기존 구조계산서 재검토시 기술자 유의사항

기존에 구조계산서를 바탕으로 하는 구조설계 내용을 재검토하는 경우가 있습니다.

VE설계, 안전진단, 기타 사유로 건축주나 건축사가 재검토를 의뢰하는 경우가 있습니다.

이를 수행하는 주체는 제3의 건축구조기술사이거나, 간혹 일부 안전진단의 경우에는 기술사가 없는 안전진단업체에서 하기도 합니다.

 

VE설계는 통상적으로 부재규격이나 사용재료를 경제적으로 재설계하여 공사비를 낮추기 위하여 실시합니다.

안전진단은 시특법에 의해 해당하는 건물에 주기적으로 실시합니다.

기타 원래 구조설계자가 일정 등의 사유로 발주자의 변경에 따르지 않을 경우에 제3의 기술사에게 의뢰하여 실시하기도 합니다.

사용중인 건물에 증축이나 용도변경 등의 사유로 실시되기도 합니다.

또는 분쟁 및 소송에 대하여 사건관계인이 제3자에게 의뢰하거나, 법원감정인으로 등록된 기술사를 통하여 실시되기도 합니다.

 

간혹 일부 기술자가 어떤 부재는 구조적으로 안전하지 않다고 성급하게 선언하는 경우가 있습니다.

이런 경우 원설계 기술사와 분쟁의 소지가 충분히 발생할 수 있습니다.

이때부터는 전문지식의 깊이와 이해도를 가지고 다툼이 벌어집니다.

오류가 시정되는 기회가 되기합니다.

그러나 성급한 오류선언을 하는 분들이 간과하거나 미처 알지 못한 내용으로 지식밑천의 얕음을 드러내 보이기도 합니다.

 

이번에는 기존 구조설계된 내용을 판단함에 있어서 주의해야 할 기술적인 내용을 몇 개만 적어봅니다.

대부분 건축구조기술사 분들이라면 다 아시는 내용이겠지만, 미처 깊이 알지 못하는 일부 기술자분들께 주의깊은 판단을 할 때 도움이 되었으면 하는 마음으로 정리해봅니다. 

 

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하중이 적정하게 고려되었는가?

 

모든 기술자분들이 잘 아시겠지만,

건물의 안전은 외력과 내력의 싸움에서 내력의 승리를 기본으로 합니다.

그럼 외력의 크기 즉 설계단계에서 또는 실제에서 얼마나 크게 작용하는지를 알아야 하겠죠?

 

[1단계] 기준에 의한 적정 하중을 검토에 반영 KDS 41 10 15 '건축구조기준 설계하중'편에 기재된 내용대로 용도에 따른 적정 활하중을 선정합니다. 설계단계에서 용도가 불분명한 경우에는 안전성을 고려해 큰 하중이 고려되었을 수 있으므로, 실제 사용하는 용도에 맞게 낮추어 검토할 수 있습니다. 또 설계시 고려된 용도보다 실제 사용중인 용도의 기준 하중이 클 경우에는 건축주나 사용자 사유이므로 설계자 과실로 볼 수 없겠죠.

[2단계] 저감계수 등을 검토에 반영 활하중 : 각 부재마다 영향면적에 따른 활하중 저감계수를 적용합니다. 적설하중 : 기준의 기본지상적설하중(Sg) 등고선에서 실제의 Sg값을 선정합니다.               검토시점에서 주변환경 노출계수가 달라졌을 수 있으므로 실제 노출계수를 적용합니다. 풍하중 : 기준의 기본풍속(Vo) 등고선에서 실제의 Vo값을 선정합니다.            검토시점에서 주변환경 지표면조도가 달라졌을 수 있으므로 실제 지표면조도를 적용합니다. 지진하중 : 검토단계에서는 안전측범위에서 보다 세밀한 계산이 필요하므로 발주처의 과업지시서 등에 특별한 주문이 없다면, KDS 41 17 00 '건축물 내진설계기준' 그림3.2-1의 유효지반가속도(S) 등고선에서 실제의 S값을 선정합니다.               또한 설계단계에서 지반조사보고서가 충분하지 않을 때 지반등급을 S4 또는 S5로 가정하는데, 검토단계에서 자료가 있다면 실제의 지반등급으로 적용합니다.

[3단계] 실제 측정값을 검토에 반영 KDS 14 20 90 '기존 콘크리트구조물의 안전성 평가기준' 4.2.1에 따라, 원칙적으로 평가입력값들은 4.1에서 규정한 조사 및 시험에 의해 측정한 값을 근거로 결정합니다. 동 기준 4.2.5에 따라, 구조물의 일반적인 평가에서는 구조물에 작용하는 실제의 하중을 별도로 조사할 필요는 없으나, 보다 정밀한 평가를 위하여 하중조사를 수행한 경우에는 평가에서 이를 반영할 수 있습니다. 정확한 실측으로 실제적인 고정하중 값을 재산정합니다. 설계시 하중표보다 적다면 검토에 부담이 다소 줄어들 수 있으나, 구조체의 두께가 작게 시공된 경우에는 시공변경단계에서 원설계자의 변경검토가 반영되었는지 확인하고, 과대하게 시공되었다면 이역시 원설계자의 변경검토가 반영되었는지 확인하여 실제값을 검토에 반영하여야 합니다.

[4단계] 평가를 위한 하중계수 반영 KDS 41 10 15 '건축구조기준 설계하중' 1.5.1.(2)에 따라, 주차장과 공공집회 장소를 제외하고 기본등분포활하중이 5.0 kN/m2 이하인 용도에 대해서는 식 (1.5-3), 식 (1.5-4) 및 식 (1.5-5)에서 활하중 에 대한 하중계수를 0.5로 감소할 수 있습니다.   식 (1.5-1) : 1.4(D+F)   식 (1.5-2) : 1.2(D+F+T)+1.6L+0.5(Lr 또는 S 또는 R)   식 (1.5-3) : 1.2D+1.6(Lr 또는 S 또는 R)+(1.0L 또는 0.65W) -----> 1.2D+1.6(Lr 또는 S 또는 R)+(0.5L 또는 0.65W)    식 (1.5-4) : 1.2D+1.3W+1.0L+0.5(Lr 또는 S 또는 R) -------------> 1.2D+1.3W+0.5L+0.5(Lr 또는 S 또는 R)   식 (1.5-5) : 1.2D+1.0E+1.0L+0.2S --------------------------------> 1.2D+1.0E+0.5L+0.2S   식 (1.5-6) : 0.9D+1.3W   식 (1.5-7) : 0.9D+1.0E 이미 지어진 콘크리트구조인 경우에는 KDS 14 20 90 '기존 콘크리트구조물의 안전성 평가기준' 4.2.5에 따라, 외력인 소요강도를 구할 때 하중조합에서 고정하중과 활하중의 하중계수는 5%만큼 감소시킬 수 있습니다. <콘크리트구조로서, 일반적인 중력하중에 대한 검토시>   1.4D ----------------------------------------------> 1.33D   1.2D+1.6L ----------------------------------------> 1.14D+1.52L

 

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강도는 정확하게 산정되었는가?

 

기존 설계된 부재의 강도 즉, 내력을 검토하는 것 대하여 사례별로 유의할 사항을 정리해 봅니다.

 

[사례1] 위험단면에서 강도평가 검토시 오류가 많은 사례입니다. 대부분 MIDAS등 유한요소해석프로그램으로 설계하고 검토하는데요. 여기서 해석결과값으로 나오는 Diagram이나, Auto Member Check기능을 사용하죠. 이때 안전측이면 상관 없겠으나, NG라면 한번더 수고를 들여야 합니다. 실제 값으로 검토해야 하지요. 즉 임계단면이라고도 하는 위험단면에서 소요강도를 추출하여 Design+ 또는  BeST 같은 부재설계프로그램에서 소요강도를 입력해 확인해야 합니다. 골조에 대한 유한요소해석을 돕는 Gen과 같은 프로그램들은 기둥과 보요소를 실제의 MASS요소가 아닌 가상의 LINE요소로 계산합니다. 즉 기둥 선요소와 보 선요소가 만나는 NODE에서의 값이 최대소요부휨모멘트와 최대전단소요강도로 출력되는 것입니다. 설계단계에서는 프로그램상의 값들은 충분히 안전측이므로 이 값을 기준으로 부재설계를 하기도 하고, 또는 경제적인 설계를 위해 위험단면에서의 값을 추출하여 부재설계를 추가 실시하기도 합니다. 설계자가 실제값으로 공들여 경제적 설계를 한 것을 가지고, 검토자가 프로그램 결과값만 보면서 NG로 선언하는 경우가 있다면 충분히 분쟁거리가 되고, 결국 검토자가 창피한 상황이 되겠죠.  일례로 휨모멘트에 대해서 살펴보면 프로그램상 기둥-보 접합부에서 부휨모멘트가 최대치라면, 실제 휨에 대한 위험단면은 보를 지지하는 기둥면이므로 프로그램 결과값에 해석방향 기둥 폭의 1/2만큼 이격된 위치에서의 값이 실제 최대휨모멘트가 됩니다. 경우에 따라서 이 차이가 미미할 수도 있지만, 대체로 상당한 차이가 종종있는 부분입니다. 또 전단력에 대해서도 살펴보면 프로그램상 기둥-보 접합부에서 전단소요강도가 최대치라면, 실제 일방향슬래브나 보의 전단에 대한 위험단면은 보를 지지하는 기둥면으로부터 해당부재의 유효춤만큼 이격된 위치에 있습니다. 프로그램상 기둥-보 접합부 NODE에서의 결과값에 해석방향 기둥 폭의 1/2만큼에다가 더 추가하여 보 유효춤 만큼 이격된 위치에서의 전단력이 NET값 즉, 실제의 최재소요전단강도가 됩니다. 이 역시 차이가 미미할 수도 있지만, 대체로 상당한 차이가 종종있는 발생합니다.

[사례2] 콘크리트구조에서 평가를 위한 강도감소계수 적용 이미 지어진 콘크리트구조인 경우에는 KDS 14 20 90 '기존 콘크리트구조물의 안전성 평가기준' 4.2.4에 따라, 일부 증가시킬 수 있습니다. 구조물의 부재치수와 상세, 재료특성, 부재의 손상 및 열화에 의한 단면의 손실과 재료강도의 저하 및 기타 주요 구조조건을 실제 상태 파악을 위한 현장조사를 수행하고 이를 바탕으로 해석적 방법에 의해 내력 평가를 실시하는 경우에는 부재에 따라 강도감소계수를 다음 값을 초과하지 않는 범위에서 증가시킬 수 있습니다. ① KDS 14 20 20(4.1.2(4))에서 정의된 인장지배단면 1.0 ② KDS 14 20 20(4.1.2(3))에서 정의된 압축지배단면     가. KDS 14 20 20(4.3.2)에 따르는 나선철근으로 보강된 부재 0.85     나. 기타 부재 0.80 ③ 전단력 및 비틀림모멘트 0.80 ④ 콘크리트에 작용한 지압력 0.80

[사례3] 철골구조에서 합성보 효과반영 철골구조에서 하중에 부담이 많이 되는 보는 적정한 전단연결재(STUD BOLT) 등으로 데크 슬래브와의 합성효과를 높여 경제적으로 설계하는 것이 일반적입니다. 이에 대해서도 역시 MIDAS Gen에서 소요강도에 대한 Diagram이나, 사용성 검토를 위한 Displacement만을 가지고 NG로 오판하는 초급적 실수가 가끔 있는데, Design+ 또는  BeST 같은 부재설계프로그램에서 합성보로서 부재검토를 필히 한번더 실시해야 합니다.

[사례4] 특별지진하중을 적용받는 하중전이부재 상부에 구조벽체를 지지하는 하중전이보 등에서, 특히 그 벽이 보 전체길이 중 일부만 배치되는 불연속벽체인 경우에는 프로그램상 강한 강성체로서 불연속 단부 위치에서 응력집중으로 실제보다 더 과대한 전단력을 발생시키곤 합니다. 이 부담을 최대한 실질적으로 해석하기 위해서 구조사무실 마다 다양한 방법으로 나름의 노하우를 적용해 안전범위 내에서 경제성을 반영하는데, 검토자의 경우에도 나름의 기법으로 그 이상유무를 판단해야 겠지요. 일반적으로 벽체의 실제적 거동을 구현하기 위하여 일반적으로 아래 3가지 기법 중 하나를 적용하기도 합니다.   1. 부재 Porperty 물성치 중 전이층 상부벽체의 탄성계수를 감소시키는 방법.   2. 전이층 상부벽체를 그 진행방향으로 다수의 분절된 면요소로서 Wall을 분절시켜 모델링하는 방법.   3. 아파트용 ADS프로그램에서 전이층 상부벽체를 다수의 분절된 면요소로서 Meshed Plate로 설정하여 모델링하는 방법.

 

구조실무에서 유한요소해석 프로그램은 구조계산시 생길 수 있는 오류를 최소화시키고 소요되는 시간과 노력을 현저히 낮춰주는 고마운 존재, 조력자입니다.

그러나 프로그램의 한계와 발전가능성을 알지 못하고, 현재의 것을 100% 신뢰한다면 기술자라고 할 수 있을까요?

프로그램 한계상 아직 보여주지 못하는 부분들이 위와 같은 사례보다 수없이 많습니다.

 

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결언

 

구조계산서는 건축구조기술사의 기술적 창의가 녹아든 작품입니다.

 

일반인들이 구조계산서를 볼 기회가 많지는 않지만, 설령 보게 되더라도 수많은 숫자들과 알수 없는 공식들이 나열된 것, 복잡하고 골치 아픈 것으로 여기는 것은 당연합니다.

그러나 전문 기술자라면 경외까지는 아니더라도, 여기에 함축된 기술사의 고민을 어느정도는 읽을 줄 알고 공감할 수 있어야 한다고 생각합니다.

그래야 이해되지 않는 부분에 대해서 그것이 설계자의 실수인지, 아니면 자신이 아직 알지 못하는 수준높은 기법이 적용된 것인지를 끈기있게 살펴볼 마음이 생깁니다.

 

기존의 것을 검토하는 것은 오히려 새롭게 설계하는 것 보다 더 큰 인내심과 노력이 필요한 경우가 많습니다.  끝.