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- 4 m 높이의 Embedded Plate는 축하중을 받을 때 발생하는 축변형을 줄이고 합리적인 다우얼바 설계를 위해 Shear Transfer Bearing Plates를 다우얼 사이에 설치하였다. 이때 파단면은 메가기둥 내부에 매입된 Bearing Plate 단부에 파단면이 형성되는 것으로 가정할 수 있다. Embedded Plate는 메가기둥 외측면에만 설치되지만 각층 바닥레벨에서는 일정 높이의 Plate로 메가기둥 전체를 감싸도록 계획하였다.
제안 방법
- 이때 파단면은 메가기둥 내부에 매입된 Bearing Plate 단부에 파단면이 형성되는 것으로 가정할 수 있다. Embedded Plate는 메가기둥 외측면에만 설치되지만 각층 바닥레벨에서는 일정 높이의 Plate로 메가기둥 전체를 감싸도록 계획하였다.
- 코너측은 테두리보가 꺾여서 접합되므로 접합부가 비틀림 모멘트를 부담할 수 있도록 테두리보 상·하부 플랜지에 보 길이방향의 직각방향으로 Steel Plate로 보강하여 지지할 수 있도록 계획하였다. Embedded Plate는 벨트트러스 접합부 상세와 같이 Bearing Plate와 다우얼바를 함께 설치하는 것으로 계획하였다<;그림 8>
- 장스팬 스팬드럴 보와 벨트트러스는 메가기둥의 중심에 매입하지 않고 측면으로 접합하는 상세를 적용하여 시공성을 개선하고 메가기둥과 접합부의 간섭에 의한 공기지연을 최소화하였다. 관련된 상세는 국내에서는 적용사례가 거의 없었기 때문에 별도 연구를 통해 접합부에 대한 성능을 검증하였다. 아웃리거 경사재와 벽체 접합부는 양방향 아웃리거가 서로 교차되는 부분이므로 접합상세가 매우 복잡하다.
- 아웃리거 경사재와 벽체 접합부는 양방향 아웃리거가 서로 교차되는 부분이므로 접합상세가 매우 복잡하다. 따라서 접합부는 Steel Casting과 Built-up 접합상세 2가지 방법으로 접합상세 검토가 진행되었으며, 연구성과를 바탕으로 Built-up 접합상세를 실시설계에 적용하였다.
- 장스팬 스팬드럴 보와 그 접합부는 경간을 따라 임의한 점에서 휨 성능을 상실하여도 바닥골조의 연속적인 붕괴가 발생하지 않도록 설계하였으며, 호텔기둥은 어느 1개 기둥이 파괴되어도 파괴된 기둥 상부층 기둥들은 104 ~ 107층의 벨트 트러스에 매달려 지지될 수 있도록 설계하였다. 또한, 벨트 트러스의 부재중 어느 한 부재가 파괴되어도 호텔기둥과 랜턴하중을 지지할 수있도록 설계하였다.
- 매트기초는 전체를 6.5 m 동일한 두께로 계획하였으며, 토질전문가로부터 접수한 Static 지반스프링과 Dynamic 지반스프링을 적용하여 매트기초설계를 수행하였다. 수화열 제어를 위해 콘크리트강도 50 MPa의 저발열 유동화콘크리트를 적용하였다<그림 2>.
- 바닥 진동에 대한 사용성 검토는 바닥골조의 고유진동수 제한과 AISC ‘FLOOR VIBRATIONS DUE TO HUMAN ACTIVITY’에서 제안하는 최대 응답가속도를 기준으로 하였다.
- 벨트트러스는 과 같이 메가기둥 외측면에 Embedded Plate를 매입 시공한 후에 선 조립된 트러스 조각을 현장용접으로 접합하도록 하였다.
- 벨트트러스와 메가기둥 접합부에 14.4 m 높이의 Embedded Plate는 축하중을 받을 때 발생하는 축변형을 줄이고 합리적인 다우얼바 설계를 위해 Shear Transfer Bearing Plates를 다우얼 사이에 설치하였다. 이때 파단면은 메가기둥 내부에 매입된 Bearing Plate 단부에 파단면이 형성되는 것으로 가정할 수 있다.
- 벽체에 매입된 아웃리거 경사재와 상현재는 상·하부 플랜지를 제거하여 코너부에서 벽체 수직근과 아웃리거 부재가 간섭을 줄이고, 콘크리트도 밀실하게 타설될 수 있도록 계획하였다.
- 아웃리거 경사재는 철골 박스형 B-1600×500×80×20 단면이 적용되었으며, 축력을 주로 부담하기 때문에 양측의 web 두께는 80 mm로 두껍게 하고, 플랜지 두께는 20 mm로 얇게 하여 부재 제작 시 용접량이 최소화 될 수 있는 단면으로 설계되었다.
- 아웃리거는 코어벽체와 메가기둥 사이의 부등축소에 의해 아웃리거 경사재에 발생하는 추가 부재력을 최소화하기 위하여 Delay Joint를 설치하고 최상층까지 골조공사가 완료된 이후 연결하는 것으로 계획하였다.
- 104층의 트러스 상·하현재는 철골 박스형 B-450×400×30×50이며, 경사재는 B-550×400×20×50 단면이 적용되었다. 아웃리거및 벨트트러스가 설치된 층의 바닥슬래브는 Flexible Diaphragm으로 고려하여 면내 인장력, 압축력, 전단력과 중력하중에 의한 면외방향 부재력을 조합하여 Diaphragm 설계가 수행되었다.
- 아웃리거와 메가기둥의 접합부는 기둥 내에 매입된 포스트에 아웃리거 경사재와 수평재가 연결되도록 계획하였다. 아웃리거 경사재의 수직방향 힘은 포스트 단부의 End Plate를 통해 메가기둥으로 전달되며, 수평력은 아웃리거 하현재가 부담한다.
- 율동활동이 있는 영역은 소음·진동 전문가가 제안한 9.0 Hz의 바닥골조 고유진동수를 만족하도록 하거나 방진바닥을 적용하였다.
- 장스팬 스팬드럴 보, 아웃리거, 벨트트러스 및 호텔 기둥 부재가 충격에 의해 1개소가 성능을 상실하거나 파괴되어도 타워가 붕괴되거나 안전성을 상실하지 않도록 Redundancy(Multi-Path)를 확보한 설계를 적용하였다<;그림 4>.
- 장스팬 스팬드럴 보와 그 접합부는 경간을 따라 임의한 점에서 휨 성능을 상실하여도 바닥골조의 연속적인 붕괴가 발생하지 않도록 설계하였으며, 호텔기둥은 어느 1개 기둥이 파괴되어도 파괴된 기둥 상부층 기둥들은 104 ~ 107층의 벨트 트러스에 매달려 지지될 수 있도록 설계하였다. 또한, 벨트 트러스의 부재중 어느 한 부재가 파괴되어도 호텔기둥과 랜턴하중을 지지할 수있도록 설계하였다.
- 스팬드럴 보 역시 메가기둥의 외측면으로 연결된다. 접합부는 메가기둥의 양측면에 형성되며, Embedded Plate에 전단판을 용접하여 테두리보의 웨브와 접합하도록 계획하였다. 스팬드럴 보 상부 플랜지와 메가기둥 접합부는 시공 시 거더를 고정하고 메가기둥을 수평으로 지지하기 위한 것이다.
- 횡하중은 평면 중앙부의 RC 코어벽체, 철골 아웃리거 2개소와 8개의 RC 메가기둥 그리고 2개소의 철골 벨트트러스로 저항하도록 계획하였다. 최상층 랜턴부는 다이어 그리드 구조로 계획하고 골조를 그대로 노출하였다.
- 코너측은 테두리보가 꺾여서 접합되므로 접합부가 비틀림 모멘트를 부담할 수 있도록 테두리보 상·하부 플랜지에 보 길이방향의 직각방향으로 Steel Plate로 보강하여 지지할 수 있도록 계획하였다.
- 코어벽체와 메가기둥 등 수직재 콘크리트강도는 60 ~ 80 MPa, 수평재(슬래브, 보)는 30 MPa, Mat기초는 50 MPa를 적용하였다. 콘크리트강도가 60 MPa를 초과하는 메가기둥에는 폴리믹스 섬유 혼입공법을 적용하여 폭열방지 대책을 수립하였다. 철근의 강도는 fy = 400 MPa와 함께 직경 25 mm 이상 철근은 고강도 fy = 500 MPa, fy = 600 MPa 철근이 적용되었다.
- 횡하중은 평면 중앙부의 RC 코어벽체, 철골 아웃리거 2개소와 8개의 RC 메가기둥 그리고 2개소의 철골 벨트트러스로 저항하도록 계획하였다. 최상층 랜턴부는 다이어 그리드 구조로 계획하고 골조를 그대로 노출하였다.
- 횡하중은 평면 중앙부의 코어벽체와 아웃리거 및 벨트트러스, 8개의 메가기둥으로 지지하도록 계획하였다. SD단계에서는 3개소의 아웃리거와 6개소의 벨트트러스로 계획하였으며, 벨트트러스는 메가기둥 사이에 있는 2개소의 철골기둥을 일정한 높이마다 지지하기 위한 역할로만 활용하였다.
대상 데이터
- 104층의 트러스 상·하현재는 철골 박스형 B-450×400×30×50이며, 경사재는 B-550×400×20×50 단면이 적용되었다.
- 매트기초는 전체를 6.5 m두께로 계획하였으며, 지반의 허용지지력은 3,000 kPa이다. 기초하부 지반의 일부 Fault Zone과 Shear Zone에는 지반보강파일을 시공하였다.
- 5 m 동일한 두께로 계획하였으며, 토질전문가로부터 접수한 Static 지반스프링과 Dynamic 지반스프링을 적용하여 매트기초설계를 수행하였다. 수화열 제어를 위해 콘크리트강도 50 MPa의 저발열 유동화콘크리트를 적용하였다<;그림 2>.
- 오피스와 오피스텔의 층고는 각각 4.5 m, 3.9 m 이며, 데크 슬래브 두께는 130 mm 및 150 mm, 바닥 철골보 춤은 각각 600 mm, 480 mm이다. 호텔 (층고 : 3.
- 철근의 강도는 fy = 400 MPa와 함께 직경 25 mm 이상 철근은 고강도 fy = 500 MPa, fy = 600 MPa 철근이 적용되었다. 철골 부재는 대부분 Fy = 235 MPa ~ 440 MPa 강도가 적용되었고, 벨트트러스와 호텔 테두리 철골기둥, 아웃리거 일부 부재는 고강도 강재인 HSA800(Fy = 650 MPa)을 적용하였다.
- 콘크리트강도가 60 MPa를 초과하는 메가기둥에는 폴리믹스 섬유 혼입공법을 적용하여 폭열방지 대책을 수립하였다. 철근의 강도는 fy = 400 MPa와 함께 직경 25 mm 이상 철근은 고강도 fy = 500 MPa, fy = 600 MPa 철근이 적용되었다. 철골 부재는 대부분 Fy = 235 MPa ~ 440 MPa 강도가 적용되었고, 벨트트러스와 호텔 테두리 철골기둥, 아웃리거 일부 부재는 고강도 강재인 HSA800(Fy = 650 MPa)을 적용하였다.
- 코어벽체와 메가기둥 등 수직재 콘크리트강도는 60 ~ 80 MPa, 수평재(슬래브, 보)는 30 MPa, Mat기초는 50 MPa를 적용하였다. 콘크리트강도가 60 MPa를 초과하는 메가기둥에는 폴리믹스 섬유 혼입공법을 적용하여 폭열방지 대책을 수립하였다.
- 9 m 이며, 데크 슬래브 두께는 130 mm 및 150 mm, 바닥 철골보 춤은 각각 600 mm, 480 mm이다. 호텔 (층고 : 3.6 m) 바닥은 Drop panel(두께 = 500 mm) 이 있는 플랫 슬래브로 계획하였다. 메가기둥 단면은 최하층(지하 6층)에서 3.
이론/모형
- 기초하부 지반의 일부 Fault Zone과 Shear Zone에는 지반보강파일을 시공하였다. 설계기준은 건축구조설계기준(KBC2009)을 적용하였다.
성능/효과
- 상부 벨트트러스는 건물 최상부 랜턴구조를 지지하고, 하부 벨트트러스는 76 ~ 103층의 호텔기둥을 지지한다. 상부 벨트트러스는 건물의 횡변위 제어에도 충분히 기여하고 있으며, 해당 위치에서는 벨트트러스가 아웃리거보다 더 효율적으로 나타났다. 104층의 트러스 상·하현재는 철골 박스형 B-450×400×30×50이며, 경사재는 B-550×400×20×50 단면이 적용되었다.
- 지반조사결과 기초하부 지반은 전반적으로 연암 및 경암으로 구성되어 있어 허용지지력은 3,000 kPa로써 타워하중을 지지하기에 충분하고 침하량 또한 적정한 것으로 분석되었으나 타워하부에 일부 파쇄대가 포함되어 지반의 불확실성에 대한 위험을 없애기 위해 108개의 지름 1.0 m PRD파일로 지반을 보강하였다. 지반보강파일은 매트기초 침하 및 부등침하량을 감소시키고 지지력 또한 증진되도록 코어벽체 하부와 일부 메가기둥 하부에 배치되었으며, 매트기초와 분리되도록 말뚝 상부에 200 mm 두께의 Sand Cushion을 설치하였다.
후속연구
- 지반침하량 계측, 버티컬쇼트닝 계측, 공사중 수직도 계측 및 SHM 시스템용 계측 등을 위한 다양한 계측기가 현재 설치가 진행되고 설치된 계측기는 정기적으로 데이터를 계측하여 자료로 축적하고 있다. 앞으로 공사 중 및 완공 이후 확보되는 롯데월드타워의 각종 데이터들은 추후 초고층타워의 거동을 파악할 수 있는 중요한 자료로 활용될 것이다.
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