2.1 구조해석을 위한 모델 설정

본 연구의 구조해석을 위한 아웃리거 해석모델의 아웃리거 설치층을 Fig. 1과 Fig. 2에 각각 표시하였다. Fig. 1에서는 구조평면의 중심에 아웃리거 구조를 전단벽에 직접적으로 접합한 모델(이하, 코어 아웃리거 구조)를 나타내었고, Fig. 2에서는 아웃리거 구조를 전단벽에 직접적으로 접합하지 않고 1경간 떨어진 위치에 배치한 모델(이하, 오프셋 아웃리거 구조)를 표시하였다. 본 해석모델의 구조평면은 X방향으로는 1개 12m인 전체 5개의 동일한 경간인 전체 60m이고, Y방향으로는 1개 13.5m인 전체 3개의 동일한 경간인 전체 40.5m로 구성되어 있다. 또한 본 연구의 해석모델은 모든 층이 층고 4m인 70층으로 전체높이가 280m가 된다. Fig. 3에 본 연구의 해석모델에 대한 3차원 입체도와 주요한 단면도를 표시하였다.

본 연구의 구조해석을 위한 모델의 재료는 기둥에서는 원형 강관(SNT355), 보와 아웃리거에서는 H형강(SM460), 전단벽에서는 철근콘크리트(콘크리트 설계기준 압축강도는 70MPa)로 설정하였다. 본 구조해석 모델에 적용된 설계하중에서 풍하중은 기본풍속 26m/sec, 지표면조도구분 B, 중요도계수 1.05로 설정하였고, 지진하중은 지역계수 0.22, 지반조건 S2(얕고 단단한 지반), 중요도계수 1.2, 반응수정계수 6.0으로 설정하였다. 본 구조해석 모델에서 바닥 슬래브는 콘크리트 설계압축강도(fck) 24MPa, 슬래브 두께 150mm인 Plate 요소로 모델링하였다. 또한 바닥 슬래브는 유연 격막(Flexible diaphragm)으로 거동하도록 설정하였다. 이렇게 설정한 유연격막 모델링은 바닥판의 구조거동에 대하여 면내 강성과 면외 강성을 고려하게 함으로서 아웃리거 구조가 있는 위치와 같이 하중의 전이가 현저한 위치에 있는 바닥 슬래브를 적절하게 모델링하게 한다. 그리고 슬래브의 응력을 보다 상세하게 파악할 필요가 있는 위치의 슬래브는 가로 500mm, 세로 500mm 요소로 분할하여 모델링하였다.

본 구조해석에서 주요한 변수는 (1)구조평면에서 아웃리거 구조가 배치된 위치 (2) 아웃리거의 강성으로 채택하였다. 그리고 본 논문에서 해석변수의 중심이 되는 기본 모델은 앞에서 언급한 설계하중을 만족하도록 초고층 구조설계 과정을 통하여 구조부재가 정해지도록 하였다. 이 기본모델을 아웃리거의 강성이 1.0EI(E=탄성계수, I=단면 이차모멘트)인 경우로 하였다. 이 기본모델을 기준으로 하여 아웃리거의 강성이 0.2배와 5배인 경우(이하, 휨강성 0.2EI, 5.0EI)를 설정하였다. 한편, 동일한 변수조건인 코어 아웃리거 구조와 오프셋 아웃리거 구조에 사용된 아웃리거의 부재는 동일하다.

2.2 구조해석 방법

대상건물의 중간층 높이인 140m에 코어 아웃리거 구조시스템을 둔 해석모델(이하, 기준모델)에 대하여 구조설계를 실시하였다. 이 기준모델을 설계하중(고정하중, 적재하중, 풍하중, 지진하중 등) 조건에 대하여 충족될 수 있도록 계획설계 수준의 구조설계를 진행하였다. 여기서 구조설계는 KBC 구조설계기준^{(Architectural Institute of Korea, 2019)}에 따랐다. 본 연구의 기본모델은 풍하중에 의하여 최상층에 발생한 수평변위가 건물 높이의 1/500에 근접하도록 구조설계를 진행하였다. Fig. 4에는 대상건물의 중간 높이인 140m에 코어 아웃리거 구조를 둔 기본모델에 있어서 X와 Y방향의 풍하중으로 인한 수평변위를 건물의 전체높이에 대하여 각각 표시하였다. 이상의 절차로 구조설계가 된 기본모델에 대한 주요한 부재의 단면들을 Table 1과 2에 정리하였다. Fig. 4에서 참고로 대상건물의 140m에 오프셋 아웃리거를 둔 기본모델에 대하여 Y방향의 풍하중으로 인한 수평변위 분포를 나타내었다.

아웃리거 구조의 설치높이 변동에 따른 슬래브에 작용하는 응력 분포 등을 파악하기 위하여서는 아웃리거 구조를 5개층 간격으로 이동시켜가면서 아웃리거 모델에 대한 구조해석을 수행하였다. 그리고 5개층 간격으로 실시된 해석결과 중에서 슬래브에 작용하는 응력 분포 등이 상대적으로 현저하게 나타나게 된 위치에 아웃리거를 설치한 모델인 경우에서는 이 위치의 근처에서 1개층 간격으로 아웃리거 구조를 변동시켜가면서 구조해석을 수행하였다.

3.1 건물의 높이별 슬래브에 작용하는 최대 응력 분포

Fig. 5∼7에서는 아웃리거가 건물의 중간 높이인 140m에 설치된 경우에 대하여 건물의 높이별로 슬래브에 작용하는 최대 응력을 비교하였다.

Fig. 5는 아웃리거의 강성이 1.0EI(여기서, E는 탄성계수, I는 단면 2차모멘트)인 코어 아웃리거와 오프셋 아웃리거가 설치된 경우에 대하여 건물의 높이별로 슬래브에 작용하는 최대 응력을 나타내었다. Fig. 5에서는 아웃리거를 설치하지 않은 모델도 함께 표시하였다. Fig. 5에서 코어 아웃리거 구조와 오프셋 아웃리거 구조는 동일하게 아웃리거 구조의 하현재가 위치하는 높이인 136m에서 슬래브의 최대 응력이 0.85MPa와 3.80MPa로 각각 가장 높게 나타났다. 반면에 아웃리거 구조를 설치하지 않은 모델에서는 건물의 중간 높이로 접근할수록 슬래브에 발생하는 최대 응력이 서서히 증가하는 경향을 보이면서, 124m에서 슬래브의 최대응력이 0.86MPa로 가장 높게 나타났고 건물의 중간 높이인 132∼148m에서도 124m에서 발생한 최대 응력과 큰 차이없이 상대적으로 높은 응력이 발생하였다. Fig. 5에서 아웃리거의 설치 유무에 따른 결과를 비교하면 슬래브 최대 응력이 가장 높게 나타난 136m에서 코어 아웃리거는 1.11배, 오프셋 아읏리거는 4.97배 아웃리거를 설치하지 않은 모델보다 슬래브의 최대 응력이 높게 발생하였다.

Fig. 6은 아웃리거의 강성이 다른 3종류의 코어 아웃리거가 설치된 경우에 대하여 건물의 높이별로 슬래브에 작용하는 최대 응력을 비교하였다. Fig. 6에서 아웃리거 강성이 5.0EI, 1.0EI, 0.2EI인 3종류의 코어 아웃리거 구조는 동일하게 아웃리거 구조의 하현재가 위치하는 높이인 136m에서 슬래브의 최대 응력이 0.54MPa, 0.85MPa, 1.88MPa로 각각 가장 높게 나타나면서 아웃리거의 강성이 1.0EI인 경우와 비교하면 아웃리거의 강성이 5.0EI인 경우는 0.64배, 아웃리거 강성이 0.2EI인 경우는 2.22배로 나타났다. 이상과 같이 코어 아웃리거 구조에서 아웃리거의 강성이 낮은 경우에서 슬래브에 작용하는 유효응력이 증가한 것은 전단벽으로부터 아웃리거를 통하여 전달할 수 있는 하중에 대하여 구조적 성능이 저하된 아웃리거인 경우에서는 아웃리거에 인접한 슬래브에서 부담하는 부분이 상대적으로 증가했기 때문으로 판단된다.

Fig. 7은 아웃리거의 강성이 다른 3종류의 오프셋 아웃리거가 설치된 경우에 대하여 건물의 높이별로 슬래브에 작용하는 최대 응력을 나타내었다. Fig. 7에서 아웃리거의 강성이 5.0EI, 1.0EI, 0.2EI인 3종류의 오프셋 아웃리거 구조는 동일하게 아웃리거 구조의 하현재가 위치하는 높이인 136m에서 슬래브의 최대 응력이 3.99MPa, 3.80MPa, 3.01MPa로 각각 가장 높게 나타나면서 아웃리거의 강성이 1.0EI인 경우와 비교하면 아웃리거 강성이 5.0EI인 경우는 1.05배, 아웃리거 강성이

0.2EI인 경우는 0.79배로 비교적 큰 차이를 보이지 않았다. 앞에서 언급한 것과 같이 오프셋 아웃리거 구조에서 코어 아웃리거 구조인 경우와는 반대로 아웃리거의 강성이 높은 경우에서 슬래브에 작용하는 유효응력이 증가한 것은 아웃리거의 강성 증가로 전단벽으로부터 아웃리거로 전달되는 하중이 증가함에 따라서 전단벽과 아웃리거 사이에 있는 슬래브의 역할이 켜졌기 때문으로 판단된다.

3.2 아웃리거 구조의 설치높이 변동에 따른 슬래브에 작용하는 최대 응력과 평균 응력의 분포

Fig. 8은 아웃리거의 설치위치를 이동하는 경우에 아웃리거가 설치된 높이 근처의 슬래브에 발생하는 최대 응력을 나타내었다. Fig. 8에서는 대표적으로 오프셋 아웃리거의 강성이 1.0EI인 경우를 나타내었다. Fig. 8의 슬래브 최대 응력은 아웃리거 구조시스템의 입면의 중심 높이인 N층, 아웃리거 구조의 상현재 높이인 N+1층, 아웃리거 구조의 상현재 높이의 1개층 상부층인 N+2층, 아웃리거 구조의 하현재 높이인 N-1층, 아웃리거 구조의 하현재 높이의 1개층 하부층인 N-2층에 대하여 각각 나타내었다. Fig. 8에서 전체적으로 보면 N층의 슬래브에 작용하는 응력은 상대적으로 가장 작은 것으로 나타나고, N-1층, N-2층, N+1층, N+2층 순서로 슬래브에 작용하는 최대 응력이 모든 높이에서 크게 분포하는 것으로 나타났다. Fig. 8에서 슬래브에 최대 응력이 작용하는 아웃리거의 위치는 N-1층에서 104m(0.371H, 여기서 H는 건물의 높이), N-2층에서 108m(0.386H), N+1층에서 120m(0.429H), N+2층에서 112m0.4H)인 것으로 각각 나타났다.

Fig. 9는 아웃리거의 설치위치를 이동하는 경우에 아웃리거 구조의 하현재 높이인 N-1층의 슬래브에 발생하는 최대 응력을 나타내었다. 여기서 N-1층을 선택한 이유는 Fig. 8에서 나타난 것과 같이 슬래브에 작용하는 최대 응력이 가장 크게 나타난 높이이기 때문이다. Fig. 9에서는 아웃리거의 강성이 5.0EI, 1.0EI, 0.2EI인 경우에 대하여 코어 아웃리거와 오프셋 아웃리거를 비교하였다. Fig. 9를 보면 코어 아웃리거 구조인 경우에서는 아웃리거의 강성이 5.0EI, 1.0EI, 0.2EI인 각각의 경우는 슬래브에 발생하는 최대 응력이 각각 0.59MPa, 0.94MPa, 1.96MPa로 각각 가장 높게 나타나면서 아웃리거의 강성이 1.0EI인 경우와 비교하면 아웃리거의 강성이 5.0EI인 경우는 0.63배, 0.2EI인 경우는 2.09배로 나타났다. Fig. 9에서 코어 아웃리거 구조인 경우에서는 아웃리거의 강성이 5.0EI, 1.0EI, 0.2EI인 각각의 경우는 슬래브에 발생하는 최대 응력이 나타나는 아웃리거 구조의 설치 위치는 각각 128m(0.457H), 88m(0.314H), 96m(0.343H)이다. Fig. 9를 보면 오프셋 아웃리거 구조인 경우에서는 아웃리거의 강성이 5.0EI, 1.0EI, 0.2EI인 각각의 경우는 슬래브에 발생하는 최대 응력이 각각 4.06MPa, 3.84MPa, 3.12MPa로 각각 가장 높게 나타나면서 아웃리거의 강성이 1.0EI인 경우와 비교하면 아웃리거의 강성이 5.0EI인 경우는 1.06배, 0.2EI인 경우는 0.81배로 나타났다. Fig. 9에서 오프셋 아웃리거 구조인 경우에서는 아웃리거 강성이 5.0EI, 1.0EI, 0.2EI인 각각의 경우는 슬래브에 발생하는 최대 응력이 나타나는 아웃리거 구조를 설치한 위치는 각각 104m(0.371H), 104m(0.371H), 132m(0.471H)이다. Fig. 9를 보면 슬래브에 발생하는 최대 응력에서 오프셋 아웃리거 구조는 코어 아웃리거 구조인 경우보다 아웃리거의 강성이 5.0EI, 1.0EI, 0.2EI인 각각의 경우는 6.85배, 4.10배, 1.59배 크게 나타났다. 이상의 결과가 나타나는 것은 전단벽과 직접적으로 연결되는 코어 아웃리거인 경우보다는 전단벽과 직접적으로 연결되지 않은 오프셋 아웃리거인 경우에서 전단벽과 아웃리거 사이에 있는 슬래브의 역할이 활성화됨에 따라서 슬래브에 작용하는 응력이 커졌다는 것을 의미한다.

Fig. 10은 아웃리거의 설치위치를 이동하는 경우에 아웃리거 구조의 하현재 높이인 N-1층의 슬래브에 발생하는 평균 응력을 나타내었다. 여기서 평균 응력은 1개층 슬래브 8,856개의 분할요소에 대한 각각의 응력을 산술적인 평균으로 산정한 것이다. 그리고 N-1층을 선택한 이유는 최대 응력인 경우와 마찬가지로 슬래브에 작용하는 평균 응력이 가장 크게 나타나는 높이이기 때문이다. Fig. 10에서는 아웃리거의 강성이 5.0EI, 1.0EI, 0.2EI인 경우에 대하여 코어 아웃리거와 오프셋 아웃리거를 비교하였다. Fig. 10을 보면 코어 아웃리거 구조인 경우에서는 아웃리거의 강성이 5.0EI, 1.0EI, 0.2EI인 각각의 경우는 슬래브에 발생하는 평균 응력이 각각 0.18MPa, 0.23MPa, 0.34MPa로 각각 가장 높게 나타나면서 아웃리거의 강성이 1.0EI인 경우와 비교하면 아웃리거의 강성이 5.0EI인 경우는 0.80배, 0.2EI인 경우는 1.48배로 나타났다. 여기 코어 아웃리거 구조인 경우에서 슬래브에 발생하는 평균 응력은 최대응력과 비교하면 아웃리거의 강성이 5.0EI, 1.0EI, 0.2EI인 각각의 경우는 0.31배, 0.24배, 0.17배로 나타났다. Fig. 10에서 코어 아웃리거 구조인 경우에서는 아웃리거의 강성이 5.0EI, 1.0EI, 0.2EI인 각각의 경우는 슬래브의 평균 응력이 가장 크게 나타나는 아웃리거 구조를 설치한 위치는 각각 124m(0.443H), 124m(0.443H), 128m(0.457H)이다. Fig. 10을 보면 오프셋 아웃리거 구조인 경우에서는 아웃리거의 강성이 5.0EI, 1.0EI, 0.2EI인 각각의 경우는 슬래브에 발생하는 평균 응력이 각각 0.86MPa, 0.81MPa, 0.66MPa로 각각 가장 높게 나타나면서 아웃리거의 강성이 1.0EI인 경우와 비교하면 아웃리거의 강성이 5.0EI인 경우는 1.06배, 0.2EI인 경우는 0.81배로 나타났다. 여기 오프셋 아웃리거 구조인 경우에서 슬래브에 발생하는 평균 응력을 최대 응력과 비교하면 아웃리거의 강성이 5.0EI, 1.0EI, 0.2EI인 모든 경우는 0.21배로 나타났다. Fig. 10에서 오프셋 아웃리거 구조인 경우에서는 아웃리거 구조의 강성이 5.0EI, 1.0EI, 0.2EI인 각각의 경우는 슬래브의 평균 응력이 가장 크게 나타난 아웃리거 구조의 설치 위치는 각각 104m(0.371H), 104m(0.371H), 128m(0.457H)이다. Fig. 10을 보면 슬래브의 평균 응력에서 오프셋 아웃리거 구조는 코어 아웃리거 구조인 경우보다 아웃리거의 강성이 5.0EI, 1.0EI, 0.2EI인 각각의 경우는 4.71배, 3.55배, 1.95배로 크게 나타났다.

3.3 아웃리거의 설치높이 변동에 따른 아웃리거 구조의 하현재 높이에 있는 슬래브의 전체 응력 분포

Fig. 11∼18은 아웃리거의 위치를 이동하는 경우에 코어 및 오프셋 아웃리거 구조의 하현재 높이인 N-1층의 슬래브 8,856개의 분할요소 중에서 (1)슬래브 콘크리트의 인장강도 이상이 되는 면적비율, (2)슬래브 콘크리트의 인장강도의 50% 이상이 되는 면적비율, (3)슬래브 콘크리트의 인장강도 의 25% 이상이 되는 면적비율을 아웃리거의 강성이 5.0EI, 1.0EI, 0.2EI인 경우에 대하여 각각 비교하였다.

여기서 슬래브에 사용한 콘크리트의 인장강도(ft)는 일반 콘크리트이기 때문에 다음과 같이 산정하였다.

여기서, fck : 콘크리트의 설계압축강도

Fig. 11은 아웃리거의 위치를 이동하는 경우에 코어 아웃리거 구조의 하현재 높이인 N-1층의 슬래브 8,856개의 분할요소 중에서 슬래브 콘크리트의 인장강도 이상이 되는 면적비율을 나타내었다. Fig. 11에서 아웃리거의 강성이 5.0EI, 1.0EI, 0.2EI인 경우를 비교하였다. Fig. 11을 보면 코어 아웃리거 구조에서 슬래브 콘크리트의 인장강도 이상이 되는 슬래브 면적은 아웃리거 강성이 5.0EI와 1.0EI인 경우에서는 없는 것으로 나타났고, 아웃리거 강성이 0.2EI인 경우에서 슬래브 콘크리트의 인장강도 이상이 되는 슬래브 면적이 최고인 경우는 아웃리거 구조시스템의 위치가 96m(0.343H)에서 7.2%로 나타났다.

Fig. 12는 아웃리거의 위치를 이동하는 경우에 코어 아웃리거 구조의 하현재 높이인 N-1층의 슬래브 8,856개의 분할요소 중에서 슬래브 콘크리트의 인장강도 50% 이상이 되는 비율에 대하여 아웃리거의 강성이 5.0EI, 1.0EI, 0.2EI인 경우를 비교하였다. Fig. 12를 보면 슬래브 콘크리트의 인장강도 50% 이상이 되는 슬래브 면적이 최고인 경우는 아웃리거 강성이 5.0EI인 경우에서는 60∼140m(0.214∼0.5H)에서 0.05%, 아웃리거 강성이 1.0EI인 경우에서는 88m(0.314H)에서 4.6%, 아웃리거 강성이 0.2EI인 경우에서는 96m(0.343H)에서 17.4%로 나타났다. 또한, Fig. 12를 보면 아웃리거 강성이 0.2EI인 경우에서 슬래브 콘크리트의 인장강도 50% 이상이 되는 슬래브 면적이 15% 이상이 되는 아웃리거 위치는 60∼160m인 것으로 나타났다.

Fig. 13과 Fig. 14는 코어 아웃리거 강성이 1.0EI이고 아웃리거가 100m에 위치한 경우로 아웃리거 구조의 하현재 높이인 96m에 위치한 슬래브에서 슬래브 콘크리트의 인장강도 50%와 25% 이상이 되는 유효 슬래브 응력의 분포를 각각 나타내었다. Fig. 13에서는 슬래브 콘크리트의 인장강도 50% 이상이 되는 유효 슬래브 응력이 작용하는 면적은 4.2%로 나타났고, 아웃리거와 외곽기둥이 만나는 위치에 근접한 슬래브에서 슬래브 응력이 크게 작용하는 것을 보이고 있다. Fig. 14에서는 슬래브 콘크리트의 인장강도 25% 이상이 되는 유효 슬래브 응력이 작용하는 면적은 40.5%로 나타났고, 전단벽과 외곽기둥을 연결하는 아웃리거가 위치하는 슬래브에 응력이 크게 작용하는 것을 볼 수가 있다.

Fig. 15는 아웃리거의 위치를 이동하는 경우에 오프셋 아웃리거 구조의 하현재 높이인 N-1층의 슬래브 8,856개의 분할요소 중에서 슬래브 콘크리트의 인장강도 이상이 되는 면적비율을 나타내었다. Fig. 15에서도 아웃리거의 강성이 5.0EI, 1.0EI, 0.2EI인 경우를 비교하였다. Fig. 15를 보면 슬래브의 전체면적에서 슬래브 콘크리트의 인장강도 이상이 되는 슬래브 면적은 아웃리거 강성이 5.0EI, 1.0EI, 0.2EI인 경우는 아웃리거 구조를 100∼104m(0.357∼0.371H), 100∼104m, 104∼108m(0.371∼ 0.386H)인 범위에 각각 설치한 경우에서 36.3%, 32.0%, 21.5%로 최고가 되었다.

Fig. 16은 오프셋 아웃리거 구조에서 슬래브 콘크리트의 인장강도 50% 이상이 되는 면적비율을 아웃리거의 강성이 5.0EI, 1.0EI, 0.2EI인 경우에 대하여 비교하였다. Fig. 16을 보면 슬래브 콘크리트의 인장강도 50% 이상이 되는 슬래브 면적이 최고인 경우는 아웃리거 강성이 5.0EI, 1.0EI, 0.2EI인 경우에서는 각각 78.5%, 71.9%, 54.9%로 나타났고, 이상의 최고 비율이 나타나는 아웃리거 구조의 위치는 아웃리거의 강성이 5.0EI, 1.0EI, 0.2EI인 경우에서는 모두 128m(0.457H)로 나타났다.

Fig. 17과 Fig. 18은 오프셋 아웃리거 강성이 1.0EI이고 아웃리거가 100m에 위치한 경우로 아웃리거 구조의 하현재 높이인 96m에 위치한 슬래브에서 슬래브 콘크리트의 인장강도 50%와 25% 이상이 되는 유효 슬래브 응력의 분포를 각각 표시하였다. Fig. 17에서는 슬래브 콘크리트의 인장강도 50% 이상이 되는 유효 슬래브 응력이 작용하는 면적은 70.8%로 나타났고, 전단벽과 아웃리거 사이에 위치한 슬래브에 응력이 크게 작용하는 것을 알 수 있다. 이것에 대한 이유는 전단벽에 직접적으로 아웃리거가 연결되지 않았기 때문에 전단벽으로부터 아웃리거로 응력을 전달하기 위하여 전단벽과 아웃리거 사이에 위치한 슬래브가 구조적인 역할이 커진 것으로 추정된다. Fig. 18을 보면 슬래브 콘크리트의 인장강도 25% 이상이 되는 유효 슬래브 응력이 작용하는 면적은 95.4%로 나타났고, 슬래브에 작용하는 유효응력 분포는 슬래브 콘크리트의 인장강도 50% 이상인 Fig. 17인 경우와 유사하였고, 전단벽에서 아웃리거에 연결된 외곽기둥 방향으로 응력이 전달되는 흐름을 보다 현저하게 보였다.

Fig. 11과 Fig. 15에 나타난 것과 같이 슬래브에서 발생한 인장응력이 슬래브가 보유하고 있는 콘크리트의 인장강도(ft) 이상이 되는 슬래브 면적에 대한 비율은 코어 아웃리거 구조인 경우에서는 아웃리거 강성이 1.0EI 이상인 경우일 때는 없고 아웃리거 강성이 0.2EI인 경우일 때는 최고 7% 정도로 나타났지만, 오프셋 아웃리거 구조인 경우는 36%까지 나타났다. 이상의 결과로 부터 코어 아웃리거 구조에서는 아웃리거의 설치에 따른 슬래브에 대한 특별한 보강은 필요 없지만, 오프셋 아웃리거 구조에서는 아웃리거의 설치로 인하여 응력이 크게 작용하는 전단벽과 아웃리거 사이에 위치한 슬래브를 보강할 필요가 있다고 판단된다.

3.4 아웃리거의 설치 위치에서 전달되는 기둥의 축력

Fig. 19는 코어 아웃리거 구조와 오프셋 아웃리거 구조의 외곽 기둥(C1, C2, C3, 여기서 부호는 Fig.1 참조)에 작용하는 축력을 건물의 높이에 따라서 표시하였다. 여기서는 아웃리거의 강성이 1.0EI이고, 아웃리거가 건물의 중간 높이인 140m에 설치된 경우이다. Fig. 19를 보면 아웃리거 구조가 설치된 높이에서 기둥에 따라서 기둥 축력의 변동에 대한 차이를 볼 수가 있다. 여기서 기둥에서 발생한 변동 축력은 전단벽이 부담할 수평력을 아웃리거를 통하여 외곽기둥이 부담하게 되는 하중이다. 따라서 상기의 아웃리거 설치 위치에서 전달되는 기둥의 축력에 대한 분석을 통하여 아웃리거 구조시스템의 하중전달 경로와 외곽기둥의 구조적인 역할을 파악할 수 있다고 판단된다.

Fig. 20은 아웃리거 구조가 설치된 높이에서 3개 외곽기둥(C1, C2, C3) 축력의 변동값을 합쳐서 나타내었다. Fig. 20에서는 아웃리거의 강성이 증가할수록 3개 외곽기둥 축력의 변동값 합계는 아웃리거의 평면상 위치에 관계없이 증가하였다. Fig. 20을 보면 3개 외곽기둥 축력의 변동값 합계에서 오프셋 아웃리거 구조는 코어 아웃리거 구조인 경우와 비교하여 아웃리거의 강성이 5.0EI, 1.0EI, 0.2EI인 각각의 경우는 0.47배, 0.49배, 0.58배로 작게 나타났다.

Fig. 21은 코어 아웃리거 구조와 오프셋 아웃리거 구조의 외곽 기둥(C1, C2, C3)에 작용하는 축력의 변동값 총합에 대한 각각의 외곽기둥에 작용하는 축력 변동값의 비율을 나타내었다. Fig. 21에서 코어 아웃리거인 경우에서 아웃리거와 연결되는 C3 기둥의 변동 축력은 아웃리거의 강성이 0.2EI, 1.0EI, 5.0EI인 각각의 경우에서 외곽 기둥에 작용하는 축력의 변동값 총합의 91%, 94%, 95%로 각각 나타났고, C2 기둥에서는 각각 5%, 4%, 3%, C1 기둥에서는 각각 4%, 2%, 2%로 나타났다. 또한, Fig. 21에서 오프셋 아웃리거인 경우에서 아웃리거의 강성이 0.2EI, 1.0EI, 5.0EI인 각각의 경우는 아웃리거와 연결되는 C2 기둥에서는 외곽 기둥에 작용하는 축력의 변동값 총합의 85%, 87%, 88%로 각각 나타났고, C3 기둥에서는 각각 9%, 8%, 7%, C1 기둥에서는 각각 6%, 5%, 5%로 나타났다. 이상에서 설명한 것과 같이 아웃리거 구조의 형식에 따른 외곽 기둥의 축력 변동에 대한 결과를 보면 전체 외곽 기둥이 부담하는 축력에서 아웃리거에 연결된 외곽 기둥이 부담하는 비율이 코어 아웃리거인 경우가 오프셋 아웃리거인 경우보다 크게 나타났다. 이것은 코어 아웃리거 구조가 오프셋 아웃리거 구조와 상이하게 전단벽에 직접적으로 연결됨으로 인하여 전달되는 하중의 비율이 증가한 것으로 추정된다.

3.5 아웃리거 부재에 작용하는 축력

Fig. 22는 코어 아웃리거와 오프셋 아웃리거 구조의 아웃리거 부재의 사재에 작용하는 축력을 아웃리거의 강성에 따라서 비교하였다. Fig. 22를 보면 아웃리거 부재의 사재에 작용하는 축력에서 오프셋 아웃리거 구조는 코어 아웃리거 구조인 경우보다 아웃리거의 강성이 5.0EI, 1.0EI, 0.2EI인 각각의 경우는 0.43배, 0.44배, 0.53배로 작게 나타났다. 그리고 Fig. 22에서 아웃리거의 강성이 1.0EI인 경우와 비교하면 코어 아웃리거인 경우에서는 아웃리거 강성이 5.0EI인 경우는 1.08배, 0.2EI인 경우는 0.69배, 오프셋 아웃리거인 경우에서는 아웃리거 강성이 5.0EI인 경우는 1.05배, 0.2EI인 경우는 0.83배로 나타났다.

Fig. 23은 코어 아웃리거 구조와 오프셋 아웃리거 구조의 아웃리거 부재의 하현재에 작용하는 축력을 아웃리거의 강성에 따라서 비교하였다. Fig. 23을 보면 아웃리거 부재의 하현재에 작용하는 축력에서 오프셋 아웃리거 구조는 코어 아웃리거 구조인 경우보다 아웃리거의 강성이 5.0EI, 1.0EI, 0.2EI인 각각의 경우는 0.23배, 0.24배, 0.3배로 작게 나타났다. 그리고 Fig. 23에서 아웃리거의 강성이 1.0EI인 경우와 비교하면 코어 아웃리거인 경우에서는 아웃리거 강성이 5.0EI인 경우는 1.17배, 0.2EI인 경우는 0.49배, 오프셋 아웃리거인 경우에서는 아웃리거 강성이 5.0EI인 경우는 1.12배, 0.2EI인 경우는 0.63배로 나타났다.

Fig. 24는 아웃리거 부재의 사재에 작용하는 축력의 Y방향 성분과 아웃리거 구조가 설치된 높이에서 아웃리거와 직접적으로 접합된 기둥 축력의 변동값을 비교하였다. 여기서 아웃리거 부재의 사재에 작용하는 축력의 Y방향 성분은 기둥의 축력과 동일한 방향이다. Fig. 24에서는 아웃리거의 강성에 따라서 코어 아웃리거와 오프셋 아웃리거를 비교하였다. Fig. 24에서는 아웃리거 부재의 사재에 작용하는 축력의 Y방향 성분값은 아웃리거 구조가 설치된 높이에서 아웃리거와 직접적으로 접합된 기둥 축력의 변동값의 81.2∼85.4%에 해당되는 것으로 나타났다. 이상의 결과로부터 아웃리거 구조시스템의 구조성능에 기여가 절대적인 아웃리거와 직접 연결된 외곽기둥이 수평강성을 확보하는데 있어서 아웃리거 구조의 설치로 인한 것이 80% 이상이고, 강성골조의 휨거동에 의한 것이 20% 이하라는 사실을 파악함으로서 아웃리거 구조시스템의 하중전달 경로와 외곽기둥의 구조적인 역할을 구체적으로 확인하였다.