해석방법과 시스템

지난주에 간단하게 모델링과 하중입력 그리고 liability에 대해서 주저리 늘어 놓았다.
다시 모델링으로 돌아가 보면 하중입력까지 끝났다는 얘기는 구조계획에 따라 모델링과 경계조건과 하중입력까지 마쳤다는 의미로 볼수 있다. 추후 고차원 해석에 앞서 필자는 일단 초기해석을 실행해 본다. 그 다음에 deflection을 먼저보고 반력을 개략적으로 확인을 한다. 별 문제가 없으면 정밀해석전 p-delta해석, buckling 해석, construction stage 해석등 여러가지 해석조건들을 입력한다(bucklingr과 consturction stage 해석은 잘 사용안했음). 즉 이러한 해석 조건들을 이용해서 실제와 가장 흡사할수 있도록 엔지니어가 모델링을 하고 결과를 또한 예상해야 한다. 그러기 위해서는 구조물의 거동과 변형에 대해서 감각을 익혀야 한다. 캐나다에서는 10층만되어도 high-rise building이라고 하지만 한국에서는 최소한 40층 이상은 되어야 그래도 high-rise를 해봤다라고 말이라도 꺼낼수 있다. 여기서 언급하고 싶은 것은 중고층 철근콘크리트 구조물 해석시 최소한 두번의 해석을 나누어서 수행하는 것이 바람직하다. 첫번째 사용성검토을 위해서 모델링에 수직 및 수평하중을 적용하고 부재별 단면2차모멘트(moment of inertia)를 1.0Ig로 적용한다. 2nd order analysis에 따른 수직 및 수평변위, vibration period에 따른 seismic base shear, wind tunnel 실험에 의한 wind force 산정시등 다양한 사용성 검토시 1.0Ig를 사용하는데 이유는 균열부재의 Ig값은 보:0.35Ig, 기둥:0.7Ig를 사용하며 보는 콘크리트에서는 T형보로 볼수 있으므로 2배를 곱하면 결국은 0.7Ig가 된다. 한국, 캐나다, 미국 어느 코드나 이 부분에 대해서 콘크리트의 균열정도를 정확히 알수 없을 경우 즉 설계시는 균열에 따라 감소된 Ig값에 1/0.7을 곱해서 사용할수 있다. 즉 0.7Ig x 1.0/0.7=1.0Ig가 되는 것이다. 이런 조건을 가지고 사용성 검토를 하고, 실제 부재설계를 위한 해석은 부재의 단면2차 모멘트를 코드에 명시되어 있는데로 저감해서 해석을 해야 하고 그 결과를 가지고 부재설계를 해야 한다.

지금까지 제시한 부분이 필자의 사견으로는 구조 설계시 많은 고민이 필요한 부분중에 하나라고 생각한다. 구조계획시 나만의 하중흐름과 수평하중저항시스템을 모델링을 통해 사용성 검토로 먼저 수평하중저항시스템을 결정하고 두번째 해석을 가지고 부재를 설계하게 된다. 계획과 시스템 검토, 그리고 중요한부분에 대한 상세도 작성이 거의 고급엔지니어의 몫이고 기본부재설계는 주로 초급 또는 중급엔지니어의 몫이라고 해도 과언이 아니다. 그만큼 경험과 노하우가 필요한것이 구조계획과 시스템 결정이다. 시스템에 대해서 간단히 언급하면, 크게 모멘트골조(moment frame, rigid or semi-rigid) , 전단벽(shear wall or braced wall), 이중골조(dual system)로 구분할수 있다. 즉 구조물이 건설될 지역, 규모와 형태등을 종합해서 저항시스템을 계획하고 해석을 수행한다. 해석후 각종 변위, 층간변위, 진동, 주기 및 기타 조건들과 적용한 시스템이 만족하게 되면 부재설계를 하게 되며 이때 선택된 저항시스템에 부합하는 단면설계가 이루워 져야 한다. 모멘트 골조로 계획하고 설계를 해 놓고 지진에 대한 특별조건을 적용하지 않고 일반 부재설계하듯이 한다면 계획따로 해석따로 설계따로 완전히 엉망이 되는 것이다. 계획과 시스템 결정이 수정되더라고 시스템 결정에 따른 부재설계가 이루워 져야 한다는 것을 강조한다.
이제 학력인정시험이 4주 앞으로 다가왔다. 끊이지 않는 야근과 틈틈히 준비하는 공부로 이번 3과목을 합격해야 한다. 하나님께서 계속 뒤에서 밀어주시는 힘이 느껴지지만 아직도 연약한지라 힘이 부친다. 오늘도 도서관에서 열심히... ... .

대한국인 이희용(david.hy.lee@gmail.com)