건축구조 슬래브 모델링을 안해도된다?하면안된다?

건축구조분야에서 건물 모델링을 할 때, (내력벽 시스템이 아닌 경우) 슬래브 모델링을 하지 않는 것이 보통이다.

그런데 슬래브 모델링을 ①안해도 되는 것인지 ②하면 안되는 것인지 에 대해 정리해 본다.

 

일단 건축분야에서는 슬래브에 보가 붙어서 일체가 되면 보가 받아야 할 내력 일부를 슬래브가 받기 때문에 보의 내력이 실제보다 작게 발생할 수 있다는 해석적 이유가 있었다.

 

1. 하이구조 

하이구조에서는 슬래브를 모델링하면 작업이 오래걸리고 구조해석 시간도 길게 걸리며 해석결과 분석이 복잡하고 어렵기 때문에 슬래브 모델링을 하지 않는다고 한다. 원문은 여기를 참고. 아래는 그 내용을 가져온 것이다.

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Question :
 
안녕하세요. 철골구조 및 콘크리트 구조의 건물을 모델링할 때 해석프로그램 midas gen에서 바닥슬래브를 만들지 않는 이유에 대하여 문의드리고자 합니다.
 
2층 이상의 층수를 가지는 건물을 모델링할 때 바닥슬래브를 표현하지 않아도 되는 이유는 story기능을 이용하여 층을 자동으로 설정함으로써 일어난 격막작용 때문인가요? 찾아보니 'midas gen의 story 기능을 통해 층이 자동설정되는 과정에서 다이어프램이(강막작용) 적용되기 때문에 바닥슬래브를 표현하지 않아도 된다.' 라고 이해하게 됐는데요, 이게 맞게 해석한 것이 맞는지 궁금합니다.
 
그리고 모두 같은 조건일 때 story를 적용하지 않은 모델과 적용한 모델의 변위가 차이가 나는 이유가 궁금합니다.
 
midas help에서 항목을 찾아보아도 확실하게 답을 얻은 것 같지 못해서 질문 남깁니다.
자세한 답변 부탁드리겠습니다. 감사합니다!
 
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Answer :
 
MIDAS GEN은 범용해석프로그램으로 슬래브를 구조해석에 포함시킬 수 있습니다.
이때 슬래브를 유한요소인 플레이트(Plate)로 모델링(Modeling)하면 됩니다.
요즘 실무에서는 슬래브의 모델링이 필요시 기존 GEN프로그램에 Gen Meshed Slab이라는 프로그램을 추가하여 많이 사용하고 있습니다.
 
질문에 대한 답변으로,
철골 및 철근콘크리트 라멘구조 즉 기둥(Column)과 보(Beam & Girder)로 구성된 모멘트저항골조가 있는 구조형식에서는 구조해석시 슬래브를 모델링하지 않는 것이 일반적입니다.
 
이는 모멘트저항골조의 수평하중에 대한 휨 거동이 슬래브에 크게 영향을 받지 않으며,
슬래브를 모델링에 포함시 모델링 작업의 복잡함으로 많은 시간이 소요되고, 긴 구조해석시간이 걸리며, 해석결과의 분석이 복잡하고 어렵기 때문입니다.
 
또한 슬래브의 무한강성의 격막작용은 질문에서 얘기하신 바와 같이 story기능으로 구현되기 때문입니다.
 
 
하지만 벽체와 슬래브로 구성되어있는 내력벽시스템에서는 슬래브가 수평하중에 대한 휨강성에 큰 역할을 함으로, 구조해석시 슬래브를 모델링하면 휨강성이 커져서 경제적인 구조설계가 가능하게 됩니다.

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이 내용에 동의하는 이유는, plate 요소가 많아질 수록 프로그램 구동속도가 크게 느려지기 때문이다.

예전에 3층 건축물 해체계산에 잭서포트 구현을 위해 슬래브를 plate로 구현할 일이 있었는데, 규모가 작은 건축물이었는데도 plate 요소들이 많아지니까 마우스로 뷰포트를 돌릴 때 많이 버벅되던 기억이 있다.

만약 촘촘하게 plate요소를 짜서 슬래브를 구현하는 방법으로 아파트를 모델링했다간 마이다스작업이 힘들 정도로 컴퓨터가 느려지지 않을까 싶다.

 

2. SH 서울주택도시공사 건축구조지침(2019.06)

이 지침에서 마이다스 SDS가 아닌 일반적인 사항에 '슬래브 유한요소 분할 크기'를 언급한 것을 확인하였다.

개구부 고려 등을 언급한 것과 아래에 SDS는 별도로 언급한 것을 보면 Plate 슬래브 모델링을 뜻하는 것으로 보인다.

 

2. MIDAS 포럼 검색결과

plate 요소로 슬래브를 모델링하는 것에 대한 글이 꽤 많았음. 

그 중에 plate end release관련 질답글이 검색되어 가져와 봄.

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mesh 슬래브, Plate end Release 질문
안녕하세요 고생이 많으십니다.
mesh 기능을 사용하여 전이슬래브를 모델링하였는대요. 
연직하중만 작용하였을시
보의 경우, 기둥과 보가 만나는 구간에 Beam and Release를 사용하여 부모멘트가 걸리지 않게 모델링에 적용할 수 있는데요
전이슬래브의 경우, 기둥 및 벽체가 지지되는 구간에 부모멘트가 안걸리게 모델링에 적용할 수 있는 방법이 있을까요? 
Plate end release(Mx, My 자유도에 대하여 Pin)을 전체 mesh에 넣을경우, warning이 떠서 해석이 안되구요.
Column Captial이 적용된 rigid rink 구간에 Plate end release(Mx, My 자유도에 대하여 Pin) 넣을 경우, Plate end release를 넣지 않을 때와 양상이 큰 차이 나지 않습니다.

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안녕하십니까. 마이다스아이티입니다.문의주신 질의사항에 대해 답변드리겠습니다.
Plate end release를 전체 메쉬에 넣으시면 메쉬와 메쉬가 만나는곳이 Pin-Pin으로 연결되기 때문에, 자유도에서 문제가 있어 warning이 발생한 것으로 생각됩니다.기둥과 슬래브가 만나는 구간에만 설정을 적용하셔야 합니다.
추가 확인이 필요한 부분이 있는 경우 현상을 확인할 수 있는 모델 파일과 확인하신 부분을 캡쳐한 이미지와 함께 확인이 필요한 내용을 구체적으로 적어주시면 검토 후 답변드릴 수 있도록 하겠습니다.
감사합니다.

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3. 데크슬래브 업체

꽤 유명한 데크슬래브 업체의 구조팀에 문의해 본 결과, (철골구조 기준) 기존 보와 데크슬래브는 최대한 일체화되도록 시공한다고 함. 철골보 위에 스터드 볼트를 시공하고 그 사이사이에 철근배근을 충실히 해서 최대한 일체화 거동을 하도록 한다는 것.

철골보의 상면이 콘크리트면과 붙어있다고 볼 수는 없지만 철골보 단면상에서 봤을 때 상부플랜지에 두 개의 스터드가 붙어 있기 때문에, 슬래브에서 발생하는 모멘트가 철골로 전달되지 않는다고 볼 수는 없을 것이다.

그럼에도 불구하고 건축구조분야에서 보와 슬래브를 일체화로 보지 않는 이유는 그게 더 불리하게 보는 것이므로 그렇다는 것이다.

 

4. 철골구조 데크슬래브의 경우

데크슬래브는 보통 보나 거더로 둘러싸인 바닥판의 단변방향으로 1방향 슬래브 형식을 가진다.

그런데 마이다스에서 3d로 Plate를 만들면 이 요소는 2방향 슬래브로 계산되게 되기 때문에 철골구조의 경우 데크슬래브를 Plate요소로 모델링하면 안된다고 한다. (어느 건축구조기술사의 의견)

 

 

 

5. 해체공사 구조해석의 경우

해체공사를 위한 구조안전성 검토시에는 약간 특이한 상황이 발생한다.

바로 잭서포트 모델링이다.

바닥이 plate로 생성되어 있으면 그 절점 중에 몇 개를 이용해서 잭서포트를 구현하기 쉽다.

최초에는 잭서포트가 필요한지 아닌지 모르기 때문에 잭서포트가 필요한 일이 생길까봐 슬래브를 plate로 모델링해두는 경우가 많다. (잭서포트가 필요없을 줄 알고 plate 모델링을 안했다가 나중에 슬래브 N.G 확인후 일 두번하는 경험을 해보면...;;)

Plate가 없는 모델링에서 잭서포트를 어찌 구현할 지...;;

 

 

6. 결론

데크슬래브 시공시 보 상단에 스터드를 촘촘히 설치하고 데크슬래브(데크플레이트)를 시공한 후 스터드 사이사이에 철근배근 후 슬래브 콘크리트 타설로 '일체화'를 도모한다 하더라도, 일부 건축구조기술사들은 이를 구조해석에서도 일체화로 보면 안된다고 주장하고 있는 점을 고려하면

기둥, 거더, 보 등의 부재력을 구하기 위한 구조해석에서는 plate로 모델링하면 안될 것 같다.

 

해체공사에서 잭서포트를 고려한 모델링에 대해서는 아직 합리적인 대안을 찾지 못하였지만

특정위치에 잭서포트를 만들고 그 상단 절점에서 인접 보,거더로 강성이 약한 더미보를 만드는 방법이 어떨지..

 

 

 

P.S

근데 건축구조는 왜 바운더리 컨디션을 죄다 '간편하게' 고정만 두고 모델링하는지 모르겠다.

땅이 다이아몬드로 된 행성에 건축물 올리나?