시대적 흐름에 따라 고층 건물은 정형적인 형태에서 벗어나 비정형적인 형태로 변화하고 있고 최근에는 외주골조에 기하학적 그리드 패턴으로 부재를 배치하고 있다. 본 연구에서는 헥사그리드구조의 부재선정을 위한 소요단면2차모멘트 산정식을 제안하였다. 헥사그리드 고층건물의 외주골조에 동일한 단면을 사용한 기존연구와는 다르게 수평 대각 부재와 모듈의 위치에 따라 부재사이즈를 변경하였다. 헥사그리드 유닛사이즈가 구조성능에 미치는 영향을 검토하기 위해 모듈의 높이를 1개층, 2개층, 4개층 높이로 한 60층 건물을 설계하여 해석하였다. 15개 건물에 대한 최대 횡변위, 철골량, 중력하중과 횡하중에 대한 외주골조의 횡력 분담비율, 부재의 조합 강도비를 비교하였다. 헥사그리드 구조의 횡력분담 능력이 다이아그리드 구조에 비해 작아서 헥사그리드 구조에서는 코어골조에 적절한 횡강성을 배분해야 한다. 휨변형 대 전단변형의 비는 4가 가장 적합하였고 부재간 접합에 따른 시공비용 및 구조적 효율성으로 판단할 때 헥사그리드 유닛이 큰 것이 유리하다고 판단된다. 건물의 최대 횡변위가 제한치의 84%~108%로 나와 헥사그리드 건물의 예비설계에 적용 가능한 것으로 보인다.
시대적 흐름에 따라 고층 건물은 정형적인 형태에서 벗어나 비정형적인 형태로 변화하고 있고 최근에는 외주골조에 기하학적 그리드 패턴으로 부재를 배치하고 있다. 본 연구에서는 헥사그리드구조의 부재선정을 위한 소요단면2차모멘트 산정식을 제안하였다. 헥사그리드 고층건물의 외주골조에 동일한 단면을 사용한 기존연구와는 다르게 수평 대각 부재와 모듈의 위치에 따라 부재사이즈를 변경하였다. 헥사그리드 유닛사이즈가 구조성능에 미치는 영향을 검토하기 위해 모듈의 높이를 1개층, 2개층, 4개층 높이로 한 60층 건물을 설계하여 해석하였다. 15개 건물에 대한 최대 횡변위, 철골량, 중력하중과 횡하중에 대한 외주골조의 횡력 분담비율, 부재의 조합 강도비를 비교하였다. 헥사그리드 구조의 횡력분담 능력이 다이아그리드 구조에 비해 작아서 헥사그리드 구조에서는 코어골조에 적절한 횡강성을 배분해야 한다. 휨변형 대 전단변형의 비는 4가 가장 적합하였고 부재간 접합에 따른 시공비용 및 구조적 효율성으로 판단할 때 헥사그리드 유닛이 큰 것이 유리하다고 판단된다. 건물의 최대 횡변위가 제한치의 84%~108%로 나와 헥사그리드 건물의 예비설계에 적용 가능한 것으로 보인다.
High-rise building shapes are changing from orthogonal to irregular form and the current trend is to arrange members in geometric grid-patterns at the perimeter of buildings. This study proposes a simple model for the preliminary design of a hexagrid high-rise building. The size of the cross section...
High-rise building shapes are changing from orthogonal to irregular form and the current trend is to arrange members in geometric grid-patterns at the perimeter of buildings. This study proposes a simple model for the preliminary design of a hexagrid high-rise building. The size of the cross section is set to be different at each module and hexagrid unit, which is different from the previous studies in which all hexagrid members were the same. To examine the effect of hexagrid size on structural performance, 60-story hexagrid buildings with 1-, 2- and 4-story high modules are designed and analyzed. Maximum lateral displacement, steel tonnage, load carrying percentage of perimeter frame and combined strength ratio are compared for 15 buildings. As the lateral load carrying capacity of hexagrid structure was inferior to a diagrid structural system, proper lateral stiffness should be allocated to the core frame in a hexagrid structure. The best ratio of flexural to shear deformation was 4 and larger unit size was better in considering constructional cost and structural efficiency. As the maximum lateral displacements of the buildings were within 84%~108% of the limit, the proposed method seems to be applicable to preliminary design of hexagrid buildings.
High-rise building shapes are changing from orthogonal to irregular form and the current trend is to arrange members in geometric grid-patterns at the perimeter of buildings. This study proposes a simple model for the preliminary design of a hexagrid high-rise building. The size of the cross section is set to be different at each module and hexagrid unit, which is different from the previous studies in which all hexagrid members were the same. To examine the effect of hexagrid size on structural performance, 60-story hexagrid buildings with 1-, 2- and 4-story high modules are designed and analyzed. Maximum lateral displacement, steel tonnage, load carrying percentage of perimeter frame and combined strength ratio are compared for 15 buildings. As the lateral load carrying capacity of hexagrid structure was inferior to a diagrid structural system, proper lateral stiffness should be allocated to the core frame in a hexagrid structure. The best ratio of flexural to shear deformation was 4 and larger unit size was better in considering constructional cost and structural efficiency. As the maximum lateral displacements of the buildings were within 84%~108% of the limit, the proposed method seems to be applicable to preliminary design of hexagrid buildings.
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문제 정의
본 연구에서는 헥사그리드구조 고층건물의 예비설계단계에서 적용 가능한 부재의 소요단면2차모멘트 산정 식을 제안하였다. 이 식을 이용하여 설계한 60층 건물의 해석결과를 요약하면 다음과 같다.
가설 설정
헥사그리드 구조에 횡력이 작용하면 웨브면 대각·수평부재의 중간부분에 모멘트가 0인 변곡점이 생긴다[3]. 반복되는 헥사그리드의 유닛 셀을 분리하여 전단력에 의한 변형을 Fig. 2와 같이 가정하였다. 여기서 Ld, Lh는대각·수평부재의 길이이며, θ는 대각부재의 각도이다.
헥사그리드 구조의 플랜지면에 전도모멘트가 작용하면 수평부재에는 모멘트가 발생하지 않고 대각부재의 중간에서 모멘트가 0인 변곡점이 생긴다[3]. 헥사그리드의 반복되는 유닛 셀을 분리하여 전도모멘트에 의한 변형을 Fig. 5와 같이 가정하였다.
제안 방법
3가지 형태의 헥사그리드(HS-1, HS-2, HS-3)를 이용하여 60층 건물을 설계하였으며 각 모델의 사양이 Table 1에 나와 있다.각 모델에서 부재의 크기는 식(17)를 이용하였고 γ와 X는 식(13)에 s=3, 4, 5, 6, 7을 대입하여 구하였다.
본 연구에서는 상기의 연구와는 다르게 헥사그리드 유닛의 수평·대각 부재와 모듈의 위치에 따라 단면 사이즈를 다르게 하여 외주골조를 설계하였다.
본 연구에서는 상기의 연구와는 다르게 헥사그리드 유닛의 수평·대각 부재와 모듈의 위치에 따라 단면 사이즈를 다르게 하여 외주골조를 설계하였다. 최대 횡변위의 제한값을 만족하는데 필요한 헥사그리드 부재의 단면 2차모멘트 산정식을 제안하였다. 이 식을 이용하여 헥사 그리드 구조의 부재사이즈를 결정하였다.
헥사그리드 유닛의 크기에 따른 헥사그리드 구조의 성능변화를 알아보기 위해 3가지의 유닛 크기를 설정하여 60층 규모의 헥사그리드 구조를 설계하였다. 해석결과를 토대로 최대 횡변위, 철골량, 중력 및 횡하중에 대한 헥사그리드 골조의 하중분담율과 부재의 조합강도비를 비교하였다.
헥사그리드 유닛의 크기에 따른 헥사그리드 구조의 성능변화를 알아보기 위해 3가지의 유닛 크기를 설정하여 60층 규모의 헥사그리드 구조를 설계하였다. 해석결과를 토대로 최대 횡변위, 철골량, 중력 및 횡하중에 대한 헥사그리드 골조의 하중분담율과 부재의 조합강도비를 비교하였다.
대상 데이터
9는 구조모델링에 의한 투시도이다. 헥사그리드 부재는 원형강관을 사용하였고 HS-3 모델의 부재사이즈는 Table 2와 같다.
이론/모형
각 모델에서 부재의 크기는 식(17)를 이용하였고 γ와 X는 식(13)에 s=3, 4, 5, 6, 7을 대입하여 구하였다. 건축구조기준[5]을 적용하여 고정하중은 4kN/m2, 활하중은 2.5kN/m2, 풍속은 38m/s로 하였다. 헥사그리드 대각 수평 부재간의 접합은 강접합, 내부보와 외주기둥과의 연결은 핀접합으로 하였고.
헥사그리드 대각 수평 부재간의 접합은 강접합, 내부보와 외주기둥과의 연결은 핀접합으로 하였고. 구조해석은 Midas[6]를 이용하여 수행하였다. Fig.
성능/효과
(1) s값과 모듈의 크기에 따라 부재 단면의 크기가 변하는데 제안식을 적용하여 구한 최대 횡변위가 허용치의 84%(s=7, HS-1)에서 108%(s=3, HS-1)로 예비설계단계에서 부재배분의 영향을 검토하는데 적용할 수 있다고 판단된다.
(2) 헥사그리드 부재의 중력하중 분담비율은 45∼55%이나 횡하중에 대한 분담비율 60∼80%로 다이아그리드 구조에 비해 횡력저항 성능이 약하여 코어골조의 횡강성이 적절하게 유지되어야 횡변위를 통제할 수 있다.
(3) 최대 횡변위와 철골량으로 볼 때 s=4가 가장 적합한 것으로 보인다.
(5) 헥사그리드 유닛이 큰 모델이 횡변위와 소요 철골량의 측면에서 효율적이었는데 대각·수평부재간 그리고 헥사그리드 유닛간의 접합에 필요한 시공비용을 고려하면 효율성은 더 커진다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
헥사그리드 구조가 다이아그리드 구조보다 효과적이지 못한 이유는?
외주골조 부재가 중력하중의 45∼54%를 지지하는 반면 횡하중에 대해서는 HS-1모델과 HS-2모델이 77∼80%,HS-3은 62∼65%를 외주골조가 부담한다. 헥사그리드 구조는 코어 골조가 횡하중의 23∼38%를 저항하므로 횡하중의 대부분을 저항하는 다이아그리드 구조[2]보다 효과적이지 못하다.
대각부재의 철골량이 수평 부재에 비해 훨씬 많은 이유는?
11에 나와 있다. 대각부재의 철골량이 수평부재에 비해 훨씬 많은 것을 알 수 있는데 이는 헥사그리드 유닛에서 대각부재가 횡력저항의 주된 역할을 하기 때문이다. 헥사그리드 유닛의 크기가 클수록 철골량이 적게 나왔다.
한가지의 단면 사이즈로 외주 구조체를 설계하는 것은 비효율적이기 때문에 어떤 설계방식을 채택하였는가?
본 연구에서는 상기의 연구와는 다르게 헥사그리드 유닛의 수평·대각 부재와 모듈의 위치에 따라 단면 사이즈를 다르게 하여 외주골조를 설계하였다. 최대 횡변위의 제한값을 만족하는데 필요한 헥사그리드 부재의 단면 2차모멘트 산정식을 제안하였다.
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
J. H. M de Meijer, Lateral Stiffness of Hexagrid Structures, Master's thesis, Eindhoven University of Technology, Department of the Built Environment, 2012.
G. M. Montuori, M. Fadda, G. Perrela, E. Mele, Hexagrid - hexagonal tube structures for tall building: patterns, modeling, and design, The Structural Design of Tall and Special Buildings, Vol. 24, pp. 912-940, 2015.
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