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문제 정의
- 이 논문에서는 15층 규모를 대상으로 도출된 주거건물 및 호텔건물의 프로토타입 건축평면을 이용하여 국내 실정에 적합한 고층형 모듈러 건물의 구조시스템을 제안하였다. 성능 검증을 위해 3차원 구조해석을 수행하여, 도출된 시스템에 대한 주요 구조응답을 비교 및 분석하였으며, 격막작용 조건이 건물의 거동에 미치는 효과도 평가하였다.
- 이 논문에서는 해외의 대표적인 고층 모듈러 건물에 대한 사례 분석을 수행한 후, “모듈러 건축 중고층화 및 생산성 향상 기술개발” 연구에서 도출된 주거건물과 호텔건물의 프로토타입 평면을 대상으로 국내실정에 적합한 고층형 모듈러 건물의 구조시스템을 제안하고자 한다.
- 이 연구에서는 격막작용의 수준이 전체 구조물의 거동에 미치는 영향을 평가하기 위해, 건물별로 해석모델을 두 가지로 구분하였다.
가설 설정
- 30층 규모의 주거건물과 호텔건물을 대상으로 3차원 구조해석을 수행하였으며, 대상건물은 서울에 위치한 것으로 가정하였다.
- 고정하중(DL)과 활하중(LL)은 점유바닥의 용도 및 적용 상세에 맞게 [Table 1]과 같이 가정하였으며, 코어면적 내의 실에 대해서는 계단실과 동일한 바닥하중을 적용하였다.
제안 방법
- 1층과 일반층의 층고는 각각 4.9m와 3.3m이며, 시스템층은 유닛을 지지하는 상하현재 춤에 의한 높이 증가를 고려하여 3.7m로 계획하였다.
- 고층형 모듈러 건물의 구조적 효율성을 평가하기 위해, 구조안정성이 확보된 최종 시스템의 구조물량을 비교하였다.
- 구조부재의 자중은 단면 및 재료 비중을 고려하여 자동 입력되는 값을 사용하였고, 부재설계를 위한 하중조합에서 활하중 저감영향을 반영하였다.
- 내화기준 만족을 위해 유닛 내에는 콘크리트 슬래브를 타설하였고, 공장 제작된 모듈에 현장타설 콘크리트를 일부 혼용하여 고층형 모듈러 건축물의 구조안정성을 확보하였다.
- 다음으로 모델 2는 시스템층의 하단과 지붕층에서만 전체 바닥의 강막작용을, 이외의 층에 대해서는 코어 내부의 현장타설 슬래브 영역에 대해서만 강막을 고려하였다.
- 두 건물의 구조시스템은 공통적으로 콘크리트 요소(코어벽체, 날개벽체 및 커플링보)가 수평하중을 대부분 저항하도록 계획되었다.
- 따라서 30층 규모 건물의 풍하중에 대한 저항성능을 확보하기 위해, 세대의 구획 위치에 날개벽(Fin wall)을 배치하였다.
- 또한 이 연구에서 대상으로 하는 모듈러 건물은 30층 규모의 고층으로, 건물 전체의 중력하중과 더불어 풍하중과 지진하중을 효율적으로 저항하기 위해서는 별도의 코어 및 가새골조가 도입되어야 한다2),5). 따라서 코어부는 국내 건물공사에서 선호되는 RC 전단벽으로 구성하여 이를 통해 대부분의 수평하중이 저항될 수 있도록 계획하였다. 또한 유닛은 4층 이내로만 적층하여 유닛 내구조부재의 크기가 과도해지는 것을 방지하였고, 적층된 유닛의 중력하중은 별도의 철골구조시스템을 통해 전달될 수 있도록 하였다.
- 또한 코어 반대편 입면에 안정화 트러스(Stabilizing truss)를 설치하여, 강성 불균형에 의한 과도한 비틀림 및 가속도 유발을 방지하고, 구조물이 균형적으로 거동할 수 있도록 계획하였다.
- 반면 모델 2와 같은 부분적인 강막은 구조적으로 다소 불리한 측면이 있지만, 강성과 부재설계에 큰 문제가 없는 경우 유닛 연결부에 대한 시공성 개선을 위해 적용성을 검토해 볼 수 있다. 본 해석에서는 시스템층 사이에 적층된 유닛의 중력하중을 시스템층 바닥에 집중되어 작용하는 것으로 단순화하여 반영하였다. 그러나 부분 강막의 개념을 실제 모듈러 건물 설계에 채택할 경우, 적층된 유닛을 통해 전달되는 자체적인 지진하중의 전달효과(유닛 간 미끄러짐 제어 설계, 적층 유닛의 전도모멘트 효과를 반영한 시스템층 설계 등)를 고려해야 한다.
- 성능 검증을 위해 3차원 구조해석을 수행하여, 도출된 시스템에 대한 주요 구조응답을 비교 및 분석하였으며, 격막작용 조건이 건물의 거동에 미치는 효과도 평가하였다.
- 5]는 주거건물과 호텔건물에 대해 철골조 수평요소가 배치된 층(시스템층)의 구조시스템을 보여준다. 시스템층은 매 3~4개 층마다 배치되며, 적층 유닛의 중력하중을 효과적으로 지지하고 구조적춤을 최소화하기 위해 유닛을 지지하는 요소는 트러스(Modular truss unit)로 계획하였다. 트러스의 직각 방향으로는 철골조의 안정성 확보를 위해 거더(Steel girder)를 강접합으로 연결하였다.
- 운송조건을 고려하여 적용된 유닛의 크기는 최대 4.5m(폭)×15m(길이)×3.2m(높이)이며, 모든 유닛은 바닥과 지붕을 개별적으로 갖도록 설계되었다.
- 철골기둥의 단면은 시스템층이 배치된 3~4개 층마다 조닝(Zoning)하였고, 연속되는 일반층 구간에서의 횡지지는 없는 것으로 고려하였다.
- 한편 SOHO 타워는 인건비 절감과 공기단축을 위하여, 주거 유닛과 더불어 코어벽체에 모듈러 시스템을 적용하였다.
대상 데이터
- 대상건물은 30층 규모의 고층건물로, 풍하중이 설계에서 지배적임을 알 수 있으며, 실제로 지진하중이 부재 또는 시스템 설계에 영향을 미친 경우는 없었다.
- 이 건물은 주거용으로 계획되었으며, 32개 층에 걸쳐 930개의 모듈 유닛이 사용되었다.
- 주거건물은 3.3m(폭)×6.3m(길이)의 2개 유닛이 조합된 2세대(중앙부)와 3개 유닛으로 조합된 2세대(측면), 층당 총 4세대로 구성된다.
- 콘크리트의 설계기준압축강도(fck)는 30MPa, 철근의 설계기준항복강도(fy)는 400MPa이며, 철골조에는 SM490(Fy=325MPa) 강재가 사용되었다. 1층기둥과 벽체 하부의 모든 지점은 힌지로 설정하였으며, 해석에는 상용 프로그램인 midas Gen10)을 이용하였다.
- 호주의 내화기준을 만족시키기 위해 일반적인 모듈러 시스템과 달리 유닛의 바닥에는 125mm 두께의 콘크리트 슬래브가 타설되며, 중량 감소를 위해 경량콘크리트를 사용하였다8).
이론/모형
- =325MPa) 강재가 사용되었다. 1층기둥과 벽체 하부의 모든 지점은 힌지로 설정하였으며, 해석에는 상용 프로그램인 midas Gen10)을 이용하였다.
- 각 단계에서는 작용하중을 모두 고려하여 현행 건축구조기준11)에 따라 구조부재의 설계를 수행하였다.
성능/효과
- 1. 층간소음의 문제로 유닛 내에 콘크리트 슬래브가 타설되는 국내 실정을 고려하면, 유닛의 부재 자체가 모든 외력에 저항하는 단순 적층 형태는 매우 비효율적이며, 별도의 코어 및 가새골조를 통해 전체 중력 및 수평하중을 저항하는 시스템이 경제적인 대안이 될 수 있다.
- 2. 30층 규모의 두 건물 유형에 대해 제안된 수평력 저항시스템은 풍하중과 지진하중에 대해 적절한 강성을 보유하고 있음을 확인하였다.
- 3. 부분적인 강막작용을 고려하는 경우, 전층 바닥이 강막으로 작용하는 경우에 비해 강성이 저감되어 지진하중은 감소하는 반면, 풍하중, 수평변위 및 층간변위가 증가할 수 있다. 그러나 모듈러 건물에서 모든 바닥의 충분한 격막작용을 기대하기 위해서는 유닛 간의 연결상세에 특별한 주의가 필요하기 때문에, 유닛 연결부의 시공성 개선이 보다 중요한 상황에서는 부분 강막의 개념이 적용될 수 있다.
- 4절 참조)이 다르게 설정된 모델 1과 모델 2의 주요 구조응답이 [Table 7]에 비교되어 있다. 강막작용이 부분적으로 고려된 모델 2는 전층 바닥의 강막작용이 고려된 모델 1에 비해 수평강성이 다소 저감되었다. 주거건물은 평면 형태로는 Y방향이 약축이지만, 풍하중에 의한 수평변위 기준을 만족시키는 과정에서 과도하게 보강되어 1차모드가 X방향으로 발생했으며, 강성 저감에 의한 모델 2의 1차모드 주기는 모델 1에 비해 10.
- 그러나 구조물량 비교로부터, 구조적으로 불리한 평면을 갖는 주거건물의 시스템은 호텔건물에 비해 매우 비효율적인 것으로 평가되었다.
- 또한 모델 2에서는 수직부재에 대한 바닥판의 저항강성이 낮아져, 구조부재의 강도비가 최대 10%까지 증가하였다.
- 대상건물은 30층 규모의 고층건물로, 풍하중이 설계에서 지배적임을 알 수 있으며, 실제로 지진하중이 부재 또는 시스템 설계에 영향을 미친 경우는 없었다. 또한 에서 확인할 수 있는 것처럼, EX와 EY에 의한 최대 층간변위비는 0.21%(EX)와 0.20%(EY)로, 내진등급에 따른 제한값인 1.5%보다 크게 낮은 안정적인 결과를 보였다.
- 또한 유닛은 4층 이내로만 적층하여 유닛 내구조부재의 크기가 과도해지는 것을 방지하였고, 적층된 유닛의 중력하중은 별도의 철골구조시스템을 통해 전달될 수 있도록 하였다.
- 반면 중앙코어를 갖는 호텔건물의 평면은 고층형에도 적합하여 ① 중력하중 설계, ② 수평하중 설계의 최소 단계만을 거쳐 안정성이 확인되었다.
- 반면 코어가 편심으로 배치된 주거건물은 구조안정성 확보를 위해 다양한 단계를 통해 구조요소가 보강되었고, 요구기준을 만족하도록 설계된 최종 시스템은 호텔건물에 비해 극히 비효율적인 것으로 나타났다.
- 이 건물은 커플링보로 연결된 중앙코어의 박스거동(Box action)을 통해 수평하중을 효율적으로 저항할 수 있었고, 이로써 중력하중 설계(단계 ①)와 수평하중 설계(단계 ②)의 두 단계만을 거쳐 최종적인 시스템이 도출되었다.
- 이상의 비교 결과로부터 전층 바닥의 강막작용을 고려하게 되면, 부분적인 풍증가에 의한 수평변위 및 층간변위비 감소 효과를 하중 감소와 더불어 강성기대 할 수 있음을 알 수 있다. 그러나 이를 위해서는 유닛 간 연결상세에 특별한 주의가 필요하며3),5), 충분한 격막작용이 발휘될 수 있음을 사전에 확인하여야 한다.
- 주거건물은 평면 형태로는 Y방향이 약축이지만, 풍하중에 의한 수평변위 기준을 만족시키는 과정에서 과도하게 보강되어 1차모드가 X방향으로 발생했으며, 강성 저감에 의한 모델 2의 1차모드 주기는 모델 1에 비해 10.9% 증가했다.
- 최종적인 구조시스템은 중력하중에 대한 철골조설계, 풍하중 작용시 부재설계 및 수평변위 검토, 지진하중에 대한 층간변위 검토의 단계적 과정을 거쳐 도출되었다.
- 유닛바닥의 중도리는 150mm×75mm의 각형강관이며, 그 위로는 골데크(50mm), 파티클보드(19mm), 흡음층(5mm), 바닥마감이 설치된다. 콘크리트를 타설하지 않는 모듈시스템을 적용하여, 기존 철근콘크리트(RC) 플랫슬래브 대비 35% 정도의 중량 절감효과가 있는 것으로 평가되었다. 또한 유닛 지붕의 강막작용을 위해, 적층 후 인접 유닛과 결속하였다7)
- 한편 응답스펙트럼해석법을 이용한 지진해석 결과, X방향(EX)과 Y방향 지진하중(EY)에 대한 밑면 전단력은 각각 1393kN과 1754kN으로, 이들은 WY는 물론 WX에 대한 밑면전단력보다도 낮은 값을 나타냈다.
- 호텔건물의 프로토타입 평면에서는 코어부가 중앙에 배치되어 있어, 각 주방향에 대한 수평력을 안정적으로 저항할 수 있는 것으로 평가되었다. 다만 좌우측 입면에서 구조부재가 일직선으로 배치될 수 있도록 복도의 요철을 없애고, 2개 유닛으로 구성된 측면부 4개 객실의 위치를 200mm 내측 방향으로 이동하였다.
후속연구
- 해외 선진국에서는 최근 32층 규모까지 확장적으로 적용되고 있지만, 국내의 경우 5층 이하의 소규모 건물에만 적용이 제한되고 있으며 관련된 기술도 아직 도입수준에 머무르는 실정이다. 국내에서 모듈러 건축의 확대 및 고층화를 위해서는 지속적인 연구가 수행되어야 할 것이며, 이 논문을 통해 수행된 연구는 향후 국내 고층 모듈러 건물의 구조시스템 설계시 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 해외의 경우, 고층형 모듈러건물은 최고 32층의 규모로 완공 또는 공사중인 사례들이 알려져 있지만, 그 수는 아직 많지 않은 실정이다6). 또한 해외의 고층형 시스템을 국내 건물에 그대로 적용하게 되면, 구조재료나 층간소음 문제 등 국내의 건설 관행과 부합하지 않는 문제가 발생할 수 있기 때문에, 국내 실정을 고려한 고층형 모듈러 시스템에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
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