 41 70 01 막과 케이블 구조다. 이 기준은 폐기물매립시설 상부를 덮는 시설물 고시에서도 준용된다. 에어돔형 막재의 기준값은 고시 제4조에 있다. 막재 설계는 KDS 41 10 15의 설계하중에 따른 허용응력설계법을 준용하며, 그 밖의 부재는 허용응력설계법과 동등 이상의 구조설계법을 쓴다.