아웃리거 시스템

왜 배우는가: 아웃리거 시스템은 초고층 건물의 횡력 저항 성능과 강재량을 좌우하는 대표 구조 방식이다. 전단벽 시스템, 튜브 시스템과 비교하는 문제로 반복해 출제되므로 정의와 등장 배경을 정확히 잡아야 한다. 실무에서는 코어와 외곽기둥을 잇는 방식을 정하는 것이 구조 계획의 핵심 판단이 된다.

출제 이력: 제125회 4교시 4번, 제109회 1교시 12번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

아웃리거 시스템은 코어와 외곽기둥을 강성이 큰 아웃리거와 벨트 트러스로 연결해 전도모멘트를 외곽기둥의 축력으로 저항시키는 초고층 횡력저항 구조시스템이다.

핵심 키워드

• 횡력저항 시스템: 바람과 지진 같은 수평하중을 지지하는 구조 방식이다.
• 코어(core): 엘리베이터와 계단이 들어가는 건물 중심의 벽체 구조다.
• 외곽기둥: 건물 둘레에 배치된 기둥으로 인장과 압축을 함께 받는다.
• 아웃리거(Outrigger): 코어와 외곽기둥을 잇는 강성이 큰 수평 부재다.
• 벨트 트러스(Belt truss): 외곽기둥을 건물 둘레에서 묶는 수평 트러스다.
• 전도모멘트: 횡력에 의해 건물 밑면에 생기는 굽힘 작용이다.
• 횡변형 억제: 상부 변위와 코어의 휨 변형을 줄이는 설계 목적이다.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 아웃리거는 건물 중심의 굵은 기둥통을 바깥 기둥들과 팔로 연결한 것이다. 바람이 건물을 밀면 코어는 밑에서 휘려고 한다. 아웃리거는 코어 상부를 외곽기둥에 붙잡아 코어가 자유롭게 휘지 못하게 한다.

정식으로 정의하면 다음과 같다. 코어 또는 내부 골조를 아웃리거로 외곽기둥에 연결하고, 필요한 층에 벨트 트러스를 두어 외곽기둥 전체가 함께 거동하도록 하는 횡력 저항 방식이다. 코어의 회전 변형을 외곽기둥의 축력 쌍으로 바꾸므로 건물 전체의 저항 능력이 커진다.

아웃리거는 코어의 회전 변형을 외곽기둥의 축력 쌍으로 바꾸어 저항한다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 아웃리거: 코어와 외곽기둥을 직접 또는 간접으로 잇는 수평 보나 트러스다. 강성이 커서 코어 상부의 회전을 외곽기둥에 전달한다.
• 벨트 트러스: 외곽기둥을 여러 개 묶어 한 덩어리처럼 움직이게 하는 수평 트러스다. 아웃리거의 힘을 외곽기둥 전체에 나누어 전달한다.
• 축력 쌍(Force couple): 코어 상부 아웃리거가 한쪽 외곽기둥은 인장으로, 반대쪽 외곽기둥은 압축으로 받아 만드는 저항 모멘트다. 이 쌍이 코어의 전도 작용을 상쇄한다.

3. 등장 배경과 필요성

건물이 높아지면 풍하중과 지진하중이 커지고 밑면 전도모멘트가 급증한다. 개략적으로 기저 전도모멘트는 높이의 제곱에 비례하는 경향을 보인다. 실제 값은 바람 분포와 건물 강성에 따라 달라지지만 증가 방향은 같다.

전도모멘트 ∝ 높이 제곱

초기 고층건물은 라멘과 전단벽으로 횡력을 견뎠다. 층수가 늘면 골조만으로 횡변위 한계를 맞추기 위해 기둥과 보의 단면이 커지고 강재량이 빠르게 늘어난다. 이 문제를 줄이려고 외곽기둥을 튜브처럼 묶는 튜브 시스템이 등장했다. 그러나 외곽 골조만으로는 모서리 기둥에 축력이 집중되고 전단지연(Shear lag) 현상으로 강성 효율이 떨어졌다. 아웃리거는 이 한계를 보완하려는 방식이다.

역사적으로는 1969년 Fazlur Khan이 초고층 구조를 분류하는 체계를 제시하면서 아웃리거 구조가 주요 형식 중 하나로 다뤄졌다. 최초 적용 사례로는 BHP House가 알려져 있다. 이후 미국 밀워키의 First Wisconsin Center가 아웃리거와 벨트 트러스를 함께 쓴 건물로 알려져 있으며, 높이는 601피트(약 183m)이고 밑부분, 중간, 상부에 벨트 트러스 3개가 설치되었다. 이 사례 이후 Shanghai World Financial Center 등 대형 건물로 적용이 넓어졌다.

국내 사례로 삼성 타워팰리스 1차는 RC 코어와 아웃트리거, 벨트 트러스가 중력과 횡력에 저항하는 주요 구조체다. 일부 층의 아웃트리거와 벨트 트러스가 코어의 횡변형을 억제하고 구조물 상부 모멘트를 줄였다. 그 결과 처짐 형상이 순수 캔틸레버와 달리 변곡점을 가진 S형 곡선을 보인다.

정리하면 아웃리거 시스템이 필요해진 이유는 고층화에 따른 횡변위와 강재량 증가를 억제하면서 외곽기둥의 강성을 효율적으로 쓰기 위해서다. 코어의 강성과 외곽기둥의 연결 방식이 시스템 성능을 결정한다.

4. 구성요소·원리·절차

아웃리거 시스템(Outrigger System)은 건물 중심의 코어(core)와 외곽 기둥을 아웃리거(outrigger, 거더·트러스 형태의 강성 부재)와 벨트 트러스(belt truss)로 연결하여 두 요소가 함께 횡력에 저항하게 하는 체계다. 코어는 강성이 크지만 건물 상부에서는 전도모멘트를 충분히 받기 어렵다. 외곽 기둥은 축력으로 큰 모멘트 저항 능력을 가지므로, 아웃리거가 코어의 회전을 외곽 기둥의 축방향 변형으로 바꾸어 준다.

구성요소는 다음과 같다.

아웃리거 시스템의 핵심 원리는 다음과 같다. 횡력이 작용하면 코어는 휨 변형으로 기울어지려 한다. 아웃리거 끝단에 연결된 외곽 기둥은 한쪽은 인장, 다른 쪽은 압축을 받아 코어의 회전을 억제하는 반력 쌍(force couple) 을 만든다. 이 반력 쌍이 횡력에 의한 전도모멘트를 줄이므로 코어 하부의 휨 모멘트가 감소한다. 결과적으로 건물의 횡변위와 코어 상부의 모멘트가 줄고, 건물은 하부뿐 아니라 상부에서도 구속되어 처짐 형상이 S형 곡선을 보인다.

아웃리거의 배치 개수와 위치가 효율을 좌우한다. 아웃리거는 건물 높이의 약 1/3·2/3 근처 층에 두는 것이 일반적이며, 설계 초기에는 1~2개 층에 배치한 뒤 횡변위와 코어 모멘트를 검토하여 조정한다. 아웃리거 층에는 벨트 트러스를 함께 두어 외곽 기둥의 축력 분담을 고르게 한다.

설계 절차는 다음 순서로 진행한다.

• 건물 높이, 평면, 세장비를 정하고 코어와 외곽 기둥의 기본 배치를 결정한다.
• 풍하중·지진하중을 산정하고 횡변위 허용치를 설정한다.
• 아웃리거의 층 위치와 강성(단면)을 가정한다.
• 해석 모델로 코어 모멘트, 횡변위, 외곽 기둥 축력을 구한다.
• 외곽 기둥의 축력 분담과 변위 적합성을 검토하여 강성과 위치를 재조정한다.
• 기둥 축소량(column shortening)과 부등 변형의 영향을 검토하여 접합부와 슬래브 조정 방안을 정한다.

전도모멘트 저감을 정량적으로 보이면 다음과 같다. 횡력에 의한 코어 밑면 모멘트를 M, 외곽 기둥 축력에 의한 저항 모멘트를 M_c라 하면 아웃리거가 없을 때 코어가 부담하는 모멘트는 M이고, 아웃리거 설치 후에는 M - M_c 가 된다. 외곽 기둥 축력은 N = \frac{M_c}{b} (여기서 b는 외곽 기둥 사이의 유효 간격, m)로 정리된다. 간격 b가 클수록 같은 저항 모멘트를 얻기 위한 축력이 작아진다.

아웃리거는 코어와 외곽 기둥을 연결해 외곽 기둥의 축력으로 코어의 회전을 억제하는 시스템이다.

건물 높이의 1/3·2/3 부근 층 배치가 흔히 쓰인다.

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5. 관련 법령·기준·표준

아웃리거 시스템 자체를 직접 규정한 법령 조문은 없다. 아웃리거를 포함한 초고층 구조는 「건축법」과 「건축구조기준」(KDS 설계기준)에 따라 풍하중과 지진하중을 산정하고 구조 안전성을 검토한다. 초고층 건축물은 수평하중에 대해 저항할 수 있는 구조적 조치를 취해야 한다는 원칙을 따른다. 기준 수치는 아래 표와 같이 정리한다.