아웃리거 시스템

왜 배우는가: 아웃리거 시스템은 초고층 건축물의 횡력 저항 구조 중 가장 널리 쓰이는 방식이라 실무 구조 검토와 시공 계획에서 자주 다뤄진다. 시험에서는 코어와 외곽기둥을 잇는 구조 원리와 벨트 트러스와의 관계를 묻는 형태로 반복 출제되어 개념 정의와 원리를 정확히 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제108회 1교시 4번, 제89회 1교시 10번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

아웃리거 시스템은 코어와 외곽기둥을 강성이 큰 아웃리거 부재로 연결해, 횡력에 의한 전도모멘트를 코어와 외곽기둥이 함께 저항하도록 한 초고층 횡력저항 구조 시스템이다.

핵심 키워드

• 아웃리거(Outrigger): 코어와 외곽기둥을 연결하는 강성 수평 부재
• 벨트 트러스(Belt Truss): 외곽기둥을 수평으로 묶어 주는 트러스 부재
• 전도모멘트(Overturning Moment): 횡력에 의해 건물 밑면에 생기는 회전 모멘트
• 횡력저항시스템(Lateral Load Resisting System): 풍하중·지진하중에 저항하는 구조 체계
• 코어(Core): 엘리베이터·계단이 놓이는 중앙 전단벽 구조
• 코어 아웃리거와 오프셋 아웃리거: 연결 방식에 따른 두 유형
• 합성 거동(Composite Action): 코어와 외곽기둥이 함께 변형에 저항하는 현상
• 외곽 기둥 축력(Column Axial Force): 아웃리거를 통해 외곽기둥에 생기는 인장·압축력

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 건물 중앙의 코어가 바람에 흔들리지 않도록, 바깥쪽 기둥을 팔처럼 뻗은 부재로 붙잡아 두는 방식이다. 코어만 있으면 꼭대기가 많이 휘고, 외곽 기둥만 있으면 힘을 받는 범위가 좁아진다. 두 요소를 아웃리거로 묶으면 함께 버틴다.

정식 정의는 다음과 같다. 아웃리거 시스템은 코어와 외곽기둥을 강성이 큰 수평 부재인 아웃리거로 연결하여, 횡력에 의한 전도모멘트를 코어와 외곽기둥이 함께 지지하도록 한 횡력저항 구조 형식이다. 연결 부재를 아웃리거라 부르며, 이를 벨트 트러스와 함께 쓰는 경우가 많다.

아웃리거는 코어에서 외곽 기둥 방향으로 뻗은 강성 부재다. 보통 철골 트러스나 강재 거더로 만든다. 건물이 횡력을 받으면 코어가 회전하려 하고, 아웃리거가 외곽기둥을 끌어당기거나 밀어 회전을 억제한다.

벨트 트러스는 외곽기둥 여러 개를 수평으로 연결하는 트러스다. 아웃리거가 외곽기둥 한 개에만 힘을 전달하면 국부 응력이 커지므로, 벨트 트러스가 힘을 여러 기둥에 나눠 준다.

전도모멘트는 횡력이 건물 높이에 작용해 밑면에 생기는 회전 모멘트다. 아웃리거 시스템은 이 모멘트를 외곽기둥의 축력 쌍으로 바꿔 저항하므로, 코어 단독보다 큰 저항 모멘트를 얻는다.

3. 등장 배경과 필요성

건물 높이가 높아지면 풍하중과 지진하중에 의한 수평변위와 전도모멘트가 급격히 커진다. 횡하중에 대한 강재량 증가를 억제하려면 건물 전체가 하나의 캔틸레버처럼 거동하는 구조 형식이 필요해졌다. 이 요구에서 아웃리거 시스템이 발전했다.

초기 적용 사례로 BHP House가 이 구조 방식을 처음 썼다고 알려져 있으며, 이후 First Wisconsin Center(현 U.S. Bank Center)가 세 개 층에 벨트 트러스를 두어 같은 방식을 적용했다. 이 건물은 높이 601피트이며, 노출된 벨트 트러스가 미관과 구조 역할을 함께 맡는다. 이후 Shanghai World Financial Center 등 여러 초고층 건물로 확산되었다.

국내에서도 초고층 건물이 늘면서 코어와 외곽기둥을 잇는 구조 형식이 일반화되었다. 타워팰리스 1차는 RC 코어에 아웃트리거와 벨트 트러스를 두어 코어의 횡변형을 억제하고 상부 모멘트를 줄였다. 이때 구조물 처짐 형상이 순수 캔틸레버가 아니라 변곡점을 가진 S형 곡선을 보여, 상하부 구속에 의한 합성 작용이 나타난다고 알려져 있다.

따라서 아웃리거 시스템은 강재량 증가를 억제하면서 초고층의 수평강성을 확보하기 위해 등장했고, 시공 측면에서는 코어 선행 시공과 아웃리거 설치 순서를 함께 고려해야 하는 방식으로 자리 잡았다.

4. 구성요소·원리·절차

아웃리거 시스템은 코어(core)와 외곽기둥을 아웃리거(Outrigger)와 벨트 트러스(Belt Truss)로 연결해 두 요소가 함께 전도모멘트에 저항하게 하는 횡력저항 시스템이다. 코어는 강성이 큰 중앙 구조체이고, 외곽기둥은 인장과 압축으로 힘을 나눠 받는다. 아웃리거가 외곽기둥을 코어에 묶어 주면 건물 상부의 횡변형이 줄고 코어 밑부분에 걸리는 휨모멘트가 감소한다.

위 표처럼 아웃리거와 벨트 트러스는 짝을 이룬다. 아웃리거만 있으면 외곽기둥이 코어와 떨어져 있어 효과가 줄고, 벨트 트러스가 있어야 외곽기둥 전체가 한 덩어리로 움직인다. 따라서 설계에서는 두 부재를 같은 층에 맞춰 배치한다.

원리는 다음과 같다. 바람이나 지진으로 코어에 횡하중이 작용하면 코어는 휨변형으로 기울어진다. 아웃리거가 코어와 외곽기둥을 잇고 있으므로 외곽기둥이 아래로 늘어나거나 줄어들며 코어의 회전을 억제한다. 이때 외곽기둥에는 인장과 압축이 생기고 이 한 쌍의 힘이 전도모멘트에 반대되는 우력을 만든다. 결과적으로 구조물은 하부뿐 아니라 상부에서도 구속되어 처짐 형상이 순수 캔틸레버가 아닌 S형 곡선을 보인다. 이 합성 작용이 코어 휨모멘트와 상부 횡변위를 동시에 줄이는 원리다.

시공 절차는 다음 순서로 진행한다.

• 코어를 먼저 올리고 아웃리거 층 바닥에 아웃리거 접합부를 미리 매입한다.
• 외곽기둥을 세우고 아웃리거 층에서 기둥과 트러스 부재를 연결한다.
• 아웃리거와 벨트 트러스를 설치해 코어와 외곽기둥을 하나로 묶는다.
• 상부 층을 올리면서 기둥축소(Column Shortening)를 계측하고 차이를 보정한다.
• 아웃리거 접합부는 응력이 집중되므로 고장력볼트나 용접 품질을 검사한다.

설계에서 아웃리거 층 수와 위치는 횡변위 감소 효과와 공간 손실의 균형으로 정한다. 아웃리거를 많이 두면 횡강성은 커지지만 사용 공간이 줄고 중간 층의 강성 불연속이 생길 수 있다. 그래서 보통 기계층이나 대피층처럼 기능상 비워둘 수 있는 층에 둔다.

5. 관련 법령·기준·표준

아웃리거 시스템은 국내 법령에 별도 조문이 있는 공법이 아니다. 설계는 건축구조기준(KDS)의 내진설계 규정과 풍하중 규정을 따르고, 초고층 건축물은 건축법령상 내진 설계 대상 건물 기준에 따라 구조안전 확인을 받는다. 기준값은 아래 표와 같다.

위 표의 기준 수치는 교재와 웹자료에 나온 값이다. 국내 설계 적용은 KDS 구조 설계기준과 건축법 시행령의 최신 조문으로 확인해야 한다는 조건이 있다. 미국 건축 기준의 초고층 정의는 층수보다 용적률, 수직교통 설비, 특수 공법 필요성의 세 가지를 기준으로 삼는다는 점만 비교 차이로 둔다.