7장. 프리캐스트콘크리트구조 • 셸구조 (셸구조 및 절판구조-1)

1. 개   요

휘어진 얇은 판을 쓴 구조를 곡면판구조 또는 셸구조라 한다. 이 구조는 곡면판이 지니는 역학적 특성을 이용하여 큰 간사이의 넓은 공간을 덮는 지붕을 경량으로 튼튼하게 만들 수 있는 특징이다. 곡면판의 형태는 여러 가지가 있으나, 원통셸 • 구형셸 • 쌍곡포물선면셀 • 코노이드 셸 및 절판구조 등이 있다. 여러 외국의 예에서 보듯이 50m나 되는 큰 간사이의 둥근 지붕도 곡면판의 두께는 6~10 cm 정도로 설계 시공되고 있다. 이와 같이 얇은 셸콘크리트구조가 성립되는 것은 셸이 지니는 역학적 특질에서 기인하는 것이다. 셸구조에서 곡면판을 곡판 • 각 • 셸, 또는 독일말로 샬렌이라고도 한다. 셸구조를 샬렌구조 또는 곡면판구조 • 각구조라고도 하며 약하여 곡판구조 • 곡면구조라고도 한다.

각종 셸의 형태

 

2. 셸형태의 분류

(1) 곡면판

곡면판의 두께가 곡면의 곡률반경 • 너비 • 길이 등의 치수에 비하여 대단히작은것을 얇은살셸이라 한다. 두꺼운 살 셸도 있으나 이것은 거의 쓰이지 않는다. 

a) 가우스의 곡률

가우스의 곡률은 건축에서는 곡면의 만곡상태를 표시하는 것으로 셸 곡면의 분류 등에 쓰인다. 이것은 곡면의 주된 곡률 1/r_x와 1/r_y 의 상승적 K로 표시된다.

# 정2중곡면셸

# 단곡면셸

# 부 2중곡면셸

# 정부2중곡면셸

가우스곡률

b) 곡면의 전개

곡면은 평면으로 전개될 수 있는 단일곡면과 전개불가능한 복합곡면으로 분류할 수가 있다. 가로 • 세로방향의 2방향으로 흰 셸을 이중곡면셸 또는 복합고면셸이라 하고 이것은 박공벽이 없어도 2중곡률로 강성이 증대되어 어느 정도의 저항력을 갖는다. 전개가능한 곡면은 거푸집 제작이 용이하며 공학상 유리하지만 역학상으로는 강도 • 강성도 등에 대해서는 복합곡면이 우수하다.

 

(2) 역학적 분류

셸은 역학적으로 다음과 같이 분류된다.

# 정정 셸

# 부정정 셸

정정셸은 지지조건이 완전하게 되면 면내를 흐르는 힘 곧, 면내력은 막응력만으로 하중과 균형될 수 있는 응력분포를 3차원적인 힘의 평형으로 해결할 수가 있다. 부정적 셸은 그 형태 • 지지조건 • 하중 등에 불연속성이 있을 때에는 휨응력의 발생은 피할 수 없어 변형의 연속조건을 고려하여 휨에 견딜 수 있는 셸을 구성해야 한다. 보통 엄밀하게 휨이 없는 셸은 성립할 수가 없다. 휨응력을 고려한 셸응력의 변화에 대해서는 구형셸 • 원통셸 • 파라블라 추동셸 • 단일 하이퍼볼라 셸 등에 대해서는 해석이론이 규명되고 있으나 계산과정이 복잡하며, 실용적으로는 컴퓨터에 의한 차분법 또는 유한요소법이 쓰인다.

 

(3) 역학적 특성

셸구조는 그 지지조건이 적당하면 면에 분포되는 곧 면내력에 따르는 막응력에 의하여 지지점에 전달되는 특성이 있다. 면내의 힘만으로의 평형조건이 가능하고 구조상 불리한 휨 모멘트의 작용을 받지 않는다는 셸이 지니는 역학적 특성에 기초된 구조이다. 지지점 또는 불연속점 근방에 발생된 휨 모멘트는 그 점에서 멀어질수록 급속도로 감퇴 소멸되어 그 이외의 곡면의 대부분은 휨 모멘트가 없는 막응력과 평형될 수 있어 얇은 살 곡면구조가 성립되는 것이다. 이겨서 불연속점이란 곡면의 접선방향 • 곡률반지름 • 두께 • 하중 등이 급변하는 곳을 말하여  또한 지지조건이 부적당할 때는 그 근방에 힘모멘트의 발생은 피할 수가 없어 그 보강책을 쓰거나 곡면형의 선택과 지지방법이 중요하다.