건축구조설계의 업무에 따른 엔지니어링 순서 (기초-3)

안녕하세요! 오늘은 건축구조설계의 업무에 따른 엔지니어링 순서에 대해서 알아보도록 하겠습니다. 설계의 기본적인 흐름을 알고 있으면 설계의 전체적인 내용을 확인할 수 있으므로 대략적이지만 알고 있는 게 중요할 거 같아요!

 

건축구조설계는 계획설계, 기본설계, 실시설계, 상세설계의 단계를 거쳐서 최종적인 구조계산서와 구조도면이 완성됩니다. 이러한 과정을 거치면서 건축 입면도, 평면도, 단면도에 따라 설계하중을 산정하고 구조시스템을 결정하고 수직부재와 수평부재를 계획합니다. 이렇게 계획한 구조시스템과 부재들을 해석모델로 구현하고 구조해석을 수행합니다. 이 과정에서 부재 단면해석과 변형 등을 검토하고 최종적으로 보고서를 작성하게 됩니다.

 

그렇다면 이제부터 각 단계에서 진행되는 과정을 알아보도록 합시다!

 

 

1. 건축설계사무소 -> 건축도면

처음으로 건축설계사무소에서 발주처와 협의하여 건축도면을 작성합니다. 이 건축도면이 최종도면은 아니지만 평면도, 입면도, 단면도 등을 확인해서 이에 적합한 구조설계를 하기 위한 밑그림이 됩니다. 건축설계사무소에서 이렇게 도면을 작성해서 건축구조설계사무소로 전달하면 이때부터 본격적인 구조설계가 시작되고 지속적으로 건축설계사무소와 협의하여 발주처에서 요구하는 적절한 구조설계를 진행합니다.

 

2. 설계하중 산정 (외력의 결정)

설계하중 산정은 외력을 결정하는 과정입니다. 예측할 수 있는 모든 하중에 대해 구조물이 저항할 수 있도록 하기 위해서는 적절한 설계하중을 산정해야 합니다. 이러한 설계하중에는 고정하중, 활하중, 지진하중, 풍하중, 적설하중 등이 있습니다. 이러한 설계하중은 KDS기준에 따라 적절히 산정하게 됩니다. 이렇게 산정된 하중은 여러 가지 하중조합으로 만들어 해석모델에 반영합니다. 이러한 하중조합 계수는 확률에 근거하여 결정되어 기준에 제시되어 있습니다.

 

3. 구조시스템 결정

구조시스템의 결정은 구조설계에서 굉장히 중요한 부분입니다. 대부분에 사람들이 거주하고 있는 아파트는 전단벽의 구조형식을 가지고 있고, 상가 같은 경우에는 모멘트 골조, 플랜트의 경우에는 철골구조 형식으로 일반적으로 설계를 수행합니다. 그러므로 건축물의 용도와 규모에 따라 사용 재료를 결정하고 기초형식 (MAT, 줄기초, 독립기초, 지내력기초, 파일기초), 구조시스템 (모멘트골조, 보통전단벽시스템, 합성구조) 등을 상황에 맞게 고려하여 결정합니다. 이러한 결정은 발주처의 요구에 따라 결정되는 경우도 있고 경제적인 시스템으로 결정하기도 합니다!

 

4. 평면계획 / 수직부재 및 수평부재 계획

구조시스템을 결정했으면 적절하게 수직부재(기둥, 전단벽)을 배치하고 이에 따라 거더와 보를 배치합니다. 여기서 기둥의 주 방향, 스팬, 보의 방향 등을 결정합니다. 또한 다이아프램 역할을 하는 슬래브의 종류(콘크리트 슬래브, 데크 슬래브 등) 결정하여 설계를 진행합니다.

 

5. 구조해석

구조해석은 계획된 내용을 바탕으로 해석모델을 만들어 수치해석을 하는 과정입니다. 복잡한 구조물을 손으로 전부 다 계산하는 건 어려운 일입니다. 다행히도 요즘에는 구조해석 프로그램을 이용하여 복잡한 구조물을 해석할 수 있게 되었습니다. 우리나라에서는 MIDAS GEN 프로그램을 많이 사용합니다. 또한, 미국에서 유명한 CSI사의 ETABS / SAP2000 / Perform3D 등이 있습니다. 이러한 해석프로그램을 사용하는 건 나중에 한 번 다뤄보도록 하겠습니다.

 

6. 단면설계 / 변형검토

구조해석 결과를 바탕으로 구조부재의 단면을 검토하고 부재 강도가 설계하중에 의한 소요강도보다 크도록 단면을 변경합니다. 콘크리트 부재의 경우에는 단면의 크기 혹은 전단보강근 및 휨보강근 등을 변경합니다. 철골 부재의 경우에는 적절한 단면으로 변경할 수 있습니다. 또한 부재의 강도뿐만 아니라 변형도 검토를 수행해야 합니다. 변형은 사용성과 관련이 있고 혹은 부재의 연성능력과도 관련이 있습니다. 너무 큰 변형이 발생하면 부재의 처짐으로 인해 건축물을 사용하는 사용자에게 불편함이 있을 수 있습니다. 그리고 부재의 변형능력이 없으면 취성적인 파괴가 발생할 수 있기 때문에 적절한 연성능력을 보유하게 설계하는 것도 중요합니다. 이러한 부재를 설계하기 위해서 BeST, MIDAS DESIGN+ 등의 프로그램을 이용하여 설계하기도 하고 KDS기준을 참고하여 기준에 적합한지 검토합니다.

 

7. 보고서 작성

최종적으로 결정된 구조설계를 바탕으로 구조계산서, 설계도면 등의 보고서를 작성하여 제출하면 구조설계 과정이 끝납니다.

 

 

 

지금은 간단하게 건축구조설계의 업무에 따른 엔지니어링 순서를 설명해 드렸습니다. 하지만 실제 실무에서는 1~3단계까지 설계가 진행되었지만, 다양한 상황에 따라 처음부터 다시 시작해야 하는 경우들이 많이 발생합니다. 또한 구조설계의 순서는 공법 및 현장 상황에 따라 바뀌기도 합니다. 하지만 일반적인 구조설계의 순서를 알고 그 과정에서 어떤 엔지니어링이 필요한지 알고 있으면 좋을 거 같다는 생각이 듭니다. 오늘 하루도 고생하셨습니다!😊