골조와 아치구조에 대해 알아봅니다

골조와 아치 구조는 건물을 지탱하는 데 있어서 아주 중요하다고 할 수 있습니다. 골조를 구성하는 것과 형식에 대해 알아보겠습니다.

인방보 와 기둥

예부터 인간을 날씨로부터 보호하는 문제는 지붕으로 덮은 벽의 울을 함으로써 해결되어 왔습니다. 이로써 지지기능과 보호 기능의 분리에 의하여 가장 간단한 골조 방식으로 인방보와 기둥이 생기게 됩니다. 인방보는 기둥으로 단순 지지가되어 지붕 하중을 지탱하는 보입니다. 기둥은 인방보에 의하여 압축을 받는 수직 지주입니다. 기둥은 풍압과 같은 일부 수평하중에도 저항해야 합니다. 이 저항은 목조 및 철골 기둥에서는 휜 능력에서 생기며, 석조와 벽돌조 기둥에서는 그 자중에 의하여 생기게 됩니다. 이때 바람에 의하여 지붕이 날아가지 않도록, 기둥과 인방보 사이에 어떤 접합이 마련되어야 합니다.

기둥의 기초는 기초 판으로 기둥과 지붕의 하중을 땅속으로 전달합니다. 기초 판은 하중을 분산시키고 흙 침하를 한도 이하로 잡아줍니다. 어떠한 경우에도 기둥과 기초는 압축을 받게 마련인데, 이것이 기둥과 인방보 방식의 특징이라 할 수 있습니다.

기둥과 인방보의 방식은 한층 한 층 겹쳐놓음으로써 다층의 건물을 지을 수 있습니다. 이러한 경우, 안방보는 건물 전체의 높이까지 기둥이나 벽돌벽, 석조 등으로 지지가 됩니다.
수직하중을 지탱할 수 있는 이러한 종류의 구조물은 수평하중에 저항하기에는 적절치 않으며 태풍과 지진에 쉽게 손상이 됩니다. 벽돌이나 석조 부재는 휜 저항이 거의 없고 수직 및 수평구조로 부재 간에 강력한 접합이 쉽게 개발되지 않기 때문입니다.

단일 골조

인방보의 휨 저항 기둥 사이에 강한 접합이 만들어지면 기둥과 인방보 방식의 작용은 본질적으로 변하게 되어있습니다. 이러한 새로운 구조인 단 일격 간 골조는 일체적으로 거동하며 수평 및 수직하중에 대해서 기둥과 인방보 방식보다 더 강한 것이 특징입니다. 기둥과 인방보 방식의 인방 보는 등분포 하중을 받으면 처지고, 그 단부는 기둥에 대하여 자유롭게 회전하지만 수직을 유지합니다. 같은 하중을 받는 강골 조의 작용을 파악하기 위하여, 우선 수평 보를 단순 지지로 생각하고, 다음으로 기둥을 보가 회전하고 난 단부에 강으로 접합하여 기둥이 휘지 않고 경사진 상태로 빠져나오게 된다고 가정해 보겠습니다. 기둥의 주각을 그들의 지지점으로 보내기 위해서는 수평 추력으로 기둥을 안쪽으로 억지로 밀 수밖에 없습니다. 그러면 보 끝은 일부분 반대 방향으로 회전할 것입니다. 최종적으로 골조의 기둥과 보가 다 같이 휘어져서 휜 응력을 일으키게 됩니다.

골조의 수평부재와 수직 부재를 강으로 접합하였을 경우에 생기는 결과는 세 가지입니다. 먼저 보는 그 단부에서 부분적으로 억제되어 한결 강하게 됩니다. 그래서 휨으로 보다 무거운 하중을 지지할 수 있습니다. 기둥은 보와 자중의 압축하중을 받을 뿐만 아니라, 보와의 연속에 의하여 휜 응력을 받게 됩니다. 이로써 수직하중을 받는 경우에 골조의 평형을 유지하기 위해서는 새로운 수평력, 다시 말해 추력이 필요하게 됩니다. 그래서 이 추력이 기둥을 수직 상태로 되돌리고, 기둥을 통하여 보에는 압축력을 일으키게 됩니다.  

 

복합 골조

복합 골조는 횡 방향 하중에 저항하는데 유효합니다. 보의 압축하중에 대한 강성으로 인하여 모든 꼭대기에서의 횡 방향 이동은 사실상 동일합니다. 그러므로 만일 기둥이 동일하다면, 횡 방향 하중은 골조의 모든 기둥에 의해서 균등히 지탱됩니다. 그래서 각 기둥은 캔틸레버로 작용하고, 보의 휨 강성에 의하여 한결 강해집니다. 풍하중에 의한 전도의 경향은 절반 골조의 바람맞이 쪽 기둥의 압축력에 의하여 평형이 취해집니다. 건물의 외벽 또는 코어 벽 속의 복합 골조는 가끔, 이들 벽에 수직인 면에 걸리는 풍하중을 지탱하는 데 사용이 됩니다. 

 

주작과 강접합 되어 있는 보를 가진 단일 격간 골조는 수직하중 및 수평 하중을 지탱할 수 있는 폐쇄된 구조 요소입니다. 주각과 주두에 연속보를 가지는 복합 골조도 폐쇄된 구조를 가지고 있는데, 큰 거리를 걸치는 트러스로 쓰일 수 있습니다. 

 

다층 골조는 일반적으로 높은 구조물에 쓰입니다. 수직하중에 대한 다층 골조의 작용은 단일 간격 골조와 비슷하지만, 수평 보는 해당 층의 하중 지탱 부재의 역할과 윗부분 골조의 이음부의 역할을 동시에 하는 부가 이점이 있습니다.