중국의 개혁 개방 이후 건설 산업은 비약적으로 발전했습니다. 지난 10년 동안 중국은 연면적 2억 평방미터에 달하는 고층 건물 10,000개를 건설했습니다. 대표적인 건물로는 81층, 높이 325m의 선전 왕디 빌딩이 있습니다. 80층 높이의 광저우 중톈광장은 322미터, 총 88층 높이의 상하이 진마오 타워는 420.5미터에 달합니다. 또한 난닝에는 54층, 206.3미터의 왕디 국제 상공회의소 왕디 빌딩이라는 최초의 고층 빌딩도 건설되었습니다. 도시화가 가속화되면서 중국 전역에 고층 건물이 우후죽순처럼 생겨나고 있습니다. 토목 설계자는 고층 건물과 구조 시스템의 구조 설계 특성을 완전히 이해해야 합니다. 그래야만 설계가 첨단 기술, 경제적 합리성, 안전성 및 적용 가능성, 품질 보증의 기본 원칙을 달성할 수 있습니다.
I. 고층 건물의 구조 설계 특성
저층 및 다층 건물에 비해 고층 건물의 구조 설계는 모든 분야에서 더 중요한 위치를 차지합니다. 다양한 구조 시스템의 선택은 건물 계획의 레이아웃, 파사드 모델링, 층 높이, 기계 및 전기 파이프 라인 설정, 건설 공정의 요구 사항, 건설 기간 및 투자 비용과 직접적으로 관련이 있습니다. 주요 특징은 다음과 같습니다.
(A) 수평력이 주요 설계 요소입니다.
저층 및 다층 건물 구조에서는 중력으로 대표되는 수직 하중이 구조 설계를 제어하는 경향이 있습니다. 고층 건물에서는 수직 하중이 여전히 구조 설계에 중요한 영향을 미치지만 수평 하중이 결정적인 역할을 합니다. 수직 구성 요소의 자중과 바닥 하중으로 인한 축력 및 굽힘 모멘트 값은 건물 높이의 1 차에 비례하는 반면, 구조물의 수평 하중과 수직 구성 요소로 인한 축력으로 인한 전복 모멘트는 건물 높이의 2 차에 비례하기 때문입니다. 반면, 일정 높이의 건물의 경우 수직 하중은 일반적으로 일정하지만 수평 하중인 풍하중과 지진 작용의 값은 구조 동역학에 따라 크게 달라집니다.
(ii) 횡방향 변위가 제어 지표가 되다
저층 또는 다층 건물과 달리 고층 구조물의 설계에서 구조 횡방향 변위는 핵심적인 요소가 되었습니다. 건물 높이가 증가함에 따라 수평 하중을 받는 구조물의 횡방향 변형은 급격히 증가하며, 이는 건물 높이 h의 4제곱(△ = qh4/8ei)에 비례합니다.
또한 높이의 증가, 경량 및 고강도 재료의 적용, 새로운 건물 형태 및 구조 시스템의 출현, 측면 변위의 급격한 증가, 고층 건물의 설계에는 충분한 강도뿐만 아니라 충분한 추력 저항 강성이 필요하며 수평 하중의 작용에 따른 측면 변위의 구조가 일정 범위 내에서 제어되며 그렇지 않으면 다음과 같은 현상이 발생합니다.
1. 측면 변위는 특히 수직 부재의 경우 큰 추가 내부 힘을 생성합니다. 횡방향 변위가 증가하면 편심은 더욱 심해집니다. 추가적으로 발생하는 내부 힘이 일정 값을 초과하면 집이 무너집니다.
2. 거주자에게 불편함이나 공포를 유발한다.
3. 내력벽이나 건물 마감재의 균열 또는 손상, 전기 및 기계 설비 배관의 손상, 승강기 트랙의 변형으로 인해 불규칙한 작동을 초래합니다.
4. 주요 구조 요소에 중대한 균열 또는 손상을 초래하는 경우.
(C) 내진 설계 요구 사항이 더 높음
내진 고층 건물의 구조 설계는 정상적인 사용 중 수직 하중과 풍하중을 고려할뿐만 아니라 구조가 우수한 내진 성능을 갖도록하여 작은 지진에도 손상되지 않고 큰 지진에도 붕괴되지 않도록해야합니다.
(라) 고층 건물의 무게를 줄이는 것은 다층 건물보다 더 중요합니다.
고층 건물의 자체 중량을 줄이는 것이 다층 건물보다 더 중요하다. 기초나 말뚝의 지지력을 고려할 때, 같은 기초나 말뚝을 사용하더라도 기초 및 처리 비용의 증가 없이 건물의 무게를 줄이면 더 많은 층을 건설할 수 있어 연약지반에서는 경제적인 이점이 뛰어납니다.
내진 효과는 건물의 무게에 정비례하므로 건물의 무게를 줄이는 것은 구조물의 내진 능력을 향상시키는 효과적인 방법입니다. 고층 건물 무게는 지진 전단력의 구조에 작용할뿐만 아니라 무게 중심이 높기 때문에 전복 모멘트가 크고 수직 부재에 큰 추가 축 방향 힘을 생성하고 큰 추가 모멘트를 생성합니다.
(E) 축방향 변형도 무시할 수 없습니다.
고층 건물의 프레임 시스템 및 프레임 전단 벽 시스템에서 프레임 중간 기둥의 축 방향 압축 응력은 종종 측면 기둥보다 크며 중간 기둥의 축 방향 압축 변형은 측면 기둥보다 큽니다. 건물이 매우 높으면 축 방향 변형의 차이가 큰 값에 도달하고 결과는 연속 보의 중간 지지대가 가라 앉는 것과 동일하여 연속 보의 중간 지지대에서 음의 모멘트가 감소하고 스팬에서 양의 모멘트와 끝 지지대에서 음의 모멘트가 증가합니다.
(6) 개념 설계는 이론적 계산만큼이나 중요합니다.
내진 설계는 계산 설계와 개념 설계의 두 부분으로 나눌 수 있습니다. 고층 건물 구조물의 내진 설계 및 계산은 특정 가정하에 수행됩니다. 해석 방법이 지속적으로 개선되고 해석 원리가 지속적으로 개선되고 있지만 지진 작용의 복잡성과 불확실성, 기초 토양의 영향의 복잡성 및 구조 시스템 자체의 복잡성으로 인해 이론적 분석 및 계산은 실제 상황과 몇 배나 다를 수 있으며 특히 구조가 탄성-소성 단계에 들어가면 국소 균열이나 구성 요소 손상이 발생하여 기존 계산 원리로 구조물을 해석하기가 어렵습니다. 실무에 따르면 설계에서 고층 건물의 개념 설계를 파악하는 것도 매우 중요합니다.
둘째, 고층 건물의 구조 시스템
(가) 고층 건물의 구조 설계 원칙
1. 철근 콘크리트 고층 건물의 구조 설계는 건물, 장비 및 시공과 긴밀히 조화되어 적용 가능하고 기술적으로 진보되고 경제적으로 합리적이고 새로운 기술, 신기술 및 신소재를 적극적으로 채택해야하며, 구조의 안전성을 달성하기 위해 건물, 장비 및 시공과 밀접하게 조화되어야합니다.
2. 고층 건물의 구조 설계에서 구조 선택 및 시공에주의를 기울이고 경제적으로 합리적이고 우수한 내진 및 내풍 구조 시스템과 프로그램 레이아웃의 계획 및 높이를 선택하고 구조적 연결 강화에주의를 기울여야합니다. 내진 설계에서 구조물의 전체 내진 성능을 보장하여 전체 구조물이 충분한 지지력, 강성 및 연성을 갖도록해야합니다.
(2) 고층 건물의 구조 시스템 및 적용 범위
현재 국내 고층 건물은 기본적으로 철근 콘크리트 구조를 사용하고 있습니다. 구조 시스템에는 프레임 구조, 전단벽 구조, 프레임-전단벽 구조, 사일로 구조 등이 있습니다.
골조 구조 시스템. 골조 구조 시스템은 바닥 덮개, 보, 기둥 및 기초의 네 가지 하중지지 부재로 구성됩니다. 평면 골조는 보, 기둥, 기초로 구성되며 주 하중 지지 구조이고, 평면 골조는 보를 연결하여 공간 구조 시스템을 형성하며 고층 건물에서 일반적으로 사용되는 구조 형태 중 하나입니다.
프레임 구조 시스템의 장점은 유연한 건물 배치, 넓은 공간, 건물 외관 처리 용이, 경량 구조, 성숙한 계산 이론, 특정 높이 범위 내에서 저렴한 비용 등입니다.
프레임 구조의 단점은 프레임 구조 자체가 유연하고 횡력 저항이 약하며 풍하중 하에서 수평 변위가 크며 지진 하중 하에서 비구조 구성 요소에 심각한 손상을 입힌다는 점입니다.
프레임 구조의 적용 범위 : 프레임 구조의 합리적인 층수는 일반적으로 6 ~ 15 층이며 가장 경제적 인 것은 약 10 층이며 프레임 구조는 넓은 건물 공간과 유연한 레이아웃을 제공 할 수 있고 다양한 기술과 용도의 요구 사항을 충족시킬 수 있기 때문에 사무실, 주택, 상점, 병원, 호텔, 학교 및 다층 산업 공장 및 창고에서 널리 사용되었습니다.
2. 전단벽 구조 시스템. 고층 건물에서는 건물 구조의 측면 강성을 향상시키기 위해 철근 콘크리트 벽을 "전단 벽"이라고 합니다. 전단 벽의 주요 역할은 건물 전체의 전단 강도와 강성을 향상시키는 것이며, 벽은 유지 보수 및 방 칸막이 구성 요소로도 사용됩니다. 전단 벽 구조에서 철근 콘크리트 벽은 모든 수평 및 수직 하중을 전달하고 전단 벽은 수평 및 세로 방향을 따라 직교로 배열되거나 여러 축을 따라 경사지게 배열됩니다. 높은 강성, 우수한 공간 무결성 및 낮은 강철 소비. 과거 지진에서 전단벽 구조는 지진 피해가 적고 심각하지 않은 우수한 내진 성능을 보여주었습니다. 주거용 및 호텔 객실에 전단 벽 구조를 사용하면 많은 벽과 작은 방의 특성을 더 잘 수용 할 수 있으며 보와 기둥을 노출하지 않고도 방을 깔끔하고 아름답게 만들 수 있습니다.
벽이 많고 방 배치 면적이 넓은 전단 벽 구조는 어렵습니다. 호텔의 홀, 레스토랑 및 회의실과 같은 넓은 면적의 공용실과 주거용 건물의 1 층에 배치 된 상점 및 공공 시설의 요구 사항을 충족하기 위해 프레임을 사용하여 1 층 또는 바닥의 전단 벽의 일부를 대체하여 프레임지지 전단 벽 구조를 형성 할 수 있습니다.
프레임 지지 전단 벽에서는 하단 기둥의 강성이 작기 때문에 상하 강성이 급격하게 변화합니다. 지진 작용을 받으면 하단 기둥은 큰 내부 힘과 소성 변형을 일으킵니다. 따라서 이러한 유형의 프레임 지지 전단벽 구조는 내진 구역에서 허용되지 않습니다.
3. 프레임 전단벽 구조 시스템. 프레임 구조에 일정 수의 전단 벽이 배치되어 프레임 전단 벽 구조를 형성할 수 있습니다. 이러한 구조는 프레임 구조의 배열이 유연하고 사용하기 쉬운 특성을 가질뿐만 아니라 강성이 크고 내진 능력이 강하기 때문에 오피스 빌딩 및 호텔의 고층 건물에 널리 사용됩니다.
4. 원통형 구조 시스템. 건물의 수와 높이가 증가하고 지진 방어 요구 사항이 증가함에 따라 평면 조건에서 프레임 전단 벽 고층 건물 구조 시스템의 형성은 종종 요구 사항을 충족하지 못할 수 있습니다. 이때 전단 벽을 사용하여 공간 얇은 벽 원통을 형성하여 수직 캔틸레버 박스 거더로 바꿀 수 있으며 기둥을 암호화하여 빔의 강성을 향상시킬 수 있습니다. 또한 공간에 전체적인 응력을 갖는 박스 튜브를 형성할 수도 있습니다. 하나 이상의 튜브에 의해 주로 수평력을 받는 구조물을 실린더 구조라고 합니다. 일반적으로 실린더 구조는 다음과 같습니다.
(1) 프레임-실린더 구조. 전단벽이 있는 얇은 벽의 원통이 가운데에 배치되어 대부분의 수평력을 전달하고 그 주위에 기둥 간격이 큰 일반 프레임이 배치됩니다. 이 구조는 프레임 전단벽 구조와 유사하며 현재 난닝 왕디 빌딩에서 사용되고 있습니다.
(2) 파이프 인 파이프 구조. 튜브 인 튜브 구조는 내부 튜브와 외부 튜브로 구성됩니다. 내부 튜브는 전단 벽 얇은 벽 튜브이고 외부 튜브는 조밀 한 기둥으로 구성된 프레임 튜브입니다 (일반적으로 기둥 간격이 3 미터 이하). 조밀 한 주변 기둥, 보 강성, 구멍 면적이 작기 때문에 (일반적으로 벽 면적의 50 % 이하) 프레임 튜브 작업은 일반 평면 프레임과 다르지만 다중 구멍 수직 상자 거더와 유사하게 공간 전체 기능이 우수하고 바람 및 내진 성능이 좋습니다. 현재 상하이 진마오 타워(88층, 420.5m), 광저우 중톈 플라자 타워(80층, 320m) 등 중국에서 가장 높은 철근 콘크리트 구조물이 튜브 인 튜브 구조에 사용되고 있습니다.
(3) 번들 구조. 평면에 전단벽이 얇은 여러 개의 원통을 배열하고 각 원통의 크기가 비교적 작은 구조로, 주로 평면 형태가 복잡한 건물에 사용됩니다.
(4) 거대 구조 시스템. 거대 구조는 거대한 프레임의 1 층으로 구성된 다수의 거대한 기둥 (일반적으로 리프트 샤프트 또는 대형 솔리드 기둥으로 구성됨)과 거대한 보 (몇 층 또는 몇 층 이상마다 설치, 보 단면은 일반적으로 높이가 1 ~ 2 층을 차지함)로 구성되어 주요 수평 힘과 수직 하중, 보와 기둥의 나머지 바닥이 2 차 구조를 형성하며 바닥 하중은 프레임 구조의 1 층으로 만 전달됩니다. 이 구조의 2차 구조는 보와 기둥 단면이 작기 때문에 건물 레이아웃을 보다 유연하고 평면적으로 만들 수 있습니다.
위 구조 시스템 외에도 얇은 쉘, 서스펜션, 멤브레인 구조, 그리드 구조 등과 같은 다른 구조 형태도 적용될 수 있습니다. 하지만 현재 가장 널리 사용되는 네 가지 구조는 프레임, 전단벽, 프레임-전단벽, 원통형입니다.
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