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[국내논문] 초고층 건물의 시공 중 구조적 안정성 검토를 위한 시공단계해석의 적용
An Application of Construction Sequence Analysis for Checking Structural Stability of High-Rise Building under Construction 원문보기

한국전산구조공학회논문집 = Journal of the computational structural engineering institute of Korea, v.22 no.3, 2009년, pp.211 - 221  

엄태성 (대구가톨릭대학교 건축학과) ,  김재요 (광운대학교 건축공학과)

초록
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극초고층성, 비정형 형상, 공기단축을 위한 구획 시공 등 최근 초고층 건물의 경향을 고려할 때, 설계 및 시공 계획의 단계에서 시공 중 건물의 구조적 안정성 문제가 핵심 사항으로 부각되고 있다. 시공 중 초고층 건물의 안정성을 확보하기 위해서는 횡력저항시스템이 완전히 형성되기 전 구조체 자중의 불균형 분포에 의해 발생하는 수직부재의 불균등 축소, 골조의 기울어짐 혹은 횡변위, 기초의 부등 침하 등이 시공단계해석에 의하여 검토되어야 하며, 시공단계해석은 구조건전성모니터링, 시공 보정 프로그램, 시공계획 수립 등과 체계적으로 결합되어 진행되어야 한다. 이 논문은 시공 중 초고층 건물의 구조 안정성 검토를 위하여 기존의 범용구조해석프로그램을 활용한 구역 기반 시공단계해석 기법을 제시하고 있으며, 이를 실제 초고층 프로젝트의 3차원 구조해석에 적용하였다. 정밀한 해석을 위하여 시간 의존적 재료 성질 및 실제 시공 일정이 적용되었으며, 시공 일정 변화나 계측 결과와의 비교에 따른 재료 물성 변화 등을 지속적으로 변경하며 해석이 진행되었다. 이러한 실제 프로젝트에 대한 시공단계해석 적용을 통하여, 시공 중 초고층 건물의 안정성 확보를 위한 주요 검토 항목 및 방법을 제시하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

With recent trends of super-tallness, atypical plan shapes and zoning constructions in high-rise buildings, a structural stability of the building under construction is arising as a key issue for design and construction plan. To ensure the structural stability under construction, the differential co...

Keyword

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문제 정의

  • 이 연구에서는 초고층 건물의 시공 중 안정성 확보를 위한 구조적인 고려사항들을 분석하고, 시공단계해석과 이를 이용한 초고층 골조 거동 확인을 위한 합리적인 기법을 모색하고자 한다. 이를 위하여, 실제 초고층 사례에 범용구조해석프로그램에 의한 시공단계해석을 적용하고, 시공 중 안정성 검토를 위한 주요 항목 및 방법들을 제시한다.
  • 이를 위하여, 실제 초고층 사례에 범용구조해석프로그램에 의한 시공단계해석을 적용하고, 시공 중 안정성 검토를 위한 주요 항목 및 방법들을 제시한다. 100층 이상의 초고층 프로젝트에 대하여 기개발된 시공단계해석 기법을 적용 하는 사례연구의 측면에서, 실제 시공 과정을 상세하게 반영하여 얻어진 다양한 해석결과들을 이용해 시공 중 안정성 검토를 수행하는 과정을 제시함으로써, 초고층 구조 엔지니어링 및 시공 실무를 위한 시공단계해석의 적용 방향과 가이드 라인을 제시하고자 한다.
  • 앞서 기술한 초고층 건물의 시공 중 안정성 확보를 위한 구조적 고려사항들을 실제 초고층 프로젝트에 적용한다. 특히, 이 논문에서는 시공 중 골조의 거동을 예측/평가하기 위한 시공단계해석에 초점을 맞추어 시공 중 구조적 안정성을 검토하기 위해 범용구조해석 프로그램을 이용한 구조해석 기법 및 주요 검토사항들을 중심으로 기술하고자 한다.

가설 설정

  • 시공단계해석에 포함된 하중은 시공 중 건물에 작용하는 구조체 자중 및 마감하중, 외장재 하중만을 대상으로 하였으며, 시공 완료 시점에 건물 전체의 활하중이 일시에 작용하는 것으로 가정하였다. 시공 중 골조의 구조적 안정성을 평가하고, 안정성을 지속적으로 유지하기 위한 시공계획의 가이드라인 을 제시하기 위하여, 시공 스케줄을 지속적으로 업데이트하여 시공단계해석이 수행되었으며, 해석결과는 주요계측결과들(강선종 등, 2006)과 비교/평가되었다.
  • 이 때, 시공 시점이 상이한 각 지점들의 축소변형값이 “0”이 아닌, 기시공되어 있던 인접 수직부재의 축소변위값(보정값 ΔW,Compensation 혹은 ΔN,Compensation)부터 시작되어 비교되고 있으며, 시공 완료 시점에 전 층의 활하중이 일시적으로 작용한 것으로 가정함으로써 축소변위값의 갑작스러운 증가 지점이 발생하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
시공 구획의 개념을 기존의 범용구조해석프로그램에 의한 3차원 모델링에 포함하여, 각 구획별 시공 스케줄을 독립적으로 적용함으로써 실제 시공 중발생할 수 있는 인접 구역간 시공 시간차에 따른 기둥과 벽체 축소의 불균형, 골조 횡변위/기울어짐, 기초시스템의 구조적 거동 등을 예측할 수 있는데 이 때 어떤 적절한 조치를 취해야 하는가? 시공 구획의 개념을 기존의 범용구조해석프로그램에 의한 3차원 모델링에 포함하여, 각 구획별 시공 스케줄을 독립적으로 적용함으로써 실제 시공 중발생할 수 있는 인접 구역간 시공 시간차에 따른 기둥과 벽체 축소의 불균형, 골조 횡변위/기울어짐, 기초시스템의 구조적 거동 등을 예측할 수 있다. 이 때, 인접 구역간 수직요소의 부등 축소 및 레벨 차이를 검토하기 위하여, 실제 시공과정을 고려하여 결과값을 보정하는 등의 적절한 조치를 취해야 한다. 시공 구획들 간의 시공 스케줄의 변경, 특히 주요 구조 부재들의 시공 시점에 따라 기둥/벽체의 부등축소 및 횡변위/기울어짐 등의 구조적 안정성이 크게 달라질 수 있으 므로, 시공 스케줄의 변경을 반영한 시공단계해석을 시공 중에 지속적으로 수행하며, 각 시공단계 및 시공조건에 따른 결과를 예측/평가함으로써 시공 중 안정성 확보를 위한 시공계획의 가이드라인을 제시할 수 있다.
초고층 프로젝트는 일반 프로젝트에 비하여 어떤 문제가 있는가? 또한, 최근 국내․외적으로 초고층 프로젝트 수주 및 성공 적인 수행을 위한 치열한 경쟁에서 골조공기 단축이 중요한 요소로 자리잡고 있다. 초고층 프로젝트는 일반 프로젝트에 비하여, 초고층화에 따른 공기 및 공사금액 증가와 작업효율성 저하가 발생한다. 이러한 공기 증가라는 단점을 극복하기 위하여 절대 공기가 가장 길고 모든 공사의 선행공사인 골조 공기의 단축이 절실하게 요구된다(손상현 등, 2007).
기초시스템의 안정성을 결정하고 건물 골조의 구조적 성능및 거동에 가장 큰 영향을 주는 것은 무엇인가? 기초시스템의 안정성을 결정하고 건물 골조의 구조적 성능및 거동에 가장 큰 영향을 주는 것은 기초의 부등침하이다. 특히, 일반적인 초고층 형상(set-back 혹은 tapered 입면 형상)을 고려할 때, 평면 중심부의 자중이 크며 단부로 갈수록 작아지므로 부등침하의 발생이 더욱 커질 수 있으며, 이에 대한 더욱 정밀한 고려가 요구된다.
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참고문헌 (15)

  1. 강선종, 강경태 (2006) GPS를 이용한 초고층 시공 측량 기술, 한국건설관리학회 학술발표대회 논문집, pp.187-193 

  2. 김한수 (2008) 수평부재와 철근의 구속효과를 고려한 고층건물 기둥축소해석, 대한건축학회 논문집(구조계), 24(6), pp.35-42 

  3. 박효선, 손홍규, 김일수, 박재환 (2005) GPS를 이용한 고층건물의 수평변위 모니터링시스템, 대한건축학회 논문집(구조계), 21(5), pp.11-18 

  4. 백인희 (2007) 철골공사 N공법과 미국식 설치공법 적용으로 골조공사 층당 3일 사이클을 달성한 사례연구, 대한건축학회 논문집(구조계), 23(9), pp.231-238 

  5. 손상현, 박기용 (2007) 초고층 골조공기 단축방안 - 3 Day Cycle, 한국건설관리학회지, 8(3), pp.3-5 

  6. 신성우 (2007) 미래는 극초고층 수직 도시화 불가피, 한국건설산업연구원 건설저널, 71, pp.37-39 

  7. 양주경, 설현철, 김진근 (2008) 시공단계 및 비탄성거동을 고려한 초고층 건축물의 3차원 해석기법 개발, 한국콘크리트학회 논문집, 20(2), pp.249-256 

  8. 오향옥, 박학길 (2008) 시공단계와 기하 비선형을 고려한 초고층 구조물 해석, 대한건축학회 논문집(구조계), 24(7), pp.3-10 

  9. 임보람, 김현수, 이성령, 김진욱 (2008) 현대 초고층 건축물의 형태적 경향에 관한 연구, 대한건축학회 논문집(계획계), 24(12), pp.279-286 

  10. Abdelrazaq, A.K. (2007) Brief Description of the Design and Construction of the Burj Dubai Project, Dubai, UAE, 대한건축학회지, 51(4), pp.62-67 

  11. ACI Committee 209 (1997) Prediction of Creep, Shrinkage, and Temperature Effects in Concrete Structures (ACI 209R-92), American Concrete Institute, Farmington Hills, MI, p.47 

  12. ACI Committee 117 (2006) Specifications for Tolerances for Concrete Construction and Material and Commentary (ACI 117-06), American Concrete 

  13. Baker, W.F., Korista, D.S., Novak, L.C. (2007) Burj Dubai: Engineering the World's Tallest Building, The Structural Design of Tall And Special Buildings, 16(4), pp.361-375 

  14. Vollers, K. (2008) Morphological Scheme of Second-Generation Non-Orthogonal High-Rise, CTBUH 8th World Congress 

  15. Xiao, H.B., Luo, Q.Z., Tang, J., Li, Q.S. (2002) Prediction of Load-Settlement Relationship for Large-Diameter Piles, The Structural Design of Tall Buildings, 11(4), pp.285-293 

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