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문제 정의
- 특히 고층 구조물의 경우 횡하중 저항을 위한 다양한 구조시스템이 도입되는데 이러한 횡하중 저항 시스템들이 지반-구조물 상호작용에 미치는 거동특성에 대한 평가가 매우 미흡한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 말뚝기초를 사용한 골조튜브 및 가새튜브시스템의 고층 구조물을 대상으로 구조물의 역학적 거동 특성을 비교․분석하고, 지반-구조물 상호작용이 구조해석결과에 중요한 변수임을 제시하고자 한다.
가설 설정
- 본 연구에서는 일방향 재하만을 고려하며, 구조물에 변위가 작게 발생하여 탄성범위를 넘지 않는다는 가정하에 p-y 곡선의 스프링 계수 값을 구하면 Table 7과 같다.
- 사용된 재료 특성은 Table 1과 같고, 상부구조물의 부재 설계는 외주부의 기둥들이 수평하중을 지지하고 내부의 기둥들이 수직하중을 지지한다고 가정하여 대한건축학회의 하중기준에 의해 풍하중을 작용시켜 예비 단면을 산정(2)하였다. 기둥의 단면 형태는 정방형의 Box형을, 보의 단면 형태는 H형강을 사용하였으며, AIK-ASD83의 규준을 만족하는 범위에서 10층 단위로 그룹핑하여 최적설계를 수행하였다.
제안 방법
- 1) 본 연구에서는 초고층 구조물의 골조튜브 및 가새 튜브시스템에 p-y 스프링 모델과 6스프링 모델링 기법을 적용하여, 지반과 구조물 상호작용에 따른 고층 구조물의 역학적 거동을 파악하였다. 그 결과 제한된 모델로도 지반-구조물 상호작용이 구조설계시 중요한 변수임을 알 수 있었고, 또한 구조시스템 변화에 따른 지반 구조물 상호작용의 영향을 비교 분석할 수 있었다.
- 본 연구에서는 p-y 곡선을 이용한 스프링 계수를 구하여 지반의 깊이별로 적용시키는 방법과, 6개의 스프링 계수를 구하여 구조물 하부에 적용시키는 방법을 통해 지반의 연성을 고려하였다. 각각의 모델링 방법을 사질토와 점성토 두 지반에 적용시키고, 그 결과치를 지반의 연성을 고려하지 않은 고정단의 경우와 비교하였다. 그리고 고층구조시스템 변화에 따른 지반상호작용의 효과를 알아보기 위하여 골조튜브시스템과 이에 가새를 추가한 가새튜브시스템에 적용하여 결과를 비교하였다.
- 각각의 모델링 방법을 사질토와 점성토 두 지반에 적용시키고, 그 결과치를 지반의 연성을 고려하지 않은 고정단의 경우와 비교하였다. 그리고 고층구조시스템 변화에 따른 지반상호작용의 효과를 알아보기 위하여 골조튜브시스템과 이에 가새를 추가한 가새튜브시스템에 적용하여 결과를 비교하였다. 해석 결과는 Table 8와 같으며, 골조튜브에 대한 가새튜브의 결과치의 비(Fig.
- 하였다. 기둥의 단면 형태는 정방형의 Box형을, 보의 단면 형태는 H형강을 사용하였으며, AIK-ASD83의 규준을 만족하는 범위에서 10층 단위로 그룹핑하여 최적설계를 수행하였다. 결과는 Table 2와 같다.
- 본 논문에서는 지반-구조물 상호작용을 고려하기 위하여 Fig. 1과 같이 총 3가지 모델을 두 가지의 지반에 적용하여 기초를 모델링하였다. 모델링 방법은 지반면을 고정단으로 가정하는 고정단 모델(fixed-end model, Fig.
- 본 연구에서는 p-y 곡선을 이용한 스프링 계수를 구하여 지반의 깊이별로 적용시키는 방법과, 6개의 스프링 계수를 구하여 구조물 하부에 적용시키는 방법을 통해 지반의 연성을 고려하였다. 각각의 모델링 방법을 사질토와 점성토 두 지반에 적용시키고, 그 결과치를 지반의 연성을 고려하지 않은 고정단의 경우와 비교하였다.
- 5와 같이 무차원화된 p-y곡선을 표시하고 있으며, 그림 중의 실선은 일방향 재하시, 파선은 단시간 정부교대 재하시의 p-y 곡선을 나타내고 있다. 본 연구에서는 일방향 재하시만 고려하여 스프링 계수를 구하고, Fig. 5에서와 같이 p-y 곡선의 곡선 부분을 원점과 포인트 e를 잇는 직선으로 단순화하여 구한 기울기를 스프링 계수로 취하였다.
- 실제 말뚝의 거동은 현장특성에 따라 한계값들 사이에 존재하므로 본 연구에서는 평균값을 취하여 하중-변위곡선으로 삼고, 극한 지지력의 60% 하중값에 해당하는 할선 강성을 취하여 단말뚝 축방향강성을 얻었다. 그 외의 단말뚝 강성값들은 말뚝의 휨강성, 지반반력계수값을 이용하여 도표(4)를 통해 간단히 구할 수 있다.
- 지반 조건에 따른 지반-구조물 상호작용을 살펴보기 위해서 Fig. 4와 같은 사질토 지반과 점성토 지반 조건에 대해 각각 해석을 수행하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 해석한 구조물의 말뚝은 Fig. 3에서와 같이 지름(D)은 0.4m이고 말뚝중심간 거리는 1.2m이다. 따라서 말뚝지름에 대한 말뚝 중심간 간격비는 3이다.
- 본 연구에서는 상부구조물로 Fig. 2와 같은 정방향 30m×30m의 골조튜브시스템(1)과 가새튜브시스템의 60층 철골 구조물을 모델로 사용한다. 골조튜브는 기본적인 튜브시스템으로 건물의 외부벽체에 최소한의 개구부만을 두어 건물전체가 속이 빈 튜브와 같이 거동하여 횡하중에 효율적으로 저항하는 구조시스템이다.
- 본 해석에 사용된 지진파는 단주기와 장주기 성분을 모두 가지고 있는 El Centro 지진파(1940, El Centro Site, 180 Deg, 1940, El Centro Site, 270 Deg)로서 최대 가속도 크기는 기반암 노두 최대 가속도로서 0.11g를 적용하였다.
이론/모형
- 6스프링 모델에서 사용되는 스프링 계수는 미도로국(U.S Department of Transportation Highway Administration,1996)(4)에서 제시한 방법을 따라 구하였으며, 구조물 하단에 3개의 이동 선형스프링과 3개의 회전 선형스프링으로 모사하였다.
- 본 연구에서는 연약한 점성토층에서는 Matlock의 제안식을, 사질토층에서는 Reese-Cox-Koop의 제안식을 적용하여 p-y 스프링 계수를 산정하였다.
성능/효과
- 1차모드의 질량참여율에도 지반의 연성을 고려하여 기초를 모델링 한 경우가 고정단 모델보다 최대 29% 1차모드 질량참여율이 증가하여 저차모드의 영향력이 높아짐을 알 수 있었으며, 이러한 경향은 골조튜브보다 가새튜브시스템의 경우 두드러지게 나타났다. 또한 골조튜브시스템에 가새가 추가됨에 따라 1차모드 질량 참여율에서는 전반적으로 5% 이내의 미소한 증가를 나타내었다.
- 2) 지반-구조물 상호작용을 고려한 모델의 거동은 기존 해석방법인 고정단 모델의 거동과 무시할 수 없는 차이를 보였다. 층간변위 및 최대응력비에서는 기존 고정단 모델의 방법이 지반 연성을 고려한 경우보다 큰 값을 보여, 기존 모델링 방법이 안전측이지만 다소 비경제적인 설계방법임을 나타내는 결과를 보였다.
- 3) 지반의 연성을 고려하지 않는 고정단 모델과 지반의 연성을 고려한 모델간의 거동 변화는 전반적으로 골조튜브보다 가새튜브시스템에서 두드러지게 나타나 가새튜브시스템에서 지반 모델링 기법에 더욱 세심한 주의가 필요한 것으로 나타났다.
- 4) 골조튜브시스템과 가새튜브시스템의 결과를 비교하여 가새가 튜브구조물의 거동에 끼치는 영향을 살펴보면, 지반 연성을 고려한 모델과 고려하지 않은 고정단 모델에 따라 차이를 보였다. 골조튜브에 가새를 설치함에 따른 층간변위 및 주기의 감소는 지반을 고려한 경우보다 고정단 가정을 사용할 경우가 더 크게 감소하여 고정단 가정을 사용할 경우 가새의 층간변위 제어효과 및 주기 감소효과가 더 크게 평가됨을 알 수 있었다.
- 4) 골조튜브시스템과 가새튜브시스템의 결과를 비교하여 가새가 튜브구조물의 거동에 끼치는 영향을 살펴보면, 지반 연성을 고려한 모델과 고려하지 않은 고정단 모델에 따라 차이를 보였다. 골조튜브에 가새를 설치함에 따른 층간변위 및 주기의 감소는 지반을 고려한 경우보다 고정단 가정을 사용할 경우가 더 크게 감소하여 고정단 가정을 사용할 경우 가새의 층간변위 제어효과 및 주기 감소효과가 더 크게 평가됨을 알 수 있었다. 그리고 가새 추가로 인한 최대응력비의 감소는 지반의 연성을 고려한 모델이 고정단 모델보다 감소폭이 크게 나타났다.
- 구조물의 주기에 있어서는 가새튜브시스템에 점성토 지반의 p-y 스프링을 적용한 모델의 주기가 동일 조건의 고정단 모델보다 27% 증가하는 등, 고정단 모델에 비해 지반조건을 고려한 경우 주기가 증가하고, 이러한 증가폭은 골조튜브보다 가새튜브시스템에서 더 두드러지게 나타났다. 그리고 가새가 추가됨에 따라 고정단 모델의 경우 주기가 17% 감소한 반면, 지반상태를 고려한 경우는 최대 10% 감소하여 고정단 모델이 지반연성을 고려한 경우보다 가새추가로 인한 주기의 변화가 더 두드러졌다.
- 1) 본 연구에서는 초고층 구조물의 골조튜브 및 가새 튜브시스템에 p-y 스프링 모델과 6스프링 모델링 기법을 적용하여, 지반과 구조물 상호작용에 따른 고층 구조물의 역학적 거동을 파악하였다. 그 결과 제한된 모델로도 지반-구조물 상호작용이 구조설계시 중요한 변수임을 알 수 있었고, 또한 구조시스템 변화에 따른 지반 구조물 상호작용의 영향을 비교 분석할 수 있었다.
- 골조튜브에 가새를 설치함에 따른 층간변위 및 주기의 감소는 지반을 고려한 경우보다 고정단 가정을 사용할 경우가 더 크게 감소하여 고정단 가정을 사용할 경우 가새의 층간변위 제어효과 및 주기 감소효과가 더 크게 평가됨을 알 수 있었다. 그리고 가새 추가로 인한 최대응력비의 감소는 지반의 연성을 고려한 모델이 고정단 모델보다 감소폭이 크게 나타났다. 특히 최하층 변위에서는 골조튜브에 가새를 설치하면 고정단 모델의 경우는 최하층 변위가 감소하지만 지반의 연성을 고려한 모델에서는 최하층 변위가 증가하는 상반된 결과를 보였다.
- 구조물의 주기에 있어서는 가새튜브시스템에 점성토 지반의 p-y 스프링을 적용한 모델의 주기가 동일 조건의 고정단 모델보다 27% 증가하는 등, 고정단 모델에 비해 지반조건을 고려한 경우 주기가 증가하고, 이러한 증가폭은 골조튜브보다 가새튜브시스템에서 더 두드러지게 나타났다. 그리고 가새가 추가됨에 따라 고정단 모델의 경우 주기가 17% 감소한 반면, 지반상태를 고려한 경우는 최대 10% 감소하여 고정단 모델이 지반연성을 고려한 경우보다 가새추가로 인한 주기의 변화가 더 두드러졌다.
- 최대 층간변위의 검토에서는 골조튜브시스템에 점성토 지반의 p-y 스프링을 적용한 모델의 최하층 변위가 동일 조건의 고정단 모델보다 31% 감소하는 등, 고정단 모델에 비해 지반조건을 고려한 경우 층간변위가 감소하였고 이러한 감소폭은 가새튜브보다 골조튜브에서 더 두드러지게 나타났다. 그리고 가새가 추가됨에 따라 고정단 모델의 경우 층간변위가 32% 감소한 반면, 지반상태를 고려한 경우는 최대 28% 감소하여 고정단 가정을 사용할 경우 가새의 층간변위 제어효과가 더 크게 평가됨을 알 수 있었다.
- 이에 따라 가새튜브시스템에 사질토 지반의 p-y 스프링을 적용한 모델의 최대응력이 고정단 모델에 비해 기준치의 13%에 이르는 여분을 더 확보할 수 있었으며, 이러한 경향은 골조튜브보다 가새튜브시스템에서 두드러지게 나타났다. 또한 골조튜브 시스템에 가새를 추가함에 따라 고정단 모델은 최대응력비가 2% 감소한 반면, 지반의 특성을 반영한 p-y 스프링 모델과 6스프링 모델의 경우는 최대 17% 감소하여, 지반의 연성을 고려한 모델이 고정단 모델보다 가새로 인한 최대응력비의 감소폭이 크게 나타났다.
- 1차모드의 질량참여율에도 지반의 연성을 고려하여 기초를 모델링 한 경우가 고정단 모델보다 최대 29% 1차모드 질량참여율이 증가하여 저차모드의 영향력이 높아짐을 알 수 있었으며, 이러한 경향은 골조튜브보다 가새튜브시스템의 경우 두드러지게 나타났다. 또한 골조튜브시스템에 가새가 추가됨에 따라 1차모드 질량 참여율에서는 전반적으로 5% 이내의 미소한 증가를 나타내었다.
- 이는 하부구조 모델링에 따른 지반과 구조물 사이의 절연효과를 나타내고 이러한 지반연성고려에 따른 최하층 변위의 증가는 골조튜브보다 가새튜브시스템의 경우 더 두드러지게 나타났다. 또한 골조튜브에 가새를 설치하면 고정단 모델의 경우는 최하층 변위가 감소하지만 지반의 연성을 고려한 p-y 스프링 모델이나 6스프링 모델에서는 최하층 변위가 증가하는 상반된 결과를 보였다. 이에 비해 최상층 변위 값은 가새를 설치함에 따라 다소 감소하는 경향은 볼 수 있으나 모든 경우의 결과치가 전반적으로 유사한 값을 나타내어 지반모델링기법 및 지반종류에 따른 영향이 미소하게 나타났다.
- 층간변위 및 최대응력비에서는 기존 고정단 모델의 방법이 지반 연성을 고려한 경우보다 큰 값을 보여, 기존 모델링 방법이 안전측이지만 다소 비경제적인 설계방법임을 나타내는 결과를 보였다. 또한 최하층 변위에서는 지반 연성을 고려한 경우가 고정단 모델보다 상당한 차이로 증가하고, 주기 및 1차 모드 질량 참여율도 증가하는 경향을 보여 지반을 고정으로 보고 계산하는 일반적인 구조설계법은 문제가 있는 것으로 나타났다.
- 최대응력은 모두 1층 기둥부재에서 발생하였으며, 설계기준치에 대한 최대응력비를 검토해보면 지반조건을 고려한 경우가 고정단 모델보다 최대 응력값이 감소하였다. 이에 따라 가새튜브시스템에 사질토 지반의 p-y 스프링을 적용한 모델의 최대응력이 고정단 모델에 비해 기준치의 13%에 이르는 여분을 더 확보할 수 있었으며, 이러한 경향은 골조튜브보다 가새튜브시스템에서 두드러지게 나타났다. 또한 골조튜브 시스템에 가새를 추가함에 따라 고정단 모델은 최대응력비가 2% 감소한 반면, 지반의 특성을 반영한 p-y 스프링 모델과 6스프링 모델의 경우는 최대 17% 감소하여, 지반의 연성을 고려한 모델이 고정단 모델보다 가새로 인한 최대응력비의 감소폭이 크게 나타났다.
- 또한 골조튜브에 가새를 설치하면 고정단 모델의 경우는 최하층 변위가 감소하지만 지반의 연성을 고려한 p-y 스프링 모델이나 6스프링 모델에서는 최하층 변위가 증가하는 상반된 결과를 보였다. 이에 비해 최상층 변위 값은 가새를 설치함에 따라 다소 감소하는 경향은 볼 수 있으나 모든 경우의 결과치가 전반적으로 유사한 값을 나타내어 지반모델링기법 및 지반종류에 따른 영향이 미소하게 나타났다.
- 최대 층간변위의 검토에서는 골조튜브시스템에 점성토 지반의 p-y 스프링을 적용한 모델의 최하층 변위가 동일 조건의 고정단 모델보다 31% 감소하는 등, 고정단 모델에 비해 지반조건을 고려한 경우 층간변위가 감소하였고 이러한 감소폭은 가새튜브보다 골조튜브에서 더 두드러지게 나타났다. 그리고 가새가 추가됨에 따라 고정단 모델의 경우 층간변위가 32% 감소한 반면, 지반상태를 고려한 경우는 최대 28% 감소하여 고정단 가정을 사용할 경우 가새의 층간변위 제어효과가 더 크게 평가됨을 알 수 있었다.
- 최대응력은 모두 1층 기둥부재에서 발생하였으며, 설계기준치에 대한 최대응력비를 검토해보면 지반조건을 고려한 경우가 고정단 모델보다 최대 응력값이 감소하였다. 이에 따라 가새튜브시스템에 사질토 지반의 p-y 스프링을 적용한 모델의 최대응력이 고정단 모델에 비해 기준치의 13%에 이르는 여분을 더 확보할 수 있었으며, 이러한 경향은 골조튜브보다 가새튜브시스템에서 두드러지게 나타났다.
- 최하층 변위에서는 가새튜브시스템에 점성토 지반의 p-y 스프링을 적용한 모델의 최하층 변위가 동일 조건의 고정단 모델보다 30.9배 증가하는 등, 고정단 모델에 비해 지반조건을 고려한 경우 최하층 변위가 상당한 차이로 증가하는 것을 볼 수 있다. 이는 하부구조 모델링에 따른 지반과 구조물 사이의 절연효과를 나타내고 이러한 지반연성고려에 따른 최하층 변위의 증가는 골조튜브보다 가새튜브시스템의 경우 더 두드러지게 나타났다.
- 2) 지반-구조물 상호작용을 고려한 모델의 거동은 기존 해석방법인 고정단 모델의 거동과 무시할 수 없는 차이를 보였다. 층간변위 및 최대응력비에서는 기존 고정단 모델의 방법이 지반 연성을 고려한 경우보다 큰 값을 보여, 기존 모델링 방법이 안전측이지만 다소 비경제적인 설계방법임을 나타내는 결과를 보였다. 또한 최하층 변위에서는 지반 연성을 고려한 경우가 고정단 모델보다 상당한 차이로 증가하고, 주기 및 1차 모드 질량 참여율도 증가하는 경향을 보여 지반을 고정으로 보고 계산하는 일반적인 구조설계법은 문제가 있는 것으로 나타났다.
- 그리고 가새 추가로 인한 최대응력비의 감소는 지반의 연성을 고려한 모델이 고정단 모델보다 감소폭이 크게 나타났다. 특히 최하층 변위에서는 골조튜브에 가새를 설치하면 고정단 모델의 경우는 최하층 변위가 감소하지만 지반의 연성을 고려한 모델에서는 최하층 변위가 증가하는 상반된 결과를 보였다.
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