[건축 구조학] 초고층 건물의 구조형식과 특징

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목차

건축 구조학 - 초고층 건물의 구조형식과 특징

초고층 건축물의 구조

정의
개요
구조의 개념과 특성
분류

1.강성골조 구조형식
2. 가새골조 구조형식
3.전단벽 구조형식
4. 코어 및 아웃리거(Outrigger)구조형식
5. 튜브구조형식
6.합성구조 형식

본문내용

스템은 주로 모멘트저항 골조시스템의 구조적 안정성을 높여주는 보조적인 구조 시스템으로 이용된다.
3.전단벽 구조형식
전단벽은 수직하중에 의한 축력을 기초에 전달하는 역할을 한다. 그리고 바람이나 지진과 같은 수평하중이 전단벽 구조에 작용하면, 슬래브가 춤이 큰 보와 같이 작용하여 수평하중을 전단벽으로 전달하고 이 전단벽은 하중을 기초로 전달하는 단부가 고정된 캔틸레버처럼 거동한다.
전단벽량에 따라 다를 수 있지만, 일반적으로 골조구조보다는 전단벽 구조형식이 수평하중에 대하여 4~20배 이상의 내력을 갖고 있다. 우리 주위에서 많이 볼 수 있는 고층 아파트들의 대부분은 기둥과 보가 없는 전단벽 구조형식이다.
철근 콘크리트 전단벽 구조형식은 거푸집 사용이 간편하고 재료강도에 따라 바닥면적과 천장고를 넓힐 수 있으며, 접합이 용이하고 감쇠성능이 뛰어나다는 여러 장점들을 갖고 있다. 그러나 개구부에 따른 응력 집중현상이 심각하고 벽체의 위치는 쉽게 변경될 수 없으며, 질량의 증가가 고유진동수의 감소를 가져오는 점 등은 구조설계에서 고려하여야 할 사항이다.
고층건물에서는 전단벽 구조로만 하기보다는 강성골조 등과 함께 사용하여 수평하중에 더욱 효과적으로 저항하도록 구조계획 하는 경우가 많다. 이러한 구조를 골조-전단벽 구조라 한다. 강성골조는 30층 이상에서는 실용적이지 못하므로 횡하중을 견디기 위해서는 골조 내에 전단벽을 사용한다. 전단벽은 콘크리트나 철골트러스로 한다. 전단벽은 엘리베이터 통로나 계단실 주위에 있는 폐쇄 내부코어 일수도 있고, 건물내 평행벽일 수도 있으며 또는 수직외곽 트러스 일 수도 있다. 구조물의 거동의 관점에서 보면 평면들은 플래트 슬래브 구조나 벨트 트러스를 골조- 전단벽 구조에 잘 적용된다. 골조-전단벽 구조는 횡하중에 대한 작용에 따라 다음 3가지로 구분된다.
(1) 힌지 골조-전단벽 구조
골조의 보는 힌지로 접합되어 있기 때문에 골조는 연직하중만을 지지하며 수평하중은 전단벽이 받는다.
(2) 힌지 골조-비렌디엘-전단벽 구조
수평력은 전단벽과 강성골조(즉 비레디엘)에 의해 지지된다. 건물단변방향을 지나는 두 외곽벽이 풍하중의 반을 받고 나머지는 코어가 받는다. 내부와 장변방향 외곽골조는 연직력만을 받는다.
(3) 강성골조-전단벽의 상호작용
전단벽 구조뿐만 아니라 강성골조를 이용하면 횡력에 효과적으로 저항한다. 전단벽과 골조의 각기 다른 변형특성으로 인해서 상부에서는 골조가 전단벽을 밀고 하부에 전단벽이 골조를 민다. 따라서 바람에 의한 전단력은 건물상부에서는 골조에 의해 그리고 건물하부에서는 대부분 전단벽에 의해 저항된다.
골조-전단벽 구조형식은 40-50층 정도까지 경제성이 있는 것으로 판단되고 있으며, 경제성 여부에 따라 70-80층 정도까지도 이용되고 있다.
*벨트트러스를 갖는 전단벽-골조 구조*
브레이스로 보강한 골조(즉, 전다벽-골조건물)는 40층 이상에서는 브레이스에 충분한 강성을 주기 위해 많은 재료를 사용해야 하므로 효율적이지 못하다. 코어와 골조를 연결시키기 위해 벨트트러슬 사용하면 건물구조의 효율은 30%까지 향상시킬 수 있다. 트러스는 코어에 강접으로 연결되고, 외주는 단순하게 연결된다. 전단 코어가 휘어지려고 할때 벨트트러스는 지렛대 작용을 하여 축방향 응력을 직접 외주에 전달하므로 이 기둥들은 코어의 변형을 억제하는 지주역할을 한다. 코어는 수평전단력을 받고 벨트트러스는 수직전단력을 코어로부터 외곽골조로 전달한다. 따라서 건물은 캔틸레버 튜브와 같이 단일체로써 작용한다.
벨트트러스를 갖는 코어 골조 구조의 횡하중에 대한 응답은 그림과 같다. 골조와 코어의 접합이 힌지 접할일 경우, 코어는 캔틸레버와 같이 작용하며 상부는 자유로이 회전한다. 골조는 회전에 거의 저항하지 못한다. 골조가 벨트트러스에 의해 코어에 연결되어 있으면 외곽기둥과 벨트트러스는 강접되어 있기 때문에 구조물 상부의 회전은 억제된다. 즉 기둥에는 휨 모멘트가 생기지 않는다. 이 구조는 하부뿐만 아니라 상부도 제한되어 있기 때문에 단순 캔틸레버와 같이 작용하지 않는다. 결국 변형은 변곡점에서 모멘트가 0이 되는 S자형으로 된다.
전단벽 구조 방식은 주로 공간이 일정한 면적으로 분할, 구획되는 고층아파트, 호텔 등에 적용되는 구조시스템으로 수평하중에 따른 전단벽을 벽체가 지지하도록 구성된 구조시스템이다. 일반적으로 보로 구성된 가구식 라멘구조보다 전단벽 구조시스템이 수평하중에 대하여 4~20배 이상의 내력을 갖는 것으로 알려져 있다. 철근콘크리트를 이용한 전단벽 구조시스템은 거푸집사용이 간편하고 재료강도에 따라 바닥면적과 층고를 높일 수 있으며, 일체형 구조로 접합이 쉽고 수평작용시 감쇠성능이 뛰어난 장점이 있다. 그러나 창이나 문 등 개구부에 따른 응력집중현상이 심각하고 골조의 위치변경이 곤란한점, 질량의 증가에 따른 고유진동수의 감소 등의 단점도 있다.
4. 코어 및 아웃리거(Outrigger)구조형식
*전단 코어구조*
전단 코어 구조는 건물의 크기와 기능에 따라 수직교통 시스템과 에너지 공급시스템을 집중시켜 한 개 또는 여러 개의 코어를 연결시키는 것이다. 이러한 코어는 건물의 수평안정을 위한 전단벽구조로도 이용된다.
전단벽 코어건물은 장변방향 전단벽과 중앙코어/ 폐쇄형 모서리코어와 중앙코어/ 주변벽 방사형 코어벽과 중앙코어/ 삼각형 주변코어/ 개방형 모서리코어/ 개방 폐쇄형 주변코어 장변 등이 있다.
코어시스템의 특징은 다음과 같다.
코어의 모양: 오픈코어, 폐쇄코어, 단순코어, 선형벽과 결합된 코어
코어의 수: 단독코어, 복합코어
코어의 위치: 건물내부, 건물주변, 건물외부
코어의배열: 대칭형, 비대칭형
코어의 형태를 결정하는 건물형태: 직접요소, 간접요소
코어는 철골이나 철근콘크리트 또는 철골 철근콘크리트로 일어진다. 철골구조로 된 코어는 비렌디엘 트러스(Vierendeel Truss)의 원리를 이용하여 수평안정을 얻을 수 있고, 비렌디엘 철골구조는 다소 휘는 성질이 있기 때문에 비교적 저층에 사용된다. 고층건물에 필요한 강성을 얻기 위해서 비렌디엘 철골구조에 대각선 브레이스를 보강한, 즉 수직 트러스를 사용한다. 철골구조로 된 코어는 장점으로는 조

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