바닥브레이스를 이용한 초고층건축물의 횡변위 제어에 관한 연구

Abstract

단일구조시스템인 아웃리거 또는 튜브시스템은 초고층건축물의 횡변위를 제어하는데 매우 탁월하나 전단강성의 부족이나 전단지연현상과 같은 구조적 문제를 야기한다. 따라서 코어를 전단벽으로 하여 코어에서 전단력에 충분히 저항하도록 하는 전단벽 아웃리거시스템, 중간에 튜브 구조체를 삽입하여 슬래브를 통해 전단력을 분배시키는 묶음튜브시스템과 같은 단일구조시스템을 조합한 형식이 대안시스템으로 제시되어왔다. 그러나 이러한 시스템 또한 새로운 구조적 문제를 야기함에 따라 기존의 것과 다른 새로운 개념의 구조시스템의 개발을 필요로 한다.

앞서 언급한 구조시스템을 포함한 이미 많은 연구에서 초고층건축물의 수직부재 즉, 벽체나 기둥의 강성을 효율적으로 확보하여 횡변위 제어를 달성하는 것을 주제로 하였으나, 수평부재에 의한 변위제어에 대한 연구는 주로 flat-plate 시스템에서 슬래브의 일부를 횡력에 대한 저항요소로 치환하여 유효보의 개념으로 접근하는 방식에 그쳐있다.

따라서 본 연구는 기존 구조시스템이 가지는 문제점을 최소화하고, 이를 대체할 수 있는 효율적 횡변위 제어시스템의 일환으로 수평부재인 바닥 브레이스를 이용한 시스템의 효율성을 검증하는 것을 주제로 하였다. 이는 초고층 건축물의 수평요소를 이용한 효율적인 횡변위 제어라는 새로운 연구 테마를 제시하며 본 논문의 제안 시스템의 효율성을 검증하여 향 후 효율적인 초고층건축물 설계에 자료를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 논문은 다음과 같이 구성되었다.

제 1장은 연구의 배경 및 목적, 연구방법 및 절차, 범위에 관하여 기술하였다.

제 2장은 기존의 초고층건축물 횡변위제어시스템에 관한 연구의 고찰을 기술하였다.

제 3장은 단층골조를 모델링하여 부재연결형태별로 절점의 변위와 보의 부재력 그리고 기둥의 부재력을 해석하여 수평부재인 보요소의 배치형태에 따라 횡변위 제어에 기여하는 바를 분석하여 기술하였다.

제 4장은 전단벽 아웃리거시스템과 바닥브레이스시스템 그리고 라멘구조시스템의 초고층건축물 적용모델을 해석•비교하여 최종적으로 초고층건축물의 횡력저항시스템으로서의 바닥브레이스시스템의 효율성을 검증•기술하였다.

제 5 장은 본 연구를 수행하여 얻은 결론을 기술하였다.

본 연구에서는 단층골조 해석을 통한 바닥브레이스의 역할분석과 이를 적용한 초고층구조시스템의 해석의 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.

1. 구조물 외주부와 내부코어를 연결하는 바닥브레이스는 구조물 내•외부 변위 차를 조절하여 변위 차이에 의해 유발된 특정 부재로의 응력집중을 방지한다. 즉, 평면 내에서 하중을 고르게 분배하는 역할을 한다. 이것은 바닥브레이스의 사용을 통해 효율적인 횡변위 제어가 가능할 수 있다는 것을 보여준다.

2. 바닥브레이스가 모서리기둥과 코어를 직접 연결하는 경우와 외주부 기둥사이를 연결하는 경우에 대하여 바닥브레이스는 부재 방향과 상관없이 횡력을 분배시켜 횡 변위를 제어하는 효과가 있다고 판단된다.

3. 바닥브레이스는 기둥에 대하여 특정 기둥으로의 하중 집중을 없애고, 기둥 상부에서의 변위 최대값을 감소시키므로 외주부의 변위가 커지는 초고층구조물에 적용시 횡변위제어에 효과적일 것으로 판단된다.

4. 바닥브레이스시스템은 아웃리거시스템과 동일한 코어벽체 두께에 대해서 바닥브레이스의 배치 및 내부 보의 단면강성의 조절에 따라 아웃리거 시스템과 비슷한 횡변위 제어 효과를 가지는 것으로 판단된다.

5. 바닥브레이스시스템은 전 층에 걸쳐 수직적으로 부재응력의 과다발생이 없고, 상부 층으로 갈수록 수직부재 응력이 감소하는 분포형태를 가진다.

6. 변위각과 처짐각의 급격한 변화는 풍가속도에 대한 응답가속도의 증가를 야기하고 이는 다시 층 거주성에 부정적 영향을 준다. 그러나 바닥브레이스 시스템은 횡하중에 의한 변위각 및 변위의 분포가 완만하므로 거주성문제를 야기하지 않는다. 허용 층가속도에 의한 거주성평가는 추후 연구할 필요가 있다고 판단된다.

7. 바닥브레이스시스템은 라멘구조시스템과 비교하여 부재 단면치수가 작을 때 더욱 효과적이다. 이것은 바닥브레이스가 횡하중을 분산시킨 결과로, 바닥브레이스시스템은 구조물의 단면을 감소시키면서 횡력에 효과적으로 저항하는 경제적인 시스템으로 사료된다.

8. 바닥브레이스 시스템은 허용 횡변위를 만족시키면서 기존의 라멘구조시스템과 비교하여 코어면적을 4.62%가량 감소시킬 수 있다. 이에 따라 콘크리트의 물량은 증가하여 경제성을 떨어뜨리나 분양면적은 증가하여 경제성을 높인다. 그러나 물량증가에 따른 경제적 손실은 건축면적의 증가로 얻는 이윤에 비하여 매우 미미하므로 바닥 브레이스 시스템은 코어면적을 감소시킬 경우에도 경제성을 확보할 수 있다.

본 연구에서 효율성을 검증한 바닥브레이스 시스템은 벽식 구조와 무량판 아웃리거시스템과 비교하여 높은 층고로 계획되어야 하는 단점을 가진다. 그러나 벽식 구조에 비하여 벽량 감소, 평면활용의 자유로움의 장점이 있으며, 주된 비교대상인 무량판 아웃리거시스템이 가지는 Slab Punching Shear와 연쇄붕괴의 문제가 발생하지 않는 장점이 있다. 또한 내부 보를 갖는 라멘조와 비교하여 슬래브 내에서 동일한 크기의 보를 사용하면서 변위제어효과를 보이므로 층고 문제는 발생하지 않을 것으로 판단된다. 따라서 실제 구조물 계획 시 시스템의 선정은 선택의 문제가 될 것으로 사료된다.