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활용사례
[Civil & Structural] 캔틸레버 유리 차양 (일본)개요
일본에 있는 동경 국제 포럼 광장에는 Dewhurst Macfarlane and Partners사가 LUSAS Civil & Structural을 이용하여 설계한 10.6m 길이의 컨틸레버된 유리 차양의 독특한 구조물이 있다.
차양은 유라쿠쵸 지하역사로 통하는 가로 세로 8m × 4.8m 너비의 층계를 덮고 있다. 4개의 컴포넌트로 이루어진 지지 구조물은 캔틸러버된 보로 중앙과 끝점들은 아치를 이루기 위해 고정되었다. 이 컴포넌트 보는 합판 유리와 아크릴 블레이드로 되어 있으며 기반부분에서 4개이던 블레이드는 상층에서는 1개로 수가 줄어들면서 차양을 지지한다. 블레이드는 40mm 직경의 스테인레스 스틸 핀으로 T자 모양의 브래킷까지 연결되어있으며 브래킷은 차양 지붕 형태를 이루는 유리 패널을 지지한다. 차양의 기반에서 V모양의 스테인리스 스틸 브래킷이 차양의 전체 너비만큼 뻗어있는 각 캔틸러버와 수평 보를 연결한다.
차양의 정적/동적 하중에 대한 차양의 반응을 검토하기 위해 LUSAS Civil & Structural을 사용하였다. 또한, 차양의 전방과 후방 모두에 대해 자하중에 의한 영향, 온도 변화에 의한 영향 및 풍하중의 영향이 검토되었다. 캔틸러버 보 블레이드와 지붕 패널, 지지 브래킷을 모델링하는데 Thin 쉘 요소를 사용하였으며 기반의 연결부를 모델링하는데는 Thick 빔 요소를 사용하여 해석을 수행하였다. 유리 블레이드와 스테인레스 스틸 핀 사이의 연결 부분은 조인트 요소를 사용하여 모델링하였다.
내진 하중에 의한 차양의 반응을 검토하기 위해 고유 진동수 해석을 수행한 후 국부 지반 가속도를 사용한 두 개의 스펙트럼 반응 해석을 수행하였다. 또한 두개의 다른 수준의 구조 댐핑을 적용하였다. 초기 고유 진동수 해석에서 유리 지붕 패널에 매우 많은 mode shape가 있음을 발견하였다. 이런 경우, 전체적인 구조의 응답에 지대한 영향을 미치는 고주파수 모드를 추출하기가 어려워지는데 이를 해결하기 위해서 저에너지 모드를 걸러내고 주모드만을 남기는 가이안 축소기법(Guyan Reduction)을 사용하였다.
LUSAS의 광범위한 그래프 및 도시화를 통해 구조 변형량, 조인트에서의 힘과 모멘트, 지붕 패널과 캔틸러버 부재에서의 응력값을 얻어내었으며 이를 통해 최상의 설계를 할 수 있었다. 내진 해석으로부터 정점의 조인트 힘과 대응 응력값을 알 수 있었으며 이는 정적 하중케이스로부터의 해석에서 보다 스펙트럼 반응 해석을 통해 더 잘 알수 있었다. 이는 주로 정적 하중케이스에는 적용되지 않은 수평 하중을 포함한 3 방향에서의 지반 가속도를 적용하는데 사용한 CQC값 때문이다.
이 차양의 설계를 담당한 Tim Macfarlane은 결과에 만족해 했으며 다음과 같이 말하였다.
“이 프로젝트에 LUSAS Civil & Structural을 사용함으로써 우리는 확신을 가지고 지진 하중에서의 구조물의 반응이 어떠할지 예상할 수 있었고 풍 하중과 사하중에 대한 해석을 검토할 수 있었습니다.”
이 차양이 완성된 이후로 두 개의 태풍과 진도 6을 기록한 지진이 일어났으나 차양은 이러한 지진과 태풍에도 영향을 받지 않았다. 유라쿠쵸 차양은 1997년 영국 건축 산업상(British Construction Industry Awards)에서 유리 건축물의 설계 및 건축 분야에서 영국의 전문성을 입증받아 특별상을 수상받았다.
이 차양의 설계를 담당한 Tim Macfarlane은 결과에 만족했으며 다음과 같이 말하였다.
