초고층 건물에서의 건물 형상에 대한 구조 안정성 및 경제성 평가

Abstract

최근 전 세계적으로 도시집중화에 따른 인구 과밀화와 시설집중이 급속하게 증가함으로 발생하는 사회·경제·문화적인 문제를 해결할 수 있는 대안으로 초고층 건축물의 수요가 증가하고 있다. 초고층 빌딩을 건축하는 기술은 이제 그 나라의 건설기술을 가늠하는 지표로 사용되고 있으며, 각각의 초고층 빌딩들은 그 나라나 도시를 상징하는 랜드 마크 역할을 담당하고 있다. 건축물이나 구조물이 고층화되면서 폭에 대한 높이의 비가 커지고 재료가 경량화·고층화되면서 세장비는 더욱 커지게 된다. 또한 건축물 고층화를 구조적 측면에서 살펴보면 기본적인 동적특성인 고유주기가 길어지게 되어서 고주파수영역에 많은 에너지를 포함하고 있는 지진에 비해 저주파수영역에 많은 에너지를 가지고 있는 바람에 대해 구조물의 응답이 더 크게 나타나기 때문에 건물의 고층화 현상으로 인해 건물에 있어서 바람의 영향은 더욱 증대되었으며 고려해야할 사항들이 다양화되었다. 그래서 초고층 건축물은 시공되기 전에 풍동실험을 거쳐 건물의 안정성을 검사해야한다는 것이 법으로 정해져있다. 하지만 실험 후, 건축물이 안정하지 않다는 결과 값이 산출되면 설계를 수정의 과정을 거쳐야한다. 이러한 과정들은 시간적·경제적 부담을 준다. 본 연구에서는 실험을 통해서만 알 수 있는 결과 값이 아닌 건축물에 생기는 풍압을 설계과정에서 예측하고 구체화하여 수치를 해석하는데 목적이 있기 때문에 건물의 입면과 형상, 높이에 영향을 받는 풍하중을 초고층 건물에서의 입면 형상에 따라 구조적인 관점에서의 안정성과 그에 따른 경제성을 평가하여 지속가능한 초고층 구조설계 기술을 위한 기초자료로 제시하고자 한다. 본 연구에서는 형상에 따른 변화를 평가하고자 20개의 변수를 정하였고, 기본모델에서 단면의 크기는 50x50m, 높이는 484m이고 스팬의 길이는 12.5m, 콘크리트의 압축강도(fck)는 80MPa, 철근의 인장강도(fy)는 500MPa로 하여 비교·분석을 하였고, 그에 따른 변수는 다음과 같다.

1) 높이 : 60층(324m), 80층, 120층, 160층 2) 형상 : Rectangular Type(BS), Set-Back Type(SB), Taper Type(TS) 3) CODE : KBC-S 2009, IBC2012, EURO CODE-1

본 논문은 다음과 같이 5장으로 구성되어 있으며, 각 장별 주요내용은 다음과 같다.

제 1 장 : 연구의 목적과 방법, 절차 제 2 장 : 기존 연구 고찰 제 3 장 : 형상별 풍하중과 전도모멘트 산정 결과 및 CODE별 비교 제 4 장 : 변위에 의한 사용성 평가 및 콘크리트 물량 평가, 안정성 평가 제 5 장 : 결론

위의 연구를 통해 결과를 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 기본모델에서 형상이 Set-Back Type, Taper Type로 변화함에 따라 풍하중의 크기는 5% 내외로 감소하지만 도심의 위치의 변화가 20-25%정도 감소효과가 크게 나타나므로 안정모멘트의 변화는 최대 30%까지 감소하였다. 그 결과 효율성이 Taper Type > Set-Back Type > Basic Type의 순으로 나타났다.

2. 바람은 지면으로부터 일정 한계선(기준경도풍 높이, Zg, 300m, KBC2009기준)까지는 풍하중이 증가하고 한계선 이상의 높이에서는 일정한 하중의 크기를 갖기 때문에 건축물에서 기준경도풍 높이 이상의 입면적을 감소시키는 것이 풍하중의 크기와 도심의 위치, 안정모멘트의 산출되는 값이 감소되는 것으로 나타났다. Set-Back Type와 Taper Type의 경우 전체 건물에 대해 수압면적은 동일하나 상부층에 비해 하부층의 수압면적이 증가하므로 풍하중에 대한 영향이 감소된다. 따라서 지면으로부터의 도심위치가 낮아지게 되고, 모멘트 팔길이가 길어지게 되므로 전도모멘트가 증가하게 되고 Safety Factor에도 영향을 준다.

3. KBC 2009, IBC 2012, EURO CODE-1의 세 가지의 기준을 비교한 결과 IBC 2012 < KBC 2009 < EURO CODE-1의 순으로 풍하중의 크기를 크게 고려하고 있다. 이러한 차이는 공기밀도, 바람의 평균속도를 측정하는 평균시간 그리고 재현주기의 차이로 인해 발생되는 결과이다.

4. 건물의 사용성을 확인하기 위하여 건물의 변위에 대한 해석을 하였다. 그 결과 기본모델에 비해 Taper Type는 80층에서 55.2%, 120층에서 53.1%, 160층에서는 51.2%로 평균 53.2%의 높은 비율로 감소하기 때문에 건물에서의 사용성에 대한 부분에서도 매우 큰 효율성이 있다.

5. 범용 구조해석프로그램인 MIDAS GEN(Ver. 800)을 통해 물량계산을 한 결과 콘크리트의 물량은 80층에서 41.7%, 120층에서는 59.6%, 160층에서는 74.9%의 감소 효율성을 보인다.

6. 탄소배출량은 국가 LCI 데이터베이스로 정해진 건축자재-레미콘의 탄소배출계수를 사용하여 계산한 결과 탄소배출량은 80층에서 41.7%, 120층에서는 59.6%, 160층에서는 74.9%의 감소하였다. 결과 값이 콘크리트 물량의 감소량과 같은 이유는 콘크리트 물량과 탄소배출량은 비례관계에 있으므로 두 물리량의 증감이 같은 경향을 보인다. 7. 구조 안정성 평가를 위해 기본모델과 Taper모델을 비교한 결과, Taper모델의 Safety Factor(S.F)의 값은 기준으로 정해진 2이상의 안정성을 초과하여 기준의 3배 이상의 값으로 인하여 건축물의 안정성을 더한다. 또한 지면으로부터 건물의 θ의 값이 88.8°를 기점으로 높은 층수의 건물들의 값의 크기가 현저히 증가하는 양상을 보인다.

8. 초고층 건물에서의 건물 형상에 따른 구조 안정성 및 경제성 평가한 결과 기본모델에 비해 Taper Type이 사용성과 안정성, 경제적 효율성에서 효과적인 것으로 나타났다. 초고층 건축물에서는 직사각형의 입면 형태보다는 상층부로 올라갈수록 단면적을 감소시키는 것이 효과적이다.