초고층 구조시스템

왜 배우는가: 초고층 건축물은 바람과 지진에 의한 횡력이 설계를 지배하므로, 구조시스템 선택이 강재량과 경제성을 좌우한다. 아웃리거·튜브·가새튜브 같은 구조시스템은 1교시 용어형과 3교시 논술형 문항에 반복해서 출제되므로 개념의 정의와 분류를 먼저 정확히 이해해야 한다.

출제 이력: 제119회 3교시 6번, 제99회 1교시 9번, 제93회 1교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

초고층 구조시스템은 횡력(풍하중·지진하중) 에 저항하도록 건물 외곽 기둥, 코어, 보, 가새를 3차원으로 결합한 구조 체계다.

초고층 구조시스템은 바람과 지진 같은 수평하중에 저항하도록 코어·외곽기둥·아웃리거·튜브·가새를 3차원으로 조합한 골조 체계다.

핵심 키워드

• 횡력 저항 (Lateral Load Resistance): 풍하중과 지진하중에 의한 수평 변위와 전도모멘트를 제어하는 것
• 코어 (Core): 엘리베이터·계단·설비를 담고 횡력을 받는 중심 구조체
• 아웃리거 (Outrigger): 코어와 외곽기둥을 강성 있는 보로 연결하는 부재
• 튜브 구조 (Tube Structure): 외곽 기둥과 스팬드럴보를 강접해 건물 외피 전체가 하나의 박스로 거동하는 구조
• 가새 튜브 (Braced Tube): 튜브 외면에 가새를 넣어 축력으로 횡력을 부담하는 튜브
• 전단지연 현상 (Shear Lag): 튜브에서 플랜지 기둥이 웹 기둥보다 먼저 응력을 받아 응력이 고르지 않게 분포하는 현상
• 세장비 (Slenderness Ratio): 건물 높이와 밑면 폭의 비로, 초고층 판단의 기준이 된다
• 횡변위 제한: 횡변위를 높이의 일정 비율 이내로 제한하는 설계 기준

2. 개념 풀이

쉽게 말하면, 건물이 높아질수록 바람에 밀리는 힘이 커지고 건물이 옆으로 흔들리는 양도 커진다. 초고층 구조시스템은 이 옆 방향 힘을 건물 전체가 함께 버티도록 만드는 구조 방식이다.

정식 정의는 다음과 같다. 초고층 건축물은 일반적으로 수평하중에 대해 저항할 수 있는 구조적 조치를 취해야 하는 건축물이다. 따라서 초고층 구조형식은 바람 등 수평하중에 저항하기 위한 구조형식을 말하며, 구조형식은 특성에 따라 적정한 적용 범위를 가진다. 구조엔지니어 Mark Fintel은 초고층 건물을 횡하중에 저항하기 위해 특별한 구조형식을 도입할 필요가 있는 건물이라고 정의했다.

왜 그런가를 이해하는 것이 핵심이다. 수평력이 작용하면 건물 하부에는 큰 전도모멘트가 생긴다. 이 모멘트를 견디는 방법은 두 가지다. 하나는 구조 부재의 단면을 키우는 것이고, 다른 하나는 건물 외곽으로 부재를 멀리 배치해 힘의 팔(모멘트 팔)을 키우는 것이다. 튜브와 아웃리거 시스템은 모두 두 번째 원리를 쓴다. 외곽 기둥을 넓게 벌리거나, 코어와 외곽을 강성 보로 연결해 외곽 기둥의 축력이 저항에 참여하도록 한다.

코어는 구조적으로 중요한 요소다. 코어의 위치에 따라 중앙형, 외주형, 편심형, 분리형, 특수형으로 나뉘며, 중앙형이 구조적으로 가장 유리한 형태로 알려져 있다. 중앙형 코어는 외부 기둥과 연결해 횡력에 저항하는 경우가 많다.

3. 등장 배경과 필요성

건물이 고층화되면서 기존 골조 시스템만으로는 횡력을 견디기 어려워졌다. 골조 시스템은 기둥과 보의 라멘 강성에 의존하므로, 높이가 커질수록 부재 단면이 커지고 강재량이 급증한다. 구조 재료비가 비경제적으로 늘어나는 문제가 생긴다.

또한 건물 내부에 배치한 콘크리트 전단벽 시스템도 높이가 커지면 강성 측면에서 충분하지 못해졌다. 이런 한계를 해결하기 위해 3차원 구조시스템의 개념이 나타났다. 건물 외곽을 하나의 입체 구조로 만들어 횡력을 건물 전체가 함께 부담하도록 하는 방식이다.

초고층 구조는 횡하중으로 인한 강재량 증가를 최소화하는 건물 형태와 층수에 따라 발전해 왔다. 저층에서는 라멘 구조가 쓰이고, 층수가 늘면 전단벽, 코어 시스템, 아웃리거, 튜브 순으로 적용 범위가 넓어진다. 이 흐름이 아웃리거·튜브·가새튜브 같은 시스템이 등장한 배경이다.

4. 구성요소·원리·절차

초고층 구조시스템은 수평력(풍하중·지진하중)에 대한 저항 방식으로 구분된다. 코어(core), 외곽기둥(perimeter column), 아웃리거(outrigger), 벨트트러스(belt truss), 스팬드럴보(spandrel beam), 가새(brace)가 주요 구성요소다. 각 요소가 횡력을 어떻게 나눠 받는지가 시스템을 가른다.

아웃리거 구조는 코어와 외곽기둥을 아웃리거로 연결해 두 요소가 함께 전도모멘트를 지지한다. 바람을 받아 코어가 휘려 하면 아웃리거가 외곽기둥을 끌어당겨 반대편 기둥에 인장·압축 축력을 만든다. 이 축력 쌍이 저항 모멘트가 되어 코어의 휨을 줄인다. 아웃리거 층의 위치와 개수가 효율을 결정한다.

튜브 구조는 외곽 전체를 하나의 속이 빈 상자로 만들어 건물 전체가 캔틸레버처럼 저항하는 방식이다.

골조튜브는 외곽기둥 간격을 좁게(약 1.2~3.0m) 두고 춤이 큰 스팬드럴보(약 60~150cm)를 강접합한다. 횡력은 외곽 면의 축력과 휨으로 함께 저항한다. 건물 모서리 기둥에는 큰 축력이 몰리고 중앙 기둥은 상대적으로 작은 축력을 받는다. 이 차이가 전단지연(Shear Lag) 현상을 만든다. 전단지연을 줄이려고 평면 안쪽에 내부 튜브를 두는 묶음튜브, 외면에 가새를 두는 가새튜브가 나왔다.

가새튜브는 외곽 면에 약 45도 가새를 넣어 기둥·가새가 트러스처럼 축력으로 전단을 받는다. 이 방식은 휨 변형보다 축방향 거동이 지배하므로 강성이 크고 전단지연 영향이 작다.

구성도(block) 로 보면 다음과 같다. 외력은 외장과 바닥판을 거쳐 외곽기둥·코어로 전달되고, 아웃리거와 벨트트러스를 통해 두 요소가 함께 지지한다. 기초는 최종적으로 하중을 지반에 전달한다.

절차는 다음과 같다.

• 건물 형상과 세장비를 정하고 횡력 저항 시스템을 고른다.
• 바람·지진 하중을 산정하고 층간변위 한도를 정한다.
• 코어·외곽기둥의 단면과 아웃리거 위치를 가정한다.
• 3차원 해석으로 층간변위와 전단지연 영향을 확인한다.
• 기둥 축력 차이와 아웃리거 부재력을 검토해 단면을 조정한다.
• 시공 단계별 축소량과 기초 침하를 검토한다.

5. 관련 법령·기준·표준

초고층 건축물은 건축법령과 구조기준에 따라 설계한다. 「건축법」은 초고층 건축물을 층수 50층 이상 또는 높이 200m 이상으로 정의한다. 이 정의는 법령 원문을 따른다. 구조설계 기준은 KDS(구조설계기준) 체계를 쓴다. 풍하중과 지진하중은 KDS 설계하중 기준, 내진 설계는 KDS 내진 기준을 따른다. 각 기준의 조항 번호는 여기서 쓰지 않는다.

초고층 구조에서 자주 쓰는 기준 수치는 아래와 같다.

초고층 건물의 횡변위 한도는 관련 기준이 정한 값 이하로 둔다. 풍하중은 기준 풍속과 건물 높이에 따른 노출도를 적용해 산정한다. 이 값들은 설계 조건에 따라 달라지므로 프로젝트마다

6. 유형과 비교

초고층 구조시스템은 횡력을 외곽 골조, 코어, 아웃리거가 나누어 받는 방식에 따라 나뉜다. 가장 기본이 되는 구분은 횡력을 골조 휨으로 받는지, 건물 전체를 하나의 3차원 튜브처럼 받는지, 가새 축력으로 받는지이다. 아래 표는 본 절에서 다루는 세 유형의 기본 특성을 비교한다.