Effect of Bracing Configuration on the Lateral Response of Multi- Storey Steel Buildings under Wind Loading: A Comparative Study Using Tekla Structures

높은 강철 건물들은 하늘을 향해 서 있는 거대한 해골과 같으며, 스스로의 무게를 견뎌내야 할 뿐만 아니라 더 끈질긴 상대인 바람에 맞서야 합니다. 구조물이 높이 올라갈수록 건물에 부딪히는 공기의 힘은 점점 더 강해지며, 건물을 옆으로 휘게 만들려 합니다. 건물이 너무 많이 흔들리면, 비록 붕괴되지는 않더라도 내부 사람들에게 불쾌한 경험을 줄 수 있으며 벽이나 창문에 금이 갈 수도 있습니다. 이러한 흔들림을 막기 위해 엔지니어들은 브레이싱(bracing)이라 불리는 숨겨진 지지층을 추가합니다. 이 브레이스들을 유연한 직사각형을 단단한 삼각형으로 바꾸어 전체 프레임을 훨씬 더 뻣뻣하게 만드는 대각선 막대라고 생각하십시오. 하지만 이 막대들을 위한 단 하나의 완벽한 형태는 존재하지 않습니다. 엔지니어들은 교차하는 선, 역 V자형, 또는 K자 모양을 닮은 패턴 등 다양한 방식으로 브레이스를 배치할 수 있으며, 각 패턴은 바람에 다르게 반응합니다. 어떤 패턴이 가장 효과적인가에 대한 질문은 단순히 안전에 관한 것만이 아닙니다. 그것은 건물이 불필요하게 무겁거나 비싸지지 않으면서도 튼튼하게 유지될 수 있도록 재료를 가장 효율적으로 사용하는 방법을 찾는 일입니다.

최근 한 연구에서 연구원들은 세 가지 가장 흔한 브레이싱 패턴을 동일한 조건에서 테스트하여 이 질문에 대한 답을 내놓고자 했습니다. 그들은 정사각형 평면과 32미터의 높이를 가진 10층 규모의 강철 건물에 초점을 맞추었습니다. 정교한 컴퓨터 소프트웨어를 사용하여 그들은 이 건물의 디지털 버전을 구축했고, 고풍속 지역의 실제 건설 표준에 부합하도록 계산된 강력한 풍하중을 가했습니다. 실험의 핵심은 엄격한 통제였습니다. 그들은 모든 테스트에서 건물의 크기, 층의 무게, 그리고 바람의 강도를 동일하게 유지했습니다. 그들이 바꾼 유일한 것은 대각선 브레이스의 배치였습니다. 첫 번째 버전에서는 두 개의 막대가 프레임 중앙에서 서로 교차하는 X-브레이싱 시스템을 사용했습니다. 두 번째에서는 두 개의 막대가 보의 상단에서 만나 아래를 향하는 V자 모양을 이루는 역 V(inverted-V) 시스템을 사용했습니다. 세 번째로는 막대가 수직 기둥의 중간에 연결되어 K자 모양을 형성하는 K-브레이싱 시스템을 사용했습니다.

이 비교의 결과는 명확하고 결정적이었습니다. X-브레이싱 시스템을 갖춘 건물이 가장 견고하게 서 있었습니다. 바람이 모델을 쳤을 때, 이 구성은 건물의 흔들림을 최소화하여 구조물 상단이 원래 위치에서 약 14.8밀리미터만 이동하게 했습니다. 개별 층들 또한 서로에 대해 매우 적게 움직였으며, 층 사이의 최대 이동량은 단 1.7밀리미터였습니다. 역 V 시스템은 중간 정도의 성적을 거두었습니다. 이 방식은 K-브레이싱 버전보다는 더 뻣뻣했지만 X-브레이싱만큼 단단하지는 않았으며, 결과적으로 지붕의 움직임은 26.8밀리미터, 정점의 층 변위는 3.1밀리미터를 기록했습니다. 그러나 K-브레이싱 시스템은 가장 고전했습니다. 동일한 풍압 하에서 이 배치는 지붕이 X-브레이싱 버전보다 거의 세 배 가까이 더 많이 휘어지게 하여 43.6밀리미터의 움직임에 도달했습니다. 최고 성능과 최저 성능 사이의 차이는 상당했으며, K-브레이싱 건물은 최상단에서 X-브레이싱 건물보다 거의 세 배 더 많이 흔들렸습니다.

왜 X-브레이싱이 승리했을까요? 답은 힘이 구조물을 통해 어떻게 전달되는지에 있습니다. X-브레이싱 설계에서는 대각선 막대들이 바람에 저항하기 위해 전체 길이를 따라 직접 당기고 밀며 함께 작동합니다. 이는 힘이 지면까지 내려가는 매우 직접적인 경로를 만들어 건물을 믿을 수 없을 정도로 뻣뻣하게 만듭니다. 다른 두 가지 설계에서는 막대들이 보나 기둥의 중간 지점에 연결되는데, 이는 해당 수평 또는 수직 부재들이 움직임을 수용하기 위해 약간 휘어지도록 강요합니다. 이러한 휨 현상은 X-브레이싱이 피할 수 있는 약간의 유연성을 유발합니다. 연구는 세 가지 설계 모두 안전 기준을 충족하며 실패하지 않을 만큼 충분히 강하다는 것을 확인했지만, X-브레이싱이 동일한 양의 강철로 가장 높은 강성을 제공한다는 것을 입증했습니다. 이는 바람이 부는 지역의 건물에 있어, X-패턴을 선택하는 것이 추가적인 재료 없이도 흔들림에 대한 최선의 보호를 제공한다는 것을 의미합니다.

연구원들은 이 작업을 테클라 스트럭처스(Tekla Structures)라는 특정 소프트웨어 도구를 사용하여 수행했는데, 이는 다른 엔지니어링 프로그램들에 비해 이와 같은 비교를 위해 덜 흔하게 사용되는 도구입니다. 이 플랫폼을 사용함으로써 그들은 복잡한 풍하중 분석을 전통적인 도구들만큼 잘 처리할 수 있음을 증명하며, 이 문제에 대해 새로운 관점을 제공했습니다. 이 연구는 지진이나 동적 진동을 살펴보지 않았으며, 오로지 일정하고 강한 바람 아래에서 건물이 어떻게 행동하는지에만 집중했습니다. 또한 모든 가능한 건물 형태나 높이를 테스트하지는 않았지만, 10층에 걸친 결과의 일관성은 이 시스템들의 순위가 신뢰할 수 있음을 시사합니다. 고층 강철 건물을 설계하는 건축가와 엔지니어들에게 메시지는 명확합니다. 만약 목표가 구조물을 경제적으로 유지하면서 바람에 의한 건물의 움직임을 최소화하는 것이라면, 테스트된 옵션 중 교차하는 X-브레이스가 가장 효과적인 선택입니다.