초고층 튜브시스템의 개념 및 종류 (출처 : 핵심구조상식)

초고층 튜브시스템의 개념 및 종류 (출처 : 핵심구조상식)

 

1. 튜브 시스템의 기본개념 (Tubular System)

1) 횡하중 저항 시스템이 건물 외주부에 위치하도록 배치함.
2) 횡저항시스템이 튜브와 같은 형상으로 외곽에 위치하며, 건물의 전체 폭이 모멘트에 저항하므로 횡강성을 최대화할 수 있음.

위의 경우, 동일한 기둥 면적 및 수량에 대하여 기둥의 배치 변경(외주부 배치)만으로 약 25%, 정도의 횡강성 증대 효과가 발생하였음.


2. 튜브 시스템의 종류

1) 골조 튜브 (Framed Tube)

(1) 개념
- 외주부에 기둥을 촘촘히 배치함. 
- 기둥 사이에 큰 보를 강접합으로 연결함으로써 외주부 기둥들을 일체화된 튜브로 형성함.
- 평면상 횡력 방향에 평행한 기둥 웨브 역할, 수직인 방향의 기둥이 플랜지 역할을 함.

(2) 장점
- 외주부 전체 폭이 횡력에 저항하므로 횡력에 대한 강성을 극대화 할 수 있음.

(3) 단점
- 기둥 간격이 너무 좁아서 전망이 좋지 않음
- 외주부의 모든 부재를 강접합해야 함.

(4) 적용사례
- World Trade Center (2001년 붕괴), 110층(417m), 63.5mx63.5m 정방향 평면, 약 1m간격의 450mmx450mm 박스형 강재 기둥

2) 가새 튜브 (Braced Tube) / 트러스 튜브 (Trussed Tube)

(1) 개념
- 골조 휨강성 증진을 위하여, 튜브 구조의 외부에 가새를 넣어 횡력을 부담하도록 하는 형식
- 모서리 기둥이 캔틸레버 트러스의 상 하현재 역할을 하으몰 큰 하중을 부담하게 됨.

(2) 장점
- 골조튜브에 가새가 더해진 형태로 더욱 큰 휨강성을 가질 수 있음.
- 골조튜브에 비하여 넓은 기둥 간격이 가능함.

(3) 단점
- 가새 부재 접합으로 인하여 시공성이 떨어짐

(4) 적용사례
- John Hankock Center(99층, 344m), 정방향 평면의 외곽에 대각가새를 설치하여 단순하면서도 구조적으로 안전한 인상을 줌

3) 묶음 튜브 (Bundled Tube)

(1) 개념
- 한 평면상에 2개 이상의 튜브(골조 튜브나 트러스 튜브)를 묶어서 사용하는 시스템

(2) 장점
- 2개 이상의 튜브가 복합적으로 횡력을 분담하므로 더 큰 휨강성을 가질 수 있음.
- 골조 튜브에 비해 기둥 간격을 넓힐 수 있음.
- 전단지연(Shear Lag)현상을 감소시킬 수 있음.

(3) 단점
- 건물내부에 튜브가 위치하므로, 평면 활용상 제약이 발생함.

(4) 적용사례
- Sears Tower (110층. 442m), 22.5m 정방향 튜브 9개를 묶어 기본 평면구성, 기둥간격 4.57m, 상부층으로 올라가면서 단위 튜브 수가 줄어듬.

4) 튜브시스템의 전단지연(Shear Lag)현상
- 횡하중에 의한 전단흐름(그림 (a))이 원활할 경우, 직선형태의 이상적인 응력분포를 보이나(그림 (b) 점선), 튜브가 충분한 강성을 갖지 않아 전단이 원활히 흐르지 않는 전단지연현상이 발생하여 모서리에 응력이 집중됨(그림 (b) 실전))