2.1 해석모델

본 연구에서 해석모델의 주요한 구조부재의 배치는 Fig. 1 과 같다. 본 해석모델의 구조부재로 기둥은 원형 강관, 전단벽 은 철근콘크리트구조, 보와 아웃리거는 H형강으로 하였다. 본 연구의 대상건물은 건물 층고는 4m이고 층수는 80층으로 건물 높이는 320m로 설계하였다. Fig. 1에 건물의 코어에 위 치한 전단벽과 직접 연결되도록 아웃리거 구조를 대상건물의 3과 5라인에 배치하게 한 경우(이하, 코어 아웃리거 구조)와 아웃리거 구조를 전단벽으로부터 10.5m 떨어진 위치에 있는 2와 6라인에 배치한 경우(이하, 오프셋 아웃리거 구조)를 나 타내었다. 본 해석모델에서 구조재료로 기둥은 STKN490B, 보와 아웃리거는 SM570을 사용하였고, 전단벽은 콘크리트 설계압축강도 70MPa를 사용하였다. 그리고 Fig. 2에서는 전 단벽에서 10.5m 거리에 있는 2와 6라인에 아웃리거를 설치한 경우에 대한 해석모델의 3차원 입체도와 주요 단면도를 표시 하였다. 본 연구의 설계하중은 Table 1과 같다. 본 논문의 변수 로 Table 2에 표시한 것처럼 아웃리거의 평면상 위치(코어 아 웃리거 구조, 오프셋 아웃리거 구조), 바닥 격막의 종류(강체 격막, 유연 격막), 슬래브의 강성, 아웃리거의 강성을 채택하 였다. 여기서의 강체 격막은 모든 층의 바닥 슬래브를 대상으 로 면내 강성에 대해서는 무한대로 가정하고 면외 강성에 대 해서는 모델링한 슬래브를 고려한 것이다. 반면에 유연 격막 은 모든 층의 슬래브에 대하여 면내 강성과 면외 강성을 고려 한 것이다. 그리고 논문의 해석변수로 채택된 바닥 슬래브의 강성은 아웃리거가 설치되는 층만을 대상으로 하였다.

Fig. 1

Layout of structural elements in the analysis model

Fig. 2

3D modelling and sections in this analysis

Table 1

Design load of structure analysis models

Table 2

Analysis model of the study

2.2 해석방법

본 연구에서는 앞에서 설명한 해석모델의 중간높이인 40층 에 아웃리거를 전단벽과 직접적으로 연결한 경우(이하, 기본 모델)에 대하여 KBC 구조설계기준(^{Architectural Institute of Korea, 2016})에 따라서 구조설계를 실시하였다. Fig. 3에 표시 한 것과 같이 풍하중에 의한 최상층의 수평변위가 풍하중 수 평변위의 제한치가 되는 건물높이의 1/500 이내에 들어오도 록 기본모델의 구조부재를 정하였다. 기본모델의 기둥, 보, 아 웃리거의 단면은 Table 3, 전단벽의 두께는 Table 4에 각각 나 타내었다. 이상의 구조해석에서 기본모델의 슬래브는 두께 1 50mm, 콘크리트 설계 압축강도(f_ck)는 24MPa로 설정하여 바 닥판을 실제건물 조건과 부합하게 설정하였다. 또한 기본모 델의 모든 바닥판은 유연 격막으로 모델링을 하여 면내력과 면외력을 받을 수 있도록 하였다. 그리고 Fig. 3에는 기본모델 에서 아웃리거 구조를 설치하는 않은 경우도 나타내었다. 또 한 아웃리거가 설치된 층인 39～41층의 슬래브에서는 슬래브 에 작용하는 응력의 분포를 보다 정확하게 파악하기 위하여 Fig. 4와 같이 슬래브 요소를 분할하여 해석을 수행하였다.

Fig. 3

Distribution of lateral displacement under wind load in basic model

Table 3

Section list of column, girder, outrigger in basic model

Table 4

Thickness list of shear wall in basic model

Fig. 4

Element division of slab

3.1 최상층 수평변위

Fig. 5에서 아웃리거의 평면상 위치, 슬래브를 모델링한 격 막 종류, 슬래브의 강성, 아웃리거의 강성 등에 따른 최상층의 수평변위 분포를 비교하여 나타내었다.

Fig. 5

Comparison of lateral displacement in top floor according to diaphragm kind and slab stiffness

코어 아웃리거 구조에서 상기의 변수에 따른 최상층의 수 평변위에 대하여 유연 격막으로 슬래브를 기본모델과 같이 모델링하고 5종류의 아웃리거 강성(5.0EI, 2.0EI, 1.0EI, 0.5EI, 0.2EI)을 가진 각각의 모델(슬래브 강성 1.0EI)을 기준으로 비 교하였다. 먼저, 슬래브를 유연 격막으로 모델링한 경우에서 는 아웃리거 강성에 따라서 슬래브 강성이 2EI인 경우는 0. 1～0.2%, 5EI인 경우는 0.1～0.6%, 10EI인 경우는 0.3～0.9% 각각 최상층의 수평변위가 감소하였다. 또한 슬래브를 강체 격막으로 모델링한 코어 아웃리거 구조의 최상층 수평변위는 유연 격막에 비하여 아웃리거의 강성에 따라서 1.0～1.8% 감 소하는 결과를 보였다. 한편, 오프셋 아웃리거 구조에서도 상 기의 변수에 따른 최상층 수평변위에 대하여 유연 격막으로 슬래브를 기본모델과 같이 모델링하고 5종류의 아웃리거 강 성을 가진 각각의 모델(슬래브 강성 1.0EI)을 기준으로 비교 하였다. 슬래브를 유연 격막으로 모델링한 경우에서 아웃리 거 강성에 따라서 슬래브 강성이 2EI인 경우는 0.4～0.9%, 5EI인 경우는 1.1～2.4%, 10EI인 경우는 1.7～3.5% 각각 최상 층 수평변위가 감소하였다. 그리고 오프셋 아웃리거 구조의 최상층 수평변위에 대하여 강체 격막으로 슬래브를 모델링한 경우는 유연 격막과 비교하면 아웃리거 강성에 따라서 2.6～ 5.6% 감소한 결과를 보였다. 결과적으로 최상층 수평변위의 감소량은 코어 아웃리거나 오프셋 아웃리거 구조에서 공통적 으로 슬래브와 아웃리거 강성이 증가할수록 늘었다. 한편, Fig. 5에서 최상층 수평변위의 감소비율은 슬래브 강성이 증 가할수록 오프셋 아웃리거에서는 증가하였지만 코어 아웃리 거에서는 반대의 결과가 나타났다. 이상의 결과로부터 최상 층 수평변위에 대하여 슬래브 강성의 영향이 코어 아웃리거 구조에 비하여 오프셋 아웃리거 구조에서 크게 나타났다고 말할 수 있다. 이것은 아웃리거가 전단벽과 직접적으로 연결 되지 않는 오프셋 아웃리거 구조에서는 전단벽 응력을 전달 하는데 있어서 전단벽과 아웃리거 간에 있는 슬래브 역할이 상대적으로 크게 작용했기 때문이라고 판단된다.

Fig. 5에서는 상기의 변수에 따른 코어 아웃리거 구조에서 발생하는 최상층의 수평변위에 대하여 아웃리거를 기본모델 과 같이 모델링하고 4종류의 슬래브 강성(10EI, 5EI, 2EI, 1EI)을 가진 각각의 모델(아웃리거 강성 1.0EI)를 기준으로 비 교하였다. 먼저, 슬래브를 유연 격막으로 모델링한 경우에서 는 슬래브 강성에 따라서 아웃리거 강성이 5EI인 경우는 2. 6～3.0%, 2EI인 경우는 1.5～1.7% 각각 감소하였고, 0.5EI인 경우는 2.1～2.4%, 0.2EI인 경우는 6.1～6.4% 각각 증가한 결 과가 나타났다. 또한 슬래브를 강체 격막으로 모델링한 코어 아웃리거인 경우에서는 유연 격막에 비하여 아웃리거의 강성 에 따라서 -2.3～6.4% 범위에서 최상층 수평변위가 변화하는 결과를 보였다. 또한 Fig. 5에서는 상기의 변수에 따른 오프셋 아웃리거 구조에서 발생하는 최상층 수평변위에 대하여 아웃 리거를 기본모델과 같이 모델링하고 4종류의 슬래브 강성을 가진 각각의 모델(아웃리거 강성 1.0EI)을 기준으로 비교하였 다. 먼저, 슬래브를 유연 격막으로 모델링한 경우에서는 최상 층 수평변위가 아웃리거 강성이 5EI인 경우는 0.7～1.3%, 2EI 인 경우는 0.4～0.8% 각각 감소하였고, 0.5EI인 경우는 0.7～ 1.2%, 0.2EI인 경우는 2.1～3.4% 각각 증가한 결과가 나타났 다. 또한 슬래브를 강체 격막으로 모델링한 코어 아웃리거인 경우에서는 유연 격막에 비하여 아웃리거 강성에 따라서 -1. 6～4.4% 범위에서 변화하였다. 결과적으로 최상층 수평변위 에 대하여 오프셋 아웃리거 구조에서는 코어 아웃리거 구조 에 비하여 아웃리거 강성의 영향이 작게 나타났다. 이것은 오 프셋 아웃리거 구조는 아웃리거가 전단벽과 직접적으로 연결 되지 않기 때문에 아웃리거의 역할이 상대적으로 약하기 때 문이라고 판단된다.

Fig. 6에서는 아웃리거의 설치에 따른 최상층의 수평변위 변화를 비교하였다. 여기서는 아웃리거의 평면상 위치, 슬래 브 강성, 아웃리거 강성을 변수로 분석하였다. 그리고 여기서 의 모델들은 유연 격막으로 모델링하고 아웃리거의 강성은 1.0EI와 5.0EI인 경우이다. Fig. 6에서 세로축에 표시한 최상 층의 수평변위 변화는 아웃리거를 설치한 모델과 아웃리거를 배치하지 않은 모델의 최상층 수평변위에 대한 차이를 나타 낸 것이다. 여기서 아웃리거를 배치하지 않은 모델에서 슬래 브 강성은 1.0EI이다. 여기서 슬래브와 아웃리거의 강성이 클 수록, 오프셋 아웃리거 구조보다 코어 아웃리거 구조가 최상 층의 수평변위 감소에 효과가 있는 것으로 나타났다. 한편, 최 상층 수평변위 감소에 오프셋 아웃리거의 경우가 코어 아웃 리거인 경우보다 아웃리거 강성의 영향은 작게 나타났지만, 슬래브 강성의 영향은 크게 나타났다.

Fig. 6

Differences between no outrigger model in lateral displacement of top floor according to slab stiffness

3.2 층간 변위

Fig. 7에서 아웃리거의 유무, 아웃리거의 평면상 위치, 슬래 브를 모델링한 격막 종류에 따른 층간 수평변위의 분포를 비 교하여 나타내었다. Fig. 7에서는 아웃리거의 설치 유무에 따 른 차이가 뚜렷하게 나타났다. 아웃리거가 있는 경우가 아웃 리거가 설치된 위치에서 층간 변위의 변동이 크게 나타났다. 슬래브를 유연 격막으로 모델링한 경우가 강체 격막으로 모 델링한 경우보다 전체적으로 층간 변위가 크게 나타났고, 아 웃리거 근처에서의 변동도 보다 심하게 나타났다.. 이러한 경 향은 코어 아웃리거보다는 오프셋 아웃리거의 경우에서 뚜 렷하게 나타났다.

Fig. 7

Comparison of story drift according to outrigger location in plan and kind of diaphragm modelling slab

Fig. 8에서 아웃리거의 평면상 위치와 아웃리거 강성에 따 른 층간 수평변위의 분포를 비교하여 나타내었다. Fig. 8에서 는 오프셋 아웃리거의 경우가 코어 아웃리거의 경우보다 전 체적으로 층간 변위가 크게 나타났고, 아웃리거가 설치된 근 처에서 변동이 심하게 나타났다. 여기서 층간 수평변위의 분 포에서 아웃리거 강성에 따른 영향은 코어 아웃리거 구조와 오프셋 아웃리거 구조의 두 경우에서 다른 변수에 비하여 약 하게 나타났지만, 코어 아웃리거 구조의 경우가 오프셋 아웃 리거 구조의 경우보다는 상대적으로 강하게 나타났다. 이것 은 오프셋 아웃리거의 경우가 코어 아웃리거의 경우에 비하 여 전단벽과의 응력 전달이 상대적으로 약하기 때문에 아웃 리거의 강성의 영향이 줄어든 것으로 판단된다.

Fig. 8

Comparison of story drift according to outrigger location in plan and outrigger stiffness

Fig. 9에서 아웃리거의 평면상 위치와 슬래브의 강성에 따 른 층간 수평변위의 분포를 비교하여 나타내었다. Fig. 9에서 는 층간 수평변위에서 슬래브 강성의 영향은 오프셋 아웃리 거의 경우가 코어 아웃리거의 경우에 비하여 크게 나타났다. 이것은 오프셋 아웃리거의 경우가 코어 아웃리거의 경우에 비하여 전단벽과 아웃리거 사이의 슬래브가 전단벽으로부터 아웃리거로의 응력 전달을 위한 역할을 상대적으로 강하게 했다는 의미이다.

Fig. 9

Comparison of story drift according to outrigger location in plan and slab stiffness

3.3 슬래브의 응력분포

Y방향 풍하중이 작용하는 경우에 아웃리거가 설치된 높이 에 위치한 슬래브에 작용하는 응력의 분포를 알기 위하여 Fig. 10과 Fig. 11에서는 대표적으로 코어 아웃리거 구조와 오프셋 아웃리거 구조에서 아웃리거가 설치된 156m(39층)에 위치한 슬래브에 발생한 유효응력의 분포를 각각 나타내었다. 여기 서의 유효응력은 실제 구조물에서 발생할 수 있는 다축방향 의 응력장에 대하여 1축의 응력으로 투영시킨 폰 미세스 (von-Mises) 응력을 의미한다. Fig. 10과 Fig. 11에서는 아웃리 거와 슬래브의 강성이 1.0EI이고 슬래브를 유연 격막으로 모 델링한 경우이다. 여기서 코어 아웃리거 구조에서는 전단벽 과 직접 연결되는 아웃리거가 있는 슬래브 위치에서 응력이 크게 분포하는 것으로 나타났지만, 전단벽과 직접 연결되지 않는 오프셋 아웃리거 구조에서는 전단벽과 아웃리거 사이에 있는 슬래브에서 응력이 크게 분포하는 것으로 나타났다.

Fig. 10

Effective stress distribution in slab(core outrigger, flexible diaphragm, slab stiffness=1.0EI, outrigger stiffness=1.0EI)

Fig. 11

Effective stress distribution in slab(offset outrigger, flexible diaphragm, slab stiffness=1.0EI, outrigger stiffness= 1.0EI)

Fig. 12에서 아웃리거의 평면상 위치, 슬래브를 모델링한 격막 종류, 슬래브 강성에 따른 슬래브에 발생한 최대 유효응 력 크기를 비교하여 나타내었다. 여기서는 아웃리거의 강성 은 1.0EI와 2.0EI인 경우를 대상으로 하였고, 유효응력을 나타 낸 슬래브는 아웃리거가 설치된 39～41층에 위치한 것이다. Fig. 12에서 슬래브를 유연 격막으로 모델링한 코어 아웃리거 구조에서는 슬래브 강성이 증가할수록 슬래브 최대 유효응력 의 크기는 증가하는 것으로 나타났고, 슬래브가 위치한 건물 높이에 따른 차이는 크지 않은 것으로 나타났다. 그리고 코어 아웃리거 구조에서 아웃리거 강성이 1.0EI와 2.0EI인 경우에 슬래브에 발생하는 최대응력이 슬래브를 유연 격막으로 모델 링한 경우는 강체 격막인 경우보다 각각 1.12～1.69배와 1.0 6～1.14배 큰 것으로 나타났다. 한편, Fig. 12에서 슬래브를 유 연 격막으로 모델링한 오프셋 아웃리거에서도 슬래브의 강성 이 증가할수록 슬래브의 최대 유효응력의 크기는 증가하는 것으로 나타났고, 이런 현상은 코어 아웃리거인 경우보다 현 저하게 나타났다. 또한 오프셋 아웃리거에서는 코어 아웃리 거 구조와는 상이하게 아웃리거의 상현재와 하현재가 설치된 높이에서 슬래브의 최대 유효응력이 보다 크게 나타났다. 이 러한 사실은 앞에서도 언급된 것과 같이 오프셋 아웃리거 구 조에서 전단벽과 아웃리거가 직접적으로 연결되지 않기 때문 에 전단벽과 아웃리거 사이에 있는 슬래브가 전단벽으로부터 아웃리거로의 응력 전달에 코어 아웃거 구조에서보다 상대적 으로 크게 기여하였다는 것을 의미한다. 한편, 아웃리거 강성 이 1.0EI와 2.0EI인 오프셋 아웃리거 구조에서 아웃리거의 상 현재와 하현재가 설치된 높이에 있는 슬래브의 최대응력이 유연 격막으로 모델링한 경우는 강체 격막인 경우보다 각각 1.86～2.07배와 1.93～2.13배 큰 것으로 나타났다.

Fig. 12

Comparison of maximum stress in slab according to diaphragm kind and slab stiffness(outrigger stiffness 1.0EI and 2.0EI)

Fig. 13에서 아웃리거의 평면상 위치, 아웃리거 강성, 슬래 브 강성에 따른 슬래브에 발생한 최대 유효응력 크기를 비교 하여 나타내었다. 여기서 슬래브는 유연 격막으로 모델링한 것으로 강성은 1.0EI와 2.0EI인 경우이고, 유효응력을 나타낸 슬래브는 아웃리거가 설치된 39～41층에 위치한 것이다. Fig. 13을 보면 코어 아웃리거 구조에서는 아웃리거의 강성이 증 가할수록, 슬래브의 최대 유효응력의 크기는 감소하는 것으 로 나타났고 감소폭은 급격하게 줄어들었다. 반면에 오프셋 아웃리거 구조에서는 아웃리거 구조의 상현재와 하현재가 위 치하는 건물 높이 164m와 156m에서 아웃리거의 강성이 증가 하면, 슬래브의 최대 유효응력의 크기는 증가하는 것으로 나 타났지만 증가폭은 줄어들었다. 반면에 아웃리거 구조의 상 현재와 하현재가 위치하는 건물 높이가 아닌 160m에서는 아 웃리거 강성의 변화에 따른 슬래브의 최대 유효응력의 크기 는 크게 변동되지 않는 것으로 나타났다. 이상의 결과를 보면 코어 아웃리거 구조에서는 아웃리거의 강성이 작은 경우에서 는 아웃리거에 접합되어 있는 슬래브의 역할이 상대적으로 커진다는 것을 의미하는 것으로 판단된다. 반면에 오프셋 아 웃리거 구조에서는 아웃리거 강성이 클수록 아웃리거 구조의 상현재와 하현재가 위치한 슬래브에 발생한 최대 유효응력의 크기가 증가하는 이유는 아웃리거 강성이 증가할수록 전단벽 과 아웃리거 사이에 존재하는 슬래브의 구조적인 역할이 커 지기 때문으로 추정된다.

Fig. 13

Comparison of maximum stress in slab according to diaphragm kind and outrigger stiffness(slab stiffness 1.0 EI and 2.0EI)