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은수 차
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1 J. Comput. Struct. Eng. Inst. Korea, 30(3) pp , June, pissn eissn Computational Structural Engineering Institute of Korea 트러스형태에따른스태거드트러스골조시스템의구조특성에관한연구 나창순 1 홍윤수 2 유은종 2 1 국민대학교건축학과, 2 한양대학교건축공학과 A Study on the Structural Behaviour of Staggered Truss System by the Shape of Truss Chang-Soon Rha 1, Yoon-Soo Hong 2 and Eun-Jong Yu 2 1 Dept. of Architecture, Kookmin Univ., Seoul, 02707, Korea 2 Dept. of Architectural Engineering, Hanyang Univ., Seoul, 04363, Korea Abstract This paper analyzed structural behaviors of the staggered truss system, typically used in low seismicity regions, resisting the lateral loads such as wind and seismic load. A comparative study of cost and efficiency was carried out by analysing and designing the 10- and 20-story buildings with various types of truss, including pratt, howe, warren, K-, and vierendeel, which may typically be used in staggered truss system. In design, column and truss members are selected in group, and the efficiency of the member design was judged by average demand capacity ratio of the all members in same group. And economic analysis of the system was investigated by the quantity of the structural members. As a result, staggered truss system with the pratt truss and warren truss showed the most economical and efficient performance for 10-story building, and 20-story building, respectively. Keywords : staggered truss, pratt truss, howe truss, warren truss, K-truss, vierendeel truss 1. 서론스태거드트러스골조시스템 (staggered truss framing system, 이하 STF 시스템 ) 은층고전체를춤으로하는대형트러스를기둥열을따라매층엇갈리게배치한구조방식이다 (Fig. 1). 경우에따라트러스대신벽체 (wall beam) 를사용하여엇갈린벽보시스템을구성하기도한다. 이방식은철강회사의지원으로 1960년대 MIT 에서개발한것으로호텔이나기숙사, 병원과같이동일한유닛이반복되는건물에사용하기적합하고내부에기둥이없는장스팬의무주공간을구획할수있어서건축계획측면에서도많은장점이있다. 이구조방식의기본원리는지상으로솟은캔틸레버보와같다. 즉, 외부의기둥열은 H형강의플랜지와같은역할을하며, 기둥열을따라엇갈리게배치된트러스는 H형강캔틸레버보의웨브의역할을 한다. 트러스는엇갈려배치되지만바닥구조의다이아프램 ( 강막 ) 역할을통해횡하중에의한전단력이좌우기둥열로전달됨으로써결과적으로트러스가연속된단일골조로거동하게된다 (Scalzi, 1971). 따라서각기둥열에는트러스를통해전달되는횡력으로기둥에모멘트가발생하지만 3차원으로결합하여일체로거동하게되면모멘트는상쇄되고기둥에는주로인장과압축이발생하여캔틸레버보와같은거동을한다 (Fig. 2). STF 시스템은동일한형태의트러스를지상에서제작한후조립하기때문에시공이쉽고경제적인방식이지만그러한장점에도불구하고실제적용및관련연구가매우활발한편은아니어서 1960년대최초제안이되었음에도불구하고이후 1990 년대말에서야본격적으로적용되기시작하였다. 시공된사례는대부분약진지역의 5~40층규모의건물로써비교적최근의것으로미국의 38층 Aladdin Hotel(McNamara, Corresponding author: Tel: ; csrha@kookmin.ac.kr Received January ; Revised February ; Accepted March C 2017 by Computational Structural Engineering Institute of Korea This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License( org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 한국전산구조공학회논문집제 30 권제 3 호 (2017.6) 199

2 트러스형태에따른스태거드트러스골조시스템의구조특성에관한연구 Fig. 1 Geometry of staggered truss framing system Fig. 2 Structural behaviour of staggered truss framing system for the lateral loads 1999) 을비롯하여 Embassy Suites Hotel(Brazil, 2000), OSU South High Rise Residence Halls(Metz, 2012) 등이있다. Aladdin Hotel 은 STF 외에엘리베이터코어를보강하는방법으로내력을확보한반면 Embassy Suites Hotel 과 OSU South High Rise Residence Halls는 13층, 11층규모의건물로순수한 STF 시스템으로설계가되었다. STF 시스템에관련한설계지침으로는 AISC 의 Design Guide (AISC, 2002) 가있다. 여기에제시된절차에기반으로한 STF 시스템의비탄성거동에관한연구에의하면 STF 시스템의내진성능은모멘트골조 (moment resisting frame, MRF) 또는가새골조 (ordinary concentric braced frame, OCBF) 에비해효율적인것으로나타났다 (Kim and Lee, 2006a,b). 그러나 STF 시스템의내진성능평가를위한비탄성거동에관한연구는여전히매우미흡한실정이며이러한이유로 STF 시스템의여러장점에도불구하고대부분의설계기준에서는 STF 시스템을기본내진구조로서규정하고있지않고있으며다만 FEMA-450(2003) 은충분한실험과해석을통하여횡력에대한저항력과에너지소산능력을갖춘것으로입증할수있는경우에한해내진구조로서인정하고있다. 따라서건축계획측면과경제성, 시공성의장점뿐만아니라횡력에대한저항능력이효율적인 STF 시스템의활발한적용과향상을위해서는내진성능에대한연구가보다광범위하게필요하다고할수있다. 본연구에서는 STF 시스템의내진성능을분석하고비교하기위한선행과정으로 STF 에일반적으로적용할수있는트러스의형태를선정하여수직하중및풍하중, 등가정적지진하중에의한부재설계를수행하고 STF 시스템에가장효율적이고경제적인방식을제시하고자한다. 2. STF 시스템의설계방향 STF 시스템을구성하는바닥슬래브는중력하중에저항하면서동시에횡력에대해서는다이아프램거동을한다. 따라서 Fig. 3 Lateral loads applied to the staggered truss framing system 바닥슬래브는면외방향뿐만아니라면내방향에대해서도저항할수있도록안전하게설계되어야한다. Fig. 3에서보는바와같이슬래브는그층에설치된트러스의하현재와아래층트러스의상현재에교대로지지된다. 따라서중력하중에대해슬래브는기둥간격 (S) 을스팬으로하는일방향연속슬래브로가정하여설계한다. 횡력에대해서슬래브는다이아프램거동을하므로건물의깊이 를춤으로하는깊은보 (deep beam) 로가정하여횡력에의한전단력과면내휨모멘트 (in-plane bending moment) 를저항하도록설계한다. 이때면내휨모멘트의크기는하부의트러스를양단고정된지점으로보고스팬 (2S) 의중앙부에상부트러스로부터의횡력이집중하중으로작용하는것으로가정하고산정한다. 횡력에의한트러스의길이방향으로작용하는전단력은트러스의상 하현재를따라슬래브에전달되는것으로간주한다. Fig. 3과같이, 트러스는그춤이한층전체에걸치며스팬은건물의깊이 (B) 에해당하며슬래브를통해전달되는중력하중뿐만아니라횡력에대해서도저항한다. 트러스는여러가지의형태가가능하지만대량생산에적합하도록동일한형태를유지하는것이유리하다. 트러스는중복도건물에서와같이건축계획에서요구되는통로를두기위해대개중앙부는대각선 200 한국전산구조공학회논문집제 30 권제 3 호 (2017.6)

나창순 홍윤수 유은종 부재를제거하기때문에국부적으로휨모멘트가발생한다. 트러스는중력하중에대해양단핀지지된단순트러스로가정하며, 기둥은중력하중과횡력에의해축하중과휨모멘트가동시에발생하므로이에대해안전하도록설계한다. 약축과강축의강성이다른기둥을사용하는경우트러스가연결된건물의단변방향으로약축을배치하고그직각방향으로강축을배치하면더유리하다.

3 나창순 홍윤수 유은종 부재를제거하기때문에국부적으로휨모멘트가발생한다. 트러스는중력하중에대해양단핀지지된단순트러스로가정하며, 기둥은중력하중과횡력에의해축하중과휨모멘트가동시에발생하므로이에대해안전하도록설계한다. 약축과강축의강성이다른기둥을사용하는경우트러스가연결된건물의단변방향으로약축을배치하고그직각방향으로강축을배치하면더유리하다. 이때기둥의좌굴길이는단변방향에대해트러스상 하현재로구속되므로가새되지않은길이, 즉한층의높이로가정할수있으며장변방향에대해서는일반라멘조또는가새골조등, 장변방향으로의골조형태에따라결정된다. 3. 해석예제모델링 3.1 예제건물예제건물은 Fig. 4에서와같이폭 36m, 깊이 15m 의장방형평면을갖는 10층과 20층의사무실건물이다. Aladdin Hotel 의경우와같은별도의구조보강을배제하고순수한 STF 시스템으로설계하는것으로가정하고층수는 20층으로제한하였다. 각모델의층고는 3m로동일하게가정하였다. 장변방향으로는 6m 간격으로기둥이배치되며, 단변방향으로는내부에기둥이없는 15m 스팬의무주공간이다. 트러스는건물의단변방향 ( 축방향 ) 으로배치하였으며장변방향 ( 축방향 ) 으로는모멘트저항골조 (MRF) 로계획하였다. 장변방향의경우모멘트저항골조외에도필요한경우가새, 전단벽등을보강하여횡력에저항하도록계획할수있다. 본예제에서는비교를위하여단변방향으로만횡력이작용하는것으로하고장변방향은설계에서별도로고려하지않았다. 기둥은단변방향이약축에저항하도록배치하였고각층의트러스는상 하현재모두기둥에핀접합되는것으로가정하였다. 지반에대한구조물의지지조건은수직및수평반력과모멘트반력이모든방향에대해구속된것으로본다. 예제건물의설계하중은건축구조기준 (KBC) 을적용하였다. Table 1 Design lateral loads for the model buildings Seismic Loads Seismic Zone 1 Zone Coefficient 0.22 Soil Profile Type S B Importance Factor(I E) 1.2 Response Mod. Factor 3.0 Wind Loads Basic Wind Speed(Vo) 30m/s Ground Surface Roughness B Gust Effect Factor(G f) 2.2 Importance Factor(I W) 1.0 Table 1은지진하중및풍하중과관련한기본계수들을나타낸다. 구조물의유효질량으로는고정하중 ( ) 의 100% 와활하중 ( ) 의 25% 를고려하였다. 단변방향의지진하중산정시지진력저항시스템은 STF 에대한별도의규정이없는관계로기타구조물로분류하여 3.0 의반응수정계수 ( ) 를적용하였다. 풍하중의경우, 지표면조도구분 ( 노풍도 ) 은 를가정하였으며해당되는거스트영향계수 ( ) 는 KBC2006에제시된노풍도 B에서의기준값 2.2 를가정하였다. 각층의바닥슬래브는수직하중에저항하는한편횡력에대해서는다이아프램역할을하여야하므로전술한바와같이수직하중에대해서는기둥사이의경간을스팬으로하는연속일방향슬래브로설계하고횡력에대해서는면내방향으로건물의깊이를춤으로하는깊은보로간주하여설계하였다. 트러스의설계를위하여바닥에작용하는하중으로각층에는자중을포함한 6.0kPa 의고정하중과, 2.5kPa 의적재하중을옥상층의경우 6.5kPa 의고정하중과 1kPa 의적재하중을가정한다. 본프로젝트에서다루고자하는구조물은철골조이며, 재질은 10층과 20층구조물에대해각각 SM400과 SM490을사용하였다. 단면의경우, 기둥과보및트러스부재는모두 H형강으로설계하였다. 트러스의형태는 Fig. 5에정리된바와같이일반적으로사용되는프랫트러스 (pratt truss), 하우트러스 (howe truss), 와렌트러스 (warren truss), K형트러스 (K-truss) 및비렌딜트러스 (vierendeel truss) 의다섯가지형태로계획하였다. 프랫트러스, 하우트러스및와렌트러스는가장일반적으로 (a) plan (b) y-direction section (c) 3-dimensional model Fig. 4 Model building 한국전산구조공학회논문집제 30 권제 3 호 (2017.6) 201

트러스형태에따른스태거드트러스골조시스템의구조특성에관한연구 Fig. 5 Truss types used in the models 사용되는형태로서경사재의배치에따라작용하는힘이달라진다.

한편 형트러스는수직재및경사재가 K 또는역 의형태를가지는트러스로서좌굴길이를짧게하는장점이있고, 비렌딜트러스는경사재를생략하여상현재와하현재사이에수직재만존재하는시스템으로절점은휨모멘트에대해저항하는강절점으로구성된다. 현재에는축력외에전단력이작용하므로부재및절점에는추가적인모멘트가발생하게되어구조적으로는비효율적이지만경사재가없으므로공간계획에는유리한측면이있다. 3.

그러나비렌딜트러스를제외한일반트러스구조체에서도이러한강접합을도입하는것이과연구조적인면에서합리적인지를판단하기위해예제구조물의단위트러스구조체에서중앙부수직재의양단을각각핀접합과강접합으로설정하고그때의부재력을기준으로비교 검토해보고자한다. Fig. 6에서중앙부수직재양단의흰색원과검정색원은각각핀절점, 강절점을나타내며별도로표시되지않은수직재및경사재의양단은모두핀접합으로이루어진다.

4 트러스형태에따른스태거드트러스골조시스템의구조특성에관한연구 Fig. 5 Truss types used in the models 사용되는형태로서경사재의배치에따라작용하는힘이달라진다. 프랫트러스형태는경사재에인장이작용하도록경사재가배치되어수직하중에대해가장유리한형태가될수있고, 하우트러스의경사재는와렌트러스에대해정반대의형태로배치되므로경사재에압축력이작용하며, 경사재가교대로배치되는와렌트러스의경우경사재에압축과인장이교대로작용하게된다. 한편 형트러스는수직재및경사재가 K 또는역 의형태를가지는트러스로서좌굴길이를짧게하는장점이있고, 비렌딜트러스는경사재를생략하여상현재와하현재사이에수직재만존재하는시스템으로절점은휨모멘트에대해저항하는강절점으로구성된다. 현재에는축력외에전단력이작용하므로부재및절점에는추가적인모멘트가발생하게되어구조적으로는비효율적이지만경사재가없으므로공간계획에는유리한측면이있다. 3.2 트러스절점계획전술한바와같이 STF 시스템의트러스중앙부는일반적으로 통로와같은공간활용을위해사재를제거하기때문에결과적으로그주변수직재에휨모멘트가발생한다. 그러나비렌딜트러스를제외한일반트러스구조체에서도이러한강접합을도입하는것이과연구조적인면에서합리적인지를판단하기위해예제구조물의단위트러스구조체에서중앙부수직재의양단을각각핀접합과강접합으로설정하고그때의부재력을기준으로비교 검토해보고자한다. Fig. 6에서중앙부수직재양단의흰색원과검정색원은각각핀절점, 강절점을나타내며별도로표시되지않은수직재및경사재의양단은모두핀접합으로이루어진다. 해석을마친후얻은내력비는해당부재위에표시하였다. 여기서, 내력비 (demand capacity ratio, DCR) 란, 부재의저항성능에대한부재에작용하는부재력의비를말한다. Fig. 7은트러스구조체를크게상 하현재, 수직재, 사재항목으로나누고핀접합및강접합에대한상 하현재의내력비분포를부재위치와동일한순서로나타낸것이다. 해석결과, 중앙부수직재가상 하현재에핀접합되는경우, 수직재의내력비 (0.435) 는낮지만 (Fig. 6), 상현재및하현 (a) pin connection (b) rigid connection Fig. 6 Demand capacity ratios by joint connection types of central bay (a) top chord (b) bottom chord Fig. 7 Demand capacity ratios of top and bottom chord members by joint connection types of central bay 202 한국전산구조공학회논문집제 30 권제 3 호 (2017.6)

5 나창순 홍윤수 유은종 재의경우는대체로높으며부재별분포가고르게나왔다 (Fig. 7). 반면, 수직재가강접합된경우에는수직재가축력이외에휨모멘트도분담하므로내력비 (0.914) 가핀접합에비해높게나옴을알수있다 (Fig. 6). 중앙부하현재는강접합으로인해수직재의휨모멘트도같이전달되므로내력비 (1.006) 가크지만반면에중앙부를제외한나머지상 하현재의경우는낮아서내력비분포에차이가많이발생하는것으로나타났다 (Fig. 7). 기타수직재와사재의내력비분포는핀접합일때와큰차이를보이지는않았다. 대개상 하현재는동일부재로설계하는것이일반적이므로높고고른내력비를갖는것이유리하며따라서강접합보다핀접합이더효과적이라판단되어앞으로본논문에서다룰구조해석및설계에있어경사재가없는중앙부수직재의접합은모두핀접합을적용하기로한다. 3.3 트러스설계 Fig. 8은앞서 3.2절의중앙부수직재에대한절점분석결과를토대로중앙부수직재를핀접합으로설계한트러스접합상태를보여준다. 트러스의형태나건물의층수를막론하고상 하현재는단일부재로서각절점은강절점으로고려하였다. 비렌딜트러스를제외한모든트러스의경사재와수직재는상 하현재에핀접합으로연결되며비렌딜트러스는경사재가없으 PR10 / PR20 HW10 / HW20 WR10 / WR20 K10 / K20 VR10 / VR20 Table 2 and the descriptions Description Pratt Truss Type 10-/20-story Building Howe Truss Type 10-/20-story Building Warren Truss Type 10-/20-story Building K-Truss Type 10-/20-story Building Vierendeel Truss 10-/20-story Building 므로구조안정상수직재를상 하현재에강접함으로써부재간모멘트가전달되도록하였다. 이외에모든트러스의상 하현재와기둥의절점, 그리고 1층의가새양단은모두핀접합으로가정하였다. Table 2는본논문에서다루는트러스형태와층수를나타내는기호이다. 4. 해석및설계 4.1 단면산정 구조물을구성하는부재들은주어진하중에서각기다른거동과응력분포를보이므로구조물에획일화된단면을부여하는것은응력이작은부재에과대한단면을산정할우려가있어경제성및구조설계측면에서결코효율적이지못하다. 이러한이유로구조물의부재들은크게기둥 (Column#), 보 Model Group Member Description Model Group Member Description 10-story Building Column 1 Column 2 Column 3 Girder 1 Girder 2 Girder 3 Girder 4 Girder 5 Truss 1 Truss 2 Truss F Column 5-8F Column 1-4F Column Fig. 8 Joint connections of the truss models Truss Top Chord Beam Truss Bottom Chord Beam Longitudinal Girder 1-9F Transverse Girder 10F Transverse Girder Truss Vertical Member Truss Diagonal Member 1F Diagonal Brace Table 3 and the descriptions 20-story Building Column 1 Column 2 Column 3 Column 4 Column 5 Girder 1 Girder 2 Girder 3 Girder 4 Girder 5 Truss 1 Truss 2 Truss F Column 13-18F Column 9-12F Column 5-8F Column 1-4F Column Truss Top Chord Beam Truss Bottom Chord Beam Longitudinal Girder 1-9F Transverse Girder 10F above Transverse Girder Truss Vertical Member Truss Diagonal Member 1F Diagonal Brace 한국전산구조공학회논문집제 30 권제 3 호 (2017.6) 203

트러스형태에따른스태거드트러스골조시스템의구조특성에관한연구 Table 4 Members and maximum demand capacity ratios for each group and the descriptions (Girder#), 트러스 (Truss#) 로나누고, Table 3에서와같이위치, 방향혹은형태등더욱세분화된기준으로연관된부재들을그루핑

보는크게구조물에서모멘트골조를구성하는장변방향의보와트러스의상 하현재를구성하는단변방향의보로구성되어있다. 단변방향의보는트러스의상 하현재를각기다른그룹으로지정하였으며, 1층부의 2,4,6 열보와같이그어디에도속하지않는보는별도의그룹으로분류하였다. 트러스는부재방향에따라수직재와사재로나누고, 트러스구조체에속하지않은 1층부의가새를포함하여총세그룹으로분류하였다.

6 트러스형태에따른스태거드트러스골조시스템의구조특성에관한연구 Table 4 Members and maximum demand capacity ratios for each group and the descriptions (Girder#), 트러스 (Truss#) 로나누고, Table 3에서와같이위치, 방향혹은형태등더욱세분화된기준으로연관된부재들을그루핑 (grouping) 하였다. 부재설계에는하중저항계수설계법 (LRFD) 을사용하였고, 하중조합으로는 1.4D, 1.2D+1.6L, 1.2D±0.65W, 1.2D±1.3W+L, 1.2D±E+L, 0.9D±1.3W, 0.9D±E 를적용하였다. 기둥은높이에따라위에서부터 4개층씩그루핑하되, 10층구조물의경우최상부 2개층을동일그룹으로묶었다. 보는크게구조물에서모멘트골조를구성하는장변방향의보와트러스의상 하현재를구성하는단변방향의보로구성되어있다. 단변방향의보는트러스의상 하현재를각기다른그룹으로지정하였으며, 1층부의 2,4,6 열보와같이그어디에도속하지않는보는별도의그룹으로분류하였다. 트러스는부재방향에따라수직재와사재로나누고, 트러스구조체에속하지않은 1층부의가새를포함하여총세그룹으로분류하였다. 트러스의형태와전체층수로구분된모델은공통적으로기능, 위치, 방향혹은형태등의그루핑기준을통일시켜객관성을확보하되, 각모델들의특성에맞게최대내력비 (DCR) 를갖는단면을선정하여해석을진행하였다. Table 4는실제해석수행후, 각구조물에서그룹별산정된단면의형태와규격그리고그에따른최대내력비를나타낸다. 4.2 내력비및골조물량본연구에서는효율적인설계를위해내력비측면에서부재그룹별로최적의단면을선정한것으로보고구조해석을수행, 기둥부재및전부재의내력비의평균값을도출하여모델간서로비교해보았다. 내력비의평균값이높을수록그루핑한부재에균등한응력이작용하므로효율성이높다고할수있다. Table 5 및 Fig. 9는해당구조물에서기둥혹은전체부재의평균내력비와그분포를나타낸다. 모델별로기둥및전체부재의평균내력비를비교하여그값이큰순서대로배열하면다음과같다. 기둥내력비 VR10 > PR10 > K10 > HW10 > WR10 PR20 > WR20 > K20 = VR20 > HW20 전체내력비 PR10 = VR10 > HW10 > WR10 > K10 VR20 > WR20 > HW20 > PR20 > K20 Table 5 및 Fig. 9에나타낸바와같이대체로프랫과비렌딜트러스모델이기둥및전체부재의내력비가높게나와 Table 5 Average demand capacity ratio(dcr) for each model PR 10 HW 10 WR 10 K 10 VR 10 Avg. DCR Avg. DCR Column Total Column Total PR 20 HW 20 WR 20 K 20 VR 한국전산구조공학회논문집제 30 권제 3 호 (2017.6)

나창순 홍윤수 유은종 Table 6 Quantity of structural members in each model PR 10 HW 10 WR 10 K 10 VR 10 Quantity(kN) Quantity(kN) Truss Girder Total Truss Girder Total 348.5 482.6 403.1 504.7 375.

10 Comparisons of the quantity of structural members in each model(unit kn) Fig.

특히와렌트러스모델은저층보다고층구조물에서평균내력비가가장크게증가하였다. 반면, 전체부재에대해서는 K10, K20 이여타구조물에비해낮은내력비를기록해단면사용의효율성면에서가장불리하였다. 다른트러스와달리사재가없는비렌딜트러스모델은타모델들과직접비교는어려우나부재들의평균내력비만놓고본다면가장효율적인방식이라할수있다.

7 나창순 홍윤수 유은종 Table 6 Quantity of structural members in each model PR 10 HW 10 WR 10 K 10 VR 10 Quantity(kN) Quantity(kN) Truss Girder Total Truss Girder Total ,442 1,479 1,421 1,380 3,580 1,791 1,961 1,824 1,885 3,618 PR 20 HW 20 WR 20 K 20 VR 20 1,351 1, , ,971 4,689 4,431 4,614 8,680 6,322 5,702 5,393 5,784 8,740 Fig. 10 Comparisons of the quantity of structural members in each model(unit kn) Fig. 9 Average demand capacity ratio of each model for column(top) and all members(bottom) 부재의과설계를줄임으로써비교적경제적인단면을얻을수있는것으로나타났다. 기둥부재의평균내력비는 0.5~0.6 범위의고른분포를보이지만모델간서열은층수와트러스형태에따라확연히다르다. 특히와렌트러스모델은저층보다고층구조물에서평균내력비가가장크게증가하였다. 반면, 전체부재에대해서는 K10, K20 이여타구조물에비해낮은내력비를기록해단면사용의효율성면에서가장불리하였다. 다른트러스와달리사재가없는비렌딜트러스모델은타모델들과직접비교는어려우나부재들의평균내력비만놓고본다면가장효율적인방식이라할수있다. 이다음으로효율성이좋은방식은프랫트러스로나타나지만예외적으로 20층구조물의전체내력비는다소낮다. STF 시스템에하우트러스를적용하였을때, 전체부재의내력비는평균정도의효율성을갖지만, 기둥부재의그루핑을보다체계적으로해야할필요가있다. 이와반대로 K-형트러스는기둥부재의내력비가보통수준임에도, 전체부재의내력비가낮아비효율적인방식이라할수있다. 한편, 내력비에서나타난개별부재의효율성과별도로모델별골조물량은시스템의경제성을나타낸다. 각모델별로사용된전체골조물량은 Table 6 및 Fig. 10에정리하였다. 각시스템별물량이적게사용된순서대로배열하면다음과같다. 골조물량 PR10 < WR10 < K10 < HW10 < VR10 WR20 < HW20 < K20 < PR20 < VR20 순서에서보듯, 10층및 20층모델에서와렌트러스방식이대체로물량이적게사용된것을알수있으며, K형트러스모델은사재가다른시스템에비해 2배가까이사용되었음에도불구하고층수와상관없이평균수준의경제성을보여준다. 다만, 20층의프랫트러스모델의경우오히려비렌딜트러스를제외하고다른시스템에비해물량이가장많이사용된것으로보아저층의구조에서효율적인방식이라고할수있다. 비렌딜트러스시스템의경우내력비가비교적높은편으로그루핑한부재의효율성은우수한편이지만대각선가새를생략함으로써축력외에모멘트가작용하는구조의특성상다른방식에비해절대적인물량이현저하게증가하는것을알수있다. 5. 결론본연구에서는프랫트러스, 하우트러스, 와렌트러스, K-형트러스및비렌딜트러스를 STF 시스템에적용하여트러스별경제성및효율성을검토하였으며다음의결론을얻었다. 사재가본래없는비렌딜트러스를제외한 STF 시스템에서트러스중앙배이의사재를통로확보등을위해제거한후중앙부수직재를상 하현재에핀접합하게되면각부재의내력비분포가균등해져구조물을더욱효율적으로설계할수있다. 한국전산구조공학회논문집제 30 권제 3 호 (2017.6) 205

8 트러스형태에따른스태거드트러스골조시스템의구조특성에관한연구 기둥및보, 트러스부재는그루핑하여설계하였으며부재저항성능에대한부재력의비율, 즉각부재들의내력비를평균하여산출한평균내력비를그루핑의효율성을나타내는지표로삼았다. 10 층및 20 층의예제모델을설계한결과비렌딜트러스방식을적용한 STF 의경우전체부재에대한평균내력비가가장커그루핑의효율성이높았다. 전체물량에있어서는 20층모델에서는와렌트러스를적용한방식이, 10층모델에서는프랫트러스룰적용한방식이가장작은물량이산출되어우수한경제성을나타내었다. 부재단면산정의효율성과시스템의경제성을나타내는골조물량을종합적으로고려해볼때 10층에서는프랫트러스방식이, 20 층에서는와렌트러스방식이가장우수한것으로나타났다. 비렌딜트러스를적용한 STF 시스템은다른방식에비해골조물량이커비경제적인방식이지만건축계획측면에서는유리한점이있다. 또한기둥및전체골조에대한평균내력비가높은편으로써부재그루핑의효율성이우수한것으로나타났다. 본연구에서는예제건물을 20층으로한정하여각트러스를적용한 STF 시스템의효율성과경제성을분석하였으며, 층수가더높은초고층건물에서 STF 를적용한경우에대한분석은별도의연구를통하여추후진행되어야할과제이다. References Brazil, A. (2000) Staggered Truss System Proves Economical For Hotels, Modern Steel Construction, AISC. Design Guide 14 (2000) Staggered Truss Framing Systems, AISC. FEMA 450 (2003) NEHRP Recommended Provisions for Seismic Regulations for New Buildings and Other Structures, Building Seismic Safety Coucil. KBC 2006 (2006) Korean Building Code-Structural, AIK. Kim, J., Lee, J. (2006) Seismic Behaviour of Staggered Truss Systems, Paper No.164, 1st ECEES, Geneva, Switzerland. Kim, J., Lee, J. (2006) Seismic Improvement of Staggered Truss Systems using Buckling Restrained Braces, J. Earthq. Eng. Soc. Korea, 10(2), pp.11~19. McNamara, R.J. (1999) Aladdin Hotel, Modern Steel Construction, AISC. Metz, S. (2012) Staggered Home, Modern Steel Construction, AISC. Scalzi, J.B. (1971) The Staggered Truss System - Structural Considerations, Eng. J., AISC, pp.138~ 143. 요지 본논문에서는약진지역에서적용되는스태거드트러스골조시스템의수평하중에대한구조특성을분석하였다. 스태거드트러스시스템에적용되는프랫, 하우, 와렌, K 형, 비렌딜의대표적인트러스형태를기준으로 10 층과 20 층의예제건물에대한해석과설계를수행하여트러스형태에따른시스템의경제성과효율성을비교 분석하였다. 설계에서기둥및트러스부재는같은부재를몇개층씩그루핑하여사용하였으며부재의효율성은그루핑된부재의평균내력비를기준으로판단하였으며시스템의경제성은전체골조물량을기준으로판단하였다. 분석결과효율성과경제성측면에서 10 층의예제에서는프랫트러스를사용한시스템이우수한것으로나타났으며 20 층의예제에서는와렌트러스를사용한방식이우수한것으로나타났다. 핵심용어 : 스태거드트러스, 프랫트러스, 하우트러스, 와렌트러스, K 형트러스, 비렌딜트러스 206 한국전산구조공학회논문집제 30 권제 3 호 (2017.6)

<INPUT DATA & RESULT / 전단벽 > NUM NAME tw Lw Hw 철근 위치 Pu Mu Vu RESULT (mm) (mm) (mm) 방향 개수 직경 간격 (kn) (kn-m)

<INPUT DATA & RESULT / 전단벽 > NUM NAME tw Lw Hw 철근 위치 Pu Mu Vu RESULT (mm) (mm) (mm) 방향 개수 직경 간격 (kn) (kn-m) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 NUM NAME tw Lw Hw 철근 위치 Pu Mu Vu RESULT (mm) (mm) (mm) 방향 개수 직경 간격 (kn) (kn-m) (kn) 휨 전단 축력 종합 1 2W1 300 3400 4500 수직 2EA- D13 @150