비정형 형상의 초고층 건물이 증가함에 따라, 설계 시공 계획 단계에서의 시공 중 건물의 구조적 안정성 검토가 핵심 사항으로 부각되고 있다. 시공 중 비정형 초고층 건물의 안정성을 확보하기 위해서는, 횡력저항시스템이 완전히 형성되기 전 구조체 자중의 불균형 분포에 의해 발생하는 수직부재의 불균등 축소, 골조의 기울어짐 혹은 횡변위 등이 시공단계해석에 의하여 검토되어야 하며, 시공단계해석은 구조건전성모니터링, 시공 보정 프로그램, 시공계획 수립 등과 체계적으로 결합되어 진행되어야 한다. 이 논문은 시공 중 비정형 초고층 건물의 구조 안정성 검토를 위하여, 실제 비정형 초고층 프로젝트에 시공단계해석을 적용하였으며, 시공 중 초고층 건물의 안정성 확보를 위한 주요 검토 항목 및 방법을 제시하였다.
본 연구의 목적은 플랜트 건설에서 현장시공과 모듈시공에 대한 공사비를 산정하여 비교하는 것으로 공사비를 산정하는 대상을 Pipe Rack으로 한정하였다. 이에, 현장시공으로 준공된 국내 석유화학플랜트 건설사업 1곳을 사례로 선정한 후 비용자료를 조사하여 도출된 결과는 다음과 같다. Pipe Rack의 현장시공에 대한 직접공사비는 560억원으로 Steel Structure 251억원, Piping 308억원이며, 모듈시공에 대한 직접공사비는 607억원으로 Steel Structure 238억원, Piping 297억원으로 산정되었다. 또한, 현장시공과 모듈시공의 증감률을 비교해 보면, 재료비 1.9%, 경비 192.1% 증액되었으나, 노무비는 -9.1% 감액되어, 전체 직접공사비는 8.4%(47억원)가 증액되었다. 그리고 공사원가는 현장시공이 761억원, 모듈시공은 810억원으로 모듈시공이 6.4%(49억원) 증액되는 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 Pipe Rack을 모듈로 시공하는 경우 공사비가 증감되는 현황을 확인하기 위한 참고자료로 활용이 용이한 반면에, 모듈시공에 따른 간접적인 효과(노무인력 감소, 안전사고 발생 감소, 공사기간 단축 등)에 대한 연구가 필요하다.
최근 상당기간과 공사비를 최소화할 수 있는 비정형 건축물의 설계와 시공이 새로운 기술로 구현되고 있다. 이는 비정형 건축물의 최적화 설계와 부재화를 통한 공장 생산 시스템과 현장 조립 및 설치 기술로 가능하다. 비정형 건축물의 구현을 위한 연구가 진행되어 왔으나 여전히 비정형 건축물 시공은 설계오류와 시공자의 도면이해 부족, 시공경험 및 공법의 부재 등으로 인하여 시공 품질과 공기, 공사비 증가 등의 잠재적 리스크를 포함하고 있다. 비정형 건축물의 시공품질 향상과 공기단축 및 시공비 상승의 문제점을 해결하기 위한 3D 디지털 설계와 제작 기술을 적용하는 것이 중요하다. 이에 본 연구는 비정형 구조물의 시공성을 고려한 3차원 디지털 설계 최적화 프로세스를 제안한다. 궁극적으로 본 연구는 비정형 구조물의 구조검토, CNC(Computerized Numerical Control) 가공에 의한 부재의 정밀제작, 설치, 시공의 오차관리로 최적 시공의 근간이 되는 비정형 건축물 외피 시스템 구현을 위한 최적화 설계 프로세스를 제시한다.본 연구는 비정형 건축물을 구현한 사례를 살펴보고 디지털 설계 프로세스와 적용 프로그램을 살펴본다. 비정형 건축물의 설계도의 3D 디지털 데이터 구축과 디지털 최적화 구현 사례로 4대강 대표 물문화관(The ARC)을 중심으로 설계단계에서 적용된 최적화 기법을 순차적으로 분석하여 비정형 건축물의 3차원 좌표제어에 대한 방법론을 제시한다.
본 논문은 초고층구조물의 해석방법으로 탄성변형과 아울러 시간의존성을 가진 크리프와 건조수축에 의한 비탄성변형을 고려한 비선형 시공단계 해석법을 제시한다. 기존의 초고층구조물 해석에서 주로 행하는 기둥 축소량 해석은 실무자의 경험과 프로그램을 통한 간략화에 맞추어져 있다. 이는 실제 시공 시 발생하는 구조해석 요소들을 충분히 반영하지 못하여 계산 값과 실제 값 사이에 오차가 발생된다. 비선형 시공단계 해석은 실제 시공 때 발생되는 해석변수들을 고려한 단계별 해석의 수행이 가능하며, 시간의 의존성을 가진 creep과 shrinkage의 효과를 함께 고려하여 일괄해석의 문제점을 구조해석 단계에서 실제상황에 가까운 해석을 가능하게 할 수 있다. 이를 위해 시공단계해석이 가능한 범용 프로그램을 이용한 50층 규모의 3차원 골조 프레임 모델 예제 해석을 통하여 기존 해석법들과의 비교, 분석으로 시간의 의존성을 고려한 시공단계해석의 필요성을 제시한다. 본 논문에는 범용프로그램인 SAP2000(ver.14)와 CEB-FIP모델 코드를 사용 하였다.
비정형 초고층 건물의 계획 및 시공이 늘어남에 따라 이 연구에서는 프로토타입 모델에 대한 시공단계해석의 적용을 통하여 비정형 초고층 건물의 시공 중 구조적 거동을 분석하고자 하였다. 비틀림 초고층 건물을 대상으로 횡력저항시스템, 비틀림각도, 공법 조건에 따른 총 18개의 모델을 선정하였다. 횡력저항시스템으로는 다이아그리드 시스템과 가새튜브 시스템을 적용하였으며, 각 횡력저항시스템별로 $0^{\circ}$, $1^{\circ}$, $2^{\circ}$ 비틀림각도를 갖는 세 가지 평면 형태와 외곽 튜브와 내부 골조의 시공순서에 따른 세 가지 공법을 가정하였다. 시공 중인 초고층 건물의 구조적 성능은 시공단계해석의 횡변위 결과를 통하여 분석되었으며, 골조 공기와 최대 양중량과 같은 시공성능이 함께 비교되었다.
도시의 기능이 날로 커져가고 땅속 지하매설물은 포화상태에 이르렀다. 또한 시민들의 의식 수준이 높아가면서 도시에서의 굴착시공은 민원유발과 교통소통장애 문제로 날로 어려워지고 있는 것이 현실이다. KT에서는 무인 및 유인 통신구를 건설할 수 있는 장비를 이미 개발한바 있으며, 본 연구를 통해 도심지에서 보다 효율적으로 통신관로 ${\Phi}50mm,\;{\Phi}150mm,\;{\Phi}300mm$를 시공할 수 있는 장비를 개발하게 되었다. 도시는 복잡하기 때문에 비개착 시공에 있어서 시공 점용면적이 상대적으로 많을 경우 어려움을 겪게된다. 소구경 비개착 장비인 XS-300은 길이 1.45m 폭 0.8m 높이 0.97m 이며 중량은 700kg인 소형장비인 것이 특징이다. XS-300은 도심지에서 통신맨홀 터파기 부분을 압입구로 활용할 수 있으며 경제적인 비용으로 개착식 시공이 불가한 구간에 대한 인입관로 구성과 지하장애물 하월시공, 도로횡단 시공 시에 적합한 장비이다. 특히 타 시설물을 관통한 불량통신시설과 재해에 취약한 통신시설에 대해 안전하고 경제적인 비용으로 이설시공을 할 수 있으며 통신인프라 기초시설 안정화 및 품질고도화에 기여할 수 있을 것이다.
최근 건축은 정형의 건축물의 외관과 설계 범위를 벗어난 비정형의 설계, 시각화, 3차원 모델 구현이 이루어지고 있다. 일반 정형건축물과는 달리 비정형건축물의 지붕과 외벽은 디자인 중심의 외벽시스템과 배수, 방수의 성능을 지닌 지붕마감시스템으로 설계되고 시공되었다. 그러나 비정형 건축물은 외벽과 지붕의 구분이 없어지고 외피로의 개념으로 통합된다. 또한 건축설계의 디자인 트렌드가 정형에서 비정형의 자유로운 형태로 급변하고 있어 각종 현상설계 및 턴키 등 설계경기의 당선을 위하여 비정형의 건축물이 자주 등장하고 있다. 기존 비정형 건축구조물의 곡면외피를 시공하기 위해서는 스틸 각파이프나 C형강으로 비정형 형태를 만들고 거기에 외장을 시공한다. 그러나 이는 공사 기간 지연과 높은 공사비용이 소요되는 문제점이 있다. 제작, 설치, 검측 후 비정형 패널의 부착 오류, 줄눈의 불일치, 곡면의 직선 시공 등의 오류가 매우 빈번히 발생하고 있다. 이에 본 연구는 3차원 좌표제어 기술의 하나인 CNC Twisted Tube 공법을 적용한 구조체의 시공과정을 면밀히 검토하여 3차원 좌표제어 기술로 비정형 건축물의 구현 방안을 제시한다.
공동주택의 에너지 의무 절감률이 현재 40%에서 2017년에는 60%까지 단계적으로 상향 조정되면서 에너지 절감을 위해 외단열 공법이 주목받고 있다. 그러나 기존 외단열 공법은 내단열 공법에 비해 추가되는 공사비와 공사기간으로 인해 활성화가 미흡한 실정이다. 따라서 본 연구는 외단열공사와 골조공사를 연속적으로 시공함으로서 공사기간을 단축하고 공사비를 절감할 수 있는 외단열 적층시공 공법의 개념모델을 개발하고 사례적용을 통해 공법의 타당성을 검증하였다. 연구결과 외단열 적층시공 공법은 기존의 외단열 공법에 비해 6.7%의 공기절감 효과와 13%의 외단열 공사비 절감효과가 있는 것으로 나타났다. 본 연구의 결과인 적층시공 공법은 외단열 공법적용의 저해요소를 해결하여 향후 외단열 공법 활성화에 기여할 것으로 기대된다.
본 논문에서는 동절기 소방배관의 동파방지를 위한 열선의 직선 시공과 감기 시공의 효과를 수치해석을 통하여 분석하였다. 두 시공법들의 효과 분석을 위하여 3차원 에너지방정식과 비정상 비압축성 Navier-Stokes 방적식의 비정상 해를 구하였다. 수치해석에서 물의 자연대류와 소방 배관의 열전도 방정식이 상호작용을 하므로 복합열전달 해석을 상용코드 ANSYS-FLUENT에서 제공하는 압력-속도 연성기법들 중의 하나인 SIMPLE 알고리즘을 이용하여 수행하였다. 수치해석을 통하여 시간에 따른 배관 내의 유동장 및 온도분포와 배관 내 물의 최대 및 최소온도 변화를 고찰하였다. 수치해석 결과 배관 단위 길이 당 투입열량이 동일한 경우에 감기 시공과 직선 시공의 동파방지 효과는 거의 동일함을 확인하였다. 따라서, 열선 손상과 단락 등을 고려하면 직선 시공이 더 나은 시공법이라 판단된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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