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ISSN : 2234-6937(Print)
ISSN : 2287-6979(Online)
Journal of Korea institue for Structural Maintenance Inspection Vol.23 No.5 pp.37-47
DOI : https://doi.org/10.11112/jksmi.2019.23.5.37

Effect of Shear Wall Stiffness on Optimal Location of Core and Offset Outrigger Considering Floor Diaphragm

Hyong-Kee Kim1*

본 논문에 대한 토의를 2019년 10월 1일까지 학회로 보내주시면 2019년 11 월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author:hyongkee@kangwon.ac.kr Department of Architectural Engineering, Kangwon National University, 346 Joongang-ro, Samcheok, Gangwon-do, Korea
23/04/2019 17/06/2019 24/06/2019

Abstract


The study purposed to investigate the optimal location of core and offset outrigger system considering floor diaphragm. To accomplish this aim, a structure design of 70 stories building was performed by using MIDAS-Gen. And the leading factors of the analysis research were the slab stiffness, the stiffness of shear wall and the outrigger position in plan. Based on the analysis results, we analyzed and studied the influences of the shear wall stiffness and the slab stiffness on optimal location of core and offset outrigger considering floor diaphragm.



The results of the analysis study indicated whether the slab stiffness, the stiffness of shear wall and the outrigger position in plan had an any impact on optimal location in outrigger system of tall building. Also the paper results can give help in getting the structural engineering materials for looking for the optimal position of outrigger system in the high-rise building.



바닥 격막을 고려한 코어 및 오프셋 아웃리거 구조의 최적위치에 대한 전단벽 강성의 영향

김 형기1*
1정회원, 강원대학교 공학대학 건설융합학부 교수

초록


본 논문은 바닥 격막을 고려한 코어 및 오프셋 아웃리거 구조의 최적위치를 파악하기 위하여 70층 규모의 초고층 아웃리거 건물을 대상으로 MIDAS-Gen을 이용하여 구조설계를 실시하였다. 그리고 본 해석연구의 주요 변수는 슬래브의 강성, 전단벽의 강성, 아웃리거의 평면상 위치이다. 또한 본 해석결과에 근거하여 슬래브의 강성과 전단벽의 강성이 바닥 격막을 고려한 코어 및 오프셋 아웃리거 구조의 최적 위치에 미치는 영향을 분석하였다.



본 해석연구의 결과에서는 슬래브의 강성, 전단벽의 강성, 아웃리거의 평면상 위치가 초고층 아웃리거 구조시스템의 최적위치에 어떤 영향을 주는 지를 분석하여 나타났다. 그리고 본 논문의 결과는 초고층 아웃리거 구조시스템의 최적위치를 조사하는데 필요한 구조공학자료를 얻는 데 도움이 된다고 사료된다.



    1. 서 론

    수평하중이 건물의 구조설계에 미치는 영향은 건물의 높이 가 증가할수록 급속하게 커진다. 건축구조설계에서 필요한 수평강성을 확보하는데 있어서 30층 전후 규모의 건물에 매 우 효율적인 강성골조-전단벽 구조(Rigid frame-shear wall structure)만으로 50층 이상의 초고층 건물의 수평변위를 적절 하게 제어하는 것은 어려운 것으로 알려져 있다. 현재까지 많 은 건물에 적용되고 있는 강성골조-전단벽 구조에서 일부 층 에 아웃리거 구조를 도입하면 70~80층 정도의 초고층 건물 에 필요한 수평강성을 확보하는 것이 충분히 가능한 것으로 일반적으로 알려져 있다. 그리고 아웃리거 구조시스템은 구 조평면 상의 아웃리거의 위치가 건물의 코어에 있는 전단벽 과 외곽 기둥을 직접적으로 연결하는 코어 아웃리거(Core outrigger) 구조와 전단벽과는 직접 접합시키지 않고 외곽 기 둥에 접합되는 오프셋 아웃리거(Offset outrigger) 구조로 나 눌 수 있다.

    이상에서 설명한 것과 같은 일부 층에만 아웃리거 구조가 적용되는 강성골조-전단벽 구조에서 수평강성의 확보에 유리 한 아웃리거의 배치위치를 파악하는 것이 아웃리거 구조의 구조설계에서 매우 중요한 사항이다. 그리고 초고층 건물의 일부 층에 설치되는 아웃리거 구조는 아웃리거가 배치되는 위치에서는 수평력의 전이가 크게 발생하기 때문에 바닥 슬 래브를 구조적인 면에서 적절하게 모델링해야만 아웃리거 구 조의 수평강성을 올바르게 평가할 수 있다. 그러나 초고층 코 어 및 오프셋 아웃리거 구조의 최적위치에 대한 주요한 연구 결과(Smith and Salim, 1981;Jung, 1999;Kim, 2013;Kim, 2015;Kim, 2017a;Kim, 2017b)에서도 아웃리거 구조의 최적 위치에 미치는 바닥 슬래브의 영향을 검토한 것은 없는 것으 로 나타났다.

    본 연구에서는 바닥 격막의 영향을 고려한 초고층 코어 및 오프셋 아웃리거 구조시스템의 최적위치를 조사하기 위하여 슬래브 강성과 전단벽의 강성 등을 주요한 해석변수로 채택 하여 구조해석을 실시하고 이것에 대한 해석결과를 비교분석 하였다. 본 연구에서는 MIDAS-Gen 2018 Ver.865(Midas IT, 2018)를 이용하여 구조해석과 구조설계를 진행하였다.

    2. 해석모델과 해석방법

    2.1 해석모델

    해석모델의 기준층에 대한 구조부재를 Fig. 1과 Fig. 2에 나 타내었다. Fig. 1과 Fig. 2를 보면 X방향은 60m(12m의 등간격 5개 경간)이고 Y방향은 40.5m( 13.5m의 등간격 3개 경간)인 구조평면을 이루고 있다. 그리고 해석모델은 70층, 4m 층고로 전체높이가 280m이다. Fig. 3은 해석모델의 주요 단면도를 나 타내었고, Fig. 4는 코어 아웃리거 구조와 오프셋 아웃리거 구 조의 3차원 입체도를 각각 표시하였다. 해석모델의 코어 (Core)에 둔 2개의 전단벽과 직접적으로 연결되는 아웃리거 구조를 배치한 경우(이하, 코어 아웃리거 구조)를 Fig. 1에 나 타내었고, 아웃리거 구조가 전단벽에 직접 연결되지 않고 12m 거리를 두고 배치된 경우(이하, 오프셋 아웃리거 구조)를 Fig. 2에서 보여주고 있다. 그리고 해석모델에서 기둥은 원형 강관, 보와 아웃리거는 H형강, 전단벽과 슬래브는 철근콘크 리트로 각각 설계하였다. Table 1에 각 구조요소에 사용된 재 료를 나타내었다. 해석모델에 적용된 설계하중은 Table 2, Table 3, Table 4에 각각 나타내었다.

    Table 5에 나타낸 것과 같이 본 논문의 해석에 대한 주요한 변 수는 (1)바닥 슬래브의 강성, (2)전단벽의 강성, (3)구조평면에 서 아웃리거 구조가 배치된 위치이다. 본 연구에서 바닥 격막은 면내 강성과 면외 강성을 고려할 수 있는 유연 격막(Flexible diaphragm)으로 모델링하였다. 본 논문의 해석변수의 하나인 슬래브 강성은 아웃리거 구조가 위치하는 3개층의 바닥을 대 상으로 하였다. Table 5에도 표시한 것처럼 본 논문의 기본모델 은 해석변수인 바닥 슬래브와 전단벽의 강성이 모두 1EI(E=탄 성계수, I=단면 이차모멘트)인 경우를 말한다. 바닥 슬래브는 두께가 150mm이고 콘크리트 설계압축강도(fck)가 24MPa인 기본모델과 동일한 경우(이하, 휨강성 1EI)를 기준으로 하여 슬 래브의 강성이 5배, 10배, 20배인 경우(이하, 휨강성 5EI, 10EI, 20EI)를 설정하였다. 또한 해석모델의 전단벽은 전단벽의 강 성이 기본모델과 동일한 모델(이하, 강성 1EI)를 기준으로 하여 전단벽의 강성이 0.2배, 0.5배, 2배, 5배인 모델(이하, 강성 0.2EI, 0.5EI, 2EI, 5EI)를 설정하였다. 한편, 아웃리거 구조가 설 치되지 않는 67개층에서는 바닥 슬래브를 두께가 150mm이고 콘크리트 설계압축강도(fck)가 24MPa로 하였다.

    2.2 해석방법

    Table 5에서 설명한 기본모델에서 건물의 중간인 35층에 코어 아웃리거 구조를 배치한 구조모델을 대상으로 계획설계 수준에 해당하는 구조설계를 진행하였다. 앞에서 언급한 구 조모델에 대하여 고정하중, 적재하중, 풍하중, 지진하중 등의 설계하중 조건을 만족하도록 구조설계는 KBC 구조설계기준 (Architectural Institute of Korea, 2016)에 근거하여 수행하였 다. 특히 초고층 건물의 구조설계에서 크게 영향을 미치는 풍 하중에 대하여 최상층의 수평변위가 H/500(H는 건물의 높이) 의 1% 오차를 초과하지 않도록 각 구조부재를 결정하였다. 코 어 아웃리거가 35층에 설치된 기본모델에 대한 X방향과 Y방 향의 수평변위 분포를 Fig. 5에 나타내었다. Fig. 5에서는 참고 로 Y방향에 대해서는 아웃리거 구조를 배치하지 않은 모델도 표시하였다. 그리고 앞에서 언급한 기본모델에 대한 구조설 계로 결정된 기둥, 보, 아웃리거, 전단벽, 슬래브에 대한 단면 을 Table 6에 각각 나타내었다.

    최적의 아웃리거 구조시스템의 배치위치를 알기 위하여 해석모델을 대상으로 아웃리거를 5층 간격으로 옮겨가면서 구조해석을 각각 실행하였다. 그리고 아웃리거 구조의 최적 위치를 보다 정확하게 파악할 목적으로 앞에서 설명한 것과 같이 진행한 해석결과 가운데에서 최상층의 수평변위가 최소 가 되게 하는 아웃리거 설치 위치의 부근에서는 1층 간격으로 아웃리거 구조를 이동해 가면서 해석을 실시하였다.

    3. 해석결과에 대한 검토

    본 장에서는 본 연구의 주요한 해석변수인 슬래브 강성, 전 단벽 강성, 평면상의 아웃리거 위치, 아웃리거가 설치되는 높 이 등에 따른 해석결과를 비교하고 검토하였다.

    3.1 코어 아웃리거인 경우에서 최상층 수평변위 분포와 최적 아웃리거의 위치

    코어 아웃리거 구조시스템인 경우에서 전단벽 강성과 아웃 리거의 설치높이에 따른 최상층의 수평변위 분포를 나타내었 고, 동시에 아웃리거의 최적 위치에 대한 분포도 표시하였다. 여기에서는 슬래브 강성이 1EI, 5EI, 10EI, 20EI인 경우 중에 서 대표적으로 1EI와 10EI인 경우에 대해서만 언급하였다.

    Fig. 6에서는 슬래브 강성이 1EI인 코어 아웃리거 구조인 경 우에 대하여 전단벽 강성과 아웃리거 설치 높이에 따라서 최 상층에서 발생한 수평변위 분포를 나타내었다. Fig. 6은 전단 벽 강성이 5EI, 2EI, 1EI, 0.5EI, 0.2EI인 경우를 보여주고 있다. 이 그림에서는 전단벽 강성이 1EI인 경우에서 아웃리거 구조 가 124m(0.443H, H는 건물 높이) 높이에 위치할 때에 최상층 에 발생한 수평변위가 0.565m(H/496)로 최소로 나타났다. Fig. 6에서 전단벽의 강성이 1EI인 모델보다 전단벽 강성을 2배와 5배로 각각 증가시킨 경우는 아웃리거가 각각 140m(0.5H)와 164m(0.586H)에 배치되는 경우에서 최상층의 수평변위가 각 각 0.4347m(H/644)와 0.2656m(H/1,054)로 가장 적은 결과를 보 였다. 그리고 상기의 경우에서 최상층의 수평변위는 전단벽 의 강성이 1EI인 모델인 경우와 비교하면 23.1%와 53.0% 각각 줄어든 결과가 되었다. 또한 전단벽 강성이 1EI인 모델보다 전 단벽 강성을 0.5배와 0.2배로 각각 감소시킨 경우는 아웃리거 구조가 각각 112m(0.4H)와 96m(0.343H)에 있는 경우에 최상 층의 수평변위가 각각 0.684m(H/409)와 0.8201m(H/341)로 가 장 적었다. 그리고 이것은 전단벽 강성이 1EI인 모델보다 최상 층에서 나타난 수평변위가 각각 21.1%와 45.2% 증가한 결과 이다.

    슬래브 강성이 10EI인 코어 아웃리거 구조인 경우에 대하 여 전단벽의 강성과 아웃리거 설치 높이에 따라서 최상층에서 발생한 수평변위 분포를 Fig. 7에서 나타내었다. 이 그림에서 도 전단벽의 강성이 5EI, 2EI, 1EI, 0.5EI, 0.2EI인 경우를 나타 내었다. Fig. 7에서는 전단벽의 강성이 1EI인 경우에서 슬래브 의 강성이 1EI인 경우와 동일하게 아웃리거가 124m(0.443H) 높이에 위치할 때에 최상층의 수평변위가 0.5632m(H/497)로 슬래브 강성이 1EI인 경우보다 다소 감소하여 최소가 되었다. Fig. 7에서 전단벽 강성이 1EI인 경우보다 전단벽 강성을 2배 와 5배로 각각 증가시킨 경우의 최상층에서 발생한 수평변위 는 슬래브의 강성이 1EI인 경우와 동일하게 아웃리거가 각각 140m(0.5H)와 164m(0.586H)에 배치되는 경우에서 가장 적게 나타났다. 그리고 상기의 경우에서 최상층 수평변위는 각각 0.4334m(H/646)와 0.265m(H/1,057)로 전단벽 강성이 1EI인 모 델보다 23.0%와 53.0% 각각 감소하였다. 또한 전단벽 강성이 1EI인 모델보다 전단벽의 강성을 0.5배와 0.2배로 각각 줄인 경우는 아웃리거 구조가 슬래브의 강성이 1EI인 경우와 마찬 가지로 각각 112m(0.4H)와 96m(0.343H)에 위치하는 경우에 최상층의 수평변위가 각각 0.6818m(H/411)와 0.8165m(H/343) 로 가장 적었다. 그리고 이것은 전단벽 강성이 1EI인 모델인 경우와 비교하면 최상층에서 발생한 수평변위가 각각 21.1% 와 45.0% 늘어난 결과이다.

    3.2 오프셋 아웃리거인 경우에서 최상층 수평변위 분포와 최적 아웃리거의 위치

    오프셋 아웃리거 구조시스템인 경우에서 전단벽의 강성과 아웃리거의 높이에 따른 최상층의 수평변위 분포를 나타내었 고, 동시에 아웃리거의 최적 위치에 대한 분포도 표시하였다. 여기에서도 슬래브의 강성이 1EI, 5EI, 10EI, 20EI인 경우 중에 서 대표적으로 1EI와 10EI인 경우에 대해서만 언급하였다.

    Fig. 8에서는 슬래브 강성이 1EI인 오프셋 아웃리거 구조인 경우에 있어서 전단벽의 강성과 아웃리거의 설치 높이에 따른 최상층에서 발생한 수평변위 분포를 보여주고 있다. Fig. 8은 전단벽 강성이 5EI, 2EI, 1EI, 0.5EI, 0.2EI인 경우를 나타내었 다. Figure 8을 보면 전단벽의 강성이 1EI인 경우에서 아웃리거 구조가 144m(0.514H) 높이에 있을 때에 최상층에 발생한 수평 변위가 0.6168m(H/454)로 최소가 되었다. Fig. 8에서 전단벽 강 성이 1EI인 모델보다 전단벽의 강성을 2배와 5배로 각각 증가 시킨 경우는 최상층의 수평변위가 각각 0.4722m(H/593)와 0.2815m(H/995)로 아웃리거가 164m(0.586H)와 184m(0.657H) 에 각각 위치하는 경우에서 가장 적게 나타났다. 그리고 상기 의 경우에서 최상층의 수평변위는 전단벽의 강성이 1EI인 모 델과 비교하면 23.4%와 54.4% 각각 감소한 것으로 나타났다. 또한 전단벽 강성이 1EI인 모델보다 전단벽의 강성을 0.5배와 0.2배로 각각 감소시킨 경우는 아웃리거가 각각 124m(0.443H) 와 104m(0.371H)에 있을 때에 최상층의 수평변위가 각각 0.7381m(H/379)와 0.8613m(H/325)로 가장 적은 것으로 나타났 다. 그리고 이것은 전단벽의 강성이 1EI인 모델보다 최상층의 수평변위가 각각 19.7%와 39.6% 늘어난 것이다.

    Fig. 9는 슬래브 강성이 10EI인 오프셋 아웃리거 구조인 경우 에 대하여 전단벽의 강성과 아웃리거의 설치 높이에 따른 최상 층의 수평변위 분포를 표시하였다. Fig. 9에서도 전단벽 강성이 5EI, 2EI, 1EI, 0.5EI, 0.2EI인 경우를 보여주고 있다. Fig. 9는 전단 벽의 강성이 1EI인 경우에서 아웃리거 구조가 슬래브 강성이 1EI인 경우와 동일하게 144m(0.514H) 높이에 위치할 때에 최상 층의 수평변위가 0.6031m(H/464)로 최소로 나타난 것을 보여 준다. Fig. 9에서 전단벽의 강성이 1EI인 모델보다 전단벽 강성 을 2배와 5배로 각각 증가시킨 경우는 최상층에서 발생한 수평 변위가 각각 0.4628m(H/605)와 0.2776m(H/1,009)로 아웃리거 구조가 각각 164m(0.586H)와 180m(0.643H)에 있는 경우에서 가장 적었다. 그리고 상기의 경우에서 최상층의 수평변위는 전 단벽 강성이 1EI인 모델보다 23.3%와 54.0% 각각 줄어든 것으 로 나타났다. 또한 전단벽 강성이 1EI인 모델보다 전단벽 강성을 0.5배와 0.2배로 각각 감소시킨 경우는 아웃리거 구조가 각각 124m(0.443H)와 104m(0.371H)에 있을 때에 최상층의 수평변 위가 각각 0.7227m(H/387)와 0.8482m(H/330)로 가장 적은 것 으로 나타났다. 그리고 이것은 전단벽의 강성이 1EI인 모델인 경우와 비교하면 최상층에 발생한 수평변위가 각각 19.8%와 40.6% 늘어난 것이다.

    3.3 평면상의 아웃리거 위치에 따른 아웃리거의 최적위치에 대한 분석

    Fig. 10과 Fig. 11은 코어 아웃리거 구조와 오프셋 아웃리거 구조의 최적위치와 최상층의 수평변위 관계를 각각 전단벽과 슬래브의 강성에 따라서 분류하여 비교하였다. Fig. 10과 Fig. 11에서 코어 아웃리거 구조와 오프셋 아웃리거 구조의 최적위 치는 전단벽의 강성이 증가하면 건물의 상부로 이동하였고 최 적위치에서의 수평변위는 감소하는 것으로 나타났다.

    코어 아웃리거 구조의 경우인 Fig. 10을 보면 전단벽 강성이 0.2EI, 0.5EI, 1EI, 2EI인 각각의 경우에서는 아웃리거 구조에 대한 최적의 위치가 슬래브의 강성에 관계없이 각각 96m (0.343H), 112m(0.4H), 124m(0.443H), 140m(0.5H)인 것으로 나 타났다. 반면에 Fig. 10에서 전단벽의 강성이 5EI인 경우에서 는 아웃리거 구조에 대한 최적의 위치가 슬래브의 강성이 1E I~10EI인 경우는 164m(0.586H)이고, 슬래브 강성이 20EI인 경우는 148m(0.529H)로 슬래브 강성이 1EI~10EI인 경우보다 건물 높이의 5.7% 건물의 하부로 이동한 결과를 보였다.

    Fig. 11을 보면 오프셋 아웃리거 구조인 경우에서 전단벽의 강성이 0.2EI, 0.5EI, 2EI인 각각의 경우에서는 최적의 아웃리 거 구조에 대한 위치는 슬래브 강성의 변화에 관계없이 각각 104m(0.371H), 124m(0.443H), 164m(0.586H)가 되었다. 반면에 전단벽 강성이 1EI인 경우에서는 아웃리거 구조에 대한 최적 위치가 슬래브 강성이 1EI~10EI인 경우는 144m(0.514H)이 고, 슬래브 강성이 20EI인 경우는 140m(0.5H)로 슬래브 강성 이 1EI~10EI인 경우보다 1.4% 건물의 하부로 이동한 것으로 Figure 11에 나타났다. 또한 Fig. 11에서 전단벽의 강성이 5EI 인 경우에서는 아웃리거 구조에 대한 최적의 위치가 슬래브 강성이 1EI와 5EI인 경우는 184m(0.657H)이고, 슬래브 강성이 10EI와 20EI인 경우는 180m(0.643H)로 슬래브 강성이 1EI와 5EI인 경우보다 1.4% 건물의 하부로 이동한 결과를 보였다.

    Fig. 12에서는 코어 아웃리거 구조와 오프셋 아웃리거 구조 의 최적위치와 최상층의 수평변위 관계를 서로 비교하기 위하 여 전단벽과 슬래브의 강성에 따라서 분류하여 동시에 나타내 었다. Fig. 12를 보면 아웃리거의 최적 위치는 오프셋 아웃리 거 구조인 경우가 코어 아웃리거 구조인 경우보다 건물 높이 의 2.9~11.4% 건물 상부에 위치하는 것으로 나타났다. 그리 고 Fig. 12에서는 오프셋 아웃리거 구조인 경우와 코어 아웃리 거 구조인 경우 사이의 최적 아웃리거 위치에 대한 차이는 전 단벽의 강성이 증가할수록 전체적으로 증가하는 경향을 보였 다. 또한 Fig. 12에서 오프셋 아웃리거 구조인 경우와 코어 아 웃리거 구조인 경우 사이의 최상층 수평변위의 차이는 슬래브 의 강성이 증가할수록 감소하는 경향을 보였다.

    3.4 최적 아웃리거 위치에서의 슬래브의 응력 분포

    Fig. 13~Fig. 20은 본 논문에서 분석한 해석모델 중에서 대 표적인 8가지 모델에 있어서 슬래브에 나타난 유효응력의 분 포를 각각 나타내었다. 상기의 슬래브는 아웃리거 구조의 하 현재 높이에 있는 것이다. 여기서 표시한 유효응력은 슬래브 에 나타난 다축방향의 응력을 1축방향의 응력으로 반영한 폰 미세스(von-Mises) 응력이다. 여기서의 수평하중은 Y방향으 로 작용시킨 풍하중이다.

    Fig. 13~Fig. 16은 코어 아웃리거 구조인 경우이다. 코어 아웃리거 구조에서는 공통적으로 건물의 코어에 위치한 전단 벽과 직접적으로 연결된 아웃리거 구조가 있는 슬래브에서 응력이 크게 분포하였다. 이 중에서 Fig. 13은 슬래브와 전단 벽의 강성이 모두 1EI인 경우로 최대 응력은 0.87MPa로 나타 났다. Fig. 14는 슬래브 강성은 1EI이고 전단벽 강성이 0.2EI 인 경우로 최대 응력은 2.1MPa로 전단벽 강성이 1EI인 경우 보다 2.41배 크게 나타났다. Fig. 15는 슬래브의 강성은 10EI 이고 전단벽의 강성이 1EI인 경우로 최대 응력은 슬래브 강성 이 1EI인 경우보다 8.64배인 7.53MPa로 나타났다. Fig. 16는 슬래브 강성은 10EI이고 전단벽 강성이 0.2EI인 경우로 최대 응력은 10.14MPa로 전단벽의 강성이 1EI인 경우보다 1.35배 크게 나타났다.

    Fig. 17~Fig. 20은 오프셋 아웃리거 구조인 경우이다. 오프 셋 아웃리거 구조에서는 코어 아웃리거 구조와 상이하게 공통 적으로 전단벽과 아웃리거 구조 사이에 위치한 슬래브에서 응 력이 크게 발생하였다. 이 중에서 Fig. 17은 슬래브와 전단벽의 강성이 모두 1EI인 경우로 최대 응력은 4.96MPa로 코어 아웃리 거인 경우보다 5.69배 큰 것으로 나타났다. 또한 Fig. 18은 슬래 브 강성은 1EI이고 전단벽 강성이 0.2EI인 경우로 최대 응력은 5.96MPa로 코어 아웃리거인 경우보다 2.84배 크게 나타났다. Fig. 19는 슬래브의 강성은 10EI이고 전단벽의 강성이 1EI인 경 우로 최대 응력은 코어 아웃리거인 경우보다 3.15배인 23.72MPa로 나타났다. Fig. 20은 슬래브의 강성은 10EI이고 전 단벽의 강성이 0.2EI인 경우로 최대 응력은 23.87MPa로 코어 아웃리거인 경우보다 2.36배 크게 나타났다.

    코어 아웃리거 구조와 오프셋 아웃리거 구조에 있어서 대 표적인 경우에 대한 아웃리거의 최적위치와 슬래브의 최대응 력을 Fig. 21에 나타내었다. Fig. 21에서 나타낸 슬래브의 응력 은 아웃리거 구조의 하현재가 배치된 레벨에 있는 슬래브의 유효응력으로 슬래브 강성은 1EI와 10EI인 경우이고 전단벽 강성은 5EI, 1EI, 0.2EI인 경우를 나타내었다. Fig. 21을 보면 오 프셋 아웃리거 구조가 코어 아웃리거 구조보다 슬래브 최대응 력은 전단벽 강성이 5EI, 1EI, 0.2EI인 각각의 모델에서 슬래브 강성은 1EI에서는 각각 5.50배, 5.69배, 2.84배, 슬래브 강성은 10EI에서는 각각 3.18배, 3.15배, 2.36배 증가한 결과를 보였다. Fig. 21의 코어 아웃리거 구조를 보면 슬래브 강성이 10EI인 모 델은 1EI인 모델보다 전단벽 강성이 5EI, 1EI, 0.2EI인 각각의 모델에서 슬래브의 최대응력은 8.61배, 8.64배, 4.83배 커지는 결과를 보였다. 또한 오프셋 아웃리거 구조를 보면 슬래브 강 성이 10EI인 모델은 1EI의 모델보다 전단벽 강성이 5EI, 1EI, 0.2EI인 각각의 모델에서 슬래브의 최대응력은 4.98배, 4.78배, 4.01배 큰 것으로 나타났다.

    3.5 최적의 아웃리거 구조 위치에 대한 기존의 대표적인 모델과 비교

    최적의 아웃리거 구조시스템 위치에 대하여 본 연구 결과 를 기존의 대표적인 연구인 Smith의 모델(Smith and Salim, 1981)과 비교하여 Fig. 22에 나타내었다. 여기서 Smith 등은 코 어의 전단벽, 아웃리거 구조,, 아웃리거에 연결된 외곽기둥의 구조효과를 반영하여 아래에 표시한 ω를 이용하여 최적의 아 웃리거 구조에 대한 위치를 제안하였다.

    ( E I ) o = ( 1 + a b ) 3 ( E I ) o
    (1)

    d / 2 = a + b
    (2)

    α = 2 E I d 2 ( E A ) c
    (3)

    β = E I ( E I ) o d H
    (4)

    ω = β 12 ( 1 + α )
    (5)

    여기서,

    • (EI)o : 아웃리거 구조의 등가 휨강성

    • a : 코어 길이의 1/2

    • b : 아웃리거 구조시스템의 길이

    • (EI′)o : 아웃리거 구조의 실제 휨강성

    • EI : 코어의 휨강성

    • (EA)c : 아웃리거 구조에 접합된 기둥의 축강성

    • H : 건물의 높이

    Fig. 22에 나타난 것과 같이 코어 아웃리거 구조의 최적위치 에 대하여 본 해석결과는 전단벽 강성이 5EI이고 슬래브 강성 이 20EI인 경우를 제외하고 슬래브 강성의 영향은 없는 것으 로 나타났다. 단, Fig. 22에서 전단벽의 강성이 5EI이고 슬래브 의 강성이 20EI인 코어 아웃리거 구조인 경우에서는 슬래브 강성이 10EI 이하인 경우보다 최적위치가 건물 전체 높이의 5.7% 건물 하부로 이동한 결과를 보였다. Fig. 22에서 아웃리 거 구조의 최적위치에 대하여 본 해석결과와 Smith의 제안방 법을 비교하면 코어 아웃리거의 경우는 전단벽 강성이 5EI이 고 슬래브 강성이 10EI 이하인 경우를 제외하고 건물높이의 3.8~21.4% 범위에서 Smith가 제안한 최적 위치보다 대상모델 의 하부에 있는 것으로 각각 나타났다. 한편 Fig. 22에 나타난 것과 같이 오프셋 아웃리거 구조의 최적위치에 대하여 본 해 석결과는 슬래브 강성이 10EI 이상인 전단벽 강성이 1EI와 5EI 인 경우에서 슬래브 강성의 영향이 약간 나타났고 그 외에는 특별한 영향이 없는 것으로 나타났다. Fig. 22에서 아웃리거 구조의 최적위치에 대하여 본 해석결과와 Smith의 제안방법 을 비교하면 오프셋 아웃리거의 경우는 전단벽 강성이 2EI와 5EI인 경우는 건물높이의 2.3~9.1% 범위에서 Smith가 제안한 최적 위치보다 대상모델의 상부에 있는 것으로 각각 나타났 다. 반면에 전단벽 강성이 1EI 이하인 경우는 건물높이의 4.6~18.5% 범위에서 Smith가 제안한 최적 위치보다 대상모델 의 하부에 있는 것으로 각각 나타났다. Fig. 22를 보면 코어 아 웃리거와 오프셋 아웃리거의 해석결과에서 공통적으로 전단 벽 강성이 감소할수록, 즉, ω가 감소할수록 Smith가 제안한 최 적 위치보다 건물의 하부로 이동하면서 Smith가 제안한 최적 위치와 차이가 켜졌다.

    이상의 결과가 나타난 것은 Smith의 모델과 본 연구에서 모 델링한 방법의 차이에 기인한다고 판단이 된다. Smith의 모델 에서는 아웃리거 구조시스템의 구조부재를 코어 전단벽, 아 웃리거 구조, 아웃리거에 연결된 기둥만으로 설정하였고, 전 단벽과 기둥은 모든 층에서 동일한 단면으로 가정하였다. 본 논문의 해석에서는 Smith의 모델에서는 반영하지 않은 아웃 리거와 직접적으로 연결되지 않는 골조도 모델링 하였을 뿐만 아니라 실제 모델과 똑같게 건물 높이에 따라서 변화하는 기 둥과 전단벽에 대한 단면으로 모델링을 하였다. 특히 Fig. 22 에서 전단벽 강성이 감소할수록 Smith가 제안한 최적 위치보 다 본 연구의 결과가 건물의 하부로 있는 것은 전단벽 강성이 상대적으로 낮을수록 기둥과 보로 구성된 골조의 비중이 커지 기 때문이다. 강성골조-전단벽 구조에서 아웃리거의 최적위 치는 상대적으로 강성골조의 강성에 대한 분담 비중이 클수록 하부로 이동하기 때문이다.

    4. 결 론

    본 논문에서는 바닥격막을 고려한 초고층 아웃리거 구조시 스템에서 아웃리거의 최적위치에 대한 전단벽 강성의 영향을 파악하기 위하여 코어 아웃리거 구조와 오프셋 아웃리거 구조 인 70층 초고층 건물을 대상으로 슬래브의 강성, 전단벽의 강 성 등을 해석변수로 선택하여 구조해석을 진행하고 그 해석결 과를 비교분석하여 아래와 같은 결론을 얻었다.

    • 1) 최적 아웃리거 구조의 위치는 전단벽과 슬래브의 강성에 따라서 코어 아웃리거 구조에서는 0.34H~0.59H(H는 건물 의 높이), 오프셋 아웃리거 구조에서는 0.37H~0.66H에 있 는 것으로 나타났다. 오프셋 아웃리거 구조인 경우와 코어 아웃리거 구조인 경우 사이의 최적 아웃리거 위치에 대한 차이는 전단벽의 강성이 증가할수록 전체적으로 증가하는 경향을 보였다.

    • 2) 최적의 아웃리거 구조의 설치위치에 대한 슬래브 강성의 영향은 슬래브와 전단벽의 강성이 아주 큰 경우에서만 나 타났다.

    • 3) 아웃리거 구조가 있는 레벨에 위치하는 슬래브의 응력 분포 는 평면상으로 위치하는 아웃리거의 위치에 따라서 상이하 게 나타났다. 슬래브의 최대응력은 오프셋 아웃리거 구조가 코어 아웃리거 구조보다 크게 나타났고 슬래브 강성이 크고 전단벽의 강성은 작을수록 증가하는 경향을 보였다.

    • 4) 아웃리거 구조의 최적 위치에 대하여 본 연구의 해석결과 는 전단벽 강성이 감소할수록 Smith가 제안한 최적 위치보 다 건물의 하부로 이동하면서 Smith가 제안한 최적 위치와 차이가 증가하였다. 이와 같은 결과가 나타난 것은 두 방법 에서의 구조부재에 대한 모델링을 하는 방법의 차이에 기 인한다고 판단이 된다.

    Figure

    JKSMI-23-5-37_F1.gif

    Core outrigger system

    JKSMI-23-5-37_F2.gif

    Offset outrigger system

    JKSMI-23-5-37_F3.gif

    Sections of core outrigger model

    JKSMI-23-5-37_F4.gif

    Total elements of outrigger models excluding girder elements

    JKSMI-23-5-37_F5.gif

    Distribution of lateral displacement under wind load

    JKSMI-23-5-37_F6.gif

    Lateral displacement distribution in top floor according to shear wall stiffness and outrigger location (core outrigger system, slab stiffness=1EI)

    JKSMI-23-5-37_F7.gif

    Lateral displacement distribution in top floor according to shear wall stiffness and outrigger location (core outrigger system, slab stiffness=10EI)

    JKSMI-23-5-37_F8.gif

    Lateral displacement distribution in top floor according to shear wall stiffness and outrigger location (offset outrigger system, slab stiffness=1EI)

    JKSMI-23-5-37_F9.gif

    Lateral displacement distribution in top floor according to shear wall stiffness and outrigger location (offset outrigger system, slab stiffness=10EI)

    JKSMI-23-5-37_F10.gif

    Distribution of optimum outrigger location according to stiffness of outrigger and slab in core outrigger system

    JKSMI-23-5-37_F11.gif

    Distribution of optimum outrigger location according to stiffness of outrigger and slab in offset outrigger system

    JKSMI-23-5-37_F12.gif

    Comparison of optimum outrigger location between core outriggers and offset outriggers

    JKSMI-23-5-37_F13.gif

    Effective stress distribution in slab(core outrigger, slab stiffness=1EI, shear wall stiffness=1EI)

    JKSMI-23-5-37_F14.gif

    Effective stress distribution in slab(core outrigger, slab stiffness=1EI, shear wall stiffness=0.2EI)

    JKSMI-23-5-37_F15.gif

    Effective stress distribution in slab(core outrigger, slab stiffness=10EI, shear wall stiffness=1EI)

    JKSMI-23-5-37_F16.gif

    Effective stress distribution in slab(core outrigger, slab stiffness=10EI, shear wall stiffness=0.2EI)

    JKSMI-23-5-37_F17.gif

    Effective stress distribution in slab(offset outrigger, slab stiffness=1EI, shear wall stiffness=1EI)

    JKSMI-23-5-37_F18.gif

    Effective stress distribution in slab(offset outrigger, slab stiffness=1EI, shear wall stiffness=0.2EI)

    JKSMI-23-5-37_F19.gif

    Effective stress distribution in slab(offset outrigger, slab stiffness=10EI, shear wall stiffness=1EI)

    JKSMI-23-5-37_F20.gif

    Effective stress distribution in slab(offset outrigger, slab stiffness=10EI, shear wall stiffness=0.2EI)

    JKSMI-23-5-37_F21.gif

    Comparison of maximum stress in slab in case of optimum outrigger location of core and offset outriggers

    JKSMI-23-5-37_F22.gif

    Comparison of analysis results and existing method about optimum outrigger location

    Table

    Materials used in analysis models

    Dead load and live load of analysis models

    Wind load of analysis models

    Seismic load of analysis models

    Variables in the analysis study

    Sections of column, girder, outrigger, shear wall and slab in basic model

    Reference

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