In this dissertation, a new analysis method which is able to examine the safety and to assess the serviceability of high-rise buildings from construction period to service life has been developed. The effect of both construction sequence and inelastic behavior of concrete has been considered in the developed analysis method in three dimensions.
The stiffness matrix of a three-dimensional line element was formulated to describe both structural members such as columns and beams, and nonstructural members such as shores. The Mindlin plate bending element has been used to model the behavior of floor slabs. In order to simulate both the gradual application of the construction dead load and the gradual increase in stiffness of the structure, the stiffness matrices for both the structural members and the temporary members were gradually constructed and added to the global stiffness matrix. It was assumed that there is no load distribution between the members until another new casting of a floor, if there is no additional deformation of the member and no additional external force is applied. Sectional analysis algorithm was applied to the developed analysis program so as to calculate the long-term behavior of structural members induced by creep and drying shrinkage.
The more efficient analysis technique and modeling method for practical use were also suggested. The analysis method for examination of the safety under construction and the one for calculation of column shortening were suggested. The analysis method to examine the safety includes the complicated construction procedure such as shore work and the analysis results provide the load distribution between temporary members and structural members during construction. It was noticed that modeling of the whole structure is unnecessary in order to check the safety during the construction period, since almost the same construction sequences are repeated. For the analysis method to calculate column shortening from construction period to service life, the whole structure is modeled from the ground floor up without arduous modeling of shore work by using ‘equivalent load data’. The equivalent load data for a column element is made of loads of columns with time obtained from the analysis method for examination of the safety, while the one for a beam element and a slab element includes only bending moments caused by gravity dead load.
For verification of the developed analysis method, the data measured in a high-rise building under construction was compared with the analysis results. Through comparison of the analysis results with the measured data, it was found that the analysis results generally simulated the trend of the measured data well in all cases. It was, however, noticed that a better measurement method should be prepared in order to obtain reasonable data for the successful verification. In order to verify the utility of the analysis method for calculation of column shortening, an example analysis was conducted. The results by analysis method for column shortening using the equivalent load data were compared with those by the analysis method for examination of safety including the complicated construction procedure. From the comparison, it was found that the analysis results simulated the results by complicated analysis techniques well. Therefore, the simpler analysis method for calculation of column shortening using the equivalent load data can be useful for more efficient application to construction fields.
Finally, the effect of construction method to safety and serviceability has been examined. The effect of construction cycle and the removal time of shores on both column shortening and deflection of a floor slab was a little small compared with the final strain. It also had little effect on the loads of shores during construction. However, it was noticed that the interval of shores has much effect on both deflection of a floor slab and shore loads during construction. In order to satisfy the safety and the serviceability of high-rise buildings from construction period to service life, these facts should be considered in determination of construction method.
이 논문에서는 초고층 건축물의 시공단계부터 사용단계까지 안전성을 검토하고, 사용성을 평가하기 위해 새로운 해석기법을 개발하였다. 개발된 해석기법은 초고층 건축물의 점진적인 시공단계와 콘크리트 재료의 비탄성 변형을 고려할 수 있으며, 골조효과를 반영함으로써 구조물의 거동을 보다 명확하게 파악하기 위해 3차원 해석기법을 도입하였다.
기둥, 보와 같은 구조 요소와 동바리와 같은 비구조 요소를 모델링하기 위해 3차원 선요소가 사용되었으며, 바닥 슬래브의 거동은 Mindlin 평판 휨요소를 사용하여 모델링하였다. 시공단계에 따라 단계적으로 재하되는 시공하중과 점진적으로 구조물의 강성이 발현되는 현상을 모사하기 위해, 구조 요소 및 비구조 요소에 대한 강성행렬들은 입력된 시공정보에 따라 단계적으로 구성된 후 전체 강성행렬에 조합되었다. 시공과정에서 구조부재와 비구조부재간 또는 구조부재간에 발생하는 하중 분배를 모사하기 위해서, 외부로부터 추가하중이 재하되지 않고, 부재에서 추가적인 변형이 발생하지 않는 경우, 부재들간의 하중 분배는 발생하지 않는다고 가정하였다. 콘크리트의 크리프와 건조수축으로 인해 철근콘크리트 부재에서 발생하는 비탄성 변형을 계산하기 위해 단면해석 알고리즘이 적용되었다.
또한 개발된 해석기법을 바탕으로 해석 목적에 따라 실무에 적용이 가능한 실용적인 모델링 기법과 해석방법을 제안하였다. 보다 효율적인 해석기법의 적용을 위해 시공단계의 안전성을 검토하기 위한 해석기법과 사용단계까지의 기둥축소량을 예측하기 위한 해석기법이 각각 제안되었다. 시공단계의 안전성을 검토하기 위한 해석기법은 동바리 공사와 같은 복잡한 시공과정을 모델링하여 시공단계 중에 발생하는 부재간의 하중 분배를 검토하기 위한 해석기법으로서, 초고층 건축물의 기준층에 대한 해석을 통해 적용된 동바리 시스템에 따라 필요한 층수 만큼만 모델링하도록 제안되었다. 기둥축소량을 예측하기 위한 해석기법은 이 연구에서 제안된 ‘등가 하중 정보’를 이용하여 동바리 공사와 같은 복잡한 시공과정의 모델링 없이 시공단계부터 사용단계에 이르기까지 초고층 건축물에서 발생하는 기둥축소량을 예측할 수 있는 해석기법으로, 구조물 전체를 대상으로 해석이 수행된다. 이때 사용되는 등가하중 정보는 동바리 공사를 모델링하지 않고도 복잡한 시공과정을 모사하기 위해 도입한 가상의 하중 정보이며, 기둥 부재의 경우에는 시공단계 안전성 해석기법의 결과를 이용하여 구성되고, 보나 슬래브 부재는 고정하중으로 인한 휨모멘트만이 작용하중으로 고려된다.
개발된 해석기법의 검증을 위해, 현재 건설중인 초고층 건축물에서 측정한 계측자료와 개발된 해석기법으로 얻은 해석결과를 비교 검토하였으며, 해석결과가 계측자료를 잘 모사한다는 사실이 확인 되었다. 그러나, 추후 연구를 통해 보다 성공적인 검증작업을 수행하기 위해서는 추가적인 계측자료가 확보 되어야 하며, 이와 동시에 정확하고 합리적인 계측기법이 마련되어야 한다. 또한 등가 하중 정보를 이용하여 보다 효율적으로 기둥축소량을 예측하기 위한 해석기법의 유용성을 검증하기 위해 예제해석이 수행되었다. 시공단계의 안전성을 검토하기 위해 복잡한 시공단계를 고려하는 해석기법과 함께 복잡한 시공단계를 모델링하지 않고도 기둥축소량을 합리적으로 예측하기 위한 해석기법 두가지 경우에 대해 해석이 수행되었다. 해석결과의 비교 검토로부터 등가 하중 정보를 이용하여 간편한 방법으로 모델링된 기둥축소량 예측을 위한 해석기법은 시공단계의 안전성 검토를 위한 해석기법의 결과를 잘 모사하고 있음을 알 수 있었다. 이러한 결과를 바탕으로 구조물 설계단계부터 사용단계에 이르기까지 제안된 해석기법을 실무에 적용하기 위한 절차를 제안하였다.
마지막으로 예제해석을 통해 시공방법이 구조물의 사용성과 안전성에 미치는 영향에 대해 검토하였다. 검토결과 시공 사이클과 동바리 제거 일수가 기둥축소량, 바닥 슬래브의 처짐, 그리고 시공과정 중의 동바리 하중에 미치는 영향은 적다는 사실을 알 수 있었다. 이는 초고층 건축물에서 단계적인 시공에 따라 시공하중이 점진적으로 재하되고, 기둥부재의 강성에 비해 매우 작은 하중이 순차적으로 재하되며, 콘크리트의 강도가 초기에 빠른 속도로 발현되기 때문으로 판단되었다. 그러나 동바리 설치 간격(설치된 동바리의 수)은 바닥 슬래브의 처짐과 시공중 동바리 하중에 미치는 영향이 컸으며, 구조물의 사용성과 안전성을 만족시키기 위해 이러한 점이 시공방법 결정에 반드시 고려되어야 함을 제안하였다.
