Structural Analysis of Underground Parking Garage Under Vehicle Load

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(1)ISSN 2093-5145(Print) ISSN 2288-0232(Online). 한국복합신소재구조학회 논문집 제4권, 제4호, 2013년 12월 J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc. Vol. 4, No. 4, pp. 22-29, December 2013 DOI http://dx.doi.org/10.11004/kosacs.2013.4.4.022. 지하주차장 차량하중에 따른 구조체의 영향분석 1. 2. 3. 4. 5. 김영진 ·이범식 · 최동섭 ·오효근 ·강창범 한국토지주택공사 토지주택연구원 수석연구원1 2 한국토지주택공사 토지주택연구원 연구위원 3 ㈜ C·S 콘텍 대표이사, 건축구조기술사 ㈜ C·S 콘텍 과장4 ㈜ C·S 콘텍 대리5. Structural Analysis of Underground Parking Garage Under Vehicle Load Kim, Young-Jin1 · Lee, Bum-Sick2 · Choi, Dong-Sub3 · Oh, Hyo-Keon4 · Kang, Chang-Bum5 1. Land & Housing Institute, Construction & Environment Research Department Land & Housing Institute, Construction & Environment Research Department. 2. 3,4,5. C·S Construction Technology Inc.. A bstract: Accumulation of more than 20,000,000 vehicles since the establishment of the quality of life and economic development needs several parking lots and cause crack problem in Korea. Related structures in large cities due to the lack of parking garage attached to secure underground parking structures are actively being built, and the basement parking lot will continue to increase more stories and the trend is expected to be larger. But so far, construction of the underground parking structure is related to a number of problems, including cracks in the structure. Therefore, in this study, repair, reinforcement and a few non-economic losses in the current design criteria are presented. The review of the structure used to current design criteria is to minimize crack and maximize usability. Keywords: underground parking, current design criteria, impact load, uniform load, wheel load. 1.. 서 론. 1.1 연구 배경 및 목적 급속한 산업화와 국민생활수준의 향상으로 건국 이래 자동차 누적대수가 2000만대가 넘는 자동차 시 대를 맞이하여 그에 따른 생활의 편익과 아울러 자 동차로 인한 문제 또한 적지 않는 실정이다. 대도시 에 건설되는 공동주택 내 통합형 지하주차장 관련 구조물의 부족으로 인한 주차장 확보를 위해 부속 지하주차장 구조물의 건설이 활발히 진행되고 있으 며, 주차장 지하층 층수 및 공간의 확대와 대형화. 추세는 계속될 예정이다. 그러나 지금까지 시공된 지하주차장 관련 구조물은 구조체의 균열을 포함한 많은 문제점들이 발견되고 있어 이를 보수, 보강하 는데 적지 않는 경제적 손실이 발생하고 있는 실정 이다. 따라서, 본 논문에서는 실무적인 차원에서 차 량하중에 따른 동적하중과 충격하중에 대한 영향을 분석하여 현행 기준에 제시되어 있는 등분포 설계하 중에 대한 검토를 통해 구조물 사용 중 발생하는 균 열 등의 원인을 설계단계에서 최소화시키는 것에 그 목적이 있다.. 주요어: 지하주차장, 현행설계기준, 충격하중, 등분포하중, 바퀴하중 Corresponding author: Lee, Bum-Sik Land & Housing Institute, Construction & Environment Research Department, Expo-ro, Yuseong-gu, Daejeon City, 305-731, Korea. Tel: +82-42-866-8415, Fax: +82-42-866-8431, E-mail: [email protected] 투고일: 2013년 10월 11일 / 수정일: 2013년 11월 6일 / 게재확정일: 2013년 11월 22일. 22. Korean Society for Advanced Composite Structures.

(2) Structural Analysis of Underground Parking Garage Under Vehicle Load. 1.2 연구 내용 및 방법 대한민국의 지하주차장의 역사는 1990년대로 거슬 러 올라갈 수 있으며, 그 효시는 종묘 지하주차장으 로 볼 수 있다. 그때 당시의 지하주차장의 균열 및 누수 등 상당한 보수작업이 이루어져 있고, 차량재 하에 따른 내구성 부족(곽효경 1997) 등으로 인하여 설계기준의 변경이 상당수 발생하기도 하였다. 예를 들어 차량하중의 재하 하중 및 슬래브의 처짐량으로 인한 내구성의 문제 및 슬래브 두께의 증가로 인한 문제, 와이어매쉬의 설치로 인한 균열억제를 유도하 고자 하였으나 제설제로 인한 부식문제 등, 상당한 개선책이 강구되고는 있으나 아직도 우리의 지하주 차장에 대한 근본적인 원인을 규명하기에는 상당한 시간과 노력이 필요한 실정이다. 따라서 본 논문에 서는 공동주택 내 지하주차장에서 시공 후 발생하는 문제점들을 분석하고 기존 설계기준과의 비교를 통 해 합리적인 설계방법을 제시하였다. 세부적인 연구 내용과 방법은 다음과 같다. 1) 현재 건축구조설계기준에서 제시하고 있는 정 적 등분포 차량하중과 좁은 면적의 바퀴를 통해 상 대적으로 큰 하중이 가해지는 집중하중의 비교를 통 해 현행 기준에서 제시하고 있는 하중에 대한 안전 성을 평가한다. 2) 현행 기준(KBC 2009)과 과거 기준(KBC 2005) 에서 제시한 등분포 하중과 충격계수를 고려한 이동 하중과의 비교 검토를 통해 안전성을 평가한다.. 2. 차량하중에 따른 지하주차장 슬래브의 영향분석 2.1 설계기준차량의 선정 아파트 지하주차장 구조물에 재하되는 차량의 종 류는 다양하지만 특성상 트럭이나 화물차량보다 일 반승용차나 스포츠형 다목적차량(이하 SUV차량)이 주차되는 경우가 대부분이므로 표준하중을 일반 승 용차를 기준으로 H사의 G차량으로 선정하였다. 바퀴 당 집중하중은 건축구조설계기준 및 해설(이하 KBC 2009) (1)에서 명기한 총 중량 180kN이하의 차량에 대 한 바퀴당 분담률인 40%를 고려하여 산정하였다. 그 제원은 Table 1과 같다. Table 1. The specifications of vehicle design standards 총중량. 20.6kN (100%). 바퀴당 집중하중. 8.24kN ( 40%). 전 폭. 1860mm. 전 장. 4910mm. 윤 거. 1613mm. 축 거. 2845mm. Fig.1. Vehicle specifications. 2.2 구조해석프로그램 모델링에 사용할 프로그램은 마이다스아이티사에 서 개발한 MIDAS-GEN VER.820으로 3D-Model 구조 물 해석을 통해 차량의 정지하중 및 이동시 발생하 는 이동하중과 충격하중에 따른 슬래브 구조체의 영 향에 대해 유한요소해석법으로 해석하는 프로그램이 다. 설계방법은 현행기준에서 제시하고 있는 강도설 계법을 사용하였다. 2.3 모델링 선정 및 해석방법 본 논문에서는 LH공사에서 시공된 일반적인 아파 트 지하주차장을 대상으로 지하주차장 슬래브에 재 하 가능한 3가지 모듈사례로 선정하였고, 하중재하 방법은 다음 4가지로 구분하여 고려하였다. 첫째, 건축구조설계기준 2005(이하 KBC 2005) (2)에 서 명기한 차로부 등분포하중 6kN/m 2과 둘째, KBC 2009 (1)에서 명기한 3kN/m 2으로 하였다. 셋째, 차량의 실제하중을 계산하여 지하주차장의 슬래브에 주차 가능한 경우를 조합하여 이에 대한 윤하중(Wheel load)을 집중하중(바퀴당 8.24kN) 형태로 재하하였다. 넷째 충격하중을 고려한 이동하중을 고려하였다. 모 듈사례별 지지조건은 Table. 2와 Fig. 1~3과 같다. Table 2. Slab support conditions 모 델 명. 구조형식/지지조건. 비 고. CASE 1. Beam & Girder. Slab 두께 : 200mm. CASE 2. 지하외벽 & Girder. Slab 두께 : 200mm. CASE 3. Girder. Slab 두께 : 200mm. Vol. 4, No. 4, 2013. 23.

(3) Kim, Young-Jin · Lee, Bum-sick · Choi, Dong-Sub · Oh, Hyo-keon · Kang, Chang-Bum. (b) CASE 2 3D Fig. 2 CASE 2. (a) CASE 1 Floor Plans. (b) CASE 1 3D Fig. 1 CASE 1. (a) CASE 1 Floor Plans. (b) CASE 3 3D Fig. 3 CASE 3. (a) CASE 2 Floor Plans. 24 J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc.

(4) Structural Analysis of Underground Parking Garage Under Vehicle Load. 2.4 분포하중과 차량의 집중하중에 따른 구조 체 영향분석 2.4.1 주차부 슬래브 거동분석(등분포하중). X-DIR’ Moment (Max : 22kN·m, Min : -51kN·m) X-DIR’ Moment (Max : 16kN·m, Min : -66kN·m). Y-DIR’ Moment (Max : 26kN·m, Min : -67kN·m). Y-DIR’ Moment (Max : 16kN·m, Min : -30kN·m) Fig. 6 CASE 3 (KBC 2005). Fig. 4 CASE 1 (KBC 2005). X-DIR’ Moment (Max : 12kN·m, Min : -39kN·m). X-DIR’ Moment (Max : 11kN·m, Min : -48kN·m). Fig. 5 CASE 2 (KBC 2009). Fig. 7 CASE 1 (KBC 2009). Y-DIR’ Moment (Max : 28kN·m, Min : -78kN·m) Fig. 5 CASE 2 (KBC 2005). Y-DIR’ Moment (Max : 19kN·m, Min : -49kN·m) Fig. 7 CASE 1 (KBC 2009). Vol. 4, No. 4, 2013. 25.

(5) Kim, Young-Jin · Lee, Bum-sick · Choi, Dong-Sub · Oh, Hyo-keon · Kang, Chang-Bum. 2.4.2 주차부 8.24kN). 집중하중. 거동. 분석(바퀴당. X-DIR’ Moment (Max : 9kN·m, Min : -28kN·m) X-DIR’ Moment (Max : 11kN·m, Min : -48kN·m). Y-DIR’ Moment (Max : 21kN·m, Min : -58kN·m) Fig. 8 CASE 2 (KBC 2009). Y-DIR’ Moment (Max : 20kN·m, Min : -50kN·m) Fig. 10 CASE 1 (Concentrated load of parking lot). X-DIR’ Moment (Max : 16kN·m, Min : -36kN·m) Fig. 9 CASE 3 (KBC 2009). X-DIR’ Moment (Max : 11kN·m, Min : -22kN·m) Fig. 11 CASE 2 (Concentrated load of parking lot). Y-DIR’ Moment (Max : 11kN·m, Min : -22kN·m) Fig. 9 CASE 3 (KBC 2009). 26 J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc. Y-DIR’ Moment (Max : 20kN·m, Min : -56kN·m) Fig. 11 CASE 2 (Concentrated load of parking lot).

(6) Structural Analysis of Underground Parking Garage Under Vehicle Load. X-DIR’ Moment (Max : 15kN·m, Min : -36kN·m). Y-DIR’ Moment (Max : 11kN·m, Min : -22kN·m) Fig. 12 CASE 3 (Concentrated load of parking lot). X-DIR’ Moment (Max : 16kN·m, Min : -21kN·m). Y-DIR’ Moment (Max : 19kN·m, Min : -29kN·m) Fig. 14 CASE 2 (Moving load path). 2.4.3 통로부 이동하중 거동 분석. X-DIR’ Moment (Max : 23kN·m, Min : -35kN·m). X-DIR’ Moment (Max : 22kN·m, Min : -19kN·m). Fig. 13 CASE 1 (Moving load path). Fig. 15 CASE 3 (Moving load path). Y-DIR’ Moment (Max : 24kN·m, Min : -24kN·m). Y-DIR’ Moment (Max : 18kN·m, Min : -31kN·m). Fig. 13 CASE 1 (Moving load path). Fig. 15 CASE 3 (Moving load path). Vol. 4, No. 4, 2013. 27.

(7) Kim, Young-Jin · Lee, Bum-sick · Choi, Dong-Sub · Oh, Hyo-keon · Kang, Chang-Bum. 2.5 하중에 따른 슬래브 해석 결과 분석 지하주차장 모듈에 따른 재하사례별 차량 하중의 재하위치에 따라 중앙에 집중했을 경우 중앙부 모멘 트가 크게 나타났다. 등분포 하중의 경우 단부에서 중앙부에 비해 부모멘트가 크게 나타났으며, 집중하 중보다 큰 값을 나타났다. 2.5.1 슬래브 중앙부 정모멘트 비교 X방향 슬래브 중앙부 정모멘트의 경우 이동하중 이 KBC 2005보다 평균적으로 20%정도 크게 나타난 것을 볼 수 있었으며, 이는 현행 기준인 KBC 2009 과 집중하중으로 고려한 사례보다 약 2배 정도 차이 가 나타나는 것을 알 수 있다. Y방향의 경우는 이동 하중과 KBC 2005의 하중과 비슷하게 나타나는 것을 볼 수 있으며, 이는 현행기준인 KBC 2009와 집중하 중으로 고려한 경우보다 약 15~20% 크게 나타나는 것을 알 수 있다. 따라서 현행기준인 등분포하중으 로 지하주차장 바닥을 설계 시 과소평가가 될 가능 성이 있다고 판단된다.. Fig. 17 Negative Moments of Slabs. 3. 결 론 본 논문에서는 공동주택 지하주차장 슬래브에서 실제 발생하는 주차부 집중하중과 충격계수를 고려 한 차로부 이동하중에서 발생하는 모멘트와 현행 기 준에서 제시하고 있는 등분포하중으로 계산된 모멘 트를 비교분석하여 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다. 1) 현행 건축구조설계기준(KBC 2009)에서 제시한 등분포 하중으로 슬래브를 일률적으로 적용하여 설 계시 실제로 직접 작용하는 이동하중에 비해 슬래브 중앙부 정모멘트가 과소평가되어 단변 중앙부에 과 소철근배근이 될 가능성이 있다. 2) 등분포 하중과 집중하중과 충격계수를 고려한 이동하중에 대해 부모멘트 비교 시 비슷한 결과 값 으로 나타나 부모멘트 설계 시 현행기준에서 제시하 고 있는 등분포 하중으로 설계하여도 구조물의 안전 성에는 무방한 것으로 판단된다. Fig. 16 Positive Moments of Slabs. 2.5.2 슬래브 단부 부모멘트 비교 슬래브의 단부 부모멘트의 경우 전체적으로 등분 포 하중이 집중하중과 이동하중에 비해 모멘트 값이 크게 나타나는 것을 볼 수 있다.. 28 J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc. 본 논문에서는 보(Beam)와 가더(Girder)로 구성되 는 1방향슬래브만 검토를 했지만 향후 넓은 보, 가더 (Wide Beam, Girder)를 사용한 이방향 슬래브나 플랫 슬래브, 플랫 플레이트 슬래브 등을 대상으로 합리 적은 등분포 하중을 찾기 위한 연구가 추가적으로 필요한 것으로 사료된다..

(8) Structural Analysis of Underground Parking Garage Under Vehicle Load. 감사의 글 본 연구는 LH공사 토지주택연구원에서 수행한 “공동주택 지하주차장의 균열 및 누수방지 대책방안 연구”의 일환으로 이에 감사드립니다.. References AMERICAN CONCRETE INSTITUTE, “Building Code Requirements for Structural Concrete”, 2008 AMERICAN SOCIETY OF CIVIL ENGINEERS, “Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures”, 2010 Architectural Institute of Korea (2009), “KBC 2009” Architectural Institute of Korea (2005), “KBC 2005” Gwak, H. G. and Song, J. Y. (1997), “Parking Structure Study on the Influence of vehicle load of the slab,” Computational Structural Engineering Institute of Korea Spring Conference Gwak, H. G. and Yun, J. B. (1997), “On-site underground parking structure loading of experimental behavior analysis PC,” Proceedings of Computational Structural Engineering Institute of Korea, Article 10, Gwak, H. G., Lee, G. J., Lee, J. W., and Song, J. Y. (2001), “Flat slab construction vehicle parking impact study load,” Computational Structural Engineering Institute of Korea Fall Conference Korea Land & Housing Corporation (2010), “Design Guidelines for Building Structures” Korea Land & Housing Corporation (2013), “A Study on the Crack Prevention and the Leakage Prevention of Basement in Apartment house” Samsung C&T Corporation, KAIST (1997), “A Study on the Design Standardization of Parking Garage Structure” Samsung Heavy Industries Co., KAIST (2002), “A Study on the Development of Integrated Design System of Parking Garage Structures” Yoo, B. O., Jeong, C. Y., and Han S. H. (1997), “practical applications of vehicle designed by the underground parking structure slabs,” Architectural Institute of Korea. Vol. 4, No. 4, 2013. 29.

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