Building system design

건물의 구조시스템(structural system)을 설계하기 위해서 유한요소해석(finite element analysis)을 수행하는 것이 일반적이다.  지진하중(earthquake load)과 풍하중(wind load) 같은 횡하중(lateral load)이 고층빌딩에 작용할 때 발생하는 횡변위는 건물의 사용성에 매우 큰 영향을 미치게 된다.

구조해석을 통해서 구해지는 응력(stress)은 부재의 모양과 크기를 결정(부재설계)하는데 필요하며, 변위(displacement)는 건물의 사용성(serviceability)을 판단하는 근거로 사용된다.

건물의 개념설계(conceptual design) 단계에서 구조시스템을 결정하는 것은 매우 중요한데 구조해석을 통해서 건물의 상태를 정량적으로 확인하게 된다.

구조적 관점에서 보면 건물(특히 고층건물)은 구조시스템에 따라서 전체 물량이 결정된다. 최근에는 최적화를 수행하여 각 부재의 사이즈를 개별적으로 또는 그룹별로 조절하는 기법이 사용되기도 한다. 그러나 무엇보다도 설계된 구조시스템이 하중저항성능(load bearing capacity)을 충분히 발휘하고 있는지에 대한 고민이 절실히 요구된다.

위의 그림은 동일한 형태의 건물에 사재(bracing)를 다양한 위치에 설치하고 각 구조시스템에 대한 횡저항성능을 검토한 것이다. 그림에는 사용된 물량과 건물에서 발생하는 최대변위를 함께 도시하고 있다. 사재의 위치에 따라서 구조물의 횡변위가 급격하게 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 구조시스템의 변화로 인해서 구조물의 성능이 크게 향상될 수있는 것을 정량수치로 확인할 수 있다.

이러한 결과는 설계최적화기법(design optimisation technique)을 통하여 전체구조물의 모든 부재에 대한 정량적 평가로 이어질 수도 있어므로 이러한 예를 통하여 건축물이 만들어지는 전과정에서 구조공학(structural engineering)의 역할에 대해서 단적으로 보여주는 예가 아닌가 한다.