2.1.1. 시공 및 환경적 요소

기둥축소량(Column Shortening)이란 하중, 재료(탄성체의 거동, 건조수축과 크리프의 원인) 및 공정요인에 의해 시공 후 에 수직 및 수평방향의 변형이 발생하는 현상을 말한다.

건물이 고층화되면서 기둥축소량에 의한 변형량 및 그에 상응하는 응력이 증가하면서 구조적 문제와 관련하여 관심도 가 높아지게 되었으며, 현재까지 주로 수직적 요인에 대해서 만 연구를 수행하고, 1차원적 기둥축소량에 대한 구조계산을 수행하여 공사에 반영하여 왔으며, 실험실의 재료시험 결과 만으로 설계와 시공에 적용한 것이 현실이다.

Fig. 2와 같이 10년간의 모니터링결과(B. ^{Glisic, 2013})에 의 하면 각 위치별로 수축량의 차이도 있지만, 온도의 영향을 받 는 부재와의 차이는 확연히 나타나지만, 기둥축소량 산정에 있어 온도에 대한 요소를 배제한 상태(Thermal Strain Δ ∈ T = 0 ) 에서 계산하여 반영하고 있는 상황이다.

북극지역의 초고층 건물과 적도지역의 초고층 건물을 설계 하고 시공시 그에 따른 기둥축소량 값은 동일하게 계산이 된 다. 즉, 극도의 차이를 나타내는 온도결과에 의해서 발생하는 수직변형량은 구조체에서 발생하는 응력에서 안정성(Stability) 과 사용성(Serviceability) 문제가 서로 다른 위치에 있는 건물 에서 발생할 수밖에 없다.

최근 초고층 건물이 증가하면서 철근콘크리트의 재료를 가 진 구조물이 증가하는 추세이며, 기둥축소량의 구조계산 결 과를 반영하는 추세가 점점 증가하고 있다. 이와 같은 추세에 대해 어떠한 수치들을 적용할 경우 기둥축소량 현상을 보다 정확하게 제어할 수 있는지 다음과 같이 나열할 수 있다.

①~⑧의 사항들을 미반영시 구조체에 부등축소량(differential shortening)에 따라 초과응력이 발생하거나 기울기로 인한 사 용성 문제와 같은 안정성 및 사용성 문제를 초래하게 된다.

2.1.2. 재료적 요소

기둥축소량에 영향을 미치는 요소들은 상당히 많이 존재하 지만, 그중에서 재료적 요소들을 크게 분류하면 선형적 요인 과 비선형적 요인으로 분류되어 왔다.

2.1.3. 기둥축소량의 보정방법

기둥축소량의 보정방법에는 절대보정과 상대보정이 있으 며, 보정방법이 필요한 이유는 수직부재의 수직적 레벨을 설 계 평면레벨에 맞추기 위해 기준(Master)이 되는 부재와 종속 (Slave)이 되는 부재간의 부등축소량을 제어하기 위해 필요한 보정방법이다. 보정방법은 Fig. 3과 같이 수직부재에 지지되 는 수평부재들의 사용성(Serviceability) 및 처짐으로 발생하 는 응력은 안정성(Stability)을 충족시키고, 수평부재와 수직 부재에 발생되는 응력을 만족시키기 위해 수직부재의 길이를 조정하는 방법이다. 콘크리트 구조체의 건물에서 콘크리트로 보정하는 방법은 2.1.3.1과 2.1.3.2의 방법이 있으며, 구조부재 의 종류가 다르거나 이질재료가 적용된 구조물에서는 부등축 소량을 보정하기 위해 2.1.3.3과 2.1.3.4와 같은 방법으로 보정 을 한다.

2.2.1. 온도에 의한 거동

온도에 의한 구조물의 변화를 언급한 부분은 연구결과 (Fintel, 1987)에서 찾아볼 수 있으며, 그 내용은 다음과 같다.

“계절온도변화 및 일교차 모두 외부기둥들이 외기 온도로 부터 보호되지 않는 경우 그 길이의 변화를 발생시킵니다. 외 부 기둥들은 온도가 내부기둥의 온도보다 더 높을 때 늘어나 게 됩니다. 이러한 주변에 노출된 기둥들은 내부 기둥보다 온 도가 더 낮을 때, 열에 의한 축소 값은 수직하중에 의한 축소 값에 추가됩니다.”

이와 같이 언급된 부분은 온도에 의한 길이변화를 기둥축 소량 값에 추가적으로 고려하는 것으로 언급하고 있다. 여기 서 언급된 내용은 “열에 의한 축소 값은 수직하중에 의한 축소 값에 추가”라는 언급으로 겨울철에 대한 온도에 대한 내용만 고려하고 있다. 하지만, 건축구조물은 열대지방에서 극지방 까지 공사가 이루어지고 있음을 고려할 때, 그 온도변화에 의 한 축소량 값은 기둥축소량에 고려하여야 하지만, 연중 온도 변화로 발생하는 그 길이변화를 기둥축소량에 고려하여야 한 다. 이는 시공중 “기둥축소량에 의한 값 + 온도변화에 의한 값”으로 나타나는 값이 시공의 정확도를 결정하는데 매우 중 요한 요소가 된다. 그러면 그 값을 어떻게 고려하여야 하는지 는 현재까지 정확하게 언급된 바가 없다. 이와 같은 내용은 보 정시 “Up-to”, “Subsequent to”에 대한 내용으로 실제로 Up-to 에 대한 사항이 매우 중요한 요소가 된다. 대부분의 공사는 “Up-to”에서 모든 철근과 접합부가 설치되어 시공되기 떄문 에 그 레벨이 일치하지 않을 경우 모든 접합 장치들을 새로이 시공하여야 하는 경우가 발생한다. “기둥치수를 관통할 일교 차의 온도 영향이 시간적으로 기둥의 길이변화를 유발할 만 큼 되지 않는 것”으로 언급하고 있다. 이 사항도 실제 시공시 고려하여야 하는 사항이지만 초기 계측계획시 센서의 배치를 고려하고, 그 영향이 미치는 시간(Δt)을 산정하여 보정에 반 영하여야 하는 사항중의 하나이다. 중요한 것은 기둥축소량 구조계산시 시공시의 온도를 예측하기 어렵고, 시공당일 온 도를 고려한 구조해석에 의해 보정량을 산정하는 것은 더더 욱 어렵다.

2.2.2. 각 지역별 온도

각 지역별로 건물의 보정량에 영향을 미치는 온도는 서로 다른 양상을 보여준다. 말레이시아와 같은 경우는 연중 온도 가 일정하게 유지되며 건물의 시공시 보정량의 적용에 큰 어 려움이 없으나, 시공 후 발생하는 기둥축소량을 고려하여야 하며, 중동과 홍콩의 경우는 겨울과 여름의 온도 차이가 16°C, 10°C 정도의 차이를 나타내어 보정량의 결과값에 큰 차이를 유발하지 않는 온도분포이다. 하지만 Fig. 5에서 보는 것과 같 이 한국의 경우는 기상청의 온도발표시점 오전 10:00를 기준 으로 표기 한 것을 인용하였으며, 실제 새벽과 오후 1~2시경 기준으로 고려할 때 그 값의 차이는 약 53°C정도의 차이를 나 타낸다.

Fig. 5에서 보는바와 같이 온도 20°C를 기준으로 하였을 때 대부분 초고층이 위치하고 있는 지역의 경우는 상온(온도 20°C)을 상회하는 지역이며, 한국과 같은 경우는 상온대비 상, 하로 움직이는 현상을 볼 수 있다. 이와 같은 경우 시공 시 슬래브, 보, 벽체의 레벨설정 시 오차가 발생한다.

각 기준에서 다루고 있는 축소량 항목에서 Fig. 2에 나타난 것처럼 온도가 동일한 것으로 간주하여 기둥축소량 모니터링 에서 온도를 고려하지 않고 공사를 수행하거나, 온도의 영향 이 어느 정도인지, 또한 어떻게 고려하여야 하는지에 대한 이 론 및 경험, 실측의 부족으로 시공이나 구조계산에 어려움이 있으며, 이론적으로 어떻게 적용하여야 할 것인지에 대한 지 침이 없는 상황이다.

2.2.3. 건물별 보정량 비교

일반적으로 기둥축소량에 의한 보정은 절대보정과 상대보 정을 사용하며, 그 보정량은 구조체에 발생하는 응력 및 변위 를 고려하여 코아와 외주부 기둥간의 상대보정을 수행한다. 또한 건물 내부의 파티션, 외부의 커튼월, 수직배관등의 파손 을 방지할 수 있는 허용 변위량을 충족하면서 보정량을 결정 하여야 하며, 해석에 있어 정확성을 가지는 것 또한 매우 중요 한 인자가 된다.

Fig. 6에서 KLCC(Kuala Lumpur City Center)같은 경우 보 정량을 2년에 대한 보정량을 산정한 것을 표현하였으며, 2 mm 의 단위로 보정에 반영하였다. 20년 보정치의 경우는 7.5 mm 단위의 보정량이 산출되어 매우 높은 수치로 산정되었고, 실 제 보정 시에는 2.0 mm단위로 보정하여 시공에 반영한 것으로 되어 있다. L-Tower 및 ICC(International Commerce Centre)의 보정량은 몇 개 층별로 대략 5 mm를 보정한 것으로 보고되고 있다. 상부로 갈수록 보정치가 적고 변형량이 적어 역 보정되 는 상황을 고려하여 그 양상이 전혀 다르게 나타나는 것을 보 여준다.

온도에 대한 보정은 기둥축소량에 대한 계산이나 구조해석 에서 반영하여 그 수치를 결정하는 것은 시간 및 시공상 공기 문제로 매우 어려운 일이다. 따라서 온도에 대한 보정은 산정 된 기둥축소량 수치에 시공 당일 온도를 고려하여 그 치수를 결정하는 것이 합리적인 것으로 파악된다. 또한 구조기준에 서 대기온도에 대한 기둥축소량의 반영여부를 제시하지 못하 고 있으며, 어떻게 적용하여야 할 것인지에 대해서도 현재로 서는 어려운 현실이다.

2.3.1. 온도로 인한 기둥축소량 비교시 보정수식

이론적 개념과 모니터링결과에 따르면 이론치에 의한 구조 계산에서 산정된 기둥축소량 값만으로 정확한 기둥축소량의 변위 값을 파악하기에는 현재까지 크리프, 건조수축 및 탄성 변형 외에 기타의 변수가 있는 것을 정확하게 파악하지 못하 였음을 알 수 있으며, 본 연구에서는 이를 보완하기 위해 계절 별 온도 즉, 연중온도를 고려하여 기둥축소량에 반영하는 것 이 합리적일 것으로 분석하였다. 싱가포르의 건물에서 10년 동안 모니터링한 결과에서 일반적인 경우와 온도의 영향을 받는 경우에 대해 파악된 Fig. 2에서 이론적인 수치와 측정수 치에 차이가 많이 발생하고 있으며, 이를 위한 분석이 더 필요 하다는 것 또한 알 수 있다.

구조체의 변형은 Hooks의 법칙과 같이 응력과 변형이 비례 하고 탄성계수와 변형이 반비례관계인 것을 알 수 있듯이, 구 조체의 강성이 존재하는 한 갑작스러운 변형이 발생할 수 없 으므로, 시공중에 발생하는 변형은 완만하고 서서히 증가하 는 변형이다. 여러 건물의 변형 그래프에서 완만한 곡선이 아 닌 값을 나타내는 것은 수직하중 외에 다른 추가 요인이 있음 을 보여주는 것이다. 그 사례로 온도변화량과 온도변화에 따 른 수직변형이 관련이 있음을 Fig. 5와 Fig. 6에서 수직보정량 과 온도그래프를 비교시 그 연관성을 확인할 수 있으며, 현재 까지 여러 건물의 시공시 발생하는 계측과 계산결과의 불일 치가 왜 존재하였는지를 알 수 있다.

KBC 2016, ACI 209R, CEB-FIP(KBC 2016, ACI 209R 1997, Euro Code 2, CEB-FIP 1990)등의 기준에서 온도에 대한 고려 는 건조수축과 크리프에 대해 실험실의 계측치에 대해 고려 하도록 되어 있으며, 현장의 계측에 대해서도 고려할 수 있지 만, 상대습도 값은 연간 평균습도를 사용하므로 적용하기에 도 다소 문제점이 있으며, 매 시간 시공현장의 온도를 고려하 여 보정치를 결정하는 것은 거의 불가능에 가까운 일이다.

따라서 코드에서 적용하고는 있는 수식은 먼저 건조수축에 대해 다음과 같이 정의되고 있으며, 적용코드 CEB-FIP 1990 과 KBC에 의하면 식 (1)과 같이 정리된다.

식 (1)을 식 (2)와 같이 온도변화에 대해 대체할 경우, 식 (2) 에서 건조수축에 대하여 온도가 변화할 때 습도에 대한 수식 항에 온도 값을 대입하여 조정하고 있는 것을 알 수 있다. 즉, 온도에 대해 직접적인 값을 입력하는 항이 없고, 대신 습도 값 을 조정함으로서 건조수축 값을 조정하고 있는 것을 알 수 있 다. 또한 구조물에서의 계절적변화에 따른 온도의 영향을 고 려 할 수 있는 요소가 필요한 상황이다.

크리프는 CEB-FIP 1990과 KBC에서 식 (3)과 같이 정의하 고 있다.

식 (3)의 크리프 수식을 온도 변화에 대해 식 (4)와 같이 습 도와 추가적으로 온도의 선팽창에 대해 고려하고 있음을 알 수 있다. 식 (4)에서 알 수 있듯이, 크리프 수식의 3개항에 대해 온도를 고려하고 있으며, 특히 습도에 대해 고려하는 항과 선 팽창은 일반적인 온도에 의한 선팽창계수가 아닌 공시체에 대해서 고려하고 있으며, 습도와 선팽창개념을 조합하여 고 려하고 있다. 또한 온도는 상온인 20°C에 대해 고려하고 있음 을 알 수 있다.

현재까지의 수식에서 온도변화는 양생중 실험실의 조건을 고려하였으나, 공사중에 이와 같은 온도변화를 고려할 상황 이 될 수 없음은 시간적으로 불가능함을 누구나 인지할 수 있 다. 따라서 현장에서 발생하는 온도변화는 공시체에서 습도 를 고려하고 Creep계산에서 연중습도의 변화를 고려하므로 시공당시의 상황을 고려하여 축소량을 산정하는 것은 어려움 이 있으며, 또한 현장에서의 온도변화는 시간마다 변화하는 수치이므로 그 적용성에 어려움이 있다.

여기서, ϕ T = exp [ 0.015   ⋅   ​ ( T − 20 ) ]

따라서 현장에서의 온도변화는 산정된 기둥축소량에 추가 적인 온도변화를 고려한 별도의 수식이 필요하다. 그 수식은 다음에서 산정한 수식과 같이 온도를 고려하여 추가적으로 시간에 따른 변화 및 계절적 요인에 의한 요소를 적용하는 것 이 타당한 것으로 판단된다.

시공시 또는 준공 후 온도에 대한 변형량을 건물의 높이에 따라 정리하면 수식은 식 (5)와 같다. 이 수식으로 Case Study 대상인 L-Tower의 건물에 대해 온도의 축소량을 산정시 상부 방향 –4.9 mm, 하부방향 1.0 mm의 차이를 나타내어 상부방향 의 치수에서 다소 오차를 나타낸 것으로 나타났지만, 주방향 은 하부방향의 경우는 측정결과와 거의 일치하는 것으로 나 타났다. 식 (5)의 경우 수직온도보정계수를 적용하여 계산하 였으며, 여기서 함수는 여러 계수의 조합으로 반영된다.

수식 (5)의 계산결과에 대해 기둥축소량을 조합시 수식(6) 과 같이 전개할 수 있다.7

여기서,

을 나타낸다.