비정형 초고층 건물의 계획 및 시공이 늘어남에 따라 이 연구에서는 프로토타입 모델에 대한 시공단계해석의 적용을 통하여 비정형 초고층 건물의 시공 중 구조적 거동을 분석하고자 하였다. 비틀림 초고층 건물을 대상으로 횡력저항시스템, 비틀림각도, 공법 조건에 따른 총 18개의 모델을 선정하였다. 횡력저항시스템으로는 다이아그리드 시스템과 가새튜브 시스템을 적용하였으며, 각 횡력저항시스템별로 $0^{\circ}$, $1^{\circ}$, $2^{\circ}$ 비틀림각도를 갖는 세 가지 평면 형태와 외곽 튜브와 내부 골조의 시공순서에 따른 세 가지 공법을 가정하였다. 시공 중인 초고층 건물의 구조적 성능은 시공단계해석의 횡변위 결과를 통하여 분석되었으며, 골조 공기와 최대 양중량과 같은 시공성능이 함께 비교되었다.
비정형 초고층 건물의 계획 및 시공이 늘어남에 따라 이 연구에서는 프로토타입 모델에 대한 시공단계해석의 적용을 통하여 비정형 초고층 건물의 시공 중 구조적 거동을 분석하고자 하였다. 비틀림 초고층 건물을 대상으로 횡력저항시스템, 비틀림각도, 공법 조건에 따른 총 18개의 모델을 선정하였다. 횡력저항시스템으로는 다이아그리드 시스템과 가새튜브 시스템을 적용하였으며, 각 횡력저항시스템별로 $0^{\circ}$, $1^{\circ}$, $2^{\circ}$ 비틀림각도를 갖는 세 가지 평면 형태와 외곽 튜브와 내부 골조의 시공순서에 따른 세 가지 공법을 가정하였다. 시공 중인 초고층 건물의 구조적 성능은 시공단계해석의 횡변위 결과를 통하여 분석되었으며, 골조 공기와 최대 양중량과 같은 시공성능이 함께 비교되었다.
With regard to complex-shaped tall buildings whose plans and constructions have been gradually on the increase, this study was aimed to analyze their structural behaviors during construction by applications of construction sequences analyses to prototype models. For twisted tall buildings, total 18 ...
With regard to complex-shaped tall buildings whose plans and constructions have been gradually on the increase, this study was aimed to analyze their structural behaviors during construction by applications of construction sequences analyses to prototype models. For twisted tall buildings, total 18 models of with three conditions of a lateral load-resisting system, a twisting angle, and a construction method were selected. A diagrid system and a braced tube system were applied as a lateral load-resisting system. For each lateral load-resisting system, three types of plan with $0^{\circ}$, $1^{\circ}$, and $2^{\circ}$ twisting angles and three construction methods with construction sequences of exterior tube and interior frame were assumed. The structural performances of tall buildings under constructions were analyzed with results of lateral displacements from construction sequence analyses. Also, construction performances of the construction period and the maximum lift weight were compared.
With regard to complex-shaped tall buildings whose plans and constructions have been gradually on the increase, this study was aimed to analyze their structural behaviors during construction by applications of construction sequences analyses to prototype models. For twisted tall buildings, total 18 models of with three conditions of a lateral load-resisting system, a twisting angle, and a construction method were selected. A diagrid system and a braced tube system were applied as a lateral load-resisting system. For each lateral load-resisting system, three types of plan with $0^{\circ}$, $1^{\circ}$, and $2^{\circ}$ twisting angles and three construction methods with construction sequences of exterior tube and interior frame were assumed. The structural performances of tall buildings under constructions were analyzed with results of lateral displacements from construction sequence analyses. Also, construction performances of the construction period and the maximum lift weight were compared.
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문제 정의
본 연구에서는 다이아그리드 시스템과 가새튜브 시스템의 두 가지 횡력저항시스템을 적용한 초고층 프로토타입 모델의 시공 중 거동을 분석하기 위하여 설계조건(비틀림각도)과 시공조건에 따라 총 18개의 시공단계해석 모델을 구성하여 시 공단계해석을 수행하였다. 각 변수 조건들에 대한 시공단계 해석 결과를 분석함으로써, 비정형 건물의 시공 중 안정성을 검토하고 분석할 수 있는 가이드라인을 제시하였으며, 주요 내용은 다음과 같이 요약할 수 있다.
본 연구에서는 비틀림 비정형 초고층 건물의 프로토타입 모델을 대상으로 중력하중에 의한 편심작용에 따른 골조의 안정성을 분석하기 위해 설계조건 및 시공조건에 따른 시공 중 골조의 횡변위를 검토하고자 한다.
가설 설정
다이아그리드 시스템 프로토타입은 4개 층마다 노드를 형성하여 하나의 모듈로 이루어져 있으며, 15개 모듈로 총 60 층으로 구성되어 있다. Table 1과 같이 4개 층마다 형성된 다이아그리드 단위모듈 부재의 분절 시공에 따라 3가지의 시공계획을 가정하였다. 분절 수가 증가할수록 단위 양중 무게가 감소할 수는 있으나, 양중 횟수 및 용접 횟수, 용접량이 증가할 수 있다.
4(c)는 2도 회전 평면에 대하여 다이아그리드 단위 모듈 부재들을 한 번에 양중/조립 시공함으로써, 다이아그리드 4개 층이 선행한 후에 골조 4개 층이 후시공되어 단위 모듈이 완성되는 시공계획을 적용한 변수모델(Model D2-4)이다. 단위모듈의 전체 공기는 17일로 가정하였고, 매 층 다이아그리드-골조를 동시 시공할 때 보다 단위 모듈 당 3일의 공기가 감소하였고, 총 시공단계는 75단계이며 전체 공기는 255일로 동시 시공보다 45일 단축된다. 그러나, 다이아그리드 부재의 단위 양중량이 크게 증가하므로, 타워크레인의 양 중용량과 다이아그리드 부재의 무게를 검토하여 시공 가능 여부를 판단해야 한다.
분절 수가 증가할수록 단위 양중 무게가 감소할 수는 있으나, 양중 횟수 및 용접 횟수, 용접량이 증가할 수 있다. 따라서, 다이아그리드의 단위 분절의 양중 횟수 및 용접 횟수는 동일하므로, 분절의 크기와 무관하게 다이아그리드 단위 분절의 공기를 1일로 가정하였으며, 내부 골조(코어 기둥 및 보)의 층당 공기는 4일로 가정하였다.
매 층 공사기간은 “가새튜브 공기 1일+골조 공기 4일” 로 가정하여 5개 층 단위모듈의 공기는 25일이 적용되었고, 총 시공단계는 60단계이며, 골조 전체 공기는 다이아그리드와 동일 총 300일이다.
시공단계해석 및 시공 중 골조 안정성은 시공방법에 따라 영향을 받을 수 있으므로, 프로토타입 모델들의 횡력저항시스템 단위모듈 시공 방법에 따라 적절한 시공계획을 가정하였다. 횡력저항시스템 단위모듈은 Fig.
횡력저항시스템은 가새튜브의 단위모듈(5개 층)에 대하여 다이아그리드 시스템과 동일한 시공 방법을 가정하였으며, Table 1에서 보는 바와 같이 시공계획에 따라 3가지의 횡력저항부재 분절 시공을 적용하였다. 외곽 튜브(외주부 기둥 및 가새) 단위 분절의 공기를 1일로 가정하고, 내부골조 (코어 기둥 및 보)의 층당 공기는 4일로 가정하였다.
가새튜브 시스템 프로토타입은 5개 층마다 노드를 형성하여 하나의 모듈로 이루어져 있으며 12개 모듈로 총 60층으로 구성되어 있다. 횡력저항시스템은 가새튜브의 단위모듈(5개 층)에 대하여 다이아그리드 시스템과 동일한 시공 방법을 가정하였으며, Table 1에서 보는 바와 같이 시공계획에 따라 3가지의 횡력저항부재 분절 시공을 적용하였다. 외곽 튜브(외주부 기둥 및 가새) 단위 분절의 공기를 1일로 가정하고, 내부골조 (코어 기둥 및 보)의 층당 공기는 4일로 가정하였다.
제안 방법
기존 연구(Moon, 2012a; 2012b; Kim, et al., 2012) 에서 제시된 비틀림 형상의 60층 철골구조 건물의 프로토타입 모델에 대하여 시공단계 해석을 적용하고, 시공 중 거동을 분석한다.
본 연구에서는 프로토타입 모델의 설계조건 및 시공조건에 따른 시공 중 골조의 횡변위를 분석하고자 시공단계해석을 수행하였으며, 시공 중 중력하중에 의한 골조의 안정성 분석을 연구 범위로 하였으므로, 중력하중만을 해석에 포함하였다.
본 연구에서는 다이아그리드 시스템과 가새튜브 시스템의 두 가지 횡력저항시스템을 적용한 초고층 프로토타입 모델의 시공 중 거동을 분석하기 위하여 설계조건(비틀림각도)과 시공조건에 따라 총 18개의 시공단계해석 모델을 구성하여 시 공단계해석을 수행하였다. 각 변수 조건들에 대한 시공단계 해석 결과를 분석함으로써, 비정형 건물의 시공 중 안정성을 검토하고 분석할 수 있는 가이드라인을 제시하였으며, 주요 내용은 다음과 같이 요약할 수 있다.
매 층 “다이아그리드 공기 1일+골조 공기 4일” 의 공사기간을 가정하여 4개 층 단위모듈의 공기를 20일로 적용하였으며.
5(MIDAS IT, 2004)를 이용하여 3차원 구조해석을 진행하였다. 설계조건(비틀림각도, 횡력저항시스템)과 시공조건(횡력저항시스템 시공방법)에 따라, 총 18개의 시공단계해석 모델을 구성하여 시공단계해석을 수행하였으며(Table 1), 시공 중 골조의 거동은 횡변위 값을 핵심변수로 하여 분석하였다.
횡력저항시스템인 다이아그리드 시스템 프로토 타입 모델(Fig. 1)과 가새튜브시스템 프로토타입 모델(Fig. 2)을 연구 대상으로 하였으며, 평면의 비틀림과 하중의 편심에 따른 시공 중 골조 거동 및 구조성능을 분석하기 위하여, 비틀림 각도(0°, 1°, 2°)를 설계변수로 포함하였다.
대상 데이터
매 층 “다이아그리드 공기 1일+골조 공기 4일” 의 공사기간을 가정하여 4개 층 단위모듈의 공기를 20일로 적용하였으며. 건물 전체 공사기간은 300일이고, 시공단계해석에 포함된 시공단계는 총 60단계이다.
데이터처리
본 연구에서는 시공단계해석을 위하여, 범용 구조해석 프로그램인 MIDAS-GEN 7.9.5(MIDAS IT, 2004)를 이용하여 3차원 구조해석을 진행하였다.
성능/효과
1) 다이아그리드 시스템 프로토타입의 경우, 비틀림 각도가 클수록 편심에 의해 시공 중 횡변위가 증가하였다. 다이아그리드를 선행하는 공법을 적용하면 전체 공기 의 단축 효과가 있으나, 대각 부재의 비지지 길이의 증가로 인하여 단위 양중량 및 골조 횡변위 증가를 유발 하였다.
2) 가새튜브 시스템 프로토타입 모델의 경우에도 골조의 비틀림 각도가 클수록 편심에 의해 시공 중 횡변위가 증가하였다. 그러나, 외부 튜브가 선행 시공되더라도, 기둥과 가새 부재가 함께 시공되어 기둥에 의해 가새 부재의 비지지길이가 감소됨으로써, 횡력저항시스템의 시 공 방법이 골조 횡변위에 미치는 영향은 크지 않았다.
8은 각각 1도 회전 모델과 2도 회전 모델의 시공단계해석 결과이다. 32층 완공시점과 60층 완공시점의 두 단계 모두 0도 회전 모델에 비해서 1도 및 2도 회전 모델의 횡 변위가 증가하였으며, 회전각도가 증가할수록 횡변위가 크게 증가하였다. 이는 비틀림 각도가 증가함에 따라 구조부재에 작용하는 중력하중의 편심이 증가하면서 시공 중의 횡변위가 증가하였기 때문이다.
9(b))를 변수별로 제시한 그래프이다. 가새튜브를 구성하는 부재의 선시공 시점에 따라 세 가지의 시공순서를 적용하였으나, 코너 지점과 가새튜브 연속 경사부재에서의 횡 변위들은 각각 비슷한 양상을 보였으며, 최대 횡변위도 큰 차이가 없었다. 다이아그리드를 선시공할 경우 경사 부재의 비지지길이 증가로 인해 횡변위가 증가하는 다이아그리드 시스템(Fig.
5(b)는 1도 회전 평면에 대하여 가새튜브 단위 모듈 부재를 2분절 시공함으로써, 3개 층에 해당하는 가새 부재와 기둥이 선행하고, 골조 3개 층이 완료된 후에 다시 가새튜브 2개 층 선시공과 골조 2개 층 후시공이 반복되어 단위모듈이 완성되는 시공계획을 적용한 변수모델(Model B1-3)이다. 단위 모듈의 전체 공기는 22일로 가정하여, 매 층 가새튜브-골조를 동시에 시공할 때 보다 단위 모듈 당 3일의 공기가 감소되었으며, 시공단계해석에 적용된 시공단계는 총 84단계이고 골조 전체 공사기간은 264일로 가새튜브-골조 동시 시공 보다 36일 단축된다. Fig.
4(b)는 1도 회전 평면에 대하여 다이아그리드 단위 모듈 부재를 2분절 시공함으로써, 2개 층이 선행하고 골조 2개 층이 완료된 후에 다시 다이아그리드 2개 층 선행과 골조 2개 층 후행이 반복되어 단위모듈이 완성되는 변수모델 (Model D1-2)이다. 단위모듈의 공사기간은 18일로 가정하였고, 매 층 다이아그리드-골조를 동시 시공할 때 보다 단위 모듈 당 2일의 공기가 감소되었고, 총 시공단계는 90단계이며 전체공기는 270일로 다이아그리드-골조 동시 시공에 비해 30일 단축된다. 하지만, 동시시공에 비해 자립해야 하는 경사부재의 비지지 길이의 증가 및 분절 시공되는 경사부재로 인해 부재의 변위가 증가할 우려가 있다.
후속연구
3) 결과적으로 공기 및 단위 양중량 등의 시공적인 요인과 골조 횡변위 등의 구조적인 요인들을 종합적으로 고려하여 시공계획을 수립해야 비정형 초고층 건물의 시공 중 안정성을 확보할 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
다이아그리드 시스템 프로토타입의 구성은?
다이아그리드 시스템 프로토타입은 4개 층마다 노드를 형 성하여 하나의 모듈로 이루어져 있으며, 15개 모듈로 총 60 층으로 구성되어 있다. Table 1과 같이 4개층 마다 형성된 다이아그리드 단위모듈 부재의 분절 시공에 따라 3가지의 시 공계획을 가정하였다.
가새튜브 시스템 프로토타입에서 층당 공기는 얼마로 추정하는가?
횡력저항시스템은 가새튜브의 단위모듈(5개 층) 에 대하여 다이아그리드 시스템과 동일한 시공 방법을 가정하 였으며, Table 1에서 보는 바와 같이 시공계획에 따라 3가지 의 횡력저항부재 분절 시공을 적용하였다. 외곽 튜브(외주부 기둥 및 가새) 단위 분절의 공기를 1일로 가정하고, 내부골조 (코어 기둥 및 보)의 층당 공기는 4일로 가정하였다.
분절 시공에서 분절 수가 증가하면 어떠한 일이 일어나는가?
Table 1과 같이 4개층 마다 형성된 다이아그리드 단위모듈 부재의 분절 시공에 따라 3가지의 시 공계획을 가정하였다. 분절 수가 증가할수록 단위 양중 무게 가 감소할 수는 있으나, 양중 횟수 및 용접 횟수, 용접량이 증가할 수 있다. 따라서, 다이아그리드의 단위 분절의 양중 횟수 및 용접 횟수는 동일하므로, 분절의 크기와 무관하게 다이아그리드 단위 분절의 공기를 1일로 가정하였으며, 내부 골조(코어 기둥 및 보)의 층당 공기는 4일로 가정하였다.
참고문헌 (9)
Baik, I.H. (2007) Case Study that Achieved by 3-Days Cycle Construction per Floor in Framework through Applying N Method and American Installation Method, Journal of the Architectural Institute of Korea (Structure & Construction), 23(9), pp.231-238.
Eom, T.S., Kim, J.Y. (2009), An Application of Construction Sequence Analysis for Checking Structural Stability of High-Rise Building under Construction, COSEIK J. Comput. Struct. Eng., 22(3), pp.211-221.
Ha, T.H., Lee, S.H. (2012) Advanced Staged Analysis Program for Precise Construction of RC Tall Buildings, KCI Journal, 24(4), pp.34-38.
Kim, W.S. (2001) Case Study for Construction of High-Rise Residential Building of Samsung Dogokdong Tower Palace, 1(1), pp.33-43.
Kim, Y.M., Kim, C.K., Choi, H.C. (2012) Selection of Optimal Structural System for Complex-shaped Super-tall Building Structural Systems Using Parametric Design Technique, Journal of the Architectural Institute of Korea (Structure & Construction), 28(1), pp.77-84.
MIDAS IT (2004), Design and Construction of High-rise Buildings by Using Construction Sequence Analysis, MIDAS Structural Technical Lecture Series
Moon, K.S. (2012a) Diagrid Structures for Complex-Shaped Tall Buildings, Advanced Materials Research , Volumes 405-451, pp.1489-1492.
Moon, K.S. (2012b) Braced Tube Structures for Complex-Shaped Tall Buildings, Advanced Materials Research , Volumes 405-451, pp.1584-1587.
Vollers, K. (2008) Morphological Scheme of Second-Generation Non-Orthogonal High-Rise, CTBUH 8th World Congress.
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