구조계획 및 구조설계

1. 구조계획

구조계획이란 건축가에 의해 기본적인 평면과 단면이 결정되면 건물의 골격이 되는 구조체(기둥, 벽체, 보, 슬래브)를 적절히 배치하여 하중과 외력이 무리 없이 지반에 전달될 수 있도록 계획하는 것입니다. 이러한 구조계획에서 가장 중요한 단계는 기둥과 벽체, 그리고 브레이스 등을 계획하는 것이며, 전체 구조물의 안정성 및 경제성에 큰 영향을 주는 인자입니다. 구조계획에서 중요한 인자의 배치가 결정되면, 기둥 및 보의 단면을 가정하고 구조계산을 수행하게 됩니다.

 

 

2. 구조계산

 

1) 구조계획에 의해 골조의 구성방법이 결정되면 다음 순서로 구조계산을 진행합니다.

(1) 구조해석에 의해 각 부재에 발생되는 휨모멘트, 전단력, 축방향력을 구해야 합니다. 보통 구조해석을 프로그램을 이용하여 수행하는데 국내에서 일반적으로 사용되는 해석프로그램은 MIDAS Gen, SAP2000, STUD PRO 등이 있습니다. 구조해석을 수행하기  위해서는 구조부재의 단면을 가정해야 하며, 능숙한 엔지니어일수록 정확도가 높게 구조단면을 가정합니다.

(2) 구조해석모델이 완성되고 프로그램을 이용하여 단면력이 산정되면 가정된 단면으로 이를 지탱할 수 있는지 확인합니다. 이러한 과정도 프로그램의 발전에 의해 빠르게 수행할 수 있습니다. 내력이 모자란 부재는 그 원인을 확인한 후, 단면을 조정합니다. 

(3) 단면이 모두 구조해석 결과를 만족하는 경우 세부 접합부의 설계를 진행합니다. 철골구조의 접합부는 제작 및 시공이 편리할 수 있도록 계획하여야 합니다.

 

2) 구조설계 및 계산상 주의사항

철골구조는 강재의 강도가 매우 높은 수준이므로 부재를 구성하고 있는 플레이트의 두께가 작은 경우가 일반적입니다. 따라서 처짐 및 진동 등의 장애가 발생될지에 대해서도 검토가 이루어져야 합니다. 경제적인 철골조의 구조계획이 되기 위해서는 다음과 같은 사항을 고려해야 합니다.

(1) 강재의 강도

고강도 강재를 사용하는 것이 강재량을 절감할 수 있으며, 제작 및 설치비용도 줄일 수 있습니다. 그러나 처짐 및 진동 등의 사용성이 지배하는 장스팬 구조의 경우에는 고강도 강재를  적용하는 것이 비합리적일 수 있습니다.

(2) 부재의 수

부재의 수가 많아지면 제작 및 설치 비용은 증가하지만, 강재량의 경우에는 강재량이 줄어들 수 있습니다. 예를 들면 장스팬 보의 경우 단일 형강보를 사용하는 것보다 트러스로 계획하는 것이 강재량이 줄어듭니다.

(3) 모멘트 접합부의 수

접합부를 전단접합보다는  모멘트 접합으로 하는 것이 구조적으로 유리하기 때문에 강재량을 줄일 수 있지만 제작설치비용은 증가되기 때문에 신중히 계획하는 것이 바람직합니다.

(4) 동일한 단면의 형강 사용

단면을 세분화하지 않고 가급적 동일한 단면을 사용하는 경우 강재량은 증가하게 됩니다. 예를 들면, 스팬이 12m인 보와 스팬이 10m인 보를 동일한 형강으로 계획하는 경우 작업의 단순화 및 제작설치비용은 줄일 수 있지만 강재량이 증가하므로 재료비는 상승하게 됩니다. 간단한 구조물의 경우에는 재료비보다는 제작 설치 시의 인건비가 지배하지만, 대규모 구조물인 경우에는 재료비가 지배하기 때문에 경제적인 판단이 매우 필요합니다.

(5) 압연형강과 용접형강

용접형강을 사용하는 경우 설치비의 경우는 큰 차이가 없지만 제작단가가 많이 증가하기 때문에 일반적으로 비경제적입니다. 즉 강재량 절감을 통해 얻어지는 비용보다 제작단가의 비용증가가 커지게 됩니다.