Transcript 기둥을_이용한_철골조_주상복합_설계

HCFT 기둥을 이용한 철골조
주상복합빌딩의 설계 및 분석
초고층빌딩의 설계 및 분석
설계 진행과정
설계 진행과정
초고층 빌딩의 연구
40층 철골 조 주상복합 빌
딩의 설계 및 분석
( 구조계획 및 설계 )
횡 하중
Wind
Seismic
재료
R.C조
내풍 설계
설계 목적
내진 설계
구조 시스템 제안
철골조
합성구조
철골조
구조
바닥구조
시스템
횡력 저항
바닥 구조 시스템
횡력 저항 시스템
구조 시스템 결정
주요 부재 설계
실제 사례 분석
초고층빌딩의 설계 및 분석
설계 내용
구조계획
설계 내용
설계하중
I . 초고층 빌딩의
고정하중
구조 시스템
구조재료
시스템 대안 검토
R.C 조
적재하중
구조 계획 및 설계에
바람하중
관한 연구
지진하중
철골 구조
시스템 비교 분석
수평변위 고유주기
전체물량
합성 구조
강성참여도
적절한 시스템 제안
예비설계
구
조
설
계
구조해석
정적해석
유한요소해석
동적해석
탄성해석
• 응답 스펙트럼 해석
• 시간이력해석
부재단면 / 접합부 설계
설계안 검토
안정성 , 사용성 검토
초고층빌딩의 설계 및 분석
설계 내용
II . 40층 규모의 철골조 주상복합빌딩의 설계 및 분석
1. 일반 사항
1.1. 설계 대상 건물
부산에 건설 예정인 주상 복합 빌딩의 평면을 기본으로 하며 직육면체 BOX 형태의 건물이다. 오피스건물의
용도는 기본으로 하고 좀 더 보편성을 띠기 위해 주상복합 건물에 대해 설정, 검토해보았다 . 건물의 층별
용도 및 층 고는 다음과 같으며 타워 형상을 가지므로 다른 형태의 건물에 비해 횡 변위 제어에 유리 하다고
본다.
층
층고
용도
지하 3층
7.0 m
주차장
지하 2층
4.5 m
주차장
지하 1층
6.0 m
주차장
1층
6.0 m
상업용
2 - 10 층
4.0 m
상업용
11 - 40 층
3.0 m
주거용
41, 42 층
3.5 m
기계, 설비용
초고층빌딩의 설계 및 분석
설계 내용
1.2. 설계 기본 사항
( 1 ) 구조 시스템 선정
기존의 벽식 구조 시스템과 의 경쟁력 확보를 고려.
1) 바닥 구조 시스템
2) 횡력 저항 구조 시스템
- Slim Floor System
- Shear Wall System
- 기둥 간격 조절 ( 5m 정도 - 보 Depth 최소화 )
- Bracing System
- Precast Concrete Slab System
( 2 ) 구조 재료 결정 및 부재 선정
적절한 CONCRETE 강도와 각형 강관의 SIZE를 결정 .
( 3 ) 하중의 산정
수직 하중 ( 고정, 적재 ) / 수평 하중 ( 풍하중, 지진하중 )
( 4 ) 경제성 분석
1.3. 설계 기본 사항
( 1 ) 적용 기준
- 건설부 , “ 건축물의 구조 기준등에 관한 규칙 ”
- HCFT 기둥 : 허용 응력 설계법
- 기타 철골 부재 : 허용 응력 설계법
( 2 ) 구조 해석
- 구조 해석용 S/W 는 MIDAS/GEN 을 사용 .
- 3차원 구조 해석을 기본으로 함
- 동적 해석 수행 ( 응답 스펙트럼 해석)
- 하중 산정 : UBC, SEAOC, ATC 등을 참조하여 적절히 산정.
초고층빌딩의 설계 및 분석
설계 내용
1.4. 설계 과정
* HCFT 기둥의 적용
* 40층 이상의 고층빌딩 설계
* 주상 복합 건물의 구조 시스템
설계 목적
구조 시스템 제안
횡력 저항 구조 시스템
바닥 구조 시스템
* 아파트 층 층고 해결
* 건축 계획 적합성 여부
* 경제성 분석 (물량비교)
구조 시스템 결정
주요 부재 설계
* CFT 강관을
쓰지 않은
기존의 건물과 비교
* 횡하중 제어에 적합한 시스템
* 구조해석을 통한 분석
* 경제성 분석 (물량비교)
* CFT 기둥
* 보, 슬래브, 벽체
* 접합부 설계
경제성, 시공성의 분석
최종 보고서
초고층빌딩의 설계 및 분석
구조 시스템
2. 구조 시스템
2.1. 바닥 구조 시스템 제안
< 평면 기본 모듈 >
일반 사항
* 제한 조건
- 아파트 층 고는 적어도 3m
이 내로 제한.
- 기존의 벽식 구조에 대해 경제성 확보
- 실내 평면 계획에 타당성 여부 검토
- 평면 규모
전체 : 29. 1 m * 29. 1m
기둥간 기본 모듈 : 10. 2 m * 10. 2 m
구조 시스템 계획안
계획안 1
Slim Floor System
계획안 2
기둥 간격 ( Span ) 조절
계획안 3
Precast Slab Concrete
초고층빌딩의 설계 및 분석
구조 시스템
계획안 1
Slim Floor System
아파트 층의 층고를 낮추기 위해서 Slim Floor System을 도입해 보았다. Slim Floor 을 사용할 경우 철골보의 높이와
동일 하거나 Topping Concrete 만큼 보의 춤이 증가 할 수 있다. Composite Slim Floor의 경우는 덧침 콘크리트와
함께 완전한 합성거동을 하게 만든다.
장점
전단스터드
모듈이 동일
- 아파트 평면에 있어서 내부에 기둥
이 없어 평면 구성이 자유롭다.
- 건물의 설비에 대한 융통성이 있다.
횡방향보강근
현장타설콘크리트
단점
파넬
Slim Floor ( Composite )
- 최하층에서 최상층까지 기둥, 보의
- 저층 건물에만 적용시켜 왔으며 내진
규준이 없다.
- 하중을 고려할때 기둥부재의 크기가
상당히 커진다.
- 물량이 증가할 수 있다.
초고층빌딩의 설계 및 분석
구조 시스템
계획안 2
기둥 간격(Span) 조절
기둥의 간격을 10.1m 모듈로 배치할 경우 기둥의 크기와 보의 춤의 크기가 커져서 아파트 층에 문제가 발생한다.
이에 대한 해결책으로 기둥의 간격모듈을 5.1m로 줄여 보았다. 이 경우는 아파트 층과 오피스 층의 달라진
기둥 배열로 인해 11층에 Belt Truss 층이 생기게 된다.
• 장점
- 기둥의 단면 크기가 줄어든다.
-
Composite Beam 을 쓰지 않아도 보의 춤이 그다지 높지 않아서 아파트 층 고
문제를 해결 할 수 있다.
• 단점
- 공간 내부에 5.1 m , 4.35 m 간격으로 기둥이 서므로 내부 평면 계획에 지장이 있다.
- 층에 따른 기둥 크기의 변화가 불가피하다.
- Core 의 내력벽 방식의 방안이 어렵다.
초고층빌딩의 설계 및 분석
구조 시스템
계획안 3
Precast Concrete Slab
평면계획에 문제가 되는 기둥을 해결하고 아파트 층의 층고를 낮추기 위해서 Precast and Prestressed Concrete
Slab 를 도입한다. Hollow - Core 를 쓸 경우 높이가 30.5 cm 정도 이므로 층고 문제는 해결된다. 그러나 Girder 들의
크기가 커진다는 문제가 생기는데 Girder가 놓이는 곳에 세대간 벽들이 위치하게 된다면 무리가 없으리라 본다. 만약
대상 건물이 복도식 아파트 일 경우에는 문제 없이 해결 될 수 있다.
•
장점
- 아파트 평면 내부에 무주 공간
이 가능하게 되어 평면 구성이
자유스러울 수 있다.
•
단점
- 보의 크기가 커져서 통로나 계단측의
층고가 낮아질 수 있다.
- 보가 위치하게 되는 곳은 반드시 세대간
상세도
벽이 되거나 층고와 무관한 곳이 되어야 한다.
초고층빌딩의 설계 및 분석
구조 시스템
계획안 1, 2, 3 의 설계 하중
하중종류
고정 하중
계획안 1 , 2 ,
고름 몰탈
50 kg/m2
자갈 및 온돌 파이프
65 kg/m2
경량 기포 콘크리트
85 kg/m2
경량 칸막이
100 kg/m2
천장
적재 하중
계
3
10 kg/m2
130 kg/m2
770 kg/m2
초고층빌딩의 설계 및 분석
구조 시스템
계획안 1
• APT
계획안 2
• APT
B1
H-250 x 250 x 9 x 14
G3
H-250 x 250 x 9 x 14
• OFFICE
B1
H-596 x 199 x 10 x 15
G3
H-594 x 302 x 14 x 23
B1 H-244 x 175 x 17 x 11
• OFFICE
계획안 1 참조
계획안 3
• APT
G1
H-588 x 300 x 12 x 20
• OFFICE
계획안 1 참조
초고층빌딩의 설계 및 분석
구조 시스템
아파트층
(@3,000)
아파트층
(@3,000)
사무실층
(@4,000)
사무실층
(@4,000)
계획안 1 , 3
계획안 2
초고층빌딩의 설계 및 분석
구조 시스템
구조 계획에 따른 아파트 내부 평면
본 설계에서는 주상 복합 빌딩의 구조설계에 주안점을 두고 있기 때문에 구조 설계안에 맞추어 내부 평면을
계획하였다. 내부 평면은 보다 효율적이고 안락한 공간을 설계하는 것이 목적이 되어야 하겠지만 구조 설계
안의 타당성을 검증하는 과정이므로 제안된 구조 설계안으로 보편 타당한 아파트 거주 공간이 이루어 질 수
있는가에 초점을 맞추었다.
전제 조건
- 층 고 3m
- 한 층에 4세대씩 120 세대 거주
- 건물의 향과 그것에 영향을 받는 일조 등의 조건은 무시.
- 계획안 2 와 계획안 3 만 제시, 계획안 1 은 어느 것을 써도 무방.
단위 주거 계획
- 건물 가운데 코어가 위치
- 계획안 2 ) 주거 공간 한 가운데에 기둥이 오는 경우 해결
- 계획안 3 ) 무주 공간이므로 비교적 계획이 자유스러움
초고층빌딩의 설계 및 분석
구조 시스템
베란다
온실
방2
방1
방1
안 방
거실
식당
방4
거 실
방3
욕실
방3
방2
방2
현 관
현 관
방2
온실
거실
욕실
거 실
안 방
계획안 2
• 실 내부에 기둥이 있어
계획에 제한이 된다
방1
식당
베란다
방1
계획안 3
• 실내에 기둥이 없어 계획이
자유스러움
• 보는 세대간 벽의 위치에 있어야 함
• 스팬드럴 보의 춤이 높아 거주자에게
불편을 줄 수 있다.
초고층빌딩의 설계 및 분석
구조 시스템
구조 계획안의 비교 및 평가
• 상대적 평가 : A ( 우수, 유리 )
구조
계획
경제성
계획
C ( 저조, 불리 )
비교 항목
계획안 1
계획안 2
계획안 3
벽식구조
특성
SlimFloor
기둥간격
Hollow-core
내력벽식
층고
2.80 m
2.85 m
2.7 m
2.7 m
융통성
B
C
A
A
설계규준
C
A
B
A
강재량
55.11 kg/m2
29.69 kg/m2
B
B
A
A
국내여건
B
A
C
가장보편적
칸막이공사
필요
필요
필요
가변성
B
C
A
공기
시공성
B ( 보통 )
계획안 2 채택
불필요
A
초고층빌딩의 설계 및 분석
구조 시스템
2.2. 횡력 저항 구조 시스템 제안
코어 형식별 비교
40 층 규모의 주상 복합
건물에서 최적의 횡력 저항
구조 시스템을 선정하기 위하여
몇 가지 구조 시스템을 제안
R.C 전단벽
강재 BRACE
한다.
코어 형식 결정
* 조건
-
수평 변위 제어
-
경제성 고려
-
시공성 고려
아웃트리거 및
벨트 트러스 시스템
기타 시스템
( TUBE SYSTEM )
초고층빌딩의 설계 및 분석
구조 시스템
1. 일반 사항
구조 부재별 사용재료
종류
재질
기둥
Fy = 3300 kg/cm2
보, 트러스
Fy = 2400 kg/cm2
기둥 충전용
F’c = 500 kg/cm2
슬래브
F’c = 240 kg/cm2
전단벽
F’c = 240 kg/cm2
강재
콘크리트
구조 해석 S/W
적용 규준
항복 응력
MIDAS/GEN 이용한 3차원 동적 해석 ( 응답 스펙트럼 해석 )
• 건축물의 구조 기준등에 관한 규칙
• 강 구조 계산 규준 및 해석
• AISC -ASD
• UBC
초고층빌딩의 설계 및 분석
하중 산정
바닥 하중
하중 종류
고정 하중
주 거 (kg/cm2)
고름 몰탈
50
마감
81
자갈 및 온돌 파이프
65
경량 칸막이
48
경량 기포 콘크리트
85
슬라브
247
콘크리트 슬라브
330
데크 플레이트
22
경량 칸막이
100
천장
30
천장
설계 풍하중
상 업 (kg/cm2)
10
적재 하중
130
180
계
770
590
노풍도 : C
설계 지진하중
A : 지역계수 = 0.12
기본 풍속 : 40 m/sec
I : 중요도 계수 = 1.2
풍압계수 : 1.4
S : 지반 계수 = 1.2
C : 동적 계수 = 6.0
R : 반응수정계수 = 6.0
초고층빌딩의 설계 및 분석
구조 시스템
2. 코어 형식별 비교
상업용 건물의 경우 공간 분할의 유연성을 위해 큰 공간이 필요하게 되는데 이 경우 수직 동선과 에너
지 분배를 담당하는 부분을 모아 횡력을 부담하는 구조체로 이용하는 방식이 코어를 이용하면 경제적
이고 적절한 구조 방식을 선택할 수 있다.
일반 사항
철골 코어 ( 강재 BRACE )
- 비렌딜 트러스 의 원리로 횡력에 대한 안정성 확보
- 강성이 작으므로 단일 철골 코어의 형태만으로는 고층건물에 적용하기 곤란
재료별 코어의 특성
- 고층 건물에선 가새를 넣는 방식이 좋음
- 비교적 공사 속도를 빨리할 수 있다는 장점이 있음
철근 콘크리트 코어 ( R.C 전단벽 )
- 수직, 수평하중을 모두 부담할 수 있음.
- 공간을 분할해 주며 내화에 대해 고려할 필요가 없음
- 콘크리트 재료가 갖는 취성으로 인하여 연성을 가질 수 있는 부재
접합부 상세가 필요.
초고층빌딩의 설계 및 분석
구조 시스템
3. 구조 형식별 비교
40층 정도의 주상 복합 빌딩의 적합한 구조 시스템으로 우선 ‘ OUTRIGGER + BELT TRUSS + BRACE
CORE ‘시스템과 ‘ TUBE + BRACE CORE ‘ 시스템을 제안하여 보았다. 초고층 건물에서 특히 중요하
게 다루어져야 하는 횡 변위를 만족 시켜야 하고 BRACING 의 설치에 있어서 주거 전용 층을 고려 해야 할
것이다. 일반사항 및 건물의 평면도는 코어 형식별 비교와 동일하므로 언급을 생략한다.
구조 형식별 특 징
장점
OUTRIGGER
+
BELT TRUSS
• 바람하중을 주로 받는 구조물
• Core Overturning Moment 를 줄
일 수 있음
• 평면 계획이 자유로움
• Mechanical Unit 층에 설치
• 50층 이상의 건물에 많이 이용
TUBE
SYSTEM
• 횡력저항 구조체가 외주에 있
으므로 건물 전체폭이 모두 저항
• 시공에 용이
단점
• Outrigger를 사용한 층의 공간
사용에 제한이 있음
• 골조를 세우는 과정에 Impact
가 있음
• 전단력에 대한 저항성은 증가하
지 않음
• 주거전용에서의 건축계획 제한
• 보의 춤의 증가로 층고 문제
• Shear lag 의 발생
초고층빌딩의 설계 및 분석
구조 시스템
구조 형식별 입면도
R.C 전단 벽 코어
철골 조 BRACE 코어
Outrigger + Belt truss
+ RC 전단벽 코어
초고층빌딩의 설계 및 분석
구조 시스템
OFFICE 층 기준 평면도
• R.C 전단벽 코어
철골 BRACE 코어
• Outrigger + Belt truss + RC 전단벽 코어
초고층빌딩의 설계 및 분석
구조 시스템
A.P.T 층 기준 평면도
• R.C 전단벽 코어
철골 BRACE 코어
• Outrigger + Belt truss + RC 전단벽 코어
Truss 부재
제원
10 층 : 상 / 하현재 H 900 X 300 X 16 / 28
B1 : H - 244 x 175 x 7 / 11
사 / 수직재 H 400 X 400 X 13 / 21
C1 : B - 500 x 500 x 30 / 30
40 층 : 상 / 하현재
사 / 수직재
H 800 X 300 X 14 / 26
H 300 X 300 X 10 / 15
초고층빌딩의 설계 및 분석
구조 시스템
구조 해석 ( Dynamic Analysis )
횡 변위 비교
MAXIMUM
R.C 전단벽 코어
방향
WIND
LOAD
SEISMIC
LOAD
강재 BRACE 코어
RC 코어 + Outrigger
변위량
비율
변위량
비율
변위량
비율
수평 X
56.4 cm
H / 246
68. 6 cm
H/ 204
45.4 cm
H/ 306
수평 Y
52.2 cm
H / 266
63. 6 cm
H / 220
42.3 cm
H/ 328
수평 X
35.8 cm
H / 387
38 cm
H / 368
29.3 cm
H/ 473
수평 Y
33.9 cm
H / 409
34 cm
H / 411
28.1 cm
H/ 495
R.C 전단벽 코어 와 강재 BRACE 코어 모두 H / 500 를 만족하지는 못한다.
지진하중 보다 풍 하중에서 횡 변위가 더 크게 일어남을 알 수 있고 풍 하중에
의한 횡 변위를 제어하는 것이 가장 큰 문제가 될 것이다.
초고층빌딩의 설계 및 분석
구조 시스템
A : 지역 계수
I
응답 스펙트럼 해석 결과
= 0. 12
: 중요도 계수 = 1. 2
S : 지반 계수
= 1. 2
C : 동적 계수
= 0. 6
R : 반응 수정 계수 = 6. 0
MODE = 20
UNIT : SECOND
R.C 전단벽 코어
MODE
Frequency
Period
강재 BRACE 코어
Frequency
Period
Outrigger + RC 코어
Frequency
Period
1
6.29
4.43
0.08
7.40
5.57
0.001
2
6.01
0.11
4.09
7.08
0.001
5.16
3
5.77
0.29
0.38
6.36
0.012
0.004
응답 스펙트럼 해석을 통해서 20차 모드로 건물의 주기 와 가속도 를 알아보았다.
R.C 전단벽 코어의 경우 1차 모드에서 6.29 초 의 주기를 가지고 반면에 철골 BRACE
코어의 경우는 7.4 초의 주기를 가진다. 건물의 가속도는 사용성과 관련되므로 바람과
함께 지진의 진동에 대한 검토가 필요하리라 본다.
초고층빌딩의 설계 및 분석
구조 시스템
구조 해석 ( Dynamic Analysis ) 결과 평가
• 물량
강재의 경우는 전단벽 코어가 약 15 % 정도 절감
그러나 전단벽에 필요한 양의 콘크리트 물량은 증가
• 시공
전단벽 코어의 경우 RC 전단벽과 보가 강접합 되어야 하므로
강재 BRACE
코어 채택
시공 공정이 복잡하고 공기가 길어지게 됨.
OUTRIGGER + BELT TURSS 시스템을 적용한 결과 철골 브레이스 코어 만 쓸 때에 비해 약 15 % 정도 횡변위 제
어 효과를 가지고 왔다. 그러나 아직도 횡 변위는 규준인 H / 500 를 만족하지 못하므로 부재 선택의 FEED BACK
이나 또는 다른 구조 시스템의 연구 및 적용이 필요할 것 같다.
강재 BRACE 코어에서
하중조합별 기둥 축력 비교
여러 하중 조합 중 DL , LL, WL, SL 을 포함하면서 변
위를 가장 많이 유발시키는 하중 조합 세가지를 택하여
외부 기둥, 내부기둥의 축력을 비교하여 어떤 하중이 기
둥 축력에 가장 큰 영향을 미치는지 파악해 본다.
초고층빌딩의 설계 및 분석
구조 시스템
강재 BRACE 코어에서 하중조합별 기둥 축력 비교
UNIT : ton
< 내부 ( CORE ) 기둥 >
D.L + L.L
< 외부 기둥 >
0.67( D + W ) 0.67 ( D + S )
D.L + L.L
0.67( D + W ) 0.67 ( D + S )
지하3층
-2925.94
-2122.25
-1775.35
지하3층
-891.98
-632.86
-549.60
1층
-2666.06
-1964.24
-1646.68
1층
-2037.01
-1430.87
-1146.87
5층
-2354.60
-1556.79
-1421.26
5층
-1823.40
-1298.04
-1249.58
11층
-1721.27
-1096.15
-1066.18
11층
-1442.27
-1050.63
-941.13
20층
-1027.59
-697.37
-664.96
20층
-383.54
-273.96
-251.48
30층
-549. 24
-252.86
-284.15
30층
-198.58
-136.57
-127.47
기둥의 축력은 거의 대부분 DEAD LOAD 와 LIVE LOAD 의 조합에서 가장 크게 나타나며
횡 하중으로 볼 때 WIND LOAD 의 영향이 큰 것으로 보인다. 지하층의 경우는 지하 지점을
구조 해석시 전단벽으로 모델링 했기 때문에 벽의 영향으로 기둥 축력이 적게 나왔다.
초고층빌딩의 설계 및 분석