ㄱ

가새 Brace 

가로세로로 쌓아올리는 기둥이나 보와 달리 건물의 벽면이나 지붕면, 바닥면에서 기둥과 보 사이를 비스듬히 이어서 강성과 강도를 확보하는 부재입니다.
기둥이나 보가 건물의 무게를 지반으로 전하는 작용을 하는데 가새(brace)의 작용은 지진이나 바람 등 건물의 수평방향으로 가해지는 힘을 지반으로 전달하는 작용을 합니다.
비스듬히 넣은 브레이스는 수평방향의 힘에 대해 효과적으로 작용 할 수 있습니다.

가새에는 원형강봉이나 ㄱ형강 같은 단면이 작은 부재를 사용해 주로 인장력으로 저항시키는 것과, H형강 등의 큰 단면부재를 사용해 압축력으로 저항시키는 것이 있습니다. 최근에는 케이블을 사용하거나 제진기능을 갖춘 가새, 인장과 압축 모두에 유효하게 작용하도록 고안된 가새도 있어 요구성능에 따라 구분해서 사용할 수 있습니다. 가새는 인장력에 저항시키는 인장 가새 압축력에 저항시키는 압축 가새가 있습니다. 또한 가새는 벽면에 배치될 뿐만 아니라 공장, 창고 등의 바닥 및 지붕면에도 수평력을 기둥 또는 벽면에 설치한 브레이스로 전달시킬 목적으로 배치되는 경우도 있습니다.

수직구면에 설치되는 가새는 벽면 가새라고 부르며 수평력에 저항합니다. 모양은 X형, V형 등이 많이 사용됩니다. 기본적으로 삼각형을 이루며 변하지 않는 모양으로 되어있습니다. 단면형상은 원형, ㄱ형강, 경량형강, H형강 등이 많이 사용됩니다. 최근에는 유압장치나 저항복점강, 마찰장치 같은 제진댐퍼와 조합시켜 고층 건물에 쓰이고 있습니다.

가구 내 트러스 부분의 경사재도 일종의 가새 라고 할 수 있습니다. 수평구면에 설치되는 경우에는 수평 가새 또는 지붕면 가새라고 부릅니다. 이 같은 가새는 수평면의 강성을 확보할 뿐만 아니라 건물에 작용하는 외력을 건물 전체의 가구에 균일하게 전달시키는 중요한 역할을 하고 있습니다.


 

가스트 영향계수 Gust Effect Factor 

바람의 난류로 인해서 발생되는 구조물의 동적거동 성분을 나타내는 것으로 평균변위에 대한 최대변위를 나타내는 것으로 평균변위에 대한 최대변위의 비를 통계적인 값으로 나타낸 것이 가스트영향계수(gust effect factor)입니다. 변동풍속(fluctuating wind speed)에 의한 풍압력(wind pressure force)의 증가를 등가정적 풍하중으로 취급하기 위하여 기본풍압력에 곱하는 계수로 주골조용과 외장재용으로 나누어 지표면의 조도구분, 지표면으로부터의 높이로 대략 계산합니다.

가스트영향계수는 강풍이 분 경우 건축물의 최대변위와 평균변위의 비로 정의 되는데 대부분의 건축물에 있어서는 고차의 진동모드가 최대변위에 미치는 영향이 극히 미약하며 최대변위의 분포는 평균변위의 분포와 거의 비슷한 양상을 보입니다. 강풍이 분 경우 건축물의 최대변위는 평균풍하중에 가스트영향계수를 곱한 정적하중을 건축물에 작용시켜 그때의 변위를 산정하므로써 평가할 수 있습니다.

바람의 난류에 의하여 발생하는 풍방향진동의 정적하중효과는 바람의 난동에 의한 직접적인 효과와 난동에 의하여 유발되는 건축물의 공진효과의 합으로 나타낼 수 있습니다. 바람의 난동에너지는 저주파수영역에 편중되어 있기 때문에 난동에 의한 공진효과는 건축물의 고유진동수가 작아질수록 커집니다. 가스트영향계수를 산정함에 있어서 공진효과의 크고 작음에 따라 2가지 방법으로 구분하는데 첫째는 강체건축물산정용 가스트영향계수로써 건축물의 고유진동수가 커서 난동의 직접적인 효과에 비하여 공진효과를 무시할 수 있는 정도로 작은 경우 적용할 수 있습니다. 둘째는 유연건축물산정용 가스트영향계수로써 건축물의 고유진동수가 작아 공진효과가 큰 경우 적용할 수 있습니다.

구조골조용 가스트 영향계수()의 산정은 건축고유진동수 n0가 1Hz를 초과하는 경우 또는 바람에 의한 공진효과를 무시할 수 있는 강체구조물인 경우 아래식에 따릅니다.

=


 

강도 Strength 

강도란 재료가 파괴되기까지의 저항을 말합니다. 강도는 일반적으로 단위면적당 힘의 양으로 나타내며 SI 단위로 N/m2으로 나타냅니다. 즉 단위 면적당 버틸 수 있는 힘의 정도를 나타내는 말입니다.

구조설계는 강도와 강성을 모두 고려하여 설계합니다. 하중이 가해졌을 때, 부서지는지, 휘어지는지 아니면 처음 모습 그대로를 유지하는지를 확인한다면, 부서지는 것에 관하여 설계하는 것이 강도의 설계이고, 휘어지는 것에 대한 설계가 강성의 설계입니다.

예를 들어 다리를 설계한다고 했을 때, 끊어지지는 않지만 15ton 트럭이 지나갈 때마다 다리가 출렁거리면 이는 제 기능을 온전히 하지 못하는 다리 입니다. 이는 강도는 괜찮으나 강성에 대한 설계가 되지 않은 경우라고 할 수 있습니다.

취성(脆性) 재료의 단주(短柱) 시험편에 압축시험을 하면, 세로로 갈라지는 균열 파괴, 알알이 흩어져 부서지는 입상(粒狀) 파괴, 또는 경사지게 빗금으로 갈라지는 전단 파괴 등이 생깁니다. 이와 같은 압축 파괴시의 단면에 있어서의 수직 응력, 즉 그때의 압축 하중을 시험편의 단면적으로 나눈 값을 그 취성 재료의 압축 강도라고 합니다. 이것은 동일 재료의 인장 강도에 비해 수 배나 높은 것이 보통입니다.

재료의 인장 시험에 있어서 시험편이 파단 할 때까지의 최대 인장 하중(Wmax)을, 시험 전 시험편의 단면적(A0)으로 나눈 값(σt)은 인장강도 입니다. 극한 강도라고도 불리고 재료의 강도 기준의 하나입니다.


 

강도비정형 Capacity Irregularity 

모든 건축구조물은 건축구조설계기준에 의해 평면 또는 수직구조의 정형 혹은 비정형으로 구분됩니다.

강도 비정형은 수직 비정형의 하나이며, 임의 층의 횡강도가 직상층 횡강도의 80% 미만인 약층이 존재하는 경우 강도의 불연속에 의한 비정형이 존재하는 것으로 간주합니다. 각층의 횡강도는 층 전단력을 부담하는 내진요소들의 저항 방향 강도의 합을 말합니다.

여기서, 각 층의 휨강도란 고려하고 있는 방향의 층전단력을 분담하는 모든 지진저항요소에 강도의 합을 말합니다. 예를 들어, 기둥의 전단내력, 전닥벽의 전단내력, 대각선 가새의 축내력의 수평성분등이 이에 속합니다.

강도의 불연속-약층


 

강도조합 Strength Combination 

모든 부재는 하중계수와 강도감소계수를 사용하여 충분한 강도를 갖도록 설계하여야 합니다.
(1) 구조물을 설계할 때 아래에 제시된 하중계수와 하중조합을 모두 고려하여 해당 구조물에 작용하는 최대 소요강도에 대하여 만족하도록 설계해야 합니다.

(1.7-1) 

또는또는(1.7-2)

또는또는또는(1.7-3) 

또는또는(1.7-4)

(1.7-5)

(1.7-6)

(1.7-7)

(2) 주차장과 공공집회 장소를 제외하고 기본등분포활하중이 5.0kN/m2 이하인 용도에 대해서는 식(1.7-3), (1.7-4) 및 (1.7-5)에서 활하중 에 대한 하중계수를 0.5로 감소할 수 있습니다.

(3) 지하수압, 토압 또는 분말 및 입자형 재료의 횡압력에 의한 하중 가 존재할 때는 다음의 하중계수를 적용하여 조합해야 합니다.

① 가 단독으로 작용하거나 의 하중효과가 다른 하중효과를 증대하는 경우에는 하중계수를 1.6으로 해야 합니다.

② 의 하중효과가 영구적이면서 다른 하중효과를 상쇄하는 경우에는 하중계수를 0.9로 해야 합니다.

③ 의 하중효과가 영구적이지 않으면서 다른 하중효과를 상쇄하는 경우에는 하중계수를 0으로 해야 합니다.

(4) 별도 요구가 있는 경우 시공하중에 대한 하중조합 11.2를 (1)에 추가하여 고려합니다.


 

강성 Stiffness 

강성(stiffness)은 재료가 변형에 저항하는 정도를 뜻합니다. 단위길이당 힘으로 나타내며 SI단위계에서는 N/m로 표기합니다. 즉, 단위길이를 변형하기 위해 필요한 힘을 의미합니다. 강성(stiffness)과 강도(strength)는 어감이 비슷하여 혼동할 수 있으니 잘 구분하여 사용해야 합니다. 구조 설계 시 강도, 강성이라는 조건을 모두 만족해야 합니다.

단단하고 강하게 설계하는 것이 강도설계라고 한다면, 구조물이 강제로 일정 변형을 받게 될 때 변형에 탄력적으로 견딜 수 있는 강성을 가지도록 설계하는 것을 강성 설계라고 할 수 있습니다.

강성은 연성, 취성과 관련이 있습니다. 일반적으로 콘크리트는 압축에 강하지만 인장에 취약한 단점이 있습니다. 이를 보완하기 위하여 인장에 강한 철근을 함께 사용합니다. 강재가 인장력을 받으면 변형하게 됩니다. 그래프의 면적은 응력과 변형률의 곱으로 나타내지고, 이는 강성의 단위인 N/m와 같습니다. 즉 면적이 클수록 큰 강성을 갖게 되고, 이를 연성이 좋다라고 합니다. 취성파괴는 갑자기 파괴되는 것을 뜻하는데, 실제 구조물이 취성파괴를 일으키면 아주 위험한 상황이 발생합니다. 따라서 연성이 좋은 강재를 콘크리트와 함께 사용해 연성파괴를 유도해야 합니다.

강재의 응력-변형률 곡선


 

강성비정형 Stiffness Irregularity  

강성 비정형은 수직 비정형의 하나이며, 어떤 층의 횡강성이 인접한 상부층 횡강성의 70% 미만이거나 상부 3개층 평균 강성의 80% 미만인 연층이 존재하는 경우 강성분포의 비정형이 있는 것으로 간주합니다.

연층효과는 어느 한개층의 강성이 인접층의 강성보다 현저히 작을 때 발생하는 것으로, 강성의 차이는 층고의 차이 또는 수직저항요소의 차이로 인해 발생합니다. 이 때 층강성에 따르면 편의상 층간변형각의 역수로 구할 수도 있습니다. 한 구조물에서 인접층에서 질량이 크게 다를 때에도 수직 비정형에 해당합니다. 이는 수영장 또는 기계실 등과 같은 큰 질량이 어느 한 층에 위치할 때 발생할 수 있으며, 건물이 수직적으로 다른 구조시스템을 가질 때 상부하중을 하부로 원활하게 전달시키기 위한 전이보 또는 전이판 등에서 큰 부재가 사용되기 때문에 수직 비정형에 해당할 수 있습니다.

or


강성 비정형-연층


 

감쇠비 Damping Ratio 

물체의 운동을 저지시키려는 단위 속도당의 힘으로 정의되는 감쇠의 크기, 즉 감쇠계수(damping coefficient)를 해당 물체의 임계감쇠(critical damping)로 나눈 상대적인 비를 감쇠비(damping ratio)로 정의하고 있습니다. 임계감쇠는 물체가 외부로부터 외란을 받았을 때 진동을 전혀 일으키지 않고 곧바로 정지상태로 진동을 억지시킬 수 있는 감쇠의 크기로 정의됩니다. 따라서, 부품이나 조립품의 감쇠비가 1이나 그 이상이 되면 외부로부터 외란을 받더라도 전혀 진동을 일으키지 않고 정지상태로 안정화 됩니다.

감쇠비가 1인 경우를 임계감쇠 그리고 1이상인 경우를 과도감쇠라고 부릅니다. 그리고 감쇠비가 1보다 작은 경우를 과소감쇠라고 하고, 실제 대부분의 감쇠 진동은 과소감쇠에 해당됩니다. 과소감쇠의 경우에는 물체가 진동하는 폭이 시간과 더불어 점진적으로 감소하여 진동이 소멸됩니다.

건물이나 기계부품과 같은 대부분의 물체의 감쇠비는 0.05 이하의 값이며, 자동차 완충기와 같은 감쇠장치라 하더라도 0.3 정도의 감쇠비를 나타냅니다. 그리고 건축물에서 주로 사용하는 감쇠비는, 철근콘크리트 구조물일 경우 0.05, 철골 구조물일경우 0.03을 사용합니다.

감쇠의 영향으로 점점 진폭이 작아집니다. 이때 감쇠비가 클수록 짧은 시간에 진폭이 0에 가까워 집니다.


 

강제 변위 Spcified Displacement 

강제 변위(specified displacement)는 용어 그 자체로는 물체에 억지로 변위를 부여하는 것입니다. 유한요소 해석에서는 복잡한 체결구를 대체하기 위한 수단으로 효과적으로 사용됩니다.

예를 들어 두 물체를 볼트를 이용하여 체결하는 과정을 수치해석(numerical analysis)적으로 구현하는 경우를 생각해 보면 볼트 나사산과 물체 사이의 복잡한 체결상태를 재현하는 것은 상당히 어려운 작업일뿐더러, 나사산과 물체 사이의 상세한 거동을 분석해야 하는 경우는 거의 드뭅니다. 따라서 볼트와 너트가 직접 접하는 부분이 나사산의 회전에 따라 이동하는 과정을 강제 변위로 대체하면 손쉽게 체결과정을 구현할 수 있습니다.

이 외에도 강제 변위는 유한요소 해석에서 다양한 용도로 사용되고 있습니다. 예를 들어, 금속판을 성형하는 경우 펀치(punch)가 금속판을 누르는 과정을 강제 변위로 대체할 수 있습니다. 펀치와 직접 접촉하는 금속판 표면에 위치하는 절점(node)에 펀치의 이동량에 상당하는 변위를 강제적으로 부여함으로써 간략화 된 해석을 수행할 수 있습니다. 강제 변위는 강성이 무한대이고 질량을 가지지 않는 강체요소(rigid element), 갭요소(gap element), 슬라이드 라인요소(slide line element) 등과 개념적으로 유사합니다.


 

강체구조물과 유연구조물 Rigid Body Structure & Flexible Structure 

풍하중이 (gust effect factor) 산정 시 구분되는 항목으로 고유진동수 1Hz를 초과하는 경우와 아닌경우, 바람에 의한 공진효과를 무시할수 있는 경우와 없는 경우로 강체구조물과 유연구조물로 나누어집니다. 일반적으로 슬래브의 여부에 따라 슬래브가 있을 경우 강체구조물, 없을 경우에 유연구조물로 판단합니다.

건축물은 다양한 재료에 의하여 구성되고 주요구조체에 따라 고유진동수의 산정방법 또한 달라지기 때문에 임의적으로 고유진동수를 산정할 수 없습니다. 정형적인 철근콘크리트조나 철골구조인 경우 건축물의 폭과 높이의 비율에 따라 약간 차이는 있으나 개략적으로 건축물높이 45m이상 건축물의 고유진동수가 1Hz 이하인 경우에 유연 구조물로 생각할 수 있습니다. 이는 강체건축물과 유연건축물을 구분하는 ECCS (유럽강구조연합: European Convention for Constructional Steelwork)안의 판정법에 의한것입니다.


 

건물골조시스템 Building Frame Systems 

건물골조시스템은 건축구조기준2009에 따르면 모든 내진설계범주에서 적용이 가능하지만 내진 설계 범주D의 건축물은 높이가 60m로 제한됩니다. 이 시스템은 수직하중을 지지하는 공간골조와 횡력을 저항하는 전단벽으로 구성됩니다. 내진설계범주 D 이상이 적용된 건물골조시스템은 건축구조기준2009 0306.6.5.2의 변형적합기준을 만족해야만 합니다.

이 조항들은, 각 층에서 모든 부재들이 바닥시스템에 의해 연결되어 있기 때문에, 기준상의 지진설계하중이 적용될 때, 지진력저항시스템의 일부로 설계되지 않는 부재들도 지진력저항시스템의 부재들과 함께 변형된다고 보는 것입니다.

따라서, 고려하는 방향의 지진력저항시스템에 포함되지 않는 모든 구조요소는 기준0306.5.7.1에 따라 결정된 설계층간변위에 의하여 발생하는 모멘트와 전단력뿐만 아니라 수직하중에 저항할 수 있는 연성능력을 발휘하도록 설계하여야 합니다.

쉽게 말해 건물골조시스템은 모든 휨력(바람, 지진)은 건물의 코어부분인 벽체가 저항하도록 설계하는 지진저항시스템입니다.

건물골조시스템


 

고력볼트 High Strength Bolt 

리벳이나 보통볼트 또는 고력볼트 등 긴결재에 의한 접합형태는 접합되는 부재사이의 하중을 긴결재가 어떤 형태로 전달하는가에 따라 전단접합과 인장접합으로 나뉩니다. 따라서 긴결재가 전달력을 지지하면서 접합된 부재간에 하중을 전달하는 것을 전단 접합이라 하며, 긴결재가 인장력을 지지하면 인장접합이라 합니다.

일반적으로 부재의 접합형태는 전단접합이 지배적이며 전단접합은 마찰형 접합(Fricntion type)과 지압형 접합(Bearing type)으로 나뉩니다. 마찰형 접합은 부재간의 미끄러짐에 의한 긴결재의 지압응력이 생기지 않는 접합을 말하며, 지합형 접합은 접합된 부재간의 미끄러짐이 생겨 하중의 전달이 접합부재와 연결재간의 지압에 의해 이루어지는 접합을 말합니다.

대개의 경우 고력볼트의 접합은 마찰형 접합에 해당되고, 이것은 극심한 하중의 변동이 생기거나 진동 등 반복하중을 받는 전단접합에 적합하며, 정적하중만 작용하는 곳에는 지압형 접합으로도 할 수 있습니다.

마찰형 볼트 접합은 볼트를 강하게 조임으로써 발생된 볼트의 인장력이 접합되는 부재의 접촉면에 마찰저항을 일으켜 부재간에 작용하는 전단력을 마찰저항으로 지지하게 되는 접합입니다. 그러나 부재간에 작용하는 전단력이 점차 증가하여 그 크기가 마찰저항에 의한 지지능력을 넘게되면 부재 접촉면에 미끄러짐이 생기고 최초의 미끄러짐이 생길 때 한계하중 직전의 값을 볼트의 허용내력 값으로 채택하고 있습니다.

또한 지압형 볼트 접합은 볼트의 전단파괴에 대한 내력과 접합된 부재의 지압파괴에 대한 내력 중 작은 값을 허용내력으로 정하고 있습니다. 일반적으로 고력볼트의 허용내력은 지압형이 마찰형에 비해 큰 값을 가지나 반복하중을 받거나 응력의 전도가 예상되는 구조물에는 볼트의 풀림을 방지하기 위하여 마찰형 접합이 사용됩니다.

∙ 전단파괴: 볼트가 잘려지면서 파괴되는 현상
∙ 지압파괴: 볼트와 접합부재의 접촉면이 지압을 받아 접합부재가 소성변형을 일으키는 현상

고유값 Eigen Value 

구조물의 동적 특성을 나타내는 지표인 고유진동수와 모드 형상을 계산하는 방법으로서 midas eGen에서는 고유벡터 해석의 방법을 채택하고 있습니다. midas eGen에서 비감쇠 자유진동(undamped free vibration) 조건하의 모드형상(mode shape)과 고유주기(natural periods)를 구하기 위해 사용된 특성방정식은 다음과 같습니다.

여기서

: 구조물의 강성행렬(stiffness matrix)

: 구조물의 질량행렬(mass matrix)

: n번째 모드의 고유치(eigenvalue)

: n번째 모드의 고유형상(mode vector)

 

고유치해석은 구조물 고유의 동적특성을 분석하는데 사용되며 자유진동해석(free vibration analysis) 이라고도 합니다. 고유치해석을 통해 구해지는 구조물의 주요한 동적특성은 고유모드(또는 모드형상), 고유주기(또는 고유진동수), 그리고 모드기여계수(modal participation factor)등이며 이들은 구조물의 질량과 강성에 의해 결정됩니다.

구조물의 동적거동을 제대로 분석하기 위해서는 고유치를 결정하는 질량과 강성을 정확하게 반영하는 것이 가장 기본이 되는 작업입니다. 여기서 강성은 구조부재를 유한요소로 모델링함으로써 거의 모든 강성성분을 비교적 근접하게 반영할 수 있으나, 질량은 구조부재 자체의 질량이 전체 질량에 비해 적기 때문에 바닥 슬래브 등 모델에 포함되지 않은 재료에 대한 질량 성분을 정확하게 파악하여 입력하는 것이 매우 중요합니다.

midas eGen에서는 해석작업의 효율성을 고려하여 집중질량(Lumped Mass)을 사용하고 있고 사용된 고유치해석방법은 Subspace iteration Method와 대형구조물의 해석에 적합한 Lanczos Method가 있습니다. 


 

고유치해석 Eigenvalue Analysis 

물체는 형상, 재질 및 외부와의 구속상태에 따라 고유한 진동 특성을 나타냅니다. 여기서 고유한 특성이란 외부에서 어떠한 동적 자극을 받지 않은 상태에서 그 물체가 가지는 본질적인 특성을 의미합니다. 이러한 맥락에서 고유치해석(eigenvalue analysis)을 모드해석(modal analysis)이라고도 부릅니다.

물체의 고유한 진동 특성이란 고유진동수(natural frequency 혹은 eigen frequency)와 이에 대응하는 고유모드(natural mode 혹은 eigen mode)를 의미합니다. 고유모드란 물체가 주어진 구속상태에서 자유로이 변형될 수 있는 형상을 의미하고, 고유진동수란 이 고유모드가 단위 시간당 얼마나 빨리 반복되는가의 정도를 나타냅니다. 예를 들어 시계추는 수직 축에 대해 일정한 각도로 좌우로 일정한 속도로 요동합니다. 여기서 수직 축에 대해 일정한 각도로 기울어져 있는 시계 추의 형상이 고유모드에 해당되고, 1회 왕복하는데 걸리는 시간의 역수에 2π(약 6.28)를 곱한 값이 고유진동수가 됩니다.

참고로 1회 왕복하는데 걸리는 시간을 고유주기라고 부르고 이 고유주기의 역수를 고유주파수라고 부릅니다. 고유주기의 단위는 초(second)이며 고유주파수의 단위는 헤르쯔(Hz)입니다. 고유진동수는 단위는 단위시간당 왕복한 각도입니다. 시계추의 운동은 자유도(degree of freedom)가 한 개밖에 없기 때문에 고유모드와 고유진동수도 각각 하나밖에 존재하지 않습니다.

다른 예로 한쪽 끝이 고정되어 있는 긴 나무 판은 무한개의 고유모드와 고유진동수를 가집니다. 왜냐하면 나무 판이 변형될 수 있는 모양은 무한히 가능하기 때문입니다. 고유진동수와 고유모드는 진동수가 낮은 값으로부터 높은 값으로 순차적으로 구분합니다. 진동수가 낮은 값일수록 대응되는 고유모드의 형상은 단순하다. 낮은 고유진동수일수록 물체가 변형되기 쉬운 고유모드 형상을 의미하고 고유진동수가 높아질수록 고유모드는 변형하기 어려운 형상이 됩니다.

참고로 고유진동수와 고유모드의 개수는 자유도와 일치합니다. 긴 나무 판의 경우, 나무 판을 요소망(mesh)으로 분할하여 유한요소 해석을 수행하게 되면 고유진동수와 고유모드는 유한 개로 줄어듭니다. 그 이유는 요소망으로 분할된 나무 판의 변형 모양은 유한 개로 한정되기 때문입니다. 


 

고정하중 Dead Loads 

고정하중(dead loads)은 여러 가지 부재의 무게와 영구적으로 구조물에 부속되어 있는 모든 물체의 하중을 포함합니다. 그러므로 건물의 경우 고정하중은 기둥, 큰보, 작은보, 슬래브, 지붕, 벽체, 창문 등을 비롯한 여러 수많은 부속물들의 중량을 모두 포함합니다.

간혹 구조물의 고정하중은 비슷한 구조물의 무게와 크기에 기초한 간단한 공식으로 추정할 수 있습니다. 또한 많은 경험을 가진 사람은 공학적 감각으로 적당한 값을 추정할 수도 있습니다. 예를 들어 목조건물의 평균 하중은 1.9~2.4kN/m²이고, 강구조 건물은 2.0~3.6 kN/m²이며, 철근콘크리트 건물은 5.3~6.2 kN/m²입니다. 그러나 일반적으로 부재의 종류와 크기가 결정되면 KBC2009(건축구조기준)에 나와있는 규정에 의해 구조물의 고정하중을 결정할 수 있습니다.

일반적인 건설 재료의 밀도와 구조물의 대표적인 부재의 자중도 나와있는데 도식화된 표에 의해 계산된 자중은 너무 단순화되어 보이긴 하지만 이런 추정은 설계의 기본적인 자료를 보여준다는 것을 간과해서는 안됩니다.

이런 추정에는 비건설적인 재료, 즉 벽체, 전기시설등이 포함되어있습니다. 더욱이 건설 재료가 결정되어 있다고 해도, 각 요소들의 무게는 모든 조사에 따라 다르게 결정되기 때문에 각각의 계산시 약간의 다른 고정하중을 사용해야 하는 경우도 있습니다. 


 

구조계산서 Structure Report 

건축구조계산에서 하중의 계산은 다음과 같은 계산서의 형식으로 정리됩니다.

① 설계기본사항: 건물의 평면∙단면, 하중일람표, 설계기준 
② 설계준비계산: 설계방침, 평면과 라멘 기호, 단면적∙단면 2차 모멘트∙강비(鋼比) 등의 계산, 기둥직압(直壓) ∙지진력. 
③ 지진∙바람 등에 의한 부재력 계산. 
④ 연직하중(鉛直荷重)에 의한 부재력 계산. 
⑤ 각 부재의 응력도와 압축변형의 검정.

이상과 같이 하여 골조 각 부분의 단면이 안전하다고 확인되면 시공할 수 있도록 구조도면(構造圖面)을 작성됩니다. 그러나 이 구조계산은 여러 가지 연구결과로 점차 변형되어 가고 있습니다. 또한 세계의 여러 나라는 그 나라 나름대로의 습관이 있고, 또 경험도 무시할 수 없는 요소가 되므로 순수한 계산뿐인 설계는 신중한 검토가 필요합니다.

구조계산서란 건축물을 짓게 되면 철근콘크리트 건축물이 단층건물일수도 있고 또한 이층, 삼층 여러 층으로 지을 수도 있습니다. 이때 철근콘크리트 구조물이 하중을 받는 것은 슬래브에서 보로 보에서 기둥으로 하중이 전달이 되고 기둥은 기초로 하중이 전달이 됩니다. 이때 각 구조물이 견디는 힘을 계산하는 것을 구조 계산이라고 하고 이러한 구조계산을 서류화 한 것을 구조계산서라고 합니다. 


 

경계요소 Boundary Element 

임의 물체의 최 외곽 가장자리를 그 물체의 경계(boundary)라고 부릅니다. 예를 들어 1차원 직선의 경우에는 직선의 양 끝점이 경계가 되고 2차원 정사각형의 경우에는 4개의 변이 경계에 해당됩니다. 한편 3차원 구(sphere)는 구의 최 외곽 표면이 경계에 해당됩니다.

굽힘(bending)거동이 지배적인 박판 구조물(thin-walled structure)에 있어서는 이 경계에서 거동의 특이성(singularity)이 발생하여, 경계부근에서 응력(stress)이 급격하게 매우 큰 값으로 증가합니다. 그 결과, 주의를 기울이지 않고 요소망(mesh)을 생성하여 유한요소 해석(finite element analysis)을 수행하게 되면 엉터리 결과를 구하게 되는 경우가 허다합니다.

이렇게 물체의 경계 부근에서 발생하는 거동의 특이성을 경계층 효과(boundary effect)라고 부릅니다. 이러한 경계층 효과를 효과적으로 그리고 정확하게 모사하기 위해서는 물체의 경계에서 법선 방향으로 크기가 매우 작은 유한요소(finite element)를 사용하면 되는데, 이 유한요소를 특별히 경계요소라고 부릅니다.

경계요소의 특징은 경계에서 수직방향으로는 그 크기가 물체의 두께보다 현저히 작은 반면 경계에 접선 방향으로는 크기가 작아야 할 필요는 없습니다. 다시 말해 요소의 형상종횡비(aspect ratio)가 문제가 되지는 않습니다.

경계조건 Boundary Condition  

물체의 외곽 전체를 경계(boundary)라고 부르는데, 1차원 물체의 경우에는 물체의 양 끝점이 경계에 해당됩니다. 2차원 물체의 경우에는 물체의 외곽 테두리 곡선 전체 3차원의 경우에는 물체의 외곽 곡면 전체가 경계에 해당됩니다. 모든 물체는 3차원 형상으로 되어있기 때문에 여기서 1차원 혹은 2차원물체라고 말하는 것은 3차원 형상을 1차원의 직선 혹은 2차원의 평면으로 가정한 간략화 된 형상을 의미합니다. 지구상의 모든 물체는 그 경계에서 어떠한 형태의 매질(고체, 액체, 기체 혹은 진공)일지라도 다른 물체들과 항상 접촉하고 있습니다. 따라서 임의의 한 물체는 경계를 통해 외부의 다른 물체들로부터 힘, 모멘트, 열과 같은 다양한 형태의 영향을 받습니다. 외부와 접촉하고 있는 임의의 한 물체의 거동을 파악하기 위하여 이 물체를 외부와 분리시킬 경우, 외부로부터 받는 영향들은 경계조건으로 반영되어야 합니다. 동일한 형상과 재질로 된 물체일지라도 그 거동은 경계조건에 따라 현저히 달라지기 때문에 경계조건은 대단히 중요한 역할을 합니다. 외부로부터 받은 영향들 중에서 어떤 것들이 경계조건으로 포함되어야 할 것인가는 분석하고자 하는 물체의 거동이 어떤 유형인가에 따라 결정됩니다. 경계의 모든 부분에는 반드시 변위 혹은 하중 경계조건이 부여되어야 하며, 조건값이 0인 경우도 경계조건이란 점을 잊어서는 안됩니다.

고정단 Fixed Ends  

구조물의 지지부분을 역학적 관점에서 몇 가지로 분류하여 각자 간단한 모델로 치환함으로써 반력을 구하는 방법을 생각해보면 매우 단단해서 변형이 거의 없는 지반에 구멍을 파서 기둥을 세우는 경우에 기둥이 외력을 받을 경우 땅속에 묻혀 있는 부분이 거의 이동이나 변형이 발생하지 않으며 기둥은 지반에 의해 이동과 회전이 구속되어있다고 간주하고 고정지지라고 합니다.

실제로 지반이 전혀 변형하지 않는 강체라고는 말할 수 없지만 기둥에 비해 변형이 작다면 모델화할 수 있습니다. 반대로 기둥이 지반보다 단단하다면 고정지지라고 판단하기에는 어렵습니다. 이것은 어디까지나 비교의 문제로서, 예를 들면 같은 지방에 세워지는 기둥의 강도에 의해 고정으로 판단해도 좋은 경우와 그렇지 않은 경우가 발생할 때, 판단의 기중이 되는 것은 실물과 모델사이의 오차인 허용한계일 것입니다.

허용한계는, 외력∙하중의 모델화에 있어서 요구되는 정도나 사용재료의 재질의 불균형 등으로 결정되고 구조물의 모델화, 지지상태의 모델화에 비교하면 외력∙하중의 모델화가 훨씬 정도가 떨어지는 경우가 많아 구조물을 상당히 단순화 한 모델로 치환하는 것이 묵인되고 있습니다.

고정지점 고정지점1 고정지점의 지지방법과 역학상의 표현의 위의 그림과 같고 그림과 같이 축 방향력(R1), 전단력(R2), 휨모멘트(M) 3개입니다. 


 

기둥 Columns  

기둥(columns)은 축하중뿐만 아니라 휨모멘트를 받으므로 기둥계획시 이들이 조합된 응력에 대하여 검토하여야 합니다. 연직하중에 대하여 기둥의 축력을 구할 때 하중 부담면적을 보 스팬 중앙을 경계로 하여 나눌 수 있습니다. 그러나 실제로는 보를 구속하는 기둥의 강성 차이로 보 양단의 전단력이 다르게 되므로 이 가정은 정확치 않으나 근사적인 계산방법으로 사용됩니다.

휨모멘트는 외측 기둥에서 커지면, 중간기둥은 좌우에 보가 붙어 어느 정도 균형이 잡혔기 때문에 휨모멘트는 작어집니다. 기둥의 휨모멘트 변화는 보와 기둥의 강성비의 영향을 받습니다. 기둥의 강비가 보에 비하여 커짐에 따라 기둥상단의 휨모멘트가 커지게 되며, 그 부분만큼 보의 중앙에서의 모멘트는 작아지게 됩니다. 또한 기둥에 개구부가 없는 내력벽이 부착되는 경우에는 기둥의 강비가 무한하게 커진것과 같게 됩니다.

지진력이나 풍압력 등의 수평력은 건물의 구조 안전성에 크게 영향을 줍니다. 따라서 이런 수평력에 대한 구조계획에서 기둥의 크기, 내진벽이나 브레이스 등의 구조요소의 배치는 매우 중요합니다. 기둥의 설계는 수평축과 수직축 양쪽에 대해서 검토하여야 합니다. 지진하중의 경우 수평축과 수직축을 별개로 생각하는 것이 편의적입니다. 이것은 양방향 동시에 지진이 발생하지 않는다는 견해입니다. 또 일반적으로 건축물은 지진에 대하여 사면방향의 진동을 검토하지 않으므로 2방향의 응력계산으로 기둥 단면이 결정됩니다.

그러나 연직하중시의 모서리 기둥에서는 수평, 수직 양방향 보의 휨모멘트가 동시에 작용하는 것으로 생각해야 합니다. 중간기둥이나 축기둥에서는 휨모멘트가 양방향 동시에 커지지 않으므로 문제가 없으나, 모서리 기둥에 대해서는 충분히 주의해야 합니다.

특히 철근콘크리트 기둥은 양방향 동시의 휨에 대한 설계식이 복잡하여 그 계산을 일반적으로 하지 않으므로 수평축과 수직축을 별개로 계산하여 구한 필요 철근량에 다소 여유를 갖게 설계하는 것이 바람직합니다. 또한 사면방향의 지진력에 대해서는 대체로 설계되지 않으므로 이를 고려하면 모서리 기둥은 여유가 있는 단면이 요구 됩니다.

아래 그림과 같이 수직으로 설치되어 압축력을 받는 부재를 일반적으로 기둥(columns)이라고 합니다. 관과 와이드 플랜지 단면은 종종 금속 기둥으로 쓰이며, 철근으로 보강된 원형이나 정방형 단면의 콘크리트도 같은 용도로 쓰입니다. 또한, 기둥은 그림의 오른쪽과 같이 축하중과 휨모멘트를 동시에 받을수도 있는데 이런부재를 보-기둥(beam-column)이라고 합니다.

기초 Foundation  

기초(foundation)는 건물과 지반간의 직접적인 접촉부이며, 건물의 하중을 지반에 전달시키는 역할을 합니다. 기둥, 벽체등과 같은 수직요소들은 상부하중을 기초까지 점으로 전달하느냐, 선으로 전달하느냐에 따라 몇가지로 분류됩니다. 만약에 지반의 지내력이 충분하다면 기초의 형식은 수직재의 형태에 따라 형성될 것입니다. 그러나 지내력이 충분치 않다면 온통기초(mat foundation)나 연속기초(continuous foundation)가 형성되기도 합니다. 온통기초는 상부의 하중을 지반에 비교적 균등하게 전달하는데는 유리하나 독립기초에 비하면 훨씬 많은 비용이 소요됩니다. 그러므로 기초의 중요한 역할은 건물 상부의 하중을 지반의 장기 허용 지내력 범위내에서 지반에 분배시키는 것이며, 기초의 저면적은 지내력에 반비례합니다. 상부하중을 기초저면에서 더 잘 확산시키기 위해서 곡면 기초(arched foundation)와 지중보(tie girder)를 조합하기도 합니다.

기초 설계를 위한 기본은 건물 하중이 구조물 전체 기초 저면에서 고르게 분배된다고 가정하는 것입니다. 즉 허용 지내력이 분배된 응력의 4배 이상이면 독립기초가 온통기초보다 더 효과적일 것입니다. 허용 지내력이 응력의 2배 이하이면 온통기초가 경제적입니다. 지반의 지내력을 결정하는 문제는 지반의 구성요소들이 매우 다양하기 때문에 많은 경험을 요하는 어려운 문제입니다. 흔히 건물 전체에 걸쳐 지반이 일정치는 않으며, 또 기초의 일부가 더 깊어질 때는 지층도 매우 다양합니다. 그러므로 어떤 곳에서의 토질과 지층의 분포사항 등을 알기 위해서는 여러 가지 지질 탐사법에 의해 지반의 특성을 알 수 있으며, 경우에 따라서는 토질, 기초 전문가의 자문을 요하는 경우도 종종 접하게 될 것입니다.

이상과 같이 지내력의 근사치를 가정한다면, 기초 설계의 주요 목표는 건물의 침하량을 한계 범위내로 유지시키고 국부적인 지반 침하나 건물의 수평 이동을 막는 것입니다. 어떤원인에 의해 건물이 침하가 발생해도 그 침하가 일정하게 일어나고 그것에 대한 보강 설계가 되어 있다면 그것은 별다른 문제가 없으나 건물 일부에서만 침하가 발생한다면 그것은 심각한 문제를 유발합니다. 예를 들면 피사의 사탑처럼 구조물의 일부가 다른쪽에 비해 더 많이 침하되는 경우가 있을 수 있고, 또 하나는 이미 침하가 진행된 기존의 건물의 건물 바로 옆에 증축건물을 세울 때 발생합니다.

저층건물에서는 건물에 작용하는 수평력이 작기 때문에 수직하중만을 고려하여 기초설계를 할 수 있으나, 높고 좁은 건물에서는 수평력에 의한 전도력이 작용해서 특정부위에 큰 하중이 집중되므로 건물이 높은 경우에는 기초에 전달되는 수직하중이 지반의 내력을 초과하게 됩니다. 그 경우에는 파일기초나 잠함기초 등을 배치하여 건물하중을 표면지층에서 훨씬 더 강한 하부지층으로 전달 사켜야만 합니다.