구조설계시 안정성, 기능성에 대한 고려사항

건축물을 구조설계 할 때는 여러 복합적인 요소를 고려하여야 하며, 그중에서도 특히 구조물을 설계할 때는 안전성, 기능성 및 사용성 등에 중점을 두어야 합니다. 이에 대한 세부적인 사항들을 알아보고자 합니다.

구조설계 시 안정성 고려사항

안정성은 건물의 안전성과 수명을 보장하는 구조 설계의 중요한 측면으로 설계 프로세스에서의 안정성 고려 사항을 알아보고자 합니다. 첫 번째, 횡방향에 대한 안정성입니다. 건물은 바람, 지진활동, 우발하중 등의 횡력을 견디도록 설계하여야 하며 이를 위해 설계자는 전단벽, 브래이싱 시스템, 모멘트 프레임, 다이어프램을 포함하는 횡방향 안정성을 높이기 위한 다양한 기술을 사용합니다. 두 번째는 수직 안정성입니다. 수직 안정성이란 구조물이 수직 하중에 저항하고 평형을 유지하는 능력을 말하며, 기둥, 보, 내하중벽 등 수직요소의 강도와 안정성을 고려해야 합니다. 수직 안정성을 확보하려면 이러한 요소의 적절한 크기 및 간격, 버팀대 설치가 필수적입니다. 세 번째, 기초 안정성으로 건물 기초의 안정성은 구조물에서 지면으로 하중을 전달하기 위해 매우 중요합니다. 적절한 기초설계는 지반상태, 내력, 침하 및 잠재적 토양이동 등의 요인을 고려하여 얕은 기초(ex. 줄기초) 또는 깊은 기초(ex. 말뚝 기초)를 적절하게 선택 적용하여야 합니다. 네 번째, 비틀림 안정성으로 비틀림 힘에 저항하는 구조물의 능력을 말하며 불규칙한 건물 형태나 비대칭 하중은 비틀림을 유발해 구조가 불안정해질 수 있기 때문에 적절하게 전단벽이나 버팀벽 설치, 하중의 대칭적 분포 등의 설계상 대책으로 과도한 비틀림 효과를 방지할 수 있습니다.

다섯 번째, 건설 중 안정성입니다. 건설 단계에서의 안정성 확보는 근로자의 안전과 구조의 무결성을 유지하기 위한 중요 요소이며, 건물의 완공까지 안정성을 위해 지주, 발판 및 브래이스를 적절하게 설치하여야 합니다. 또한 시공 중 과도한 휘어짐이나 변형을 방지하기 위해 시공 순서와 하중을 고려한 공사계획을 수립할 필요가 있습니다. 여섯 번째, 건물은 지진, 허리케인, 폭설 등 극단적인 상황에 견딜 수 있도록 설계되어야 하며, 설계코드와 규정에는 이들 조건의 기준을 명시하여 극단적인 상황에서도 적절한 안정성과 안전성을 확보하여야 합니다. 일곱 번째, 구조물의 안정성을 평가하기 위해 유한요소분석(FEA)과 같은 고도의 구조해석 기술이 사용되는데 설계자는 서로 다른 부하 시나리오를 시뮬레이션함으로써 구조물의 거동과 응답을 평가하고 잠재적 안정성 문제를 식별할 수 있어야 합니다. 또한 설계를 검증하고 안정성을 확보하기 위해 목업 및 실제 크기의 프로토타입 구조물을 제작 물리적 테스트를 실시할 수도 있습니다. 마지막으로 이중성과 견고성(Redundancy and Robustness)을 구조 설계에 통합함으로써 전체적인 안정성을 향상할 수 있는데 여러 하중전달 요소를 복합적으로 고려하여 한 요소에 장애가 발생해도 구조는 안정적으로 유지되도록 하는 것과 전체적인 안정성을 잃지 않고 예기치 못한 고장이나 우발적 손상에 견디는 구조물의 능력을 말합니다. 

기능성에 대한 고려사항

건축가와 엔지니어는 구조설계의 기능성을 검토할 때 의도한 목적에 효과적으로 대응하고 사용자의 요구를 충족시키는 공간을 만드는 데 중점을 두고 있습니다. 다음은 구조 설계 및 설계 시의 기능을 실현하기 위한 주요 고려 사항을 나타내는데 첫 번째 공간 플래닝입니다. 공간 플래닝은 효율적인 공간 플래닝은 레이아웃을 정리하고 기능을 최적화하는 것을 말하는데 여기에는 방 배치, 순환 경로 및 다른 활동을 위한 공간 할당이 포함됩니다. 설계자는 워크플로우와 사용 패턴을 분석하여 공간을 적절하게 연결되고 쉽게 접근할 수 있으며 필요에 따라 적절한 프라이버시 또는 개방성을 제공할 수 있어야 합니다. 두 번째, 유연성과 적응성입니다. 유연성을 추구한 설계를 통해 건물은 시간이 지남에 따라 변화하는 요구에 대응할 수 있으며, 미래의 사용과 잠재적인 변경을 고려하여 큰 구조 변경 없이 공간을 새로운 요건에 쉽게 적응시킬 수 있어야 합니다. 세 번째, 인체공학을 통한 사용자의 쾌적함과 효율성을 촉진하는 공간을 만드는 데 초점을 맞추는 것입니다. 여기에는 인간의 치수, 접근성, 도달 거리, 조명 조건, 음향, 환기 등의 요인을 고려하여야 하며, 설계자는 적절하게 설계된 워크스테이션, 인체공학에 기반한 가구, 적절한 조명 수준, 적절한 환기 시스템을 제공함으로써 사용자 경험과 생산성을 향상하는 것을 목표로 하여야 합니다. 네 번째, 건축 시스템 통합을 통한 효율적인 운영 및 사용자의 편암함, 유지 보수의 용이성을 제공할 수 있습니다. 다섯 번째, 지속가능성을 염두에 두고 구조물의 장기적인 기능성을 촉진시킬 수 있어야 합니다. 패시브 냉난방 기술, 지속가능한 재료 사용, 신재생에너지 시스템 등 에너지 효율적인 설계 전략을 함께 고려함으로써 건물의 기능성과 환경 성능에 기여할 수 있어야 합니다.