[논문]중층 규모 철근콘크리트 주거형 건물의 시공 중 구조성능 분석

고준영; 김재요

doi:10.11112/jksmi.2019.23.5.96

중층 규모 철근콘크리트 주거형 건물의 시공 중 구조성능 분석
Analyses of Structural Performances for Reinforced Concrete Middle-Rise Residential Building under Construction 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.23 no.5, 2019년, pp.96 - 103

고준영 (광운대학교 건축공학과) , 김재요 (광운대학교 건축공학과)

초록
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중층 철근콘크리트 주거형 건물은 국내에서 많은 비중을 차하며, 이러한 건물의 시공단계에서 발생 될 수 있는 문제에 대한 구조성능 분석이 필요하다. 이를 위하여, 25층 규모의 중층 철근콘크리트 주거형 건물을 예제모델로 선정해 구조성능 분석을 진행하였다. 예제모델을 5층, 10층, 15층, 20층, 25층의 시공단계 모델과 설계가 완료된 완공단계 모델로 구분해 구조해석을 수행하였다. 완공단계와 시공단계 모델들에 대하여, 고유치해석, 횡력저항성능, 완공단계에서의 설계강도비와 시공단계에서의 설계강도비를 비교를 통한 단면성능 검토를 수행하였다. 검토 결과, 시공단계와 완공단계 모두 횡변위와 층간변위비에서 건축구조기준 제한을 초과하지 않았는 것을 확인하였고, 단면성능 검토에서는 벽체의 일부 데이터를 제외한 모든 부재에서 구조적 안전성을 확인하였다. 따라서, 중층 철근콘크리트 주거형 건물의 완공단계에서 구조적 안정성이 확보되면 시공단계에서도 구조적 안정성 학보가 이루어진다는 결론을 도출할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Middle-rise reinforced concrete residential buildings account for a large portion of the Korea, and structural performance analysis are needed for problems that could occur during the construction of such buildings. Thus, a middle-rise reinforced concrete residential building with 25 stories are selected as a sample model for structural performance analysis. The structural analyses are performed by dividing a sample model into the construction stage models of the 5th, 10th, 15th, 20th and 25th floors and the completion stage models with the design completed. For the comparisons of structural performances, Eigenvalue analysis results and lateral-load-resisting capabilities and structural design performances of structural members are analyzed. As a result of analyses, it was confirmed that both the construction and completion stage do not exceed KBC criteria limits at the lateral displacement and story drift ratio, and structural design performances of structural members confirm structural safety in all components except for some members of the wall. Therefore, it was concluded that if structural stability is obtained during the completion stage of a middle-rise reinforced concrete residential building, structural stability is secured under construction.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1 Typical floor model
그림 Fig. 2 Numerical models for construction stages
표 Table 1 Effective stiffness reduction of structural members
표 Table 2 Load combinations
표 Table 3 Design floor loads
그림 Fig. 3 Comparisons of wind load
표 Table 4 Result of modal analyses
그림 Fig. 4 Comparisons of seismic load
표 Table 5 Lateral displacement ratio for wind load
그림 Fig. 5 Story drift ratio for seismic load
그림 Fig. 6 PM Interaction Diagrams of Column and Wall
그림 Fig. 7 Result summary of design ratio

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구를 통해, 중층 철근콘크리트 공동주택 건물의 시공 단계에서의 구조성능 분석을 위한 검토 항목 및 과정에 대한 구체적인 가이드라인을 제시하고자 한다.

가설 설정

1개 층의 골조 공사에 소요되는 시간을 5일로 가정하고, 해석의 단순화를 위해 1층에서 25층에 동일한 기간을 적용하였다.
나머지 하부층은 마감공사가 끝나 장비나 건설 인원의 출입이 거의 없다고 가정하여, 건축구조기준에서 제시하고 있는 최소활하중인 1.0kN/m²을 코어외측과 코어내측에 동일하게 적용하였다.
1개 층의 골조 공사에 소요되는 시간을 5일로 가정하고, 해석의 단순화를 위해 1층에서 25층에 동일한 기간을 적용하였다. 마감은 골조 시공 후 5개층을 후행하여 시공하는 것으로 가정하였다. 시공단계 모델들에 있어서, 최상부 5개층은 골조 공사는 완료되었으나, 마감공사는 진행되지 않은 것으로 가정하였다.
시공단계 모델들에 있어서, 최상부 5개층은 골조 공사는 완료되었으나, 마감공사는 진행되지 않은 것으로 가정하였다.
이 연구에서는 시공 조건을 가정해 연구모델에 적용하였다. 1개 층의 골조 공사에 소요되는 시간을 5일로 가정하고, 해석의 단순화를 위해 1층에서 25층에 동일한 기간을 적용하였다.
지진하중의 경우 지역계수 0.176을 가정하여 사용했으며, 지반조건은 Sc로 가정하였다.
지형계수는 완공단계와 시공단계 모두‘1.0’으로 동일하게 적용했으며, 가스트영향계수는 공진효과를 무시할 수 없는 건축물이라 가정하여, 각 해석모델에서 고유치해석을 통해 기본진동수를 구해 적용하였다.
풍하중의 경우, 완공단계 모델에는 기본풍속을 26m/sec로 가정하여 적용하였고 시공단계는 앞에서 제시한 기본풍속 저감계수 ‘0.9’를 반영한 23.4m/sec를 적용하였다.

제안 방법

1) 시공 조건을 해석모델에 반영하기 위해 국내외 기준을 검토하여 적절한 조건을 적용하였다.
이 연구에서는 앞서 기술한 사항들을 종합하여, 중층 규모의 철근콘크리트 주거형 건물 사례를 대상으로 시공 과정에서 발생 될 수 있는 문제점을 고려한 구조성능 분석을 수행하였다. 25층 규모의 중층 철근콘크리트 건물을 예제건물로 선정하여 시공 과정에 적용되는 중력하중 및 시공 활하중을 고려하고, 풍하중 및 지진하중을 적합한 시공조건에 따라 적용하였다. 또한 해석모델을 골조의 진행 상황을 고려해 단계별로 나누어 구성하고 횡하중에 대한 안정성 분석과 단면성능 분석을 바탕으로 완공된 모델과의 구조성능을 비교·분석하였다.
Table 2의 하중조합을 적용하여 풍하중, 지진하중에 대하여 단면성능 분석을 진행하였다. 수직부재인 벽체와 기둥의 경우 축력과 모멘트의 상관관계를 통해 단면성능을 검토하였으며, 모든 수직부재를 축력과 모멘트의 상관도를 작성함으로써 단면성능 검토를 수행하였다.
건축구조기준에 제시된 하중 기준을 기반으로 하고, 시공단계에서 고려되는 사항들(ASCE 37-02)을 반영하여 하중 조건을 일부 조정하였다.
골조 및 마감 시공이 진행 중인 상부 5개 층에는 실제 시공과 유사하게 적용하기 위해 코어 외측과 코어 내측으로 구분해 하중을 각각 적용하였다.
콘크리트의 강도와 강성은 건축구조기준(Architectural Institution of Korea, 2016)에서 제시하는 식을 사용하였다. 골조가 시공되는 건물 상부 5개 층에 재령 5일, 15일, 20일, 25일의 압축강도와 강성을 적용하였고, 상부 5개층을 제외한 나머지 층은 재령 28일에 해당하는 압축강도와 강성을 적용하였다. 콘크리트의 균열에 의한 강성감소를 유효단면에 고려하기 위해 건축구조기준에서 제시하는 강성감소계수를 완공단계와 시공단계에 동일하게 적용하였다(Table 1).
기둥의 경우 축력에 대한 설계강도비를 정리하였고, 벽체의 경우 축력과 전단력에 대하여, 연결보의 경우 휨모멘트에 대하여 설계강도비를 정리하였다.
또한 해석모델을 골조의 진행 상황을 고려해 단계별로 나누어 구성하고 횡하중에 대한 안정성 분석과 단면성능 분석을 바탕으로 완공된 모델과의 구조성능을 비교·분석하였다.
벽체의 경우 Wall 요소, 기둥과 연결보의 경우 Beam 요소를 적용해 모델링하였다.
부재의 설계강도에 대한 소요강도의 비를 설계강도비로 정의하여 단면 성능을 검토하였으며 시공단계와 완공단계에서의 모든 연결보, 기둥, 벽체에 대한 검토를 진행하였다.
수직부재인 벽체와 기둥의 경우 축력과 모멘트의 상관관계를 통해 단면성능을 검토하였으며, 모든 수직부재를 축력과 모멘트의 상관도를 작성함으로써 단면성능 검토를 수행하였다.
시점별 구조성능 분석을 위해 5층, 10층, 15층, 20층, 25층의 시공단계 모델들을 만들어 골조의 완성도에 따라 분석을 진행하였다(Fig. 2).
앞에서 정리한 하중결과를 바탕으로, 해석모델에 하중조합을 적용해 부재 단면의 설계강도비를 산정하였다. 부재의 설계강도에 대한 소요강도의 비를 설계강도비로 정의하여 단면 성능을 검토하였으며 시공단계와 완공단계에서의 모든 연결보, 기둥, 벽체에 대한 검토를 진행하였다.
완공단계와 시공단계 모델의 구조거동 특성을 분석하기 위하여 고유치해석을 진행하여 고유주기, 고유모드 등을 확인하였다. Table 4는 예제모델의 고유치해석 결과로서, 각각의 모델에 대하여 1~3차 모드의 고유형상과 고유주기, 주방향 및 질량 참여율(Modal participate mass)을 제시하고 있다.
이 연구에서는 앞서 기술한 사항들을 종합하여, 중층 규모의 철근콘크리트 주거형 건물 사례를 대상으로 시공 과정에서 발생 될 수 있는 문제점을 고려한 구조성능 분석을 수행하였다. 25층 규모의 중층 철근콘크리트 건물을 예제건물로 선정하여 시공 과정에 적용되는 중력하중 및 시공 활하중을 고려하고, 풍하중 및 지진하중을 적합한 시공조건에 따라 적용하였다.
이와 같은 예제 모델에 대해서 범용구조해석 프로그램인 MIDAS-GEN (MIDAS, 2019)을 사용하여 구조해석을 수행하였다(Fig. 1).
지진력 저항시스템은 완공단계에서 철근콘크리트 보통전단벽으로서 반응수정계수 ‘4’, 변위증폭계수 ‘4’를 적용하였다.
철근콘크리트 중층 건물 사례를 대상으로 시공 중 구조성능을 분석하기 위해 골조완성 시점에 따라 해석모델을 구성하고 시공단계에 적합한 하중조건을 적용하여 지진하중, 풍하중, 단면성능 분석을 통한 구조성능을 검토하였다. 주요 검토 사항은 다음과 같다.
코어 외측에는 건축공사표준시방서(Architectural Institution of Korea, 2015)에서 제시하는 콘크리트 타설시 최소 활하중인 2.5kN/m²을 적용하였고, 코어 내측은 시스템 거푸집, 타워크레인 등의 사용으로 인한 하중이 부가될 것을 고려하여 전동식 카트장비를 이용한 콘크리트 타설하중인 3.75kN/m²을 적용하였다.
골조가 시공되는 건물 상부 5개 층에 재령 5일, 15일, 20일, 25일의 압축강도와 강성을 적용하였고, 상부 5개층을 제외한 나머지 층은 재령 28일에 해당하는 압축강도와 강성을 적용하였다. 콘크리트의 균열에 의한 강성감소를 유효단면에 고려하기 위해 건축구조기준에서 제시하는 강성감소계수를 완공단계와 시공단계에 동일하게 적용하였다(Table 1). 지진하중에 의한 층간변위 검토와 단면설계에 설계하중의 조건을 적용하여 기둥, 벽체(비균열 벽쳬)에는 0.

대상 데이터

이 연구에서 사용된 예제모델은 25층의 중층 철근콘크리트 공동주택 건물이다.
콘크리트 강도는 벽체, 기둥, 연결보 모두 21MPa를 적용하였다.

이론/모형

ASCE 37-02에서 제시하는 시공 중 최소 설계하중을 적용했으며, 시공단계 해석모델들에 적용된 조건들은 기존연구(Hwang and Kim, 2015; Kim, 2016)에 적용된 내용과 동일하며 구체적인 내용은 다음과 같다.
국내 구조기준에 따라 풍하중 및 지진하중을 완공단계 모델에 적용하였고, 시공단계 모델에는 ASCE 37-02를 반영해 일부 조건들을 조정하였다.
시공 중 설계 하중은 ASCE 37-02(American Society of Civil Engineers, 2002)에서 제시하는 조건들을 적용하여 시공 단계 모델의 구조성능 분석을 수행하였다.
콘크리트의 강도와 강성은 건축구조기준(Architectural Institution of Korea, 2016)에서 제시하는 식을 사용하였다.

성능/효과

다만, 일부 저층 구간에서는 완공단계에서 가까울수록 층전 단력 및 전도모멘트가 감소하는 현상을 관찰할 수 있었다.
2) 풍하중 검토 결과, 시공단계에서의 풍하중은 기본풍속 저감과 중요도계수의 감소로 인해 완공단계보다 낮게 풍하중이 작용하였다.
5와 같다. 25층 시공단계 모델의 층간 변위비는 완공단계 모델의 층간변위비보다 다소 큰 것으로 확인되었으며, 저층 시공단계에서는 완공단계보다 층간변위비가 현저하게 작다는 것을 확인할 수 있다. 완공단계 모델은 내진등급 ‘I’ 로서 허용 층간변위비 ‘0.
3) 지진하중의 경우, 시공단계에서의 중요도계수 저감과 응답가속도 값의 변화로 인해 지진하중과, 층간변위비가 증가하는 구간이 일부 확인되었으나, 구조기준에서 제시하는 허용 층간변위비를 초과하지 않는 것을 확인하였다.
4) 부재 단면성능 검토 결과, 시공단계 부재의 설계강도비가 골조완성도와 함께 증가하는 경향을 보였으며, 보와기둥에서 완공단계 설계강도비를 초과하지 않았지만, 벽체 일부에서 완공단계 설계강도비를 초과하는 경우가 확인되었다.
기둥과 벽체 모두 시공단계에서의 골조완성도가 높아짐에 따라 소요강도가 설계강도에 근접하는 것을 확인하였다.
모든부재의 단면성능을 검토를 통해서 시공단계에서 골조완성도가 높아짐에 따라 설계강도비의 증가하는 경향을 확인하였다. 또한, 대부분의 부재와 단면들에서 시공단계에서의 설계강도비가 완공단계에서의 설계강도비가 작은 것으로 확인되었다. 일부 벽체에서는 완공단계보다 시공단계에서의 설계강도비가 큰 것으로 나타났으나, 해당 부재들의 설계강도비가 매우 작은 수준으로서 설계강도비가 1.
부재 데이터가 대각선보다 위에 위치할 경우 완공단계보다 시공단계에서 하중을 크게 받고 있음을 의미하며, 대각선보다 아래에 위치할 경우 완공단계보다 시공단계에서 하중을 작게 받는 것을 의미한다. 모든부재의 단면성능을 검토를 통해서 시공단계에서 골조완성도가 높아짐에 따라 설계강도비의 증가하는 경향을 확인하였다. 또한, 대부분의 부재와 단면들에서 시공단계에서의 설계강도비가 완공단계에서의 설계강도비가 작은 것으로 확인되었다.
완공단계 모델은 내진등급 ‘I’ 로서 허용 층간변위비 ‘0.015’를 초과하지 않고 있어 충분히 안전한 수준으로 판단되며, 결과적으로 완공단계에서 구조적 안정성이 확보된다면 시공단계의 구조성능 확보에 문제가 없다는 것을 의미한다.
골조의 높이가 낮을수록 횡변위가 작음을 보이며, 25층 시공단계 모델의 경우 완공단계와 비교시 횡변위의 차이를 보였는데, 이는 층하중의 결과처럼기본풍속과 중요도계수의 저감의 이유로 해석된다. 완공단계와 시공단계 모두 건축구조기준의 변위 제한을 초과하지 않고 있으며, 결과적으로 완공단계에서 풍하중에 대한 구조적 안정성이 검증된다면 시공단계에서도 풍하중에 의한 구조적인 문제가 없다고 분석할 수 있다.
이와 같이 국내에서 일반적으로 보급된 중층 철근콘크리트 공동주택을 예제모델로 선정해 연구를 진행하였고, 구체적인 구조성능 분석을 통해 완공단계에서 충분한 구조성능이 확보된다면 시공단계에서도 구조적 안정성이 확보된다는 것을 확인하였다.
시공단계 모델의 경우 골조의 완성도가 높아짐에 따라 완공단계 모델의 고유치해석 결과와 유사해진다. 즉, 저층 시공단계의 구조체 거동 및 취약 특성은 설계단계의 완공 모델과는 차이가 발생할 수 있음을 확인할 수 있다.
2) 풍하중 검토 결과, 시공단계에서의 풍하중은 기본풍속 저감과 중요도계수의 감소로 인해 완공단계보다 낮게 풍하중이 작용하였다. 횡변위 검토 결과, 시공 중 풍하중에 의한 횡변위는 기준을 충분히 만족함을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	부재의 존재를 해결하기 위해서는 어떻게 해야 하는가?	이러한 부재의 존재는 하중분배와 같은 구조 안정성에 영향을 끼칠 수 있다(Jayasinghe and Jayasena, 2004). 따라서 실제 시공단계를 고려한 하중 및 해석 조건을 설계단계와 다르게 설정해야 한다(Kwak and Kim, 2006; Eom and Kim,2009; Choe et al, 2013; Hwang and Kim, 2015; Kim, 2016).
	예제모델은 무엇인가?	이 연구에서 사용된 예제모델은 25층의 중층 철근콘크리트 공동주택 건물이다. 공동주택에 주로 쓰이는 내력벽 구조로.
	부재의 존재는 어떤 영향을 끼칠 수 있는가?	추가로 시공 중에는 콘크리트 재령에 따라 설계기준강도와 강성이 완전히 발현되지 않는 부재가 존재할 수 있다. 이러한 부재의 존재는 하중분배와 같은 구조 안정성에 영향을 끼칠 수 있다(Jayasinghe and Jayasena, 2004). 따라서 실제 시공단계를 고려한 하중 및 해석 조건을 설계단계와 다르게 설정해야 한다(Kwak and Kim, 2006; Eom and Kim,2009; Choe et al, 2013; Hwang and Kim, 2015; Kim, 2016).

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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