하이브리드 Hybrid건축
분야
hwp ◈ 하이브리드의 의미
하이브리드는 생물학적으로 ‘잡종’을 의미하는 용어로, 구조에서는 단일 재료나 부재˙구조시스템에서는 실현되지 않는 복합˙상승효과를 발휘할 수 있도록 여러 가지 방법으로 조합한 구조를 말한다. 일본에서는 철골철근콘크리트(SRC:Steel and Reinforced Concrete)부재, 합성보, 충전강관콘크리트기둥(CFC:Concrete Filled Steel Tube Column), 합성벽, 합성슬래브, 합성트러스, 합성말뚝 등은 합성부재라 한다. 그리고 외주부를 튜브구조로 내부코어를 전단벽구조로 하는 경우와 같이 서로 다른 시스템을 조합하여 건물을 구성하는 것을 혼합시스템이라고 한다.
유럽에서는 철골과 콘크리트의 하이브리드는 일반적으로 규준상 「Composite」라고 표현한다. 부재차원의 하이브리드 즉, CFC나 합성보는 「Composite Member」이며 철근콘크리트부재(RC)와 철골(S)부재의 조합은 「Composite Structure」이다. 유럽규준의 Euro-4가 Composite에 대한 규준이다. 미국규준(UBC, AISC 등)도 부재차원의 혼합은 「Composite」라고 하고 RC벽과 S라멘의 혼합구조는 「Dual System」이라 한다. 국내에서는 하이브리드라는 용어가 아직 일반화되어 있지 않고 복합구조나 합성구조의 개념으로 사용되고 있다. 국내의 문헌을 살펴보면, "복합구조란 일반적으로 두 종류 이상의 재료를 조합시킨 구조를 말하는데, S와 RC를 조합한 것을 합성구조, 이종의 부재를 조합시켜 만든 구조와 이종의 구조시스템을 결합시켜 만든 구조를 모두 혼합구조라 한다."라고 기술하고 있다. 국내의 경우도 복합, 합성, 혼합구조라는 용어가 정확하게 정의되어 있지 않고 혼용되고 있는데 일반적으로 부재를 말할 때는 합성부재, 구조를 말할 때는 합성구조 혹은 혼합구조라고 하고 구조물, 구조시스템의 개념에서는 복합구조, 합성구조, 혼합구조라는 용어를 함께 사용하는 경향이 있음을 알 수 있다. 따라서, 하이브리드의 정의를 합성구조, 혼합구조의 내용을 포함하는 상위개념의 복합구조라는 의미로서 하이브리드를 정의하는 것이 바람직하며 국내에서도 일관성 있는 용어의 정리가 필요하다.
◈ 하이브리드 구조의 종류 및 구조적 특성
(1)1차원 하이브리드-부재
기둥, 보, 벽 등의 부재단면을 강과 콘트리트로 구성하는 것은 하이브리드의 가장 기본적인 구성요소이다. 강과 콘크리트의 조합으로 부재의 성능이 발휘되기 때문에 합성부재(Composite Member) 라고도 한다. 의 (a), (b), (c)는 RC 및 SRC부재로서, 최근에는 강과 콘크리트의 고강도화로 인해 적용범위가 더욱 확대되고 있다. (d)는 충전강관 콘크리트 부재로서 강관의 구속효과로 인한 내부 콘크리트의 강도상승, 콘크리트가 강관의 국부좌굴 억제, 내화성능 등의 장점으로 인해 스팬이 큰 고층건축에 사용되는 예가 증가하고 있다. (e)는 H 형강의 플랜지 사이에 콘크리트를 충전한 것으로, 철골조에 비해서 강성이 높고, 내화피복을 경감시킬 수 있다. (f)는 강판브레이스를 강관콘크리트로 피복하여 강판의 좌굴을 방지할 수 있다. 브레이스의 압축특성을 나타내기 위해 언본드로 하는 경우도 있다. (g)는 S기둥의 각부를 강관과 콘크리트로 피복한 것으로서 강성˙내력의 향상을 도모한 것이다. (h)는 일반적인 합성보로서 S보는 RC슬래브와 일체가 되어 강성˙내력이 크게 향상된다. (i)는 U형 강판을 형틀로 한 RC보의 예로서 데크플레이트와 같이 시공의 합리화 및 구조성능 모두를 기대할 수 있다.
(2)2차원 하이브리드-골조1
기존의 기둥과 보는 동일 종류의 단면형식을 사용하는 경우가 많지만, 최근에는 RC기둥과 S보와 같이 다른 종류의 부재를 조합시키는 경우도 있다. 다른 종류의 구조부재가 하나의 골조에 혼재하기 때문에 혼합구조(Mixed Structure)로 부르기도 하며, 2차원 하이브리드 구조라고 한다. 합성부재의 다양화와 함께 혼합구조의 사용에 의해 하이브리드 구조의 적용 가능성이 점차 확대되고 있다. 혼합구조는, 적재적소에 부재를 사용하여 구조와 시공의 합리성을 도모하는 것으로서 그림2와 같이 주로 축력을 부담하는 기둥에는 RC, SRC, CFC부재를 사용하고, 휨응력이 지배적인 보에는 변형능력이 풍부한 S부재를 사용하면 매우 합리적인 구조시스템이 가능하다. 또한, 강성과 내화를 고려하여, 보의 일부 혹은 전부를 RC와 SRC로 하는 경우도 있다.
이종부재의 조합에서는 부재간의 접합부가 매우 중요하다. 그림3의 (a)의 RC 기둥과 S보의 접합부에서는 S보가 RC기둥에 매입되어 있다. S보의 모멘트는 지렛대 원리로 RC기둥에 전달된다. 특히, 이러한 접합부에서는 강판으로 접합부를 보강하고 있다. 또한, 의 (b)에서는 S보가 다이아프램(Diaphragm)부착 강관으로 RC기둥을 강하게 구속하고 있다. 이러한 구법에서는 원심성형의 파일이 기둥에 사용되어, 접합부의 강관은 원심 성형시에 콘크리트와 일체화가 된다.
3)3차원 하이브리드 구조시스템-골조2