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ISSN : 1598-4095(Print)
ISSN : 2287-7401(Online)
Journal of The korean Association For Spatial Structures Vol.16 No.2 pp.79-88
DOI : https://doi.org/10.9712/KASS.2016.16.2.079

Lateral-resisting Structural Systems for Tall Modular Buildings

Chang-Hwan Lee*, Kwang-Ryang Chung**
*DongYang Structural Engineers Co., Ltd.
**DongYang Structural Engineers Co., Ltd.
Corresponding author: DongYang Structural Engineers Co., Ltd. 02-549-374402-549-3745chlee@dysec.co.kr
February 19, 2016 May 12, 2016 May 12, 2016

Abstract

Modular buildings are constructed by assembling modular units which are prefabricated in a factory and delivered to the site. However, due to a problem of noise between floors, concrete slab is usually poured at the top or bottom level of a modular unit in Korea. This greatly increases the weight of buildings, but designing vertical members of modular units to resist overall gravity loads is very inefficient. In this study, considering domestic building construction practices, feasible structural systems for tall modular buildings are proposed in which separate steel frames and reinforced concrete core walls are designed to resist gravity and lateral loads. To verify performance, a three-dimensional structural analysis has been performed with two types of prototype buildings, i.e., a residential building and a hotel. From the results, wind-induced lateral displacements and seismic story drifts are examined and compared with their limit values. Between the two kinds of buildings, the efficiency of the proposed system is also evaluated through a comparison of the weight of structural components. Finally, the effect of a floor diaphragm on the overall behavior is analyzed and discussed.


모듈러 건축물의 수평력 저항 구조시스템

이 창 환*, 정 광 량**
*교신저자, ㈜동양구조안전기술 실장, 공학박사
**㈜동양구조안전기술 대표이사, 공학박사

초록


    Ministry of Land, Infrastructure and Transport
    15RERP-B095766-02

    1서론

    최근 국내 건설산업은 인건비 상승 및 건설인력 감 소의 영향으로, 기존 현장 중심의 노동집약적 공사방 식에 대한 개선 필요성이 제기되고 있다1). 이러한 배 경으로 생산성 및 품질 향상과 더불어 공기단축이 가 능한 새로운 건설방식인 모듈러 건축에 대한 관심이 높아지고 있다2). 모듈러 건축은 공장에서 사전 제작 된 모듈 유닛(Modular unit)을 현장에서 조립하는 공 업화 공법의 일종으로<Fig. 1>, 대량생산에 따른 경 제성, 빠른 설치 및 제작 정밀성 향상 등의 장점을 가 진다3).

    모듈러 건축은 1950년대에 유럽에서 처음 도입된 이래 건설기술 선진국에서는 관련기술이 성숙단계에 접어들고 있으며4), 현재 영국, 미국, 일본 등을 중심 으로 큰 시장이 형성되어 있다(국토교통부, “이동과 재사용이 가능한 모듈러 건축기술개발 및 실증연구 기획 기획보고서”, 2013). 국내에서는 2003년 학교시 설 증축공사에 모듈러 건축이 시범 적용된 이래, 군 사시설, 주거시설, 업무시설 등으로 적용범위가 확대 되고, 시장규모 또한 꾸준히 증가하고 있다(대한건설 정책연구원, “전문건설업 발전을 위한 공업화건축 활 성화 방안”, 2011).

    국내에서 건설된 모듈러 건물은 5층 이하의 규모 로, 대부분 유닛 자체의 구조부재가 하중을 저항하는 적층형 공법이 적용되었다. 이 공법은 저층건물에 적 합한 형태로, 모듈러 건축의 고층화를 위해서는 별도 의 시스템이 적용되어야 한다1),5). 최근 국내에서도 모 듈러 건물의 구조시스템에 관한 연구가 일부 진행되 고는 있지만1),4), 관련기술은 아직 축적되지 못하고 초 기수준에 머무르고 있다. 해외의 경우, 고층형 모듈러 건물은 최고 32층의 규모로 완공 또는 공사중인 사례 들이 알려져 있지만, 그 수는 아직 많지 않은 실정이 다6). 또한 해외의 고층형 시스템을 국내 건물에 그대 로 적용하게 되면, 구조재료나 층간소음 문제 등 국 내의 건설 관행과 부합하지 않는 문제가 발생할 수 있기 때문에, 국내 실정을 고려한 고층형 모듈러 시 스템에 대한 추가적인 연구가 필요하다.

    이 논문에서는 해외의 대표적인 고층 모듈러 건물 에 대한 사례 분석을 수행한 후, “모듈러 건축 중고층 화 및 생산성 향상 기술개발” 연구에서 도출된 주거 건물과 호텔건물의 프로토타입 평면을 대상으로 국내 실정에 적합한 고층형 모듈러 건물의 구조시스템을 제안하고자 한다. 건물 유형별로 수평하중에 대한 안 정성 확보 과정이 제시되며, 바닥 격막작용(Floor diaphragm action)이 전체 거동에 미치는 효과에 대 해서도 논의된다.

    2고층형 구조시스템

    2.1해외 사례 분석

    미국 뉴욕에서 32층(105.8m) 규모로 공사가 진행 중인 B2 타워는 완공시 세계 최고 높이의 모듈러 건축물이 될 예정이다<Fig. 2>. 이 건물은 주거용으 로 계획되었으며, 32개 층에 걸쳐 930개의 모듈 유 닛이 사용되었다. 각 유닛은 자체의 중력하중만 지지 하며, 수평하중에 저항할 수 있도록 동서 및 남북방 향으로 철골가새골조가 배치되었다. 또한 풍하중에 의한 가속도응답을 저감시키기 위해 100톤 무게의 동조질량댐퍼 2개가 적용되었다7).

    운송조건을 고려하여 적용된 유닛의 크기는 최대 4.5m(폭)×15m(길이)×3.2m(높이)이며, 모든 유닛은 바닥과 지붕을 개별적으로 갖도록 설계되었다. 유닛 바닥의 중도리는 150mm×75mm의 각형강관이며, 그 위로는 골데크(50mm), 파티클보드(19mm), 흡음 층(5mm), 바닥마감이 설치된다. 콘크리트를 타설하 지 않는 모듈시스템을 적용하여, 기존 철근콘크리트 (RC) 플랫슬래브 대비 35% 정도의 중량 절감효과 가 있는 것으로 평가되었다. 또한 유닛 지붕의 강막 작용을 위해, 적층 후 인접 유닛과 결속하였다7).

    호주의 SOHO Tower는 29층(90m) 규모의 모듈 러 건축물로, 2014년에 완공되었다<Fig. 3>. 저층부 는 일반적인 콘크리트구조이며, 지상 9층부터 29층 까지 21개 층에 모듈러 시스템이 적용되었다. 단위 세대는 4.2m(폭)×10m(길이)와 3.9m(폭)×10m(길이) 크기를 갖는 두 유닛의 조합으로 구성된다. 호주의 내화기준을 만족시키기 위해 일반적인 모듈러 시스 템과 달리 유닛의 바닥에는 125mm 두께의 콘크리 트 슬래브가 타설되며, 중량 감소를 위해 경량콘크 리트를 사용하였다8).

    건물이 위치한 호주 북부의 다윈(Darwin)은 바람 이 매우 강한 지역으로, 아웃리거벽체와 중앙의 코 어벽체가 수평하중에 저항하도록 설계되었다. 인건 비 절감 및 공기단축을 위해, 지상 7층 위로는 코어 벽체에도 모듈러 프리캐스트콘크리트(PC) 시스템을 적용하였다. 건물 외벽면에서 작용하는 풍하중은 각 층의 바닥을 통해 아웃리거벽체와 코어벽체에 전달 되며, 유닛 간, 유닛과 복도 슬래브 및 PC 벽체와 수평부재의 연결부위는 강막작용을 위한 상세가 적 용되었다8).

    위에서 살펴본 바와 같이, B2 타워에는 건식 철골 코어가 적용되었고, 유닛의 바닥에는 콘크리트가 타 설되지 않아 건물의 자중과 더불어 지진하중이 감 소될 수 있었다. 그러나 풍진동에 대한 사용성을 만 족시키기 위해, 32층 규모에서 일반적이지 않은 동 조질량댐퍼가 적용되었다. B2 타워의 구조시스템이 국내 건축물에 적용될 경우, 바닥진동 및 층간소음 에 문제가 발생할 수 있으며, 공동주택의 바닥난방 적용에 따른 자중 및 지진하중 증가에 대하여 시스 템 검토가 수행되어야 할 것이다.

    한편 SOHO 타워는 인건비 절감과 공기단축을 위하여, 주거 유닛과 더불어 코어벽체에 모듈러 시 스템을 적용하였다. 내화기준 만족을 위해 유닛 내 에는 콘크리트 슬래브를 타설하였고, 공장 제작된 모듈에 현장타설 콘크리트를 일부 혼용하여 고층형 모듈러 건축물의 구조안정성을 확보하였다. 이는 철 골부재만을 활용하고 있는 국내 모듈러 산업에 고 려가 되어야 할 사항으로 판단된다.

    2.2프로토타입 평면

    <Fig. 4>는 국토교통부의 주거환경연구사업 “모듈 러 건축 중고층화 및 생산성 향상 기술개발”의 1차년 도 연구에서 도출된 주거건물과 호텔건물의 프로토타 입 건축평면을 보여준다. 주거건물은 3.3m(폭)×6.3m (길이)의 2개 유닛이 조합된 2세대(중앙부)와 3개 유 닛으로 조합된 2세대(측면), 층당 총 4세대로 구성된 다. 호텔건물의 경우, 3.3m(폭)×6.3m(길이) 유닛으로 구성된 20개의 객실과 코어 좌우측의 4개 객실 (2.7m×6.3m, 1.8m×6.3m의 2개 유닛 조합)로 구성된 다.

    두 유형의 평면은 모두 지상 15층 규모로 계획되었 으며, 층간소음 저감 및 바닥난방 적용을 위해 각 유 닛의 바닥에는 150mm 두께의 RC 슬래브가 타설된 다. 주거건물에서 코어부는 평면의 아래쪽에 치우쳐 있으며, 호텔건물에서는 중앙코어의 형태로 배치되어 있다(<Fig. 4>에서 음영부분 참조). 코어 면적비는 주거건물과 호텔건물에서 각각 13.1%와 15.2%로, 일 반적인 고층형 평면과 비교하면 다소 작은 것으로 평 가되었다9).

    2.3유형별 제안 구조시스템

    도출된 프로토타입 시스템은 슬래브 타설로 인해 자중이 증가하기 때문에, 단순 적층형 시스템은 매 우 비효율적이다. 또한 이 연구에서 대상으로 하는 모듈러 건물은 30층 규모의 고층으로, 건물 전체의 중력하중과 더불어 풍하중과 지진하중을 효율적으 로 저항하기 위해서는 별도의 코어 및 가새골조가 도입되어야 한다2),5). 따라서 코어부는 국내 건물공 사에서 선호되는 RC 전단벽으로 구성하여 이를 통 해 대부분의 수평하중이 저항될 수 있도록 계획하 였다. 또한 유닛은 4층 이내로만 적층하여 유닛 내 구조부재의 크기가 과도해지는 것을 방지하였고, 적 층된 유닛의 중력하중은 별도의 철골구조시스템을 통해 전달될 수 있도록 하였다.

    <Fig. 5>는 주거건물과 호텔건물에 대해 철골조 수평요소가 배치된 층(시스템층)의 구조시스템을 보 여준다. 시스템층은 매 3~4개 층마다 배치되며, 적 층 유닛의 중력하중을 효과적으로 지지하고 구조적 춤을 최소화하기 위해 유닛을 지지하는 요소는 트 러스(Modular truss unit)로 계획하였다. 트러스의 직각 방향으로는 철골조의 안정성 확보를 위해 거 더(Steel girder)를 강접합으로 연결하였다. 트러스 의 상하현재와 거더의 단면은 H-200×200×8×12로, 시스템층은 일반층보다 0.4m 높은 층고를 갖는다.

    주거건물의 경우, 15층으로 계획된 프로토타입평면에서 코어부를 좌우측 세대 위치까지 확장하였 다. 이러한 변경에도 Y방향 풍하중 폭(Bx )에 대한 저항방향 코어 길이(ly )의 비(ly /Bx )가 0.1 이하로 극히 낮았다. 따라서 30층 규모 건물의 풍하중에 대 한 저항성능을 확보하기 위해, 세대의 구획 위치에 날개벽(Fin wall)을 배치하였다. 또한 코어 반대편 입면에 안정화 트러스(Stabilizing truss)를 설치하 여, 강성 불균형에 의한 과도한 비틀림 및 가속도 유발을 방지하고, 구조물이 균형적으로 거동할 수 있도록 계획하였다.

    호텔건물의 프로토타입 평면에서는 코어부가 중앙 에 배치되어 있어, 각 주방향에 대한 수평력을 안정 적으로 저항할 수 있는 것으로 평가되었다. 다만 좌 우측 입면에서 구조부재가 일직선으로 배치될 수 있 도록 복도의 요철을 없애고, 2개 유닛으로 구성된 측 면부 4개 객실의 위치를 200mm 내측 방향으로 이동 하였다.

    주거건물에서 코어 외주부 벽체(또는 날개벽)의 두 께는 300~400mm이며, 호텔건물의 경우 전층 300mm 이다. 이 장에서는 제안 구조시스템의 최종 형태만을 기술하였으며, 건물 유형별 상세한 구조시스템 도출 과정 및 결과는 3장과 4장에서 제시된다.

    3구조해석

    3.1해석모델

    30층 규모의 주거건물과 호텔건물을 대상으로 3 차원 구조해석을 수행하였으며, 대상건물은 서울에 위치한 것으로 가정하였다. 1층과 일반층의 층고는 각각 4.9m와 3.3m이며, 시스템층은 유닛을 지지하 는 상하현재 춤에 의한 높이 증가를 고려하여 3.7m 로 계획하였다. 한편 최상층 층고는 3.6m이며, 이로 써 전체건물은 <Fig. 6>과 같이 104.1m의 높이를 가진다.

    콘크리트의 설계기준압축강도(fck )는 30MPa, 철 근의 설계기준항복강도(fy )는 400MPa이며, 철골조 에는 SM490(Fy =325MPa) 강재가 사용되었다. 1층 기둥과 벽체 하부의 모든 지점은 힌지로 설정하였 으며, 해석에는 상용 프로그램인 midas Gen10)을 이 용하였다.

    코어벽체가 효율적으로 거동할 수 있도록 분리된 외주부의 벽체는 커플링보(Coupling beam)에 의해 연결되며, 균열 영향을 고려하여 커플링보의 전단강 성과 휨강성을 50%로 저감하였다. 커플링보의 춤은 일반층에서 600mm이며, 시스템층의 바닥과 상부 및 지붕층에서는 800mm, 2층 바닥의 경우 2000mm 로 고려하였다.

    3.2설계하중

    고정하중(DL)과 활하중(LL)은 점유바닥의 용도 및 적용 상세에 맞게 <Table 1>과 같이 가정하였으 며, 코어면적 내의 실에 대해서는 계단실과 동일한 바닥하중을 적용하였다. 구조부재의 자중은 단면 및 재료 비중을 고려하여 자동 입력되는 값을 사용하 였고, 부재설계를 위한 하중조합에서 활하중 저감 영향을 반영하였다.

    풍하중에 대해 가정된 설계조건은 <Table 2>에 요약된다. 용도 및 규모에 따른 건물의 중요도는 (1) 로 구분되지만, 높이가 100m 이상인 건물에 해당하 여 풍하중에 대한 중요도계수(Iw )는 1.1을 적용하였 다11). 지진하중에 대한 검토에는 응답스펙트럼해석 법을 적용하였으며, 건물의 기본 지진력저항시스템 은 철근콘크리트 보통전단벽으로 구성된다. 내진설 계에 반영된 상세조건은 <Table 3>과 같다.

    3.3부재설계 및 안정성 검토

    최종적인 구조시스템은 중력하중에 대한 철골조 설계, 풍하중 작용시 부재설계 및 수평변위 검토, 지진하중에 대한 층간변위 검토의 단계적 과정을 거쳐 도출되었다. 각 단계에서는 작용하중을 모두 고려하여 현행 건축구조기준11)에 따라 구조부재의 설계를 수행하였다. 철골기둥의 단면은 시스템층이 배치된 3~4개 층마다 조닝(Zoning)하였고, 연속되 는 일반층 구간에서의 횡지지는 없는 것으로 고려 하였다.

    프로토타입 평면이 구조적으로 매우 불리한 주거 건물의 안정성 확보 과정은 ① 중력하중 설계, ② 코 어영역 확장, ③ 날개벽 추가, ④ 날개벽 두께 증가, ⑤ 하부층 벽체두께 증가, ⑥ 안정화 트러스 추가의 6 단계로 요약된다. 반면 중앙코어를 갖는 호텔건물의 평면은 고층형에도 적합하여 ① 중력하중 설계, ② 수평하중 설계의 최소 단계만을 거쳐 안정성이 확인 되었다. 풍하중에 대한 검토 단계에서 가스트영향계 수(Gust effect factor)는 X 및 Y방향에 대한 값을 모 두 만족할 수 있도록 1.9로 고정하였다. 각 단계별 두 건물의 최대 수평변위비는 <Table 4>와 <Table 5> 에서 확인할 수 있다.

    3.4격막작용

    콘크리트 슬래브를 갖는 건물은 일반적으로 바닥 판을 강한 격막(Rigid diaphragm)으로 고려하여 해 석을 단순화한다. 그러나 모듈러 건축물에서는 유닛 사이의 연결상세에 따라 충분한 격막작용이 발휘되 지 않을 수 있기 때문에, 모든 바닥을 강막으로 고 려하기 위해서는 세심한 주의가 필요하다3),5). 이 연 구에서는 격막작용의 수준이 전체 구조물의 거동에 미치는 영향을 평가하기 위해, 건물별로 해석모델을 두 가지로 구분하였다.

    모델 1은 모든 층의 바닥에 강막작용을 고려한 것으로, 4장에서 특별한 언급이 없는 경우 이 모델 의 결과를 나타낸다. 다음으로 모델 2는 시스템층의 하단과 지붕층에서만 전체 바닥의 강막작용을, 이외 의 층에 대해서는 코어 내부의 현장타설 슬래브 영 역에 대해서만 강막을 고려하였다. 강막이 형성되지 않은 나머지 영역은 바닥판에서 최소한의 막효과 (Membrane effect) 만이 반영될 수 있도록, 무게가 없는 0.5mm 두께의 강판으로 연결하였다. 격막작 용의 효과는 4.4절에서 논의된다.

    4해석 결과 및 분석

    4.1주거건물

    X방향(WX)과 Y방향 풍하중(WY)에 대한 주거건 물의 밑면전단력은 각각 1890kN과 7138kN으로 산 정되었다. 이 건물은 X방향으로 긴 폭을 갖는 판상 형으로 계획되어, WY가 상대적으로 매우 크게 작 용했다. 풍하중에 대한 최대 수평변위는 NBCC의 권고에 따라 건물높이(H)의 1/500 이내로 제한하는 것을 목표로 하였으며12), <Table 4>는 3.3절에서 제 시된 6가지 절차에 대한 지붕층의 최대 수평변위비 검토결과를 보여준다.

    초기의 건축평면을 기반으로 중력하중에 대해 설 계된 모델(단계 ①)은 WY에 대한 저항성능이 매우 낮게 평가되었다. 이후 요구되는 수평강성을 확보하 기 위해 다양한 단계를 거쳐 평면 수정 및 수평하중 저항요소의 추가/보강이 이루어졌고, 최종적으로 도출된 시스템(단계 ⑥)의 풍하중에 대한 수평변위 분포는 <Fig. 7>에 제시된다.

    한편 응답스펙트럼해석법을 이용한 지진해석 결 과, X방향(EX)과 Y방향 지진하중(EY)에 대한 밑면 전단력은 각각 1393kN과 1754kN으로, 이들은 WY 는 물론 WX에 대한 밑면전단력보다도 낮은 값을 나타냈다. 대상건물은 30층 규모의 고층건물로, 풍 하중이 설계에서 지배적임을 알 수 있으며, 실제로 지진하중이 부재 또는 시스템 설계에 영향을 미친 경우는 없었다. 또한 <Fig. 8>에서 확인할 수 있는 것처럼, EX와 EY에 의한 최대 층간변위비는 0.21%(EX)와 0.20%(EY)로, 내진등급에 따른 제한값 인 1.5%보다 크게 낮은 안정적인 결과를 보였다.

    4.2호텔건물

    호텔건물에서 WX와 WY에 대한 밑면전단력은 각각 5347kN과 7138kN으로, 양방향 풍하중 값의 차이는 주거건물에 비해 상대적으로 작았다. 이 건 물은 커플링보로 연결된 중앙코어의 박스거동(Box action)을 통해 수평하중을 효율적으로 저항할 수 있었고, 이로써 중력하중 설계(단계 ①)와 수평하중 설계(단계 ②)의 두 단계만을 거쳐 최종적인 시스템 이 도출되었다. 풍하중에 대한 지붕층의 단계별 최 대 수평변위비는 <Table 5>, 최종 시스템의 높이별 수평변위 분포는 <Fig. 9>에 제시된다.

    EX와 EY에 대한 호텔건물의 밑면전단력은 각각 3137kN과 3454kN으로, 주거건물과 마찬가지로 풍 하중이 지배적인 수평하중으로 작용했으며, 지진하 중은 구조부재 및 시스템의 설계에 영향을 미치지 않았다. 지진하중에 의한 각 층의 최대 층간변위비 분포는 <Fig. 10>에서 볼 수 있는데, EX와 EY에 대 해 각각 0.24%와 0.30%로 역시 제한값에 비해 크게 낮았다.

    4.3구조물량

    고층형 모듈러 건물의 구조적 효율성을 평가하기 위해, 구조안정성이 확보된 최종 시스템의 구조물량 을 비교하였다. <Table 6>은 건물별로 구조요소에 사용된 강재와 콘크리트의 단위면적당 무게를 나타 내며, 유닛 내의 바닥 슬래브 물량은 제외하였다.

    중력하중에 주로 저항하는 강재(기둥, 거더 및 트 러스)의 물량은 두 건물에서 각각 0.498kN/m2(주거 건물)와 0.403kN/m2(호텔건물)로, 주거건물에서 20% 가량 더 많은 강재가 사용되었다. 한편 콘크리 트의 경우 4.565kN/m2(주거건물)와 2.097kN/m2(호 텔건물)로, 호텔건물 대비 2배 이상의 물량이 주거 건물에 사용되었다.

    두 건물의 구조시스템은 공통적으로 콘크리트 요 소(코어벽체, 날개벽체 및 커플링보)가 수평하중을 대부분 저항하도록 계획되었다. 따라서 사용된 콘크 리트 물량이 적다는 것은 그만큼 수평하중에 대한 저항 효율성이 높음을 의미한다. 즉 중앙코어를 갖 는 호텔건물의 시스템이 비교적 효율적으로 설계되 었음을 알 수 있다. 반면 코어가 편심으로 배치된 주거건물은 구조안정성 확보를 위해 다양한 단계를 통해 구조요소가 보강되었고, 요구기준을 만족하도 록 설계된 최종 시스템은 호텔건물에 비해 극히 비 효율적인 것으로 나타났다. 이러한 비교로부터, 장 단변비가 큰 판상형 평면을 30층 이상의 고층형 모 듈러 건물에 적용하는 것은 경제적이지 않을 것으 로 판단된다.

    4.4바닥층 격막 효과

    바닥층의 격막작용 조건(3.4절 참조)이 다르게 설 정된 모델 1과 모델 2의 주요 구조응답이 <Table 7>에 비교되어 있다. 강막작용이 부분적으로 고려 된 모델 2는 전층 바닥의 강막작용이 고려된 모델 1 에 비해 수평강성이 다소 저감되었다. 주거건물은 평면 형태로는 Y방향이 약축이지만, 풍하중에 의한 수평변위 기준을 만족시키는 과정에서 과도하게 보 강되어 1차모드가 X방향으로 발생했으며, 강성 저 감에 의한 모델 2의 1차모드 주기는 모델 1에 비해 10.9% 증가했다. 이에 비해 호텔건물의 강성 저감 비율은 낮게 나타났고, Y방향으로 발생한 1차모드 의 주기는 모델 2에서 2.8% 증가했다.

    풍하중은 기준11)에 기반하여 산정된 정적하중으 로 입력되었기 때문에, 모델에 따른 밑면전단력의 차이는 없다. 또한 앞서 언급된 것처럼, 본 해석에 서는 산정된 고유진동수의 불확실성을 고려하여 동 일한 풍하중에 대한 비교를 목적으로, X와 Y 양방 향에 대한 가스트영향계수를 1.9로 고정하였다. 그러 나 주기 증가(진동수 감소)의 효과를 고려하면, 부분 강막작용을 고려(모델 2)할 경우 풍하중은 다소 증가 될 수 있다. 반면 주기 증가의 효과로 인해 지진하중 에 의한 밑면전단력은 모델 2에서 감소되었다. 감소 비율은 주거건물에서 9.8%(X방향)와 0.9%(Y방향), 호 텔건물에서 1.5%(X방향)와 2.8%(Y방향)로 나타났으 나, 두 건물에서 지진하중이 미치는 영향은 없었다.

    풍하중에 대한 두 모델의 수평변위 변화는 <Fig. 7> 및 <Fig. 9>에서 확인할 수 있는데, 강성 저감의 영향으로 취약방향(Y방향)에 대한 모델 2의 지붕층 최대 수평변위는 모델 1 대비 각각 3.4%(주거건물) 와 5.7%(호텔건물) 증가했다. 지진하중에 의한 층간 변위비는 이보다 큰 폭으로 증가했지만, 여전히 제 한값에 비해서는 큰 여유를 나타냈다. <Fig. 8> 및 <Fig. 10>을 통해, 부분적인 강막이 고려된 층에서 층간변위비가 증가한 것을 확인할 수 있다. 또한 모 델 2에서는 수직부재에 대한 바닥판의 저항강성이 낮아져, 구조부재의 강도비가 최대 10%까지 증가하 였다.

    이상의 비교 결과로부터 전층 바닥의 강막작용을 고려하게 되면, 부분적인 풍하중 감소와 더불어 강성 증가에 의한 수평변위 및 층간변위비 감소 효과를 기대할 수 있음을 알 수 있다. 그러나 이를 위해서 는 유닛 간 연결상세에 특별한 주의가 필요하며3),5), 충분한 격막작용이 발휘될 수 있음을 사전에 확인 하여야 한다. 반면 모델 2와 같은 부분적인 강막은 구조적으로 다소 불리한 측면이 있지만, 강성과 부 재설계에 큰 문제가 없는 경우 유닛 연결부에 대한 시공성 개선을 위해 적용성을 검토해 볼 수 있다. 본 해석에서는 시스템층 사이에 적층된 유닛의 중 력하중을 시스템층 바닥에 집중되어 작용하는 것으 로 단순화하여 반영하였다. 그러나 부분 강막의 개 념을 실제 모듈러 건물 설계에 채택할 경우, 적층된 유닛을 통해 전달되는 자체적인 지진하중의 전달 효과(유닛 간 미끄러짐 제어 설계, 적층 유닛의 전 도모멘트 효과를 반영한 시스템층 설계 등)를 고려 해야 한다.

    5결론

    이 논문에서는 15층 규모를 대상으로 도출된 주 거건물 및 호텔건물의 프로토타입 건축평면을 이용 하여 국내 실정에 적합한 고층형 모듈러 건물의 구 조시스템을 제안하였다. 성능 검증을 위해 3차원 구 조해석을 수행하여, 도출된 시스템에 대한 주요 구 조응답을 비교 및 분석하였으며, 격막작용 조건이 건물의 거동에 미치는 효과도 평가하였다. 이 연구 를 통해 얻어진 결론은 다음으로 요약된다.

    • 1 층간소음의 문제로 유닛 내에 콘크리트 슬래브가 타설되는 국내 실정을 고려하면, 유닛의 부재 자 체가 모든 외력에 저항하는 단순 적층 형태는 매 우 비효율적이며, 별도의 코어 및 가새골조를 통 해 전체 중력 및 수평하중을 저항하는 시스템이 경제적인 대안이 될 수 있다.

    • 2 30층 규모의 두 건물 유형에 대해 제안된 수평력 저항시스템은 풍하중과 지진하중에 대해 적절한 강성을 보유하고 있음을 확인하였다. 그러나 구조 물량 비교로부터, 구조적으로 불리한 평면을 갖는 주거건물의 시스템은 호텔건물에 비해 매우 비효 율적인 것으로 평가되었다. 고층형 모듈러 건물에 는 장단변비가 큰 판상형 평면을 적용하는 것이 경제적이지 않으며, 중앙코어 형태의 평면이 유리 할 것으로 판단된다.

    • 3 부분적인 강막작용을 고려하는 경우, 전층 바닥 이 강막으로 작용하는 경우에 비해 강성이 저감 되어 지진하중은 감소하는 반면, 풍하중, 수평변 위 및 층간변위가 증가할 수 있다. 그러나 모듈러 건물에서 모든 바닥의 충분한 격막작용을 기대하 기 위해서는 유닛 간의 연결상세에 특별한 주의 가 필요하기 때문에, 유닛 연결부의 시공성 개선 이 보다 중요한 상황에서는 부분 강막의 개념이 적용될 수 있다.

    모듈러 건축은 국내 건설산업이 직면하고 있는 노동집약적 방식의 문제를 개선할 수 있는 공업화 공법으로 주목받고 있다. 해외 선진국에서는 최근 32층 규모까지 확장적으로 적용되고 있지만, 국내의 경우 5층 이하의 소규모 건물에만 적용이 제한되고 있으며 관련된 기술도 아직 도입수준에 머무르는 실정이다. 국내에서 모듈러 건축의 확대 및 고층화 를 위해서는 지속적인 연구가 수행되어야 할 것이 며, 이 논문을 통해 수행된 연구는 향후 국내 고층 모듈러 건물의 구조시스템 설계시 기초자료로 활용 될 수 있을 것으로 판단된다.

    감사의 글

    이 연구는 2015년도 국토교통부 주거환경연구사업 (15RERP-B095766-02)의 연구비 지원에 의해 수행되었습 니다.

    Figure

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    Modular construction

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    Atlantic Yards B2 (USA)7)

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    SOHO Tower (Australia)8)

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    Prototype architectural plans

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    Typical structural systems

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    Structural analysis models

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    Lateral displacements under wind load (residential building)

    KASS-16-79_F8.gif

    Seismic drift (residential building)

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    Lateral displacements under wind load (hotel)

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    Seismic drift (hotel)

    Table

    Typical floor loads

    Parameters of wind load

    Parameters of seismic load

    Maximum tip displacement due to wind load (residential building)

    Maximum tip displacement due to wind load (hotel)

    Weight of structural components

    Note) Unit: kN/m2

    Effect of floor diaphragm

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