초고층 건물 철근 콘크리트 RC 비렌딜 아웃리거의 구조적 거동에 관한 연구 A study on the structural behavior of RC vierendeel outrigger system in high-rise reinforced concrete building원문보기
인구의 증가 및 도시의 발달로 인하여 건축물은 고층화되고, 이에 따라 국내에서도 초고층 건축에 지대한 관심을 보이기 시작하였고, 현재까지 발전시켜 왔다. 건물이 고층화됨에 따라 하중에 의한 건물의 변형이 중요하게 고려해야 하는 요소가 되어졌고, 건물의 횡변위를 제어하기 위한 시스템에 대한 연구는 계속해서 진행이 되어왔다. 초고층 건물의 횡변위를 제어하기 위한 시스템으로 아웃리거 시스템은 일반적으로 대다수의 건물에 적용되고 있고, 큰 하중전달을 위하여 트러스 강구조로 계획하는 것이 일반적이다. 하지만 계획적인 측면에서 아웃리거 보를 갖는 층은 공간을 활용함에 있어서 제약을 가지게 되고, 콘크리트와 철골이라는 서로 다른 부재의 시공으로 인해서 아웃리거 설치는 공기를 크게 증가시키는 원인이 되고 있다. 최근 들어 고층건물의 시공성을 높이고 공기를 단축하며 골조 건설비용을 줄이는 방법으로, 아웃리거 및 벨트트러스를 콘크리트 구조벽으로 대체하는 아웃리거 월(outrigger wall) 및 벨트월(belt wall) 공법이 시도되고 있다. ...
인구의 증가 및 도시의 발달로 인하여 건축물은 고층화되고, 이에 따라 국내에서도 초고층 건축에 지대한 관심을 보이기 시작하였고, 현재까지 발전시켜 왔다. 건물이 고층화됨에 따라 하중에 의한 건물의 변형이 중요하게 고려해야 하는 요소가 되어졌고, 건물의 횡변위를 제어하기 위한 시스템에 대한 연구는 계속해서 진행이 되어왔다. 초고층 건물의 횡변위를 제어하기 위한 시스템으로 아웃리거 시스템은 일반적으로 대다수의 건물에 적용되고 있고, 큰 하중전달을 위하여 트러스 강구조로 계획하는 것이 일반적이다. 하지만 계획적인 측면에서 아웃리거 보를 갖는 층은 공간을 활용함에 있어서 제약을 가지게 되고, 콘크리트와 철골이라는 서로 다른 부재의 시공으로 인해서 아웃리거 설치는 공기를 크게 증가시키는 원인이 되고 있다. 최근 들어 고층건물의 시공성을 높이고 공기를 단축하며 골조 건설비용을 줄이는 방법으로, 아웃리거 및 벨트트러스를 콘크리트 구조벽으로 대체하는 아웃리거 월(outrigger wall) 및 벨트월(belt wall) 공법이 시도되고 있다. RC 아웃리거 시스템은 실시설계단계 과정에서 설비덕트/파이프 등과 구조 부재 간의 간섭문제를 해결하고 현장적용성이 용이하고 공사기간 및 공사비 등에 유리한 특징을 가지고 있다. 하지만, 트러스 형태의 RC 아웃리거는 철근 배근의 형태가 복잡하여 시공성이 떨어지고, RC 아웃리거 월은 철근과 콘크리트의 물량을 증가시키고 공간 활용성이 떨어지는 단점을 가지고 있다. 이에 본 연구에서는 횡력 저항 시스템에 대하여 건축적, 구조적인 조건을 만족하면서 경제성을 확보할 수 있는 구조시스템에 대하여 고찰하고자 아웃리거의 형태 중 하나인 비렌딜 트러스를 이용한 RC 아웃리거 시스템의 구조적 거동과 효율성을 검토하고 아웃리거의 최적 위치를 제안하며 수평변위에 영향을 미치는 인자를 고찰하고자 한다. 본 논문은 총 5장으로 구성되어 있으며, 다음과 같이 구성된다. 제 1장에서는 연구의 배경 및 목적과 그에 따른 연구의 범위 및 방법 명시하고, 기존의 연구 현황을 조사하였다. 제 2장에서는 아웃리거 시스템의 기본적인 개념과 장단점을 서술하고, 비렌딜 트러스와 개념과 구조적인 거동원리를 서술하였다. 제 3장에서는 해석 모델의 형태 및 종류를 설명하고, 모델 부재의 데이터에 대한 정보와 설정된 수직 하중, 풍하중, 지진하중에 대한 정보를 서술하였다. 제 4장에서는 각 모델의 풍하중과 지진하중에 대한 거동의 결과를 비교·분석하고, 비렌딜 아웃리거의 최적 설계에 대하여 최적 위치를 제안하고, 부재 단면 이차 모멘트에 따른 수평변위를 비교하였다. 제 5장에서는 본 연구로부터 얻어진 결과를 기술하고, 앞으로 수행되어야 할 연구방향에 대하여 제시하였다. 본 연구에서는 철근콘크리트모멘트 골조를 가지는 55층 건물에서 비렌딜 아웃리거와 다른 아웃리거 시스템간의 효율성을 비교하고, 비렌딜 아웃리거의 최적위치를 파악하고자 하였으며, 이상의 목적으로 수행한 연구의 내용을 요약하면 다음과 같다. (1) 수평변위를 비교하면, 비렌딜 아웃리거 시스템은 다른 아웃리거 시스템과 비교하였을 때, 풍하중에서는 15~29%, 지진하중에서 10~20%의 저항 효과가 상대적으로 적었지만, 수평변위의 허용기준인 건물 높이에 대한 수평 변위비인 H/500을 만족하는 것으로 나타났다. (2) 층간변위에서는 비렌딜 아웃리거 시스템이 다른 아웃리거 시스템과 비교하였을 때, 풍하중에서는 14~26%, 지진하중에서는 7~15%의 저항 효과가 상대적으로 적었다. 하지만, 수평변위와 결과와 같이, 풍하중과 지진하중에 대한 층간변위의 허용기준인 층고에 대한 1/400과 0.015배에 대해서 만족하는 것으로 나타났다. (3) 동일한 수평변위를 놓고 비교했을 때, 비렌딜 아웃리거 시스템에서는 다른 아웃리거에서보다 최대 약 144tonf의 물량의 증가가 있었지만, 건물 전체에 대하여 증가율을 비교해 보았을 때는 최대 0.57%의 증가로 그 차이는 미미한 것으로 보인다. (4) 지진하중에 대한 주기를 비교하면, 비렌딜 아웃리거 시스템이 다른 아웃리거 시스템보다 높은 주기를 가졌고, 고차 모드에 가까울수록 주기가 거의 동일해지는 것을 보였다. 전체 물량의 차이가 크지 않은 것을 고려하였을 때, 비렌딜 아웃리거의 강성이 다른 아웃리거 시스템보다 낮은 것을 확인할 수 있었다. (5) 비렌딜 아웃리거는 두 개를 설치한 경우, 한 개를 설치했을 때보다 수평변위가 최대 5.15%의 감소량을 보였다. 또한, 아웃리거 간의 간격이 좁을수록 횡변위 제어 능력이 더 뛰어났고, 0.25H의 수평변위는 0.75H의 수평변위보다 3.95%의 감소량을 보였다. 두 개의 아웃리거의 간격이 0.25H이고, 상부 아웃리거가 최상층으로부터 0.29~0.30H의 위치에 설치될 때 가장 작은 최대 수평변위가 나타났다. (6) 비렌딜 아웃리거 수직 부재와 상하현재의 이차 단면 모멘트를 증가시켜 수평 변위량 감소를 비교해 보았을 때, 아웃리거 수직 부재의 강성 증가보다는 상하현재의 이차 단면 모멘트를 증가시키는 것이 횡변위 제어에 대해서 더 효율적이었다. 위의 내용을 조합해보면, 본 연구에서 제안한 비렌딜 아웃리거 시스템은 다른 아웃리거 시스템보다 구조적인 부분에서는 가장 낮은 효율을 나타냈다. 하지만 풍하중과 지진하중에 대해서 수평변위 기준을 만족하고, 공간 활용과 시공성에 대한 장점을 바탕으로 보았을 때 비렌딜 아웃리거는 경제적인 측면에서 효율적이므로 활용가치가 있는 시스템으로 사료된다.
인구의 증가 및 도시의 발달로 인하여 건축물은 고층화되고, 이에 따라 국내에서도 초고층 건축에 지대한 관심을 보이기 시작하였고, 현재까지 발전시켜 왔다. 건물이 고층화됨에 따라 하중에 의한 건물의 변형이 중요하게 고려해야 하는 요소가 되어졌고, 건물의 횡변위를 제어하기 위한 시스템에 대한 연구는 계속해서 진행이 되어왔다. 초고층 건물의 횡변위를 제어하기 위한 시스템으로 아웃리거 시스템은 일반적으로 대다수의 건물에 적용되고 있고, 큰 하중전달을 위하여 트러스 강구조로 계획하는 것이 일반적이다. 하지만 계획적인 측면에서 아웃리거 보를 갖는 층은 공간을 활용함에 있어서 제약을 가지게 되고, 콘크리트와 철골이라는 서로 다른 부재의 시공으로 인해서 아웃리거 설치는 공기를 크게 증가시키는 원인이 되고 있다. 최근 들어 고층건물의 시공성을 높이고 공기를 단축하며 골조 건설비용을 줄이는 방법으로, 아웃리거 및 벨트트러스를 콘크리트 구조벽으로 대체하는 아웃리거 월(outrigger wall) 및 벨트월(belt wall) 공법이 시도되고 있다. RC 아웃리거 시스템은 실시설계단계 과정에서 설비덕트/파이프 등과 구조 부재 간의 간섭문제를 해결하고 현장적용성이 용이하고 공사기간 및 공사비 등에 유리한 특징을 가지고 있다. 하지만, 트러스 형태의 RC 아웃리거는 철근 배근의 형태가 복잡하여 시공성이 떨어지고, RC 아웃리거 월은 철근과 콘크리트의 물량을 증가시키고 공간 활용성이 떨어지는 단점을 가지고 있다. 이에 본 연구에서는 횡력 저항 시스템에 대하여 건축적, 구조적인 조건을 만족하면서 경제성을 확보할 수 있는 구조시스템에 대하여 고찰하고자 아웃리거의 형태 중 하나인 비렌딜 트러스를 이용한 RC 아웃리거 시스템의 구조적 거동과 효율성을 검토하고 아웃리거의 최적 위치를 제안하며 수평변위에 영향을 미치는 인자를 고찰하고자 한다. 본 논문은 총 5장으로 구성되어 있으며, 다음과 같이 구성된다. 제 1장에서는 연구의 배경 및 목적과 그에 따른 연구의 범위 및 방법 명시하고, 기존의 연구 현황을 조사하였다. 제 2장에서는 아웃리거 시스템의 기본적인 개념과 장단점을 서술하고, 비렌딜 트러스와 개념과 구조적인 거동원리를 서술하였다. 제 3장에서는 해석 모델의 형태 및 종류를 설명하고, 모델 부재의 데이터에 대한 정보와 설정된 수직 하중, 풍하중, 지진하중에 대한 정보를 서술하였다. 제 4장에서는 각 모델의 풍하중과 지진하중에 대한 거동의 결과를 비교·분석하고, 비렌딜 아웃리거의 최적 설계에 대하여 최적 위치를 제안하고, 부재 단면 이차 모멘트에 따른 수평변위를 비교하였다. 제 5장에서는 본 연구로부터 얻어진 결과를 기술하고, 앞으로 수행되어야 할 연구방향에 대하여 제시하였다. 본 연구에서는 철근콘크리트 모멘트 골조를 가지는 55층 건물에서 비렌딜 아웃리거와 다른 아웃리거 시스템간의 효율성을 비교하고, 비렌딜 아웃리거의 최적위치를 파악하고자 하였으며, 이상의 목적으로 수행한 연구의 내용을 요약하면 다음과 같다. (1) 수평변위를 비교하면, 비렌딜 아웃리거 시스템은 다른 아웃리거 시스템과 비교하였을 때, 풍하중에서는 15~29%, 지진하중에서 10~20%의 저항 효과가 상대적으로 적었지만, 수평변위의 허용기준인 건물 높이에 대한 수평 변위비인 H/500을 만족하는 것으로 나타났다. (2) 층간변위에서는 비렌딜 아웃리거 시스템이 다른 아웃리거 시스템과 비교하였을 때, 풍하중에서는 14~26%, 지진하중에서는 7~15%의 저항 효과가 상대적으로 적었다. 하지만, 수평변위와 결과와 같이, 풍하중과 지진하중에 대한 층간변위의 허용기준인 층고에 대한 1/400과 0.015배에 대해서 만족하는 것으로 나타났다. (3) 동일한 수평변위를 놓고 비교했을 때, 비렌딜 아웃리거 시스템에서는 다른 아웃리거에서보다 최대 약 144tonf의 물량의 증가가 있었지만, 건물 전체에 대하여 증가율을 비교해 보았을 때는 최대 0.57%의 증가로 그 차이는 미미한 것으로 보인다. (4) 지진하중에 대한 주기를 비교하면, 비렌딜 아웃리거 시스템이 다른 아웃리거 시스템보다 높은 주기를 가졌고, 고차 모드에 가까울수록 주기가 거의 동일해지는 것을 보였다. 전체 물량의 차이가 크지 않은 것을 고려하였을 때, 비렌딜 아웃리거의 강성이 다른 아웃리거 시스템보다 낮은 것을 확인할 수 있었다. (5) 비렌딜 아웃리거는 두 개를 설치한 경우, 한 개를 설치했을 때보다 수평변위가 최대 5.15%의 감소량을 보였다. 또한, 아웃리거 간의 간격이 좁을수록 횡변위 제어 능력이 더 뛰어났고, 0.25H의 수평변위는 0.75H의 수평변위보다 3.95%의 감소량을 보였다. 두 개의 아웃리거의 간격이 0.25H이고, 상부 아웃리거가 최상층으로부터 0.29~0.30H의 위치에 설치될 때 가장 작은 최대 수평변위가 나타났다. (6) 비렌딜 아웃리거 수직 부재와 상하현재의 이차 단면 모멘트를 증가시켜 수평 변위량 감소를 비교해 보았을 때, 아웃리거 수직 부재의 강성 증가보다는 상하현재의 이차 단면 모멘트를 증가시키는 것이 횡변위 제어에 대해서 더 효율적이었다. 위의 내용을 조합해보면, 본 연구에서 제안한 비렌딜 아웃리거 시스템은 다른 아웃리거 시스템보다 구조적인 부분에서는 가장 낮은 효율을 나타냈다. 하지만 풍하중과 지진하중에 대해서 수평변위 기준을 만족하고, 공간 활용과 시공성에 대한 장점을 바탕으로 보았을 때 비렌딜 아웃리거는 경제적인 측면에서 효율적이므로 활용가치가 있는 시스템으로 사료된다.
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