상부하중이 크고 스팬이 길어서 보는 상당히 크게 설계되어야 하지만 기둥은 1개층의 하중만 받으면 되므로 클필요는 없습니다. 그러나 외곽기둥의 경우 보의 고정단 모멘트를 받아야 하므로 최소한 보와 강성이 같도록 단면을 키워야 설계가 가능한 상태입니다. 여기서 저희의 의견이 두가지로 갈리고 있습니다.
1) 보의 강성이 충분히 크다면 지지점(기둥)에서의 처짐각의 상당히 미미 할것이고 그렇다면 기둥에 고정단 모멘트가 작용하지 않을것이므로(보의 회전각에 의해 기둥에 모멘트가 전달될테니까요) 보가 단순보일때도 안전하도록 설계를 하고 기둥은 안전상 고정단 모멘트의 절반만 절달된다고 보고 설계해도 무방하다.(경제적 설계가능, 본인도 동의)
2) 콘크리트의 특성상 기둥과 보는 일체로 타설되며 극한 하중하에서도 연성적인 성능을 갖도록 기둥은 보의 고정단 모멘트에 저항할 수 있도록 크게 설계해야만한다. (원칙적 접근)
- 논쟁이 계속되다 이런문제에 까지 이르럿는데 두기둥을 연결하는 보가있는데 한쪽기둥은 40~50개층의 하중을 받아서 Column Shortening이 발생하지만 다른기둥은 2~3개층의 하중만 받게될때다 있습니다. 이때, 이보의 거동은 수직하중을 받을때의 모멘트 곡선이 아니고 수평하중의 받을때의 모멘트 곡선을 받게 됩니다. (단부에서 Mmax, 중앙부M===>0) 이경우에는 보와 기둥의 연결부가 Pin조건으로 거동한다면 휠씬 유리할텐데 혹시 가능한지요 그렇다면 디테일 처리는??
- 알고계시겟지만 이사이트를 즐겨찾기에 등록시켜두고 항상 드나드는 구조인이 많이 있습니다.
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< 답 변 >
아직도 많이 공부하고 연구해야 하는 제 입장에서 중재라는 말은 너무 거창하군요.
다만, 논쟁의 대상이 되고 있다는 강성이 큰보와 강성이 작은 기둥의 콘크리트 구조물의 거동에 대하여 이런저런 이야기들을 한번 나열해 본다는 차원에서 기술해 보고자 합니다.
귀하께서 미쳐 생각하지 못하신 것이 있는지 확인하는 차원에서 읽어주시고, 판단은 귀하께서 직접 내려 보셨으면 합니다.
귀하께서 지적해 주신 바와 같이
최상층 대스팬 구조의 외곽기둥은 스팬이 큰 보(Girder)의 외단부 모멘트가 그대로 전달되기 때문에 축력보다는 모멘트의 영향에 의하여 기둥 설계가 영향을 받으므로 각별한 주의를 해야 합니다.
라아멘(Rahmen)이라고도 불리는 모멘트골조방식은 기둥과 보(Girder)가 강절점(Rigid Joint)으로 접합된 가구로서 절점의 부재간의 각도가 변형 후에도 변하지 않는다는 가정에서 출발하여 부재들의 휨강성을 확보함으로써 각종 하중(중력하중, 횡하중 등)에 저항하는 구조입니다.
중력하중에 국한하여 생각해 볼 때
기둥과 기둥사이의 보(Girder)는 기둥과 보의 강성차이에 따라 보단부(내단부, 외단부) 및 보중앙부의 휨모멘트 값을 변화시킵니다.
이 경우 일정하중에 대하여 변화하는 휨모멘트의 전체량은 일정한데, 그 값은 보가 단순보일 때 중앙부에 작용하는 최대 휨모멘트값인 Mo입니다.
다시 정리하면 모멘트골조방식에서 한 스팬내의 보의 내단부 부모멘트를 M1, 외단부 부모멘트를 M2, 중앙부 최대 정모멘트를 M3 라고 할 때 (M1+M2)/2 인 양단부의 평균모멘트값(Me)와 중앙부 최대 정모멘트값(M3)의 합은 Mo와 같습니다.
Me + M3 = Mo
에너지보존의 법칙과 같다고 할 수 있을까요?
일정하중에 대하여 정해지는 전체 휨모멘트(Mo)가 기둥과 보의 강성에 따라 보의 전구간에 분배되기 때문입니다.
그렇다면 최상층 대스팬 구조의 외곽기둥이 보(Girder)의 외단부 모멘트로부터 자유로와지기 위해서는 보가 기둥 위에서 자유로이 회전할 수 있는 단순보 형태가 되도록 하면 됩니다.
미리 설치된 기둥 위에 PC 보를 그대로 올려놓거나 기둥과 보의 콘크리트타설을 적절한 시간간격을 두어 분리 설치함으로써 보의 회전 및 수평이동에 대한 배려를 설계와 시공시 해 준다면 철근콘크리트조에서도 단순보 형태는 가능하다고 판단됩니다.
어떤 토목교량을 자세히 살펴보면 기둥 위에 좌대를 설치하고 그 위에 PC보 등을 올려놓아
단순보 형태를 구축한 것이 있습니다.
물론 이 경우 기둥은 캔틸레버 형태로서 기둥하부는 고정단 형태를 만들어 주어야 합니다.
또한 횡력에 대하여 저항력이 약화되므로 별도의 횡력저항시스템구축 등의 대비책이 강구되어야 합니다.
따라서, 외곽기둥과 보를 핀접합(Pinned Joint)함으로써 야기되는 장점과 단점을 각 상황에 따라 면밀히 검토하여 적용여부를 판단하여야 합니다.
그러면 기둥과 보(Girder)가 일체로 콘크리트 타설되었을 때는 어떨까요?
단일라멘의 경우를 예를 들어 생각해 보죠.
기둥강성이 보강성에 비하여 아주 크다면 보(Girder)는 기둥에 회전이 완전히 구속되어 고정단이 될 것입니다. 물론 양단부의 부휨모멘트는 고정단모멘트값(C)이 될 것입니다.
이에 반하여
보강성이 기둥강성에 비하여 아주 크다면 보(Girder)는 기둥 위에서 회전구속없이 올려진 상태로 단순보 형태가 될 것입니다. 물론 양단부의 휨모멘트값은 0 , 중앙부의 최대 정휨모멘트값은 Mo가 될 것입니다.
실무에서 보길이의 직각방향으로 놓인 콘크리트 벽체가 설치되어 있어서 이 콘크리트 벽체에 보(Girder)가 지지될 때 보(Girder)의 지지조건을 핀(Pin)으로 가정하고 설계한다면 이 경우가 되겠죠.
그렇다면 상기와 같이 어느 한쪽이 다른 한쪽에 비하여 강성이 극단적으로 크지 않을 때는 어떨까요?
기둥강성을 고정한 상태에서 보강성을 일정강성에서부터 증가시켜 나가면
보단부 부모멘트값은 점점 작아질 것이며, 보중앙부 정모멘트값은 점점 커질것입니다.
이런 경우를 보면서 우리는 " 기둥 및 보의 강성을 조절함으로써 힘을 흘린다 " 라는 표현을 쓸 수 있습니다.
강성이 큰 보와 강성이 작은 기둥의 콘크리트구조물의 설계에 대한 귀하의 첫번째 제안 1)은 큰 보(Girder)에 연결된 단순보 형태의 스팬이 큰 작은 보(Beam)의 실용적인 설계법에 가까운 제안으로 판단되어집니다.
참고로 큰 보(Girder)에 연결된 단순보 형태의 스팬이 큰 작은 보(Beam)의 실용적인 설계법을 살펴보면 다음과 같습니다.
스팬이 큰 단순보 형태의 작은 보(Beam)는 지지되는 큰 보(Girder)의 비틀림강성 만큼 약간의 단부고정도가 기대되지만, 큰 보(Girder)가 비틀려버리기 쉽기 때문에 대부분 핀(Pin)지지에 가깝게 됩니다.
따라서 단부를 핀(Pin)지지로 생각하는 것이 무난하고, 어느 정도(예를 들어 0.15C 등)의 고정도가 기대되는 경우는 큰 보(Girder)가 그 만큼의 비틀림모멘트에 견딜 수 있도록 설계해야 합니다. 특히 큰 보(Girder)에 비하여 강성이 큰 작은 보(Beam)의 경우에는 단부가 힌지가 되기까지 큰 보(Girder)가 항복하지 않도록 해야하기 때문입니다.
이런 논리를 강성이 작은 외곽 기둥에도 적용을 하므로써
실무에서는 귀하의 제안1)과 같이 중앙부 모멘트를 Mo로 설계하고, 외곽기둥과의 접합부를 핀(Pin)으로 가정하여 설계는 경우도 많다고 합니다.
이제는 다소 원론적일지 모르지만 제 소견을 말씀드리고자 합니다.
그렇다면 상기의 경우와 지금 논쟁의 대상이 되고 있는 강성이 큰 보(Girder)는 어떻게 다를까요?
상기의 경우는 강성이 큰 보가 외곽부의 보에 지지되어 있고,
저희가 논하고 있는 경우는 강성이 큰 보가 외곽부의 작은 기둥에 지지되는 것이 다릅니다.
강성이 큰 보가 외곽부의 보에 지지되어 있는 것보다 기둥에 지지되어있는 것이 더 안정적이지 않을까요. 외곽기둥의 축강성이 아무래도 외곽보의 비틀림강성보다는 크겠죠?
이렇게 본다면 외곽부 기둥에서 부모멘트가 작용한다는 것은 인정해야 하지 않을까요?
콘크리트로 일체로 타설되어 있으며, 강성이 큰 보(Girder)의 철근이 외곽기둥에 어느 정도 인장정착이 가능하면 이 절점상태는 회전이 구속된 강접합에 가까울 것입니다.
이런 식으로 외곽기둥과 강성이 큰 보(Girder)의 강접합 및 부모멘트의 작용을 인정한다면
다음은 외곽기둥에 작용하는 부모멘트의 적절한 처리가 필요합니다.
제 개인적인 소견으로는
강성이 큰 보와 강성이 작은 기둥의 콘크리트구조물의 설계에 대한 귀하의 첫번째 제안 1)은 다소 극한하중상태에서 붕괴에 이르지는 않겠지만 다소 균형면에서 의심시 되어집니다.
제 개인적인 소견으로는
중앙부의 정모멘트값을 Mo로 설계한다면 단순보 형태의 작은 보(Beam)와 다를 것이 없을 것으로 판단되어 중앙부 철근이 과다하게 소요되는 경향이 있으며, 외곽기둥쪽의 부모멘트를 과소평가할 경우 보 상부균열을 유발시킬 수 있을 것으로 사료됩니다.
제 경험에 비추어보면 강성이 큰 보(Girder)와 기둥강성을 실제로 모델링하여 구조해석을 수행을 실시해 보면 최상층 스팬이 큰 보(Girder)의 휨모멘트는
중앙부에서 0.7Mo∼0.8Mo 정도의 정모멘트가, 단부에서는 0.2Mo∼0.3Mo 정도의 부모멘트값이 일반적으로 나타나는 것으로 알고 있습니다. 물론 기둥과 보의 강성차이 및 하중상황에 따라 상기 약산값의 오차가 많이 발생할 수도 있을 것으로 판단됩니다.
따라서 제 소견으로는 실제 기둥 및 강성이 큰 보(Girder)를 모델링하여 구조해석을 실시하고, 그 해석치를 이용하여 설계에 반영하는 것이 가장 합리적이라고 판단됩니다.
해석을 통하여 보면 강성이 큰 보(Girder)의 외단부 모멘트가 처음 생각했던 값보다 작아질 수 있는 경우가 있고, 이에 외곽기둥이 보의 강성과 같아질 필요는 없을 수 있습니다.
또한 엄밀히 얘기하자면 외곽기둥의 설계용 모멘트값은 기둥과 보(Girder)가 만나는 패널존의 하단부가 아닌가요? 즉 기둥과 보(Girder)하부 경계면(Face면) .
강성이 큰 보(Girder)의 춤은 클 것이고, 따라서 실제 기둥설계용 모멘트값은 보 외단부 모멘트값 보다 상당히 줄어들 것입니다.
우리가 실무를 하면서 기둥과 보를 선형 부재로 가정하고, 구조해석을 수행하며 그 중심값을 그대로 설계에 반영하는 관례 때문에 가끔 기둥과 보가 부피(Volumn)가 있는 부재라는 것을 잊고 정확한 휨모멘트나 전단력의 산정면을 간과할 때가 많은 것이 사실입니다.
이렇게 정밀하게 기둥설계용 모멘트값을 따져 보아도 모멘트값이 커서 외곽기둥의 설계가 곤란할 경우에는 기둥에 헌치(Hunch)를 붙이는 것이 합리적입니다.
헌치(Hunch)로 인한 효과는 외곽기둥의 설계용 모멘트를 줄일 수 있으며, 경제적인 설계를 가져올 수 있습니다.
철근콘크리트 구조물 설계에서 헌치(Hunch)는 우리 구조설계 실무자들이 이용할 수 있는 좋은 도구로 작용할 때가 많은 것 같습니다.
라멘구조에서 헌치효과에 대한 자세한 내용은 콘크리트구조설계기준/해설 제15장 라멘 편을 참조하시기 바랍니다. ( 3.4.4 강성, page72 도 참조하시기 바랍니다.)
이럴 경우에도 설계가 현실상 어려움이 따를 경우에는
우리 구조인의 또 다른 무기가 있는데, 이것이 모멘트재분배입니다.
어는 정도 임의적으로 힘을 흘릴 수 있도록 기준에서도 배려해 주고 있는 부분이 있는데,
이것이 연속 휨부재의 부모멘트 재분배에 대한 내용입니다.
(콘크리트구조설계기준/해설, page 69를 참조하세요)
이 조항을 자세히 살펴보면 적정한 철근배근법을 사용한다면 10∼20% 정도의 범위내에서 연속 휨부재의 부모멘트 재분배가 가능할 것입니다.
그래도 기둥설계가 어려운가요?
그러면 이번에는 적재하중(활하중)의 저감이 가능한지 알아보시죠.
물론 이 경우 적재하중의 패턴고려는 반드시 검토하셔야겠죠.
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