본 연구에서는 고층건물 구조시스템의 다양한 대안으로부터 이들의 성능을 합리적으로 평가하는 방안을 제안하였다. 대안평가는 업무절차에 따라 예비평가, 본평가, 실시평가로 나누어 수행된다. 대안평가를 위한 평가범주는 구조성능, 경제성, 공기의 세 가지로 구성되고, 각 평가범주는 이들을 평가하기 위한 세부 평가항목으로 구성된다. 예비평가에서는 경험지식에 의한 정성적인 평가를 수행하며, 본평가와 실시평가에서는 수치적인 결과를 바탕으로 주로 정량적인 평가를 수행한다. 평가결과의 종합화는 평가항목들간의 관계가 선형적이라는 가정하에 가중평균법을 적용하였다. 제안된 대안평가 방안은 실무예제에 대한 시뮬레이션을 통하여 그 적용성을 검토하였다.
본 연구에서는 고층건물 구조시스템의 다양한 대안으로부터 이들의 성능을 합리적으로 평가하는 방안을 제안하였다. 대안평가는 업무절차에 따라 예비평가, 본평가, 실시평가로 나누어 수행된다. 대안평가를 위한 평가범주는 구조성능, 경제성, 공기의 세 가지로 구성되고, 각 평가범주는 이들을 평가하기 위한 세부 평가항목으로 구성된다. 예비평가에서는 경험지식에 의한 정성적인 평가를 수행하며, 본평가와 실시평가에서는 수치적인 결과를 바탕으로 주로 정량적인 평가를 수행한다. 평가결과의 종합화는 평가항목들간의 관계가 선형적이라는 가정하에 가중평균법을 적용하였다. 제안된 대안평가 방안은 실무예제에 대한 시뮬레이션을 통하여 그 적용성을 검토하였다.
This study presents the alternative evaluation technique for the high-rise building structural system. The alternative evaluation of the structural system is performed in three steps, that is, preliminary evaluation, main evaluation and detailed evaluation. The evaluation categories are composed of ...
This study presents the alternative evaluation technique for the high-rise building structural system. The alternative evaluation of the structural system is performed in three steps, that is, preliminary evaluation, main evaluation and detailed evaluation. The evaluation categories are composed of structural performance, economic feasibility and term of work. Each categories are composed of detailed items to evaluate of its own. In preliminary evaluation, qualitative evaluation based on experimental knowledge is performed. In main and detailed evaluations, quantitative evaluations based on numeric data are performed. The weighted-sum method is applied to integrate the evaluated results of each items and its importance. The applicability of the proposed method was verified by applying it to the practical buildings and simulate the procedures.
This study presents the alternative evaluation technique for the high-rise building structural system. The alternative evaluation of the structural system is performed in three steps, that is, preliminary evaluation, main evaluation and detailed evaluation. The evaluation categories are composed of structural performance, economic feasibility and term of work. Each categories are composed of detailed items to evaluate of its own. In preliminary evaluation, qualitative evaluation based on experimental knowledge is performed. In main and detailed evaluations, quantitative evaluations based on numeric data are performed. The weighted-sum method is applied to integrate the evaluated results of each items and its importance. The applicability of the proposed method was verified by applying it to the practical buildings and simulate the procedures.
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문제 정의
본 연구에서는 고층건물의 구조시스템에 대한 다양한 대안으로부터 각 대안의 성능을 합리적으로 평가하는 방법을 연구하였다. 본 연구를 통하여 얻은 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 고층건물의 구조시스템에 대한 다양한 대안으로부터 각 대안의 성능을 합리적으로 평가하는 방안을 제안하였다. 이를 위해 우선, 대안평가를 위한 평가항목과 각 평가항목별 평가기준을 도출하고, 도출된 기준에 따라 평가 결과를 산정하는 방법을 제안하였다.
가설 설정
2) 평가결과의 종합화는 평가항목들간의 관계가 선형적이라는 가정하에 가중평균법을 적용하였다. 추후 연구에서는 평가항목들간의 비선형적인 상호작용관계와 주관적 의사결정에 따른 평가특성을 반영할 수 있는 기법을 적용할 계획이다.
제안 방법
1) 구조시스템의 대안평가는 업무절차에 따라 예비평가, 본평가, 실시평가로 구성하였다. 대안평가를 위한 평가 범주는 구조성능, 경제성, 공기의 세 가지로 구성하였고, 각각에 대하여 평가단계에 맞추어 정성적 평가와 정량적 평가를 수행한다.
3) 제안된 대안평가 방안은 실무예제에 대한 시뮬레이션을 통하여 그 적용성을 검토하였다. 제안된 방안은 대안평가를 위한 하나의 안으로서, 본 방안의 성능향상을 위해서는 현업적용을 통하여 평가항목의 구성 및 중요도 등을 지속적으로 보완할 필요가 있다.
대안에 대한 평가는 예비평가, 본평가, 실시평가의 각 평가단계별로 구조성능, 경제성, 공기의 세 가지 평가범주에 대하여 이루어지며, 이들 평가범주들은 이들을 평가하기 위한 세부평가항목으로 구성되어 있다. 각 평가항목들을 미리 정의된 평가기준에 의하여 평가하여 평가치를 구하고 여기에 각 평가항목의 중요도를 고려하여 각 평가범주를 평가한다. 그 이후 각 평가범주의 평가치와 중요도를 고려하여 구조성능, 경제성, 공기를 모두 고려한 평가결과를 얻는다.
구조해석과 구조설계 이후 실시하는 본평가 단계에서는 산출된 구조물량을 바탕으로 경제성을 정량적으로 평가한다. 즉, 강구조인 경우는 강재량을, RC 구조인 경우에는 콘크리트와 철근 및 거푸집량을, 철골철근콘크리트의 합성구조인 경우에는 강재, 콘크리트, 철근 및 거푸집량을 산출하여 평가한다.
이를 위해 우선, 대안평가를 위한 평가항목과 각 평가항목별 평가기준을 도출하고, 도출된 기준에 따라 평가 결과를 산정하는 방법을 제안하였다. 그리고 최종적으로 제안된 대안평가 방안을 실무예제에 대한 시뮬레이션을 통하여 그 적용성을 검토하였다.
대안에 대한 평가는 예비평가, 본평가, 실시평가의 각 평가단계별로 구조성능, 경제성, 공기의 세 가지 평가범주에 대하여 이루어지며, 이들 평가범주들은 이들을 평가하기 위한 세부평가항목으로 구성되어 있다. 각 평가항목들을 미리 정의된 평가기준에 의하여 평가하여 평가치를 구하고 여기에 각 평가항목의 중요도를 고려하여 각 평가범주를 평가한다.
1) 구조시스템의 대안평가는 업무절차에 따라 예비평가, 본평가, 실시평가로 구성하였다. 대안평가를 위한 평가 범주는 구조성능, 경제성, 공기의 세 가지로 구성하였고, 각각에 대하여 평가단계에 맞추어 정성적 평가와 정량적 평가를 수행한다.
대안생성 이후에는 대안을 평가하는 단계로 넘어간다. 본 연구에서는 이전의 연구결과를 바탕으로 대안평가를 그림 1에서 보는바와 같이 예비평가, 본평가 및 실시평가의 세 가지 단계로 나누었다(김영민 등, 2010). 예비평가는 구조해석을 수행하기 이전에 행하는 평가로서 구조물의 형태와 구조형식을 바탕으로 경험지식에 의한 정성적인 평가를 수행한다.
본 장에서는 예비평가와 본평가 및 실시평가에 의한 구조 시스템의 대안평가 과정을 세 개의 예제를 통하여 시뮬레이션하였다. 각 대안은 지상 59층, 높이 184.
본평가는 구조해석과 구조설계 이후 실시하는 평가로서, 수치적인 구조해석 결과와 구조설계에 따른 구조물량을 바탕으로 주로 정량적인 평가를 수행한다. 본평가 단계의 구조성능 평가항목에는 횡변위, 층간변위비, 부등축소량, 수평진동(풍진동, 지진진동), 바닥진동(수직진동)이 있다.
예비평가는 구조해석을 수행하기 이전에 행하는 평가로서 구조물의 형태와 구조형식을 바탕으로 경험지식에 의한 정성적인 평가를 수행한다. 본평가에서는 구조해석의 수치적인 결과와 구조설계에 따른 구조물량을 바탕으로 정량적인 평가를 수행한다. 실시 평가에서는 시공방법과 시공일정 및 각종 간접비와 직접비 등을 고려하여 사업성에 대한 정량적인 평가를 수행한다.
본평가에서는 구조해석의 수치적인 결과와 구조설계에 따른 구조물량을 바탕으로 정량적인 평가를 수행한다. 실시 평가에서는 시공방법과 시공일정 및 각종 간접비와 직접비 등을 고려하여 사업성에 대한 정량적인 평가를 수행한다. 각 단계마다의 평가범주는 구조성능, 경제성, 공기의 세 가지로 구성하였으며 이를 평가하는 방법과 기준은 평가단계마다의 특성에 따라 달라진다.
실시평가 단계에서 경제성은 구조재와 마감재의 자재비에 시공방법과 시공일정을 반영하고, 관리비, 금융비용 등의 간접비와 기획비, 설계비, 감리비, 공사비, 유지보수비 등의 직접비를 구체적으로 산정하여 평가한다.
실시평가 단계에서 공기는 설계 및 인허가 기간을 포함하는 사업일정과 토공사, 가설공사, 골조공사, 마감공사 등의 각종 공사일정을 구체적으로 산정하여 평가한다.
예비평가에서는 대안 1과 대안 2가 유사하게 평가되었으나, 본평가에서 상대적으로 차이가 크게 나타난 것은 경제성 평가의 중요한 부분을 차지하는 철근량이 대안 2에서는 Post tension 슬래브의 사용으로 대안 1에 비해 많이 줄어들었기 때문에 나타난 현상으로 분석된다. 실시평가에서는 구조성능은 구체적인 평가지수로 산출되나, 경제성과 공기는 평가지수가 아닌 전체 공사 비용과 전체공기로 산출되며, 이 단계에서는 구조성능과 경제성, 공기를 통합적으로 고려하여 엔지니어가 직접 최종평가를 실시한다. 한편, 평가항목의 중요도는 초고층건물의 특성을 반영하여 설정하였으며 실무에서는 해당 프로젝트에 가장 적합한 값으로 수정하여 적용할 필요가 있다.
층수에 따른 강구조와 RC 구조의 단위면적당 기준 구조물량은 표 17의 식과 같다. 이 식은 국내외의 기존 초고층 건물의 구조물량을 근거로 회귀식으로 구하였다. 이 식의 값을 기준으로 표 18을 바탕으로 구조물량을 평가한다.
구조시스템의 대안평가는 우선 많은 수의 초기대안에 대하여 정성적인 평가인 예비평가를 수행하여 일정한 수준을 만족하는 대안들을 1차로 선발한다. 이렇게 선발된 대안들에 대해 본평가에서 구체적인 수치에 의한 정량적인 평가를 수행하여 수 개 정도의 대안을 2차로 선발한다. 마지막으로 본 평가를 통과한 대안들에 대해 실시평가를 수행하여 고려중인 프로젝트에 가장 적합한 최종안을 선정한다.
본 연구에서는 고층건물의 구조시스템에 대한 다양한 대안으로부터 각 대안의 성능을 합리적으로 평가하는 방안을 제안하였다. 이를 위해 우선, 대안평가를 위한 평가항목과 각 평가항목별 평가기준을 도출하고, 도출된 기준에 따라 평가 결과를 산정하는 방법을 제안하였다. 그리고 최종적으로 제안된 대안평가 방안을 실무예제에 대한 시뮬레이션을 통하여 그 적용성을 검토하였다.
구조해석과 구조설계 이후 실시하는 본평가 단계에서는 산출된 구조물량을 바탕으로 경제성을 정량적으로 평가한다. 즉, 강구조인 경우는 강재량을, RC 구조인 경우에는 콘크리트와 철근 및 거푸집량을, 철골철근콘크리트의 합성구조인 경우에는 강재, 콘크리트, 철근 및 거푸집량을 산출하여 평가한다. 특히, 거푸집 비용은 콘크리트 건물에서 가장 중요한 비용인자 중 하나이다(Cho 등, 2004).
대상 데이터
본 장에서는 예비평가와 본평가 및 실시평가에 의한 구조 시스템의 대안평가 과정을 세 개의 예제를 통하여 시뮬레이션하였다. 각 대안은 지상 59층, 높이 184.5m, 기준층 면적 1,334m2, 연면적 78,706m2, 코어면적 222m2, 형상비 3.94의 RC조 건물로서 구조특성은 표 26과 같고 입면 및 평면은 그림 7과 같다. 표 27에서 본평가 결과는 구조해석과 구조설계를 수행한 후에 산출된 값이다.
이와 같은 특성 때문에 정형적인 중저층 건물에서는 강도설계가 구조성능 평가에 크게 영향을 미치나 비정형이거나 초고층 건물일수록 강성설계와 사용성능이 성능평가에 크게 영향을 미친다. 이와 같은 특성을 반영하여 고층 및 초고층 건물을 대상으로 하는 본 연구에서는 구조성능 평가는 주로 강성 평가와 사용성평가를 대상으로 하였다.
이론/모형
횡하중에 의한 수평진동은 진동가속도로 평가하며 그 기준은 표 13과 같다. 바닥판의 수직진동은 진동레벨(dB)로 평가하며 그 기준은 Meister, Bachmann, Steffens, Dieckmann, DIN, ANSI 등의 제안(김영학 등, 2004; 조강표 등, 2007)을 근거로 표 14와 같이 구성하였다. 특히 주거용 건물은 진동이 사용성에 크게 영향을 미치므로 가중치를 조절하여 평가할 필요가 있다.
평가치와 중요도의 종합화 방법은 간단하게는 최소값법, 최대값법, 가중평균법이 있고, 평가항목들간의 상호작용관계를 반영하는 방법으로 퍼지적분법이 있다. 본 연구에서는 평가단계별로 평가항목과 이들을 평가하기 위한 평가기준을 설정하는 것을 주목표로 하였으므로 종합화기법은 평가항목들 간의 관계가 선형이라는 가정하에 일반적으로 사용되고 있는 가중평균법을 적용하였다. 평가수행시 일부 평가항목을 평가할 수 없는 경우에는 해당 평가항목의 가중치를 나머지 평가항목으로 재분배하였다.
성능/효과
표 27에서 실시평가의 평가항목의 평가치는 대부분 기존 자료나 적절한 예측치를 적용하여 산정하였다. 예비평가에서는 세 개의 대안이 거의 비슷한 평가결과가 나왔고, 본평가에서는 대안 3이 가장 우수하고 대안 1이 가장 낮게 평가되었다. 예비평가에서는 대안 1과 대안 2가 유사하게 평가되었으나, 본평가에서 상대적으로 차이가 크게 나타난 것은 경제성 평가의 중요한 부분을 차지하는 철근량이 대안 2에서는 Post tension 슬래브의 사용으로 대안 1에 비해 많이 줄어들었기 때문에 나타난 현상으로 분석된다.
후속연구
3) 제안된 대안평가 방안은 실무예제에 대한 시뮬레이션을 통하여 그 적용성을 검토하였다. 제안된 방안은 대안평가를 위한 하나의 안으로서, 본 방안의 성능향상을 위해서는 현업적용을 통하여 평가항목의 구성 및 중요도 등을 지속적으로 보완할 필요가 있다.
2) 평가결과의 종합화는 평가항목들간의 관계가 선형적이라는 가정하에 가중평균법을 적용하였다. 추후 연구에서는 평가항목들간의 비선형적인 상호작용관계와 주관적 의사결정에 따른 평가특성을 반영할 수 있는 기법을 적용할 계획이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
건물의 구조성능 평가는 어떻게 나눌 수 있는가?
건물의 구조성능 평가는 크게 강도평가, 강성평가 및 사용성평가로 나눌 수 있다. 이중 강도평가는 강도설계와 관련되고 강성평가는 강성설계와 관련된다.
예비평가 단계의 평가항목에는 무엇이 있는가?
예비평가 단계는 구조해석을 수행하기 이전이므로 구조물의 형태와 구조형식을 바탕으로 주로 알려진 지식을 이용하여 정성적인 평가를 수행한다. 이 단계에서의 평가항목에는 구조형식별 변위응답 및 가속도응답특성과 건물형상에 따른 횡강성 및 풍하중 응답특성이 있다.
강도설계란?
이중 강도평가는 강도설계와 관련되고 강성평가는 강성설계와 관련된다. 강도설계는 구조부재의 하중지지나 하중전달능력을 조절하는 설계방법으로, 구조물을 구성하는 구조부재 각각의 부재응력을 확인하고 이것을 부재를 구성하는 재료의 허용응력과 비교하여 그 초과 여부에 따라 부재단면의 크기를 변경하거나 또는 재료의 강도를 변경함으로써 쉽게 이루어질 수 있다. 반면, 강성설계는 구조물 전체의 변형저항능력을 조절하는 설계방법으로, 부재의 개별적인 단면성능 조절로는 구조물의 전체적인 변형저항능력을 조절하기 어려우므로 구조시스템 차원에서 접근할 필요가 있다(조한욱 등, 2010).
초고층 건물의 대안평가와 관련된 연구로서 서지현 등은 강재의 강도별 재료가격을 고려한 구조비용 최적화에 대한 연구를 수행하였으며(서지현 등, 2009), Cho 등은 비슷한 규모의 실제 지어진 합성구조와 RC 구조의 고층건물에 대한 구조물량과 비용분석을 통해 구조형식에 따른 경제적인 대안을 제시하였다(Cho 등, 2004).
정종현 (2007) 초고층건물의 초기 구조설계를 위한 횡강성 증가율 예측, 한국전산구조공학회 논문집, 20(4), pp.453-462.
즉, 구조시스템의 선정과정은 최적의 설계안을 도출하는 과정이라 할 수 있으며, 이는 응력제약, 변위제약, 치수제약, 안전성, 시공성, 기능, 미관 등 설계에 관련된 각종 제약조건을 만족하면서 재료비, 가공비, 가설비, 유지관리비 등을 포함한 건설경비가 가장 적게 드는 구조형식과 사용재료, 단면치수를 결정하는 과정이다(조한욱 등 2010).
반면, 강성설계는 구조물 전체의 변형저항능력을 조절하는 설계방법으로, 부재의 개별적인 단면성능 조절로는 구조물의 전체적인 변형저항능력을 조절하기 어려우므로 구조시스템 차원에서 접근할 필요가 있다(조한욱 등, 2010).
초고층 건물의 대안평가와 관련된 연구로서 서지현 등은 강재의 강도별 재료가격을 고려한 구조비용 최적화에 대한 연구를 수행하였으며(서지현 등, 2009), Cho 등은 비슷한 규모의 실제 지어진 합성구조와 RC 구조의 고층건물에 대한 구조물량과 비용분석을 통해 구조형식에 따른 경제적인 대안을 제시하였다(Cho 등, 2004).
특히, 거푸집 비용은 콘크리트 건물에서 가장 중요한 비용인자 중 하나이다(Cho 등, 2004).
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