KR101399679B1 - 대규모 구조물의 성능 기반 구조 해석 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 대규모 구조물의 골조를 이루는 복수의 구조 부재에 입력 조건을 입력하여 대규모 구조물의 골조를 프로그램에 의해 모델링하는 단계, 구조 부재들 중에서 필요에 따라 적어도 하나 이상 선택된 특정 구조 부재의 변형량 또는 응력분포의 허용 한계값을 미리 설정하는 단계, 골조의 시공 순서에 따라 순차적으로 구조 부재들에 가해지는 하중을 입력하는 단계, 골조의 시공 순서에 따라 하중에 의해 구조 부재들에 누적적으로 발생하는 변형량 또는 응력분포 값을 각각 산정하는 단계 및 특정 구조 부재의 허용 한계값과 특정 구조 부재의 실제로 산정된 변형량 또는 응력분포 값을 비교하여 특정 구조 부재의 성능 영향 여부를 판별하는 단계를 포함하는 대규모 구조물의 성능 기반 구조 해석 방법에 관한 것이다. 이러한 본 발명에 따르면, 대규모 구조물의 시공 단계 해석에서 특정 구조 부재의 변형량 또는 응력분포의 허용 한계값을 설정하여 특정 구조 부재들의 성능 영향 여부를 판별할 수 있다.

Description

대규모 구조물의 성능 기반 구조 해석 방법 {Performance based structural analysis method of large structure}
본 발명은 구조 해석 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 구조 부재의 성능에 기반한 대규모 구조물의 구조 해석 방법에 관한 것이다.
일반적으로 건물, 교량 등 구조물을 설계할 때에는, 구조 해석을 통해 골조를 이루는 각 구조 부재에 발생하는 응력을 계산하고, 그에 의해 부재의 허용내력 등을 효율적으로 설계함으로써 구조물의 안전성과 경제성을 확보한다.
특히 초고층 건물, 대형 교량 등 대규모 구조물의 경우, 일반 구조물에서 고려하는 구조 부재의 응력 뿐만 아니라, 구조 부재의 변형량까지도 고려해야 한다. 이를 위해 대규모 구조물, 예를 들어 초고층 건물의 구조 해석시 진행되는 소위 시공단계 해석은 다음과 같은 순서로 진행된다.
먼저, 초고층 건물의 골조를 이루는 복수의 구조 부재에 치수 및 재료 등을 입력하여 초고층 건물의 골조를 프로그램에 의해 모델링 한다. 그러고 나서 시공 순서 예를 들어 하층부로부터 상층부까지 층별 시공 순서에 따라 순차적으로 구조 부재들에 가해지는 하중을 입력한다. 이때, 층별 시공 순서에 따른 하중에 의해 구조 부재들에 누적적으로 발생하는 변형량 및 응력분포를 각각 산정한다.
즉, 한 개 층의 하중을 입력하면, 그 아래에 있는 모든 층의 구조 부재들에 누적적으로 발생하는 변형량 및 응력분포를 각각 산정하고, 그 위에 다른 한 개 층의 하중을 입력하면, 다시 그 아래에 있는 모든 층의 구조 부재들에 누적적으로 발생하는 변형량 및 응력분포를 각각 산정하는 반복적인 작업이 수행된다.
하지만, 이러한 종래의 시공단계 해석은 하중에 의해 구조 부재들에 누적적으로 발생하는 변형량 및 응력분포에 대한 일방향적인 단순 결과의 정보만을 제공할 뿐, 그 결과가 허용 가능한 범위인지 판별할 수 없는 문제점이 있다.
한국등록특허 10-0834473(2008.05.27) “다절점 가력 장치를 이용한 건축구조물 최적설계용 구조응력 해석 시스템 및 방법”
본 발명의 목적은 시공 단계 해석에서 특정 구조 부재의 변형량 또는 응력분포의 허용 한계값을 설정한 경우, 특정 구조 부재들의 성능 영향 여부를 판별하거나 성능을 보정할 수 있는 대규모 구조물의 성능 기반 구조 해석 방법을 제공하는 것이다.
위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 대규모 구조물의 성능 기반 구조 해석 방법은 대규모 구조물의 골조를 이루는 복수의 구조 부재에 입력 조건을 입력하여 대규모 구조물의 골조를 프로그램에 의해 모델링하는 단계; 상기 구조 부재들 중에서 필요에 따라 적어도 하나 이상 선택된 특정 구조 부재의 변형량 또는 응력분포의 허용 한계값을 미리 설정하는 단계; 상기 골조의 시공 순서에 따라 순차적으로 상기 구조 부재들에 가해지는 하중을 입력하는 단계; 상기 골조의 시공 순서에 따라 상기 하중에 의해 상기 구조 부재들에 누적적으로 발생하는 변형량 또는 응력분포 값을 각각 산정하는 단계; 및 상기 특정 구조 부재의 허용 한계값과 상기 특정 구조 부재의 실제로 산정된 변형량 또는 응력분포 값을 비교하여 상기 특정 구조 부재의 성능 영향 여부를 판별하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 특정 구조 부재의 성능 영향 여부를 판별하는 단계 이후에, 상기 특정 구조 부재의 실제로 산정된 변형량 또는 응력분포 값이 상기 특정 구조 부재의 허용 한계값을 초과하는 경우, 상기 특정 구조 부재 또는 상기 특정 구조 부재의 성능에 영향을 미치는 다른 구조 부재의 입력 조건을 변경하는 단계를 더 포함할 수 있다.
나아가, 상기 대규모 구조물은 교량이고, 상기 시공 순서는 상기 교량의 지점에서 경간의 중앙을 향하여 시공하는 순서일 수 있다.
또한, 상기 대규모 구조물은 초고층 건물이고, 상기 시공 순서는 하층부로부터 상층부까지 층별로 시공하는 순서일 수 있다.
아울러, 상기 입력 조건은, 상기 구조 부재의 위치, 치수, 재료, 구속력, 접합조건 및 지점조건 중에서 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
게다가, 상기 하중은, 상기 구조 부재들의 자중 및 마감시 설치되는 마감 부재의 하중 중에서 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
더욱이, 상기 변형량은, 탄성 변형량, 크리프(creep) 변형량 및 건조수축 변형량 중에서 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 대규모 구조물의 성능 기반 구조 해석 방법에 의하면, 대규모 구조물의 시공 단계 해석에서 특정 구조 부재의 변형량 또는 응력분포의 허용 한계값을 설정하여 특정 구조 부재들의 성능 영향 여부를 판별할 수 있다.
둘째, 대규모 구조물의 시공 단계 해석에서 특정 구조 부재의 실제로 산정된 변형량 또는 응력분포 값이 특정 구조 부재의 허용 한계값을 초과하는 경우, 특정 구조 부재 또는 특정 구조 부재의 성능에 영향을 미치는 다른 구조 부재의 입력 조건을 변경하여 허용 한계값 이내로 보정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 대규모 구조물의 성능 기반 구조 해석 방법의 순서를 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 교량의 성능 기반 구조 해석 방법의 순서를 나타낸 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 초고층 건물의 성능 기반 구조 해석 방법의 순서를 나타낸 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 대규모 구조물의 성능 기반 구조 해석 방법의 순서를 나타낸 흐름도이다. 도 1을 참고하면, 대규모 구조물의 성능 기반 구조 해석 방법은 단계 S110 내지 S160을 포함한다.
단계 S110에서는 대규모 구조물의 골조를 이루는 복수의 구조 부재에 입력 조건을 입력하여 대규모 구조물의 골조를 프로그램에 의해 모델링한다. 입력 조건은 구조 부재의 위치, 치수, 재료, 구속력, 접합조건 및 지점조건(boundary condition) 중에서 적어도 하나 이상을 포함한다. 여기서, 구조 부재의 위치란 대규모 구조물 내에서 절대적인 위치 또는 상대적인 위치 어느 것이든 될 수 있다. 또한, 구속력이란 구조 부재에 가하는 물리적인 힘, 예를 들어 포스트텐션(post tension) 등 프리스트레스(prestress)가 될 수 있다.
단계 S120에서는 구조 부재들 중에서 필요에 따라 적어도 하나 이상 선택된 특정 구조 부재의 변형량 또는 응력분포의 허용 한계값을 미리 설정한다.
단계 S130에서는 골조의 시공 순서에 따라 순차적으로 구조 부재들에 가해지는 하중을 입력한다. 시공 순서는 수평 방향, 수직 방향, 경사진 방향 등 설계 및 현장 여건에 따라 다양한 순서로 진행될 수 있으며, 다양한 시공 순서에 본 구조 해석 방법의 적용이 가능하다.
하중은 구조 부재들의 자중 및 마감시 설치되는 마감 부재의 하중 중에서 적어도 하나 이상을 포함한다. 뿐만 아니라, 하중은 대규모 구조물의 외부에서 가해지는 풍력이나 지진력 등을 포함할 수도 있다.
단계 S140에서는 골조의 시공 순서에 따라 하중에 의해 구조 부재들에 누적적으로 발생하는 변형량 또는 응력분포 값을 각각 산정한다. 변형량은 탄성 변형량, 크리프(creep) 변형량 및 건조수축 변형량 중에서 적어도 하나 이상을 포함한다.
단계 S150에서는 특정 구조 부재의 허용 한계값과 특정 구조 부재의 실제로 산정된 변형량 또는 응력분포 값을 비교하여 특정 구조 부재의 성능 영향 여부를 판별한다. 만일, S150에서 특정 구조 부재의 허용 한계값과 특정 구조 부재의 실제로 산정된 변형량 또는 응력분포 값을 비교하여 특정 구조 부재의 성능에 영향이 있는 것으로 판별되면, 단계 S160으로 이동한다.
단계 S160에서는 특정 구조 부재의 실제로 산정된 변형량 또는 응력분포 값이 특정 구조 부재의 허용 한계값을 초과하는 경우, 특정 구조 부재 또는 특정 구조 부재의 성능에 영향을 미치는 다른 구조 부재의 입력 조건을 변경하게 된다. 입력 조건은 앞서 설명한 구조 부재의 위치, 치수, 재료, 구속력, 접합조건 또는 지점조건 등이 될 수 있다.
이러한 대규모 구조물은 대칭적인 구조의 정형 구조물 뿐만 아니라, 비대칭적인 구조의 비정형 구조물에도 적용이 가능하다.
다음으로, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 교량의 성능 기반 구조 해석 방법의 순서를 나타낸 흐름도이다. 도 2는 앞서 설명한 대규모 구조물이 교량인 경우를 나타낸 것이다. 단계 S210 내지 S260은 앞서 설명한 단계 S110 내지 S160과 유사하므로 반복적인 설명은 생략한다. 다만, 단계 S230에서 골조의 시공 순서는 교량일 경우이므로 교량의 지점에서 경간의 중앙을 향하게 된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 초고층 건물의 성능 기반 구조 해석 방법의 순서를 나타낸 흐름도이다. 도 3을 참조하면, 초고층 건물의 성능 기반 구조 해석 방법은 단계 S310 내지 단계 S360을 포함한다.
먼저, 단계 S310에서는 초고층 건물의 골조를 이루는 복수의 구조 부재에 입력 조건을 입력하여 초고층 건물의 골조를 프로그램에 의해 모델링한다. 여기서, 구조 부재는 슬래브, 보, 거더, 기둥 및 벽체 등을 포함하게 된다. 입력 조건은 구조 부재의 위치, 치수, 재료, 구속력 또는 접합조건 등이 될 수 있다.
단계 S320에서는 구조 부재들 중에서 필요에 따라 적어도 하나 이상 선택된 특정 구조 부재의 변형량 또는 응력분포의 허용 한계값을 미리 설정한다. 변형량은 탄성 변형량, 크리프 변형량 및 건조수축 변형량 중 적어도 하나 이상을 포함한다.
단계 S330에서는 하층부로부터 상층부까지 층별로 시공 순서에 따라 순차적으로 구조 부재들에 가해지는 하중을 입력한다. 참고로 본 실시예에서는 시공 순서가 하층부로부터 상층부까지 시공되는 것을 예로 들었지만, 탑다운(top-down) 공법처럼 하층부로부터 상층부, 상층부로부터 하층부로 동시에 진행되는 공법에서는 상층부로부터 하층부로 진행되는 시공 순서에서도 본 구조 해석 방법의 적용이 가능하다.
하중은 구조 부재들의 자중 및 마감시 설치되는 마감 부재의 하중 중에서 적어도 하나 이상을 포함한다. 앞서 설명한 것처럼, 하중은 초고층 건물의 외부에서 가해지는 풍력이나 지진력 등을 포함할 수도 있다.
단계 S340에서는 층별 시공 순서에 따라 하중에 의해 구조 부재들에 누적적으로 발생하는 변형량 또는 응력분포 값을 각각 산정한다.
끝으로, 단계 S350에서는 특정 구조 부재의 허용 한계값과 특정 구조 부재의 실제로 산정된 변형량 또는 응력분포 값을 비교하여 특정 구조 부재의 성능 영향 여부를 판별한다. 여기서도 만일 S350에서 특정 구조 부재의 허용 한계값과 특정 구조 부재의 실제로 산정된 변형량 또는 응력분포 값을 비교하여 특정 구조 부재의 성능에 영향이 있는 것으로 판별되면, 단계 S360으로 이동한다.
단계 S360에서는 특정 구조 부재의 실제로 산정된 변형량 또는 응력분포 값이 특정 구조 부재의 허용 한계값을 초과하는 경우, 특정 구조 부재 또는 특정 구조 부재의 성능에 영향을 미치는 다른 구조 부재의 입력 조건을 변경하게 된다.
더욱 구제적으로 예를 들어 설명하면, 초고층 건물에 반드시 필요한 엘리베이터 코어 벽체의 경우, 수직도 변형량의 오차가 ±50㎜를 초과하지 않아야 한다고 가정할 때, 단계 S340에서 산정한 엘리베이터 코어 벽체의 수직도 변형량이 50㎜를 초과할 수 있다.
이때, 단계 S350에서는 엘리베이터 코어 벽체의 성능이 있는 것으로 판별하게 된다. 따라서, 단계 S360에서는 특정 구조 부재 또는 특정 구조 부재의 성능에 영향을 미치는 다른 구조 부재의 입력 조건, 예를 들면 구조 부재의 위치, 치수, 재료, 구속력 또는 접합조건 등을 변경하게 되고, 다시 S330으로 돌아가 특정 구조 부재의 허용 한계값 이내가 될 때까지 구조 해석을 다시 하게 된다.
이렇게 본 발명의 실시예에 따르면, 대규모 구조물의 시공 단계 해석에서 특정 구조 부재의 변형량 또는 응력분포의 허용 한계값을 설정하여 특정 구조 부재들의 성능 영향 여부를 판별할 수 있다. 또한, 대규모 구조물의 시공 단계 해석에서 특정 구조 부재의 실제로 산정된 변형량 또는 응력분포 값이 특정 구조 부재의 허용 한계값을 초과하는 경우, 특정 구조 부재 또는 특정 구조 부재의 성능에 영향을 미치는 다른 구조 부재의 입력 조건을 변경하여 허용 한계값 이내로 보정할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

Claims (7)

  1. 대규모 구조물의 골조를 이루는 복수의 구조 부재에 입력 조건을 입력하여 대규모 구조물의 골조를 프로그램에 의해 모델링하는 단계;
    상기 구조 부재들 중에서 적어도 하나 이상 선택된 특정 구조 부재의 변형량 또는 응력분포의 허용 한계값을 미리 설정하는 단계;
    상기 골조의 시공 순서에 따라 순차적으로 상기 구조 부재들에 가해지는 하중을 입력하는 단계;
    상기 골조의 시공 순서에 따라 상기 하중에 의해 상기 구조 부재들에 누적적으로 발생하는 변형량 또는 응력분포 값을 각각 산정하는 단계; 및
    상기 특정 구조 부재의 허용 한계값과 상기 특정 구조 부재의 실제로 산정된 변형량 또는 응력분포 값을 비교하여 상기 특정 구조 부재의 성능 영향 여부를 판별하는 단계를 포함하되,
    상기 특정 구조 부재의 성능 영향 여부를 판별하는 단계 이후에,
    상기 특정 구조 부재의 실제로 산정된 변형량 또는 응력분포 값이 상기 특정 구조 부재의 허용 한계값을 초과하는 경우, 상기 특정 구조 부재 또는 상기 특정 구조 부재의 성능에 영향을 미치는 다른 구조 부재의 입력 조건을 변경하는 단계를 더 포함하고,
    상기 대규모 구조물은 초고층 건물이고,
    상기 시공 순서는 하층부로부터 상층부까지 층별로 시공하는 순서인 것을 특징으로 하는 대규모 구조물의 성능 기반 구조 해석 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 입력 조건은,
    상기 구조 부재의 위치, 치수, 재료, 구속력, 접합조건 및 지점조건 중에서 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 대규모 구조물의 성능 기반 구조 해석 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 하중은,
    상기 구조 부재들의 자중 및 마감시 설치되는 마감 부재의 하중 중에서 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 대규모 구조물의 성능 기반 구조 해석 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 변형량은,
    탄성 변형량, 크리프(creep) 변형량 및 건조수축 변형량 중에서 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 대규모 구조물의 성능 기반 구조 해석 방법.
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