[논문]편심코어를 가진 초고층 건축물의 아웃리거 시스템 성능 평가

박지형; 김태호; 김욱종; 이도범

문제 정의

동일한 평면의 구조물에서 아웃리거의 팔 길이가 건물에 미치는 영향에 대해서 알아보고자 아웃리거 팔의 길이에 따른 구조물의 거동에 대한 성능을 살펴보았다. 우선, 코어의 크기는 동일해야 하므로 그림 5와 같은 평면에서 코어의 X방향 길이(B), 코어의 Y방향 길이(H)를 설정하고, 각 코어의 휨 강성을 같도록 코어의 탄성계수를 변화시켰다.
하지만 평면 형태에 따라 코어의 위치가 중심이 아니라 한쪽으로 치우치기도 하고 코어 아웃리거, 오프셋 아웃리거, 또는 이를 병용하여 아웃리거를 설치하는 등 구조시스템의 변형ㆍ조합이 일어나고 있다. 따라서 본 연구에서는 편심코어를 가진 초고층 건축물의 아웃리거 시스템이 구조적 성능을 최대한 발휘하기 위하여 평면 계획시 코어와 아웃리거의 배치, 아웃리거 팔의 최적 길이, 아웃리거 팔과 벨트월의 두께 등의 변수에 따른 효과를 50층 규모의 예제를 통해서 분석해 보았다.

가설 설정

25층에 아웃리거 시스템이 있고, 코어의 위치는 그림 1과 같이 하였다. 서울지역에 있다는 가정 하에 설계하중은 KBC2005에 근거하여 지반조건은 S_B, 중요도계수는 I_E=1.5, 반응수정계수는 R=5로 정하였다.

제안 방법

)을 변수로 하여 구조물의 응 답을 검토해 보았다. 4가지 변수들은 앞의 해석모델을 기준으로 하여 0.1배, 0.5배, 2배, 3배로 조정하였다.
다음에는 아웃리거의 팔 길이뿐만 아니라 그림 5의 구조물에 영향을 미칠 수 있는 요인들로써 아웃리거 팔 두께(T_o), 벨트월의 두께(T_b), 아웃리거 설치층 높이(H_s)와 기둥의 강성(K_c)을 변수로 하여 구조물의 응 답을 검토해 보았다. 4가지 변수들은 앞의 해석모델을 기준으로 하여 0.
오프셋 아웃리거 시스템은 코어 아웃리거 시스템에 비해 아웃리거 설치층에서 평면계획의 제약을 최소화할 수 있고, 비틀림의 영향을 많이 받는 건물의 경우에는 더 효율적으로 사용될 수 있다. 따라서 그림 3과 같이 편심코어를 가진 구조물에서 기존의 코어 아웃리거 시스템(CS), 오프셋 아웃리거 시스템(OS) 그리고 코어 아웃리거와 오프셋 아웃리거(CS-OS)를 병용한 시스템을 설치하여 구조물의 거동을 비교하여 각각의 효율 차이를 알아보았다.
앞에서 살펴본 바와 같이 코어의 배치는 구조적인 개념으로만 결정되지 않는 경우가 종종 발생하게 되므로 편심코어를 가진 건물의 경우에 대해 변위제어 등의 성능을 개선할 수 있는 시스템을 이 장에서 살펴보았다. 특히, 최근 진행되는 초고층 건물들은 정형성을 탈피하여 비정형이고 편심코어를 갖는 평면 계획이 많이 진행되고 있으며 이에 따라 코어와 아웃리거, 아웃리거의 연결 위치, 아웃리거의 팔 길이 그리고 아웃리거 팔을 둘러싼 벨트월 등을 변수로 검토하여 구조물의 응답 효과 및 성능 개선방안을 검토해보았다.
앞에서 살펴본 바와 같이 코어의 배치는 구조적인 개념으로만 결정되지 않는 경우가 종종 발생하게 되므로 편심코어를 가진 건물의 경우에 대해 변위제어 등의 성능을 개선할 수 있는 시스템을 이 장에서 살펴보았다. 특히, 최근 진행되는 초고층 건물들은 정형성을 탈피하여 비정형이고 편심코어를 갖는 평면 계획이 많이 진행되고 있으며 이에 따라 코어와 아웃리거, 아웃리거의 연결 위치, 아웃리거의 팔 길이 그리고 아웃리거 팔을 둘러싼 벨트월 등을 변수로 검토하여 구조물의 응답 효과 및 성능 개선방안을 검토해보았다.

대상 데이터

국내ㆍ외 초고층 건축물의 코어의 위치를 살펴보면 대체로 정중앙에 위치한 중심코어형과 평면 계획상 코어가 한쪽으로 치우친 편심코어형으로 구분할 수 있다. 이에 코어의 위치에 따라 평면의 효율을 검토하기 위해 해석모델은 층당 3.5m, 높이 175m에 해당하는 50층 철근콘크리트 골조의 구조물을 선택하였다. 25층에 아웃리거 시스템이 있고, 코어의 위치는 그림 1과 같이 하였다.

성능/효과

1) 중심코어와 달리 편심코어를 가진 건물에 아웃리거를 설치할 때는 강성과 질량 중심이 일치하지 않으므로 구조물이 비틀림의 영향을 최소한으로 받도록 고려되어야 한다.
2) 비틀림의 영향을 많이 받는 편심코어의 구조물이라도 아웃리거 시스템의 설치 위치에 따라 구조물 전체 응답에는 큰 영향을 주지 못하지만 아웃리거 설치층과 그 주변층에서는 편심을 고려하여 아웃리거를 설치하는 것이 구조물의 성능과 평면 계획에 효과적임을 알 수 있다.
3) 동일한 평면상에서 편심코어에 연결된 아웃리거의 팔이 길면 길수록 건물의 횡변위 저감에 효과적이지만, 코어와 아웃리거와의 강성에 의한 아웃리거 팔의 최적 길이가 존재할 것으로 보여진다. 따라서 추후 코어, 아웃리거 팔, 기둥의 강성 등의 변수에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
4) 아웃리거의 팔 길이가 동일할 때, 아웃리거의 팔 두께, 아웃리거 설치층의 높이와 기둥의 강성 각각을 증가시킬수록 구조물의 응답 저감에는 효과적이지만, 각 변수들이 어느 적정 수준에 다다르면 구조물의 응답에 거의 영향을 주지 않는 경우가 생기므로 아웃리거 시스템을 가진 건축물을 설계할 때는 건물의 경제성을 고려하여 아웃리거의 팔 두께, 아웃리거 설치층의 높이와 기둥의 강성을 결정해야 한다.
또한, 표 2와 같이 아웃리거 시스템이 없는 구조물을 기준으로 rx에 의한 아웃리거 위치에 따른 구조물의 응답을 비교해 보면, 구조물 전체 응답으로 볼 때, 구조물의 층변위는 아웃리거 설치 위치와 무관하게 거의 유사한 변위가 발생하는 결과를 나타내었다. 그러나 아웃리거 설치층에서의 층간변위 응답저감률은 코어 아웃리거만을 설치한 경우를 제외한 3가지 경우에서 약 30~40% 정도의 저감 효과를 보였고 아웃리거 층에 있는 기둥의 비틀림 모멘트도 50%이상 크게 감소하였다. 따라서 편심코어를 가진 구조물의 아웃리거 설치 위치가 구조물의 전체 응답에는 큰 영향을 끼치지는 못하지만 아웃리거 설치층과 그 주변층에서는 국부적인 영향을 발휘하므로 아웃리거 설치층의 평면 설계나 부재 설계시 아웃리거의 설치 위치를 적절히 고려한다면 보다 효율적인 설계를 할 수 있을 것으로 판단된다.
또한, 표 2와 같이 아웃리거 시스템이 없는 구조물을 기준으로 rx에 의한 아웃리거 위치에 따른 구조물의 응답을 비교해 보면, 구조물 전체 응답으로 볼 때, 구조물의 층변위는 아웃리거 설치 위치와 무관하게 거의 유사한 변위가 발생하는 결과를 나타내었다.
표 3에 따르면, 최상층에 1000kN의 정적 하중을 가력시 아웃리거 설치 후에는 아웃리거 팔 길이가 늘어남에 따라 구조물의 최대 층변위가 점차 감소하는 것으로 나타났다. 아웃리거 설치 전을 기준으로 구조물의 최대 층변위를 비교해보면, 아웃리거 팔 길이가 1.0b일 때 35%, 2.0b일 때 41%, 2.5b일 때 45% 정도로 구조물의 횡변위가 저감되었다. 이는 동일한 강성을 가진 코어를 편심코어로 두고 각기 다른 길이의 아웃리거 팔을 설치해 보면 아웃리거의 팔 길이가 길어짐에 따라 구조물의 응답에 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.
이처럼 각 변수들은 구조물의 성능에 영향을 미치는 정도에 각각 차이가 있었으며, 건물의 횡변위 변화에 큰 영향을 주는 변수로는 1) 아웃리거의 층고, 2) 기둥의 강성, 3) 아웃리거의 팔 두께 4) 벨트월의 두께 순으로 나타났다. 아웃리거 팔 길이가 2.5b인 경우를 대상으로 살펴보면, 아웃리거의 층고에 따른 효율은 코어만 있는 구조물의 횡변위보다 16%~54%의 저감을 보였고, 기둥의 강성에 따른 효율은 16%~52%, 아웃리거의 팔 두께에 따른 효율은 18%~50% 정도로 변화 폭이 감소하였다. 반면에 벨트월에 의한 변화는 3%에 불과했다.
해석 결과에 따르면, 그림 4와 같이 Y방향으로 아웃리거 설치층과 그 주변층에서는 코어와 아웃리거가 붙어있을 때 편심거리가 가장 길고 코어와 아웃리거를 멀리 설치할수록 편심거리가 짧아지는 것으로 나타났다. 이는 일부 아웃리거 설치층 주변에서 비틀림의 영향을 많이 받는 편심코어를 가진 건물의 경우 강성 중심을 질량 중심에 근접하도록 아웃리거를 적절히 배치하여 건물의 비틀림 영향을 감소시킨 결과임을 알 수 있다.

후속연구

3) 동일한 평면상에서 편심코어에 연결된 아웃리거의 팔이 길면 길수록 건물의 횡변위 저감에 효과적이지만, 코어와 아웃리거와의 강성에 의한 아웃리거 팔의 최적 길이가 존재할 것으로 보여진다. 따라서 추후 코어, 아웃리거 팔, 기둥의 강성 등의 변수에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
그러나 아웃리거 설치층에서의 층간변위 응답저감률은 코어 아웃리거만을 설치한 경우를 제외한 3가지 경우에서 약 30~40% 정도의 저감 효과를 보였고 아웃리거 층에 있는 기둥의 비틀림 모멘트도 50%이상 크게 감소하였다. 따라서 편심코어를 가진 구조물의 아웃리거 설치 위치가 구조물의 전체 응답에는 큰 영향을 끼치지는 못하지만 아웃리거 설치층과 그 주변층에서는 국부적인 영향을 발휘하므로 아웃리거 설치층의 평면 설계나 부재 설계시 아웃리거의 설치 위치를 적절히 고려한다면 보다 효율적인 설계를 할 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구는 아웃리거를 가진 초고층 건물에 대하여 예제를 이용하여 변위제어 성능에 영향을 미치는 요소들에 대하여 검토하였으며 추후 이 요소들에 대한 일반화된 연구가 필요할 것으로 생각된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초고층 건물은 어떻게 계획되고 있는가?	기존의 초고층 건물이 정형화된 단순한 형태로 설계된 것에 비해 최근에는 비대칭 평면이나 유연성을 갖춘 비정형 입면 등 매우 다양한 형태로 계획되고 있다. 이러한 새로운 경향으로 인해 초고층 건물은 기존의 시스템을 변형ㆍ조합하거나 새로운 시스템을 적용하여 최대한의 구조적 효율을 얻는 동시에 평면 계획시 제약을 최소화시키도록 해야 한다.
	아웃리거 시스템은 무엇이 있는가?	아웃리거 시스템은 외부기둥을 코어에 직접 연결하는 일반적인 코어 아웃리거 시스템과 아웃리거가 코어에 직접 연결하지 않고 외부기둥 사이를 연결한 오프셋 아웃리거 시스템 등이 있다. 오프셋 아웃리거 시스템은 코어 아웃리거 시스템에 비해 아웃리거 설치층에서 평면계획의 제약을 최소화할 수 있고, 비틀림의 영향을 많이 받는 건물의 경우에는 더 효율적으로 사용될 수 있다.
	비대칭 평면이나 유연성을 갖춘 비정형 입면등으 경향이 가져온 변화는?	기존의 초고층 건물이 정형화된 단순한 형태로 설계된 것에 비해 최근에는 비대칭 평면이나 유연성을 갖춘 비정형 입면 등 매우 다양한 형태로 계획되고 있다. 이러한 새로운 경향으로 인해 초고층 건물은 기존의 시스템을 변형ㆍ조합하거나 새로운 시스템을 적용하여 최대한의 구조적 효율을 얻는 동시에 평면 계획시 제약을 최소화시키도록 해야 한다. 초고층 건물은 다양한 형태의 변화에도 불구하고 횡력 저항시스템은 전단벽 과 아웃리거 시스템이 현재까지도 주를 이루고 있다.

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