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문제 정의
- 이 연구에서는 초고층 건물에서 사용되고 있는 아웃리거의 중력하중 조절 역할에 초점을 맞추어 실제 초고층 프로젝트에 대한 3차원 구조해석의 사례 연구를 수행한다. 철골 트러스 혹은 RC 벽체 형태로 적용된 아웃리거의 유무에 따른 중력하중 흐름의 영향을 분석하고, 시공 중 아웃리거의 설치 시점에 따른 골조의 안정성에 대하여 검토한다.
- 철골 트러스 혹은 RC 벽체 형태로 적용된 아웃리거의 유무에 따른 중력하중 흐름의 영향을 분석하고, 시공 중 아웃리거의 설치 시점에 따른 골조의 안정성에 대하여 검토한다. 이러한 사례 연구들을 통하여 중력하중 조절에 대한 아웃리거의 효과를 제시하고자 한다.
제안 방법
- 각 해석모델에 대하여 시공단계해석(엄태성 등, 2009)을 적용하여, 중앙코어가 145층까지 시공된 시점에서의 기둥축력 분포 및 골조 거동 결과를 비교하였다. 그림 17은 중앙코어와 Wing A에 대하여 아웃리거 위/아래 층들의 벽체 및 기둥 충력의 합을 비교하고 있다.
- 기초 시스템에 대한 아웃리거의 중력하중 조절 영향을 분석하기 위하여 전면기초를 3차원 해석 모델에 포함시켰으며, 파일 지지에 따른 탄성스프링 요소의 위치는 그림 8과 같다.
- 특히, 아웃리거는 사용개소가 적고 대규모 하중의 전이에 참여하므로, 개별 아웃리거의 완성 시점에 따라 하중 분포 양상은 크게 달라질 수 있다. 본 연구에서는 사례 2의 건물에 대하여 시공 중 아웃리거 시공 유무에 따른 중력하중 분포를 분석하였다. 표 4와 같이 73∼75층 Wing A 구역 아웃리거의 설치 유무에 따라 두 가지 모델을 구성하였다.
- 1이 사용되었으며 (그림 10), 전단벽은 벽체 요소로서 기둥 및 연결보(link beam)는 보 요소로 모델링되었다. 사례 1과 마찬가지로, 골조에 작용하는 하중이 전면기초를 통하여 파일로 전달되는 힘의 흐름을 반영하기 위하여 전면기초와 파일도 해석모델에 포함하였으며, 파일 스프링 강성은 상수값(900kN/mm)을 적용하였다.
- 사례 2의 건물에서는 중앙으로 집중된 중력하중을 외곽으로 분산시키기 위하여 중앙코어 구역보다 윙 구역에 파일을 보다 조밀하게 배치하였으며, 이와 함께 아웃리거의 중력하중 전이 효과를 적용하였다. 그림 15는 아웃리거 설치 유무에 따른 기초 침하 분포를 보여주고 있다.
- 아웃리거 벽체가 사용된 초고층 건물에 대한 3차원 구조 해석모델을 구성하고, 아웃리거의 작용에 따른 중력하중의 흐름을 분석한다. 대상 건물은 높이 800m이상의 초고층 건물로서(Baker 등, 2007), RC 골조와 철골 첨탑부로 구성되어 있다(그림 10).
- 아웃리거 트러스가 사용된 초고층 건물에 대한 3차원 구조해석모델을 구성하고, 아웃리거의 작용에 따른 중력하중의 흐름을 분석한다. 대상 건물은 높이 500m이상의 초고층 건물로서(Shieh 등, 2003), 횡력저항시스템은 철골 가새 코어(22.
- 1이 사용되었으며(그림 3), 기둥 및 보는 보 요소로 가새는 트러스 요소로 모델링되었다. 아웃리거의 작용에 따른 기초 침하 분포의 분석을 위하여 전면기초와 파일도 해석모델에 포함함으로써 골조에 작용하는 하중이 전면기초를 통하여 파일로 전달되는 힘의 흐름을 반영하였다. 전면기초는 입방체 요소로서 파일은 축강성만을 갖는 스프링 지지요소로 모델링되었다.
- 아웃리거의 중력하중 조절 효과를 분석하기 위하여 먼저 연직부재인 기둥들에서의 중력하중 분포에 대하여 검토하였다. 일반적으로 초고층 건물은 풍하중의 동적 효과를 감소시키기 위하여 각 층의 평면형상을 변화시키거나 상부층으로 갈수록 평면이 좁아지는 셋백(setback) 혹은 테이퍼(tapered) 형상이 자주 사용된다(Irwin 등, 2008).
- 아웃리거의 중력하중 조절 효과를 분석하기 위하여, 연직 부재인 벽체와 기둥들에서의 중력하중 분포에 대하여 검토하였다. 대상 건물은 세 윙들이 나선형태로 순차적으로 셋백되어 중력하중이 중앙부에 집중되어 있으며, 각 윙들 간의 하중 불균형이 발생할 수 있다.
- 아웃리거의 중력하중 조절효과를 보다 명확히 분석하기 위하여, 최하부층에서의 기둥 축력에 의한 응력값을 비교하였다(그림 7). 이 때 CFT 기둥의 경우 콘크리트 단면적을 철골에 대한 등가 단면적으로 치환하여 다음과 같이 적용하였다.
- 그림 5와 같이 대상 건물의 기둥들을 내부기둥(interior columns)과 외부기둥(exterior columns)으로 분류하여 3차원 구조 해석 결과로부터 각 층에서의 내부기둥들과 외부기둥들의 축력 총합을 각각 분리한다. 이 때 고정하중과 활하중의 중력 하중만을 적용하였으며, 비계수 하중 조합(unfactored load combination)에 의한 사용하중 상태를 분석 대상으로 하였다. 그림 6은 아웃리거 설치 유무에 따른 각 층의 기둥 총합을 내 · 외부로 구분하여 비교하고 있다.
- 전면기초는 입방체 요소로서 파일은 축강성만을 갖는 스프링 지지요소로 모델링되었다. 이 때 기초 침하의 분포만을 연구대상으로 하므로 해석의 단순화를 위하여 파일의 비선형 거동 특성은 무시하고, 파일 스프링 강성은 상수값(900kN/mm)을 적용하였다.
- 이 연구에서는 두 가지 형태의 아웃리거를 갖는 실제 초고층 사례들에 대한 3차원 구조해석을 통하여 중력하중 분포에 대한 아웃리거의 효과를 정량적으로 분석하였다. 이를 통하여 기둥 및 벽체 등의 연직부재에서의 축력 분포와 기초 침하 및 파일 축력 분포 등에 대한 아웃리거의 효과를 확인하였으며, 구조시스템이 완전히 형성되지 않은 시공 단계에서의 효과도 분석되었다.
- 이를 보다 정밀하게 확인하기 위하여 그림 8에 표시된 A, B, C, D의 네 지점에 대하여 아웃리거 설치 유/무에 따른 침하값을 분석하였다(표 2). 아웃리거 설치 시, 중앙 코어 구역에 위치한 C 지점의 침하값은 크게 감소하였으며, 외주부 구역인 A, B, D 지점의 침하값들은 다소 증가하여 전면 기초의 침하가 고르게 분포되었음을 확인할 수 있다.
- 아웃리거 미설치 시(그림 6b), 아웃리거를 설치한 경우(그림 6a)에 비해 내부기둥의 총합은 증가하고 외부기둥의 총합은 감소함을 알 수 있다. 이를 정량적으로 분석하기 위하여 표 1과 같이 아웃리거 설치 층의 하부에 위치하는 층들에서의 수직 부재 축력 총합을 분석하였다. 해당 층들의 외부기둥 축력 총합과 내부 기둥 축력 총합을 정리하였으며, 괄호 안의 값은 아웃리거 미설치 시의 축력에 대한 아웃리거 설치 시의 축력 비율을 나타냄으로써 아웃리거 설치에 따른 축력 변화 양상을 보여주고 있 다.
- 중력하중 분포의 영향을 보다 직접적으로 분석하기 위하여, 파일의 축력 분포를 분석하였다. 그림 16은 아웃리거 설치 유무에 따른 각 구역별 파일 축력의 변화를 보여주고 있다.
- 아웃리거 위치에서 내부 코어 벽체의 축력이 외부 기둥들로 전이되는 형상이 관찰되며, 아웃리거 설치 유무에 따른 내부벽체-외부 기둥 간 축력 분포의 차이가 명확히 드러난다. 중앙코어 및 Wing A 구역의 축력에 대한 정량적인 분석을 위하여 표 3과 같이 아웃리거 벽체 설치 층의 하부에 위치한 층들에서의 내부벽체와 외부기둥의 축력 총합 및 각 구역 축력 총합을 분석하였다. 아웃리거가 설치되지 않은 해석모델과 비교할 때, 아웃리거 설치 시 중앙 코어 구역의 수직 부재 축력이 최대 10%정도 감소하였으며, 이 하중은 Wing 구역들로 전이되어 Wing A 구역에서도 축력 합계가 크게 증가하였음을 알 수 있다.
- 이 연구에서는 초고층 건물에서 사용되고 있는 아웃리거의 중력하중 조절 역할에 초점을 맞추어 실제 초고층 프로젝트에 대한 3차원 구조해석의 사례 연구를 수행한다. 철골 트러스 혹은 RC 벽체 형태로 적용된 아웃리거의 유무에 따른 중력하중 흐름의 영향을 분석하고, 시공 중 아웃리거의 설치 시점에 따른 골조의 안정성에 대하여 검토한다. 이러한 사례 연구들을 통하여 중력하중 조절에 대한 아웃리거의 효과를 제시하고자 한다.
- 아웃리거 설치 시, 중앙 코어 구역에 위치한 C 지점의 침하값은 크게 감소하였으며, 외주부 구역인 A, B, D 지점의 침하값들은 다소 증가하여 전면 기초의 침하가 고르게 분포되었음을 확인할 수 있다. 특히, 부등침하를 검토하기 위하여 인접 지점들간의 침하에 따른 변형각을 분석하였다. 외곽 지점들간(A~B)의 변형각은 아웃리거에 의하여 크게 변화하지 않았으나, 중앙코어와 외곽 지점간(C~D)의 변형각은 약 25%정도로 크게 감소하였다.
대상 데이터
- 대상 건물은 높이 500m이상의 초고층 건물로서(Shieh 등, 2003), 횡력저항시스템은 철골 가새 코어(22.5m×22.5m)와 CFT 각형 기둥(최대 단면 2.4m× 3.0m), 철골 트러스 아웃리거로 구성되어 있으며, 기초시스템은 전면 기초(두께 3.0∼4.7m)와 파일(직경 1.5m, 총 381개)로 구성된 파일지지 전면기초시스템(piled mat foundation system)이 적용되었다.
- 아웃리거 벽체가 사용된 초고층 건물에 대한 3차원 구조 해석모델을 구성하고, 아웃리거의 작용에 따른 중력하중의 흐름을 분석한다. 대상 건물은 높이 800m이상의 초고층 건물로서(Baker 등, 2007), RC 골조와 철골 첨탑부로 구성되어 있다(그림 10). 기준층은 중앙 코어와 3개의 윙으로 구성되어 있으며(그림 10), 중앙부 코어를 중심으로 3방향으로 길게 뻗은 전단벽으로 구성됨으로써, 800m이상의 높이에 대해서도 구조적으로 안정성을 제공할 수 있다.
- 아웃리거의 중력하중 조절 효과를 분석하기 위하여, 연직 부재인 벽체와 기둥들에서의 중력하중 분포에 대하여 검토하였다. 대상 건물은 세 윙들이 나선형태로 순차적으로 셋백되어 중력하중이 중앙부에 집중되어 있으며, 각 윙들 간의 하중 불균형이 발생할 수 있다. 내외부 벽체/기둥들의 축력 분포를 분석함으로써 이러한 중력하중 분포에 대한 아웃리거의 효과를 확인할 수 있다.
- 그림 13과 14는 각각 중앙 코어 및 Wing A 구역에 대하여 아웃리거 설치 유무에 따른 내부 코어 벽체 및 외부 기둥의 축력 분포 변화를 보여주고 있다. 이 때 고정하중과 활하중의 중력하중만을 적용하였으며, 비계 수 하중 조합에 의한 사용하중 상태를 분석 대상으로 하였다.
- 표 4와 같이 73∼75층 Wing A 구역 아웃리거의 설치 유무에 따라 두 가지 모델을 구성하였다.
이론/모형
- 5m, 총 381개)로 구성된 파일지지 전면기초시스템(piled mat foundation system)이 적용되었다. 구조해석을 위하여 MIDAS-GEN 7.4.1이 사용되었으며(그림 3), 기둥 및 보는 보 요소로 가새는 트러스 요소로 모델링되었다. 아웃리거의 작용에 따른 기초 침하 분포의 분석을 위하여 전면기초와 파일도 해석모델에 포함함으로써 골조에 작용하는 하중이 전면기초를 통하여 파일로 전달되는 힘의 흐름을 반영하였다.
- 구조해석을 위하여, MIDAS-GEN 7.4.1이 사용되었으며 (그림 10), 전단벽은 벽체 요소로서 기둥 및 연결보(link beam)는 보 요소로 모델링되었다. 사례 1과 마찬가지로, 골조에 작용하는 하중이 전면기초를 통하여 파일로 전달되는 힘의 흐름을 반영하기 위하여 전면기초와 파일도 해석모델에 포함하였으며, 파일 스프링 강성은 상수값(900kN/mm)을 적용하였다.
성능/효과
- B-B'단면과 C-C'단면의 각 기둥 축응력을 비교하면, 아웃리거 효과에 의하여 중앙 코어 기둥들의 응력이 크게 감소하였고, 특히 C-C'단면에서의 외부 기둥의 응력이 증가함으로써 기둥들간의 응력 분포가 전반적으로 고르게 변화하였음을 알 수 있다.
- 외곽 지점들간(A~B)의 변형각은 아웃리거에 의하여 크게 변화하지 않았으나, 중앙코어와 외곽 지점간(C~D)의 변형각은 약 25%정도로 크게 감소하였다. 따라서, 아웃리거의 중력하중 전이 작용에 의하여 상부 골조 하중의 분포 뿐만 아니라, 기초시스템에서의 하중 분포 조절 및 부등침하 감소에 효과적임을 확인할 수 있다.
- 이를 보다 정밀하게 확인하기 위하여 그림 8에 표시된 A, B, C, D의 네 지점에 대하여 아웃리거 설치 유/무에 따른 침하값을 분석하였다(표 2). 아웃리거 설치 시, 중앙 코어 구역에 위치한 C 지점의 침하값은 크게 감소하였으며, 외주부 구역인 A, B, D 지점의 침하값들은 다소 증가하여 전면 기초의 침하가 고르게 분포되었음을 확인할 수 있다. 특히, 부등침하를 검토하기 위하여 인접 지점들간의 침하에 따른 변형각을 분석하였다.
- 중앙코어 및 Wing A 구역의 축력에 대한 정량적인 분석을 위하여 표 3과 같이 아웃리거 벽체 설치 층의 하부에 위치한 층들에서의 내부벽체와 외부기둥의 축력 총합 및 각 구역 축력 총합을 분석하였다. 아웃리거가 설치되지 않은 해석모델과 비교할 때, 아웃리거 설치 시 중앙 코어 구역의 수직 부재 축력이 최대 10%정도 감소하였으며, 이 하중은 Wing 구역들로 전이되어 Wing A 구역에서도 축력 합계가 크게 증가하였음을 알 수 있다. 또한, 아웃리거에 의하여 내부 코어 벽체 축력이 외부 기둥으로 전이되었으며, 이는 Wing A 구역에서 뚜렷하게 관찰된다.
- 각 윙 구역에서 파일 번호가 낮을수록 중앙부로부터 멀리 떨어진 파일을 의미한다. 아웃리거에 의하여 중앙코어 구역의 파일 축력이 전반적으로 감소하였으며, 세 윙 구역들에서는 아웃리거에 의하여 중앙코어에 가까운 파일들의 축력은 감소하였으며, 중앙코어에서 멀리 떨어진 파일들의 축력은 크게 증가하였다. 아웃리거가 설치된 경우 파일의 축력 분포가 보다 고르게 분포하는 것으로 관찰되었으며, 이는 전면기초의 침하 분포와 일치하는 결과이다.
- 또한, 아웃리거에 의하여 내부 코어 벽체 축력이 외부 기둥으로 전이되었으며, 이는 Wing A 구역에서 뚜렷하게 관찰된다. 이러한 축력 분석을 통하여 사례 2와 같은 형태상 특성으로 인한 중력하중의 중앙 집중 현상이 아웃리거 설치를 통하여 크게 완화될 수 있음을 확인할 수 있다.
- 이 연구에서는 두 가지 형태의 아웃리거를 갖는 실제 초고층 사례들에 대한 3차원 구조해석을 통하여 중력하중 분포에 대한 아웃리거의 효과를 정량적으로 분석하였다. 이를 통하여 기둥 및 벽체 등의 연직부재에서의 축력 분포와 기초 침하 및 파일 축력 분포 등에 대한 아웃리거의 효과를 확인하였으며, 구조시스템이 완전히 형성되지 않은 시공 단계에서의 효과도 분석되었다. 아웃리거를 사용한 중력하중 조절을 통하여 연직부재들 간의 축력 분포를 보다 고르게 할 수 있으며, 기초시스템의 부등침하 및 파일 축력 집중 현상을 완화할 수 있다.
- 기둥축력의 균등한 분포를 통하여 기둥의 구조적인 안전성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 중력하중을 중립축으로부터 멀리 떨어진 평면 외곽으로 전이시킴으로써 횡력저항 효율성을 증진시킬 수 있다. 즉, 외곽으로 전이된 중력하중 지지를 위해 내부 기둥보다 외부 기둥의 단면적이 상대적으로 증가함으로써 메가기둥에 의한 골조 단면의 유효 단면 2차 모멘트 향상을 유도할 수 있고, 이를 통하여 중력하중 설계만으로도 횡력저항성능 향상에 기여할 수 있다.
후속연구
- 본 연구에서는 아웃리거의 중력하중 조절 효과를 사례연구를 통하여 정량적으로 확인하였으며, 추후 연구를 통하여 아웃리거와 수직부재 간의 강성비 등을 이용하여 중력하중 전이에 대한 역학적인 분석이 이루어져야 하며, 적절한 중력하중 분포를 위하여 구조설계 단계에서 적용할 수 있는 아웃리거의 구체적인 조절 방안이 연구되어야 할 것이다.
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