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활용사례
[Civil & Structural] Great Western 병원 슬래브 설계 (영국)개요
사각의 현장타설 콘크리트 슬래브 설계
철근량 콘타 표시
고유 진동수 검토
TPS Consult사는 영국 Swindon에 있는 Great Western 병원 내에 신축된 철근 콘크리트로 이루어진 검진 센터 각 층의 슬래브와 기둥의 설계 및 해석을 수행하기 위해 LUSAS Civil & Structural을 사용하였다. 철근량 콘크리트 슬래브/벽 설계 마법사를 사용한 정적 해석을 통해 슬래브에 대한 철근 콘타를 볼 수 있었고 설계 모멘트 및 기둥에 대한 수평 전단력을 얻어낼 수 있었다. 동적 해석을 통해서는 설계 허용 기준에 따른 슬래브 요소의 진동에 대한 모드별 주파수를 검토할 수 있었다.
검진 센터는 Great Western병원 부지 내에 지어진 5층짜리 건물이다. 이 건물의 건평은 10,000m²이고 1층 중앙에는 광장이 있다. 옥상에는 기계실과 물탱크가 있으며 이곳은 경량의 강재로 만들어진 지붕 모양의 구조물에 의해 덮여 있다. 각 층은 300mm 두께의 평 슬라브이며 가로 세로 7.2m 격자망에 해당하는 개구부가 있다.
모델링
빌딩 전체를 한 번에 해석하는 데 필요한 시간을 단축시키고자 각 층을 개별적으로 모델링 하였고 각 층의 윗부분과 아랫부분의 기둥과 벽면을 개별적으로 모델링하였다.
Thick Beam 요소로 층의 슬래브 위쪽과 아래쪽 기둥을 모델링을 하였으며 Thick Shell 요소로는 층의 슬래브와 벽면을 모델링 하였다.
기둥을 모델링하고, 슬래브 및 벽면과 기둥을 연결함으로써 모멘트의 연속성을 유지하였으며 기둥과 벽면의 끝부분은 움직이지 못하도록 고정하였으나 기둥의 위쪽 끝부분은 수직 방향으로 움직일 수 있도록 하였다.
하중
자중뿐만 아니라 m²당 1kN의 부분 하중, m²당 1kN의 사용 하중 및 m²당 3kN의 활하중이 모델링 되었다. 기계실이 있는 옥상은 m²당 7.5kN의 활하중이 요구되었고 물탱크가 있는 위치에는 m²당 15kN의 하중이 필요하였다.
영국 설계 기준 BS8110:1997에 따르면 일반적으로 한 경간의 슬래브 설계는 자중의 1.4배, 활하중의 1.6배를 포합하는 하중 조합이 만재하 된 상태에서만 검토하면 충분하다. 그러나, 기계실이 있는 층의 슬래브는 상대적으로 높은 활하중이 요구되므로 다른 조건을 표현하는 하중 상태도 모델링 되어야만 했다. 이러한 측면에서 물탱크에 물이 가득 찼을 때와 비어있을 때의 경우도 모델링 되었다.
기둥과 벽면 설계
프레임 구조는 2개의 층으로만 이루어져 있어 바닥 지지점에서 회전에 대한 구속을 제거한 상태에서의 결과도 검토하였다. 이렇게 함으로써 슬래브 부위에서의 모멘트 발생 가능성에 좀 더 집중할 수 있으며 보수적인 관점에서의 결과를 얻을 수 있었다.
LUSAS 해석을 통해 얻은 결과와 계산값을 각 기둥 별로 비교하였고 가장 큰 값을 상세 설계에 반영하였다. 벽체는 슬래브 연결 부위에서 발생하는 편심 모멘트를 가정하여 별도로 설계되었다.
슬래브 철근 콘타 표시
LUSAS를 사용하여 각 층에 대해 Wood Armer 보강 콘타를 표시하였다. 콘타의 표시 간격은 12, 16, 20, 25mm 크기의 철근들이 구별되도록 조정하되 시공 과정에서의 부분적 절단을 고려하여 10%정도 증가시켜 표시되도록 하였다.
모드별 해석
간단한 추가 입력으로 모드별 해석이 수행되었으며 동적 효과로 인해 가장 심각한 문제가 야기될 수 있을 만한 위치를 알 수 있었다. TPS Consult사의 프로젝트 엔지니어인 Alistair Mugford는 다음과 같이 설명한다.
“단위 면적당 하중값을 등가의 질량으로 환산하여 모델에 적용시킴으로써 각 층별로 허용 한계값과 비교하기 위한 고유 진동수를 얻은 표준 고유치 해석을 수행하였습니다.”
문헌에 있는 자료를 통해 일반적인 층에서는 8Hz, 기계실이 있는 층에서는 5Hz가 안전한 진동 주파수임을 알 수 있었다. 빌딩의 고유 진동수는 모든 경우에서 진동 한계치보다 높았다. 이는 지금까지 수행한 설계 작업이 충분히 만족할 만한 것임을 의미한다.
