2.1 예제 모델

이 연구에서 사용된 예제모델은 25층의 중층 철근콘크리트 공동주택 건물이다. 공동주택에 주로 쓰이는 내력벽 구조로. 1~25층까지의 높이는 2.8m이 적용되어 건물의 평균 높이는 70m이다. 벽체의 경우 위치별로 벽체 두께를 구분하였으며 내벽의 벽체 두께는 180mm, 코어벽의 벽체 두께는 200mm, 측벽의 벽체 두께는 200mm, 1층에 위치한 벽체는 250mm이 다. 슬래브 두께의 경우 단위세대는 210mm, 계단실과 복도는 150mm로 적용하였다. 콘크리트 강도는 벽체, 기둥, 연결보 모두 21MPa를 적용하였다.

이와 같은 예제 모델에 대해서 범용구조해석 프로그램인 MIDAS-GEN (^{MIDAS, 2019})을 사용하여 구조해석을 수행 하였다(Fig. 1). 시점별 구조성능 분석을 위해 5층, 10층, 15층, 20층, 25층의 시공단계 모델들을 만들어 골조의 완성도에 따 라 분석을 진행하였다(Fig. 2). 벽체의 경우 Wall 요소, 기둥과 연결보의 경우 Beam 요소를 적용해 모델링하였다.

Fig. 1

Typical floor model

Fig. 2

Numerical models for construction stages

2.2 시공 조건

이 연구에서는 시공 조건을 가정해 연구모델에 적용하였 다. 1개 층의 골조 공사에 소요되는 시간을 5일로 가정하고, 해석의 단순화를 위해 1층에서 25층에 동일한 기간을 적용하 였다. 마감은 골조 시공 후 5개층을 후행하여 시공하는 것으 로 가정하였다. 시공단계 모델들에 있어서, 최상부 5개층은 골조 공사는 완료되었으나, 마감공사는 진행되지 않은 것으 로 가정하였다.

콘크리트의 강도와 강성은 건축구조기준(^{Architectural Institution of Korea, 2016})에서 제시하는 식을 사용하였다. 골 조가 시공되는 건물 상부 5개 층에 재령 5일, 15일, 20일, 25일 의 압축강도와 강성을 적용하였고, 상부 5개층을 제외한 나머 지 층은 재령 28일에 해당하는 압축강도와 강성을 적용하였 다. 콘크리트의 균열에 의한 강성감소를 유효단면에 고려하 기 위해 건축구조기준에서 제시하는 강성감소계수를 완공단 계와 시공단계에 동일하게 적용하였다(Table 1). 지진하중에 의한 층간변위 검토와 단면설계에 설계하중의 조건을 적용하 여 기둥, 벽체(비균열 벽쳬)에는 0.7I_g, 연결보에는 0.35I_g를 사용하였다. 풍하중에 의한 횡변위 검토에는 사용하중의 조 건을 적용해 기둥, 벽체(비균열 벽체)에는 I_g, 연결보에 0.5I_g 를 사용하였다. 고유치해석에는 강성감소계수를 적용하지 않 은 I_g를 사용하였다.

Table 1

Effective stiffness reduction of structural members

2.3 하중 조건

2.3.1 시공 중 설계 하중

시공 중 설계 하중은 ASCE 37-02(^{American Society of Civil Engineers, 2002})에서 제시하는 조건들을 적용하여 시공 단계 모델의 구조성능 분석을 수행하였다. 건축구조기준에 제시된 하중 기준을 기반으로 하고, 시공단계에서 고려되는 사항들(ASCE 37-02)을 반영하여 하중 조건을 일부 조정하였 다. 고정하중 및 풍하중, 지진하중과 함께 조합되는 시공 활하 중의 경우에 하중조합계수 ‘0.5’를 적용하였다. 시공단계 및 완공단계의 활하중 저감계수는 ‘0.5’로 단순화하여 적용했으 며, 이와 같은 사항들을 반영하여 Table 2와 같은 하중조합을 사용하였다.

Table 2

Load combinations

ASCE 37-02에서 제시하는 시공 중 최소 설계하중을 적용 했으며, 시공단계 해석모델들에 적용된 조건들은 기존연구 (^{Hwang and Kim, 2015; Kim, 2016})에 적용된 내용과 동일하 며 구체적인 내용은 다음과 같다.

• ① 중력하중에는 시공 기간을 고려한 저감계수를 적용하지 않는다.

• ② 작업자 및 장비하중 등을 포함하는 시공 활하중에 활하 중 저감계수를 적용한다.

• ③ 설계풍속은 시공 기간을 고려하여 기본 풍속을 저감하 여 적용한다.

• ④ 풍하중과 지진하중에 대한 중요도계수는 모두 ‘1.0’을 적용한다.

중층 공동주택 건물의 경우 시공 기간이 일반적으로 2년으 로 ASCE 37-02에서 제시하고 있는 기본풍속 저감계수 인 ‘0.9’를 적용하였다.(^{Rowsky, 1995; Hwang and Kim, 2015})

2.3.2 예제 모델에 대한 하중 조건

1) 중력하중 및 시공활하중

완공단계 모델에는 Table 3과 같이 중력하중을 적용하였고, 시공단계 모델은 설계 활하중과 다른 시공 활하중을 마감하중 의 적용 여부에 따라 적용하였다. 골조 및 마감 시공이 진행 중인 상부 5개 층에는 실제 시공과 유사하게 적용하기 위해 코어 외측 과 코어 내측으로 구분해 하중을 각각 적용하였다. 코어 외측에 는 건축공사표준시방서(^{Architectural Institution of Korea, 2015})에서 제시하는 콘크리트 타설시 최소 활하중인 2.5kN/m² 을 적용하였고, 코어 내측은 시스템 거푸집, 타워크레인 등의 사 용으로 인한 하중이 부가될 것을 고려하여 전동식 카트장비를 이용한 콘크리트 타설하중인 3.75kN/m²을 적용하였다. 나머지 하부층은 마감공사가 끝나 장비나 건설 인원의 출입이 거의 없 다고 가정하여, 건축구조기준에서 제시하고 있는 최소활하중 인 1.0kN/m²을 코어외측과 코어내측에 동일하게 적용하였다.

Table 3

Design floor loads

2) 풍하중 및 지진하중

국내 구조기준에 따라 풍하중 및 지진하중을 완공단계 모 델에 적용하였고, 시공단계 모델에는 ASCE 37-02를 반영해 일부 조건들을 조정하였다.

풍하중의 경우, 완공단계 모델에는 기본풍속을 26m/sec로 가정하여 적용하였고 시공단계는 앞에서 제시한 기본풍속 저 감계수 ‘0.9’를 반영한 23.4m/sec를 적용하였다. 완공단계에 서 중요도계수 ‘1.1’을 적용했으며, 시공단계의 경우 ASCE 37-02에서 제시하는 중요도계수‘1.0’을 적용하였다. 지형계 수는 완공단계와 시공단계 모두‘1.0’으로 동일하게 적용했으 며, 가스트영향계수는 공진효과를 무시할 수 없는 건축물이 라 가정하여, 각 해석모델에서 고유치해석을 통해 기본진동 수를 구해 적용하였다.

지진하중의 경우 지역계수 0.176을 가정하여 사용했으며, 지반조건은 S_c로 가정하였다. 완공단계 모델은 5층 이상의 아 파트로 하여 중요도계수 ‘1.2’를 적용, 시공단계의 경우 ASCE 37-02에서 제시하는 중요도계수 ‘1.0’을 적용하였다. 내진설 계범주의 경우 ‘C’에 해당하여 정적해석법을 적용하였다. 지 진력 저항시스템은 완공단계에서 철근콘크리트 보통전단벽 으로서 반응수정계수 ‘4’, 변위증폭계수 ‘4’를 적용하였다.

3.1 고유치해석

완공단계와 시공단계 모델의 구조거동 특성을 분석하기 위 하여 고유치해석을 진행하여 고유주기, 고유모드 등을 확인 하였다. Table 4는 예제모델의 고유치해석 결과로서, 각각의 모델에 대하여 1~3차 모드의 고유형상과 고유주기, 주방향 및 질량 참여율(Modal participate mass)을 제시하고 있다.

Table 4

Result of modal analyses

완공단계 모델의 경우, 최저차 모드에서 횡변위보다는 비 틀림에 취약한 형상을 나타내고 있다. 5, 10층 시공단계 모델 의 경우 Y축이 약축으로 판단되며, 15, 20, 25층 시공단계의 경우 횡방향의 변위보다는 비틀림에 취약한 형상을 나타내고 있다. 시공단계 모델의 경우 골조의 완성도가 높아짐에 따라 완공단계 모델의 고유치해석 결과와 유사해진다. 즉, 저층 시 공단계의 구조체 거동 및 취약 특성은 설계단계의 완공 모델 과는 차이가 발생할 수 있음을 확인할 수 있다.

3.2 횡하중에 의한 안정성 검토

Fig. 3은 풍하중에 대하여 완공단계와 시공단계 모델의 층 하중, 층전단력, 전도모멘트를 검토한 결과이다. 시공단계에 서 골조완성도가 높아짐에 따라 동일층에서의 층하중이 증가 하는 것을 볼 수 있다. 이는 건물의 평균 높이의 증가로 인해 설계풍압이 증가했기 때문이다. 25층 시공단계 모델과 완공 단계의 모델을 비교해보면, 완공단계보다 시공단계에서 층하 중이 상당히 낮게 산정된 것을 볼 수 있다. 이는 앞에서 제시한 ASCE 37-02의 풍하중 조건에 따라 기본풍속과 중요도계수 의 저감때문으로 분석된다.

Fig. 3

Comparisons of wind load

Table 5는 각 예제모델에 대해서 풍하중에 의한 최대 횡변 위의 건물 높이에 대한 비율을 나타내고 있다. 골조의 높이가 낮을수록 횡변위가 작음을 보이며, 25층 시공단계 모델의 경 우 완공단계와 비교시 횡변위의 차이를 보였는데, 이는 층하 중의 결과처럼 기본풍속과 중요도계수의 저감의 이유로 해석 된다. 완공단계와 시공단계 모두 건축구조기준의 변위 제한 을 초과하지 않고 있으며, 결과적으로 완공단계에서 풍하중 에 대한 구조적 안정성이 검증된다면 시공단계에서도 풍하중 에 의한 구조적인 문제가 없다고 분석할 수 있다.

Table 5

Lateral displacement ratio for wind load

지진하중에 대해서도 Fig. 4와 같이 층하중과 층전단력, 전 도모멘트를 검토하였다. 동일층에서의 층 지진하중(Fig. 4 a) 을 비교하면, 5~15층 시공단계에서의 층 지진하중이 20~25 층 시공단계와 완공단계의 층 지진하중보다 큰 것을 확인할 수 있다. 이는 나머지 예제모델들보다 5~15층 시공단계 모델 에서의 고유주기에 따른 응답가속도의 값이 크기 때문이다. 그러나, 상부층으로부터 하중이 누적되어 산정되는 층전단력 (Fig. 4 b)과 전도모멘트(Fig. 4 c)의 경우, 시공이 진행될수록 상층부로부터 누적된 하중이 증가됨에 따라 완공단계에 가 까울수록 층전단력과 전도모멘트가 증가하는 경향을 보였다. 다만, 일부 저층 구간에서는 완공단계에서 가까울수록 층전 단력 및 전도모멘트가 감소하는 현상을 관찰할 수 있었다.

Fig. 4

Comparisons of seismic load

각 시공단계별 지진하중에 의한 층간변위비 비교는 Fig. 5 와 같다. 25층 시공단계 모델의 층간 변위비는 완공단계 모델 의 층간변위비보다 다소 큰 것으로 확인되었으며, 저층 시공 단계에서는 완공단계보다 층간변위비가 현저하게 작다는 것 을 확인할 수 있다. 완공단계 모델은 내진등급 ‘I’ 로서 허용 층간변위비 ‘0.015’를 초과하지 않고 있어 충분히 안전한 수 준으로 판단되며, 결과적으로 완공단계에서 구조적 안정성이 확보된다면 시공단계의 구조성능 확보에 문제가 없다는 것을 의미한다. 다만, 완공단계에서 층간변위비의 여유가 충분하 지 않을 경우 시공단계에서 허용 층간변위비를 초과하는 경 우가 생길 수 있다.

Fig. 5

Story drift ratio for seismic load