철근콘크리트조 고층 건축물의 간략 기둥축소량 해석 기법

Abstract

철근콘크리트조 고층 건축물에서는 연직방향 하중에 의한 기둥 간 부등 축소에 의하여 내부 마감이나 내부 칸막이 벽체의 피해에 따른 사용성 문제나 구조적 문제가 발생한다. 고층 건물에서 기둥 축소는 즉시적인 탄성 축소와 시간의 경과에 따른 비탄성 축소인 크리프와 건조수축에 의한 축소가 발생한다. 더욱이 철근콘크리트조 고층건물에서 기둥의 부등축소에 의해 건물의 구조적인 측면에서 심각한 문제를 유발시킬 수 있다. 따라서 건물의 초기 설계 단계에서 기둥 축소량 해석을 통한 기둥 간의 부등 축소량을 미리 예측하여 시공에 반영할 수 있도록 해야 한다. 본 연구에서는 효율적인 기둥축소량 해석을 위하여 기둥 한 열만을 독립적으로 해석하는 PCA(Portland Cement Association) 모델 예측식을 응용하여 간략 기둥 축소량 해석 기법을 제안하였다. PCA 방법은 기둥축소량 해석에 있어 널리 사용되고 있으며, 해석 알고리즘이 간단하여 전산프로그램으로 구현하기 쉬운 장점이 있다. 또한 철근콘크리트 부재의 장기거동에 영향을 미치는 요인들을 일련의 계수의 형태로 표현되고 있어 각각의 재료모델의 분석 및 수정이 용이하다. PCA 방법에서 철근콘크리트 부재의 장기거동 해석을 위하여 독립적인 변수로 철근에 의한 잔류크리프계수를 사용하고 있는데, 이는 RCM(Rate of Creep Method, 크리프율법) 방법을 이용하여 유도된 계수이다. RCM 방법의 경우에는 오래전에 개발된 방법으로 하중이 작용하는 시점에 무관하게 시간에 따른 크리프의 변형율이 일정하다고 가정13)하는 이론적인 오류를 가지고 있어 수정해야할 필요성이 있다. 따라서 본 연구에서는 첫 번째로 기존 재료모델을 개선하였다. 기존의 RCM에서 유도된 잔류크리프계수를 AEMM(Age-adjusted Effective Modulus Method, 재령보정탄성계수법) 방법을 이용하여 새로운 잔류크리프계수를 유도하였다. AEMM 방법은 재령계수(Aging Coefficient)를 도입하여 크리프 변형을 가지는 콘크리트 부재의 응력과 변형률 관계를 비교적 정확하게 해석할 수 있는 방법이다.12) 두 번째로 기둥축소량 해석을 할 수 있는 Matlab 기반 전산프로그램으로 개발하였다. Excel과 연동하여 데이터를 입력하고 출력 받을 수 있도록 프로그래밍하여 향후 결과 데이터 저장 및 가공을 용이하게 하였다. 개발한 전산프로그램을 사용하여 기둥축소량 해석 시에는 기둥에 작용하는 축하중을 입력해야 한다. 기존의 부담면적에 따른 하중 산정방법은 간단하게 기둥에 작용하는 축하중을 구할 수 있는 반면 전달층(Transfer Plate)이나 아웃리거(Outrigger)와 같은 강성이 큰 수평부재가 존재할 경우 기둥에 작용하는 하중이 재분배 되는 소위 골조효과(Frame Action)가 고려되지 않는다. 따라서 보다 더 정확한 기둥축소량 해석을 위하여 실제 건물에서의 하중분배나 거동을 나타낼 수 있는 적합한 기둥 축하중 산정 방법을 제안하였다. 본 연구에서 제안한 간략 기둥축소량 해석 기법을 이용하여 예제구조물의 기둥 간 부등 축소량을 예측하였다. 축소량 해석 결과를 3차원 범용구조해석 프로그램의 시공단계 해석 결과와 비교하여 검증해봄으로써 제안한 간략 기둥축소량 해석 기법이 어느 정도의 적합성과 유효성을 가지는지 판단하였다.

1장에서는 연구 배경 및 목적, 연구 방법 및 절차에 대해 설명했다.

2장에서는 첫 번째로 고층 건물에서 기둥축소의 원인 및 영향에 대하여 기술하였고, 두 번째로 여러 논문과 저널 등을 통해 발표된 기둥축소량 해석 관련 기존 연구 사항에 대해 정리하였다.

3장에서는 본 연구에서 제안한 간략 기둥축소량 해석 프로그램 개발에 관하여 기술하였다. PCA 모델 예측식의 재료모델을 개선하여 이를 Matlab 기반 전산프로그램으로 구현하였다. 그리고 효율적인 철근콘크리트 고층 건물의 기둥축소량 해석을 위해 기둥에 작용하는 축하중 산정방법을 제안하였다.

4장에서는 개발한 전산프로그램을 이용하여 예제 구조물의 기둥축소량을 예측하였으며 그 결과를 3차원 범용구조해석 프로그램의 시공단계 해석결과와 비교하여 개발한 기둥축소량 해석 전산프로그램의 적합성과 예측한 기둥축소량 해석결과의 유효성을 검증하였다.

5장에서는 본 연구에서 제안한 간략 기둥축소량 해석 기법을 이용하여 예측한 부등 기둥축소량을 비교 분석을 통해 결론을 내어 기술하였다.