지금까지 주관적인 예기중에서 코드의 중요성과 하중들에 대해서 간략하게 나열하였다. 필자의 목적은 가급적인 공식과 숫자의 힘을 빌지 않고 개념적인 내용만 설명하려고 한다. 모든 일들이 그렇듯이 개념만 정립되면 나며지는 개개인이 시간을 투자해서 고민을 하고 노력에 따라 발전의 양이 달라질것이다.
구조업무는 크게 설계와 현장확인에 따른 시공단계별 검토로 크게 나눌수 있다. 설계부분은 크게 Preliminary design과 DD(Design develop)로 분류할수 있다. 첫번째 단계에서는 개략적인 구조계획, 하중산정, 해석 및 부재크기를 결정하게 된다. 두번째 단계에서는 PD설계로 건축사와 협의에 의한 평면 및 단면변경에 따른 상세한 구조계획을 세우고 하중확인을 거쳐 구조해석을 수행하고, 부재의 크기, 보강상세 및 접합부 상세 설계 및 기타 상세 설계를 거쳐 완료하게 된다. 시공단계별 검토는 구조설계후 시공이 용이하도록 설계변경업무를 수행하고 현장검측으로 자신의 설계와 일치하는지를 확인하는 것이다.
그럼 이제 설계부분에 대해서 해석에 따라 분류하면 구조해석전과 구조해석후로 분류할수 있다. 구조해석전에는 구조계획, 하중산정 및 구조해석으로 분류되며, 구조해석후는 부재설계, 사용성 검토로 구분할수 있다. 물론 해석후 사용성 검토시 구조시스템이 횡변위를 만족하지 못하거나 또는 바닥진동의 문제가 있다면 구조계획을 변경하고 다시 해석을 수행한다. 앞서 필자는 코드와 하중에 대해서 간략하게 언급하였다. 그러나 구조계획부분은 실로 경험에 의한 것으로 기본개념만 간단하게 말하면 다음과 같다. 힘의 흐름을 간략하게 해주는 것이다. 즉 하중의 흐름이 명쾌해야 건강한 구조물을 만들수 있으며, lateral resisting system 또한 설계자가 구조물의 용도, 중요성, 하중, 구조물의 높이 및 면적, 고유주기등 모든 설계데이터를 근거로 구조물의 시스템을 결정해야 한다. 구조물에게 '얼마만큼의 연성능력을 줄까?'라는 고민이 구조시스템을 포함한 구조계획의 시작이다. 이는 지극히 설계자의 몫이며, 경험에 의한다.
구조해석전에서 마지막부분인 구조해석을 보면 설계자의 편의에 따라 수계산, 2D해석, 3D해석을 선택하여 수행한다. 수계산과 2D해석은 비교적 간단한 구조물의 경우 큰 문제가 없으나 구조물이 복잡해지거나 규모가 커지면 3D해석이 필요하게 된다. 그렇다면 이 세가지 해석은 어떻게 다른가? 엄밀히 말하면 수계산에는 2D해석이 포함이 된다. 모멘트 분배법이나 행렬식등을 이용해서 2차원 골조해석이 가능하기 때문이다. 그러나 보통 간단한 구조해석프로그램을 이용해 2D해석을 수행할수 있다. 평면을 격자형태의 행과 열로 나누고 열별 해석과 행별 해석을 수행한다. 단 행과 열의 해석후 교차점의 반력 및 기둥의 축력은 더하고 중복된 기둥의 자중을 한번만 빼주면 거의 정확한 결과를 갖게 된다. 3D해석은 이런 번거러움은 없으나 모델링시 심열을 기울여야 한다. 그럼 두 모델링에 의한 해석후 부재력을 읽다가 보면은 이상한 점이 생긴다. frame이 벽체와 연결된경우를 보면 벽체와 이웃한 보부재의 부재력이 이상할 정도로 커진다. 왜 그럴까? 대부분의 구조해석 프로그램은 탄성해석을 하고 있다. 따라서 수직부재들은 작용하는 하중과 비례해서 축소하게 된다. 그럼 이런 수직변위는 부재 단면적에 반비례하므로 벽체에 인접한 기둥의 축소량은 벽체의 축소량보다 크므로 두부재간 수직변위차에 의한 모멘트가 불합리하게 커진다. 이런경우 단면강성을 증가시켜 해석을 수행하면 된다. 이유는 시공시 보정이 가능하기 때문이다. 이와 같이 구조해석은 각각 장단점이 있다. 그러므로 설계자는 각각의 장단점을 이해하고 해석프로그램을 완전히 이해할때까지는 계속 수계산과 함께 검토를 해야한다. 모든 프로그램은 에러가 있다. 프로그래머의 에러와 사용자의 에러가 존재하기 때문에 구조설계자는 검토에 검토를 반복해야 한다는 것을 거듭강조하고 싶다.
구조해석에서 이해해야 할 중요한 사항은 부재별 특성들과 절점 및 지점의 이해가 아주 중요하다. 다음주에는 부재별 특성에 대해서 이야기 하도록 하겠다.
대한국인 이희용 david.hy.lee@gmail.com
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