초고층 철근콘크리트 건물의 구조 최적설계

Abstract

초고층건축물은 높이가 올라갈수록 건물의 세장비가 높아져 수직하중보다 풍하중과 같은 횡하중에 민감하게 된다. 수평하중에 의한 건축물의 과도한 횡변위는 거주자의 불쾌감을 유발시키며 외장재와 엘리베이터, 배관설비 등을 손상시켜 사용성에 큰 문제를 일으킬 수 있다. 따라서 초고층 건축물의 설계주안점은 횡변위를 허용변위 이내로 효율적으로 제어하는 것이 되며 강도설계보다 강성설계가 부재 크기 결정에 큰 영향을 미친다. 하지만 초고층건축물은 부재수가 수천에서 수만 개에 이르러 기존의 기술자의 경험에 의한 시행오차 방법에 의한 강성설계를 할 경우 상당한 시간이 소요되며 횡변위를 만족하는 최적의 부재 크기를 결정하는 데에 많은 어려움이 따른다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해서 많은 연구가 있어 왔으며, 이 중 최적설계기법은 구하고자 하는 건축물의 부재설계를 정량적이며 효율적으로 단면크기 결정을 할 수 있는 것으로 알려져 있다. 그러나 기존 연구들은 강구조 등의 일부 구조시스템에 한정되었으며, 다양한 구조시스템에서 최적화기법의 적용에 대한 연구는 부족한 상태이다. 따라서 본 연구에서는 초고층 RC 구조시스템에서 기존의 최적화 알고리즘을 이용하여 설계변수, 목적함수, 제약조건식, RC부재의 단면특성식을 설정하여 강성최적설계가 이루어지도록 하였다. 최적설계의 효용성을 검토하기 위하여 수평하중과 수직하중을 동시에 받는 40층 규모의 강접골조, 전단벽-골조, 아웃리거-골조 시스템 건축물의 최적단면설계를 수행하였다.

본 논문은 다음과 같이 구성되었다.

제 1장은 연구의 배경 및 목적, 연구내용 및 방법을 기술하였다.

제 2장은 최적 설계 이론의 고찰로써 최적설계 기존연구 분석과 본 연구의 설계 문제 정식화, 설계변수, 목적함수, 제약조건을 수립하였다.

제 3장은 해석모델 개요와 설계하중, 부재 그루핑에 대하여 기술하였다.

제 4장은 적용 모델의 해석결과 값에 대하여 횡변위, 층간변위율, 변위기여도, 최적단면, 물량을 비교, 분석하였다.

제 5장은 본 연구를 토대로 얻은 결론을 기술하였다.

본 연구는 실제적인 RC 초고층 건축물의 최적설계에 활용할 수 있는 연구 자료가 되는데 중점을 두었으며 강접골조, 전단벽골조, 아웃리거 골조로 계획하여 최적설계를 수행하였다. 최적설계는 각 부재의 한 변의 길이를 설계 변수로 하여 중량 최소 목적함수, 층간변위율 제약조건, 층 단위 그루핑, 변위기여도, 물량에 대하여 분석하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) 설계변수에 대한 결론 콘크리트 건축물의 특성상 각 부재의 치수는 무한한 선택 가능성이 있으므로 각 부재의 가로길이, 세로길이를 설계변수로 설정하여 정식화 하였다. 정식화된 식은 설계 해에 안정적으로 수렴하여 그 효용성을 입증하였다.

2) 층간변위율에 대한 결론 층간변위율 제약조건 0.0025로 최적설계 수행결과 계획된 세 모델 모두 최상층 허용변위와 층간변위율을 만족하였다. 층 단위 그루핑에 의한 변화를 살펴보면 부재 그룹이 변화하여 층간성이 달라지는 곳에서 RF와 OF의 층간변위차가 상대적으로 크게 나타남을 알 수 있었다. 하지만 WF의 경우 5개층, 10개층 그루핑 모두에서 일정한 층간변위차를 보였다. WF나 OF에서 나타나는 층간변위차를 줄이기 위하여 최적설계 전 부재 그루핑 단계에서 민감도 계수 등에 의해 그루핑이 고려될 수 있지만 실제적으로 그루핑은 시공성이나 평면계획에 따라 많이 이루어지므로 최적설계 과정에서 그루핑에 의한 급격한 강성차이를 줄일 수 있는 최적기법 연구가 추후 필요할 것으로 판단된다. 3) 변위기여도에 대한 결론 각 모델의 변위기여도를 분석한 결과 강접골조와 아웃리거골조는 최상층 횡변위에 기여하는 부재의 변위기여도 순서가 같았으며 아웃리거 골조의 경우 아웃리거의 횡변위 저항 능력은 다른 부재보다 크게 나타났다. 그리고 각 부재의 물량 증감율과 변위기여도의 상관관계를 보면 초기 가정된 단면의 설계에 대해 평가할 수 있는 기준을 제공하게 되는데 변위기여도가 초기설정과 최적설계 후 비슷한 값을 가질 경우 물량의 감소가 크게 나타나면 초기 가정단면이 과대 설계 되었다 보고 물량이 증가할 경우 초기의 단면이 과소 설계 되었다고 판단할 수 있다. 또한 최적설계에서 얻은 각 시스템별 변위기여도를 이용하여 설계과정 시 단면수정이 필요한 부재를 예측하여 보다 합리적인 설계가 가능 할 것으로 기대된다.

4) 물량분석에 대한 결론 각 시스템별 물량 증감률이 층간 그루핑 단위가 작을수록 크게 나타났으며 최적설계 후 5개층 그루핑의 최종물량은 RF의 경우 17.2% 감소하였고 WF는 가장 많은 감소량을 나타내어 43.1% 감소하였다. 그리고 OF는 17.9% 감소하였다. 10개층 그루핑의 경우 감소량은 5개층 그루핑 보다 적으며 RF의 경우 14.4%, WF가 34.5% 그리고 OF가 13.3% 감소함으로써 최적화기법을 초고층 건축구조물의 초기설계단계에서 사용할 경우 효율적인 설계가 가능할 것으로 판단된다.

5) 최적설계 기법에 대한 결론 각 모델별 감소된 최종 물량의 감소율이 RF에서 14.4~17.2%, WF에서 34.5~43.1%, OF에서는 13.3~17.9% 감소하여 최적설계의 효과가 나타났으며 최적설계 후 각 시스템별 물량의 차이는 1.5~4.3%로 비교적 작은 차이를 보이고 있다. 따라서 실제적인 초고층건축물의 최적설계는 상세 설계 시 최적설계에서 얻은 정보를 이용하여 설계자의 판단에 의한 재래설계과정을 거쳐 상호 보완적으로 설계가 이루어질 때 더욱 효율적인 최적설계가 가능하다고 판단된다.