본 최근 기존의 모습과는 다른 고층건물의 형태가 대도시에서 랜드마크로서 주목을 끌고 있으며 혁신적인 건물형태에 대한 탐색은 건축분야에서 지속적으로 이루어질 것이다. 본 연구에서는 소규모의 구조체에 활용되고 있는 $Isotruss^{(R)}$그리드를 건물의 외주골조에 적용하여 구조적 성능을 검토하였다. 구조적 거동을 비교하기 위해 다이아그리드 구조시스템을 준거로 하였다. 동일한 규모의 16층, 32층, 48층 건물을 두가지의 구조시스템으로 설계하였다. 아이소트러스 그리드 구조 부재의 선정은 예비적 설계단계로 생각하여 다이아그리드의 강성에 기준한 설계방법을 이용하였다. 경사기둥의 각도로 아이소트러스 구조는 $59^{\circ}$, 다이아그리드 구조는 $68.2^{\circ}$로 하였다. 횡강성, 철골량, 외부골조의 횡력 부담비율, 기둥의 축력 강도비, 고유 진동수를 비교하였다. 6개의 건물 모델을 해석한 결과 두 구조시스템의 구조적 성능은 유사하나 외주골조의 횡하중 분담율이 아이소트러스 그리드 구조가 93.3%로 다이아그리드 구조의 88.7% 보다 약간 커서 코어 기둥의 배치에 있어 유리하다고 볼 수 있다. 따라서 본 연구에서 제안하는 아이소트러스 그리드 시스템은 입면형태가 독특할 뿐만 아니라 기존의 구조시스템과 동등한 구조적 성능을 보유한 것으로 보인다.
본 최근 기존의 모습과는 다른 고층건물의 형태가 대도시에서 랜드마크로서 주목을 끌고 있으며 혁신적인 건물형태에 대한 탐색은 건축분야에서 지속적으로 이루어질 것이다. 본 연구에서는 소규모의 구조체에 활용되고 있는 $Isotruss^{(R)}$ 그리드를 건물의 외주골조에 적용하여 구조적 성능을 검토하였다. 구조적 거동을 비교하기 위해 다이아그리드 구조시스템을 준거로 하였다. 동일한 규모의 16층, 32층, 48층 건물을 두가지의 구조시스템으로 설계하였다. 아이소트러스 그리드 구조 부재의 선정은 예비적 설계단계로 생각하여 다이아그리드의 강성에 기준한 설계방법을 이용하였다. 경사기둥의 각도로 아이소트러스 구조는 $59^{\circ}$, 다이아그리드 구조는 $68.2^{\circ}$로 하였다. 횡강성, 철골량, 외부골조의 횡력 부담비율, 기둥의 축력 강도비, 고유 진동수를 비교하였다. 6개의 건물 모델을 해석한 결과 두 구조시스템의 구조적 성능은 유사하나 외주골조의 횡하중 분담율이 아이소트러스 그리드 구조가 93.3%로 다이아그리드 구조의 88.7% 보다 약간 커서 코어 기둥의 배치에 있어 유리하다고 볼 수 있다. 따라서 본 연구에서 제안하는 아이소트러스 그리드 시스템은 입면형태가 독특할 뿐만 아니라 기존의 구조시스템과 동등한 구조적 성능을 보유한 것으로 보인다.
Recently, unconventional high-rise building shapes have attracted attention as a landmark of metropolitan cities and the search for innovative building forms in architecture is ongoing. In this study, $Isotruss^{(R)}$ grid(ITG) used in smaller scale structures was applied to building stru...
Recently, unconventional high-rise building shapes have attracted attention as a landmark of metropolitan cities and the search for innovative building forms in architecture is ongoing. In this study, $Isotruss^{(R)}$ grid(ITG) used in smaller scale structures was applied to building structural systems and its structural performance was examined. The structural behavior of an ITG was compared with that of a diagrid structure as a reference structure. The stiffness-based design method of the diagrid system was used for the preliminary design stage of member sizing in an ITG. The structural design of 16, 32, and 48-story buildings was carried out for the two systems with the same size. The angle of the inclined columns for ITG and diagrid was $59^{\circ}$ and $68.2^{\circ}$, respectively. The lateral stiffness, steel tonnage of the exterior frame, axial strength ratio, story drift ratio, and natural frequency of the two systems were compared. Based on the analysis result of 6 buildings, the two systems had similar structural capacity; 93.3% and 88.7% of the lateral load was carried by the perimeter frame in the ITG system and diagrid system, respectively. This suggests that the ITG system is better in arranging core columns. Therefore, the proposed ITG system has not only a unique façade, but also substantial structural capacity equivalent to the existing system.
Recently, unconventional high-rise building shapes have attracted attention as a landmark of metropolitan cities and the search for innovative building forms in architecture is ongoing. In this study, $Isotruss^{(R)}$ grid(ITG) used in smaller scale structures was applied to building structural systems and its structural performance was examined. The structural behavior of an ITG was compared with that of a diagrid structure as a reference structure. The stiffness-based design method of the diagrid system was used for the preliminary design stage of member sizing in an ITG. The structural design of 16, 32, and 48-story buildings was carried out for the two systems with the same size. The angle of the inclined columns for ITG and diagrid was $59^{\circ}$ and $68.2^{\circ}$, respectively. The lateral stiffness, steel tonnage of the exterior frame, axial strength ratio, story drift ratio, and natural frequency of the two systems were compared. Based on the analysis result of 6 buildings, the two systems had similar structural capacity; 93.3% and 88.7% of the lateral load was carried by the perimeter frame in the ITG system and diagrid system, respectively. This suggests that the ITG system is better in arranging core columns. Therefore, the proposed ITG system has not only a unique façade, but also substantial structural capacity equivalent to the existing system.
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문제 정의
본 연구에서는 소규모 구조체에 활용되고 있는 아이 소트러스 그리드(IsoTruss® grid, ITG)[2]를 건물의 구조시스템에 적용하여 구조적 성능을 알아보았다. 해석모델 건물의 구조설계시 일반적으로 사용되는 다이아그리드 구조시스템의 외주기둥 소요단면적 산정식[3]을 이용하여 16층, 32층, 48층 다이아그리드 건물의 외주골조기둥 부재를 결정하였고 이 부재들을 아이소트러스 구조시스템에 적용하였다.
가설 설정
(2) 기둥의 강도비에서 두 시스템은 약간 다른 패턴을 보이나 최대값의 크기는 비슷하다.
제안 방법
본 연구에서는 아이소트러스 그리드를 건물구조시스템으로 적용하여 동일한 규모의 저층, 중층, 고층 다이아그리드 구조와 비교하여 구조적 성능을 분석하였으며 결론은 다음과 같다.
해석모델 건물의 구조설계시 일반적으로 사용되는 다이아그리드 구조시스템의 외주기둥 소요단면적 산정식[3]을 이용하여 16층, 32층, 48층 다이아그리드 건물의 외주골조기둥 부재를 결정하였고 이 부재들을 아이소트러스 구조시스템에 적용하였다. 새로운 구조시스템의 구조적 성능을 평가하기 위해 최대횡변위, 철골량, 하중분담비율, 강도비, 고유진동수, 층간변위비를 비교하였다.
외주 골조의 구조적 성능 비교를 위하여 최대한 동일한 규모의 건축바닥면적이 확보되도록 평면을 설계하였다. Table 1에 두 구조시스템의 기본사양이 나와 있으며 다이아그리드구조 설계시 외주기둥의 소요단면적은 Moon 외2인[3]의 제안식을 그리고 ITG구조 설계시 경사기둥의 각도는 Kim 외3인[4]의 연구결과를 참조하여 정하였다.
대상 데이터
기둥 부재는 원형강관을 사용하였다. Fig.6과 Fig.7은 16층 (60m), 32층(120m), 48층(180m) 모델에 대한 구조모델링의 투시도이고 각 층의 높이는 3.75m이다.
5는 해석모델의 1층 기준 평면도이다. 기둥 부재는 원형강관을 사용하였다. Fig.
grid, ITG)[2]를 건물의 구조시스템에 적용하여 구조적 성능을 알아보았다. 해석모델 건물의 구조설계시 일반적으로 사용되는 다이아그리드 구조시스템의 외주기둥 소요단면적 산정식[3]을 이용하여 16층, 32층, 48층 다이아그리드 건물의 외주골조기둥 부재를 결정하였고 이 부재들을 아이소트러스 구조시스템에 적용하였다. 새로운 구조시스템의 구조적 성능을 평가하기 위해 최대횡변위, 철골량, 하중분담비율, 강도비, 고유진동수, 층간변위비를 비교하였다.
이론/모형
구조해석시 건축구조기준 2016 [5]을 적용하여 고정 하중은 4kN/m2, 활하중은 2.5kN/m2, 풍속은 38m/s로 하였다. 외주기둥간, 그리고 내부보와 외주기둥의 연결은 핀접합으로 하였고.
외주기둥간, 그리고 내부보와 외주기둥의 연결은 핀접합으로 하였고. 구조해석은 Midas[6]를 이용하여 수행하였다. Fig.
외주기둥의 소요단면적은 Moon 외2인[3]연구의 다음과 같은 산정식을 사용하였다. 건물의 웨브면과 플렌지 면에 작용하는 전단력과 모멘트에 따라 부재 단면적을 산정하여 큰 단면적을 모듈의 부재로 정한다.
성능/효과
(1) 외주기둥의 철골량이 ITG구조가 다이아그리드 구조에 비해 약 3.3%크나, 최대 횡변위는 다이아그리드 구조보다 약 7% 감소하여 두 시스템간의 횡강성은 비슷한 것으로 보인다.
(3) 외주골조기둥과 내부코어기둥의 중력하중에 대한 분담률은 거의 같으나 횡하중에 대한 분담률은 ITG구조가 더 크게 나타났다.
(5) 고유진동수가 저층건물에서는 ITG구조가 약간 크게 나왔으나 고층건물에서는 거의 동일하게 나와 두 구조시스템의 기본적인 동적 특성이 유사하다고 생각된다.
본 연구에서 제안한 구조시스템의 구조적 성능이 다이아그리드구조와 비교하여 대체적으로 비슷하여 구조적 타당성은 있는 것으로 판단된다.
후속연구
(4) ITG구조에서 수직기둥과 경사기둥의 단면적을 다르게 한 모델에서 철골량의 감소량과 횡변위의 증가량이 유사하였으며 강도비는 수직기둥이 경사 기둥에 비해 크게 나와 기둥부재의 효율성을 높이기 위해 기둥부재를 다르게 쓰는 것도 대안이 될수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
아이소트러스 그리드 구조는 다이아그리드 구조와 비교했을 때 횡강성은 어떤가?
(1) 외주기둥의 철골량이 ITG구조가 다이아그리드 구조에 비해 약 3.3%크나, 최대 횡변위는 다이아그리드 구조보다 약 7% 감소하여 두 시스템간의 횡강성은 비슷한 것으로 보인다.
아이소트러스트 그리드 구조와 다이아그리드 구조의 고유진동수를 비교한 결과는 어떤가?
(5) 고유진동수가 저층건물에서는 ITG구조가 약간 크게 나왔으나 고층건물에서는 거의 동일하게 나와 두 구조시스템의 기본적인 동적 특성이 유사하다고 생각된다.
아이소트러스구조에서 바닥 형태는 어떻게 만들어지는가?
아이소트러스구조의 바닥형태는 동일한 크기의 정사 각형을 45°로 돌려서 두 개의 정사각형을 겹쳐 만들어진다. Fig.
참고문헌 (6)
Mir M. Ali, K. S. Moon, Structural Development in Tall Buildings: Current Trends and Future Prospects, Architectural Science Review, vol. 50.3, pp. 205-223, 2007. DOI: https://doi.org/10.3763/asre.2007.5027
K. S. Moon, J. J. Connor, J. E. Fernandez, Diagrid Structural Systems for Tall Buildings: Characteristics and Methodology for Preliminary Design, The Structural Design of Tall and Special Buildings, vol. 16.2, pp. 205-230, 2007. DOI: https://doi.org/10.1002/tal.311
T. H. Kim, H. U. Lee, H. J. Jeong, Y. C. Kim, Investigation of Optimal Angle for Diagonal Member in Building Structures with IsoTruss ${(R)}$ System, Proceedings of the 2015 International Symposium on Advanced Engineering, Busan, Korea, pp. 403-404.
Ministry of Land, Infrastructure and Transport, Korean Building Code-Structural, pp. 41-190, 2016.
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