시공단계에 따른 철근콘크리트 구조물의 장기변형 해석은 설계 및 시공에 있어서 매우 중요한 요소이다. 하지만 기존의 많은 해석적 연구들은 그 적용기법의 단순화로 인하여 실제 구조설계 및 시공에 대부분 반영되지 못하고 있다. 동바리와 기둥에서는 축력 재분배가 시간에 따라 계속적으로 변화되기 때문에 콘크리트 타설, 거푸집 제거, 동바리 재설치, 동바리 제거 및 이에 따른 추가하중의 작용과 같은 전반적인 시공단계를 그대로 적용하여 해석하는 것은 매우 중요한 요소이다. 따라서 본 논문에서는 이와 같은 시간에 따른 시공단계별 해석을 객체지향 알고리즘으로 개발하였다. 본 시스템에서는 입력모듈, DB모듈, DB저장 모듈, 해석모듈 및 결과분석모듈로 구분하였으며, 각 모듈간의 연계는 visual c# 루틴으로 처리하였다. 또한 그래픽 인터페이스와 DB 테이블은 사용자 편의성을 고려하여 개발하였다.
시공단계에 따른 철근콘크리트 구조물의 장기변형 해석은 설계 및 시공에 있어서 매우 중요한 요소이다. 하지만 기존의 많은 해석적 연구들은 그 적용기법의 단순화로 인하여 실제 구조설계 및 시공에 대부분 반영되지 못하고 있다. 동바리와 기둥에서는 축력 재분배가 시간에 따라 계속적으로 변화되기 때문에 콘크리트 타설, 거푸집 제거, 동바리 재설치, 동바리 제거 및 이에 따른 추가하중의 작용과 같은 전반적인 시공단계를 그대로 적용하여 해석하는 것은 매우 중요한 요소이다. 따라서 본 논문에서는 이와 같은 시간에 따른 시공단계별 해석을 객체지향 알고리즘으로 개발하였다. 본 시스템에서는 입력모듈, DB 모듈, DB저장 모듈, 해석모듈 및 결과분석모듈로 구분하였으며, 각 모듈간의 연계는 visual c# 루틴으로 처리하였다. 또한 그래픽 인터페이스와 DB 테이블은 사용자 편의성을 고려하여 개발하였다.
Long-term behavior analysis considering construction sequence should be performed in the design and the actual construction of reinforced tall buildings. Most of the analytical studies on this subject, however, has not been applied directly to the structural design and the construction caused by the...
Long-term behavior analysis considering construction sequence should be performed in the design and the actual construction of reinforced tall buildings. Most of the analytical studies on this subject, however, has not been applied directly to the structural design and the construction caused by the simple approach. As the axial force redistribution of shores and columns is time-dependent, the actual construction sequence with the placement of concrete, form removal, reshoring, shore removal, and the additional load application is very important. Object-oriented analysis program considering construction sequence, especially time-dependent deformation in early days, is developed. This system is composed of input module, database module, database store module, analysis module, and result generation module. Linkage interface between the central database and each of the related module is implemented by the visual c# concept. Graphic user interface and the relational database table are supported for user's convenience.
Long-term behavior analysis considering construction sequence should be performed in the design and the actual construction of reinforced tall buildings. Most of the analytical studies on this subject, however, has not been applied directly to the structural design and the construction caused by the simple approach. As the axial force redistribution of shores and columns is time-dependent, the actual construction sequence with the placement of concrete, form removal, reshoring, shore removal, and the additional load application is very important. Object-oriented analysis program considering construction sequence, especially time-dependent deformation in early days, is developed. This system is composed of input module, database module, database store module, analysis module, and result generation module. Linkage interface between the central database and each of the related module is implemented by the visual c# concept. Graphic user interface and the relational database table are supported for user's convenience.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 시공단계에서의 장기변형 특성과 거푸집 및 동바리 효과를 각기 고려한 해석프로그램을 개발하고자 한다. 임의의 층 타설시 거푸집 제거 이후에도 동바리에 작용하는 축력은 시간에 따라서 점차적으로 감소하는 반면에 콘크리트 기둥의 축력은 점차적으로 증가하기 때문에 거푸집과 동바리의 실제강성을 적용한다.
임의의 층 타설시 거푸집 제거 이후에도 동바리에 작용하는 축력은 시간에 따라서 점차적으로 감소하는 반면에 콘크리트 기둥의 축력은 점차적으로 증가하기 때문에 거푸집과 동바리의 실제강성을 적용한다. 또한 구조해석에 필요한 자료들과 해석 결과를 효율적으로 관리하기 위한 DB를 설계하고, 사용자가 편리하게 구조해석을 실행할 수 있는 통합 구조해석 시스템을 개발하고자 한다. 개발된 시스템은 사용자에게 편리하도록 GUI 환경을 제공하기 위하여 통합 프로그래밍 개발도구를 사용하였다.
본 논문에서 개발된 해석시스템의 사용성 및 정확성을 평가하기 위하여 실제 구조물인 서울의 50층 K건물에 대한 시공사례[12]와 비교 분석해 보기로 한다. 적용된 구조물의 시공단계는 [그림 9]와 같으며, 계측은 진동현식 게이지를 주철근에 부착하고 이를 층별로 구분하여 데이터로거에 연결하여 정해진 시간간격으로 자동으로 측정하는 시스템인 [그림 10]과 같은 방식으로 적용하였다.
본 논문에서는 철근콘크리트 고층건물에서 거푸집, 동바리의 설치, 제거 및 재설치 과정을 포함하는 시공 단계를 고려한 해석시스템을 개발하였으며, 이로부터 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
가설 설정
콘크리트 구조물에 대한 일반적인 구조해석 방법은 완성된 전체 구조물에 하중이 동시에 작용한다고 가정하고 수행된다. 그러나 이러한 가정은 건물이 층별 또는 몇 개의 층 단위로 시공될 때는 실제 구조물의 거동과는 상당한 차이가 발생된다.
제안 방법
4) 시간 경과에 따른 기둥과 거푸집 및 동바리의 축력의 변화를 고려하여 축력을 재분배시킴으로서 실제 기둥의 축력과 거의 동일한 수준으로 예측하고 있음을 실제 적용사례 분석에 의하여 입증하였다.
또한 구조해석에 필요한 자료들과 해석 결과를 효율적으로 관리하기 위한 DB를 설계하고, 사용자가 편리하게 구조해석을 실행할 수 있는 통합 구조해석 시스템을 개발하고자 한다. 개발된 시스템은 사용자에게 편리하도록 GUI 환경을 제공하기 위하여 통합 프로그래밍 개발도구를 사용하였다.
거푸집과 동바리는 기존에 무한강성을 가진 하나의 조건으로 설정하여 동시에 설치하고 동시에 제거하는 것으로 고려하였던 것과 달리 [그림 5]와 같이 거푸집과 동바리를 실제강성을 가진 별도의 요소로 각각 설정하여 설치와 제거를 따로이 입력할 수 있도록 구현하였다. 그림에서 동바리를 해체하고 바로 재설치하는 이유는 거푸집을 제거하기 위한 시공과정 상에서 반드시 필요한 일정이며, 재설치된 동바리는 상부 슬래브가 안정적인 강성을 확보하였을 때 완전 제거된다.
구조물 기둥 및 벽체의 시공단계별 해석을 위하여 각 부재별 부담면적과 부재크기를 고려하였으며, 시공단계에 따른 거푸집 설치와 제거, 동바리 재설치와 제거를 고려하였다. 이때 모든 골조 부재에 대하여 실제 시공된 일자를 입력 데이터로 사용하였다.
구조물의 시공중 시공단계에 따른 해석과 구조물 완공후 입주에 따른 사용하중 재하를 모두 고려하여 구조물의 부등축소량을 산정하였다. 부등축소량은 슬래브 타설후 축소량으로 정리하였으며, 벽체-내측기둥 연결부와 내측기둥-외측기둥 연결부의 두 가지 종류로 구분하여 정리하면 [그림 12]와 같이 나타난다.
따라서 DB에 저장된 파일로부터 해석에 필요한 시공단계별 정보 즉, 현재 시공단계에서의 해석할 골조의 형태(절점과 부재)와 하중조건 등을 찾는다. 그리고 해석은 [그림 3]과 같이 크게 탄성해석과 시간의존적 비탄성해석으로 나누어 수행한다. 해석의 편리를 위해 탄성 해석에서는 시간에 따라서 콘크리트의 강성이 바뀌는 영향을 고려하기 위해서 발생하는 콘크리트의 변형 또는 응력을 작용하는 총 하중(또는 응력)에 대해서 구한다.
또한 시간의존적 비탄성해석에서 콘크리트의 균열 또는 단면 상하부 철근배근의 상이로 인하여 중립축의 변형률과 곡률이 계속적으로 변화되는 것을 고려하였으며[9], 이에 따라 단부에서의 축력과 휨모멘트가 계속 적으로 바뀌며 재분배되는 것을 변화된 강성행렬을 적용하여 재계산하였다. 그리고 응력이완 현상을 고려하여 계산된 변형이나 하중이 과도하게 크게 평가되지 않도록 고려하였다[10].
실제로 시공중에는 구조물 자체의 자중과 동바리의 고정하중만이 존재하기 때문에 작용하중은 탄성범위 내에 있게 된다. 본 논문에서는 1차원 선요소(line element)를 사용하는 2차원 골조해석을 수행하였으며, [그림 4]와 같이 i층에서 상향 및 하향으로 작용하는 모든 수직하중은 평형조건을 만족하여야 하므로 식(2)와 같이 정리된다. 여기서 슬래브에 작용하는 하중은 슬래브 전체에 등분포하중이 작용한다고 설정하였다.
입력모듈은 해당 전공분야의 일반적 지식을 가진 사용자가 접근이 용이하도록 하기 위해 가장 단순하면서도 보편화된 GUI 환경을 사용하였다. 사용자는 메뉴 도구바, 위저드 형식, 계층적 목록을 이용하여 데이터를 입력할 수 있으며 수정, 검색을 수행할 수 있다.
본 논문에서 개발된 해석시스템의 사용성 및 정확성을 평가하기 위하여 실제 구조물인 서울의 50층 K건물에 대한 시공사례[12]와 비교 분석해 보기로 한다. 적용된 구조물의 시공단계는 [그림 9]와 같으며, 계측은 진동현식 게이지를 주철근에 부착하고 이를 층별로 구분하여 데이터로거에 연결하여 정해진 시간간격으로 자동으로 측정하는 시스템인 [그림 10]과 같은 방식으로 적용하였다.
그리고 해석은 [그림 3]과 같이 크게 탄성해석과 시간의존적 비탄성해석으로 나누어 수행한다. 해석의 편리를 위해 탄성 해석에서는 시간에 따라서 콘크리트의 강성이 바뀌는 영향을 고려하기 위해서 발생하는 콘크리트의 변형 또는 응력을 작용하는 총 하중(또는 응력)에 대해서 구한다. 반면에 시간의존적 비탄성해석에서는 각각의 시간 단계에서 발생하는 증분량(increment)을 계산하여 전체적으로 합산한다.
대상 데이터
계측은 지하3층, 6층, 17층에 대하여 대표부재를 선정하여 실시하였으며, 마감공사가 진행되어야 하는 현장여건상 최초 골조공사가 시작된 시점으로부터 507일까지만 수행되었다.
이론/모형
시스템의 구조는 [그림 1]과 같이 입력모듈, DB 모듈, DB 저장모듈, 해석모듈, 그리고 결과분석모듈로 구성되어 있다. 본 논문의 해석시스템의 개발툴은 Microsoft Visual Studio C# 통합개발도구를 사용하여 구현하였으며, 데이터베이스는 Microsoft Access 2000의 DBMS(data base management system)을 사용하였다.
해석모듈은 시스템의 가장 핵심적인 부분으로 DB에 저장된 데이터를 이용하여 해석을 수행하고 그 결과를 해당 table에 저장한다. 장기변형 해석법으로는 가장 정확한 방법으로 알려진 step-by-step 방법을 사용한다. 따라서 DB에 저장된 파일로부터 해석에 필요한 시공단계별 정보 즉, 현재 시공단계에서의 해석할 골조의 형태(절점과 부재)와 하중조건 등을 찾는다.
탄성해석과 시간의존적 비탄성해석에서 수행되는 프로그램은 그동안 국내외 여러 건설현장에서 적용되어 그 신뢰성이 입증된 Conses 프로그램[7][8]을 적용하였으며, 여기서 고려되는 주요 사항들은 다음과 같다.
해석모듈은 구조물 조건, 적용설계기준 선정, 해석조건 등 주어진 모든 입력조건을 바탕으로 하여 해석을 수행하며, 주어진 조건을 만족하여 해가 도출될 때까지 Newton-Raphson 방법[11]에 의하여 지속적으로 반복 계산을 수행하게 된다. [그림 6]은 해석모듈이 수행되는 프로그램 실행 화면이다.
성능/효과
1) 일반적인 시공단계별 진행상황 및 결과물을 DB화 하여 시스템을 효율적으로 관리할 수 있다.
2) 사용자 편의를 위한 GUI 환경의 지원으로 사용자가 필요 데이터 및 조건의 입력과 수정작업을 쉽게 할 수 있도록 구현하여 실무에의 적용성이 매우 편리하도록 하였다.
3) 개발된 해석시스템은 일반적인 고층건물의 시공 단계는 물론 각 층별로 거푸집의 설치와 제거, 동바리의 재설치와 제거까지 고려하여 실제 구조물의 시공단계를 거의 그대로 모사하여 적용할 수 있다.
이러한 기존의 연구방식은 크게 두 가지로 구분된다. 첫째, 전체 건물의 해석이 아닌 기둥 하나만을 독립적으로 평가하여 결과를 도출하는 방식[1-3]으로 해석적 루틴은 비교적 간단하지만 결과에 대한 신뢰도는 크게 떨어져 개략적인 경향만을 참조할 뿐 실제로 적용되지는 않는다. 둘째, 전체 건물에 대한 시공단계 해석을 수행하지만 그 과정에 있어서 거푸집(form)과 동바리(shore)를 변형이 발생하지 않는 무한강성을 가진 동일한 하나의 조건으로 설정하여 동시 설치와 동시 제거로만 고려하고 있다[4][5].
후속연구
5) 아직까지는 시스템이 개발되어 DB 축적 초기단계에 있기 때문에 DB자료의 활용성은 매우 떨어지지만, 향후 많은 건설공사에 적용되어 어느 정도 DB가 축적되고 나면 더욱 더 체계적이고 신뢰성 높은 시스템이 완성될 수 있을 것으로 사료된다.
개발된 시스템은 철근콘크리트 고층건물에서 시간의존 거동을 고려한 시공단계 해석프로그램이므로 구조물에 대한 탄성 및 시간의존적 비탄성해석을 수행하여야 한다. 시스템의 구조는 [그림 1]과 같이 입력모듈, DB 모듈, DB 저장모듈, 해석모듈, 그리고 결과분석모듈로 구성되어 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
DB저장모듈 및 DB모듈은 어떤 기능을 수행하는가?
DB저장모듈 및 DB모듈은 사용자가 데이터 입력을 완료하였을 때 데이터의 효율적인 저장과 관리를 위하여 데이터베이스로 변환하는 기능을 수행한다[6].
step-by-step 방법을 통해 찾는 것은 무엇인가?
장기변형 해석법으로는 가장 정확한 방법으로 알려진 step-by-step 방법을 사용한다. 따라서 DB에 저장된 파일로부터 해석에 필요한 시공단계별 정보 즉, 현재 시공단계에서의 해석할 골조의 형태(절점과 부재)와 하중조건 등을 찾는다. 그리고 해석은 [그림 3]과 같이 크게 탄성해석과 시간의존적 비탄성해석으로 나누어 수행한다.
DB저장모듈은 어떻게 구성되어 있는가?
DB저장모듈은 실제로 자료를 저장하고 있는 SQL table과 table에 저장된 자료들을 관리하는 데이터베이스 관리시스템(DBMS)으로 구성되어 있다. DB모듈은 해석모듈에서 사용할 데이터파일을 생성하고 해석에 따른 결과물을 데이터베이스에 저장하여 해석결과를 사용자가 접근할 수 있도록 일정한 양식을 갖춘 파일로 생성하는 역할을 수행한다.
참고문헌 (12)
M. F. Ghosh and H. Iyengar, Column Shortening in Tall Structures-Prediction and Compensation, Engineering Bulletin No. EB108D, Portland Cement Association, 1987.
S. W. Park and Y. R. Kim, "Interconversion between Relaxation Modulus and Creep Compliance for Viscoelastic Solids," Journal of Materials in Civil Engineering, Vol.11, No.1, pp.76-82, 1999.
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