초고층 RC 플랫 플레이트 시스템의 연쇄붕괴 저항성능 평가

Abstract

현재 세계 각국에서는 도시화에 따른 인구, 교통, 환경, 그리고 공해문제 등을 해결하기 위해 노력하고 있으며, 건설 산업에서도 이러한 문제점을 근본적으로 개선하기 위한 대안으로 초고층 건물이 부각되고 있다. 그 이유는 초고층 건물은 수직도시(Vertical City)로서 대도시의 부족한 토지자원의 효과적인 활용을 통해 도시인구 수용문제 해결할 수 있으며, 지구환경문제와 관련된 친환경 에너지 활용에 따른 에너지 절약, 도심 녹지 증가 등의 효과가 있고, 교통 혼잡 완화에 따른 교통비용 절감 및 대기오염의 저감이 가능하기 때문이다. 또한, 초고층 건물은 첨단건축공학기술의 집합체로 200년 이상 유지가 가능한 지속가능한 첨단 수직도시로서 무분별한 재건축을 방지할 수 있는 장점이 있다. 이에 따라 국내에서도 지속가능한 초고층 건물을 위해 국내에서도 자연재해에 대비한 내진, 내풍 설계 및 구조 시스템개발 등이 많이 연구되고 있다. 그러나 지속가능한 초고층 건물을 위해서는 자연재해뿐만 아니라 붕괴 및 대형 인명피해가 우려되는 화재, 폭발 등과 같은 비정상하중에 의한 저항성능의 검토가 필요하나, 현재 국내 설계기준에서는 이에 대한 지침이 마련되어 있지 않은 상태이다. 따라서 본 연구에서는 일반적으로 많이 참고되는 해외기준의 연쇄붕괴 해석법을 검토하고, 최근 초고층 복합 건물의 구조시스템으로 사용이 보편화 되어 있는 철근콘크리트(RC) 플랫 플레이트 구조의 연쇄붕괴 저항성능 평가를 실시하여, 지속가능한 초고층 구조설계 기술을 위한 기초자료로 제시하고자 하였다.

본 연구는 다음과 같이 5장으로 구성되어 있다.

제 1장은 연구의 배경 및 목적, 연구의 방법을 기술하였다.

제 2장은 국내 설계기준으로 내진 설계된 해석모델을 대상으로 GSA 가이드라인에서 제시하고 있는 연쇄붕괴 저항성능 해석법의 평가 방법을 각각 적용하여 평가하였다. 해석법은 선형정적, 선형동적, 비선형정적을 사용하였다.

제 3장은 내진 설계된 플랫 플레이트 시스템의 연쇄붕괴 저항성능을 평가하기 위해 플레이트 요소와 유효보폭 모델을 대상으로 각각 선형정적해석을 수행하여 연쇄붕괴 저항성능 평가를 수행하였다.

제 4장은 초고층 RC 플랫 플레이트구조의 연쇄붕괴 저항성능을 평가하기 위해 이중골조, 아웃리거-벨트트러스, 가새골조 시스템에 플레이트 요소를 적용하여 선형정적해석을 이용한 연쇄붕괴 저항성능 평가를 수행하였다.

제 5장은 본 연구를 토대로 얻은 결론을 기술하였다.

본 연구에서는 초고층 건물에서 지속가능한 RC 플랫 플레이트구조의 설계를 위해 국내 구조설계기준에서 고려되지 않고 있는 연쇄붕괴 저항성능을 평가하고자 하였다. 정확한 평가를 위해 GSA 기준에서 제시하는 정적 및 동적해석방법에 따른 차이를 분석하고, 연쇄붕괴 해석 시에 슬래브의 기여를 반영하기 위한 플레이트 요소를 사용하여 연쇄붕괴 해석모델을 결정하였다. 해석 대상 구조 시스템은 현재 많이 사용되고 있는 이중골조 시스템, 아웃리거-벨트트러스 시스템, 가새골조 시스템을 대상으로 하였으며, GSA 가이드라인 기준에 따른 DCR 값의 차이를 비교하여 해석 모델의 연쇄붕괴 저항성능을 평가하였으며, 그 결과를 정리하면 다음과 같다.

1) 국내 설계기준에 의한 본 해석모델의 내진 설계된 RC 모멘트저항골조 시스템과 80층 해석 모델은 저층부에서 DCR 값이 2이상 발생하여 연쇄붕괴에 충분한 대체하중경로를 제공하지 못하는 것으로 판단되며, 연쇄붕괴에 대한 고려를 위해서는 접합부 및 슬래브 주두보강, 테두리보 설치 등 추가 보강이 필요할 것으로 판단된다.

2) 정적 및 동적해석을 수행한 결과 정적해석결과가 보다 보수적인 결과를 나타내었으며, 현재 정적해석 시 동적효과를 고려하기 위한 계수 2가 충분히 동적효과를 반영하고 있는 것으로 판단된다. 따라서 해석 시간과 분석의 편이를 고려한다면 비정형 등을 제외한 일반적인 대칭형 건물에 대해서는 선형정적해석만으로 평가가 가능할 것으로 판단된다.

3) 현재 무량판 구조에서 사용되는 유효보폭 모델은 횡력에 대한 해석에는 유용한 모델이지만 중력방향의 비정상하중에 의한 기둥제거 효과를 고려하기 위한 연쇄붕괴 성능평가에서는 상세 유한요소해석결과와 상이한 결과를 나타내었으며, 슬래브에 의한 하중재분배 효과를 고려하지 못하였다. 따라서 플랫플레이트 구조의 연쇄붕괴성능평가를 위해 다소의 해석모델링의 어려움이 있지만 슬래브의 요소를 고려한 상세유한요소 해석을 수행하여야 할 것으로 판단된다.

4) 구조시스템의 연쇄붕괴 저항성능 평가 시 가새골조 시스템은 외각에 설치된 가새로 인해 강성 증가에 따른 대체하중경로를 확보하는 것으로 판단된다.

=> 가새골조 > 아웃리거-벨트 트러스 > 이중골조

5) 폭발 등의 비정상하중에 의한 연쇄붕괴의 경우 자연재해에 비해 발생확률이 높지는 않지만 다른 일반적인 건물에 비해 장수명화가 예상되는 지속가능한 수직도시로서의 초고층 건물의 역할을 고려할 때 설계단계에서 연쇄붕괴에 대한 평가 및 취약부위에 대한 추가적인 조치가 필요하다.