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문제 정의
- 본 연구에서는 골조-전단벽 구조에서 상부층 전단벽의 미 배치가 수평강성에 미치는 영향을 분석하고, 상부층 전단벽 미배치에 대한 적절한 위치를 파악하기 위하여 상부층 전단벽 미배치 층수와 2개층마다의 기둥과 전단벽의 단면변화 치수를 주요한 해석변수로 채택한 45여개 모델에 대한 구조해석을 실시한 후에 그 결과를 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
가설 설정
- 2에 나타내었다. 본 연구에서는 대상모델을 서울에 소재하고 있는 업무시설로 가정하였다. 해석대상 모델의 설계하중에 대한 개요를 Table 1에 나타내었다.
제안 방법
- Figs. 11과 12에서는 전단벽을 전층에 배치한 5개 모델에 대한 전단력과 전도모멘트 분포를 골조와 전단벽에 대하여 각각 나타내어 비교하였다. 그리고 Table 4에 전단벽을 전층에 배치한 5개 모델에 대한 전단력과 전도모멘트에 대한 전단벽의 변곡점 위치를 나타내었다.
- 상기와 같이 기둥의 단면적 비율이 55%가 되도록 하고, 상부층 전단벽 미배치에 대한 적절한 위치를 파악하기 위한 모델 가운데에서 건물의 하층방향으로 2개층마다 기둥 단면 크기는 50 mm씩, 전단벽의 두께는 50 mm씩 각각 증가하게 하는 경우를 표준모델(모델 1)로 하였다. 그리고 골조와 전단벽의 수평강성 차이에 따른 상부층 전단벽의 미배치가 수평강성에 미치는 영향도 파악하기 위하여 건물의 하층방향으로 2개층마다 기둥 단면 크기는 50 mm씩, 전단벽의 두께는 30 mm씩 각각 증가하게 하는 경우(모델 2), 기둥 단면 크기는 50 mm씩, 전단벽의 두께는 10 mm씩 각각 증가하게 하는 경우(모델 3), 기둥 단면 크기는 30 mm씩, 전단벽의 두께는 50 mm씩 각각 증가하게 하는 경우(모델 4), 기둥 단면 크기는 10 mm씩, 전단벽의 두께는 50 mm씩 각각 증가하게 하는 경우(모델 5) 4가지 종류의 모델도 추가적으로 설정하였다. 이 5가지 모델에 대하여 상부층의 전단벽이 미배치되도록 한 층수가 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8층이 되는 경우에 대하여서도 각각 검토하였다.
- 본 연구에서는 저자가 실시한 선행연구(Kim, 2015; Kim, 2016)와 동일하게 최상층에서 기둥은 400 × 400 mm, 전단벽은 200 mm 두께로 가정한 후에 건물의 하층 방향으로 2개층인 8 m마다 기둥의 폭, 기둥의 깊이, 전단벽의 두께를 각각 50 mm씩 증가하게 하는 기본모델을 대상으로 하여 현행 설계기준(Architectural Institute of Korea, 2009)에 따라서 구조설계를 실시하였다.
- 여기서 골조전단벽 구조시스템에 있어서 상부층 전단벽의 미배치가 수평 강성에 미치는 영향을 분석하고, 상부층 전단벽 미배치에 대한 적절한 위치를 파악하기 위한 모델로는 기둥의 단면적 비율이 기본모델과 거의 유사한 55%인 경우로 하였다. 상기와 같이 기둥의 단면적 비율이 55%가 되도록 하고, 상부층 전단벽 미배치에 대한 적절한 위치를 파악하기 위한 모델 가운데에서 건물의 하층방향으로 2개층마다 기둥 단면 크기는 50 mm씩, 전단벽의 두께는 50 mm씩 각각 증가하게 하는 경우를 표준모델(모델 1)로 하였다. 그리고 골조와 전단벽의 수평강성 차이에 따른 상부층 전단벽의 미배치가 수평강성에 미치는 영향도 파악하기 위하여 건물의 하층방향으로 2개층마다 기둥 단면 크기는 50 mm씩, 전단벽의 두께는 30 mm씩 각각 증가하게 하는 경우(모델 2), 기둥 단면 크기는 50 mm씩, 전단벽의 두께는 10 mm씩 각각 증가하게 하는 경우(모델 3), 기둥 단면 크기는 30 mm씩, 전단벽의 두께는 50 mm씩 각각 증가하게 하는 경우(모델 4), 기둥 단면 크기는 10 mm씩, 전단벽의 두께는 50 mm씩 각각 증가하게 하는 경우(모델 5) 4가지 종류의 모델도 추가적으로 설정하였다.
- 8%로 각각 나타났다. 여기서 골조전단벽 구조시스템에 있어서 상부층 전단벽의 미배치가 수평 강성에 미치는 영향을 분석하고, 상부층 전단벽 미배치에 대한 적절한 위치를 파악하기 위한 모델로는 기둥의 단면적 비율이 기본모델과 거의 유사한 55%인 경우로 하였다. 상기와 같이 기둥의 단면적 비율이 55%가 되도록 하고, 상부층 전단벽 미배치에 대한 적절한 위치를 파악하기 위한 모델 가운데에서 건물의 하층방향으로 2개층마다 기둥 단면 크기는 50 mm씩, 전단벽의 두께는 50 mm씩 각각 증가하게 하는 경우를 표준모델(모델 1)로 하였다.
- 여기서는 본 연구의 대상이 되는 45개 모델에 대한 전단벽 배치 조건에 따른 수평변위 분포, 전단벽 배치 조건에 따른 전단력과 전도모멘트 분포, 전단력과 전도모멘트에 대한 전단벽의 변곡점 위치, 수평강성 등을 비교분석하였다. 본 연구에 적용한 수평하중은 Y방향의 풍하중이다.
- 여기서는 전단벽 배치 조건에 따른 수평강성을 비교하였다. 여기서 저자의 선행연구(Kim, 2015; Kim, 2016)와 동일하게 건물의 전체 수평강성(K)을 다음과 같이 산정하였다.
- 그리고 골조와 전단벽의 수평강성 차이에 따른 상부층 전단벽의 미배치가 수평강성에 미치는 영향도 파악하기 위하여 건물의 하층방향으로 2개층마다 기둥 단면 크기는 50 mm씩, 전단벽의 두께는 30 mm씩 각각 증가하게 하는 경우(모델 2), 기둥 단면 크기는 50 mm씩, 전단벽의 두께는 10 mm씩 각각 증가하게 하는 경우(모델 3), 기둥 단면 크기는 30 mm씩, 전단벽의 두께는 50 mm씩 각각 증가하게 하는 경우(모델 4), 기둥 단면 크기는 10 mm씩, 전단벽의 두께는 50 mm씩 각각 증가하게 하는 경우(모델 5) 4가지 종류의 모델도 추가적으로 설정하였다. 이 5가지 모델에 대하여 상부층의 전단벽이 미배치되도록 한 층수가 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8층이 되는 경우에 대하여서도 각각 검토하였다. Table 3에 본 연구의 해석대상 모델을 정리하여 나타내었다.
- 본 연구에서는 저자가 실시한 선행연구(Kim, 2015; Kim, 2016)와 동일하게 최상층에서 기둥은 400 × 400 mm, 전단벽은 200 mm 두께로 가정한 후에 건물의 하층 방향으로 2개층인 8 m마다 기둥의 폭, 기둥의 깊이, 전단벽의 두께를 각각 50 mm씩 증가하게 하는 기본모델을 대상으로 하여 현행 설계기준(Architectural Institute of Korea, 2009)에 따라서 구조설계를 실시하였다. 특히, 지진하중에 대하여서 대상모델의 층간변위비가 층고의 1.5% 이하가 되도록 등가정적해석과 응답스펙트럼해석을 실시하였고, 풍하중에 대해서는 대상모델의 최상층 수평변위가 건물 전체높이의 1/500 이하가 될 수 있도록 설계하였다. 앞에서 설명한 것과 같이 구조설계를 실시한 결과로부터 정해진 기본모델에 대한 주요한 구조부재에 대한 단면을 Table 2에 표시하였다.
대상 데이터
- 3에 알 수 있는 것과 같이 최상층만을 제외하고 모든 층에서 풍하중이 지진하중보다 우세하게 나타났다. 그리고 본 연구의 해석모델은 철근 콘크리트 구조로 기둥, 보, 전단벽의 콘크리트 설계압축강도(fck)는 45 MPa로 하였다.
- 그러나 상기의 결과는 기둥과 전단벽의 단면을 상하층에 관계없이 모든 층에서 일정하다고 가정하는 등 건물 조건을 단순화함으로 인하여 실제 상황과는 상이한 점이 있다. 본 연구에서는 기존 논문의 한계점을 보완하여 골조-전단벽 구조에서 상부층 전단벽의 미배치가 수평강성에 미치는 영향을 분석하고, 상부층 전단벽 미배치에 대한 적절한 위치를 파악하고자 기둥-전단벽 구조시스템이 많이 적용되고 있는 규모인 30층 건물을 대상으로 하였고, 구조해석은 MIDAS-Gen 8.25(2013)을 사용하였다.
- 본 연구의 대상모델로는 Fig. 1에 표시한 것과 같이 X방향으로 5개의 9 m 경간인 45 m, Y방향으로 3개의 9 m 경간인 27 m가 되는 평면을 채택하였고, 해석모델의 층고는 4 m, 층수는 30층으로 설정함에 따라서 건물의 전체높이는 120 m가 되었다. 상부층 전단벽이 미설치된 해석모델 건물에 대한 모델링한 결과를 Fig.
성능/효과
- 1) 골조-전단벽 구조에서 건물의 최상부로부터 건물 전체높이의 15% 정도까지 전단벽을 배치하지 않아도 전단벽이 전체층에 배치된 경우가 보유하고 있는 수평강성의 95%이상을 확보 할 수 있다.
- 또한 Figs. 11과 12에서 기둥의 단면은 동일하고 2개층마다 전단벽의 두께 변화 차이가 상이한 모델 1(2개층마다 전단벽의 두께 차이 =50 mm), 모델 2(2개층마다 전단벽의 두께 차이 = 30 mm), 모델 3(2개층마다 전단벽의 두께 차이 = 10 mm)을 비교하면, 하층방향으로 2개층마다 전단벽의 두께변화 차이가 클수록 전단력과 전도모멘트에 대한 전단벽의 변곡점 위치는 건물의 상층방향으로 이동하는 경향을 보였다. 이것도 앞에서 언급한 모델 1, 모델 4, 모델 5의 경우와 동일한 논리라면 전단벽의 상하간의 두께변화 차이가 클수록 상부 전단벽 두께가 상대 적으로 얇아지기 때문에 상부에서 기둥이 담당하는 정방향 전단력이 상대적으로 커짐에 따라서 상부 전단벽이 담당하게 되는 정방향 전단력은 감소하고 부방향 전단력은 증가하는 결과를 보이는 것이 타당하다.
- Figs. 11과 12에서 전단벽의 두께는 동일하고 2개층마다 기둥의 단면변화 차이가 상이한 모델 1(2개층마다 기둥의 단면 차이 = 50 mm), 모델 4(2개층마다 기둥의 단면 차이 = 30 mm), 모델 5(2개층마다 기둥의 단면 차이 = 10 mm)를 비교하면, 하층방향으로 2개층마다 기둥단면의 치수변화의 차이가 클수록 전단력과 전도모멘트에 대한 전단벽의 변곡점 위치는 건물의 상층방향으로 이동하는 경향을 나타내었다. 이것은 기둥의 상하간의 단면변화 차이가 클수록 상부 기둥 단면이 상대적으로 작아지기 때문에 상부에서 기둥이 담당하는 정방향 전단력이 상대적으로 작아진다.
- 2) 최상층에 전단벽을 배치하지 않는 것은 골조-전단벽 구조의 수평강성을 오히려 증가시켰다.
- Figs. 5와 6에 최상층으로부터 2개층, 3개층, 4개층, 5개층, 6개층, 7개층, 8개층에 전단벽을 배치하지 않은 경우는 최상층 수평변위가 각각 0.1596 m, 0.1610 m, 0.1637 m, 0.1664 m, 0.1701 m, 0.1737 m, 0.1780 m로 전단벽을 전층에 배치한 경우보다 전단벽을 배치 하지 않은 층수가 증가할수록 최상층 수평변위가 0.1~11.6% 범위에서 증가한 것을 보여 주었다.
- Figs. 5와 6에서 전단벽을 전층에 배치한 경우는 최상층 수평변위가 0.1595 m로 나타났고, 최상층으로부터 1개층에 전단벽을 배치하지 않은 경우는 최상층 수평변위가 0.1588 m로 오히려 전단벽을 전층에 배치한 경우보다 감소한 결과를 보였다. Figs.
- 이 그림에서는 전단벽을 배치하지 않은 층수가 많을수록 수평강성이 감소하는 경향을 보였다. 그리고 여기서 모델 1, 모델 2, 모델 3에서 알 수 있는 것과 같이 하층방향으로 2개층마다 전단벽의 두께변화의 차이가 클수록 수평강성은 커지는 경향을 보였다. 또한 Fig.
- 기본모델에서 건물 전체의 기둥과 전단벽에 대한 단면적과 각각의 단면적 비율을 Table 2에 나타내었다. 기본모델은 기둥 단면적 비율과 전단벽 단면적의 비율이 55.2%와 44.8%로 각각 나타났다. 여기서 골조전단벽 구조시스템에 있어서 상부층 전단벽의 미배치가 수평 강성에 미치는 영향을 분석하고, 상부층 전단벽 미배치에 대한 적절한 위치를 파악하기 위한 모델로는 기둥의 단면적 비율이 기본모델과 거의 유사한 55%인 경우로 하였다.
- 이것은 기둥의 상하간의 단면변화 차이가 클수록 상부 기둥 단면이 상대적으로 작아지기 때문에 상부에서 기둥이 담당하는 정방향 전단력이 상대적으로 작아진다. 따라서 상부의 전단벽이 담당하게 되는 정방향 전단력은 증가하고 부방향 전단력은 감소하는 결과를 보임으로서 전단벽의 변곡점이 상부로 이동한 것으로 나타났다. 또한 Figs.
- 그리고 여기서 모델 1, 모델 2, 모델 3에서 알 수 있는 것과 같이 하층방향으로 2개층마다 전단벽의 두께변화의 차이가 클수록 수평강성은 커지는 경향을 보였다. 또한 Fig. 13의 모델 1, 모델 4, 모델 5에서 나타난 것과 같이 하층방향으로 2개층마다 기둥 단면의 치수변화의 차이는 작을수록 수평강성은 증가하는 경향을 보였다. 이것은 앞에서 설명한 것과 같이 골조-전단벽 구조는 수평하중에 대한 수평변형이 건물의 상부에서는 전단변형 모드, 건물의 하부에서는 휨변형모드가 지배적으로 나타나기 때문에 전단벽은 전단벽의 상하 두께변화 차이가 크게 하여 하층부의 휨강성을 상대적으로 증가시키고, 골조는 기둥 단면의 치수변화 차이가 작도록 하여 가능하면 상부층의 전단 강성을 상대적으로 증가시키는 편이 골조-전단벽 구조의 수평강성을 향상시키는 방법이라고 할 수 있다.
- (Smith and Nollet, 1993)은 골조-전단벽 구조의 상부층에 전단벽을 배치하지 않은 조건의 구조 모델에 대한 구조적인 효과를 분석하였다. 이 연구에서는 전단력(Shear Force)과 전도모멘트(Overturning Moment)로 인하여 전단벽에 나타나는 변곡 위치까지 전단벽을 배치하지 않는 것이 골조-전단벽 구조의 수평강성을 상승시킬 수 있다는 연구결과를 발표하였다. 그러나 상기의 결과는 기둥과 전단벽의 단면을 상하층에 관계없이 모든 층에서 일정하다고 가정하는 등 건물 조건을 단순화함으로 인하여 실제 상황과는 상이한 점이 있다.
- 그리고 전단벽을 전층에 배치한 경우, 최상층에서 전단벽의 전단력은 부방향으로 작용하면서 골조에 외력보다 더 큰 전단력이 작용하게 되는 결과를 보여주고 있다. 전단벽을 각각 최상층의 3개층과 6개층에 배치하지 않은 경우는 최상층을 제외하고 전단벽을 배치하지 않은 층수가 많을수록 골조의 전단력은 증가하고 전단벽의 전단력은 감소하는 결과를 보였다.
- 그리고 전단벽을 전층에 배치한 경우, 최상층에서 전단벽에 작용하는 전도모멘트도 전단력과 마찬가지로 부방향으로 작용하면서 골조에 외력보다 더 큰 전도모멘트가 작용하게 되는 결과를 보여주고 있다. 전단벽을 각각 최상층의 3개층과 6개층에 배치하지 않은 경우는 최상층을 제외하고 전단벽을 배치하지 않은 층수가 많을수록 골조의 전도모멘트는 증가하고 전단벽의 전도모멘트는 감소하는 결과를 나타내었다.
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