최근 국내에서 400~600MPa급의 구조용 고강도강재가 생산되고 있으며, 큰 하중을 부담해야 하는 초고층건물에는 고강도강재의 사용이 효과적일 것으로 예상되나, 고강도강재의 적절한 사용법 및 적용사례 부족으로 인해 고강도강재는 일부 건축물에서 제한적으로 사용되고 있다. 그럼으로 본 연구에서는 고강도강재를 초고층건물에 이용할 수 있는 방법으로 최적화기법을 이용한 초고층건물 구조비용 최적설계기법을 개발하였다. 개발된 최적설계법은 강재의 강종별 재료 가격을 고려하며 강재의 강도와 크기를 결정함으로서 구조비용을 최소화 시킬 수 있다. 제안된 구조비용 최적설계법을 6개의 실제 초고층건물 구조설계에 적용하였으며, 경험에 의존한 구조 설계를 병행하여 개발된 최적설계법의 효율성과 적용성을 평가하였다. 개발된 초고층건물 구조비용 최적화기법은 경험에 의존한 설계에 비해 7~21%정도의 구조비용을 절감할 수 있었다. 또한, 제안된 최적설계법의 적용결과로서 얻어진 강재의 강도분포와 강종별 재료비용의 분석을 통해서 고강도강재를 초고층건물에 효과적으로 적용하기 위한 간략한 가이드라인을 제시하였다.
최근 국내에서 400~600MPa급의 구조용 고강도강재가 생산되고 있으며, 큰 하중을 부담해야 하는 초고층건물에는 고강도강재의 사용이 효과적일 것으로 예상되나, 고강도강재의 적절한 사용법 및 적용사례 부족으로 인해 고강도강재는 일부 건축물에서 제한적으로 사용되고 있다. 그럼으로 본 연구에서는 고강도강재를 초고층건물에 이용할 수 있는 방법으로 최적화기법을 이용한 초고층건물 구조비용 최적설계기법을 개발하였다. 개발된 최적설계법은 강재의 강종별 재료 가격을 고려하며 강재의 강도와 크기를 결정함으로서 구조비용을 최소화 시킬 수 있다. 제안된 구조비용 최적설계법을 6개의 실제 초고층건물 구조설계에 적용하였으며, 경험에 의존한 구조 설계를 병행하여 개발된 최적설계법의 효율성과 적용성을 평가하였다. 개발된 초고층건물 구조비용 최적화기법은 경험에 의존한 설계에 비해 7~21%정도의 구조비용을 절감할 수 있었다. 또한, 제안된 최적설계법의 적용결과로서 얻어진 강재의 강도분포와 강종별 재료비용의 분석을 통해서 고강도강재를 초고층건물에 효과적으로 적용하기 위한 간략한 가이드라인을 제시하였다.
Recently, the high-strength steel of 400~600MPa tensile strength is producing in the country. Use of high-strength steel member in the design of high-rise buildings is expected to increase the efficiency of structural design in the aspect of structure material weight and cost, however it has been us...
Recently, the high-strength steel of 400~600MPa tensile strength is producing in the country. Use of high-strength steel member in the design of high-rise buildings is expected to increase the efficiency of structural design in the aspect of structure material weight and cost, however it has been used only a narrow extent. No efficient design method to use high-strength steel in the design of high-rise buildings has been developed. Therefore, in this study structural cost optimization technique that can minimize the structural material cost of high-rise buildings using high-strength steels is developed. The efficiency of the technique is evaluated by comparing the experience-based design for 6 high-rise building examples. As a result, the proposed techniques can save 7~21% of structural material cost compared with experienced-based design. And also, the rough guideline for effective use of high-strength steels in the structural design of high-rise buildings is introduced on the basis of results.
Recently, the high-strength steel of 400~600MPa tensile strength is producing in the country. Use of high-strength steel member in the design of high-rise buildings is expected to increase the efficiency of structural design in the aspect of structure material weight and cost, however it has been used only a narrow extent. No efficient design method to use high-strength steel in the design of high-rise buildings has been developed. Therefore, in this study structural cost optimization technique that can minimize the structural material cost of high-rise buildings using high-strength steels is developed. The efficiency of the technique is evaluated by comparing the experience-based design for 6 high-rise building examples. As a result, the proposed techniques can save 7~21% of structural material cost compared with experienced-based design. And also, the rough guideline for effective use of high-strength steels in the structural design of high-rise buildings is introduced on the basis of results.
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문제 정의
그러므로 본 연구에서는 고강도강재를 초고층건물에 효과적으로 적용할 수 있는 방안으로, 최적화기법을 이용한 초고층건물 구조비용 최적설계법을 개발하였다. 개발된 최적설계법은 6개의 초고층건물 예제에 적용하였으며, 경험에 의존한 설계를 병행하여 개발된 최적설계법의 경제성 및 효율성을 평가하였다.
개발된 최적설계법은 6개의 초고층건물 예제에 적용하였으며, 경험에 의존한 설계를 병행하여 개발된 최적설계법의 경제성 및 효율성을 평가하였다. 또한, 6개의 예제 적용을 통해 얻어진 결과 분석을 통해 초고층건물 설계시 고강도강재의 효율적인 적용을 위한 가이드라인을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 초고층건물 설계시 최적화기법을 도입하여 적절한 강재의 강도와 단면 성능을 결정함으로서 초고층건물의 구조비용을 최소화할 수 있는 구조비용 최적설계법을 개발하였다. 본 연구는 고강도강재를 초고층건물에 효과적으로 적용할 수 있는 방법을 제안한 것이므로 기둥만을 최적 설계 대상으로 하며, 코어와 처짐의 문제가 발생할 수 있는 거더는 최적화 대상에서 제외하였다.
본 연구에서는 6개 초고층건물을 대상으로 구조비용 최적 설계법의 개발과 더불어 설계 사무소에서 경험에 의존한 설계를 병행하였다. 설계 사무소에서는 주로 SM570TMCP강을 사용하여 설계하였으며, 일부 부재는 SM490Roll강을 사용하여 설계하였다.
최적화 기법을 적용하기 위해서 구조 문제를 수학적 문제로 표현하는 정식화 과정이 필요하다. 본 연구에서 목적함수는 강종의 재료비용을 고려하여 기둥 열별 강재 비용을 최소화하는 것으로서 식 (1)과 같이 표현된다. 최적화 과정에서 SRC 기둥의 콘크리트의 크기와 강도 및 철근 량은 설계 사무소에서 경험에 의한 설계안과 동일하므로 목적함수에는 포함되어 있지 않다.
가설 설정
즉, 정해진 구조 시스템에서 기둥의 강재 강도와 부재 성능을 변수로 하여 구조비용을 최소화하였다. 초고층건물은 부정정이므로 부재 성능 변경에 따라 부재력이 변하므로 구조 해석과 설계가 반복적으로 이루어져야 하나, 초고층건물의 부재력은 주로 부재의 위치와 하중의 크기 따라 결정되므로, 본 연구에서는 기둥의 강성이 변경되더라도 기둥의 부재력은 변화가 없는 것으로 가정하였다. 이러한 가정은 최적화 과정에서 기둥의 부재력 계산을 위한 반복적인 구조해석을 피할 수 있게 해준다(Baker, 1990: Charney, 1991: Park, 2002).
7을 교차율(Cross-over ratio)로 사용하였다. 그리고 돌연변이율이 0.05이상일 경우 그 세대의 최고 적응도를 갖는 개체가 다음 세대에 생존하기 어렵다는 연구를 토대로, 본 연구에서는 돌연변이율은 0.03으로 설정하였다. 300개의 개체를 생성하여 초기 모집단을 생성하였으며, 세대(Generation)를 거치면서 제약 조건을 만족하며 적합도가 가장 높은 개체를 엘리트 개체로 정의하여 최적해의 후보로 사용하였다.
제안 방법
그러므로 본 연구에서는 고강도강재를 초고층건물에 효과적으로 적용할 수 있는 방안으로, 최적화기법을 이용한 초고층건물 구조비용 최적설계법을 개발하였다. 개발된 최적설계법은 6개의 초고층건물 예제에 적용하였으며, 경험에 의존한 설계를 병행하여 개발된 최적설계법의 경제성 및 효율성을 평가하였다. 또한, 6개의 예제 적용을 통해 얻어진 결과 분석을 통해 초고층건물 설계시 고강도강재의 효율적인 적용을 위한 가이드라인을 제시하고자 한다.
설계 사무소에서는 주로 SM570TMCP강을 사용하여 설계하였으며, 일부 부재는 SM490Roll강을 사용하여 설계하였다. 설계 사무소에서 경험에 의존한 설계 결과와 최적설계법으로 얻은 결과를 기둥의 강재와 콘크리트의 비용 및 부재 응력비 등을 비교하는 방식으로 최적화 기법의 경제성 및 적용성을 평가하였다. 또, 최적화 기법으로 얻은 강재와 콘크리트의 비용, 부재 응력 비 및 강재의 강도 분포를 분석하여 초고층건물에 대한 고강도강재의 효율적 사용을 위한 간략한 가이드라인을 제시하였다.
설계 사무소에서 경험에 의존한 설계 결과와 최적설계법으로 얻은 결과를 기둥의 강재와 콘크리트의 비용 및 부재 응력비 등을 비교하는 방식으로 최적화 기법의 경제성 및 적용성을 평가하였다. 또, 최적화 기법으로 얻은 강재와 콘크리트의 비용, 부재 응력 비 및 강재의 강도 분포를 분석하여 초고층건물에 대한 고강도강재의 효율적 사용을 위한 간략한 가이드라인을 제시하였다.
300개의 개체를 생성하여 초기 모집단을 생성하였으며, 세대(Generation)를 거치면서 제약 조건을 만족하며 적합도가 가장 높은 개체를 엘리트 개체로 정의하여 최적해의 후보로 사용하였다. 종료 조건은 모집단의 가용해 비율이 10% 이상이고 동일 엘리트 개체가 500세대 이상 지속되거나 최대 세대 수가 20,000회 일 경우로 설정하였다.
순수 강재 기둥일 경우에는 식 (2), 식 (4)에서 표현된 응력과 인접층 간의 강종만을 제약하였다. 일부 예제에서 의도적으로 SM490Roll 강재를 사용한 기둥은 최적화 기법에서 SM490Roll 강종이 선택되도록 하였다.
본 연구에서 유전자 알고리즘은 300개의 모집단을 생성하고, 이를 교배 및 돌연 변이 과정을 거치면서 모든 제약 조건을 만족하며 최소의 목적함수를 가지는 개체를 엘리트 개체로 정의하여 최적해의 후보 해로 선정하였다. 일반적으로 시공 및 설계 편의상 구조 부재는 수직 및 수평 그룹핑이 되어 있으며 이 연구에서도 부재의 수직 및 수평 그룹핑은 구조 설계사무소에서 결정된 그룹핑을 따르고 있다.
경험에 의존하여 강종과 부재 성능을 함께 결정하는 것은 어려운 작업이므로, 구조 설계사무소에서는 주로 SM570TMC강을 사용하여 설계하였다. SRC 기둥의 콘크리트 가격은 전체 부재 단면적에서 철골과 철근 단면적을 제외한 순수 콘크리트 단면에 높이 및 표 3과 같은 강도별 콘크리트 재료 가격을 고려하여 산정하였다.
표 5는 설계 사무소의 설계안과 최적화 기법에 의한 설계안의 기둥 열별 강재 및 콘크리트의 재료비용과 응력 비를 나타낸다. A 빌딩의 모든 기둥은 SRC 기둥이므로, SRC 기둥의 콘크리트 크기와 강도 및 철근 량은 설계 사무소 안과 동일하게 유지한 체, 유전자 알고리즘을 이용하여 SRC 기둥 내의 H 형강을 표준 데이터베이스에서 선택하여 얻은 결과가 정리 되었다. 최적화 기법을 통해서 얻은 전체 철골 가격은 1,784,561,345원으로 설계 사무소 안에 비해 강재 비용을 약 16%정도 절감 시킬 수 있었다.
최적화 기법을 통해 최종적으로 얻어진 엘리트 개체에 대한 결과와 구조 사무소의 설계 결과는 표 7과 같다. C 빌딩의 지하 6층에서 지상 2층까지의 SRC 기둥은 앞선 예제와 동일한 방법에 의해서 최적화 기법이 적용되었으며, 3층 이상의 강재 기둥은 표준 데이터베이스에서 H 형강을 선택하여 최적화 알고리즘에 의해서 응력과 인접 층간의 강종만을 제약하였다. 최적화 기법을 통해서 얻은 전체 철골 가격은 841,105,805원으로 설계 사무소 안에 비해 강재 비용을 약 21% 정도 절감 할 수 있었다.
앞선 소개한 3개의 예제 외에 3개의 초고층건물을 대상으로 개발된 최적화 기법을 적용하였으며, 그 결과를 표 8과 같이 정리하였다.
국내에서도 800MPa급의 고강도강재의 생산이 예상되고 있으나 고강도강재의 높은 재료 가격과 적용 사례 부족 및 효율적인 사용법 부재 등의 이유로 초고층건물에서 고강도강재의 사용은 극히 제한적이다. 본 연구에서는 초고층건물 설계 시 고강도강재를 효율적으로 적용할 수 있는 방법으로 유전자 알고리즘을 이용한 초고층 건물 구조비용 최적설계법을 개발하였으며, 이를 6개의 실제 초고층건물 설계에 적용하였다. 또한, 최적설계법 개발과 더불어 경험에 의존한 구조 설계를 병행하여 재료비용과 부재응력을 비교하는 방식으로 개발된 구조비용 최적설계법의 효율성을 평가하였다.
본 연구에서는 초고층건물 설계 시 고강도강재를 효율적으로 적용할 수 있는 방법으로 유전자 알고리즘을 이용한 초고층 건물 구조비용 최적설계법을 개발하였으며, 이를 6개의 실제 초고층건물 설계에 적용하였다. 또한, 최적설계법 개발과 더불어 경험에 의존한 구조 설계를 병행하여 재료비용과 부재응력을 비교하는 방식으로 개발된 구조비용 최적설계법의 효율성을 평가하였다. 그 결과, 개발된 구조비용 최적설계기법은 구조 설계 사무소의 설계 결과보다 약 7～21%의 강재 비용을 절감 시킬 수 있었다.
대상 데이터
매입형 합성(이하 SRC) 기둥의 경우에는 SRC 기둥의 외부 크기와 콘크리트의 강도 및 철근 량은 설계 사무소의 설계안과 동일하게 유지하며, SRC 기둥의 철골 부재만을 최적화 알고리즘을 이용하여 데이터베이스에서 선택하여 SRC 기둥을 형성하게 된다. 작성된 철골 부재 데이터베이스는 SM490Roll 부재 23개, SM490Built-up 부재 31개, SM490TMCP 부재 132개, SM520TMCP 부재 163개, SM570TMCP 부재 163개 등 총 512개의 H 형강으로 구성되어 있다.
본 연구에서는 6개 초고층건물을 대상으로 구조비용 최적 설계법의 개발과 더불어 설계 사무소에서 경험에 의존한 설계를 병행하였다. 설계 사무소에서는 주로 SM570TMCP강을 사용하여 설계하였으며, 일부 부재는 SM490Roll강을 사용하여 설계하였다. 설계 사무소에서 경험에 의존한 설계 결과와 최적설계법으로 얻은 결과를 기둥의 강재와 콘크리트의 비용 및 부재 응력비 등을 비교하는 방식으로 최적화 기법의 경제성 및 적용성을 평가하였다.
03으로 설정하였다. 300개의 개체를 생성하여 초기 모집단을 생성하였으며, 세대(Generation)를 거치면서 제약 조건을 만족하며 적합도가 가장 높은 개체를 엘리트 개체로 정의하여 최적해의 후보로 사용하였다. 종료 조건은 모집단의 가용해 비율이 10% 이상이고 동일 엘리트 개체가 500세대 이상 지속되거나 최대 세대 수가 20,000회 일 경우로 설정하였다.
데이터처리
본 연구에서 단순 유전 알고리즘의 파라미터는 De Jong이 제시한 Standard Parameter Setting을 기초로 하여 설정하였다(De Jong, 1975). 다양한 영역의 탐색을 위하여 교차율은 0.4에서 0.8사이의 값을 사용해야한다는 De Jong의 연구결과에 의해 0.7을 교차율(Cross-over ratio)로 사용하였다. 그리고 돌연변이율이 0.
이론/모형
초고층건물 비용 최적설계기법의 최적화 기법으로, 발견적 기법(Heuristic Method) 중에서 해의 탐색 능력이 우수하며 많은 설계 변수와 제약이 많은 대형 수리 문제에 적합한 것으로 알려진 유전 알고리즘(Genetic Algorithm)을 선택하였다. 유전 알고리즘은 1975년 Holland의 논문에서 처음 소개되었으며, 생물의 진화과정인 자연 선별과 유전 법칙을 모방한 확률적 탐색기법으로 현재 다양한 유전자 알고리즘이 개발되고 있으나, 본 연구에서는 개념이 단순하고 유연성이 높은 것으로 알려진 단순 유전 알고리즘(Simple Genetic Algorithms, SGA)을 사용하였다(박효선 등 2006; 서지현 등 2009).
초고층건물 비용 최적설계기법의 최적화 기법으로, 발견적 기법(Heuristic Method) 중에서 해의 탐색 능력이 우수하며 많은 설계 변수와 제약이 많은 대형 수리 문제에 적합한 것으로 알려진 유전 알고리즘(Genetic Algorithm)을 선택하였다. 유전 알고리즘은 1975년 Holland의 논문에서 처음 소개되었으며, 생물의 진화과정인 자연 선별과 유전 법칙을 모방한 확률적 탐색기법으로 현재 다양한 유전자 알고리즘이 개발되고 있으나, 본 연구에서는 개념이 단순하고 유연성이 높은 것으로 알려진 단순 유전 알고리즘(Simple Genetic Algorithms, SGA)을 사용하였다(박효선 등 2006; 서지현 등 2009). 단순 유전 알고리즘은 Goldberg가 제안한 것으로서 해의 영역에 따라 적절한 파리미터의 결정이 필요하다.
단순 유전 알고리즘은 Goldberg가 제안한 것으로서 해의 영역에 따라 적절한 파리미터의 결정이 필요하다. 본 연구에서 단순 유전 알고리즘의 파라미터는 De Jong이 제시한 Standard Parameter Setting을 기초로 하여 설정하였다(De Jong, 1975). 다양한 영역의 탐색을 위하여 교차율은 0.
성능/효과
일본에서 20층 오피스 건물을 대상으로 490MPa급 강재를 590MPa급 강재로 대체할 경우 강재 량을 12% 절감할 수 있다는 연구 결과가 발표되었다(Takao, 2005). 이 연구에서 20층 건물을 대상으로 얻어진 결과가 초고층건물에서 그대로 적용되기는 어려우며, 전체 강재 량은 감소하더라고 고강도강재의 재료비용이 상대적으로 높기 때문에 전체 구조비용은 오히려 증가할 수도 있다. 이처럼, 초고층건물에서 실무 설계자가 다양한 강도와 강종을 조합해서 설계를 하는 것은 현실적으로 시간과 비용이 많이 소요되는 작업이며, 고강도강재의 효율적인 사용에 대한 가이드라인이 거의 없기 때문에 개별 프로젝트마다 시행착오를 겪으며 경험적으로 설계하고 있는 실정이다.
본 연구는 고강도강재를 초고층건물에 효과적으로 적용할 수 있는 방법을 제안한 것이므로 기둥만을 최적 설계 대상으로 하며, 코어와 처짐의 문제가 발생할 수 있는 거더는 최적화 대상에서 제외하였다. 즉, 정해진 구조 시스템에서 기둥의 강재 강도와 부재 성능을 변수로 하여 구조비용을 최소화하였다. 초고층건물은 부정정이므로 부재 성능 변경에 따라 부재력이 변하므로 구조 해석과 설계가 반복적으로 이루어져야 하나, 초고층건물의 부재력은 주로 부재의 위치와 하중의 크기 따라 결정되므로, 본 연구에서는 기둥의 강성이 변경되더라도 기둥의 부재력은 변화가 없는 것으로 가정하였다.
최적화 기법을 통해서 얻은 전체 철골 가격은 1,784,561,345원으로 설계 사무소 안에 비해 강재 비용을 약 16%정도 절감 시킬 수 있었다. 지하 1층까지만 존재하는 C1A 기둥 열을 제외하고 모든 기둥 열에서 최적화 기법에 의한 설계안이 더 낮은 가격과 더 높은 평균 응력 비를 가짐으로써 설계 사무소 설계안 보다 더 효율적인 설계가 되었음을 알 수 있다. 최적화 기법을 적용하여 얻어진 콘크리트 가격은 설계 사무소 안에 비해 2%정도 증가하지만, 콘크리트의 재료비용이 전체 재료비용 중에서 차지하는 비중이 작으므로, 콘크리트 재료 가격의 2%증가는 16%의 강재 비용 절감 효과에 비해서는 아주 작은 값이므로 전체 재료비용은 감소하게 된다.
지하 1층까지만 존재하는 C1A 기둥 열을 제외하고 모든 기둥 열에서 최적화 기법에 의한 설계안이 더 낮은 가격과 더 높은 평균 응력 비를 가짐으로써 설계 사무소 설계안 보다 더 효율적인 설계가 되었음을 알 수 있다. 최적화 기법을 적용하여 얻어진 콘크리트 가격은 설계 사무소 안에 비해 2%정도 증가하지만, 콘크리트의 재료비용이 전체 재료비용 중에서 차지하는 비중이 작으므로, 콘크리트 재료 가격의 2%증가는 16%의 강재 비용 절감 효과에 비해서는 아주 작은 값이므로 전체 재료비용은 감소하게 된다. 표 8은 최적화 기법으로 얻어진 강종별 강재 가격과 콘크리트의 가격이 정리되어 있다.
A 빌딩의 모든 기둥은 SRC 기둥이므로, SRC 기둥의 콘크리트 크기와 강도 및 철근 량은 설계 사무소 안과 동일하게 유지한 체, 유전자 알고리즘을 이용하여 SRC 기둥 내의 H 형강을 표준 데이터베이스에서 선택하여 얻은 결과가 정리 되었다. 최적화 기법을 통해서 얻은 전체 철골 가격은 1,784,561,345원으로 설계 사무소 안에 비해 강재 비용을 약 16%정도 절감 시킬 수 있었다. 지하 1층까지만 존재하는 C1A 기둥 열을 제외하고 모든 기둥 열에서 최적화 기법에 의한 설계안이 더 낮은 가격과 더 높은 평균 응력 비를 가짐으로써 설계 사무소 설계안 보다 더 효율적인 설계가 되었음을 알 수 있다.
표 6은 B 빌딩에 대해서 최적화 기법을 통해서 얻은 최종 결과를 정리한 것으로서 최적화 기법에 의한 전체 철골 가격은 1,497,950,797원으로 설계 사무소 안에 비해 강재 비용을 약 17%정도 절감할 수 있었다. SRC 기둥의 콘크리트 비용은 설계 사무소 안과 비슷하며, 평균 응력 비는 92.
C 빌딩의 지하 6층에서 지상 2층까지의 SRC 기둥은 앞선 예제와 동일한 방법에 의해서 최적화 기법이 적용되었으며, 3층 이상의 강재 기둥은 표준 데이터베이스에서 H 형강을 선택하여 최적화 알고리즘에 의해서 응력과 인접 층간의 강종만을 제약하였다. 최적화 기법을 통해서 얻은 전체 철골 가격은 841,105,805원으로 설계 사무소 안에 비해 강재 비용을 약 21% 정도 절감 할 수 있었다. 또한 SRC 기둥의 콘크리트 비용은 설계 사무소 안에 비해 2%정도 증가하나 전체 재료비용에는 큰 영향을 미치지 못한다.
또한 SRC 기둥의 콘크리트 비용은 설계 사무소 안에 비해 2%정도 증가하나 전체 재료비용에는 큰 영향을 미치지 못한다. 최적화 기법 적용을 통해 얻은 평균 응력 비는 86.3%로서 설계 사무소 안의 77.4%보다 높게 나타났다. CC6, CH6 기둥 열과 같이 평면상에서 모서리에 위치하여 분담하중이 작은 기둥들의 기둥 열별 평균 응력 비는 설계 사무소의 평균응력 비보다 높게 나타나는데, 이는 설계 사무소에서 표준 부재 데이터베이스의 최소 성능 보다 더 작은 부재를 사용하였기 때문이다.
CC6, CH6 기둥 열과 같이 평면상에서 모서리에 위치하여 분담하중이 작은 기둥들의 기둥 열별 평균 응력 비는 설계 사무소의 평균응력 비보다 높게 나타나는데, 이는 설계 사무소에서 표준 부재 데이터베이스의 최소 성능 보다 더 작은 부재를 사용하였기 때문이다. 표 8에서 C 빌딩의 강종별 재료비를 살펴보면, SM570TMCP, SM520TMCP, SM490TMCP, SM490Built-up, SM490 Roll 강종이 각각 16.9%, 67.0%, 2.2%, 3.4%, 10.5%를 차지하고 있음을 알 수 있다.
그림 5는 개발된 최적화 기법을 적용하여 얻은 C 빌딩의 강종별 분포를 나타낸다. 비교적 층수가 높은 기둥 열에서는 저층부에 SM570TMCP 강종이 선택되었으며, CD6, CE6, CF6, CD7 기둥열과 같이 평면상에서 비교적 분담 하중이 크지 않은 것으로 예상되는 기둥 열에서는 SM570TMCP 강종이 선택되지 않았다. 또한, 평면에서 외곽에 배치된 기둥들은 중력하중 분담 면적이 크지 않으므로 부재 데이터베이스 중에서 23번 이하의 부재가 선택되었으며, 이러한 이유로 인해 SM570TMCP 강재가 차지하는 비중이 다른 예제에 비해서 상대적으로 낮게 나타난다.
6개의 초고층건물을 대상으로 얻은 결과를 정리하면, 최적 설계에 의한 설계안은 구조 사무소의 경험에 의한 설계안 보다 약 7～21%의 강재 비용 절감 효과를 얻을 수 있었으며, 응력 비도 대체적으로 높게 나타났다. F 빌딩은 설계 사무소에서 표준 데이터베이스 보다 작은 부재를 많이 사용하였기 때문에 최적 결과에서 얻어진 평균 응력 비가 설계 사무소의 응력 비 보다 높게 나타났다.
6개의 초고층건물을 대상으로 얻은 결과를 정리하면, 최적 설계에 의한 설계안은 구조 사무소의 경험에 의한 설계안 보다 약 7～21%의 강재 비용 절감 효과를 얻을 수 있었으며, 응력 비도 대체적으로 높게 나타났다. F 빌딩은 설계 사무소에서 표준 데이터베이스 보다 작은 부재를 많이 사용하였기 때문에 최적 결과에서 얻어진 평균 응력 비가 설계 사무소의 응력 비 보다 높게 나타났다. C 빌딩을 제외한 5개의 예제 건물의 기둥은 모두 SRC로 구성되어 있으므로 C 빌딩을 제외한 나머지 예제들의 강종별 재료비용의 비율은 그림 6과 같다.
4%로 구성되어 진다. 6개의 예제 구조물의 강종별 분포를 살펴보면, 주로 저층부에서는 SM 570TMCP가 선택되었으며, 중층부에서는 SM520TMCP, 고층부에서는 SM490Roll 강종이 선택되는 경향을 보인다. 이러한 강종의 분포에는 재료 가격이나 응력제약 뿐만 아니라 인접한 두 개 층 사이의 강종에 대한 제약 조건이 함께 반영된 것으로 분석되어 진다.
이러한 강종의 분포에는 재료 가격이나 응력제약 뿐만 아니라 인접한 두 개 층 사이의 강종에 대한 제약 조건이 함께 반영된 것으로 분석되어 진다. 이러한 결과를 통해 초고층 건물 구조 설계 시에는 저층부에서는 SM570TMCP, 고층부에서는 SM490Roll 강종이 효과적일 것으로 분석되며, 강도에 비해서 재료의 가격이 높은 SM490Built-up 강종과 SM490TMCP 강종은 효과적이지 못한 것으로 분석된다.
또한, 최적설계법 개발과 더불어 경험에 의존한 구조 설계를 병행하여 재료비용과 부재응력을 비교하는 방식으로 개발된 구조비용 최적설계법의 효율성을 평가하였다. 그 결과, 개발된 구조비용 최적설계기법은 구조 설계 사무소의 설계 결과보다 약 7～21%의 강재 비용을 절감 시킬 수 있었다. 최적화 기법 적용에 따라 콘크리트의 재료비용은 비슷하거나 다소 증가하나 전체 재료비용에는 크게 영향은 미치지 못한다.
최적화 기법에서 얻어진 강종별 재료비용을 분석해 보면, 전체 재료비용 중 SM570TMCP, SM520TMCP 강종이 90% 이상을 차지하며 SM490TMCP와 SM490Built-up 강종은 거의 선택되지 않았다. 이러한 결과는 초고층건물 설계 시 SM570TMCP, SM520TMCP과 같은 고강도강재를 사용하는 것이 비용 측면에서 효과적이라는 것을 알 수 있다.
최적화 기법에서 얻어진 강종별 재료비용을 분석해 보면, 전체 재료비용 중 SM570TMCP, SM520TMCP 강종이 90% 이상을 차지하며 SM490TMCP와 SM490Built-up 강종은 거의 선택되지 않았다. 이러한 결과는 초고층건물 설계 시 SM570TMCP, SM520TMCP과 같은 고강도강재를 사용하는 것이 비용 측면에서 효과적이라는 것을 알 수 있다. 또, 최적화 기법으로 얻어진 강종 분포를 통해 저층부 SM570TMCP, 중층부에서는 SM520TMCP, 고층부에서는 SM490Roll강종을 사용하는 유리한 것으로 분석되어 진다.
이러한 결과는 초고층건물 설계 시 SM570TMCP, SM520TMCP과 같은 고강도강재를 사용하는 것이 비용 측면에서 효과적이라는 것을 알 수 있다. 또, 최적화 기법으로 얻어진 강종 분포를 통해 저층부 SM570TMCP, 중층부에서는 SM520TMCP, 고층부에서는 SM490Roll강종을 사용하는 유리한 것으로 분석되어 진다.
이상의 결과를 통해 개발된 구조비용 최적설계법은 고강도 강재를 초고층건물에 적용시킬 수 있는 효율적인 방법임을 알았다. 또한, 최적설계법 적용 결과인 강재 량과 강재의 수직 분포에 대한 분석 결과는 초고층건물에 고강도강재 적용을 위한 가이드라인의 역할을 할 수 있을 것으로 기대한다.
후속연구
이상의 결과를 통해 개발된 구조비용 최적설계법은 고강도 강재를 초고층건물에 적용시킬 수 있는 효율적인 방법임을 알았다. 또한, 최적설계법 적용 결과인 강재 량과 강재의 수직 분포에 대한 분석 결과는 초고층건물에 고강도강재 적용을 위한 가이드라인의 역할을 할 수 있을 것으로 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
2000년대 강재의 인장강도는 얼마인가?
1980년 20MPa정도이던 콘크리트의 압축 강도는 그 후 급격히 증가하여 1990년대는 50MPa, 2000년대에는 100MPa까지 증가하였으며, 현재 초고층건물 현장에서도 60～70MPa급의 콘크리트 사용을 어렵지 않게 볼 수 있다. 이에 반해 강재의 인장강도는 1980년대 400MPa정도에서 2000년대에는 600MPa정도로 20년 동안 인장 강도가 1.5배 정도 증가하였으나, 콘크리트의 강도 증가율은 따라 가지 못한다.
콘크리트의 압축 강도는 2000년대에 얼마인가?
세계 10대 초고층건축물에서 강 건축물(steel structure)의 비중이 감소하는 것은 구조 재료의 강도 변화와도 관련이 있다. 1980년 20MPa정도이던 콘크리트의 압축 강도는 그 후 급격히 증가하여 1990년대는 50MPa, 2000년대에는 100MPa까지 증가하였으며, 현재 초고층건물 현장에서도 60～70MPa급의 콘크리트 사용을 어렵지 않게 볼 수 있다. 이에 반해 강재의 인장강도는 1980년대 400MPa정도에서 2000년대에는 600MPa정도로 20년 동안 인장 강도가 1.
실제 초고층건물에서는 고강도강재는 극히 제한적으로 사용되는 이유는무엇인가?
이처럼 국내에서 고강도강재의 공급적인 문제는 해결이 되었지만 실제 초고층건물에서는 고강도강재는 극히 제한적으로 사용되고 있다. 고강도강재에 대한 이해 및 적용 사례 부족, 고강도강재의 경제성에 대한 불확실성 등이 초고층건물 설계에서 고강도강재의 적용을 주저하게 하는 요인이 되고 있다. 고강도강재의 적용 사례와 적용 방법에 대한 자료가 많지 않은 상황에서 설계자의 경험과 직관에 의존하여 초고층건물의 적절한 강재 강도와 부재 성능을 결정하고 고강도 강재의 경제성을 평가하는 것은 쉽지 않은 일이다.
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