050. 기둥축소(Column Shortening)의 발생원인 / 탄성변형과 비탄성 변형

건축시공기술사 기출해설 | 2015-04-10 오후 1:57:59 | 조회수 : 16285 | 공개

050. 기둥축소(Column Shortening)의 발생원인 / 탄성변형과 비탄성 변형

*시공71회-논술-15. Column shortening에 있어서 탄성변형과 비탄성 변형에 대하여 설명하시오.
*시공74회4교시-6. 콘크리트 Column Shortening 발생원인을 요인별로 설명하시오.
*시공80회1교시-2. Column Shortening
*시공84회4교시-3. 고층건물의 column shortening에 의한 부등(不等)축소량 발생시 커튼월 공사의 조인트 설계보정 계획과 현장 설치시 보정계획에 대하여 기술하시오.
*시공89회2교시-4. 초고층 건축공사에서 기둥부등축소현상(Column Shortening)의 발생원인, 문제점 및 대책에 대하여 설명하시오.
*96회1교시-8. Column shortening

[해설]
1. 개요
-건물이 초고층화 되어짐에 따라 기둥은 수직 및 횡하중의 증가로 인해 큰 압축력을 받게 되어 축소로 인한 기둥간의 변위차를 유발시킨다.

-일반적으로 철근콘크리트 수직요소의 축소현상은 탄성수축, 크리프, 건조수축등의 다양한 영향요소의 조합으로 구송되지만, 철골 수직요소는 탄성수축에 의해서만 영향을 받으므로 탄성축소량을 산정하여 그 축소량을 용이하게 계산할 수 있다.

2. 축소(변형)의 종류
(1)탄성적 축소
-콘크리트는 탄성 범위내에서 하중을 받는 만큼 수축하고 하중을 제거하면 변형도 사라짐
-기둥도 수직하중 크기에 비례하고 탄성계수와 단면적에 반비례하여 수축량을 발생시킨다.
-탄성적 축소량은 하중을 제거하면 즉시 복구되는 탄성적 성질을 가지고 있으므로 정확한 하중을 헤아린다면 그에 맞는 축소량을 상당히 정확히 계산할 수 있다.

(2)Creep에 의한 비탄성적 축소
-하중이 장기간 지속되면 해당 하중을 제거하더라도 일정부분의 변형이 잔존하는 현상을 Creep로 정의한다.
-일반적으로 Creep는 지속적인 Stress에 노출되어 길이가 수축하는 것으로 정의
-Creep는 Drying Creep과 Basic Creep로 구분

-Drying Creep는 단면내의 수분이 주변 환경으로 계속 배출되는 상황에서 발생되는 Creep
-이러한 조건은 하중재하의 조기단계에서 발생

-Basic Creep는 콘크리트가 수분의 평형에 도달된 시점이후에 발생된다.
-Creep로 인한 움직임은 최초의 하중재하 시점과 이어지는 하중재하 증가속도에 깊이 의존한다.

-타설후 불과 며칠만에 재하하는 것은 한달후 재하하는 것보다 매우 큰 폭의 Creep량을 발생시킨다.
-Concrete라는 재료는 골재와 골재가 Cement로 연결되어진 다공질 재료이므로 Creep현상은 금속에서보다 훨씬 큰 비중을 차지한다.

(3)Shrinkage에 의한 비탄성적 축소
-콘크리트는 화학작용을 하면서 수분의 이동없이 발생되는 Chemical Shrinkage(수화수축)와 수분이 증발하면서 수반되는 Drying Shrinkage(건조수축)가 발생된다.
-고강도콘크리트에서는 Chemical Shrinkage의 일부인 Autogeneous Shrinkage(자기수축)가 중요한 부분을 차지한다.

-Autogeneous Shrinkage의 영향인자는 표면적/체적비, 물시멘트비, 주변환경요건 등이다.
-Autogeneous Shrinkage는 수분의 이동없이 화학적 반응에 의하여 발생되는 수축이므로 유리병속에 있는 밀폐된 콘크리트에서도 이런 수축현상이 일어나며 저강도 콘크리트보다도 고강도콘크리트에서 오래 지속된다.

-Drying Shrinkage는 부재의 표면으로부터 수분의 증발이 원인이 된다. 건조수축 속도는 콘크리트 타설 직후가 가장 빠르고 시간이 경과할수록 느리게 진행된다. 고강도 콘크리트일수록 단면의 중심까지 건조가 서서히 진행된다. 콘크리트 강도를 포함하여 강성, 표면적/체적 상대습도, 수분함량 등이 건조속도에 영향을 미친다.

-또한 초고층에서 사용되는 고강도 콘크리트는 조직이 치밀하여 내부의 수분이 외부로 배출되는 속도가 상당히 더디므로 Drying Shrinkage도 천천히 진행되며 Drying Shrinkage가 완성되는데 수십년이 걸리는 것으로 알려져 있다.
-건조수축은 주변 습도와 밀접한 관계가 있으므로 습도가 높은 인천이나 부산지역은 Drying Shrinkage의 속도를 더디게 한다.

3. 기둥축소가 구조물에 미치는 영향
(1)공사진행에 따른 기둥축소량
가. 슬래브를 설치할 때 까지 발생한 축소량
-슬래브가 미리 결정된 위치에 설치되도록 지지점의 높이를 조절하는데 필요
나. 슬래브를 설치한 후 발생한 축소량
-모든 건조수축과 크리프가 발생한 후 정해진 위치에 슬래브가 설치되도록 보정이 지루어 지기 위해서는 이러한 축소량에 대한 해석적 예측이 요구

(2)기둥의 부등축소에 대한 부정적 영향
-초고층구조물의 기둥은 축소한다. 그런데 기둥은 압축응력비에 따라 각각 다른 크기로 축소한다.
-특히 압축응력비가 작은 코아월에 비하여 압축응력비가 큰 주변 기둥은 아주 크게 축소한다.

-기둥 축소현상은 건물사용성과 건물구조기능에 영향을 주며 다음과 같은 부작용을 낳는다.
1)준공 후 수년이 경과하면 바닥이 경사지는 현상이 발생
2)내부 칸막이가 비틀어진다.
3)외부 커튼월의 창틀에 부가 응력이 발생되거나 고정 화스너가 탈락한다.
4)수직배관이 위로 솟는다.
5)엘리베이터의 가이드 레일의 브라켓이 탈락하여 고속엘리베이터 주행중 사고의 우려가 있다.
6)Outrigger에 부가응력을 발생시킨다.
7)수평부재에 부가응력을 발생시킨다.

4. 기둥축소량에 영향을 미치는 요인
(1)탄성축소량(Elastic)
(2)크리프축소량(Creep)
(3)건조수축에 의한 축소량(Shrinkage)
(4)탄성수축, 크리프 및 건조수축에 의한 축소량 비교

5. 기둥축소현상의 구조적 해결
(1)인접기둥의 수축량을 상호 비슷하게 유지한다.
(2)코아월 주변의 기둥은 코아에서 멀리 배치하거나 Stress를 낮게 유지한다.
(3)철근비를 높게 하여 비탄성 축소변형에 대한 저항성을 향상한다.
(4)배합 설계시 물의 양을 적게한다.
(5)코아에 인접한 기둥단면은 축소량을 감안한 여유 있는 단면으로 설계한다.

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