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)
2008년 11월 1일 토요일
모델링과 하중입력
지금까지의 이야기는 하중계산부터 모델링 전까지의 설명이었다. 이제 계산된 하중과 준비된 구조계획을 가지고 부재와 boundary condition을 적용하여 모델링을 해야 한다. 모델링의 기본은 자신이 수행할 전체모델에 대해서 임의의 방향들을 정하고, 모델 생성시 beam member중 수직부재는 하부에서 상부로 수평부재는 좌에서 우로 하는 것을 기본으로 정해야 한다. plate나 wall member는 반시계방향으로 생성한다. 이유는 부재들의 방향을 획일적으로 정하지 않으면 프로그램은 부재별 방향에 따른 해석결과를 보여주기 때문에 주의해야 한다. 만일 beam member의 경우 부재의 길이 방향이 X이고, 춤(depth)의 수직방향을 Y이며, 폭(width)의 수직방향이 Z라고 가정해보자. Beam member의 부재력은 Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz이며, Fx는 axial, Fy와 Fz는 shear, Mx는 torsion, My와 Mz는 bending을 의미한다. 만일 두 beam member를 서로 마주보는 방향으로 모델링을 했다고 생각해 보자. 그리고 두 부재가 만난 점에 torsional moment를 입력하고 하중의 결과를 보면, 한 부재는 부재의 진행방향과 torsional moment의 방향이 같으므로 '+'의 값을 가지게 되지만 다른 부재는 '-'의 값을 같게 된다. 마찮가지로 plate나 wall member도 시계방향 또는 반시계방향으로 모델링을 하지 않으면 해석후 결과를 읽으면서 불편함을 직면하게 된다.
이제 앞서 언급했듯이 나름대로 모델링 규칙을 정하고, 하중별 다양한 종류의 하중(self weignt load, nodal load, beam load, floor load, pressure load, impact load ... ... . )을 입력한다. 어느프로그램이든 처음사용자가 여기까지 하기에는 많은 시간이 필요하다. 먼저 프로그램별 특성이 다르기 때문에 프로그램을 숙지하지 않고서는 비록 모델링, 경계조건입력 및 하중입력이 끝나도 해석하면 전혀 이상한 결과를 가질수 있기 때문에 프로그램의 숙지가 먼저 선행되어야 한다. 반드시 숙지해야 한다!!!!!
오늘은 너무 간단한 이야기를 다룬것 같다. 한국에서 단구조에서의 구조업무를 마지막으로 하고 캐나다에 이민을 왔다. 이민후 생존을 위한 survival job을 하면서 1년반 보냈고, 구조업무를 시작한지 1년이 되었다. 경력에 비해 저임금부터 시작했지만, 이제 30%이상의 임금상승과 훗날 경영권을 맡기겠다는 이야기가 나올정도로 신임을 받게 되었다. 그리고 목구조의 경우 현장의 어느곳에 사용되는 못 하나하나의 강도까지 계산할수 있게 되었으며, 합리적인 시공이 될수 있도록 현장의 목소리를 귀담아 듣고 계속 개발중이다. 문화적인 차이랄까 사뭇 고생이 많았다. 목구조에 대한 이해, 현장의 실태, 그리고 타 엔지니어들의 과다설계... ... . 캐나다에는 엔지니어링에 큰 단점이 있다. 'liability(법적배상책임이랄까?)'가 바로 그것이다. 목구조의 경우, 잉여력이 상당히 많다. 전형적인 시공방법들은 상당히 큰 부재별 여력이 있으며, 요즘 지진하중 및 풍하중을 적용하면서 사뭇 과다 설계로까지 가고 있다. 이유는 법적배상에서 벗어나려는 엔지니어들의 몸부림이다. 코드대로 설계를 했는데 구조물에 문제가 있다면 결국은 엔지니어 책임으로 넘겨진다. 왜그럴까? 소송자와 소송대리인(변호사)은 엔지니어가 코드에 준해서 설계를 했더라도 현장 검측 및 예측에 의한 보강적용 미흡까지 걸고 넘어지고, 코드의 문구에 대한 해석까지 들어가면 승소가 있을수가 없다는게 상식이다. 고로 많은 구조엔지니어들이 과다설계를 일삼고, 때로는 실용적인 설계를 제시해도 익숙하지 않으므로 도전하려고 하지 않으려는 경향이 있다. 즉, 개인적인 이기주의가 경제적 비용의 지출을 증가시키고, 국가적 및 범세계적으로는 자원의 낭비를 부추기는 실태라고 해도 과언이 아니다. 건설로 인한 환경오염도 무시할수가 없는데 참으로 답답하다. 처음업무를 시작하면서 현장의 실태를 바로잡기 위해 현장에서 교육을 시키고 그들의 고충을 들었다. 그리고 이제 많이 바로 잡았다고 필자는 생각한다. 이제 더 큰 법적배상책임에 대해서 고민을 해야 할것 같다. 구조엔지니어의 날개를 꺽으려는 악습이다. 구조엔지니어에게 무한으로 날아갈수 있도록 날개를 달아 달라는 것이 아니다. 코드에 준해서 설계가 되었다면 잘못에 대한 책임의 한계를 벗어나야, 더욱 발전적인 설계방법들이 제시될수 있다는게 필자의 소견이다. 경제도 답답한데 너무 어눌한 이야기를 늘어 놓았다. 모두 힘내시고 밝은 내일을 위해 다같이 고민합시다.
대한국이 이희용(david.hy.lee@gmail.com)
이제 앞서 언급했듯이 나름대로 모델링 규칙을 정하고, 하중별 다양한 종류의 하중(self weignt load, nodal load, beam load, floor load, pressure load, impact load ... ... . )을 입력한다. 어느프로그램이든 처음사용자가 여기까지 하기에는 많은 시간이 필요하다. 먼저 프로그램별 특성이 다르기 때문에 프로그램을 숙지하지 않고서는 비록 모델링, 경계조건입력 및 하중입력이 끝나도 해석하면 전혀 이상한 결과를 가질수 있기 때문에 프로그램의 숙지가 먼저 선행되어야 한다. 반드시 숙지해야 한다!!!!!
오늘은 너무 간단한 이야기를 다룬것 같다. 한국에서 단구조에서의 구조업무를 마지막으로 하고 캐나다에 이민을 왔다. 이민후 생존을 위한 survival job을 하면서 1년반 보냈고, 구조업무를 시작한지 1년이 되었다. 경력에 비해 저임금부터 시작했지만, 이제 30%이상의 임금상승과 훗날 경영권을 맡기겠다는 이야기가 나올정도로 신임을 받게 되었다. 그리고 목구조의 경우 현장의 어느곳에 사용되는 못 하나하나의 강도까지 계산할수 있게 되었으며, 합리적인 시공이 될수 있도록 현장의 목소리를 귀담아 듣고 계속 개발중이다. 문화적인 차이랄까 사뭇 고생이 많았다. 목구조에 대한 이해, 현장의 실태, 그리고 타 엔지니어들의 과다설계... ... . 캐나다에는 엔지니어링에 큰 단점이 있다. 'liability(법적배상책임이랄까?)'가 바로 그것이다. 목구조의 경우, 잉여력이 상당히 많다. 전형적인 시공방법들은 상당히 큰 부재별 여력이 있으며, 요즘 지진하중 및 풍하중을 적용하면서 사뭇 과다 설계로까지 가고 있다. 이유는 법적배상에서 벗어나려는 엔지니어들의 몸부림이다. 코드대로 설계를 했는데 구조물에 문제가 있다면 결국은 엔지니어 책임으로 넘겨진다. 왜그럴까? 소송자와 소송대리인(변호사)은 엔지니어가 코드에 준해서 설계를 했더라도 현장 검측 및 예측에 의한 보강적용 미흡까지 걸고 넘어지고, 코드의 문구에 대한 해석까지 들어가면 승소가 있을수가 없다는게 상식이다. 고로 많은 구조엔지니어들이 과다설계를 일삼고, 때로는 실용적인 설계를 제시해도 익숙하지 않으므로 도전하려고 하지 않으려는 경향이 있다. 즉, 개인적인 이기주의가 경제적 비용의 지출을 증가시키고, 국가적 및 범세계적으로는 자원의 낭비를 부추기는 실태라고 해도 과언이 아니다. 건설로 인한 환경오염도 무시할수가 없는데 참으로 답답하다. 처음업무를 시작하면서 현장의 실태를 바로잡기 위해 현장에서 교육을 시키고 그들의 고충을 들었다. 그리고 이제 많이 바로 잡았다고 필자는 생각한다. 이제 더 큰 법적배상책임에 대해서 고민을 해야 할것 같다. 구조엔지니어의 날개를 꺽으려는 악습이다. 구조엔지니어에게 무한으로 날아갈수 있도록 날개를 달아 달라는 것이 아니다. 코드에 준해서 설계가 되었다면 잘못에 대한 책임의 한계를 벗어나야, 더욱 발전적인 설계방법들이 제시될수 있다는게 필자의 소견이다. 경제도 답답한데 너무 어눌한 이야기를 늘어 놓았다. 모두 힘내시고 밝은 내일을 위해 다같이 고민합시다.
대한국이 이희용(david.hy.lee@gmail.com)
2008년 10월 25일 토요일
관절이 아프십니까?
관절은 생명체중에서 동물에게만 있는 연결기관이라고 말할수 있으며, 이것이 구조해석의 boundary condition(경계조건) 개념의 시작이라고 할수 있다. 식물들은 오로지 fixed node와 fixed support를 가지고 있기 때문에 과도한 수직하중과 수평하중에 부러지거나 뽑히거나 쓰러지게 된다. 그러나 동물중에서 사람을 보면 손목, 발목, 어께와 다리관절은 모든방향에 대해서 회전이 가능하나 뼈대의 방향은 고정되어 있다. 그래서 우리가 잡아 당겨도 뽑히지가 않으나 물론 사람을 실험물로 생각하고 인장테스트 시험기에다 놓고 실험한다면 뽑힐시 최대 강도를 구할수는 있으나 말도 안되는 소리라서 넘어가겠다. 그 다음에 팔과 무릅관절을 한방향으로는 접힐수 있으나 다른 방향으로는 접히지 않으며 인장력과 휨에 대하서 저항을 한다.
경계조건을 이야기하면서 인체의 관절을 비유해서 조금 무리가 있을지 모르나 지금까지 모든 이야기들은 대부분 필자가 신입엔지니어들을 교육시킬때 사용한 이야기들이 거의 다라고 해도 과언이 아니다. ㅎㅎ. 자 그럼 node와 support는 무었이 다를까? 구조물 전체 모델링시 support condition은 기초조건을 이야기하는 것이고, node condition은 구조부재간 연결부분을 말하는 것이다. 구조물 전체 모델링에서 한부분에 대한 상세해석을 하기 위해 그부분만 떼어서 해석시는 구조부재가 연속해서 연결된부분은 연속조건에 비슷한 support 조건을 만들어 주고 부재간은 정확한 node조건을 입력해 주어야 한다. 둘다 이름만 틀리지 하는 일은 거의 같다.
1. NODE
1) Pinned condition: 연결부재간 Fx, Fy, Fz의 부재력은 전달하나, 모멘트를 전달하지 않음.
2) Fixed(Partially Fixed) condition: 연결부재간 Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz의 전체 또는 일부의 부재력과 모멘트를 전달함.
2. SUPPORT
1) Roller support: 지지점이 이동이 가능하나 이동방향의 수직방향의 반력만 존재함.
2) Pinned support: Rx, Ry, Rz의 수직 및 수평반력은 존재하나 모멘트에 대한 반력은 없음.
3) Fixed support: Rx, Ry, Rz, Mx, My, Mz의 수직 및 수평반력과 모멘트에 대한 반력이 존재함.
구조엔지니어는 위와 같은 이상적인 개념을 도입하고 해석에 적용을 한다. 이렇게 해석을 위해서 모델링을 할때 각각의 특성에 맞게 부재, 절점과 지지조건을 입력하고 해석을 수행하게 되는데, 나무만 보다보면 숲을 못본다는 말처럼 모델링은 열심히 해놓고 정작 구조물이 정정인지, 부정정인지 아님 불안정인지도 모르고 하중을 입력하고 해석을 수행하면 컴퓨터가 괴로워 한다.
즉, 구조엔지니어는 코드는 생명이고 구조해석 및 재료역학 책들은 양식처럼 공부를 해야한다.
오늘은 쉬운부분이라 여기서 정리하고 잠시 딴곳으로 가보겠다.
"해병은 타고나는 것이 아니라 만들어 지는 것이다.", " 이 한목숨 바쳐 조국과 민족 그리고 해병대를 위하여!" 지금도 필자의 가슴을 설레게 하는 말들이다. 이 두말들이 입대후 지금까지 모든 일을 할때마다 필자의 마음을 이끌고 있다. 구조엔지니어는 만들어 지는 것이다. 그리고 구조를 위해서 이 한목숨을 바쳐야 한다. 구조엔지니어는 타고나는 것이 아니고 얼마나 노력하고 생각을 하느냐가 중요한 것이다. 그리고 선배엔지니어는 자신의 시간을 아껴서라고 후배엔지니어를 교육시켜야 하는 사명이 있으며, drafter, contractor, vendor, framer 및 기타의 관련업무 종사자들이 이해할수 있도록 정확하게 상세를 그려줘야 하며, 왜 이것을 사용하는지 이해를 시켜줘야 한다. 그것이 시공시 실수를 줄이는 최선의 방법이고 훗날 시간을 줄이는 정도이다. 또한, 이것이 신뢰의 기본이며 성장의 엔진이라고 이야기 하고 싶다. 또 너무 주관적이었지만 구조에 대한 열정만 있으면 누구나 구조엔지니어가 될수 있다는게 필자의 소견이다.
대한국인 이희용(david.hy.lee@gmail.com)
경계조건을 이야기하면서 인체의 관절을 비유해서 조금 무리가 있을지 모르나 지금까지 모든 이야기들은 대부분 필자가 신입엔지니어들을 교육시킬때 사용한 이야기들이 거의 다라고 해도 과언이 아니다. ㅎㅎ. 자 그럼 node와 support는 무었이 다를까? 구조물 전체 모델링시 support condition은 기초조건을 이야기하는 것이고, node condition은 구조부재간 연결부분을 말하는 것이다. 구조물 전체 모델링에서 한부분에 대한 상세해석을 하기 위해 그부분만 떼어서 해석시는 구조부재가 연속해서 연결된부분은 연속조건에 비슷한 support 조건을 만들어 주고 부재간은 정확한 node조건을 입력해 주어야 한다. 둘다 이름만 틀리지 하는 일은 거의 같다.
1. NODE
1) Pinned condition: 연결부재간 Fx, Fy, Fz의 부재력은 전달하나, 모멘트를 전달하지 않음.
2) Fixed(Partially Fixed) condition: 연결부재간 Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz의 전체 또는 일부의 부재력과 모멘트를 전달함.
2. SUPPORT
1) Roller support: 지지점이 이동이 가능하나 이동방향의 수직방향의 반력만 존재함.
2) Pinned support: Rx, Ry, Rz의 수직 및 수평반력은 존재하나 모멘트에 대한 반력은 없음.
3) Fixed support: Rx, Ry, Rz, Mx, My, Mz의 수직 및 수평반력과 모멘트에 대한 반력이 존재함.
구조엔지니어는 위와 같은 이상적인 개념을 도입하고 해석에 적용을 한다. 이렇게 해석을 위해서 모델링을 할때 각각의 특성에 맞게 부재, 절점과 지지조건을 입력하고 해석을 수행하게 되는데, 나무만 보다보면 숲을 못본다는 말처럼 모델링은 열심히 해놓고 정작 구조물이 정정인지, 부정정인지 아님 불안정인지도 모르고 하중을 입력하고 해석을 수행하면 컴퓨터가 괴로워 한다.
즉, 구조엔지니어는 코드는 생명이고 구조해석 및 재료역학 책들은 양식처럼 공부를 해야한다.
오늘은 쉬운부분이라 여기서 정리하고 잠시 딴곳으로 가보겠다.
"해병은 타고나는 것이 아니라 만들어 지는 것이다.", " 이 한목숨 바쳐 조국과 민족 그리고 해병대를 위하여!" 지금도 필자의 가슴을 설레게 하는 말들이다. 이 두말들이 입대후 지금까지 모든 일을 할때마다 필자의 마음을 이끌고 있다. 구조엔지니어는 만들어 지는 것이다. 그리고 구조를 위해서 이 한목숨을 바쳐야 한다. 구조엔지니어는 타고나는 것이 아니고 얼마나 노력하고 생각을 하느냐가 중요한 것이다. 그리고 선배엔지니어는 자신의 시간을 아껴서라고 후배엔지니어를 교육시켜야 하는 사명이 있으며, drafter, contractor, vendor, framer 및 기타의 관련업무 종사자들이 이해할수 있도록 정확하게 상세를 그려줘야 하며, 왜 이것을 사용하는지 이해를 시켜줘야 한다. 그것이 시공시 실수를 줄이는 최선의 방법이고 훗날 시간을 줄이는 정도이다. 또한, 이것이 신뢰의 기본이며 성장의 엔진이라고 이야기 하고 싶다. 또 너무 주관적이었지만 구조에 대한 열정만 있으면 누구나 구조엔지니어가 될수 있다는게 필자의 소견이다.
대한국인 이희용(david.hy.lee@gmail.com)
2008년 10월 18일 토요일
팔다리도 하는일이 틀리다.
구조해석에 대한 글을 올리면서 개략적인 해석이야기를 열거했다. 모든 해석프로그램은 틀린것이다. 즉, 실제 구조물과 똑같지가 않다는 이야기다. 그러나 프로그램의 해석결과를 이용하여 부재력, 반력 및 처짐등을 예측하고 설계를 한다. 즉, 설계에 도움을 주지만 실제와는 틀리다는 것이다. 여기에 설계자의 경험에 따른 주관적이고 객관적인 설계가 반영되는 것이다. 실로 창조자가 느끼는 창조의 즐거움과 책임감을 동시에 느끼게 된다.
모든 생물들와 사물들은 각자 하는 일이 따로있다. 각자의 의지와 상관없이 일을하며, 때로는 다른 기관의 명령을 따르기도 한다. 여기서 다룰 이야기는 부재별 특성에 대한 것이다. 부재는 크게 truss, beam, plate, wall, solid로 구분할수 있으며, 이제 하나씩 알아 보기로 하자. 조금 쉬운부분이라 지루할수 있지만 참고 견뎌내자.
1) Truss Member: truss부재는 Axial Load는 길이방향의 Fx(X-dir. force)만 저항할 수 있는 이상적인 부재다. 부재력은 축방향력(축력과 전단력)과 모멘트로 구분하는데, Fx만 저항하므로 전단력(Fy & Fz)과 모멘트가 존재하지 않는다. 즉, X축에 대한 하중(인장 및 압축)만 입력이 가능하지 Fy & Fz에는 하중입력이 불가능하다.
2) Beam Member: 이부재는 Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz, 즉 모든 방향에 대해서 축력, 전단력 및 모멘트에 대해 저항할수 있으므로 모든 방향에 대해서 하중을 입력할수 있다.
3) Plate Member: 평면부재로 평면에 수직방향을 X축이라면, Fx, My, Mz만 저항할수 있다. 즉, 이부재를 수직으로 세워놓고 Y축이나 X축에 하중을 입력해도 아무런 부재력의 변화를 볼수 없다.
4) Wall Member: wall 부재의 높이방향을 X축, 길이방향을 Y축이라면, 이 부재는 주로, Fx, Fy, Mz(면내 모멘트)를 저항하지만, 사용자의 특별지정에 따라 Fz와 My(면외모멘트)를 저항할수 있다. 대부분의 프로그램들은 Fx, Fy, Mz만 저항하는 것으로 알고 있다.
5) Solid Member: Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz에 대한 부재력이 있다.
위에서 간단하게 부재력에 대해서 이야기를 했다. 따라서 구조엔지니어는 구조 모델링시 구조부재의 특성을 파악하고 구조물에 필요한 부재들을 이용해서 모델링을 해야 한다. 축력, 전단력 및 모멘트를 저항해야 하는데 트러스 부재를 입력하고 축력이 아닌 하중을 입력하려고 하면 시간만 훨훨 날라가 버린다. 그리고 벽체부재를 입력해야 하는데 플레이트 부재를 입력하고 면내 전단과 모멘트를 찾으려는 것도 무리가 있다. 다시말해서 모델링시 트러스 부재는 축력만 적용하는 부분에 입력하고, 보부재는 보나 기둥 모델링시 적용해야 한다. 플레이트는 슬래브, 지하외벽 및 기초의 정밀해석(FEM: Finite Element Method)시 사용하면 훌륭하다. 또한 벽체요소는 축력 지지 벽체 및 전단력 지지 벽체(전단벽)요소로 사용하고, solid 요소는 특정부분에 대한 FEM 해석시 사용하게 된다. 모든일은 경제성을 따져야 한다. 따라서 모델링시 적정한 부재와 해석방법을 선택해서 해석을 수행해야 하며, 이는 경험에 의존을 많이 한다고 해도 과언이 아니다.
이제 다음주에는 Boundary Conditions(절점조건과 지지조건)에 대해서 알아보기로 하겠다.
대한국인 이희용(david.hy.lee@gmail.com)
모든 생물들와 사물들은 각자 하는 일이 따로있다. 각자의 의지와 상관없이 일을하며, 때로는 다른 기관의 명령을 따르기도 한다. 여기서 다룰 이야기는 부재별 특성에 대한 것이다. 부재는 크게 truss, beam, plate, wall, solid로 구분할수 있으며, 이제 하나씩 알아 보기로 하자. 조금 쉬운부분이라 지루할수 있지만 참고 견뎌내자.
1) Truss Member: truss부재는 Axial Load는 길이방향의 Fx(X-dir. force)만 저항할 수 있는 이상적인 부재다. 부재력은 축방향력(축력과 전단력)과 모멘트로 구분하는데, Fx만 저항하므로 전단력(Fy & Fz)과 모멘트가 존재하지 않는다. 즉, X축에 대한 하중(인장 및 압축)만 입력이 가능하지 Fy & Fz에는 하중입력이 불가능하다.
2) Beam Member: 이부재는 Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz, 즉 모든 방향에 대해서 축력, 전단력 및 모멘트에 대해 저항할수 있으므로 모든 방향에 대해서 하중을 입력할수 있다.
3) Plate Member: 평면부재로 평면에 수직방향을 X축이라면, Fx, My, Mz만 저항할수 있다. 즉, 이부재를 수직으로 세워놓고 Y축이나 X축에 하중을 입력해도 아무런 부재력의 변화를 볼수 없다.
4) Wall Member: wall 부재의 높이방향을 X축, 길이방향을 Y축이라면, 이 부재는 주로, Fx, Fy, Mz(면내 모멘트)를 저항하지만, 사용자의 특별지정에 따라 Fz와 My(면외모멘트)를 저항할수 있다. 대부분의 프로그램들은 Fx, Fy, Mz만 저항하는 것으로 알고 있다.
5) Solid Member: Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz에 대한 부재력이 있다.
위에서 간단하게 부재력에 대해서 이야기를 했다. 따라서 구조엔지니어는 구조 모델링시 구조부재의 특성을 파악하고 구조물에 필요한 부재들을 이용해서 모델링을 해야 한다. 축력, 전단력 및 모멘트를 저항해야 하는데 트러스 부재를 입력하고 축력이 아닌 하중을 입력하려고 하면 시간만 훨훨 날라가 버린다. 그리고 벽체부재를 입력해야 하는데 플레이트 부재를 입력하고 면내 전단과 모멘트를 찾으려는 것도 무리가 있다. 다시말해서 모델링시 트러스 부재는 축력만 적용하는 부분에 입력하고, 보부재는 보나 기둥 모델링시 적용해야 한다. 플레이트는 슬래브, 지하외벽 및 기초의 정밀해석(FEM: Finite Element Method)시 사용하면 훌륭하다. 또한 벽체요소는 축력 지지 벽체 및 전단력 지지 벽체(전단벽)요소로 사용하고, solid 요소는 특정부분에 대한 FEM 해석시 사용하게 된다. 모든일은 경제성을 따져야 한다. 따라서 모델링시 적정한 부재와 해석방법을 선택해서 해석을 수행해야 하며, 이는 경험에 의존을 많이 한다고 해도 과언이 아니다.
이제 다음주에는 Boundary Conditions(절점조건과 지지조건)에 대해서 알아보기로 하겠다.
대한국인 이희용(david.hy.lee@gmail.com)
2008년 10월 11일 토요일
구조업무와 구조해석이란?
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
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
2008년 10월 3일 금요일
나는 지진에 완벽한 건물을 설계했다!!!
지난 이야기에 하중을 다루면서 크레인 하중, 엘리베이터 및 에스켈레이터 하중을 생략했지만 잠깐 얘기를 하면 크레인하중은 모터 작동시 충격 및 주행 및 수평방향에 대한 하중을 고려해야 하며, 모든 제원은 설계환경과 같은 데이터를 이용해서 설계를 해야한다. 또한 엘리베이터와 에스켈레이터도 제작회사 또는 일반적인 적재용량별 제원을 이용해서 설계를 해야한다. 이로써 하중에 대한 주관적인 이야기는 여기서 정리하고 잠시 생각해보자.
"저는 지진에 완벽한 빌딩을 설계했습니다."
구조엔지니어가 이런 말을 한다면 참으로 대략난감이 되는 것이라고 본다. 지진에 완벽한 빌딩이라면 어떤 규모의 지진이라도 저항할수 있다는 것인데... ... . 즉, 갈대처럼 가볍고 뛰어난 연성을 확보했던지, 아니면 막대한 물량을 동원해서 전시대비 방공호처럼 설계를 했다는 이야기인데 기본적인 내진설계 개념과는 거리가 멀다고 생각한다. 기본적인 내진설계는 빌딩코드에서 제시하는 50년 재현주기 지역별 지반데이터를 가지고 설계를 수행하고, 강진시 최소한의 대피시간동안 붕괴까지 도달하지 않도록 설계를 하는 것이다. 그래서 건물주가 하중의 강도와 설계코드를 결정하는 경우가 가끔있다. 지진하중과 조금 틀리지만 군사시설중 상황실, 통제본부와 정부의 기록물 보존소 및 일반회사의 데이터센터등 전시 폭탄투하에도 저항하는 구조물이 필요한 경우가 있다. 이런경우 건물주가 폭탄의 규모와 폭발거리를 정하게 된다. 만약에 직격탄에도 버티는 구조물 설계를 한번 상상해보기 바란다. 가능하더라도 경제성의 문제가 앞을 막을 것이다. 필자의 경우 건물주로부터 일반폭탄에 건물로부터 일정거리 떨어진 지중폭발이란 전제를 받아서 설계했던적이 있다. 여기서 말하고 싶은 것은 구조엔지니어는 공익을 다루기 때문에 특별한 요구가 없는한 빌딩코드에서 제시하는 하중들보다 너무 크거나 작게 적용해서는 안된다는 것이다. 코드는 최소의 설계값을 제시하므로 반드시 코드에서 제시하는 하중과 강도이상을 확보해야 한다. 그리고 보다 정밀한 실험이 수행되었다면 그 결과를 가지고 하중이나 강도를 줄여서 설계를 수행할수 있다. 그렇지만 엔지니어는 과학자들과 다르게 경제성을 따져서 설계를 해야 한다.
학부에서 물리학을 전공한 필자는 처음에 엔지니어링의 세박자를 이해하기 힘들었지만, 엔지니어링은 공익, 시간과 돈이란 세박자가 어우러져야 한다. 이 균형을 잘 이루려면 코드를 근거로한 수만은 계산으로 인해 구조적인 감을 쌓아 설계시간을 줄여야 한다. 그리고 현장에서 경제적인 시공이 될수 있도록 시공단계와 상세를 고려해야하며, 시공전후에 발생하는 어떠한 악조건에 대해서도 구조물이 아픔없이 시공될수 있도록 아이디어를 내어 구조계산과 설계변경을 해야 한다. 이 얼마나 중차대하고 즐거운 일인가?
필자는 요즘 잘못된 설계로 문제가 생긴 구조물을 보수보강설계를 해주면서 한국에서 일하는 느낌을 받게 된다. 한국의 구조엔지니어는 견적부터 설계까지 수행하는데 특히 설계는 트러스, 철골접합부 및 기타 상세등 구조물 전반에 대해서 준비한다. 그러나 캐나다에서는 접합부와 트러스등은 구조설계사무소가 아니라 철골 및 트러스제작 공장에서 설계하게 된다. 그래서 구조엔지니어는 아주 전형적인 상세만 사용하는데 보수보강설계를 하면서 못 하나부터 철판보강 상세까지 나만의 방법과 계산에 의한 설계로 잊고 지내던 한국의 느낌을 갖게 되었다. 코드를 근거로 구조일반사항을 만들어서 업무를 수행하면서 처음에 불만을 갖던 고객들도 이제 필자가 제시하는 방법들을 받아들이고 있다. 그리고 현장의 문제를 하나하나 풀어주면서 점점 필자에 대한 신뢰가 높아가는 것은 느낄수 있다. 요즘 느끼는 행복이라고 할수 있다. 필자는 빨리 학력인정과정이 끝나, 신나게 코드해석이랑 구조해석만 하면서 재료 및 시공면에서 경제적인 설계방법을 보냈으면 한다. 오늘은 너무 주관적인것 같다. ㅎㅎ
그럼 다음주에 다시 또... ... .
대한국인 이희용 david.hy.lee@gmail.com
"저는 지진에 완벽한 빌딩을 설계했습니다."
구조엔지니어가 이런 말을 한다면 참으로 대략난감이 되는 것이라고 본다. 지진에 완벽한 빌딩이라면 어떤 규모의 지진이라도 저항할수 있다는 것인데... ... . 즉, 갈대처럼 가볍고 뛰어난 연성을 확보했던지, 아니면 막대한 물량을 동원해서 전시대비 방공호처럼 설계를 했다는 이야기인데 기본적인 내진설계 개념과는 거리가 멀다고 생각한다. 기본적인 내진설계는 빌딩코드에서 제시하는 50년 재현주기 지역별 지반데이터를 가지고 설계를 수행하고, 강진시 최소한의 대피시간동안 붕괴까지 도달하지 않도록 설계를 하는 것이다. 그래서 건물주가 하중의 강도와 설계코드를 결정하는 경우가 가끔있다. 지진하중과 조금 틀리지만 군사시설중 상황실, 통제본부와 정부의 기록물 보존소 및 일반회사의 데이터센터등 전시 폭탄투하에도 저항하는 구조물이 필요한 경우가 있다. 이런경우 건물주가 폭탄의 규모와 폭발거리를 정하게 된다. 만약에 직격탄에도 버티는 구조물 설계를 한번 상상해보기 바란다. 가능하더라도 경제성의 문제가 앞을 막을 것이다. 필자의 경우 건물주로부터 일반폭탄에 건물로부터 일정거리 떨어진 지중폭발이란 전제를 받아서 설계했던적이 있다. 여기서 말하고 싶은 것은 구조엔지니어는 공익을 다루기 때문에 특별한 요구가 없는한 빌딩코드에서 제시하는 하중들보다 너무 크거나 작게 적용해서는 안된다는 것이다. 코드는 최소의 설계값을 제시하므로 반드시 코드에서 제시하는 하중과 강도이상을 확보해야 한다. 그리고 보다 정밀한 실험이 수행되었다면 그 결과를 가지고 하중이나 강도를 줄여서 설계를 수행할수 있다. 그렇지만 엔지니어는 과학자들과 다르게 경제성을 따져서 설계를 해야 한다.
학부에서 물리학을 전공한 필자는 처음에 엔지니어링의 세박자를 이해하기 힘들었지만, 엔지니어링은 공익, 시간과 돈이란 세박자가 어우러져야 한다. 이 균형을 잘 이루려면 코드를 근거로한 수만은 계산으로 인해 구조적인 감을 쌓아 설계시간을 줄여야 한다. 그리고 현장에서 경제적인 시공이 될수 있도록 시공단계와 상세를 고려해야하며, 시공전후에 발생하는 어떠한 악조건에 대해서도 구조물이 아픔없이 시공될수 있도록 아이디어를 내어 구조계산과 설계변경을 해야 한다. 이 얼마나 중차대하고 즐거운 일인가?
필자는 요즘 잘못된 설계로 문제가 생긴 구조물을 보수보강설계를 해주면서 한국에서 일하는 느낌을 받게 된다. 한국의 구조엔지니어는 견적부터 설계까지 수행하는데 특히 설계는 트러스, 철골접합부 및 기타 상세등 구조물 전반에 대해서 준비한다. 그러나 캐나다에서는 접합부와 트러스등은 구조설계사무소가 아니라 철골 및 트러스제작 공장에서 설계하게 된다. 그래서 구조엔지니어는 아주 전형적인 상세만 사용하는데 보수보강설계를 하면서 못 하나부터 철판보강 상세까지 나만의 방법과 계산에 의한 설계로 잊고 지내던 한국의 느낌을 갖게 되었다. 코드를 근거로 구조일반사항을 만들어서 업무를 수행하면서 처음에 불만을 갖던 고객들도 이제 필자가 제시하는 방법들을 받아들이고 있다. 그리고 현장의 문제를 하나하나 풀어주면서 점점 필자에 대한 신뢰가 높아가는 것은 느낄수 있다. 요즘 느끼는 행복이라고 할수 있다. 필자는 빨리 학력인정과정이 끝나, 신나게 코드해석이랑 구조해석만 하면서 재료 및 시공면에서 경제적인 설계방법을 보냈으면 한다. 오늘은 너무 주관적인것 같다. ㅎㅎ
그럼 다음주에 다시 또... ... .
대한국인 이희용 david.hy.lee@gmail.com
2008년 9월 27일 토요일
하중이란?
빌딩 구조물 설계를 수행하게 되면서 제일먼저 산정하게 되는 것이 하중이다. 하중이란 크게 시간에 따라 지속하중(장기하중)과 단기하중으로 구분할수 있으며, 방향에 따라 수직하중과 수평하중으로 구분할수 있다. 세분화 시켜서 보면 고정하중은 부재의 자중과 부재위에 시공될 마감재의 밀도를 이용해서 구한다. 과거 한국을 보면 tonf 단위로 중력가속도를 단위속에 감추어 두고 하중을 산정하고 해석을 하였다. 그러나 현재는 거의 미국을 제외한 많은 국가들이 SI 단위를 사용하게 되었다. 기초과학분야, 전자, 기계 등 많은 분야들은 오래전부터 SI단위를 사용하였다. 왜냐하면 정밀도의 문제이다. 또한 많은 건축자재 공급자들도 SI단위를 사용한다. 그래서 보강블럭조 설계 할때는 Imperial 단위와 SI단위 차로 잘 못될수 있음을 이해해야 한다. 주로 8"인치 블럭(실제블럭사이즈에 몰탈두께를 포함해서 통상 사용하는 블럭크기)을 사용하는데 도면에 Imperial 단위로 설계가 되어 있다면 SI단위로 환산해서 블럭수를 따지고 설계를 해야 한다. 블럭들은 공장 제작시 8"블럭은 200mm(190+10몰탈))로 제작되므로 3.2mm정도의 차이가 발생한다. 이 차이는 작은 빌딩은 큰 차이가 없지만, 길거나 높은 빌딩에서는 차이가 많이 생긴다. 얘기가 잠시 다른데로 빠졌다. 다시 원점으로 돌아가서 고정하중은 건축주, 시공자, 설계자가 정한 마감재에 따라 달라질수 있으므로 마감재 상세 리스트가 반드시 필요하다. 그래서 작은 건물도 반드시 도면의 단면에 제시한 마감재의 종류와 두께를 확인하고 고정하중을 산정해야한다.
적재하중은 지속되는 하중이 아니며 충격, 지진 및 풍하중처럼 완전 단기하중으로 간주할수도 있는 조금은 애매하다. 암튼 쉽게 움직이는 하중이라고 설명할수 있겠다. 고정하중과 달리 사람들이나 짐더미들이 한곳에 모일수도 있고 널리 펼쳐저 있을수도 있다. 그리고 사람의 보행은 단기 충격하중으로 환산해서 바닥진동에 대한 사용성 검토를 한다. 그러므로 적재하중은 어느정도 장기지속하중이 될수 있고 장기 또는 단기 집중하중이 될수 있으며 마지막으로 충격하중이 될수 있다고 말할수 있겠다. 바닥진동해석을 제외한 나머지는 코드에 나와 있는 적재하중을 이용하면 된다. 적재하중은 한곳에 모일수 있기 때문에 Pattern Loading해석을 한번 해보는게 구조쟁이로 감을 키우는 좋은 예라고 볼수 있다. 그리고 적재하중저감은 고층 및 장스팬 구조에서는 많이 사용하게 된다. 생각해 보면 고층의 경우 전층 똑같은 위치에 적재하중이 놓일 확률은 매우 작기 때문에 저감을 해서 기둥과 기초등의 부재가 부담해야 할 하중을 줄여준다. 물론 보 부재로 같은 개념으로 적재하중을 저감할수 있으나 이것도 마찬가지로 코드를 잘 이해한 후 저감을 해야 한다.
시공하중은 시공중 발생하는 하중으로 예를 들면, 덱크플레이트를 사용한 슬래브에 콘크리트 타설시부터 양생까지 작용하는 하중이라고 설명할수 있겠다. 주로 타설시 1.5kPa를 사용해서 합성 또는 일반덱크슬래브 설계시 적용하게 되며, 언급한 시공하중과 약간 틀리지만 1층 바닥의 경우 시공중 작업 공간 협소로 공사차량의 하중을 고려해서 가설재를 계획해야 한다.
우(Rain) 및 설(Snow)하중이라고 하니까 조금 이상하다. 약간 적재하중과 비슷하다고 볼수 있으며 지붕의 형상과 구조물의 난방형태들에 따라 달라지는 하중이라고 볼수 있으며, BC는 일반도시지역은 BCBC의 Climatic Data를 사용하면되지만 휘슬러나 FVRD등의 행정구역 지역은 관공서에 꼭 질의를 해서 해당지역 Climatic Data를 가지고 설계를 해야한다.
풍 및 지진하중은 아주 전형적인 횡하중이라고 볼수 있겠다. 풍하중은 건물 높이, 지역의 높이, 주변환경 및 건물의 수직면적에 영향을 많이 받게 된다. 쉽게 설명하면 건물쪽으로 미는 힘(+)과 건물의 밖으로 미는 힘(-)으로 나눠지며, 도심지역은 고층의 경우 와류(vortex)까지도 고려해야 한다. 초고층 설계시 실제와 비슷한 환경의 데이터를 얻고자 풍동실험을 하게 된다. 지진하중은 면적이 아닌 질량(mass), 구조물의 고유주기(Eigen Period)와 구조물의 연성능력(Ductility)에 따라 산정된다고 볼수 있다. 질량은 구조물에 작용하는 지진하중 산정에 기본이 되는 것이며, 고유주기는 지질학자들이 제시한 climatic data나 또는 토질기술사들이 제시하는 지반별 특성에 따른 데이터를 가지고 설계용 스펙트럼을 생성하고, 구조물의 고유주기와 상응하는 스펙트럼의 주기에 대한 가속도를 사용한다. 질량과 가속도를 알게 되므로 힘(전단력)을 구할수 있게 된다. 그리고 이런 결과들에 구조물의 연성능력에 따라 Base shear를 저감시키게 된다. 많은 사람들이 지진하중은 상하좌우 및 전후로 움직이는 하중이라 특별하다고 말을 한다. 타당한 말이지만 설계시 그런 하중을 적용하기 힘들기 때문에 기본 물리학적 성질들을 이용해 고유주기를 산정하고 적용되는 건물의 고유주기와 지진의 고유주기가 같아지면 공명현상(Resonance Effect)으로 Wave가 증폭되는 것을 가정하여 설계를 적용하게 되는 것이다. 결국은 하중의 크기는 다르지만 층별로 구조물에 미는 힘을 적용해서 시스템과 부재를 결정하게 되는 것이다. 일반 콘크리트 구조물에서 고층은 고유주기가 길므로 장주기 지진에 붕괴되고 저층은 단주기 지진에 붕괴된다. 그리고 초고층에서는 지진하중보타 풍하중이 우세한 경우가 많으며 지진하중은 중저층에서 우세한 현상을 보인다. 그러나 캐나다처럼 가벼운 목재를 이용한 저층구조물은 구조물의 형상 및 크기에 따라 풍하중이 우세할때가 많다.
기타 온도하중은 아주 긴 켄틸레버 옹벽이나 아주 길고 큰 건축물은 control joint나 expansion joint를 고려해야 하면 조인트 상세 자료는 Fintel의 Concrete Design Manual을 보면 각종 조인트와 계절 및 난방에 따른 온도변화시 적용해야할 구조물의 조인트 적용길이를 제시하고 있다. 횡토압은 정지토압(static), 수동토압(passive), 주동토압(active) 및 지진에 의한 토압증가분으로 구분할수 있으며 쿨롱, 랜킨, 및 모노노베-오카베 공식을 이용해서 토압을 산정하고 구조물의 성격에 따라 정지토압, 주동 및 수동토압을 적용하며, 캐나다의 경우 지하외벽설계시 지진에 의한 토압 증가분을 고려해서 설게를 해야한다. 한국과 일본 기초설계코드의 해설에서는 정지토압만을 적용해서 지하외벽을 설계하여도 지진시 큰 피해가 없다는 내용이 있으나 한국과 일본의 설계코드이므로 우리는 캐나다 코드를 따라야 한다.
이상으로 필자 맘대로(?) 하중에 대해서 정의를 하였다. 무리한 점이 있으면 알려주기 바란다.
모두들 건강하고 행복한 삶이 되길바라며 그럼 다음주에 다시 ... ... .
대한국인 이희용 mailto:이희david.hy.lee@gmail.com
적재하중은 지속되는 하중이 아니며 충격, 지진 및 풍하중처럼 완전 단기하중으로 간주할수도 있는 조금은 애매하다. 암튼 쉽게 움직이는 하중이라고 설명할수 있겠다. 고정하중과 달리 사람들이나 짐더미들이 한곳에 모일수도 있고 널리 펼쳐저 있을수도 있다. 그리고 사람의 보행은 단기 충격하중으로 환산해서 바닥진동에 대한 사용성 검토를 한다. 그러므로 적재하중은 어느정도 장기지속하중이 될수 있고 장기 또는 단기 집중하중이 될수 있으며 마지막으로 충격하중이 될수 있다고 말할수 있겠다. 바닥진동해석을 제외한 나머지는 코드에 나와 있는 적재하중을 이용하면 된다. 적재하중은 한곳에 모일수 있기 때문에 Pattern Loading해석을 한번 해보는게 구조쟁이로 감을 키우는 좋은 예라고 볼수 있다. 그리고 적재하중저감은 고층 및 장스팬 구조에서는 많이 사용하게 된다. 생각해 보면 고층의 경우 전층 똑같은 위치에 적재하중이 놓일 확률은 매우 작기 때문에 저감을 해서 기둥과 기초등의 부재가 부담해야 할 하중을 줄여준다. 물론 보 부재로 같은 개념으로 적재하중을 저감할수 있으나 이것도 마찬가지로 코드를 잘 이해한 후 저감을 해야 한다.
시공하중은 시공중 발생하는 하중으로 예를 들면, 덱크플레이트를 사용한 슬래브에 콘크리트 타설시부터 양생까지 작용하는 하중이라고 설명할수 있겠다. 주로 타설시 1.5kPa를 사용해서 합성 또는 일반덱크슬래브 설계시 적용하게 되며, 언급한 시공하중과 약간 틀리지만 1층 바닥의 경우 시공중 작업 공간 협소로 공사차량의 하중을 고려해서 가설재를 계획해야 한다.
우(Rain) 및 설(Snow)하중이라고 하니까 조금 이상하다. 약간 적재하중과 비슷하다고 볼수 있으며 지붕의 형상과 구조물의 난방형태들에 따라 달라지는 하중이라고 볼수 있으며, BC는 일반도시지역은 BCBC의 Climatic Data를 사용하면되지만 휘슬러나 FVRD등의 행정구역 지역은 관공서에 꼭 질의를 해서 해당지역 Climatic Data를 가지고 설계를 해야한다.
풍 및 지진하중은 아주 전형적인 횡하중이라고 볼수 있겠다. 풍하중은 건물 높이, 지역의 높이, 주변환경 및 건물의 수직면적에 영향을 많이 받게 된다. 쉽게 설명하면 건물쪽으로 미는 힘(+)과 건물의 밖으로 미는 힘(-)으로 나눠지며, 도심지역은 고층의 경우 와류(vortex)까지도 고려해야 한다. 초고층 설계시 실제와 비슷한 환경의 데이터를 얻고자 풍동실험을 하게 된다. 지진하중은 면적이 아닌 질량(mass), 구조물의 고유주기(Eigen Period)와 구조물의 연성능력(Ductility)에 따라 산정된다고 볼수 있다. 질량은 구조물에 작용하는 지진하중 산정에 기본이 되는 것이며, 고유주기는 지질학자들이 제시한 climatic data나 또는 토질기술사들이 제시하는 지반별 특성에 따른 데이터를 가지고 설계용 스펙트럼을 생성하고, 구조물의 고유주기와 상응하는 스펙트럼의 주기에 대한 가속도를 사용한다. 질량과 가속도를 알게 되므로 힘(전단력)을 구할수 있게 된다. 그리고 이런 결과들에 구조물의 연성능력에 따라 Base shear를 저감시키게 된다. 많은 사람들이 지진하중은 상하좌우 및 전후로 움직이는 하중이라 특별하다고 말을 한다. 타당한 말이지만 설계시 그런 하중을 적용하기 힘들기 때문에 기본 물리학적 성질들을 이용해 고유주기를 산정하고 적용되는 건물의 고유주기와 지진의 고유주기가 같아지면 공명현상(Resonance Effect)으로 Wave가 증폭되는 것을 가정하여 설계를 적용하게 되는 것이다. 결국은 하중의 크기는 다르지만 층별로 구조물에 미는 힘을 적용해서 시스템과 부재를 결정하게 되는 것이다. 일반 콘크리트 구조물에서 고층은 고유주기가 길므로 장주기 지진에 붕괴되고 저층은 단주기 지진에 붕괴된다. 그리고 초고층에서는 지진하중보타 풍하중이 우세한 경우가 많으며 지진하중은 중저층에서 우세한 현상을 보인다. 그러나 캐나다처럼 가벼운 목재를 이용한 저층구조물은 구조물의 형상 및 크기에 따라 풍하중이 우세할때가 많다.
기타 온도하중은 아주 긴 켄틸레버 옹벽이나 아주 길고 큰 건축물은 control joint나 expansion joint를 고려해야 하면 조인트 상세 자료는 Fintel의 Concrete Design Manual을 보면 각종 조인트와 계절 및 난방에 따른 온도변화시 적용해야할 구조물의 조인트 적용길이를 제시하고 있다. 횡토압은 정지토압(static), 수동토압(passive), 주동토압(active) 및 지진에 의한 토압증가분으로 구분할수 있으며 쿨롱, 랜킨, 및 모노노베-오카베 공식을 이용해서 토압을 산정하고 구조물의 성격에 따라 정지토압, 주동 및 수동토압을 적용하며, 캐나다의 경우 지하외벽설계시 지진에 의한 토압 증가분을 고려해서 설게를 해야한다. 한국과 일본 기초설계코드의 해설에서는 정지토압만을 적용해서 지하외벽을 설계하여도 지진시 큰 피해가 없다는 내용이 있으나 한국과 일본의 설계코드이므로 우리는 캐나다 코드를 따라야 한다.
이상으로 필자 맘대로(?) 하중에 대해서 정의를 하였다. 무리한 점이 있으면 알려주기 바란다.
모두들 건강하고 행복한 삶이 되길바라며 그럼 다음주에 다시 ... ... .
대한국인 이희용 mailto:이희david.hy.lee@gmail.com
2008년 9월 20일 토요일
설계코드는 바이블이다.
두번째 주관적인 이야기를 시작하겠다.
인간에게는 가장 중요한 바이블이 있다. 각 종교마다 다르겠지만, 종교마다 소중하게 여기고 열심히 읽고 묵상하고 매일 매일 바이블의 가르침대로 살려는 사람들이 많다. 구조엔지니에게 있어서 설계코드는 구조물을 위한 바이블이라고 말할수 있다.
한국의 경우, 건축법규와 KBC(Korean Building Code)를 이용해서 설계를 하게 된다. 건축법규는 캐나다와 미국의 NBC(National Building Code)와 IBC(International Building Code: 과거 UBC)와 비슷하다고 볼수 있다. KBC는 코드내에 미국 ASCE에서 저술한 Minimum Design Loads for Building & Other Structures와 흡사한 하중산정과 콘크리트조, 조적조, 강구조, 및 목구조 설계코드가 한권으로 종합되어 있다. 그리고 캐나다는 캐나다 표준협회(CSA)에서 모든 코드를 관리하고 있으며, 지방마다 각 지방의 특성에 따라 빌딩코드를 제정하고 있다. 필요한 코드는 VPL Downtown에 가면 도서관내에서 열람과 복사가 가능하다.
기본적으로 설계코드는 시대의 흐름을 따른다. 과거에는 ASD(Allowable Stress Design 또는 Working Stress Design)를 이용해서 설계를 하였다. 재료마다 고유한 항복강도를 스트레스 종류에 따라 서로 다른 저감계수로 저감된 최대스트레스가 하중계수 없이 산정된 부재내의 스트레스보다 크면 부재의 안전성이 확보 되었다고 보고 처짐을 검토하였다. 그럼 대부분의 국가들이 현재 사용하는 LSD(Limit State Design), USD(Ultimate State Design) & LRFD(Load & Resistance Factor Design)들은 간단히 말해서 부재별 고유한 항복강도(Fy)와 인장항복강도(Fu)를 강도저감계수로 저감시킨 부재강도가 하중특성에 따라 적용되는 하중계수로 산정된 강도보다 크면 부재의 안전성이 확보 되었다고 보며 안정성(처짐 및 진동 등)을 검토한다.
위의 코드들은 부재설계방법은 상이하지만 스트레스 개념을 이용한다는 것이 공통이라고 볼수 있다. 필자의 경우 ASD로 설계를 하다가 보면 구조설계 감각이 빨리 축적되는 반면 LSD는 시간이 더 필요한것으로 느껴진다. 많은 연구진들이 물리학적 이론과 실험에 의해서 코드를 업데이트 시키고 있다. 업데이트는 재료특성과 시대적 기술력을 고려한 연구결과이므로 코드는 최소한의 규정이라는 것이다. 많은 사람들이 코드가 최소규정임을 부정하려고 든다. 그리고 잘못된 코드 이해로 공공의 안전과 고객의 돈을 낭비하기도 한다. 한국에서 구조를 시작하면서 뼈저리게 느껴지는 단 한마디를 소개하겠다. "코드를 모르면 점도 찍지 마라!!!" 여기서 점이란 보나 기둥 단면에 철근을 표현하는 것이다. 코드를 모르면 설계도 엉망이지만 상세를 만들수가 없다. 즉 현장의 문제를 풀어주기가 어렵다는 이야기다. 엔지니어는 공익을 먼저 생각해야하므로 코드를 바이블처럼 다뤄야 한다는게 필자의 아주 주관적인 생각이다. 캐나다에 와서 놀랬다. 미국에서 만든 목재설계프로그램에 캐나다 하중조합을 input해서 설계를 하고 있었다. 필자는 설계방법을 이상하게 생각했다. '미국프로그램이면 미국 하중조합을 사용해야 하는데... ... .' 바로 프로그램의 output을 검토하기 시작했다. 허걱! 미국프로그램은 ASD로 설계하는 프로그램이었다. 결론은 하중조합을 해서 하중을 키울 필요가 없다는 얘기며 그동안 업자들의 돈, 즉 국가적 자원의 낭비를 하고 있었던 것이다. 엔지니어는 공익을 위한 사람임을 잊지 말아야 한다. 조금 바쁘다고 조금 돈이 적다고 해서 코드를 무시한 설계는 있을수도 없고 있어서도 안된다고 강조하고 싶다.
오늘도 얘기가 조금 무겁다. 다음엔 좀더 가벼워 지도록 노력하겠다. ㅎㅎ
그럼 모두들 건강하시길... ... .
대한국인 이희용 mailto:이희david.hy.lee@gmail.com
인간에게는 가장 중요한 바이블이 있다. 각 종교마다 다르겠지만, 종교마다 소중하게 여기고 열심히 읽고 묵상하고 매일 매일 바이블의 가르침대로 살려는 사람들이 많다. 구조엔지니에게 있어서 설계코드는 구조물을 위한 바이블이라고 말할수 있다.
한국의 경우, 건축법규와 KBC(Korean Building Code)를 이용해서 설계를 하게 된다. 건축법규는 캐나다와 미국의 NBC(National Building Code)와 IBC(International Building Code: 과거 UBC)와 비슷하다고 볼수 있다. KBC는 코드내에 미국 ASCE에서 저술한 Minimum Design Loads for Building & Other Structures와 흡사한 하중산정과 콘크리트조, 조적조, 강구조, 및 목구조 설계코드가 한권으로 종합되어 있다. 그리고 캐나다는 캐나다 표준협회(CSA)에서 모든 코드를 관리하고 있으며, 지방마다 각 지방의 특성에 따라 빌딩코드를 제정하고 있다. 필요한 코드는 VPL Downtown에 가면 도서관내에서 열람과 복사가 가능하다.
기본적으로 설계코드는 시대의 흐름을 따른다. 과거에는 ASD(Allowable Stress Design 또는 Working Stress Design)를 이용해서 설계를 하였다. 재료마다 고유한 항복강도를 스트레스 종류에 따라 서로 다른 저감계수로 저감된 최대스트레스가 하중계수 없이 산정된 부재내의 스트레스보다 크면 부재의 안전성이 확보 되었다고 보고 처짐을 검토하였다. 그럼 대부분의 국가들이 현재 사용하는 LSD(Limit State Design), USD(Ultimate State Design) & LRFD(Load & Resistance Factor Design)들은 간단히 말해서 부재별 고유한 항복강도(Fy)와 인장항복강도(Fu)를 강도저감계수로 저감시킨 부재강도가 하중특성에 따라 적용되는 하중계수로 산정된 강도보다 크면 부재의 안전성이 확보 되었다고 보며 안정성(처짐 및 진동 등)을 검토한다.
위의 코드들은 부재설계방법은 상이하지만 스트레스 개념을 이용한다는 것이 공통이라고 볼수 있다. 필자의 경우 ASD로 설계를 하다가 보면 구조설계 감각이 빨리 축적되는 반면 LSD는 시간이 더 필요한것으로 느껴진다. 많은 연구진들이 물리학적 이론과 실험에 의해서 코드를 업데이트 시키고 있다. 업데이트는 재료특성과 시대적 기술력을 고려한 연구결과이므로 코드는 최소한의 규정이라는 것이다. 많은 사람들이 코드가 최소규정임을 부정하려고 든다. 그리고 잘못된 코드 이해로 공공의 안전과 고객의 돈을 낭비하기도 한다. 한국에서 구조를 시작하면서 뼈저리게 느껴지는 단 한마디를 소개하겠다. "코드를 모르면 점도 찍지 마라!!!" 여기서 점이란 보나 기둥 단면에 철근을 표현하는 것이다. 코드를 모르면 설계도 엉망이지만 상세를 만들수가 없다. 즉 현장의 문제를 풀어주기가 어렵다는 이야기다. 엔지니어는 공익을 먼저 생각해야하므로 코드를 바이블처럼 다뤄야 한다는게 필자의 아주 주관적인 생각이다. 캐나다에 와서 놀랬다. 미국에서 만든 목재설계프로그램에 캐나다 하중조합을 input해서 설계를 하고 있었다. 필자는 설계방법을 이상하게 생각했다. '미국프로그램이면 미국 하중조합을 사용해야 하는데... ... .' 바로 프로그램의 output을 검토하기 시작했다. 허걱! 미국프로그램은 ASD로 설계하는 프로그램이었다. 결론은 하중조합을 해서 하중을 키울 필요가 없다는 얘기며 그동안 업자들의 돈, 즉 국가적 자원의 낭비를 하고 있었던 것이다. 엔지니어는 공익을 위한 사람임을 잊지 말아야 한다. 조금 바쁘다고 조금 돈이 적다고 해서 코드를 무시한 설계는 있을수도 없고 있어서도 안된다고 강조하고 싶다.
오늘도 얘기가 조금 무겁다. 다음엔 좀더 가벼워 지도록 노력하겠다. ㅎㅎ
그럼 모두들 건강하시길... ... .
대한국인 이희용 mailto:이희david.hy.lee@gmail.com
2008년 9월 13일 토요일
구조물은 생명체다
지난주까지 P.Eng.가 되기위한 과정에 대해서 알아 보았다. 이제부터는 필자의 아주 주관적이고 개인적인 이야기를 다루고, 빌딩 구조물에 대한 필자의 생각을 펼치려고 한다. 오늘의 소제목은 " 구조물은 생명체다."이다.
구조물은 생명체이다. 조금 과장되기는 했지만 구조물은 식물처럼 말을 할수는 없지만 아픔을 표현한다. 그리고 동식물처럼 성장과 개체번식을 하지 못하며, 성장 및 개체의 번식과 소멸을 사람의 손에 맏기고 있는 생명체라고 말하고 싶다. 구조설계자가 구조시스템과 평면계획을 타당하게 계획하지 못하면 구조물은 통증을 호소한다. 마치 사람들이 스트레스에 시달리듯 잘못 계획된 구조물은 단면(section)에 과도한 스트레스를 작용하며, 이런 스트레스가 지속적으로 작용하면 피로(fatigue)를 유발시킨다. 균열의 시작 및 과도한 처짐과 진동 그리고 피로현상등이 구조물이 스트레스 때문에 괴로워서 인간에게 표현하는 의사소통수단이라고 말할수 있으며, 일부 구조부재의 붕괴와 구조물 전체의 붕괴는 도마뱀이 꼬리를 버리고 도망가듯 구조물 자신의 일부를 포기하는 것과 전체를 포기하는 것이라고 볼수 있다.
구조기술자는 이 생명체를 다루는 의사라고 말하고 싶다. 일반의사는 사람의 생명을 다루며, 수술중 실수로 한번에 한명의 생명을 놓칠수 있다. 그와 같을수는 없지만 구조기술자는 한번의 실수로 한명부터 수백명(?)의 생명을 앗아갈수 있다. 이 얼마나 무서운 일이며 막대한 책임을 가지고 있는가? 개인적인 생각이지만 구조분야는 학부와 석사를 마치고 인턴 및 레지던트를 거쳐 구조기술사가 되어야 한다는게 본인의 생각이다 ㅎㅎ. 지금 구조기술자가 되기위해 시작하는 분들께 너무 무거운 괴설을 펼치는 것 같아 한가지 안심(?) 될만한 이야기를 해주겠다. 앞서 언급한 이런 무서움을 달래기 위해 우리는 수직 및 수평하중에 대해서 0.9~1.5배까지 하중을 조절해서 조합을 하고, 재료강도를 0.65~0.85까지 저감시켜서 설계코드가 제시하는 방법에 의해서 설계를 하게 된다. 그러면 콘크리트 구조물의 경우, 구조설계자의 실수, 재료생산자의 실수 및 시공자의 실수를 포함해서 구조물의 붕괴확률은 약 1/100,000이라고 볼수 있다. 조금은 안심이 될것이다. 그렇지만 이런 확률을 접하고 결코 안심할수 있을까? 확률의 특징을 보면, 일생동안 물에 떨어진 잉크가 번지지 않고 모일 확률은 거의 없다. 그러나 수천만년동안 내가 사는 그 시점에 생길 확률은 없는 것이 아니다. 즉 생길수가 있다. 이것도 또하나의 무서운 괴설이다. 조금도 안심시켜드리지 못해서 죄송스럽게 생각한다.
그러므로 구조설계자는 설계코드를 바이블처럼 여기고 설계코드가 minimum design이라는 것을 잊지 말아야 하며, 구조물을 사랑해서 자신을 희생할줄 알아야 한다. 그리고 구조물의 아픔을 최소화 할수 있도록 먼저 타당한 구조시스템을 결정하고 평면계획을 합당하게 세워야 하며 구조시스템과 구조평면계획에 부합하는 구조재료를 선택하는 것이 또한 매우 중요한 것이다. 아침부터 조금 무거운것 같다. 많이 생각해 보고 다음에 이어가기로 하겠다.
대한국인 이희용 david.hy.lee@gmail.com
구조물은 생명체이다. 조금 과장되기는 했지만 구조물은 식물처럼 말을 할수는 없지만 아픔을 표현한다. 그리고 동식물처럼 성장과 개체번식을 하지 못하며, 성장 및 개체의 번식과 소멸을 사람의 손에 맏기고 있는 생명체라고 말하고 싶다. 구조설계자가 구조시스템과 평면계획을 타당하게 계획하지 못하면 구조물은 통증을 호소한다. 마치 사람들이 스트레스에 시달리듯 잘못 계획된 구조물은 단면(section)에 과도한 스트레스를 작용하며, 이런 스트레스가 지속적으로 작용하면 피로(fatigue)를 유발시킨다. 균열의 시작 및 과도한 처짐과 진동 그리고 피로현상등이 구조물이 스트레스 때문에 괴로워서 인간에게 표현하는 의사소통수단이라고 말할수 있으며, 일부 구조부재의 붕괴와 구조물 전체의 붕괴는 도마뱀이 꼬리를 버리고 도망가듯 구조물 자신의 일부를 포기하는 것과 전체를 포기하는 것이라고 볼수 있다.
구조기술자는 이 생명체를 다루는 의사라고 말하고 싶다. 일반의사는 사람의 생명을 다루며, 수술중 실수로 한번에 한명의 생명을 놓칠수 있다. 그와 같을수는 없지만 구조기술자는 한번의 실수로 한명부터 수백명(?)의 생명을 앗아갈수 있다. 이 얼마나 무서운 일이며 막대한 책임을 가지고 있는가? 개인적인 생각이지만 구조분야는 학부와 석사를 마치고 인턴 및 레지던트를 거쳐 구조기술사가 되어야 한다는게 본인의 생각이다 ㅎㅎ. 지금 구조기술자가 되기위해 시작하는 분들께 너무 무거운 괴설을 펼치는 것 같아 한가지 안심(?) 될만한 이야기를 해주겠다. 앞서 언급한 이런 무서움을 달래기 위해 우리는 수직 및 수평하중에 대해서 0.9~1.5배까지 하중을 조절해서 조합을 하고, 재료강도를 0.65~0.85까지 저감시켜서 설계코드가 제시하는 방법에 의해서 설계를 하게 된다. 그러면 콘크리트 구조물의 경우, 구조설계자의 실수, 재료생산자의 실수 및 시공자의 실수를 포함해서 구조물의 붕괴확률은 약 1/100,000이라고 볼수 있다. 조금은 안심이 될것이다. 그렇지만 이런 확률을 접하고 결코 안심할수 있을까? 확률의 특징을 보면, 일생동안 물에 떨어진 잉크가 번지지 않고 모일 확률은 거의 없다. 그러나 수천만년동안 내가 사는 그 시점에 생길 확률은 없는 것이 아니다. 즉 생길수가 있다. 이것도 또하나의 무서운 괴설이다. 조금도 안심시켜드리지 못해서 죄송스럽게 생각한다.
그러므로 구조설계자는 설계코드를 바이블처럼 여기고 설계코드가 minimum design이라는 것을 잊지 말아야 하며, 구조물을 사랑해서 자신을 희생할줄 알아야 한다. 그리고 구조물의 아픔을 최소화 할수 있도록 먼저 타당한 구조시스템을 결정하고 평면계획을 합당하게 세워야 하며 구조시스템과 구조평면계획에 부합하는 구조재료를 선택하는 것이 또한 매우 중요한 것이다. 아침부터 조금 무거운것 같다. 많이 생각해 보고 다음에 이어가기로 하겠다.
대한국인 이희용 david.hy.lee@gmail.com
2007년 10월 19일 금요일
History of Base Shear
1927: F = C·W : based on Pacific Coast Building Officials Conference (PCBOC)
here, C : foundation-dependant factor
1933: V = 0.02 ∼ 0.08(DL + LL) : after Long Beach earthquake
1935: V = 0.08∼0.16(DL + 0.5LL) for only Z=3 : introduced Z=1,2,3
1959: V = K·C·W : SEAOC, Blue Book
1961: V = Z·K·C·W : UBC
1974: V = Z·I·K·C·S·W : SEAOC, Blue Book
1988: V = Z·I·C·W/Rw : UBC
1997: V = Cv·I·W/(R·T) : UBC
2000: V = Cs·W : IBC, ASCE
here, C : foundation-dependant factor
1933: V = 0.02 ∼ 0.08(DL + LL) : after Long Beach earthquake
1935: V = 0.08∼0.16(DL + 0.5LL) for only Z=3 : introduced Z=1,2,3
1959: V = K·C·W : SEAOC, Blue Book
1961: V = Z·K·C·W : UBC
1974: V = Z·I·K·C·S·W : SEAOC, Blue Book
1988: V = Z·I·C·W/Rw : UBC
1997: V = Cv·I·W/(R·T) : UBC
2000: V = Cs·W : IBC, ASCE
2007년 9월 5일 수요일
Return Period
1. Return Period (Tr)
: A recurrence interval that is an estimate of the likelihood of events like an earthquake or wind storm of a certain intensity or size/ unit: year
2. Exceedance Probability (Pe)
: A probability that a certain incident occurs during specific period. Exceedance probability for 1 year is Pe1 = 1/Tr1
3. Non-Exceedance Probability (Pn)
Pn1 = 1 – Pe1(for 1 year), PnN=(Pn1)^N
4. Exmaples
1) The percentage of exceedance probability for 20years if exceedance probability for 1year is 1%
Sol) Pe1 = 0.01, Pn1 = 1 – Pe1 = 0.99
Pn20 = (Pn1)^20 = 0.99^20 = 0.8179
Pe20 = 1 – Pn20 = 1-0.8179 = 0.1821
Therefore, percentage of exceedance probability for 20years is 18.21%
2) The percentage of exceedance probability and the return period for 1year if exceedance probability for 50year is 10%
Sol) Pe50 = 0.1, Pn50 = 1 – Pe50 = 0.9
Pn1 = (Pn50)^(1/50) = 0.9^(1/50) = 0.9979
Pe1 = 1 – Pn1 = 1-0.9979 = 0.0021
Therefore, percentage of exceedance probability for 1years is 0.21% and 1 year return period is about 476years (Tr = 1/Pe1 = 1/0.0021)
: A recurrence interval that is an estimate of the likelihood of events like an earthquake or wind storm of a certain intensity or size/ unit: year
2. Exceedance Probability (Pe)
: A probability that a certain incident occurs during specific period. Exceedance probability for 1 year is Pe1 = 1/Tr1
3. Non-Exceedance Probability (Pn)
Pn1 = 1 – Pe1(for 1 year), PnN=(Pn1)^N
4. Exmaples
1) The percentage of exceedance probability for 20years if exceedance probability for 1year is 1%
Sol) Pe1 = 0.01, Pn1 = 1 – Pe1 = 0.99
Pn20 = (Pn1)^20 = 0.99^20 = 0.8179
Pe20 = 1 – Pn20 = 1-0.8179 = 0.1821
Therefore, percentage of exceedance probability for 20years is 18.21%
2) The percentage of exceedance probability and the return period for 1year if exceedance probability for 50year is 10%
Sol) Pe50 = 0.1, Pn50 = 1 – Pe50 = 0.9
Pn1 = (Pn50)^(1/50) = 0.9^(1/50) = 0.9979
Pe1 = 1 – Pn1 = 1-0.9979 = 0.0021
Therefore, percentage of exceedance probability for 1years is 0.21% and 1 year return period is about 476years (Tr = 1/Pe1 = 1/0.0021)
2007년 9월 4일 화요일
Examples-The Assumption of Earthquake Magnitude and EPA
Example> The Assumption of Earthquake Magnitude and EPA
- Conditions: Fall of chimneys, factory stacks, columns, monuments, walls, in Vancouver, B.C. These conditions are similar to earthquake intensity VIII in MMI scale and equations from the Western US.
1) Earthquake Magnitude
- Mag = 2/3 MMI(grade) +1.00 = 2/3 x 8 +1.00 = 6.3
---> about Richter Scale 6.3
2) EPA
- Log_10 Acc = 0.33MMI - 0.500 = 0.33 x 8 - 0.5/1000 = 2.14,
Acc = (10^2.14)/1000 = 0.138gal
EPA = Acc/2.5 = 0.055
---> about EPA = 0.055g
- Conditions: Fall of chimneys, factory stacks, columns, monuments, walls, in Vancouver, B.C. These conditions are similar to earthquake intensity VIII in MMI scale and equations from the Western US.
1) Earthquake Magnitude
- Mag = 2/3 MMI(grade) +1.00 = 2/3 x 8 +1.00 = 6.3
---> about Richter Scale 6.3
2) EPA
- Log_10 Acc = 0.33MMI - 0.500 = 0.33 x 8 - 0.5/1000 = 2.14,
Acc = (10^2.14)/1000 = 0.138gal
EPA = Acc/2.5 = 0.055
---> about EPA = 0.055g
2007년 8월 10일 금요일
GROUND ACCELERATION & AREA COEFFICIENT
GROUND ACCELERATION & AREA COEFFICIENT
1. PGA(Peak Ground Acceleration)
: The amplitude of the ground acceleration time-history caused by earthquake waves.
2. EPA(Effective Peak Ground Acceleration)
: The EPA was defined as proportional to the spectral ordinates corresponding to periods within the range of 0.1 to 0.5 sec. The constant of proportionality (for a 5 percent damping spectrum) was set at a standard value of 2.5 which is a spectral amplification factor. The EPA is determined by dividing by 2.5 the corresponding short period(around 0.1~0.5sec, c.f.> long period: not less than 1sec) spectral acceleration value.
'Concept of Effective Acceleration- It is that acceleration which is most closely related to structural response and to damage potential of an earthquake. It differs from and is less than the peak free-field ground acceleration. It is a function of the size of the loaded area, the frequency content of the excitation, which in turn depends on the closeness to the source of the earthquake, and to the weight, embedment, damping characteristic, and stiffness of the structure and its foundation.’ Earthquake Spectral and Design(N.M. Newmak, 1982)
Schematic representation showing how effective peak acceleration and effective peak velocity are obtained from a response spectrum.
3. A(Area Coefficient, F =M x Sa = (Mg) x (Sa/g) = AW): Area coefficient is based on the EPA related to structural responses and on 10% probability of exceedance in 50 years that is about 500 years return period. Area coefficients (A=0.07, 0.11) in Korea are equivalent to EPA=0.07g & 0.11g.
4. Equations between PGA & Intensity
1) Eastern US: Log_10 Acc= 0.30MMI + 0.014 (Trifunac & Brady, 1975)
2) Western US: Log_10 Acc = 0.33MMI - 0.500(Gutenberg & Richter, 1956)
Here, Acc: PGA(unit: gal(=cm/sec2)), MMI: Grade Number from MMI
1. PGA(Peak Ground Acceleration)
: The amplitude of the ground acceleration time-history caused by earthquake waves.
2. EPA(Effective Peak Ground Acceleration)
: The EPA was defined as proportional to the spectral ordinates corresponding to periods within the range of 0.1 to 0.5 sec. The constant of proportionality (for a 5 percent damping spectrum) was set at a standard value of 2.5 which is a spectral amplification factor. The EPA is determined by dividing by 2.5 the corresponding short period(around 0.1~0.5sec, c.f.> long period: not less than 1sec) spectral acceleration value.
'Concept of Effective Acceleration- It is that acceleration which is most closely related to structural response and to damage potential of an earthquake. It differs from and is less than the peak free-field ground acceleration. It is a function of the size of the loaded area, the frequency content of the excitation, which in turn depends on the closeness to the source of the earthquake, and to the weight, embedment, damping characteristic, and stiffness of the structure and its foundation.’ Earthquake Spectral and Design(N.M. Newmak, 1982)
3. A(Area Coefficient, F =M x Sa = (Mg) x (Sa/g) = AW): Area coefficient is based on the EPA related to structural responses and on 10% probability of exceedance in 50 years that is about 500 years return period. Area coefficients (A=0.07, 0.11) in Korea are equivalent to EPA=0.07g & 0.11g.
4. Equations between PGA & Intensity
1) Eastern US: Log_10 Acc= 0.30MMI + 0.014 (Trifunac & Brady, 1975)
2) Western US: Log_10 Acc = 0.33MMI - 0.500(Gutenberg & Richter, 1956)
Here, Acc: PGA(unit: gal(=cm/sec2)), MMI: Grade Number from MMI
2007년 8월 9일 목요일
MMI(Modified Mericalli Intensity) SCALES
MMI(Modified Mericalli Intensity) SCALES
In Korea, people use the MMI(Modified Mericalli Intensity, 12 grades) scales as an earthquake intensity.
I. Instrumental: Not felt except by a very few under especially favorable conditions.
II. Feeble: Felt only by a few persons at rest, especially on upper floors of buildings. Delicately suspended objects may swing.
III. Slight: Felt quite noticeably by persons indoors, especially on the upper floors of buildings. Many do not recognize it as an earthquake. Standing motor cars may rock slightly. Vibration similar to the passing of a truck. Duration estimated.
IV. Moderate: Felt indoors by many, outdoors by few during the day. At night, some awakened. Dishes, windows, doors disturbed; walls make cracking sound. Sensation like heavy truck striking building. Standing motor cars rocked noticeably. Dishes and windows rattle alarmingly.
V. Rather Strong: Felt by nearly everyone; many awakened. Some dishes and windows broken. Unstable objects overturned. Clocks may stop.
VI. Strong: Felt by all; many frightened and run outdoors, walk unsteadily. Windows, dishes, glassware broken; books off shelves; some heavy furniture moved or overturned; a few instances of fallen plaster. Damage slight.
VII. Very Strong: Difficult to stand; furniture broken; damage negligible in building of good design and construction; slight to moderate in well-built ordinary structures; considerable damage in poorly built or badly designed structures; some chimneys broken. Noticed by persons driving motor cars.
VIII. Destructive: Damage slight in specially designed structures; considerable in ordinary substantial buildings with partial collapse. Damage great in poorly built structures. Fall of chimneys, factory stacks, columns, monuments, walls. Heavy furniture moved.
IX. Ruinous: General panic; damage considerable in specially designed structures, well designed frame structures thrown out of plumb. Damage great in substantial buildings, with partial collapse. Buildings shifted off foundations.
X. Disastrous: Some well built wooden structures destroyed; most masonry and frame structures destroyed with foundation. Rails bent.
XI. Very Disastrous: Few, if any masonry structures remain standing. Bridges destroyed. Rails bent greatly.
XII. Catastrophic: Total damage - Almost everything is destroyed. Lines of sight and level distorted. Objects thrown into the air. The ground moves in waves or ripples. Large amounts of rock may move.
In Korea, people use the MMI(Modified Mericalli Intensity, 12 grades) scales as an earthquake intensity.
I. Instrumental: Not felt except by a very few under especially favorable conditions.
II. Feeble: Felt only by a few persons at rest, especially on upper floors of buildings. Delicately suspended objects may swing.
III. Slight: Felt quite noticeably by persons indoors, especially on the upper floors of buildings. Many do not recognize it as an earthquake. Standing motor cars may rock slightly. Vibration similar to the passing of a truck. Duration estimated.
IV. Moderate: Felt indoors by many, outdoors by few during the day. At night, some awakened. Dishes, windows, doors disturbed; walls make cracking sound. Sensation like heavy truck striking building. Standing motor cars rocked noticeably. Dishes and windows rattle alarmingly.
V. Rather Strong: Felt by nearly everyone; many awakened. Some dishes and windows broken. Unstable objects overturned. Clocks may stop.
VI. Strong: Felt by all; many frightened and run outdoors, walk unsteadily. Windows, dishes, glassware broken; books off shelves; some heavy furniture moved or overturned; a few instances of fallen plaster. Damage slight.
VII. Very Strong: Difficult to stand; furniture broken; damage negligible in building of good design and construction; slight to moderate in well-built ordinary structures; considerable damage in poorly built or badly designed structures; some chimneys broken. Noticed by persons driving motor cars.
VIII. Destructive: Damage slight in specially designed structures; considerable in ordinary substantial buildings with partial collapse. Damage great in poorly built structures. Fall of chimneys, factory stacks, columns, monuments, walls. Heavy furniture moved.
IX. Ruinous: General panic; damage considerable in specially designed structures, well designed frame structures thrown out of plumb. Damage great in substantial buildings, with partial collapse. Buildings shifted off foundations.
X. Disastrous: Some well built wooden structures destroyed; most masonry and frame structures destroyed with foundation. Rails bent.
XI. Very Disastrous: Few, if any masonry structures remain standing. Bridges destroyed. Rails bent greatly.
XII. Catastrophic: Total damage - Almost everything is destroyed. Lines of sight and level distorted. Objects thrown into the air. The ground moves in waves or ripples. Large amounts of rock may move.
EARTHQUAKE MAGNITUDE & INTENSITY
Here are some brief notes of my knowledge and experience in structural engineering.
EARTHQUAKE MAGNITUDE & INTENSITY
1. Magnitude: A measure of the amplitude of the seismic waves and of the amount of energy / Richter Scale / Numbers
2. Intensity: A subjective measure that describes how strong a shock was felt at a particular location / MMI Scale / Roman letters
3. Equations between Magnitude & Intensity
1) Eastern US: Mag = 1/2 MMI +1.75 (Nuuttli & Hermann, 1978)
2) Western US: Mag = 2/3 MMI +1.00 (Gutenberg & Richter, 1956)
Here, Mag: Magnitude, MMI: Grade Number from MMI Scales
EARTHQUAKE MAGNITUDE & INTENSITY
1. Magnitude: A measure of the amplitude of the seismic waves and of the amount of energy / Richter Scale / Numbers
2. Intensity: A subjective measure that describes how strong a shock was felt at a particular location / MMI Scale / Roman letters
3. Equations between Magnitude & Intensity
1) Eastern US: Mag = 1/2 MMI +1.75 (Nuuttli & Hermann, 1978)
2) Western US: Mag = 2/3 MMI +1.00 (Gutenberg & Richter, 1956)
Here, Mag: Magnitude, MMI: Grade Number from MMI Scales
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