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가설 설정
4m 높이의 Embedded Plate는 죽하중을 받을 때 발생하는 죽변형을 줄이고 합리적인 dowel bar설계를 위해 shear transfer bearing plates를 dowels과 dowels 사이에 설치하였다. 이때 파단면은 메가기둥 내부에 매입된 bearing plate 단부에 파 단면이 형성되는 것으로 가정할 수 있다. Embedded plate는 메가기둥 외 측면에만 설치되지만 floor level에서는 일정 높이의 plate로 메가기둥 전체를 감싸도록 계획하였다.
제안 방법
SD 단계에서는 3개소의 아웃리거와 6개소의 벨트트러스로 계획하였으며, 벨트트러스는 메가기둥 사이에 있는 2개소의 철골 기둥을 일정한 높이마다 지지하기 위한 역할로만 활용하였다. DD단계에서는 다음 [표 1]과 같이 아웃리거와 벨트 트러스가 횡변위 제어에 기여하는 비율을 평가하여 아웃리거는 2개소, 벨트트러스는 횡변위 제어에 비교적 기여율이 높은 상층부 2개소만을 횡력저항요소로 활용하였다. 이때, 메가기둥 사이에 설치된 2개소의 철골기등의 없애고 테두리 골조는 메가기둥 사이를 한번에 연결하는 장스팬 스팬드럴 보시스템으로 변경하였다.
Fitness area는 소음 , 진동 전문가가 제안한 9.0hz의 바닥골조 고유진동수를 만족하도록 하거나 방진바닥을 적용하였다. 용도별 가속도 제한은 [표 3]과 같다.
) 에 의해 수행되었다. SD50%와 DD초기단계에서 HFFB test가 수행되었고, SD100%와 DD60% 단계에서 각각 Re-analysis를 진행하였고, 건물의 동적특성치가 거의 확정된 DD100% 단계에서 Aero-elastic Model Wind Tunnel study를 주가로 수행하였다. 풍압실험은 SD50%와 DD90% 단계에서 각각 수행하였고, 저층부 건물들 사이에 초고층 타워가 건설되기 전 .
하부 플랜지에 보 길이방향의 직각방향으로 steel plate 로 보강하여 지지할 수 있도록 계획하였다. embedded plate는 벨트트러스 접합부 상세와 같이 bearing plate와 dowel bar를 함께 설치하는 것으로 계획하였다.
장스팬스팬드럴 보와 벨트트러스는 메가기등의 중심에 매입하지 않고 측면으로 접합하는 상세를 적용하여 시공성을 개선하고 메가기등과 접합부의 간섭에 의한 공기지연을 최소화하였다. 관련된 상세는 국내에서는 적용사례가 거의 없었기 때문에 서울대 산학협력단에서 접합부에 대한 성능을 검증하였다.
따라서, 접합부는 steel casting과 built-up접합상세로 2가지 방법으로 접합상세 검토가 진행되었으며, 연구단 성과를 바탕으로 built-up접합상세를 실시설계에 적용하였다.
또한, 벨트 트러스의 부재중 어느 한 부재가 파괴되어도 호텔 기둥과 랜턴하중을 지지할 수 있도록 설계하였다.
매트기초는 전체를 6.5m 동일한 두께로 계획하였으며, 토질전문가로부터 접수한 Static 지반스프링과 Dynamic 지반 스프링을 적용하여 매트기초설계를 수행하였다. 수화열 제어를 위해 콘크리트강도 50㎫의 저발열 유동화 콘크리트를 적용하였다.
바닥 진동에 대한 사용성 검토는 바닥골조의 고유진동수 제한과 AISC 'FLOOR VIBRATIONS DUE TO HUMAN ACTIVITY'에서 제안하는 최대 응답가속도를 기준으로 하였다. Fitness area는 소음 , 진동 전문가가 제안한 9.
유리하다. 벨트트러스는 그림 9.와 같이 메가기둥 외측면에 Embedded plate를 매 입시공한 후에 선조립된 트러스 조각을 현장용접으로 접합하도록 하였다.
벨트트러스와 메가기둥 접합부에 14.4m 높이의 Embedded Plate는 죽하중을 받을 때 발생하는 죽변형을 줄이고 합리적인 dowel bar설계를 위해 shear transfer bearing plates를 dowels과 dowels 사이에 설치하였다. 이때 파단면은 메가기둥 내부에 매입된 bearing plate 단부에 파 단면이 형성되는 것으로 가정할 수 있다.
하현재는 철골 박스형 B-450X400X 30x50이며, 경사재는 B-550X400x20x50 단면이 적용되었다. 아웃리거 및 벨트트러스가 설치된 층의 바닥 슬래브는 Flexible Diaphragm으로 고려하여 면내 인장력, 압축력, 전단력과 중력하중에 의한 면외방향 부재력을 조합하여 Diaphragm 설계가 수행되었다.
아웃리거는 코어벽체와 메가기둥 사이의 부등축소에 의해 아웃리거 경사재에 발생하는 추가 부재력을 최소화하기 위하여 Delay Joint를 설치하고 최상층까지 골조공사가 완료된 이후 연결하는 것으로 계획하였다.
아웃리거와 메가기등의 접합부는 기둥 내에 매입된 Connecting post에 아웃리거 경사재와 수평재가 연결되도록 계획하였다. 아웃리거 경사재의 수직방향 힘은 post 단부의 end plate를 통해 메가기등으로 전달되며, 수평력은 아웃리거 하현재가 부담한다.
0)이 적용되었다. 인공 지진파 3개를 사용한 선형탄성 시간이력 해석을 수행하여 부재설계에 반영하였다.
장스팬 스팬드럴 보, 아웃리거, 벨트트러스 및 호텔 기둥 부재가 충격에 의해 1개소가 성능을 상실하거나 파괴되어도 타워가 붕괴되거나 Stability를 상실하지 않도록 Redundancy (Multi-Path)를 확보한 설계를 적용하였다.
장스팬 스팬드럴 보와 그 접합부는 경간을 따라 임의 한점에서 휨 성능을 상실하여도 바닥골조의 연속적인 붕괴가 발생하지 않도록 설계하였으며, 호텔기등은 어느 1개 기등이 파괴되어도 파괴된 기둥 상부층 기둥들은 104~107층의 벨트 트러스에 매달려서 지지될 수 있도록 설계하였다. 또한, 벨트 트러스의 부재중 어느 한 부재가 파괴되어도 호텔 기둥과 랜턴하중을 지지할 수 있도록 설계하였다.
스팬드럴 보 역시 메가기등의 외측면으로 연결된다. 접합부는 메가기등의 양즉면에 형성되며, embedded plate에 전단 판을 용접하여 테두리보의 웨브와 접합하도록 계획하였다. 스팬드럴 보 상부 플랜지와 메가기둥 접합부는 시공 시거더를 고정하고 메가기등을 수평으로 지지하기 위한 것이다.
주요 횡력저항구조는 최대 2m 두께의 코아벽체, 8개소의메가기둥(Max. 3.5m), 2개소의 아웃리거와 벨트 트러스로 구성되며, 판매시설, 오피스와 오피스텔로 구성된 지상 2~86층 바닥구조는 8개의 메가기둥 외측면에 연결된 장스팬 스팬드럴 보 그리고 내부 철골보와 데크 슬래브, 86층 상부 호텔바닥구조는 두께 225~280mm의 플랫 슬래브로 계획하였다.
지반기초설계는 Arup 에서 수행하고 Aecom과 호주의 Coffey사(버즈칼리파 설계사)에서 제3자 검증을 수행하였다.
타워자중이 78만 톤(적재하중 포함)이고 매트기초 폭이 72m로 매트하부 약 150m까지의 지반이 침하의 영향범위에 있다. 지반의 불확실성을 최대한 해소하고 신뢰도 있는 지반모델을 구축하고자, 32공의 Boring(최대 100m), 표준관입시험, Down hole test, 평판재하시험, 전기비저항 포노그래피 등의 지반조사를 통해 매트 하부 지반정보를 수집하고 최종적으로 굴토단계에서 세 차례의 face mapping을 통해 3차원 지반 모델(지반모델의적정성 확인은 원설계사의 3D In-house 프로그램과 Safe 그리고 어바쿠스로 토질전문가와 구조설계사가 공동수행)을완성 하여 롯데월드타워를 지 지 하는 지 반의 강성 , Settlement 및 기초형식을 결정하였다.
지상 2~86층까지 판매시설, 오피스와 오피스텔 바닥골조는 철골보와 데크 슬래브로 계획하였고, 87~104층까지 호텔 객실바닥은 두께 225~300nml의 플랫 슬래브로 계획하였다. 지상1층을 포함한 지하층바닥은 철근콘크리트구조로 계획하였다.
지상1층을 포함한 지하층바닥은 철근콘크리트구조로 계획하였다.
저항하도록 계획하였다. 최상층 랜턴부는 Diag rid 구조로 계획하고 골조를 그대로 노출하였다.
콘크리트강도가 60㎫를 초과하는 메가기둥에는 폴리믹스 섬유 혼입공법을 적용하여 폭열방지 대책을 수립하였다. 철근의 강도는 fy=400㎫와 함께 직경 25mm이상 철근은고강도fy=500㎫, fy=600㎫ 철근이 적용되었다.
타워의 수직도 측량은 세계적으로 다양한 방법들이 사용되고 있으며 세계 최고층인 버즈칼리파의 경우 경사계 계측시스템, 각층 슬래브 Opening과 Total Station 등을 이용한 측량을 적용하였다.
SD50%와 DD초기단계에서 HFFB test가 수행되었고, SD100%와 DD60% 단계에서 각각 Re-analysis를 진행하였고, 건물의 동적특성치가 거의 확정된 DD100% 단계에서 Aero-elastic Model Wind Tunnel study를 주가로 수행하였다. 풍압실험은 SD50%와 DD90% 단계에서 각각 수행하였고, 저층부 건물들 사이에 초고층 타워가 건설되기 전 . 후환 경에 대한 풍환경 실험을 수행하였다.
벽체에 매입된 아웃리거 경사재와 상현재는 상 . 하부 플랜지를 제거하여 코너부에서 벽체 수직근과 아웃리거 부재가 간섭을 줄이고, 콘크리트도 밀실하게 타설될 수 있도록 계획하였다. 벽체 코너부는 아웃리거 경사재의 수직 방향력을 지지하기 위해 수직post를 상 .
Corner side connectione 테두리보가 꺾어서 접합되므로 접합부가 비틀림 모멘트를 부담할 수 있도록 테두리 보상 . 하부 플랜지에 보 길이방향의 직각방향으로 steel plate 로 보강하여 지지할 수 있도록 계획하였다. embedded plate는 벨트트러스 접합부 상세와 같이 bearing plate와 dowel bar를 함께 설치하는 것으로 계획하였다.
횡하중은 평면 중앙부의 RC 코어벽체, 철골 아웃리거 2개소와 8개의 RC 메가기둥 그리고 2개소의 철골 벨트 트러스로 저항하도록 계획하였다. 최상층 랜턴부는 Diag rid 구조로 계획하고 골조를 그대로 노출하였다.
횡하중은 평면 중앙부의 코어벽체와 아웃리거 및 벨트 트러스, 8개의 메가기등으로 지지하도록 계획하였다. SD 단계에서는 3개소의 아웃리거와 6개소의 벨트트러스로 계획하였으며, 벨트트러스는 메가기둥 사이에 있는 2개소의 철골 기둥을 일정한 높이마다 지지하기 위한 역할로만 활용하였다.
풍압실험은 SD50%와 DD90% 단계에서 각각 수행하였고, 저층부 건물들 사이에 초고층 타워가 건설되기 전 . 후환 경에 대한 풍환경 실험을 수행하였다.
대상 데이터
상부 벨트트러스는 건물의 횡변위 제어에도 충분히 기여하고 있으며, 해당 위치에서는 벨트트러스가 아웃리거보다 더 효율적으로 나타났다. 104층의 트러스 상 . 하현재는 철골 박스형 B-450X400X 30x50이며, 경사재는 B-550X400x20x50 단면이 적용되었다.
5m 동일한 두께로 계획하였으며, 토질전문가로부터 접수한 Static 지반스프링과 Dynamic 지반 스프링을 적용하여 매트기초설계를 수행하였다. 수화열 제어를 위해 콘크리트강도 50㎫의 저발열 유동화 콘크리트를 적용하였다.
아웃리거는 2개소(39~44층과 72~76층)에 설치되며, 횡변위 제어에 대한 기 여율은 약 29%로 분석되었다. 아웃리거 경사 재는 철골 Box형 B-1600X 500x80x20 단면이 적용되었으며, 축력을 주로 부담하기 때문에 양측의 web두께는 80mm로 두껍게 하고, 플랜지 두께는 20mm로 얇게 하여 부재 제작 시 용접량이 최소화 될 수 있는 단면으로 설계되었다. 또한, 코어 벽체의 수평력이 아웃리거트러스에 원활히 전달될 수 있도록 아웃리거 상 .
오피스와 오피스텔 층고는 각각 4.5m, 3.9m이며, 데크슬래브 두께는 130mm 및 150mm, 바닥 철골보 춤은 각각 600 nun, 480mm이다. 호텔(층고:3.
고층부에 해당한다. 지상123층, 지하6층 규모로 판매시설, 업무시설, 호텔, 오피스텔 및 전망대 등으로 구성되어 있으며, 최고높이는 555m로서 현재 공사가 진행 중인 국내 최고층 건물이다.
철근의 강도는 fy=400㎫와 함께 직경 25mm이상 철근은고강도fy=500㎫, fy=600㎫ 철근이 적용되었다. 철골 부재는 대부분 FV=235㎫ ~440㎫강도가 적용되었고, 벨트 트러스와 호텔 테두리 철골기둥, 아웃리거 일부 부재는 고강도 강재인 HSA800(Fy=650㎫)을 적용하였다,
코어벽체와 메가기둥 등 수직재 콘크리트강도는 40~80 ㎫, 수평재(슬래브, 보)는 30mbi, Mat기초는 50㎫를 적용하였다. 콘크리트강도가 60㎫를 초과하는 메가기둥에는 폴리믹스 섬유 혼입공법을 적용하여 폭열방지 대책을 수립하였다.
104층의 트러스 상 . 하현재는 철골 박스형 B-450X400X 30x50이며, 경사재는 B-550X400x20x50 단면이 적용되었다. 아웃리거 및 벨트트러스가 설치된 층의 바닥 슬래브는 Flexible Diaphragm으로 고려하여 면내 인장력, 압축력, 전단력과 중력하중에 의한 면외방향 부재력을 조합하여 Diaphragm 설계가 수행되었다.
9m이며, 데크슬래브 두께는 130mm 및 150mm, 바닥 철골보 춤은 각각 600 nun, 480mm이다. 호텔(층고:3.6m) 바닥은 Drop panel(두께 =500mm)이 있는 플랫 슬래브로 계획하였다. 메가기둥 단면은 최하층(지하6층)에서 3.
이론/모형
풍 전문가에 의하면, 공탄성실험은 Aerodynamic Damping과 같은 공탄성 효과를 모형에 반영하였고, Peak Factor를 실험에서 직접 얻을 수 있고, 풍력실험의 일반화 풍력 수직분포에 대한 몇 가지 가정이 도입되지 않기 때문에 실험결과가 더 유리하게 평가된다고 설명한다. 구조설계용 풍하중은 Aero-elastic Study결과를 시용하였다.
공탄성실험에 의한 풍하중은 지진하중에 비해 밑면 전단력은 약 1.52배, 전도모멘트는 4.04배 더 크게 평가되었다.
이는 Total Station을 이용하여 외부 기준점에서 지하층 슬래브 공사가 완료된 지하 6층의 지표침하계를 측량함에 따른 오차(약 5~10mm 내외)를 감안할 경우 계측기(Extensometer 등)에서 나타난 10mm의 침하량은 측량으로 확인하기 어렵기 때문이라 판단된다. 또한 지표침하계 측량을 통해 메가기둥과 코아벽체 간의 상대침하량은 거의 발생하지 않는 것으로 확인되어 매트의 Tiltinge 설계 시 예측한 것과 유사할 것으로 판단된다.
거의 균등한 침하곡선을 예측되고 있다. 매트기초 양단부의 침하량 차(Tilting)는 약 6mm(70m 매트 기준)로 이를 기준으로 지반 부등침하에 의한 타워의 수평변형은 약 25mm(95층 내외 지점) 발생할 것으로 분석되어 매트기초 Tilting에 의한 타워의 역보정은 불필요한 것으로 분석되었다.
상부 벨트트러스는 건물 최상부 Lantern구조를 지지하고, 하부 벨트트러스는 76~103층의 호텔기등을 지지한다. 상부 벨트트러스는 건물의 횡변위 제어에도 충분히 기여하고 있으며, 해당 위치에서는 벨트트러스가 아웃리거보다 더 효율적으로 나타났다. 104층의 트러스 상 .
실험결과 Aero-elastic Model study 부터 얻은 풍하중이 HFFB 결과보다 overturning Moment는 17~22% 더 작게 평가되었고, base shear는 약 15% 더 작게 평가되었다. 최상층 응답가속도는 약 8% 감소하였다.
아직 결론을 내기에는 이르지만, 롯데월드타워의 절대 침하량은 설계단계 예측한 값의 60% 수준인 약 20mm(코아 벽체 하부)이고 매트의 Tiltinge 매우 미미할 것으로 판단할 수 있다.
지반조사결과 기초하부 지반은 전반적으로 연암 및 경 암으로 구성되어 있어 허용지지력은 3, 000㎫로서 타워 하중을 지지하기에 충분하고 침하량 또한 적정한 것으로 분석되었으나, 타워하부에 단층대 (Fault zone)와 전단대 (Shear zone)가 일부 포함되어 지반의 불확실성에 대한 위험을 없애기 위해 108개의 지름 1.0m PRD파일로 지반을 보강하였다. 지반보강파일은 매트기초 침하 및 부등침하량을 감소시키고 지지력 또한 증진되도록 코어벽체 하부와 일부 메가기둥 하부에 배치되었으며, 매트기초와 분리되도록 말뚝 상부에 200mm 두께의 Sand Cushion을 설치하였다.
타워 풍진동 사용성 평가결과, ISO 2007와 CTBUH, AIJ 및 RW이에서 제안하고 있는 용도별 진동 가속도 및 비틀림 속도 제한치를 모두 만족하고 있다. 주거용도로서 최상층부에 위치한 호텔(101F)은 1년 재현주기 풍속에 대한 응답가속도가 제한치 AIJ H-30에 훨씬 못 미치는 AIJ H-10이 하로 평가되어 풍진동에 대한 사용성은 매우 우수하다.
후속연구
정도의 수평변형이 았음을 알 수 있다. 경사계 데이타가 설계단계 예측값과 유사한 패턴을 나타내어 설계단계예측치를 확인할 수 있었으나, 경사계 데이타는 유기적으로 움직이는 현장상황(공사에 의한 타워진동, 온도차 등의 노이지)을 그대로 담고 있어 신뢰할 만한 경사계 데이터는 조금 더 많은 계측 데이터를 분석해야 긍정적인 롯데월드타워의 수평변형 패턴을 판단할 수 있을 것이다.
앞에서 언급하였듯이 매트하부 지반침하량에 의한 타워의 Tilting과 타워의 매스-강성차로 인한 수평 변형이 설계단계 예측치보다 작게 계측되어 이로 인한 구조 안전성과 사용성에는 문제가 없을 것으로 판단되나 예상하지 못한 RISK 관리를 위해 완공 시까지 지속적인 모니터링을 통해 이를 검증할 것이다.
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