구조 형식에 따른 분류
실내 스포츠 경기장의 구조는 지붕 시스템의 형식에 따라 구분된다. 지붕 구조는 경기장의 경간 거리, 하중 조건, 건설비, 유지관리 방식에 직접적인 영향을 미친다. 구조 공학적으로는 트러스 구조, 아치 구조, 돔 구조, 막 구조, 케이블 구조 등으로 분류되며, 각 형식은 역학적 특성과 시공 방법에서 차이를 보인다.
철골 트러스 구조
철골 트러스는 삼각형 단위를 반복하여 큰 경간을 지지하는 구조 방식이다. 부재는 주로 인장력과 압축력만 받도록 설계되며, 휨 모멘트가 최소화된다. 경간 50미터 이상의 대형 경기장에서 효율적이며, 구조 깊이는 경간의 약 1/15에서 1/20 수준으로 계획된다. 트러스 형태는 평행 현 트러스, 곡선 트러스, 삼각 트러스 등이 있다.
철골 트러스는 공장 제작 후 현장 조립 방식으로 시공되며, 정밀도가 높고 공기 단축이 가능하다. 다만 용접 또는 볼트 접합부의 품질 관리가 중요하며, 부식 방지를 위한 도장 작업이 필요하다. 유지관리 측면에서는 주기적인 도장 보수와 접합부 점검이 요구된다.
아치 구조
아치 구조는 곡선 형태로 하중을 양 끝 지점으로 전달하는 방식이다. 구조적으로 압축력이 지배적이며, 휨 모멠트가 작아 재료 사용이 효율적이다. 경간 100미터 이상의 대규모 경기장에 적용되며, 아치의 라이즈비는 경간의 약 1/5에서 1/8 범위로 설정된다. 아치 형태는 포물선, 원호, 타원 등으로 다양하다.
아치 구조는 수평 추력이 발생하므로, 기초 또는 타이 로드로 이를 처리해야 한다. 타이 로드를 사용하면 기초 하중이 줄어들지만, 내부 공간에 부재가 노출된다. 강재 아치와 철근 콘크리트 아치가 모두 사용되며, 재료 선택은 경간과 시공 조건에 따른다.
돔 구조
돔 구조는 3차원 곡면으로 하중을 분산시키는 구조 형식이다. 구조적으로 매우 효율적이며, 동일 경간에서 다른 구조 형식보다 재료 사용량이 적다. 원형 평면을 가진 경기장에 적합하며, 돔의 라이즈비는 경간의 1/5에서 1/10 수준이다. 돔 형태는 구면 돔, 타원 돔, 쌍곡 포물면 돔 등으로 구분된다.
돔 구조는 철골 또는 철근 콘크리트로 제작되며, 지오데식 돔과 라티스 돔이 대표적이다. 지오데식 돔은 삼각형 패널의 조합으로 구성되며, 라티스 돔은 선형 부재의 교차 배치로 이루어진다. 돔 구조는 외부 하중에 대한 저항 성능이 우수하지만, 기초에 큰 수평력이 전달되므로 이에 대한 처리가 필요하다.
막 구조
막 구조는 인장막을 이용해 공간을 형성하는 경량 구조 방식이다. 막재는 유리섬유 또는 폴리에스터 섬유에 불소수지나 실리콘을 코팅한 재료이며, 두께는 1밀리미터 내외이다. 막 구조는 자중이 매우 가벼워 대경간 구조에 유리하며, 투광성이 있어 자연 채광이 가능하다. 막의 곡률은 양방향으로 서로 반대 방향이어야 구조 안정성이 확보된다.
막 구조는 케이블과 마스트로 지지되며, 초기 장력을 도입하여 형상을 유지한다. 공기막 구조는 내부 기압으로 막을 팽창시켜 형태를 만들며, 별도의 골조가 불필요하다. 막 구조는 시공 속도가 빠르고 해체 및 재설치가 가능하지만, 단열 성능이 낮고 막재의 내구 연한은 약 20년에서 30년 수준이다.
케이블 구조
케이블 구조는 고강도 강선을 이용해 지붕을 지지하는 방식이다. 케이블은 인장력만 받으므로 단면이 작고 경량이며, 대경간 구조에 적합하다. 케이블 구조는 단일 케이블, 케이블 네트, 케이블 돔 등으로 구분되며, 형태는 케이블의 배치 방식에 따라 달라진다. 케이블의 처짐은 경간의 약 1/20에서 1/30 수준으로 계획된다.
케이블 구조는 초기 장력이 필수적이며, 이를 통해 케이블의 강성과 형태가 결정된다. 케이블 네트는 서로 직교하는 두 방향의 케이블로 구성되며, 각 방향의 곡률은 반대이다. 케이블 구조는 바람이나 적설 하중에 민감하므로, 동적 해석과 풍동 실험이 필요하다. 유지관리에서는 케이블의 장력 모니터링과 부식 점검이 중요하다.