현대는 도시지역의 인구 집중으로 인해 초고층 건물의 요구가 높아지고 이에 따라 건물의 평균 높이가 증가하고 있다. 인구 밀집으로 인한 지가 상승과 건물 고층화로 인해 한정된 대지를 효율적으로 사용하는 건축 계획의 중요성도 커지고 있다. 특히, 초고층 건물의 세장비는 건물의 폭과 높이를 대한 정보로써, 한정된 대지에 건설가능한 건물의 규모를 파악하는데 중요한 요소가 된다.
초고층 건물의 설계와 해석은 고가의 전문 구조해석 프로그램으로 수행되고 있으며 초고층 건물은 해석이외에 추가적으로 풍동실험을 동반하고 있다. 그러나 계획단계에서 초고층 건물의 규모를 파악하기 위해 프로그램 해석 및 풍동실험은 많은 시간과 비용이 요구되고 비효율적이다. 이에 초고층 건물의 규모 파악을 위한 간편식이 요구된다.
본 논문은 간편식 제안을 위해 초고층 건물의 횡변위 제어에 효과적인 아웃리거 구조시스템에 대한 연구를 진행하였다. 기존의 아웃리거 구조시스템의 연구는 최적위치를 찾기 위한 연구가 많이 진행되었으나 건물의 폭은 고려하지 않았고, 아웃리거 시스템과 건물의 세장비를 동시에 고려한 연구는 전무한 실정이다. 아웃리거의 최적위치 연구에서 건물의 세장비는 연구자의 판단에 의해 임의로 설정되는 경우가 많았다. 그러나 합리적인 건물의 세장비를 파악하기 위해서 추가적인 연구가 필요하다.
이에 본 연구는 초고층 아웃리거 구조시스템의 효율적인 규모 파악을 위해 횡변위 제한값을 만족하는 한계세장비 계산식을 제안하였다. 여기서 ‘한계세장비’란 건물의 횡변위가 제한값과 같아질 때의 세장비를 뜻한다. 제안식은 아웃리거 최적위치 계산식의 건물 폭 변수를 세장비 변수로 변환하고, 최적위치에 아웃리거가 설치된 건물의 세장비 변화에 따른 횡변위를 계산하는 식을 유도하였다. 제안식의 중요 변수인 세장비는 건물의 높이/폭 비로 정의하고, 본 논문에서의 세장비 변화는 높이를 고정한 상태에서 폭의 감소로 인한 증가로 가정하였다. 제안식의 검증을 위해 범용구조해석 프로그램인 MIDAS Gen을 사용하여 제안식과 해석 결과를 비교하였다. 해석모델은 코어 골조구조를 기본으로 아웃리거 시스템을 적용한 구조시스템을 연구대상으로 하였다. 기본모델의 규모는 150m에서 국내 건물에서 많이 보이는 높이인 400m까지 50m단위로 증가 시켰고, 제안식과의 비교를 위해 각 높이별로 세장비를 3에서 6까지 변화시켰다. 예비해석에서 기본모델의 변위의 경향을 확인하기 위해 코어의 비율은 모델면적의 10%로 설정하고 제안식의 가정에 따라 세장비가 변화하여도 코어비율은 10%를 유지하도록 하였다. 아웃리거 설치는 단일인 모델 군과 두개인 모델 군으로 하였고, 단일 아웃리거 설치 위치는 기존에 제시 되었던 최상층으로부터 0.455L지점, 이중 아웃리거 설치위치는 최상층(L)으로부터 0.312L, 0.685L위치에 설치하였으며, 단일 층으로 전단벽 아웃리거를 설치하였다. 기본모델의 대상으로 해석을 수행한 후 제안식과의 비교를 통해 횡변위 오차의 경향을 파악하고, 모델의 강성변화(설치층수, 코어비율, 기둥배치, 재료강도)를 통해 제안식과의 오차를 줄일 수 있는 변수의 적정 범위를 제안하였다.
제안된 한계세장비 계산식은 아웃리거를 설치한 초고층 구조물에 적용 가능하고, 건물 계획단계에서 건물의 최대높이, 최소 폭 등을 계산하는데 있어서, 고가의 전문 프로그램해석과 풍동실험에 의한 작업을 생략할 수 있으므로, 건설 가능한 건물 규모를 파악하는데 있어서 시간을 줄일 수 있으며, 간단하고 명확한 제안식은 실무에 쉽게 적용 가능할 것이라 판단된다.

In modern times, due to the population concentration and landmark in urban
areas, the number of skyscraper is getting bigger and the height of buildings is
increasing accordingly. Moreover, rise of land price caused by the population
densities leads that the reasonable architectural and structural plans are needed for
high-rise buildings to efficiently utilize them under given land areas. In particular, a
so-called, slenderness ratio of a skyscraper may be one of significant design
parameters to determine the scale of a given building which is economically
constructed on a limited land through information on the width and height of the
building.
The basic and construction design with the interpretation of the skyscraper are
usually carried out by expensive specialized structural analysis softwares, and then
the skyscraper is accompanied by an additional wind tunnel test, if needed.
However, generally, in order to produce the appropriate scale information of
skyscraper buildings at the stage of pre-plans, trial and error of the typical
software interpretation and the wind tunnel test are required. It takes much design
time and labor cost. Therefore, this study proposes a simple pre-design
formulation equation for the purpose of pre-determining and pre-predicting the
scale of skyscraper buildings.
This study deals with the number and position information of a so-called
outrigger structural system which may effectively transfer lateral forces such as
wind loads of mega columns to a given core, because the information of the
outrigger member may be directly related to decide the height and width scales of skyscraper. The proposed outrigger pre-design formulation controls the lateral
displacement at the top of skyscraper based on KBC 2016.
The studies of the existing outrigger structural system have been often treated
to find out the appropriate location and number of outrigger, however they may
not be related to intuitive design comparison informing the scale of the skyscraper
such as the present slenderness ratio of skyscraper. In this study, the optimal
location and number of outrigger combined with the slenderness ratio are set
arbitrarily at the discretion of designers and engineers in the field of high-rise
buildings. Therefore, the reasonable slenderness ratio of buildings are proposed.
This study presents the pre-design formulations to provide appropriate
slenderness ratio which satisfies the lateral displacement limit value of KBC 2016 in
order to effectively find out the scale of the skyscraper, including the position and
number of outrigger structural system. Here, "limit slenderness ratio" means the
slenderness ratio when the lateral displacement of the building is equal to the
restricted value of KBC 2016. The proposed formulation transforms the building
width variable of the outrigger optimal location equation into the slenderness ratio
variable. It derives a formula to calculate the lateral displacement according to the
slenderness ratio change of the outrigger building at the optimal location. The
slenderness ratio, which is a key factor of the proposed formula, is defined as the
height / width ratio of the building, and the slenderness ratio may increase due to
the decrease of width under a specific fixed height. To verify the proposed
equation, the proposed formula results of a given analytical model are compared
with analytical results of commercial MIDAS Gen software for structural analysis.
The analytical model is based on the structural system applying the outrigger
system to the core framed building. The size of the model increases from 150m to
400m with the increment of 50m, and then the slenderness ratio changes 3 to 6
for each fixed height. The core ratio is set to 10% of the model area and is kept
to be 10% in spite of the change in the slenderness ratio. Outrigger installation
consists of a one outrigger model group and a double outrigger model group. A
single outrigger location is installed at 0.455L from the previous top, and a double
outrigger installation location at 0.312L and 0.685L from the top floor. Shear wall
outriggers are installed in a one floor. After the analysis of the basic model, an
appropriate building size are provided to reduce trial and errors through the
comparison with the proposed model.
The proposed the limit slenderness ratio equation is applicable for skyscrapers.
and in calculating the maximum height, minimum width, etc. of a building at the planning stage. Therefore the analysis of expensive specialized programs can be
omitted to reduce design time for determining the size of constructable buildings.
The present outrigger position equation using limit slenderness ratio is deemed to
be easily applicable to the practical work.