고층 구조물의 구조형식

고층 구조물은 일반적인 건축물과는 달리 수평하중인 바람과 지진하중의 영향을 많이 받게 되며, 특히 초고층이 될수록 바람 하중에 저항하는 구조형식을 추구하게 됩니다.. 주거용 건물의 경우 벽체의 배치가 용이하나 사무실이나 기타 상업용 건물의 경우 고정된 벽체보다는 공간 분할의 유연성을 부여하기 위하여 큰 공간이 필요하여 벽체의 배치가 어려워집니다. 이 경우 수직 동선과 에너지 분배를 담당하는 부분(엘리베이터, 계단, 화장실, 설비 샤프트 등)을 코어에 모아 횡력을 부담하는 구조체로 이용하게 됩니다. 코어를 활용하면 경제적이고, 적절한 고층 구조물의 내력구조형식이 됩니다. 구조계획 단계에서 코어 벽면의 개구부가 입면의 30%를 넘지 않으면 개구부 효과를 무시하고, 설계해도 무방합니다. 또한 개구부가 가능한 한 연직 선상으로 연결되지 않도록 하는 것이 유리합니다. 이처럼 연직 선상으로 연결되지 않은 벽체를 병렬 전단벽이라고 하며 병렬 전단벽의 개구부를 연결하는 보(coupled beam)의 강성에 의해 구조물 전체의 거동이 달라지므로 연결보의 강성부여 및 상세에 유의해야 합니다. 횡력에 대한 코어의 구조적 특성은 평면형태, 강성의 정도, 횡력의 방향 등에 따라 달라지며, 코어의 형태가 열린 형태이거나 비대칭일 경우 코어 구조가 비틀리게 됩니다. 이러한 비틀림은 횡력에 의한 전단력과 함께 작용하므로 이러한 비틀림을 제어할 수 있는 방법의 선택이 대단히 중요합니다. 튜브 구조는 건물의 외부 벽체에 최소한의 개구부를 둠으로써 건물에 작용하는 횡하중에 대하여 건물이 튜브 형태로 저항할 수 있도록 계획하는 구조 시스템입니다. 튜브 구조 형식은 골조 튜브, 이중튜브, 다중 튜브 등으로 분류할 수 있다. 현재 세계에서 가장 높은 건물 5개 중 4개인 John Hancock Center, Sears Tower, Standard Oil Building, World Trade Center가 이 구조방식이며, 국내에서는 LG Twin Building이 대표적인 예입니다. 건축물 상부구조의 하중은 기초를 통하여 지반에 전달됩니다. 이런 지반 부분이 기초를 효과적으로 지지할 수 있도록 하는 것을 지정이라 합니다. 지반은 자연적으로 만들어진 것으로 균질하지 못하며, 상부구조에 따른 역학적 성질을 받아들이기 쉬운 것은 아닙니다. 충분한 지지력을 확보하고, 침하를 허용량 내에서 억제하기 위해 지정이 필요한 경우가 많으며, 지정계획에서는 부동침하가 일어나지 않도록 주의해야 합니다. 지정에는 간단히 주로 사용하는 잡석지정과 하중이 클 경우에 일반적으로 사용 하는 말뚝 지정, 큰 하중을 지지할 수 있는 피어 지정과 그리고 지반개량법 등이 있습니다. 지정의 선택은 상부구조의 종류, 건물의 평면이나 입면 형상과 지반의 상태에 따라 결정됩니다. 지반을 구성하는 지층의 상태를 파악하기 위하여 시굴, 보링 등의 지반조사가 행해집니다. 보링은 지반에 깊은 구멍을 뚫어 샘플러로 시료를 채취하여 지층의 구성을 조사하는 방법입니다. 보링과 병행하여 일정 규격의 채취기를 타격하여 30cm 관입시키는데 소요되는 타격 횟수(N갑)를 기록하는 경우가 많습니다. 이것을 표준 관입 시험이라 하며, 지반의 특성 지표로서 이용됩니다. 20~30cm 정도의 잡석을 종방향으로 세워놓고, 잡석 사이에 모래를 섞은 자갈을 채워 넣어 지표면을 견고하게 하는 방법을 잡석지정이라 합니다. 일반적으로 잡석지정 위에 버림콘크리트를 타설 하여 기초의 바닥면으로 사용하며, 말뚝 지정과 병행하여 사용하기도 한다. 터파기 바닥이 양호한 경우에 잡석지정을 하게 되면 오히려 지내력이 감소되는 경우도 있으므로 항상 잡석지정이 필요한 것은 아닙니다. 기초가 접하는 지반면에서 필요한 지내력을 얻을 수 없는 경우에는 말뚝 지정을 이용합니다. 말뚝은 재료에 따라 나무 말뚝, 콘크리트 말뚝, 강재 말뚝으로 분류됩니다. 콘크리트 말뚝은 공장에서 생산된 기성 콘크리트 말뚝과 현장타설 콘크리트 말뚝으로 나누며, 하중의 전달 형식에 따라 경질 지반에 직접 하중을 전달하는 선단 지지 말뚝과 주변 토사의 마찰력을 이용한 마찰 말뚝으로 분류됩니다. 나무 말뚝은 육송 또는 낙엽송을 주로 사용하며, 부식을 방지하기 위하여 지하 상수 위아래까지 박아야 합니다. 기성 콘크리트 말뚝은 품질이 안정되고, 부식의 우려가 없으며, 원심력을 이용하여 공장에서 제작합니다. 길이는 15M 이하로 생산되고, 연결하여 사용할 수 있으며, 최근 들어서는 기성 콘크리트 말뚝의 대부분에 프리스트레스를 적용한 PC말뚝이 채용되고 있으며, 고강도 기성 콘크리트 말뚝이 개발되어 강재 말뚝을 대신하고 있습니다. 강재 말뚝은 강관말뚝, H형강 말뚝 등이 있으며, 용접으로 연결하면 소요 길이를 확보할 수 있으므로 깊은 말뚝의 사용이 가능합니다. 강재의 두께는 부식을 고려하여 결정하여야 합니다. 기성말뚝은 설치 시 소음으로 문제가 발생하는데 그 대책으로 어스오가(earth auger) 혹은 굴착기로 구멍을 만드는 프리 보링 공법, 중심부가 비어있는 말뚝을 케이싱처럼 사용하는 중굴 공법, 그리고 고압의 물을 분사하여 말뚝을 압입 하는 제트 공법 등이 있습니다. 현장타설 콘크리트 말뚝은 지반에 구멍을 내어 콘크리트를 타설 하는 방법으로 길이를 자유로 할 수 있습니다. 타입 하는 말뚝에 비하여 단면 상태와 품질을 확인할 수 없는 것이 단점이나 소음이 적고, 굴착시에는 지반의 붕괴에 주의하여야 합니다.