중국의 철강 생산량이 증가하고 가격이 하락함에 따라 주택 건설에 철강을 사용하는 것이 점점 더 보편화되고 있으며, 이는 호황을 누리는 다양한 대형 프로젝트뿐만 아니라 다양한 중소형 프로젝트에도 반영되고 있습니다. 건축 자재나 장식 재료로 강철을 선택하는 것이 유행이 되었습니다. 다양한 재료 선택은 건축가에게 더 많은 표현 수단을 제공할 뿐만 아니라 더 많은 디자인 요구를 가져옵니다.
구조 형태의 선택은 일반적으로 구조 엔지니어의 작업이지만 건축가는 구조 및 연결 설계에 영향을 미치는 요인에 대해서도 어느 정도 이해해야합니다. 중국에서 철골 연결 부재의 설계는 대부분 제조업체에서 수행하지만 건축가는 현대 철골 구조의 연결 방법, 제어 원리 및 구조 부재의 주요 요인에 대한 명확한 이해가 있어야합니다.
I. 철골 구조 부재 및 특성
철골 구조 부재의 또 다른 특징은 단면의 다양성입니다.한편으로 강철의 등방성 균질성으로 인해 다양한 모양으로 가공 할 수 있으며 이는 목재의 등방성 비균질성과는 크게 다릅니다.두 선형 구조 부재로서 강철 구조 단면은 목재 구조와 비교할 수없는 다양성이며, 이는 또한 다음과 같습니다. 대들보 대신 I형강을 사용하는 이유도 대들보 구조의 거의 모든 연결 부재가 철골이라는 사실에서 알 수 있으며, 한편으로 철골 구조 부재의 단면 형상도 연결 설계에 큰 영향을 미칩니다. 응력 범위가 허용하는 경우, 다른 철골 부재를 선택하면 다른 연결 형태를 만들 수 있습니다.
II. 접합부 설계에 대한 제약
저항이 다른 많은 종류의 강재가 있습니다. 연결 설계는 일반적으로 다음 요소에 의해 제약을 받습니다.
1. 부재의 출처 : 이론적으로 철골 구조 부재 또는 연결 부재는 임의의 가공성을 갖지만 특정 프로젝트에서 구조 부재와 연결 부재는 항상 현실적인 조건의 영향을받습니다. 숙련된 설계자는 일반적으로 구하기 쉽고 설치하기 쉬운 철골 부재를 선택하고 간단하고 효과적인 연결 방법과 부재를 설계합니다.
2. 연결 수단의 한계: 철골 구조 건축의 특징 중 하나는 공장 가공 및 현장 조립입니다. 이는 많은 수의 노드를 생산하는 전통적인 조적 공법과는 다릅니다. 다양한 유형의 강철을 연결하는 방법에는 리벳팅, 용접 및 볼팅의 세 가지 주요 방법이 있습니다. 리벳팅은 구조용 철골 건축 초기에 사용되었는데, 시공이 간단하지만 부재에 구멍을 뚫어야 하므로 단면 특성이 떨어지고 접합부에 응력이 집중되는 경향이 있었습니다. 요즘에는 거의 사용되지 않습니다. 용접 접합부는 외관이 단순하고 연속적인 힘 전달 효율이 높지만 시공 요구 사항이 높습니다. 나중에 유사한 용접의 강도 요구 사항을 충족할 수 있는 고강도 볼트 조인트가 등장하여 현대 철골 구조물에 널리 사용되고 있습니다.
3. 연결 구성 요소에는 계층 적 특성이 있습니다 :철골 구조의 구조 시스템 사이에는 복잡한 논리적 계층 관계가 있습니다. 연결 수준에서 이러한 계층적 관계는 구성 요소 크기와 설치 순서의 차이에 반영됩니다. 연결의 목적은 계층적 변환을 실현하는 것이며, 3차원에서 2차원으로, 마지막으로 1차원 구성 요소로 힘의 변환을 실현하는 열쇠이기도 합니다. 복잡한 연결은 일반적으로 3차원 연결 구성 요소와 평면 연결 구성 요소의 조합으로 완성됩니다.
4. 연결 부재가 위치한 평면: 두 개의 선형 구조 구성 요소는 항상 같은 평면에 있으며, 이 평면은 구성 요소의 힘이 발생하는 평면입니다. 이 평면에서 응력, 굽힘 모멘트 또는 전단력에 효과적으로 저항하기 위해 강관 및 케이블 용접 조인트가 항상 형성하는 평면과 같이 연결 부재가이 평면에서 설계되는 경우가 많으며 둘 이상의 부재를 연결하는 경우 평면 부재의 조합이 3 차원 응력 상황에 대응할 수 있습니다.
셋째, 연결 대상의 프로토 타입 및 연결 분류
철골 건물의 구조 구조에는로드와 케이블의 두 가지 기본 유형이 포함되며 결과 연결은 케이블 대 케이블 연결,로드 대로드 연결 및 케이블 대로드 연결로 나눌 수 있습니다. 평면 구조이든 공간 구조이든 구조 시스템의 복잡성은 부재 단위의 선형 특성으로 인해 더 많은 유형의 연결로 이어지지 않으며 복잡한 연결은이 세 가지 기본 유형의 조합으로 볼 수 있습니다.
1. 케이블 대 케이블 연결
구조 시스템에서 케이블은 장력만 받고, 내부 힘은 케이블 축을 따라 일정하며, 케이블의 단면은 길이에 따라 변하지 않습니다. 연결 특성은 다음과 같습니다.
A. 끝단의 연결은 케이블 슬리브를 사용하여 구현해야 합니다.
b. 케이블 중간 연결은 다양한 와이어 클립으로 할 수 있습니다.
C.여러 케이블을 연결하려면 케이블을 결합하는 방식에 따라 달라지는 새로운 노드를 설계해야 합니다: 예를 들어, 일반적인 단층 또는 복층 케이블 구조는 배열에 따라 병렬 또는 방사형 형태로 나타날 수 있습니다. 가볍고 효율적인 케이블 네트워크는 가벼움과 투명성에 대한 일반적인 욕구를 충족시킵니다. 피아노는 이탈리아 방카포폴라레디 본사의 야외 광장의 유리 지붕을 디자인했습니다. 이 응력 구조는 두 세트의 케이블 그물로 구성되어 있으며, 유리가 구조물 중간에 끼워져 있고 수평 연결 케이블로 보강 및 안정화되어 주변 콘크리트 벽에 고정되어 있습니다. 모든 노드는 케이블로 연결됩니다. 가볍고 통풍이 잘되는 지붕은 특정 용도에 맞는 케이블의 장점을 보여줍니다.
2. 극과 극 연결
극은 케이블보다 먼저 등장하여 널리 사용되고 있습니다. 폴은 장력과 압축을 모두 받을 수 있기 때문에 폴 간 연결 설계는 케이블보다 더 복잡하고 가변적입니다. 막대 연결의 설계를 결정하는 두 가지 주요 요소는 다음과 같습니다.
A. 막대 사이의 각도.
B. 바의 각 단면 모양. 전자는 구조 시스템에 의해 결정되며, 후자는 연결 부재의 설계를 용이하게 하기 위해 연결 설계 단계에서 다양한 단면 또는 조합을 선택할 수 있습니다.
교차 각도가 수직이 아닌 경우, 노드 설계의 어려움을 줄이기 위해 부재 단면을 신중하게 선택해야 합니다. 베를린의 한 정보 센터의 보-기둥 연결부에서는 원형 강관 기둥을 단단하게 절단한 다음 여러 개의 강판으로 I형 기둥에 용접했습니다. 이 연결은 매우 기계적이고 딱딱합니다. 반면, 헤르초그가 설계한 하노버 산업박람회 지붕의 보-기둥 연결 설계에서는 한편으로는 부재 간의 비수직 연결을 피하기 위해 장력 케이블을 선택했고, 다른 한편으로는 노드에서 사각 강관 기둥의 분해와 주기적 변화를 통해 원형 강관 보 연결로 자연스럽고 합리적인 전환을 이끌어냈습니다.
아이엠 페이는 메이시우 박물관 지붕 프레임을 설계하면서 기존의 볼 노드 방식을 사용하지 않고 다방향 평판 주강 노드 부재, 단면이 변하지 않는 가로 강관, 노드의 다른 부재를 강판으로 변환하고 노드 부재에 볼트로 고정하여 구조 평면이 지붕과 평행하도록 설계하여 단순성과 평탄함의 효과를 달성했습니다. 일반 볼 노드를 사용하면 거대한 노드로 인해 지붕 프레임이 부피가 크고 무거워 보일 수밖에 없으며 전통적인 목조 건축에서 장붓 구멍 및 장부 조인트의 단순성을 반영하지 않으며 이러한 예술적 효과를 얻기가 훨씬 더 어렵습니다.
3. 케이블과 철근의 접합
케이블은 강재에 가장 적합한 재료적 특성을 가지고 있지만, 일방향 인장 특성을 가진 유연한 부재이기 때문에 케이블과 철근으로 구성된 구조 시스템은 최근 대경간 분야에서 각광받고 있는 인장형 거더 구조와 같이 경량과 안정성이라는 이중 장점을 실현할 수 있습니다. 경간장이 작은 건물에서도 케이블-로드 조합은 매우 일반적입니다.
케이블이 연속적인지 여부에 따라 연결 설계에 다른 커넥터를 사용해야 합니다: 케이블 끝의 연결은 케이블 슬리브, 볼트, 용접 러그 등과 같은 일련의 구성 요소로 로드에 고정해야 합니다. 이 연결 절차는 간단하고 합리적인 구조를 가지고 있으며 널리 사용됩니다. 동시에 케이블 슬리브 클램핑 용접 조인트 또는 케이블 슬리브 클램핑 용접 조인트의 두 가지 방법 중에서 선택할 수 있습니다. 예를 들어 이탈리아 제노바의 오래된 항구 재개발 프로젝트에서는 케이블 멤브레인 구조와 봉을 각각 회색과 흰색으로 칠한 다른 층으로 연결했습니다. 그러나 특수 설계된 케이블 케이스를 사용하여 봉을 직접 연결할 수도 있습니다. 용접부가 생략되었다는 것은 케이블과 케펠 문화 센터의 기초를 연결하는 경우처럼 케이블 슬리브가 케이블과 기둥 사이의 각도를 변환하는 기능을 수행해야 한다는 것을 의미합니다. 용접부가 통합된 케이블 슬리브의 과장된 규모와 각도는 이러한 유형의 연결에서 이 조인트를 독특하게 만듭니다. 케이블 중앙에 위치한 연결부의 경우 케이블 클립과 케이블 클램프(또는 일부 경우 용접)를 사용하여 케이블과 막대를 제자리에 고정할 수 있습니다. 하노버 무역 박람회장의 어선 빔에서는 상단과 하단 코드 사이의 연결부가 케이블 클립으로 고정되도록 설계되었습니다.
넷째, 연결 설계 방법
건물 철골 구조의 상당 부분에서는 부재의 형태와 크기가 매우 엄격한 요구 사항이 아니기 때문에 부재의 설계와 연결 설계에 상당한 설계 공간을 제공했습니다. 건축가의 부재 형태 및 크기 선택은 연결 설계 또는 연결 형태와 밀접한 관련이 있습니다. 국내 설계자의 경우 현실은 종종 강재 섹션과 몇 가지 형성된 연결 부재의 선택이 제한되어 있으므로 이러한 방법이나 수단은 순전히 표현적인 경우가 많지만 설계 방법이 특히 중요해집니다.
1. 분해의 대상은 구조 개념에서 개별 부재의 추상화이며, 종종 부재의 수 또는 실제 연결 부재의 형태를 분해하는 것으로 표현됩니다. 이 기법은 철골 구조물을 포함한 철근 연결 설계에서 매우 일반적입니다. 예를 들어, 서스펜션 구조의 압축 막대는 여러 개의 막대 조합으로 분해되는 경우가 많고, 기둥은 보-기둥으로 분해되는 경우가 많습니다. 이러한 분해 중 일부는 구조적 응력을 위해 필요하고 일부는 단순히 구성 요소에 간격을 만들고 연결을 용이하게 하기 위한 것입니다. 복잡한 노드의 분해는 연결의 기본 형태를 추출하여 연결의 개념을 단순화하고 노드 설계를 통합하는 데 도움이 됩니다.
분해 개념은 다층 지붕 구조와 음영 시스템을 교묘하게 결합한 미국 휴스턴의 사이톰블리 갤러리라는 철골 지붕 연결 설계에 광범위하게 사용됩니다. 첫째, I형 보로 구성된 격자형 차양 구조로, 차양 구조 아래에 채광창 구조가 매달려 있습니다. 인장 부재는 강철의 기계적 특성에 더 부합하고 크기가 작기 때문에 매달린 타이가 분해되지 않는 반면, 철제 보의 경우 힘(굽힘 및 전단)이 더 복잡하기 때문에 크기가 크고 하나가 두 개로 분해됩니다. 전체 지붕 설계 로직은 명확하고 지붕 기능의 레이어링 개념을 보완합니다.
2. 변환된 단면 형태에 대한 고려와 치수의 변환도 연결 설계의 주요 이슈입니다. 변환의 목적은 부재 단면을 줄이고 연결 설계를 용이하게 하는 것입니다. 일반적으로 부재의 단면은 관형 단면(예: 원형 강관)과 비관형 단면(예: I형강)의 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 전자의 연결에는 그리드 구조의 볼 노드에서 축소된 솔리드 강관과 같이 단면을 줄여야 하는 경우가 많습니다. 후자 간의 연결은 일반적으로 넓은 날개를 제거하고 단면 높이만 유지하는 등 부재를 단순화하며, 종종 분해 설계와 결합되기도 합니다. 부재의 단면 모양을 변경하는 것 외에도 부재 축에 수직인 평면을 따라 부재를 절단한 후 새로운 노드를 설계하는 것도 일반적인 방법입니다. 예를 들어, 앞서 설명한 메이시우 박물관의 지붕 프레임 노드에서 강관 단면의 변형은 연결에 편리함을 가져올 뿐만 아니라 노드 설계의 유연성을 반영합니다. 힘의 전달을 표현하는 동시에 조각 디자인을 사용하여 힘의 흐름을 비유적이고 예술적으로 표현했습니다.
3. 통합 디자인은 구성 요소의 종류와 수를 줄이고 연결 방법을 단순화하며 구조적 형태의 통일성을 강조하는 것으로, 이러한 디자인 작품은 종종 우아한 이미지를 갖습니다.
1) 모든 노드가 동일한 방식으로 강조됩니다.
2) 구조 부재의 단면 모양과 치수가 유사합니다. 동일한 방식으로 응력을 가하면 유사한 단면을 과학적으로 선택할 수 있으며, 유사한 단면 형태와 대략적인 크기는 시각적 무결성을 보장합니다.
철과 유리로 만들어진 영국 케임브리지 대학교 법학부 건물의 외피를 디자인한 포스터의 작품은 창문, 벽, 지붕의 개념을 모호하게 하고 구성 요소 간의 연결부를 통합적으로 디자인하여 이러한 아이디어를 표현했습니다. 우븐 스킨은 최소한의 높이의 아치형 속이 빈 빔을 여러 개 엮어 만든 구조로, 모든 구성 요소를 원형 강철 튜브로 용접하여 전체 구조가 균일하고 우아하게 보이도록 했습니다. 우연의 일치도 아니었지만 OMA는 시애틀 중앙 도서관의 스킨 디자인에도 동일한 원리를 적용했습니다. 통합 효과를 얻기 위해 전체 건물의 모든 표면은 단면 모양과 크기가 동일한 다이아몬드 모양의 교차하는 I형 빔으로 구성되며 리벳팅을 통해 균일하게 연결됩니다. 힘 분석과 계산을 거쳐 힘이 크고 단면의 높이를 높여야 하는 곳에는 2~3개의 I-보를 중첩해 합리적이면서도 낭만적인 느낌으로 도서관을 조용하고 평화롭게 만들어 줍니다.
유형을 분석하고 요약 할 수 있고 방법을 분류하고 요약 할 수 있지만 디자인이 도그마가 된 것은 아니며 좋은 디자인을위한 공식이 있다는 의미도 아닙니다. 연결 설계에는 강재의 특성을 발굴하고 극단적 인 형태를 추구하기 때문에 많은 기술적 요소가 포함됩니다. 그럼에도 불구하고 연결 요소의 설계는 건축가가 좋은 연결 설계를 얻기 위해 항상 극복 할 수없는 단계이기 때문에 엔지니어 나 요소 공급 업체의 책임이되어서는 안됩니다. 강철의 특성에 맞는 연결(리벳, 용접, 볼트)은 이러한 법칙을 준수하고 강철이 허용하는 한도 내에서 설계되어야 하지만, 단단한 기계 제품이 없는 경우에도 제약 조건으로 인해 미적으로 만족스러운 연결 형태를 찾을 수 있는 좋은 설계가 가능합니다. 시대마다 미를 평가하는 기준에는 차이가 있지만, 재료의 논리에 부합하는 본질적인 매력은 스타일이나 이론의 한계를 뛰어넘어 진정한 아름다움의 의미에 도달할 수밖에 없습니다.
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