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보고서 상세정보

초고층 건물 부등축소량 예측기법과 최적 보정기법의 개발 및 실용화
Utilization and Development of Prediction and Compensation Methods for Differential Column Shortening in High-Rise Buildings

  • 주관연구기관

    대한건축학회
    Architectural Institute of Korea

  • 연구책임자

    이원호

  • 참여연구자

    박효선   최항   이정한   한정원   문경신   이정철   권윤한   박진우   정석창   주영규   천성철   ...  

  • 보고서유형

    최종보고서

  • 발행국가

    대한민국

  • 언어

    한국어

  • 발행년월

    2002-02

  • 주관부처

    건설교통부

  • 사업 관리 기관

    건설교통부
    Ministry Construction & Transportation

  • 등록번호

    TRKO201000019194

  • DB 구축일자

    2013-04-18

  • 초록 


    1. Verifying the Prediction Algorithm
    Theoretical equation to compute amount of column shortening PCA(Portland Cement Associat...

    1. Verifying the Prediction Algorithm
    Theoretical equation to compute amount of column shortening PCA(Portland Cement Association) was made up by H. G. Russell, M. Fintel, and S. K. Ghosh based on ACT-Code. ACT Model, CEB-FIP Model, and BP Model are verified and analyzed with material test, SRC member test, and measuring at the site.
    2. Experiment and Measuring at the Site
    To develope and verify the prediction and the compensation program, material test, SRC column test and site monitoring were carried out.
    A. Material Test
    Compressive test of concrete, tensile test of reinforcements, and creep and shrinkage tests were carried out.
    B. SRC Member Test
    Four SRC columns are manufactured with the 1/3 scale and tested in the laboratory unit. The main variables are compressive strength of concrete, ratio of reinforcements, and construction time.
    C. Site Measurement
    For development and verifying the prediction program, the shortenings of SRC columns, RC columns, and RC core walls with material test in Tower Palace II site and Trump World Tower site were measured at the site.
    3. Development of Prediction Program
    Estimating program for column shortening has not been developed in Korea. But in case of foreign country, a few program have been developed and used to estimate column shortening. But it is difficult to estimate shortening for vertical structural members because developed program was not opened to the public.
    For development of prediction program, prediction algorithm were investigated. And, results of the test and measuring the site were applied.
    4. Development of Optimum Compensation Algorithms
    Differential shortenings of columns in a high-rise building must be considered in the design process to avoid unexpected damages in structural and nonstructural elements. While research activity has been reported in the literature on the development of estimation algorithms or prediction procedures of elastic and inelastic column shortenings, no algorithms or systematic methods for compensation of differential shortenings has been reported. In this research, a compensation method for differential column shortenings in a high rise is formulated as an optimization problem. The simulated annealing algorithm is used to find optimal solutions.
    5. Compensation Techniques
    Compensation detail of the existing high-rise buildings is investigated. For the case study, AT&T building, Telekom H.Q building, Jin Mao Tower, and KLCC Tower are investigated and analyzed.


    1. 예측 알고리즘 분석
    제안된 수직부재 축소량 예측 모델로는 ACI 모델, CEB-FIP 모델, Bazant교수의 예측모델 등 여러 예측 모델식이 나와 있다. 본 연구에서는 이러한 다양한 모델들을 분석하고, 재료실험 결과, ...

    1. 예측 알고리즘 분석
    제안된 수직부재 축소량 예측 모델로는 ACI 모델, CEB-FIP 모델, Bazant교수의 예측모델 등 여러 예측 모델식이 나와 있다. 본 연구에서는 이러한 다양한 모델들을 분석하고, 재료실험 결과, 부재실험 결과, 그리고 현장계측 결과와 각 예측 모델의 해석 결과와의 비교를 통하여 예측프로그램의 기본 알고리즘을 구축하고자 한다.
    2. 실험 및 현장계측
    가. 재료실험
    수직부재 축소량 계산에 있어서 탄성 축소량은 역학적인 관점에서 쉽게 계산될 수 있다. 그러나 건조수축 축소량, 크리프 축소량과 같은 비탄성 축소량은 재료적인 관점에서 계산을 수행하여야 한다. 본 연구에서는 SRC 축소 모형 실험체 및 현장계측 부재의 타설 시 공시체를 제작하여 재령별 콘크리트의 압축강도 실험, 건조수축 실험 그리고 크리프 실험을 수행하고자 하며 본 협동연구팀에서 수행된 실험자료를 이용하여 협동연구팀의 기둥축소량 해석법 개발에 사용되며 현장 보정을 위한 기초자료로 사용한다.
    나. SRC 부재 실험
    SRC 부재의 경우, 콘크리트는 일반 강도보다는 고강도, 고유동성의 재질을 많이 사용하고 있고 또한 철근과 콘크리트의 부착 정도에 따라 부재의 축소량 현상이 변하게 된다. 그리고 형강 등이 내부에 사용되어 콘크리트의 건조수축의 감소도 별도로 평가가 되어야 한다. 특히 이 분야에 있어서는 국제적으로도 연구가 미진한 실정이다. 본 연구에서는 실제건물의 기둥을 축소 모델링하여 실험하여 SRC 기둥의 변수별 영향 평가를 하고자 한다. 본 연구팀에서 수행된 실험결과는 협동연구팀에 해석법 및 보정법 개발의 기본 자료로 사용한다.
    다. 현장 계측
    본 연구팀에서는 재료실험을 근거로 하여 기존 현장에서 실제 계측된 데이터를 획득 및 분석하여 해석법의 실용성을 확보한다.
    3. 예측 프로그램 개발
    수직구조부재의 축소량을 계산하기 위한 전산해석 프로그램의 경우, 국내 및 국외에서 개발이 이루어지고는 있지만, 공개되어 있지 않으므로 수직구조부재의 축소량을 계산하는데 있어서 많은 어려움이 따른다. 따라서 본 연구에서는 고강도 콘크리트 기둥 및 SRC기둥 등의 예측기법을 재료실험, 부채실험, 그리고 현장계측 결과 값의 비교와 예측 모델분석을 통해 구축한 알고리즘을 바탕으로 예측 프로그램을 개발하고자 한다.
    4. 최적보정 알고리즘 개발
    본 연구에서는 초고층 구조물의 요소기술중 하나인 수직재 축소량 보정기법을 수학적 표현으로 정식화하여 최적 문제로 구성하고자 한다. 프로그램에 사용된 최적 알고리즘은 전역적인 해의 탐색이 가능한 조합적 최적화 기법중 하나인 S.A.(simulated annealing)기법을 이용하여 개발한다. 즉, 수직부재축소량은 각각의 기둥별로 두가지의 값을 지니게 되는데, 예측알고리즘을 통해 구해진 예측량 즉, 계산된 수직부재의 실제 축소량과 그룹화를 통해 형성된 각 그룹별 실제 보정량이다. 최적보정기법은 임의의 층 기둥축소 예측량(δ_{p}), 실제로 조정하는 보정량(δ_{c})으로 구성된다. 이상적인 보정의 경우는 모든 층에서 예측량(δ_{p})과 보정량(δ_{c})이 같아지면서 δ_{p} = δ_{c}가 성립하게 된다. 그러나 매 층별 보정은 현실적으로 어렵기 때문에 δ_{p} ≠δ_{c}가 되며, 몇 개의 층을 그룹으로 취급하여 보정하므로 각 층에는 다음 그림과 같이 보정오차 δ_{e} = δ_{p} - δ_{c} 가 발생한다. 최적화 문제의 목적함수는 같은 량의 보정 값을 가지는 그룹의 수로 표현하며 제약함수는 각층의 보정오차가 층별 허용치(θ_{s})를 그리고 각 그룹 내 포함된 층들의 보정오차의 합은 그룹별 허용치(θ_{g})를 만족하도록 표현하면 다음과 같이 정식화된다. 최적화 문제로 정식화된 고층건물 기둥의 부등축소량 최적보정법은 다음의 두 가지 식(1), (2)와 같이 표현된다.
    이상과 같이 정식화된 최적 보정기법 해는 S.A.(simulated annealing) 알고리즘을 이용하여 찾는다.
    이상과 같이 개발된 최적보정알고리즘의 효율성을 평가하기 위해 PCA 보고서에서 소개된 80층 예제 건축물의 기둥별 절대 축소량과 부등축소량을 보정하고자 한다.
    또한 개발된 알고리즘의 실용성을 평가하기 위해서, 실제 국내에서 건설된 초고층 프로젝트에서 적용된 보정법과 본 연구에서 개발된 알고리즘에 의한 보정법과의 비교·분석을 수행하고자 한다. 본 연구의 최종 목표인 합리적이고 효율적인 부등기둥축소량 최적보정기법의 개발과 적용을 통한 초고층 건물의 사용성 및 안전성 확보는 구조시스템별 부등축소량 분석, 분석된 축소량을 이용한 최적보정 알고리즘 개발, 그리고 적용 및 평가·분석 등의 연구내용으로 구성된다.
    5. 수직부재 축소량에 대한 보정기법
    일반적으로 저층 건물에서는 수직부재에 가해지는 응력이 작고 그 층수가 낮아 누적된 수직부재의 축소량은 무시할 수 있을 정도로 작다. 그러나 건물이 고층화됨에 따라 수직부재에 작용하는 큰 수직하중은 기둥 및 전단벽 등의 수직부재를 과도하게 축소하게 하고, 이로 인하여 실제로 지어진 구조물의 높이는 설계에서 계획된 높이와 다를 것이다. 더욱이 각 수직부재에 작용하는 수직하중의 차이에 따른 수직부재간의 부등축소량(differential shorteniag)은 보, 슬래브, 칸막이 등의 수평부재를 기울어지게 하고 이는 건물의 완공 후 입주한 거주자들의 사용성에 문제를 일으키고 더욱이 수평부재의 타설 후 발생하는 부등축소량은 수평부재에 부가적인 응력을 유발한다. 특히 거대한 아웃리거(outrigger)를 사용하는 초고층건물의 경우에는 아웃리거에 작용하는 부가응력이 매우 크므로 이러한 기둥축소량의 영향이 반드시 고려되어야 한다.
    따라서 본 연구에서는 보정기법을 소개하고, 기존 초고층 건물 공사 사례별 보정기법을 분석하여 구조 시스템 별 보정 상세를 정량화하고자 한다.
    6. 예측기법 및 보정기법의 실용화
    본 연구팀에서 수행한 전체적인 연구내용의 실용화 검증을 위하여 실제 공사중인 건물을 예제로 선택하여 축소량 예측을 수행하며, 예측한 축소량으로 최적 보정량을 산출하고자 한다. 보정기법의 적용을 위하여 산출된 보정량으로 보정안을 제시하고자 한다.


  • 목차(Contents) 

    1. 표지 ...1
    2. 요약문 ...2
    3. SUMMARY ...11
    4. 제1장 서론 ...17
    5. 제1절 연구의 목적 및 필요성 ...17
    6. 제2절 연구범위 ...20
    7. 1. 예측 알고리즘 분석 ...20
    8. 2. 실험 및 현장계측 ...21
    9. 3. 예측 프...
    1. 표지 ...1
    2. 요약문 ...2
    3. SUMMARY ...11
    4. 제1장 서론 ...17
    5. 제1절 연구의 목적 및 필요성 ...17
    6. 제2절 연구범위 ...20
    7. 1. 예측 알고리즘 분석 ...20
    8. 2. 실험 및 현장계측 ...21
    9. 3. 예측 프로그램 개발 ...22
    10. 4. 최적 보정 프로그램 개발 ...24
    11. 5. 수직부재 축소량에 대한 보정기법 ...25
    12. 6. 예측기법 및 보정기법의 실용화 ...26
    13. 제2장 국내.외 기술개발 현황 ...26
    14. 제1절 연구현황 ...27
    15. 1. 국내 연구현황 ...27
    16. 2. 국외 연구현황 ...27
    17. 제2절 연구현황 분석 ...28
    18. 1. 국내 연구현황 분석 ...28
    19. 2. 국외 연구현황 분석 ...29
    20. 제3절 연구개발에 따른 파급효과 ...33
    21. 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ...34
    22. 제1절 예측 알고리즘 분석 ...34
    23. 1. 일반사항 ...34
    24. 2. 예측 알고리즘 ...36
    25. 제2절 실험 및 현장계측 ...83
    26. 1. 일반사항 ...83
    27. 2. SRC 부재 실험 ...85
    28. 가. 실험체 설계 ...85
    29. 나. 재료실험 ...89
    30. 다. 실험결과 ...98
    31. 3. 현장계측 ...106
    32. 가. 계측 개요 ...106
    33. 나. 재료실험 ...108
    34. 다. 계측결과 ...110
    35. 제3절 예측 프로그램 개발 ...128
    36. 1. 일반사항 ...128
    37. 2. 여측 프로그램 적용 알고리즘 ...129
    38. 3. 프로그램 구성 ...148
    39. 가. 프로그램 사양 ...148
    40. 나. 프로그램 입력 및 출력 ...149
    41. 4. 예측 프로그램의 검증 ...153
    42. 가. 검증 예제의 선정 ...153
    43. 나. 축소량 예측 및 검증 ...156
    44. 5. 실험결과 몇 현장계측결과와 예측결과 비교 ...166
    45. 가. 실험결과와 예측결과와 비교 ...166
    46. 나. 현장계측 결과와 예측결과 비교 ...167
    47. 제4절 최적 보정 알고리즘 개발 ...169
    48. 1. 일반사항 ...169
    49. 2. 최적 보정 프로그램 적용 알고리즘 ...171
    50. 가. SA(simulated annealing) 알고리즘 ...171
    51. 나. 최적화 문제의 정식화 ...171
    52. 3. 프로그램 구성 ...176
    53. 가. 프로그램 사양 ...176
    54. 나. 프로그램 입력 및 출력 ...176
    55. 4. 최적 보정 프로그램의 검증 ...177
    56. 가. PCA 80층 예제모델 ...177
    57. 나. 66층 주상복합 건물 ...186
    58. 제5절 수적부재 축소량에 대한 보정기법 ...219
    59. 1. 일반사항 ...219
    60. 2. 수직부재 축소량에 따른 영향 ...220
    61. 가. 공사진행에 따른 수직부재의 부등축소 ...220
    62. 나. 바닥의 수평유지 ...223
    63. 3. 수직부재 축소량 보정기법의 정량화 ...223
    64. 가. 보정기법 ...223
    65. 나. 보정기법의 적용 예 ...226
    66. 다. 보정기법의 정량화 ...250
    67. 제6절 예측기법 및 보정기법의 실용화 ...262
    68. 1. 일반사항 ...263
    69. 가. 축소량 예측 ...263
    70. 나. 예측에 따른 보정량 산정 ...270
    71. 다. 보정기법의 적용 ...276
    72. 제7절 결론 ...279
    73. 1. 요약 ...279
    74. 2. 결론 ...281
    75. 가. 예측 알고리즘 분석 ...281
    76. 나. 실험 및 현장계측 ...281
    77. 다. 예측 프로그램 개발 ...282
    78. 라. 최적보정 프로그램 ...282
    79. 마. 수직부재 축소량에 대한 보정기법 ...283
    80. 아. 예측기법 및 보정기법의 실용화 ...284
    81. 제4장 연구개발목표 달성도 및 대외 기여도 ...284
    82. 제5장 연구개발결과의 활용계획 ...285
    83. 부록 ...285
    84. 부록 1. 실험 및 현장계측 사진 ...285
    85. 부록 2. 사용자 매뉴얼 ...313
    86. 참고문헌 ...357
  • 참고문헌

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