[구조설계 및 구조검토]하중전이보 설계
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以聽得心2025-01-13 14:27
질문을 작년에 해주셨는데, 연말연초에 가려서
1년이나 지나서야 뒤늦게 답변을 하게 되었습니다. 아마도 질문하셨던 부분에 대해서는
이미 해결을 하시지 않았을까 생각됩니다.
늦었겠지만, 나름대로 답변을 드리자면 아래와 같습니다.
통상적으로 부재의 응력(모멘트나 전단력)이 너무 커서 건축설계의 요구조건을 만족하지 못할 정도로 부재의 크기가 커져서
문제가 되는 경우가 대부분인데, 질문자님의 경우는 정보가 부족해서 어떤 상황인지 가늠하기 어렵습니다.
20층이상 하중이 전이되는 Transfer Girder의 응력이 작은 경우라면 외측에 면하지 않고 내부에 설치되어 있으며 스팬이 짧고
기둥과 기둥사이에 벽체가 온전하게 걸쳐진 형태의 Transfer Girder라면 기대했던 응력보다 작게 나올 수 있지 않을까 예측해볼 수
있습니다.
그런데, 연직하중에 대해서도 부족한 경우라고 하는 부분은 어떤 근거에 기반하는 것인지 더욱 모르겠습니다.
만약 예상한 대로의 경우라면 벽체의 양단절점에 작용하는 수직방향 반력(중력하중)이 기둥의 축력으로 곧바로 작용하면서
Transfer Girder에는 전혀 응력이 발생하지 않는지도 모르겠습니다.
다만, 횡력이 작용하는 하중케이스에 대해서는 영향이 있을거 같은데, 이상하네요.
우선 M사 프로그램으로 모델링이 된 것이라면 Membrane 요소로 할당된 벽체를 Plate요소로 변경하게 되면 적어도
수직방향 하중에 대한 영향은 달라지지 않을까 싶습니다. 뿐만아니라 Plate요소로 변경하게 되면 횡하중에 대한 구조물의 응답도 달라지게
됩니다. (사용하는 요소에 따라 차이가 크다는 것은 그만큼 프로그램에 대한 신뢰도가 떨어진다고 봐야겠네요)
지금은 사용하지 않는 방법으로 오래전 설계과정에 모델링했던 방법을 소개해 보도록 하겠습니다.
공동주택 벽식아파트에 대해서 구조해석을 한다면 제일 먼저 바닥판 해석을 수행하게 됩니다. 바닥판 해석의 결과로
벽체의 반력 산정이 되면 작용하는 벽체의 축력을 벽체의 길이로 나누어서 단위길이당 하중으로 환산하고
골조해석 모델링의 벽체상부에 등분포하중으로 작용을 시킵니다.
지금은 바닥판 해석의 결과를 골조해석 모델링에서 벽체절점의 반력으로 가져와서 해석을 수행하는데,
굳이 번거롭게 등분포 하중으로 변환을 했던 이유는 높이가 높은 콘크리트 벽체 조차도 횡력이 작용할 때 강체거동 뿐만 아니라
수직하중에 대해서 휨에 대한 응력이 발생한다고 봤던거 같습니다.
그밖에도 벽체의 절점으로 반력이 입력되는것과 등분포하중으로 작용시키는 것에는 하부 Transfer Girder의
응력의 큰 변화가 있을 수밖에 없습니다. 뿐만아니라, 예전에는 지금과 같은 Membrane 요소를 사용하여 설계했던 것이 아니었기 때문에
좀더 신뢰할만한 결과가 도출될 수 있었습니다.
M사의 Membrane 요소를 사용하게 되면서 이러한 Transfer Girder의 응력이 왜곡되는 문제가 발생하게 되는데,
같은방식으로 등분포하중으로 입력하는 방법을 고민해볼 수 있을거 같습니다. 이때에는 하나의 벽체를 작게 분할하여
벽체에 균등하게 하중이 작용하도록 하는 것이 중요합니다.
즉, 바닥판 해석의 단계부터 하부 벽체의 길이를 작게 나누어서 반력을 가져오는 것이 중요하다고 할수 있습니다.
이후의 과정은 더욱 중요하다고 할수 있는데, 하나의 구조해석용 모델링을 가지고 접근하는 데에는 한계가 있어서,
저의 경우에는 연직하중 검토용 구조해석 모델링을 추가로 작업을 했었습니다.
이 경우, 벽체도 유연한 구조라고 판단하여 벽체의 탄성계수를 아주 작은값(예를들어 탄성계수 E=10) 으로 입력을 하면
적어도 Membrane 요소의 벽체가 연직하중 작용시에 강체거동을 보여주기 어렵습니다. 이때 주의할 점은 M사 프로그램에서
다이아프램 설정을 해제하도록 해주어야 합니다. 그렇지 않은 경우 왜곡된 결과를 보여주곤 합니다.
이러한 과정을 통해서, 연직하중에 대한 영향에 대해서는 한번 더 체크해볼 수 있을거 같습니다.
그리고 이러한 하중전이보에 대해서는 상부벽체의 강성거동(Deep Beam)도 함께 고려해 보셔야 할거 같은데,
Mark Fintel의 “Handbook of Concrete Engineering” 같은 책을 보시면 Transfer Beam에 대한 내용들을 살펴보실 수
있습니다.
감사합니다.
1년이나 지나서야 뒤늦게 답변을 하게 되었습니다. 아마도 질문하셨던 부분에 대해서는
이미 해결을 하시지 않았을까 생각됩니다.
늦었겠지만, 나름대로 답변을 드리자면 아래와 같습니다.
통상적으로 부재의 응력(모멘트나 전단력)이 너무 커서 건축설계의 요구조건을 만족하지 못할 정도로 부재의 크기가 커져서
문제가 되는 경우가 대부분인데, 질문자님의 경우는 정보가 부족해서 어떤 상황인지 가늠하기 어렵습니다.
20층이상 하중이 전이되는 Transfer Girder의 응력이 작은 경우라면 외측에 면하지 않고 내부에 설치되어 있으며 스팬이 짧고
기둥과 기둥사이에 벽체가 온전하게 걸쳐진 형태의 Transfer Girder라면 기대했던 응력보다 작게 나올 수 있지 않을까 예측해볼 수
있습니다.
그런데, 연직하중에 대해서도 부족한 경우라고 하는 부분은 어떤 근거에 기반하는 것인지 더욱 모르겠습니다.
만약 예상한 대로의 경우라면 벽체의 양단절점에 작용하는 수직방향 반력(중력하중)이 기둥의 축력으로 곧바로 작용하면서
Transfer Girder에는 전혀 응력이 발생하지 않는지도 모르겠습니다.
다만, 횡력이 작용하는 하중케이스에 대해서는 영향이 있을거 같은데, 이상하네요.
우선 M사 프로그램으로 모델링이 된 것이라면 Membrane 요소로 할당된 벽체를 Plate요소로 변경하게 되면 적어도
수직방향 하중에 대한 영향은 달라지지 않을까 싶습니다. 뿐만아니라 Plate요소로 변경하게 되면 횡하중에 대한 구조물의 응답도 달라지게
됩니다. (사용하는 요소에 따라 차이가 크다는 것은 그만큼 프로그램에 대한 신뢰도가 떨어진다고 봐야겠네요)
지금은 사용하지 않는 방법으로 오래전 설계과정에 모델링했던 방법을 소개해 보도록 하겠습니다.
공동주택 벽식아파트에 대해서 구조해석을 한다면 제일 먼저 바닥판 해석을 수행하게 됩니다. 바닥판 해석의 결과로
벽체의 반력 산정이 되면 작용하는 벽체의 축력을 벽체의 길이로 나누어서 단위길이당 하중으로 환산하고
골조해석 모델링의 벽체상부에 등분포하중으로 작용을 시킵니다.
지금은 바닥판 해석의 결과를 골조해석 모델링에서 벽체절점의 반력으로 가져와서 해석을 수행하는데,
굳이 번거롭게 등분포 하중으로 변환을 했던 이유는 높이가 높은 콘크리트 벽체 조차도 횡력이 작용할 때 강체거동 뿐만 아니라
수직하중에 대해서 휨에 대한 응력이 발생한다고 봤던거 같습니다.
그밖에도 벽체의 절점으로 반력이 입력되는것과 등분포하중으로 작용시키는 것에는 하부 Transfer Girder의
응력의 큰 변화가 있을 수밖에 없습니다. 뿐만아니라, 예전에는 지금과 같은 Membrane 요소를 사용하여 설계했던 것이 아니었기 때문에
좀더 신뢰할만한 결과가 도출될 수 있었습니다.
M사의 Membrane 요소를 사용하게 되면서 이러한 Transfer Girder의 응력이 왜곡되는 문제가 발생하게 되는데,
같은방식으로 등분포하중으로 입력하는 방법을 고민해볼 수 있을거 같습니다. 이때에는 하나의 벽체를 작게 분할하여
벽체에 균등하게 하중이 작용하도록 하는 것이 중요합니다.
즉, 바닥판 해석의 단계부터 하부 벽체의 길이를 작게 나누어서 반력을 가져오는 것이 중요하다고 할수 있습니다.
이후의 과정은 더욱 중요하다고 할수 있는데, 하나의 구조해석용 모델링을 가지고 접근하는 데에는 한계가 있어서,
저의 경우에는 연직하중 검토용 구조해석 모델링을 추가로 작업을 했었습니다.
이 경우, 벽체도 유연한 구조라고 판단하여 벽체의 탄성계수를 아주 작은값(예를들어 탄성계수 E=10) 으로 입력을 하면
적어도 Membrane 요소의 벽체가 연직하중 작용시에 강체거동을 보여주기 어렵습니다. 이때 주의할 점은 M사 프로그램에서
다이아프램 설정을 해제하도록 해주어야 합니다. 그렇지 않은 경우 왜곡된 결과를 보여주곤 합니다.
이러한 과정을 통해서, 연직하중에 대한 영향에 대해서는 한번 더 체크해볼 수 있을거 같습니다.
그리고 이러한 하중전이보에 대해서는 상부벽체의 강성거동(Deep Beam)도 함께 고려해 보셔야 할거 같은데,
Mark Fintel의 “Handbook of Concrete Engineering” 같은 책을 보시면 Transfer Beam에 대한 내용들을 살펴보실 수
있습니다.
감사합니다.
아파트 25층 3층의 하중전이보에 모멘트와전단력이 너무 작게 작용하기 때문에
그에 맞춰서 보 크기를 설계하였는데
규모에 비해 너무 보의 크기가 너무 작다고 다시 설계하라고 하네요
프로그램의 결과만 놓고보면 부재력이 작아서
크게 설계를 하려고 해도 어떤기준으로 적용해야할지 모르겠어요
연직하중에 대해서도 부족한 배근이라고 하는데 무엇을 보고 그렇게 얘기하는지도 모르겠고
이럴경 어떻게 하시는지
궁금하네요