Microsoft Word - KM 011_ 초고층 구조시스템 및 설계사례 분석.doc

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유현 영
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1 초고층구조시스템및설계사례분석 ( 초고층 )

2 목 차 1. 서론 2. 구조시스템의소개 2.1 Mega Frame 2.2 Outrigger & Belt Frame 2.3 Diagrid Frame( 대각가새구조 ) 2.4 Tube Frame 3. 국내. 외의 ( 초 ) 초고층사례연구 4. 첨부자료 1 of 15

1. 서론 국내에서설계가진행중인 100 층이상의초고층건물을살펴보면아래 조감도와같다.

층이상초고층빌딩은서울송파구잠실제 2 롯데월드 (555m/112 층 ) 와마포구상암동국제비즈니스센터

성동구뚝섬글로벌비즈니스센터 (450m/110 층 ), 용산역세권랜드마크 (620m/150 층 )

층 ) 등모두 7 곳에이른다. 따라서국내에서도 100 층이상초고층빌딩시대가본격열릴전망이다.

3 1. 서론 국내에서설계가진행중인 100 층이상의초고층건물을살펴보면아래 조감도와같다. 현대차뚝섬글로벌센터 110 층 타워팰리스 III 현재전국에서추진중인 100 층이상초고층빌딩은서울송파구잠실제 2 롯데월드 (555m/112 층 ) 와마포구상암동국제비즈니스센터 (580m/130 층 ) 를비롯해중구금융관광허브초고층빌딩 (960m/220 층 ), 성동구뚝섬글로벌비즈니스센터 (450m/110 층 ), 용산역세권랜드마크 (620m/150 층 ) 등서울에서 5 곳, 그리고인천송도인천타워 (610m/151 층 ) 와부산롯데월드 (510m/107 층 ) 등모두 7 곳에이른다. 따라서국내에서도 100 층이상초고층빌딩시대가본격열릴전망이다. 이는현재 세계 1 위 인대만의타이베이 101 빌딩 (508mㆍ 101 층 ) 보다훨씬높은수준이며, 아랍에미리트두바이에내년완공을목표로건축중인 2 of 15

4 버즈두바이의목표높이 830m(160 층 ) 를추격하고있다. 지금까지지어진 국내최고층건물은서울강남구도곡동의타워팰리스 (261m ㆍ 69 층 ) 이다. 2. 구조시스템의소개 2.1 Mega Frame 메가프레임은 Super Column 과 Transfer Truss (Super Girder) 를사용하여, 횡하중과연직하중에모두저항하는 3 차원트러스형태로모듈화된구조체를반복적으로사용하는형식으로 DIB(Dynamic Intelligent Building)-200 에서제시되었다. 즉, 대형규모의기둥 (Super Column) 과보 (Super Girder), 그리고가새 ( Transfer Truss) 등의구조부재를사용하여횡하중과연직하중에모두저항하는 3 차원트러스형태로모듈화된구조체를반복적으로사용하는형식이다. 보통 4~24 개층마다 Super Girder 를사용하고, 수직하중은 Super Girder 를통해 Super Column 으로전달하고, 수평하중은 Super Girder 와 Super Column 의접합부강성에의하여지지하는구조시스템이다. 2.2 Outrigger & Belt Frame 건물이고층화됨에따라횡하중에의한횡변형이많이발생하게된다. 횡변위를제어하기위해서건물의일부층을강성이큰벽체나트러스 3 of 15

형태의구조물을허리띠같이설치한다. 건물의일부층을감싸는것을벨트시스템이라하고횡하중에저항하는코어를건물외부기둥과연결하는것을아웃리거시스템이라한다. 보통골조-전단벽, 골조-가새구조에서횡하중을부담하는코어에 Outrigger 와 Belt Truss 를설치하여외곽기둥과연결시킨다. 2.

5 형태의구조물을허리띠같이설치한다. 건물의일부층을감싸는것을벨트시스템이라하고횡하중에저항하는코어를건물외부기둥과연결하는것을아웃리거시스템이라한다. 보통골조-전단벽, 골조-가새구조에서횡하중을부담하는코어에 Outrigger 와 Belt Truss 를설치하여외곽기둥과연결시킨다. 2.3 Diagrid Frame( 대각가새구조 ) Diagrid 는대각선방향의보를사용하여삼각형구조물을만들음으로써철골조의대형건물을건설할수있는구조시스템이다. 즉, 경사진수직부재와보가삼각형형태의배치를이루고수직하중을적절하게배분하여기초와지반에안전하게전달할뿐만아니라 Strut-Tie 와유사한형태로외력에저항하며, 건물의최외곽에위치하여지진이나풍하중에효과적으로대응할수있는구조이다. 일반적인가새구조는층간변위에의한전단력을수직기둥의휨모멘트를통해전달하지만 Diagrid 구조는가새부재의축방향거동을통해전단력을전달한다. 이구조시스템은종래의철골조보다철골물량을줄일수있으며, Hearst Tower 는기존의설계에비해약 21% 정도철골물량이감소된것으로보고되고있다. 또한적절히절충한다면다이아그리드구조는코너의대형기둥을제거할수있으며, 하중분산을보다좋게할수있다. Outrigger 는건물의모멘트와층간변위를감소하는데효과적이지만 Outrigger 만으로전단강성을제공하지못해코아가반드시필요하다. 그러나 Diagrid 구조는휨강성뿐만아니라전단강성도제공하여코아에큰강성을요구하지않는다. 4 of 15

횡력이작용하는경우횡력이작용하는방향으로배치된튜브골조는웨브와같이거동하며이에직각인경우는플랜지의역할을한다.

6 2.4 Tube Frame 튜브구조란간격이좁게배열된기둥과보가마치튜브와같이건물의외부를둘러싸서횡하중에저항하는시스템을말한다. 일반적으로튜브를구성하는기둥의간격은 2~4m 이며, 이들기둥은춤이큰테두리보로연결되어있다. 횡력이작용하는경우횡력이작용하는방향으로배치된튜브골조는웨브와같이거동하며이에직각인경우는플랜지의역할을한다. 이구조는 40 층에서 100 층정도규모의건물에적합한시스템이라고한다. 튜브구조는횡력에효율적이지만 전단지연 과같은현상에대하여보완할필요가있다. 전단지연이란튜브플랜지의모서리에응력이집중되고중앙부에서는응력이덜전달되어결과적으로전체적인튜브플랜지의효율이저하되는현상을말한다. 5 of 15

7 가새튜브구조시스템은전단지체현상을방지하고강성을증진시키기위해외부에가새를넣어횡력을부담하도록하는방식으로튜브시스템보다층고를더높힐수있는방법이다. 일반튜브구조보다기둥의간격이넓어질수있으며테두리보의깊이도감소시킬수있다. 이때가새부재의역할은하중과부등변위를재분배하고벽체응력을균등화시키는것이다. 전단지연작용의원인은튜브를구성하는기둥과보의전단강성의부족에서기인하는데, 그림과같이여러개의튜브를연결하여 Bundled Tube 로할경우평면내부에서전단력이전달될수있는통로가생기므로전단지연현상을크게개선할수있다. 6 of 15

8 묶음튜브구조시스템은 2 개이상의튜브를서로연결하여개별튜브간의상호작용을통해전단지연 (Shear lag) 현상을감소시키고큰횡강성을얻도록한구조형식을말한다. 이구조는약 120 층높이의철근콘크리트구조물에서경제적으로활용할수있다. 7 of 15

3. 국내. 외의초초고층사례연구 1900 년대초반부터초고층으로발전된건축물들은현대적도시기능의주요한부분으로자리를잡게되었다. 1930 년크라이슬러빌딩 (Chrysler building, 319m, 뉴욕 ) 의완성과함께초고층건물에대한경쟁이시작되었다고해도과언이아니다.

시카고 ) 등의더높은건물에최고의자리를내주었다. 현재는페트로나스트윈타워 (Petronas Twin Tower, 452m, 쿠알라룸푸르 ) 가세계최고의높이를기록하고있다.

9 3. 국내. 외의초초고층사례연구 1900 년대초반부터초고층으로발전된건축물들은현대적도시기능의주요한부분으로자리를잡게되었다 년크라이슬러빌딩 (Chrysler building, 319m, 뉴욕 ) 의완성과함께초고층건물에대한경쟁이시작되었다고해도과언이아니다. 바로 1 년뒤인 1931 년 102 층의엠파이어스테이트빌딩 (Empire State Building, 381m, 뉴욕 ) 이완성되면서수십년동안이건물은더이상높아질수없는최후의초고층건물로생각되어왔으나, 다시 40 년이지난 1970 년대에들어와세계무역센터 (World Trade Center, 417m, 뉴욕 ), 시어즈타워 (Sears Tower :443m, 시카고 ) 등의더높은건물에최고의자리를내주었다. 현재는페트로나스트윈타워 (Petronas Twin Tower, 452m, 쿠알라룸푸르 ) 가세계최고의높이를기록하고있다. 최근의초고층건물건립은모두아시아특히동남아시아에집중되고있는데이는 1980 년대아시아의경제적발전과더불어아시아국가들의관심이높아졌으며아시아국가들에있어서초고층건축물은도시기능체로서의가치보다는개발도상국에서선진국으로의도약혹은변환을의미하는상징적존재로서의역할을하고있다. 해외에서건설되었거나건설중인초고층건물들을정리하면아래와같다. 버즈두바이 위치 두바이, UAE 용도 - 호텔 / 아파트 / 오피스 높이 ( 층 ) - 700m이상 (160층 + 상부첨탑 ) 완공예정 2008년 구조 1) Tower 부분 ( 기초 ~156층 ): R C코어월 (Thk=1,300~500mm) & 아웃트리거시스템 5개소 2) Spire 부분 (157 층 ~Top Level): Steel Mega-Bracing system 8 of 15

10 Taipei 101 위치 - Taipei, Taiwan 용도 백화점 / 오피스 / 비즈니스센터 높이 ( 층 ) - 508m (101) 완공 2004년 구조 - 아웃리거시스템 + Mega Structure Mega-column - size : 3ⅹ2.4 m - 8개의철골조외부기둥 - 하단부 25개층에설치 - 80mm의후판을용접제작 - column 내부 : 700(kg/cm2) 고강도콘크리트타설 Petronas Towers 위치 - Kuala Lumpur, Malaysia 용도 업무 / 판매시설 높이 ( 층 ) m (88) 지름 m (152 ft) 완공 1998년 구조 - 아웃리거시스템 - 코어와 Outrigger와벨트트러스를설치, 외각기둥과연결하여코어의응력을외각기둥으로전달 - Core : 횡력과강성의 50% 부담 Corewall과 Outrigger Beam : 횡력과강성의 50% 부담 재료 - Concrete, Steel 9 of 15

Jin Mao Tower 위치 - Shanghai, China 용도 - 사무실 50 개층호텔 38개층 높이 (

1 m 극장등순스팬 - 27m 완공 1998년 구조 - 아웃리거시스템, Mega Column

5m, SRC built-up) - 재료 : 강재 + 콘크리트 - 위치 : 타워둘레 8개 - 기능 :

11 Jin Mao Tower 위치 - Shanghai, China 용도 - 사무실 50 개층호텔 38개층 높이 ( 층 ) m (88) 구성 - 연면적 280,000 m2 전시실 2개층순스팬 m 극장등순스팬 - 27m 완공 1998년 구조 - 아웃리거시스템, Mega Column mega-column - 8개소 (1.5m X 5m ~ 1m X 3.5m, SRC built-up) - 재료 : 강재 + 콘크리트 - 위치 : 타워둘레 8개 - 기능 : 수직하중에저항 Outrigger Truss - 2층높이의철골트러스 3개소설치 - 재료 : 강재 - 위치 : 25, 52, 86층에위치 - 기능 : 코어의휨모멘트저항 호텔평면 사무소평면 10 of 15

초고층 구조시스템 및 설계사례 분석 초고층 구조 연구회 International Finance Center 위치 - Hong Kong 용도 - Office 높이(층) - 412.

Composite Mega columns Gravity structure in upper storeys Mega-Column 구성 아웃리거 시스템 형태 Mega column:작은 형강을 조립한 뒤 이를 콘크리트로 감싼

12 초고층 구조시스템 및 설계사례 분석 초고층 구조 연구회 International Finance Center 위치 - Hong Kong 용도 - Office 높이(층) m (88) 구성 - 연면적 180,000 완공 2003년 구조 - Outrigger + Belt Truss + Mega Column Steel Outriggers at three Levels Large Composite Mega columns Gravity structure in upper storeys Mega-Column 구성 아웃리거 시스템 형태 Mega column:작은 형강을 조립한 뒤 이를 콘크리트로 감싼 합성기둥 평면도 Shanghai World Financial Center 위치 - Shanghai, China 높이(층) - 494m (101) 완공 예정 2007년 구조 - 이중튜브구조 4개의 복합구조 Mega Column과 철근콘크리트 코어월 시스템 11 of 15

13 Sears Tower 위치 시카고, 미국 용도 - 업무시설, 상업시설 높이 ( 층 ) - 443m-안테나 527m (110) 구조-번들튜브 ( 하부9개, 상부2개 ) 1) Set Back - 설계레벨에서의풍하중과극한의풍하중모두고려 - 지진다발지역에유리 2) Belt Truss -29~31층, 64~66층, 88~90층의튜브를 2 층짜리 B e l t T r u s s 로건물둘레를단단히묶어하나의연속체로거동하게하여횡하중에저항 특징 - 4.5m의기둥간격으로 9개의튜브구조완성 - 가새없이내부튜브구조로횡력에저항 ( 순수캔틸레버거동 ) - 가새없이기둥과보만으로이루어져내부공간극대화 - 볼트접합없이용접접합 12 of 15

초고층 구조시스템 및 설계사례 분석 초고층 구조 연구회 대우 송도타워 위치 인천 용도 -

(112) 완공 예정 설계중 구조-Core wall + Diagrid -

14 초고층 구조시스템 및 설계사례 분석 초고층 구조 연구회 대우 송도타워 위치 인천 용도 - 오피스 높이(층) - 428m (108 ) 완공 예정? 구조-Tube in Tube + Outrigger + Braced Core + Mega Column 잠실 제2롯데월드 위치 서울 용도 오피스, 호텔, 높이(층) - 555m (112) 완공 예정 설계중 구조-Core wall + Diagrid - 대각가새(DIAGRID) : 기둥과 가 새 역할 동시 수행 - 고강성 고효율 구조 시스템 - Strut-Tie와 유사한 메커니즘으 로 외력에 저항 13 of 15

V(100) V(200) V(300) 비 고 인천 30 0.36 15.03 21.28 23.28 25.87 27.81 29.74 30.87 부산 40 0.

15 4. 첨부자료 4.1 각지역별년간최대풍속의재현기대값 지명 Vo 계수 V(T)=-1/a x ln(ln(t/(t-1))+b m/sec a b V(10) V(20) V(50) V(100) V(200) V(300) 비 고 인천 부산 서울 Review of Design Acceleration and Periods of World Building 14 of 15

16 15 of 15

<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