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입체복합공간 구조시스템의 횡력 저항성능에 관한 연구

Title
입체복합공간 구조시스템의 횡력 저항성능에 관한 연구
Other Titles
A Study on Lateral Resistance of Integrated Multi-purpose Spatial Structure
Authors
정유나
Issue Date
2009
Department/Major
대학원 건축학과
Publisher
이화여자대학교 대학원
Degree
Master
Advisors
신영수
Abstract
오늘날 선진국을 중심으로 진행되는 도시개발과 관련하여 새로운 사회적 요구사항으로 ‘삶의 질’을 꼽을 수 있다. 이러한 새로운 흐름은 기존의 양적, 물리적 개발을 위주로 한 도시 개발의 한계를 지적하며, ‘환경적으로 건전하고 지속가능한 개발(ESSD: Environmentally Sound and Sustainable Development)' 등의 새로운 개념의 도시개발 방안의 모색을 요구하고 있다. 이러한 경향을 이유로 선택과 집중형의 고밀도 개발과 이에 따른 다양한 요구를 동시에 충족할 수 있는 도시와 건축물의 입체복합화가 요구되고 있다. 건축물의 입체복합화를 실현하는 여러 가지 기법 중 구조 공학적인 접근 방법으로는 건물의 초고층화를 통한 토지 이용의 효율성 제고와 가변성 있는 형태의 설계를 통한 다양한 용도의 수용 등을 들 수 있다. 현재까지 국내에 건설되거나 건설 예정인 초고층 구조물의 경우 대부분이 벽식구조, 전단벽을 사용한 골조구조, 아웃리거를 사용한 전단벽 구조 등, 가변성이 부족한 구조 시스템을 적용한 경우가 대부분이다. 전 세계적으로 환경에 대한 관심이 높아지고 자원고갈에 대한 위협이 증가되고 있는 추세 속에서 기존 건축물의 재활용 요구는 크게 증가할 것이며, 대형 건축물의 경우에는 그 규모와 상징성 때문에 이러한 요구가 더욱 커질 수밖에 없다. 따라서 시간적, 공간적인 제약 없이 건축물을 자유로운 용도로 사용 가능하도록 하는 입체복합공간화에 대한 연구는 시기적으로 매우 절실하다고 볼 수 있다. 시간과 공간에 따른 기능의 변화가 가능한 입체복합공간의 형성을 위해서는 건축물의 구조체외 부재 사이에 수평적 위계를 갖는 구조개념을 채택하여 동일 위계 내에서 개·보수가 용이하도록 설계하여야 한다. 이를 위해 건축물은 크게 고정부와 가변부로 나누어, 장기적으로 내구성을 가지면서 대형 열린공간을 형성하는 고정부와 단위 모듈화된 가변부를 독립적으로 설계한다. 구조적 측면에서는 건축 요소별 내구연한의 차별성을 고려하고 프리패브공법, 건식공법 등 소위 지속가능한 설계 개념의 순환형 건설시스템의 구축이 필요하다. 더불어 Life cycle 설계법, Open Building System 설계법, 모듈러 코디네이션(Modular Coordination), 호환성 등의 설계기법에 적합한 구조시스템, 구조부재, 그리고 구조재료 개발에 대한 연구가 필요하며, 현재의 일체식 콘크리트 구조에서 혼합식 구조(Hybrid), 프리캐스트 구조, 포스트 텐션 등 다양한 구조시스템으로의 기술적 발전이 필요하다. 입체복합공간을 설계하기 ‘가변성’과 ‘모듈 코디네이션’이 구현 가능한 구조시스템을 선택하여야 하며, 입체복합공간의 특성과 이를 통해 창출하는 경제성을 고려하면 입체복합공간의 규모는 필연적으로 초고층화와 동시에 대형화 된다. 기존의 초고층 건축물에 사용되어온 모멘트 저항 골조의 경우 내부에 많은 기둥이 설치됨으로써 열린공간의 형성이 불가능하고, 20~30층 이상의 높이에서는 비경제적인 구조시스템이다. 튜브 구조의 경우 70층 이상의 초고층 설계가 가능하지만, 외곽의 촘촘한 기둥의 배치는 주거공간에 적합하지 않으므로 사용성에 제한이 있다. 따라서 입체복합공간의 구조시스템으로 대형 열린공간의 형성이 가능하고, 그 내부에서 공간의 변화가 자유로운 Mega Structure를 사용하는 것이 타당하다. Mega Structure는 그 기능과 개념의 특수성으로 인하여 초기 건설비용이 일반 건축물에 비해 매우 높아질 우려가 있다. 따라서 개발 및 설계단계에서 적절한 시스템과 형태를 선택하는 것이, 차후의 공기 단축과 공사비 절감에 큰 영향을 미치게 된다. 본 연구에서는 Mega Structure의 여러 가지 형태 중에서 Mega Column과 Mega Beam을 이용한 대형 프레임 형태(Super-frame)의 모델을 기초로 해석을 수행하였다. Mega Structure의 횡력저항 성능이 Mega Column의 형태나 크기, Mega Beam의 설치 간격 등에 의해 어떠한 특성을 보이는지 분석하고, 그러한 특성이 규모(평면의 크기, 높이)에 따라 어떠한 차이를 보이는지 분석하였다. 이러한 분석을 통해 특정 규모에 적합한 Mega Structure의 형태를 제시하여 Mega Structure의 설계 시 참고자료를 제시하고자 한다. 해석을 통한 연구결과는 다음과 같다. 1) 구조체의 규모에 따른 해석 결과 동일한 수의 Mega Column을 사용한 경우 평면의 크기가 커질수록, 높이가 증가할수록 수평하중에 대한 저항 능력이 떨어진다. 2) Mega Column에 가새를 설치한 경우 횡력에 대한 저항 능력이 증가하며, X형태 가새가 수평변위 제어에 가장 효과적이다. 3m×3m Mega Column에서는 Z형태 가새, K형태 가새 순으로 효과적이며, 6m×6m 기둥에서는 K형태 가새, Z형태 가새 순으로 효과적이다. 3) 가새가 없는 경우에는 3m×3m 크기의 Mega Column이, 가새가 설치된 경우에는 6m×6m 크기의 Mega Column이 효과적으로 수평변위를 제어한다. 4) MT6C, MT3C-X모델을 제외하고, 높이가 낮을수록 가새 설치에 따른 횡력저항성능의 향상정도가 커진다. 5) 가새를 설치한 경우, 높이 120m 모델에서는 40m 간격으로 Mega Beam을 설치하는 것이, 20m 간격으로 설치하는 것보다 횡력저항성능이 높으며, 높이 240m, 42m×42m 평면의 경우도 동일하다. 높이 240m, 30m×30m 평면의 경우 ST3D-X를 제외한 모든 모델에서 20m 간격으로 Mega Beam을 설치한 경우가 횡력저항성능이 더 높다. 6) Mega Beam이 40m 단위로 설치된 모델에서는 최하층 구간에서 최대 층간변위 최대값이 발생하고, Mega Beam이 20m 단위로 설치된 30층 모델은 최하층 구간에서, 60층 모델은 두 번째 구간에서 최대 층간변위 최대값이 발생한다.;Urban renewal based on ‘Quality of life’ has been a new wave of urban redevelopment and ESSD (Environmentally Sound and Sustainable Development) for society has been required for last decade. The fact that these concepts have been matters of consequence is an indication of limits that quantitative and physical development has. The building should be flexible and expandable to arrange unexpected requirement of user and it means the building could last out for its physical lifetime without waste. An integrated multi-purpose spatial structure means the building has enough flexibility and capacity to take account of almost all requirements in the future. Mega Structure is a type of system to materialize the integrated multi-purpose spatial structure. This paper describes the characteristics and behavior of Mega Structure. Mega Structure is composed of mega columns and mega beams, which are consists of many ordinary elements making trussed shape. It is necessary to figure out the characteristics and behavior of Mega Structure, which has not been researched sufficiently. In this paper some Mega Structure model is presented and varied in the size of model’s plan, the height, the size and bracing of the mega column and the distance between the mega beams. The lateral resistance of the model is influenced on the parameters. The behavior of the system is investigated in terms of inter-story drifts, lateral displacement and maximum lateral displacement under the action of vertical forces such as wind loads. The data is compared to show the effect of each parameters on lateral resistance of the model.
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