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지속가능 설계법을 이용한 철근 콘크리트 기둥의 내재에너지 및 이산화탄소 배출 최적화 해석

Optimization Analysis for Embodied Energy and CO2 Emission in Reinforced Concrete Column Using Sustainable Design Method

한국전산구조공학회논문집 = Journal of the computational structural engineering institute of Korea, v.30 no.3, 2017년, pp.265 - 274  

김경환 (연세대학교 토목환경공학과) ,  여동훈 (미국 국립표준기술연구소) ,  이상호 (연세대학교 토목환경공학과) ,  윤영철 (명지전문대학 토목과)

초록
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본 연구는 콘크리트 구조설계기준을 만족시키면서 내재에너지와 이산화탄소 배출량을 최적화할 수 있는 철근 콘크리트 기둥에 대한 지속가능 설계법을 제시한다. 지속가능 설계법은 기존의 비용절감 중심의 강도설계법에서 벗어나 철근 콘크리트 구조물의 환경 및 에너지 소비에 대한 부하를 최소화할 수 있게 해준다. 철근 콘크리트 기둥의 파괴모드는 가해지는 축력과 휨의 비율에 따라 인장지배와 압축지배로 나누어지기 때문에 각각의 지배모드에 대한 최적화 해석을 수행하였다. 다양한 단면형상과 철근량에 대해 비용, 내재에너지, 이산화탄소 배출량을 최적화시킨 단면을 산출하고 그 특성을 비교 분석하였다. 최적화 해석결과에 대한 분석을 통해 비용을 약 10% 증가시킬 때 내재에너지는 약 25% 그리고 이산화탄소 배출량은 약 55%까지 감소시킬 수 있음을 보였다. 특히, 기둥이 인장지배 상태인 경우 압축지배 상태인 경우보다 내재에너지와 이산화탄소 배출량을 더 큰 폭으로 감소시킬 수 있음을 보였다. 결과적으로 지속가능 설계법은 비용의 최소화 외에도 강도설계법에서 고려하지 않았던 내재에너지나 이산화탄소 배출량을 감소 또는 최적화하는 설계를 가능케 하여 지속가능개발의 개념을 철근 콘크리트 구조물 설계에 도입할 수 있도록 해주는 것을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study presents a sustainable design method to optimize the embodied energy and $CO_2$ emission complying with the design code for reinforced concrete column. The sustainable design method effectively achieves the minimization of the environmental load and energy consumption whereas t...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 목적함수로 설정된 비용(cost), 내재에너지(embodied energy), 이산화탄소 배출량(CO2 emission)에 따른 최적단면을 산정하고, 콘크리트 구조설계기준(Korea Concrete Institute (KCI), 2012)에 따른 제약조건 내에서 다양한 분석을 통해 비용, 내재에너지, 이산화탄소 배출량 간의 상관관계를 밝히고자 한다.
  • 본 논문은 내재에너지와 이산화탄소 배출량을 최적화하면서 철근 콘크리트 기둥단면을 설계할 수 있는 지속가능 설계법을 제시하였다. 철근 콘크리트 기둥은 외부에서 가해지는 축력과 모멘트의 비율에 따라 인장지배와 압축지배로 파괴모드가 나타나기 때문에 두 파괴모드를 모두 고려하기 위해 편심의 변화에 주면서 최적단면 설계를 수행하였다.

가설 설정

  •  철근 콘크리트 기둥은 단주로 가정하고, 위의 설계 조건들과 P-M 상관도를 활용하여 주어진 외력에 대한 설계 가능범위를 산정하였다.
  • 단면형상에 따른 각 목적함수의 변화를 분석하기 위해 철근 콘크리트 기둥의 단면을 정사각형으로 가정하고 최적화 해석을 수행하였다.
  • 본 논문에서는 콘크리트의 굵은 골재 최대치수(Gmax), 설계기준강도(fck), 슬럼프 값을 각각 25mm, 24MPa, 120mm로 가정하였고, 철근의 항복강도(fy)와 직경은 각각 400MPa, D16으로 가정하였다.
  • 콘크리트 구조설계기준(Korea Concrete Institute(KCI), 2012)에 부합하는 띠철근이 배근된 것으로 가정하고, 외부로부터 가해지는 계수 축하중(Pu)과 계수 모멘트(Mu)에 대한 설계대상 기둥의 해석가능 영역(feasible region)을 결정하기 위한 설계 하중(Pd)과 설계 모멘트(Md)는 아래의 식으로부터 결정된다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
온실가스 배출권 거래제도와 같이 에너지나 온실가스 배출량을 줄이는 것이 금전적인 이익으로 연결되는 제도적인 규제가 실행되고 있기 때문에 비용절감만 최우선으로 고려하는 기존의 개발 개념과는 다른 무엇이 요구되나? 온실가스 배출권 거래제도(emission trading system)와 같이 에너지나 온실가스 배출량을 줄이는 것이 금전적인 이익으로 연결되는 제도적인 규제가 실행되고 있기 때문에 비용절감만 최우선으로 고려하는 기존의 개발 개념에서 탈피한 지속가능 개발 개념이 점차 중요해지고 있다(Struble and Godfrey, 2007; Ashley and Lemay, 2008). 지속가능 개발은 단기적인 자연자원의 파괴를 피하면서 경제적인 성장을 창출하는 방법이며, 사회가 발전하는데 있어서 경제적인 측면만 강조하는 것을 우려하여 도입된 개념이다.
비용최적화에 기반한 강도중심의 설계법에서 벗어나 내재에너지를 최적화 할 수 있는 설계 방법으로 검토되는 것은? 그럼에도 불구하고 전 세계적으로 콘크리트의 생산량은 여전히 증가하는 추세이며, 내재에너지 소비량도 함께 증가하고 있다(CTBUH, 2002). 이러한 흐름의 초기에는 저탄소 시멘트와 같이 재료적인 측면에서 에너지 소비를 줄이려는 노력이 있었지만(Cabeza, 2013), 최근에는 재료뿐만 아니라 구조물의 설계 및 관리 과정에서 소비되는 에너지를 줄일 수 있는 방법들이 함께 모색되고 있다(Park et al., 2013; Yeo and Potra, 2015).
내재에너지의 개념은? 특히, 건설산업은 전체 에너지의 40% 정도를 소비하는 것으로 조사된 바 있듯이 에너지 소비 측면에서 미치는 영향이 막대하므로 건설산업 프로세스에 내재에너지 개념을 도입하여 에너지 소비율을 감소시키려는 노력이 지속되고 있다(Horvath, 2004; IEA, 2005; Langston and Langston, 2008). 내재에너지는 재료의 생산, 운송, 가공, 결합, 설치, 해체와 분해에 이르는 건설공정의 전 과정에 걸친 에너지 소비를 정량화하기 위해 도입된 개념이다(Ibn-Mohammed et al., 2013).
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참고문헌 (29)

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  29. Yoon, Y.C., Kim, K.H., Yeo, D., Lee, S.H. (2014) Sustainable Design Method of Reinforced Concrete Beam using Embodied Energy Optimization Technique, J. Korean Soc. Civil Eng., 34(4), pp.1053-1063. 

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