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서울대학교 관정도서관 구조설계 - 최대경간 112.5m의 메가구조(Mega Structure)

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  • 하이구조
  • 13-10-29 10:35
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서울대학교 관정도서관 구조설계

(Structural Design of Seoul National University Kwanjeong Library)

 

 

 

 

◐ 최대 경간 112.5M의 메가구조(Mega Structure)

◐ 춤 10.5M, 12M(2개층 높이)의 엇갈린 메가트러스(Staggered Mega Truss)

◐ 철골 보통중심가새골조의 메가기둥(Mega Column)

◐ 건축용 고성능강재(High performance Steel for Architecture), HSA800 사용

 

 

1. 머리말

 

 서울대학교 관정도서관은 서울특별시 관악구 신림동 산 56-1 일대의 지하1층, 지상7층의 건물(연면적 약 25,834M2)로, 『관정 이종환 교육재단』에서 서울대학교에 600억을 기부함으로써 건설되게 되었다. 건축설계는 『테제건축사사무소(대표 유태용)』에서 진행하였으며, 구조설계는 『하이구조기술사사무소(대표 권용근)』가 담당하였다.

건축계획 초기에는 기존의 서울대학교 중앙도서관 옆에 별동의 고층건물로 신축하려 하였으나, 서울대학교의 역사와 추억이 담겨진 대지로 신축이 여의치 않았다. 그래서 기존의 서울대학교 중앙도서관(지하1층, 지상3층)을 수직 증축하는 방향으로 검토가 이루어졌으나, 현재 중앙도서관의 구조형식을 고려해 볼 때 수직증축 시 기존 기둥과 기초의 내력이 부족하여 대대적인 구조보강이 이루어져야 하는데 실질적으로 공사 중 도서관의 운영을 중지할 수 없는 상황이었다. 그래서 기존 서울대학교 중앙도서관과 연계를 이루면서 사용가능한 대지 내에서 관정도서관을 신축하려는 건축가의 고민이 시작되었으며, 이에 건축가에 의해 기존의 중앙도서관과 독립되면서 3개층의 구조물이 상부를 가로지르는 100M 이상의 대경간 건축물이 제안되었고, 이로부터 이를 실현시키고자 건축가와 구조설계자의 많은 의견교환과 협의 그리고 다양한 구조형식에 대한 검토가 그동안 지속적으로 이루어졌다.

 결국 최종 구조형식으로는 기존 중앙도서관의 양 옆으로 2개씩 4개 그리고 뒤쪽 중앙부에 1개로, 총 5개의 코어(Core)로 사용되는 『메가기둥(Mega Column)』과 이들을 연결하면서 기존 중앙도서관 상부를 건너 가로지르는 3개층(5층, 6층, 7층)의 구조물인 최대 경간 112.5M인 『메가트러스(Mega Truss)』로 구성된 『메가구조(Mega Structure)』를 신축하는 것으로 구조설계가 이루어졌다.

 

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[그림1.1] 서울대학교 관정도서관 조감도

[그림1.2] 구조해석 모델링(Modeling)

 본 기사에서는 최대 경간 112.5M의 『메가구조(Mega Structure)』를 구성하고 있는 춤 10.5M, 12M의 2개층 높이에 해당하는 『엇갈린 메가트러스(Staggered Mega Truss)』와 이들 트러스를 지지하면서 횡력저항골조로서 역할을 하는 철골 보통중심가새골조의 5개의 『메가기둥(Mega Column)』 그리고 이들 구조형식에 사용된 『건축용 고성능강재, HSA800』을 중심으로 기본 구조계획과 설계에 대하여 소개하고자 한다.

 

 

 

 

 

 

2. 건축용 고성능강재, HSA800

 

  서울대학교 관정도서관의 구조형식은 지하1층부터 지상4층까지는 철근콘크리트구조(RC조), 철골구조(S조), 철골·철근콘크리트구조(SRC조)가 혼용되어있는 혼합 및 복합구조이며, 지상5층부터 지붕층까지는 철골조(S조)로 이루어져 있다. 구조설계에 사용된 구조재료의 규격 및 기준강도로는 콘크리트의 압축강도 24MPa, 철근은 직경 16mm 이하는 SD400(fy=400MPa)을 직경 19mm 이상은 SD500(fy=500MPa), 철골은 SS400, SM490, STK400, HSA800을 사용하였다.

여기서 특히 『HSA800』은 High performance Steel for Architecture의 약어로 해석 그대로 건축용 고성능강재이며, 인장강도가 800~950MPa, 항복강도가 650~770MPa에 달하여 SM520TMC, SM570TMC강에 비하여 인장강도가 40% 이상 확보되며, 용접성과 내진성능이 우수하여 강재물량의 절감 및 양중부하감소에 효과적인 강재이다. 한편『HSA800』은 현재 포스코(POSCO)에서 최대두께는 100mm까지 생산가능하며, 구조설계 시 판두께가 40mm를 초과하여도 강재의 재료강도를 저감하지 않는 고강도·고성능강재이다. HSA800의 판매가격은 열간압연강재에 비하여 약 1.5~1.8배에 해당한다.

  본 구조설계에서는 『엇갈린 메가트러스(Staggered Mega Truss)』와 『메가기둥(Mega Column)』으로 구성된 『메가구조(Mega Structure)』에 대하여 『HSA800』을 사용하였는데, 이는 이들 부재의 내력이 커서 고강도의 강재가 필요했으며, 시공 시 트러스의 양중 및 리프트업(Lift-Up)이 예상되었으므로 부재를 가급적 가볍게 만들어 양중부하를 감소시키기 위해서였다.

건축구조용 고성능강재, HSA800 (KS D 5994)

항 복 비

0.85 이하

항복강도 (MPa)

650 ~ 770

인장강도 (MPa)

800 ~ 950

최대두께 (mm)

100

사르피충격에너지

47J@-5℃

연 신 율

0.16 이상 (5호, 9t ~ 16t)

0.24 이상 (5호, 16t ~ 20t)

0.16 이상 (4호, 20t ~ )

탄소당량 (Ceq)

0.6 이하

용접균열감수성 (PCM)

0.3 이하

 

 

[표2.1] HSA800 (High performance Steel for Architecture)의 기계적 성질

 

  우리 구조팀은 구조설계 초기부터 『HSA800』의 사용여부를 두고 『포항산업과학연구원 강구조연구소(RIST)』와 긴밀한 협조관계를 유지하였으며, 이를 통하여 강재의 단가 및 수급, 부재 제작, 품질, 골조공사비, 용접성능, 접합부, 시공방법 등을 검토하였다. 참고로 『건축용 고성능강재, HSA800』의 기계적 성질을 정리하면 [표2.1]과 같다.

 

 

 

3. 메가구조 (Mega Structure)

 

 서울대학교 관정도서관의 『메가구조(Mega Structure)』는 총 5개의 『메가기둥(Mega Column)』과 이들을 지점으로 연결되는 4개열의 『메가트러스(Mega Truss)』로 구성되어있다.

먼저 [그림3.1]에서 강조된 5개의 『메가기둥(Mega Column)』이 보이는데, 평면상 양 옆으로 4개는 7.5m× 7.5m, 중앙부 1개는 11.25m× 7.5m의 사각형 모듈을 가지고 있다. 사각형 모듈의 모서리에는 용접제작하는 각형강관(□-800× 800× 60t)이 설치되어있고, 이들 각형강관을 기준으로 서로 수평부재와 대각부재가 연결되어 기초로부터 위로 솟아 있는 캔틸레버형태의 철골수직트러스 즉 철골 보통중심가새골조를 이루고 있다. 여기서 철골수직트러스를 구성하는 수평부재와 대각부재도 용접제작 각형강관으로 구성되어있다. 이들 『메가기둥(Mega Column)』은 건축적으로 계단실, 엘리베이터실 등의 코아(Core)로 사용되는데, 건축의 동선에 지장이 없도록 가새의 배치 및 방향을 조정하였다.

 

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[그림3.1] 메가기둥(Mega Column)

 

 『메가트러스(Mega Truss)』는 『메가기둥(Mega Column)』에 지지되어 Y1열, Y2열, Y3열, Y4열의 총 4개열에 형성되는데, 이들 열 사이의 거리는 7.5M에 해당한다. 이들 『메가트러스(Mega Truss)』는 기존 중앙도서관의 지붕층 상부를 떠서 관정도서관의 지상5층에서 지상7층까지 3개층을 지지하게 된다.

[그림3.2]에서와 같이 Y1열과 Y2열에 해당하는 트러스는 순경간이 최대 112.5M에 달하고, Y3열과 Y4열에 해당하는 트러스는 순경간이 최대 67.5M에 달한다. 또한 『메가트러스(Mega Truss)』는 춤이 2개 층고에 해당하는 높이로, Y2열과 Y3열의 내부 트러스는 지상5층과 지상6층에서 형성되지만, Y1열과 Y4열의 외곽 트러스는 지상6층과 지상7층에 형성되어 내부 트러스와 외곽 트러스는 서로 1개층 엇갈려 있는 『엇갈린 메가트러스(Staggered Mega Truss)』의 형태를 이룬다.

 

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[그림3.2] 메가트러스(Mega Truss)

 

  Y1열, Y2열, Y3열, Y4열의 총 4개열에 형성되는 『메가트러스(Mega Truss)』는 모두 HSA800을 사용한 용접제작 각형강관으로 구성되는데, 각 트러스의 형태를 좀 더 자세히 살펴보면 다음과 같다.

① Y2열에 형성되는 『메가트러스, MT1』은 순경간이 112.5M로, 지상5층 바닥부터 지상7층 바닥까지 트러스 춤이 2개층(5층, 6층)에 해당하는 높이인 10.5M로, 지상5층 바닥에서 하현재가, 지상6층 바닥에서 중현재가, 지상7층 바닥에서 상현재가 있으며, 상현재와 하현재의 격간거리가 11.25m인 와렌트러스(Warren Truss) 형식의 경사재로 구성되어있다.

② Y3열에 형성되는 『메가트러스, MT2』는 순경간이 67.5M, 33.75M로, 지상5층 바닥부터 지상7층 바닥까지 트러스 춤이 2개층(5층, 6층)에 해당하는 높이인 10.5M로, 지상5층 바닥에서 하현재가, 지상6층 바닥에서 중현재가, 지상7층 바닥에서 상현재가 있으며, 상현재와 하현재의 격간거리가 11.25m인 와렌트러스(Warren Truss) 형식의 경사재로 구성되어있다.

③ Y1열에 형성되는 『메가트러스, MT3』은 순경간이 최대 112.5M이고 한쪽 캔틸레버 길이가 18M로, 지상6층 바닥부터 지붕층까지 트러스 춤이 2개층(6층, 7층)에 해당하는 높이인 12M로, 지상6층 바닥에서 하현재가, 지상7층 바닥에서 중현재가, 지붕층에서 상현재가 있으며, 상현재와 하현재의 격간거리가 11.25m인 와렌트러스(Warren Truss) 형식의 경사재로 구성되어있다. 또한 지상6층 바닥의 하현재와 경사재가 만나는 절점에서 인장재인 원형강관을 사용하여 지상5층의 내밀어진 바닥부분을 매달고 있다.

④ Y4열에 형성되는 『메가트러스, MT4』는 순경간이 67.5M, 33.75M이고 한쪽 캔틸레버 길이가 18M로, 지상6층 바닥부터 지붕층까지 트러스 춤이 2개층(6층, 7층)에 해당하는 높이인 12M로, 지상6층 바닥에서 하현재가, 지상7층 바닥에서 중현재가, 지붕층에서 상현재가 있으며, 상현재와 하현재의 격간거리가 11.25m인 와렌트러스(Warren Truss) 형식의 경사재로 구성되어있다. 또한 지상6층 바닥의 하현재와 경사재가 만나는 절점에서 인장재인 원형강관을 사용하여 지상5층의 내밀어진 바닥부분을 매달고 있다.

 

 

 

4. 엇갈린 메가트러스 (Staggered Mega Truss)

 

  서울대학교 관정도서관의 『메가구조(Mega Structure)』에서 4개열의 『메가트러스(Mega Truss)』는 중력저항골조로서 주로 중력하중인 고정하중(Dead Load)과 활하중(Live Load)을 지지하는 역할을 한다.

  중력하중을 살펴보면, 지상5층, 6층, 7층은 주로 자유열람실, 정보검색실, 멀티미디어실, 세미나실 등으로 사용되는데, 이들 바닥에는 철근일체형 데크플레이트를 사용한 150mm의 철근콘크리트 슬래브 위에 판넬히팅이 설치된다. 따라서 구조설계 시 지상5층 바닥에서 지상7층 바닥의 고정하중(Dead Load)은 5.8 kN/m2, 활하중(Live Load)은 7.5 kN/m2을 적용하였다. 또한 지붕층은 많은 부분 태양광 집열판이 놓이며 일부 구간에 공조기, 냉각탑 등이 설치되는데, 이들 바닥에는 철근일체형 데크플레이트를 사용한 150mm의 철근콘크리트 슬래브 위에 방수층과 무근콘크리트 및 패드(Pad)가 깔린다. 따라서 구조설계 시 지붕층의 고정하중(Dead Load)은 9.3~15.3 kN/m2, 활하중(Live Load)은 5.0~7.5 kN/m2 을 적용하였다.

  『메가트러스(Mega Truss)』의 형상에 대해서는 초기 계획단계에서부터 건축가와의 많은 협의와 함께 다양한 구조형식에 대한 검토와 논쟁이 이루어졌다. 예를 들어“실질적으로 100M가 넘는 이런 대경간구조가 가능할 것인가?”라는 근본적인 의구심으로부터“케이블을 이용한 현수구조 또는 사장구조는 어떠한가?”, “메가트러스는 2개열이 적절한가? 또는 4개열이 적절한가?”, “메가트러스의 춤은 2개층이 적당한가? 아니면 3개층이 적당한가?”등과 같은 질문들과 이들에 대한 구조검토가 계속되었다. 또한 트러스의 경사재가 실 내부에 노출되는 관계로, 미적으로 아름다운 경사재의 배치계획과 실의 구획이 큰 관심사로 떠올랐다. 건축가는 원형강관보다는 각형강관의 경사재를 선호하였으며, 경사재의 방향에 따른 프랫트러스(Pratt Truss), 하우트러스(Howe Truss), 와렌트러스(Warren Truss) 등에 대한 검토가 이루어졌으며, 1개층 정도는 대공간으로 사용할 수 있는 실의 용도를 원하였다.

이렇게 건축가와의 많은 협의와 고민, 그리고 수많은 검토 끝에 결국, 최대 경간 112.5M의 4개열의 2개층 높이를 가진 와렌트러스(Warren Truss) 형식의 『엇갈린 메가트러스(Staggered Mega Truss)』가 탄생하게 되었다.

  『메가트러스(Mega Truss)』의 각층 내부에서 바라본 경사재의 배치 및 모양을 살펴보면 다음과 같다.

① [그림4.1]은 지상5층 내부에서 바라본 『메가트러스(Mega Truss)』경사재의 모습으로, 내부 트러스 MT1과 MT2 의 경사재가 서로 7.5M 간격을 두고 대칭으로 V모양을 이루면서 각자 11.25M 간격으로 배열되어있다.

② [그림4.2]는 지상6층 내부에서 바라본 『메가트러스(Mega Truss)』경사재의 모습으로, 내부 트러스 MT1과 MT2 의 경사재가 서로 7.5M 간격을 두고 대칭으로 역V모양을 이루면서 각자 11.25M 간격으로 배열되어있다. 그리고 외곽 트러스 MT3과 MT4 의 경사재가 서로 22.5M 간격을 두고 대칭으로 V모양을 이루면서 각자 11.25M 간격으로 배열되어있다. 이와 같이 지상6층에서는 4개열 트러스의 경사재가 모두 보이며, 내부 트러스의 경사재는 역V모양을, 외곽 트러스의 경사재는 V모양을 이루면서 서로 어긋나게 7.5M의 열 간격을 두고, 각자 11.25M 간격으로 배열되어있다.

③ [그림4.3]은 지상7층 내부에서 바라본 『메가트러스(Mega Truss)』경사재의 모습으로, 외곽 트러스 MT3과 MT4 의 경사재가 서로 22.5M 간격을 두고 대칭으로 역V모양을 이루면서 각자 11.25M 간격으로 배열되어있다. 그리고 지상7층 바닥은 내부 트러스 MT1과 MT2의 상현재가 설치되는 곳으로, 내부에 경사재 및 수직재가 없어서 양 옆으로 경간 22.5M의 대공간을 구축하고 있다.

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[그림4.1] 지상5층 메가트러스(Mega Truss)의 경사재

 

 

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[그림4.2] 지상6층 메가트러스(Mega Truss)의 경사재

 

 

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[그림4.3] 지상7층 메가트러스(Mega Truss)의 경사재

 

  한편 구조해석 및 구조설계결과, 『건축용 고성능강재, HSA800』을 사용한 『메가트러스(Mega Truss)』들의 각형강관의 크기는 다음 [그림4.4]와 같다.

지상5층과 지상6층의 천정고(Ceiling Height) 및 덕트(Duct)를 고려할 때, 구조설계 시 지상6층과 지상7층 바닥의 빔(Beam)의 최대 춤이 600mm로 제한되었다. 따라서 지상5층, 지상6층 그리고 지상7층 바닥에 설치되는 『메가트러스(Mega Truss)』의 각종 현재(Chord Member), 즉 상현재, 중현재, 하현재의 춤을 600mm로 하였다. 또한 지붕층의 빔(Beam)은 경간 22.5M의 대공간을 구축하려고 춤이 1500mm인 조립보(Built Up Beam)로 평판보(Plate Beam)를 사용한 관계로, 이와 춤을 일치시키고자 지붕층에 형성되는 『메가트러스(Mega Truss)』 MT3과 MT4의 상현재(Upper Chord Member)의 춤을 1500mm로 하였다. 한편 『메가트러스(Mega Truss)』의 모든 현재(Chord Member), 즉 상현재, 중현재, 하현재의 폭은 400mm로 통일하였는데, 이는 경사재의 폭과 일치시킴으로써 접합부에서의 내부 다이어프램(Diaphragm)의 설치를 최소화시키기 위함이다.

『메가트러스(Mega Truss)』들의 각형강관의 웨브(Web) 및 플랜지(Flange)의 두께는 『건축용 고성능강재, HSA800』의 제작품질, 용접성, 접합부 등을 고려하여 60mm 이하로 조정하였다.

 

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[그림4.4] 메가트러스(Mega Truss)의 부재크기

 

  한편 구조해석결과에 의한 『메가트러스(Mega Truss)』 MT1, MT2, MT3, MT4의 고정하중(D.L)과 활하중(L.L)에 의한 처짐량을 살펴보면 [그림4.5]와 같다.

 

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[그림4.5] 메가트러스(Mega Truss)의 처짐

 

 [그림4.5]에서 보는 바와 같이 고정하중(D.L)과 활하중(L.L)을 합한 사용하중(D.L+L.L)에 대한 처짐(δD.L+L.L)은 『메가트러스 MT1』의 경우 순경간(L) 112.5M에 대하여 136mm로 약 L/830, 『메가트러스 MT2』의 경우 순경간(L) 67.5M에 대하여 82mm로 약 L/830, 『메가트러스 MT3』의 경우 순경간(L) 112.5M에 대하여 144mm로 약 L/780, 『메가트러스 MT4』의 경우 순경간(L) 67.5M에 대하여 85mm로 약 L/800의 처짐을 보였다. 이들 처짐량은 각종 설계기준에서 권장하는 허용처짐량 이내의 값 보다 훨씬 작은 값으로, 현재 각각의 『메가트러스(Mega Truss)』는 처짐 및 진동에 대한 안전적임을 확인할 수 있다. 다만 트러스간의 처짐에 대한 상대변위가 건물의 구조적 또는 사용상 문제가 될 수 있으므로, 각 『메가트러스(Mega Truss)』는 [그림4.6]과 같이 선형형태의 치올림(Camber)을 하여 트러스간의 처짐에 대한 상대변위를 최소화시키려 노력하였다. 본 『메가트러스(Mega Truss)』는 『건축용 고성능강재, HSA800』을 사용한 대경간구조물임에도 불구하고, 구조설계상 처짐 보다는 응력에 의하여 부재들의 크기가 결정되었다. 이에 『건축용 고성능강재, HSA800』은 높은 강성보다는 높은 강도가 요구되고, 시공 시 양중에 따른 부재의 경량화가 필요한 구조물에 적용하는 것이 매우 효율적임을 느낄 수 있었다.

 

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[그림4.6] 메가트러스(Mega Truss)의 치올림

 

  한편 『메가트러스(Mega Truss)』는 최대경간 112.5m을 가진 대경간 철골구조로, 시공 시 외기 온도차 및 사용 시 실내 온도차를 고려하여 ±30℃의 온도하중을 구조설계에 반영하였다. 온도하중을 적용한 구조부재의 소요강도에 대한 하중조합은 1.2D + 1.2T + 1.6L을 사용하였으며, 처짐 검토에 대한 하중조합은 1.0D + 1.0T + 1.0L을 적용하였다. 온도하중을 고려하여 검토한 결과, 『메가트러스(Mega Truss)』는 중력하중만을 고려하여 설계한 것 보다 일부 경사재가 온도응력의 영향을 받아 단면크기가 커짐을 알 수 있었다.

 

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[그림4.7] 온도하중에 의한 처짐 검토

 

 

 

5. 메가기둥 (Mega Column)

 

  서울대학교 관정도서관의 『메가구조(Mega Structure)』에서 5개의 『메가기둥(Mega Column)』은 『메가트러스(Mega Truss)』의 중력하중을 지지할 뿐만 아니라 횡력저항골조로서 지진하중(Earthquake Load)과 풍하중(Wind Load)을 지지하는 역할을 한다. 특히 국토해양부 고시 『건축구조기준 2009(KBC 2009)』에 의한 기본 지진력저항시스템으로는 『건물골조시스템으로 철골 보통중심가새골조』를 선택하여 『메가구조(Mega Structure)』에 작용하는 설계지진력의 100%를 5개의 『메가기둥(Mega Column)』이 모두 저항하도록 설계하였다. 지진하중산정에 있어서 지역계수(S)는 0.176, 지반종류는 Sc, 중요도계수(IE)는 1.2, 반응수정계수(R)는 3.25, 변위증폭계수(Cd)는 3.25를 적용하였다.

다음 [그림5.1]은 『메가기둥(Mega Column)』의 층전단력비(Story Shear Force Ratio)를 보여주고 있는데, 이를 통하여 『메가기둥(Mega Column)』이 설계지진력의 100%를 모두 부담하고 있음을 확인할 수 있다.

 

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[그림5.1] 층전단력비(Story Shear Force Ratio)

 

  한편 『메가구조(Mega Structure)』가 횡구속골조임을 층안정성지수를 통해 확인할 수 있다. 층안정성지수(안정계수, θ)는 지진하중에 의한 1차 휨모멘트(Vx hsx)에 대한 2차효과 휨모멘트(Px δ/Cd)의 상대적인 값으로, 해당수치가 0.05이하일 경우에 횡구속골조로 정의할 수 있다. 다음 [그림5.2]의 해석결과 값을 통해 각 층의 안정계수 (θ)가 0.05이하인 것을 확인할 수 있다.

 

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[그림5.2] 안정계수(θ) (Stability Coefficient)

 

  또한 내진등급Ⅰ로 분류되는 본 건물의 허용층간변위(δa))는 0.015hsx이며, [그림5.3]은 지진하중에 대한 최대층간변위를 검토한 결과로, 모두 허용층간변위(δa) 이내임을 알 수 있다.

 

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[그림5.3] 지진하중에 대한 층간변위 검토

 

  한편 횡력 작용 시 바닥슬래브는 해당 층의 구조물들이 일체로 거동하도록 서로 연결하거나 결속시키는 강한 격막으로서의 역할을 하는 구조요소이다.

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[그림5.4] 바닥슬래브의 강한 격막 검증 해석

 

  바닥슬래브의 강한 격막은 수평으로 놓인 강성이 큰 깊은 보와 유사하여 각 층에서 발생한 지진하중을 수직방향의 횡력저항골조인 『메가기둥(Mega Column)』으로 전달한다. 이때 바닥슬래브가 강한 격막으로 분류되면 층지진하중은 해당 층의 횡력저항골조의 횡강성비에 따라 분배된다. 미국IBC에서는 바닥슬래브의 중앙점 변위가 양단부 지점변위 평균의 2배 미만인 경우를 강한 격막으로 정의하고 있다. 본 구조설계에서는 지상5층부터 지붕층까지의 바닥슬래브를 [그림5.4]와 같이 바닥판의 강성, 개구부 등을 고려하여 유한요소해석을 실시하였으며, 이에 각 층의 철근콘크리트 바닥슬래브가 두께 150mm로 강한 격막의 역할을 하고 있음을 확인할 수 있었다. 그러나 시공 시 발생할 수 있는 각종 오차와 비틀림, 그리고 그것으로 인해 발생할 수 있는 예상치 못하는 추가응력을 고려하고, 67.5M의 비교적 긴 바닥슬래브의 격막작용을 보강하기 위하여 [그림5.5]와 같이 바닥슬래브 하부에 L형강(L-90×90×6t)으로 바닥 브레이싱(Bracing)을 설치하였다.

 

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[그림5.5] 바닥 브래이싱(Bracing) 설치

 

  한편, 동적해석에 따른 『메가구조(Mega Structure)』의 모드별 진동수(Frequency) 및 진동주기(Period)는 [그림 5.6]과 같다.

 

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[그림5.6] 동적해석에 따른 모드별 진동수와 진동주기

 

 

 결국 구조해석 및 구조설계결과, 『건축용 고성능강재, HSA800』을 사용한 『메가기둥(Mega Column)』들의 각형강관의 크기는 다음 [그림5.7]과 같다.

수직부재(MC1)는 □-800×800×60t,

가새(MD1~MD3)는 □-600×600×40~60t×40~60t,

수평부재(MHG1~MHG3)는 □-400×400~600×15t로 설계되었다.

 

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[그림5.7] 메가기둥(Mega Column)의 형상 및 부재크기

 

 

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[그림5.8] 메가기둥(Mega Column)의 접합부

 

  한편 [그림5.8]과 같이 『메가기둥(Mega Column)』의 구성 부재 간의 접합부는 내부 다이어프램(Inner Diaphragm)을 적용하였으며, 단부는 헌치(Hunch)처리를 하였다. 이는 내부 다이어프램(Inner Diaphragm)의 개수를 최소화시키면서 구조적 예술성, 시공성, 안전성, 경제성 등을 고려한 것이다.

 

 

 

6. 맺음말

 

  서울대학교 관정도서관은 인류 건축구조물의 역사를 통해서 볼 때, 지상 3개층의 건축물을 최대 경간 112.5M의 『메가트러스(Mega Truss)』로 구성한 세계적인 대경간구조물이 될 것이다. 그리고 현재 우리나라에서 생산되는 가장 높은 강도를 가진 강재인 『건축용 고성능강재, HSA800』을 다량 사용함으로써 우리나라의 고강도 강재기술 및 실용화에 이바지하는 계기가 되기를 기대한다.

  2013년 5월, 서울대학교 관정도서관의 기본설계를 토대로 한 시공기술제안 및 입찰을 통하여 ㈜대우건설이 시공사로 확정되었고, 현재 ㈜대우건설이 착공과 함께 V.E 를 진행하고 있다. ㈜대우건설은 『메가구조(Mega Structure)』의 시공방법으로 『메가기둥(Mega Column)』을 선행시공한 후에 기존 중앙도서관의 뒤쪽 지상2층 높이의 대지에서 『메가트러스(Mega Truss)』를 조립하여 리프트업(Lift-Up)에 의한 『메가트러스(Mega Truss)』의 양중과 함께 슬라이딩(Sliding)에 의한 수평이동 및 설치하는 공법을 채택하고 있다. 이에 『메가구조(Mega Structure)』의 품질확보를 위한 공사 중 용접부 검사, 수직·수평 레벨(Level) 검측, 사전 시뮬레이션(Simulation) 수행, 실시간 모니터링(Monitoring) 등 철저한 시공 및 품질관리가 요구된다. 아무쪼록 구조설계자로서 서울대학교 관정도서관의 훌륭한 완성을 기원하며, 추후 이들 시공방법 및 품질관리에 대한 기술기사가 소개되기를 기대해 본다.

 

 

 

 

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