건축구조물의 상부구조-하부구조 분리해석과 일체해석의 비교분석 Comparison of Super Structure-Sub Structure Separation Analysis and Unification Analysis about Building Structures원문보기
일반적으로 건축물의 구조해석과 설계에 있어 작업효율을 확보하기 위하여 상부구조물과 하부구조물을 별도로 모델링하여 해석 및 설계를 진행하는 분리해석 방법을 사용한다. 하지만, 상기 분리해석을 사용할 경우, 상부구조물의 고정지점과 변형된 기초구조물과는 실제 연결된 지점에서 변위차가 발생하여 구조해석의 기본요건인 변형적합성 조건을 만족하지 못하게 되고 상부구조-하부구조의 상호작용을 고려하지 못하기 때문에 실제와는 다른 구조해석 및 설계결과를 초래할 수 있다. 본 연구에서는 초고층 철골구조물을 대상으로 구조물의 부등침하 등에 큰 영향을 미치는 상재(常載)하중에 대한 분리해석과 일체해석의 해석결과 차이를 비교 분석하였다. 분석결과에 따르면 분리해석방법을 사용할 경우, 상부구조물의 구조해석에 있어 기초의 변형을 고려하지 못하기 때문에 부재력을 과소평가할 수 있고 이로인해 비안전측 설계결과를 가지고 올 수 있다. 하부 기초구조물을 분리해석으로 해석하였을 경우, 상부구조물의 강성을 고려하지 못하기 때문에 기초의 부등침하 과대평가, 부재력의 과대/과소 평가를 초래할 수 있어 비경제적이고 불안전한 설계결과를 가져올 수 있다. 특히, 기초의 변형이 상부구조물에 큰 영향을 미칠 수 있는 건축구조물, 지반의 강성이 작아서 기초에 큰 변형이 예상되는 건축물, 지반조건이 불균질하여 부등침하가 예상되는 건축구조물 등에는 분리해석을 지양해야 할 것이다.
일반적으로 건축물의 구조해석과 설계에 있어 작업효율을 확보하기 위하여 상부구조물과 하부구조물을 별도로 모델링하여 해석 및 설계를 진행하는 분리해석 방법을 사용한다. 하지만, 상기 분리해석을 사용할 경우, 상부구조물의 고정지점과 변형된 기초구조물과는 실제 연결된 지점에서 변위차가 발생하여 구조해석의 기본요건인 변형적합성 조건을 만족하지 못하게 되고 상부구조-하부구조의 상호작용을 고려하지 못하기 때문에 실제와는 다른 구조해석 및 설계결과를 초래할 수 있다. 본 연구에서는 초고층 철골구조물을 대상으로 구조물의 부등침하 등에 큰 영향을 미치는 상재(常載)하중에 대한 분리해석과 일체해석의 해석결과 차이를 비교 분석하였다. 분석결과에 따르면 분리해석방법을 사용할 경우, 상부구조물의 구조해석에 있어 기초의 변형을 고려하지 못하기 때문에 부재력을 과소평가할 수 있고 이로인해 비안전측 설계결과를 가지고 올 수 있다. 하부 기초구조물을 분리해석으로 해석하였을 경우, 상부구조물의 강성을 고려하지 못하기 때문에 기초의 부등침하 과대평가, 부재력의 과대/과소 평가를 초래할 수 있어 비경제적이고 불안전한 설계결과를 가져올 수 있다. 특히, 기초의 변형이 상부구조물에 큰 영향을 미칠 수 있는 건축구조물, 지반의 강성이 작아서 기초에 큰 변형이 예상되는 건축물, 지반조건이 불균질하여 부등침하가 예상되는 건축구조물 등에는 분리해석을 지양해야 할 것이다.
In the case of structural analysis for building structures, the super-structure and the sub-structure are analyzed by using separate structural models in the field because of time saving, facile result interpretation and easy analysis of dynamic behavior. However this separate structural model viola...
In the case of structural analysis for building structures, the super-structure and the sub-structure are analyzed by using separate structural models in the field because of time saving, facile result interpretation and easy analysis of dynamic behavior. However this separate structural model violated the compatibility condition of structural analysis and it can not consider the interaction of superand sub- structures. In the present study, the analysis results of this separate model were compared to those of the unified model of super- and sub- structures which can consider the interaction of super- and sub- structures and reflect the realistic boundary conditions. According to the comparison results, the the analysis model using separate models can underestimate the member force and deflection of structural members in the super-structures and overestimate the deflection and member force of sub-structures. Therefore, in the case of high-rise buildings, irregular shaped buildings, buildings which are expected to be affected by large differential settlement and remodeling buildings, the unified structural model for super- and sub- structures was recommended for structural analysis instead of the separate structural model.
In the case of structural analysis for building structures, the super-structure and the sub-structure are analyzed by using separate structural models in the field because of time saving, facile result interpretation and easy analysis of dynamic behavior. However this separate structural model violated the compatibility condition of structural analysis and it can not consider the interaction of superand sub- structures. In the present study, the analysis results of this separate model were compared to those of the unified model of super- and sub- structures which can consider the interaction of super- and sub- structures and reflect the realistic boundary conditions. According to the comparison results, the the analysis model using separate models can underestimate the member force and deflection of structural members in the super-structures and overestimate the deflection and member force of sub-structures. Therefore, in the case of high-rise buildings, irregular shaped buildings, buildings which are expected to be affected by large differential settlement and remodeling buildings, the unified structural model for super- and sub- structures was recommended for structural analysis instead of the separate structural model.
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문제 정의
이는 앞에서 언급한 바와 같이, 중력하중은 상재하중이므로 기초의 안정성에 미치는 영향이 매우 크다고 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 일체해석과 분리해석에 따른 기초 해석결과의 차이를 분석하여 분리해석 사용시의 발생할 수 있는 해석결과의 오류에 대하여 살펴보았다. 해석방법에 따른 예제건축물의 기초 해석결과를 비교 분석하기 위해 예제 건축물에서 가장 큰 파일기초 압축력과 기초슬래브 변형 (침하량)이 예상되는 위치를 Fig.
본 연구에서는 실무에서 사용하는 상부구조물-기초구조물 분리해석 방법의 유효성과 한계를 분석하기 위하여, 현존하는 초고층 건축물 중에서 대표적인 철골구조물을 대상으로 상부구조물과 기초구조물을 전체를 모델링하여 구조체의 거동을 실제와 가깝게 구조해석 했을 경우(이하 “일체해석”이라 칭함)와 현재 실무에서 사용하는 방법과 같이 상부구조물과 기초구조물을 분리하여 구조해석했을 경우(이하 “분리해석”이라 칭함)의 해석결과 차이를 종합적으로 비교분석하였다.
본 연구에서는 현존하는 초고층 건축물 중에서 대표적인 철골구조물을 대상으로 분리해석과 일체해석의 해석결과 차이를 비교 분석하였다. 또한 분석결과를 토대로 현재 실무에서 사용하는 방법의 한계와 설계시 고려사항을 제안하였다.
본 연구에서는 실무에서 사용하는 상부구조물-기초구조물 분리해석 방법의 유효성과 한계를 분석하기 위하여, 현존하는 초고층 건축물 중에서 대표적인 철골구조물을 대상으로 상부구조물과 기초구조물을 전체를 모델링하여 구조체의 거동을 실제와 가깝게 구조해석 했을 경우(이하 “일체해석”이라 칭함)와 현재 실무에서 사용하는 방법과 같이 상부구조물과 기초구조물을 분리하여 구조해석했을 경우(이하 “분리해석”이라 칭함)의 해석결과 차이를 종합적으로 비교분석하였다. 특히 본 연구에서는 구조물의 부등침하 등에 큰 영향을 미치는 상재(常載)하중에 대한 분리해석 방법의 유효성을 분석하였다. 또한 분석결과를 토대로 현재 실무에서 사용하는 분리해석 방법의 한계와 설계고려사항을 제안하였다.
제안 방법
분리해석의 경우, Fig. 7(a)에 나타난 바와 같이, 기둥의 최하층 지지점을 고정단으로 이상화하여 변형을 허용하지 않고 구조해석을 수행한다. 하지만 실제거동과 유사한 상-하부 일체해석의 경우, 최하층 기둥에서 기초의 강성에 따라 변위가 발생한다.
내외부 기둥들의 축력 분포를 분석함으로써, 이러한 중력 하중 분포에 대한 상-하부 구조 분리해석 모델과 일체해석 모델의 거동차이를 분석하기 위해 Fig. 5와 같이, 대상 건물의 기둥들을 내부기둥(interior columns)과 외부기둥(exterior columns)으로 분류하여, 3차원 구조해석 결과로부터 각 층에서의 내부기둥들과 외부기둥들의 축력 총합을 각각 분리 하였다. 이 때, 고정하중과 활하중의 중력하중만을 적용하였으며, 비계수 하중 조합(unfactored load combination)에 의한 사용하중 상태를 분석 대상으로 하였다.
본 연구에서는 현존하는 초고층 건축물 중에서 대표적인 철골구조물을 대상으로 분리해석과 일체해석의 해석결과 차이를 비교 분석하였다. 또한 분석결과를 토대로 현재 실무에서 사용하는 방법의 한계와 설계시 고려사항을 제안하였다.
특히 본 연구에서는 구조물의 부등침하 등에 큰 영향을 미치는 상재(常載)하중에 대한 분리해석 방법의 유효성을 분석하였다. 또한 분석결과를 토대로 현재 실무에서 사용하는 분리해석 방법의 한계와 설계고려사항을 제안하였다.
본 건축물을 선택한 이유는 비교결과 분석을 용이하게 하게 위해서 실제 존재하는 초고층 건축물 중에서 대칭의 구조형식을 가지고 있는 건축물을 선택하였다. 본 건축물의 구조해석을 위하여, MIDAS-GEN 프로그램이 사용되었으며, 기둥 및 보는 보 요소로, 가새는 트러스 요소로 모델링되었다. 전면기초는 입방체 요소로서, 파일은 축강성만을 갖는 스프링 지지요소로 모델링되었다.
6(a), (b)에서 볼 수 있듯이 분리해석과 일체해석의 경우 모두, 외부기둥들이 중앙코어부의 내부기둥보다 많은 축력을 분담하고 있는 것을 관찰할 수 있으며 저층부로 갈수록 기둥의 축력부담이 커지는 것을 볼 수 있다. 분리해석과 일체해석의 차이점을 보다 명확히 분석하기 위하여 해석방법에 따른 내외단의 축력 분담률을 분석하였다 (Fig. 6(c) 참조).
5와 같이, 대상 건물의 기둥들을 내부기둥(interior columns)과 외부기둥(exterior columns)으로 분류하여, 3차원 구조해석 결과로부터 각 층에서의 내부기둥들과 외부기둥들의 축력 총합을 각각 분리 하였다. 이 때, 고정하중과 활하중의 중력하중만을 적용하였으며, 비계수 하중 조합(unfactored load combination)에 의한 사용하중 상태를 분석 대상으로 하였다.
전면기초는 입방체 요소로서, 파일은 축강성만을 갖는 스프링 지지요소로 모델링되었다. 이 때, 기초 침하의 분포만을 연구대상으로 하므로, 해석의 단순화를 위하여 파일의 비선형 거동 특성은 무시하고, 파일 스프링 강성은 상수값(900kN/mm)을 적용하였다. Fig.
분리해석과 일체해석의 핵심적인 차이는 기초의 강성에 의한 최하부에서의 변형을 상부구조물 해석 및 설계에 반영하는지의 여부에 있다. 이러한 최하부의 변형은 수평부재의 응력보다는 수직부재 응력에 더 큰 영향을 미치므로 기둥부재의 부재력과 변형을 집중적으로 조사하였다.
일반적으로 실무에서 사용하는 방식인 상부구조-하부구조 분리해석 모델과 실제 구조물의 구성방식을 반영한 상부구조-하부구조 일체해석 모델의 거동차이를 분석하기 위해 먼저 연직부재인 기둥들에서의 중력하중 분포에 대하여 검토하였다. 일반적으로, 초고층 건물은 풍하중의 동적 효과를 감소시키기 위하여, 각 층의 평면형상을 변화시키거나 상부층으로 갈수록 평면이 좁아지는 셋백(setback) 혹은 테이퍼(tapered) 형상이 자주 사용된다(Baker et al.
일체해석과 분리해석의 부재력이 차이나는 이유를 파악하기 위하여 가장 큰 부재력이 발생하는 ①번 메가기둥(Fig. 10참조)과 경향성을 확인하기 위하여 평면상 유사한 위치에 자리하는 ②번 메가기둥(Fig. 10 참조)의 부재력과 상대 변위를 전층에 걸쳐 조사하였다(Fig. 11과 12 참조). Fig.
초고층 건축물의 경우, 상부구조-하부구조의 상호작용이 클 것으로 예상되기 때문에, 본 연구에서는 초고층 철골구조 건축물을 연구대상으로 선정하였다. 초고층 철골구조 건물에 대한 3차원 구조해석모델 구현에 있어 일반적으로 실무에서 사용하는 방식인 상부구조-하부구조 분리해석 모델과 비교분석을 위한 상부구조-하부구조 일체해석 모델을 구성하였다. 대상 건물은 실제 현존하는 높이 500m 이상의 초고층 건물로서 (Shieh et al.
대상 데이터
대상 건물은 실제 현존하는 높이 500m 이상의 초고층 건물로서 (Shieh et al., 2003; Kang et al., 2010), 횡력저항 시스템은 철골 가새 코어(22.5m×22.5m)와 CFT 각형 기둥(최대 단면 2.4m×3.0m), 철골 트러스 아웃리거로 구성되어 있으며, 기초시스템은 전면기초(두께 3.0∼4.7m)와 파일(직경 1.5m, 총 381개)로 구성된 파일지지 전면기초시스템(piled mat foundation system)이 적용되었다(Fig. 3 참조).
3 참조). 본 건축물을 선택한 이유는 비교결과 분석을 용이하게 하게 위해서 실제 존재하는 초고층 건축물 중에서 대칭의 구조형식을 가지고 있는 건축물을 선택하였다. 본 건축물의 구조해석을 위하여, MIDAS-GEN 프로그램이 사용되었으며, 기둥 및 보는 보 요소로, 가새는 트러스 요소로 모델링되었다.
초고층 건축물의 경우, 상부구조-하부구조의 상호작용이 클 것으로 예상되기 때문에, 본 연구에서는 초고층 철골구조 건축물을 연구대상으로 선정하였다. 초고층 철골구조 건물에 대한 3차원 구조해석모델 구현에 있어 일반적으로 실무에서 사용하는 방식인 상부구조-하부구조 분리해석 모델과 비교분석을 위한 상부구조-하부구조 일체해석 모델을 구성하였다.
후속연구
이러한 경향은 건축물의 층수가 높고, 비정형성이 강하고, 기초의 강성이 작은 경우에 더 커질 것으로 예상된다. 따라서 상기 경우에 해당하는 건축물의 구조설계에 있어서는 하부구조물의 변형을 반영할 수 있는 해석 및 설계방법을 적용해야 할 것이다.
, 2011)도 진행되었으나 아직까지 분리해석 방법의 유효성과 한계에 대한 종합적인 분석자료는 부족한 실정이라고 할 수 있다. 또한 지진하중과 같은 동적 횡하중 뿐만 아니라 구조물의 부등침하 등에 큰 영향을 미치는 상재(常載)하중(고정하중이나 적재하중)에 대한 분리해석 방법의 유효성 검증도 추가되어야 할 것이다. 본 연구에서는 실무에서 사용하는 상부구조물-기초구조물 분리해석 방법의 유효성과 한계를 분석하기 위하여, 현존하는 초고층 건축물 중에서 대표적인 철골구조물을 대상으로 상부구조물과 기초구조물을 전체를 모델링하여 구조체의 거동을 실제와 가깝게 구조해석 했을 경우(이하 “일체해석”이라 칭함)와 현재 실무에서 사용하는 방법과 같이 상부구조물과 기초구조물을 분리하여 구조해석했을 경우(이하 “분리해석”이라 칭함)의 해석결과 차이를 종합적으로 비교분석하였다.
하부 기초구조물을 분리해석으로 해석하였을 경우, 상부구조물의 강성을 고려하지 못하기 때문에 기초의 부등침하 과대평가, 부재력의 과대/과소 평가를 초래할 수 있어 비경제적이고 불안전한 설계결과를 초래할 수 있다. 특히, 기초의 변형이 상부구조물에 큰 영향을 미칠 수 있는 건축구조물, 지반의 강성이 작아서 기초에 큰 변형이 예상되는 건축물, 지반조건이 불균질하여 부등침하가 예상되는 건축구조물 등에는 분리해석을 지양해야 할 것이다. 향후에는 일체해석방법을 건축구조물에 적용할 수 있는 관련 기술의 개발과 검증이 보다 폭넓게 수행되어야 할 것이다.
이처럼, 분리해석의 사용하여 기초구조물을 설계한다면, 기초의 부등침하가 과대평가될 수 있으며 일부 기초구조물에 대해서는 비경제적이고 불안전한 설계결과를 가져올 수 있다. 한편, 본 연구에서는 실무에서 사용하는 상부-하부구조물 분리해석의 유효성과 한계를 분석하기 위하여 상부-하부구조물 일체해석의 결과가 실제 구조물의 거동과 유사하다고 가정하였으나 본 연구에서 수행한 일체해석의 경우에도 탄성거동 및 지지점 가정 등이 실제 구조물의 거동과 상이할 수 있는 한계를 가지고 있으며 따라서 이에 대한 추가적인 연구가 필요하다고 할 수 있다.
특히, 기초의 변형이 상부구조물에 큰 영향을 미칠 수 있는 건축구조물, 지반의 강성이 작아서 기초에 큰 변형이 예상되는 건축물, 지반조건이 불균질하여 부등침하가 예상되는 건축구조물 등에는 분리해석을 지양해야 할 것이다. 향후에는 일체해석방법을 건축구조물에 적용할 수 있는 관련 기술의 개발과 검증이 보다 폭넓게 수행되어야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
건축물의 구조해석과 설계에 있어 작업효율을 확보하기 위해 어떤 방법을 사용하는가?
일반적으로 건축물의 구조해석과 설계에 있어 작업효율을 확보하기 위하여 상부구조물과 하부구조물을 별도로 모델링하여 해석 및 설계를 진행하는 분리해석 방법을 사용한다. 하지만, 상기 분리해석을 사용할 경우, 상부구조물의 고정지점과 변형된 기초구조물과는 실제 연결된 지점에서 변위차가 발생하여 구조해석의 기본요건인 변형적합성 조건을 만족하지 못하게 되고 상부구조-하부구조의 상호작용을 고려하지 못하기 때문에 실제와는 다른 구조해석 및 설계결과를 초래할 수 있다.
최근 컴퓨터의 발달로 인하여 건축물의 구조해석과 설계함에 있어 무엇을 사용하는가?
최근 건축물의 구조해석과 설계에 있어 컴퓨터의 발달로 인하여 매트릭스해법을 이용한 유한요소해석을 대부분 사용한다. 그런데 실무에서는 건축물을 구조설계함에 있어 기초 구조물(sub-structure 또는 footing)을 상부구조(super-structure)과 분리하여 해석/설계한다.
기초 구조물(sub-structure 또는 footing)을 상부구조(super-structure)과 분리하여 해석/설계 할 경우 나타나는 문제점은 무엇인가?
본 연구에서는 초고층 철골구조물을 대상으로 구조물의 부등침하 등에 큰 영향을 미치는 상재(常載)하중에 대한 분리해석과 일체해석의 해석결과 차이를 비교 분석하였다. 분석결과에 따르면 분리해석방법을 사용할 경우, 상부구조물의 구조해석에 있어 기초의 변형을 고려하지 못하기 때문에 부재력을 과소평가할 수 있고 이로인해 비안전측 설계결과를 가지고 올 수 있다. 하부 기초구조물을 분리해석으로 해석하였을 경우, 상부구조물의 강성을 고려하지 못하기 때문에 기초의 부등침하 과대평가, 부재력의 과대/과소 평가를 초래할 수 있어 비경제적이고 불안전한 설계결과를 가져올 수 있다. 특히, 기초의 변형이 상부구조물에 큰 영향을 미칠 수 있는 건축구조물, 지반의 강성이 작아서 기초에 큰 변형이 예상되는 건축물, 지반조건이 불균질하여 부등침하가 예상되는 건축구조물 등에는 분리해석을 지양해야 할 것이다.
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