[논문]단면의 형상에 따른 철근콘크리트 기둥의 폭발저항 성능 평가

김한수; 박재표

[국내논문] 단면의 형상에 따른 철근콘크리트 기둥의 폭발저항 성능 평가
An Evaluation of Blast Resistance Performance of RC Columns According to the Shape of Cross Section 원문보기

한국전산구조공학회논문집 = Journal of the computational structural engineering institute of Korea, v.23 no.4, 2010년, pp.387 - 394

초록
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현재 연쇄붕괴를 방지하기 위한 설계 방법으로 기둥제거 시나리오를 이용한 대체하중경로법을 주로 적용하고 있다. 하지만 실제로 폭발이 발생하여 기둥이 완전히 제거되지 않는 경우에 기둥제거 시나리오를 적용하면 보수적인 결과를 얻게 된다. 본 논문에서는 단일 기둥이 폭발하중을 받을 때의 거동을 평가함으로써 폭발이후에도 기둥이 연쇄붕괴 방지에 기여할 수 있는지 여부를 판단하였다. 하이드로코드인 AUTODYN을 이용하였으며, 같은 단면적과 높이를 갖는 사각형 기둥과 원형 기둥의 폭발저항성능을 비교하였다. 우선 AUTODYN을 이용한 폭발하중 산정 결과를 폭발실험값과 비교한 다음 간단한 폭발 예제를 통해 계산된 폭발압력파가 실제와 유사함을 입증하였다. 단면 형상에 따른 기둥의 폭발저항 성능 해석을 수행한 후 잔류변형을 이용한 평가법을 이용해 원형기둥이 사각형 기둥보다 폭발저항 성능이 더 우수함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The alternative load path method based on a column removal scenario has been commonly used to protect building structures from being progressively collapsed due to probable blast loading. However, this method yields highly conservative result when the columns still have substantial load resisting capacity after blast. In this study, the behavior of RC columns with rectangular and circular sections under the blast loading was investigated and the remaining capacity of the partially damaged columns was compared. AUTODYN which is a hydrocode for the analysis of the structure on the impact and blast loading was used for this study. The blast loading was verified with the experiment results. The analysis results showed that the circular columns are preferable to the rectangular ones in respect of the blast resistance performance.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

일정한 조건하에서 폭발 실험(Crawford 등, 2001; Carriere 등, 2009)을 수행했을 경우 기둥이 완전히 제거되지 않는 것을 확인할 수 있다. 본 논문에서는 폭발하중에 대한 철근콘크리트 기둥의 저항 성능을 평가하기 위하여 유체해석과 구조해석이 동시에 가능한 하이드로코드(Zukas, 2004)를 이용하여 기둥의 거동을 해석하고 폭발 후의 잔존 하중지지 능력을 평가하였다. 특히, 기둥의 단면 형상 변화에 따른 철근콘크리트 기둥의 폭발하중에 대한 저항 성능을 비교하였다.
본 논문에서는 실험 데이터와 ConWEP의 결과를 AUTO DYN과 비교해 폭발하중 산정의 합리성을 확인하였다.

가설 설정

그리고 모든 Concrete Block과 Building의 경계면에서는 전반사가 발생한다고 가정하였다.
압축력은 각각 1MPa, 5MPa, 10MPa이 작용할 때 각각의 결과를 비교하였다. 그림 10과 같이 기둥 중심으로부터 폭발물의 중심까지의 거리는 3m로 동일하고, 기둥의 중심 높이에서 구형으로 폭발한다고 가정하였다. 이 때 폭발물(TNT)의 양은 각각 50kg, 100kg을 사용하였다.

제안 방법

본 논문에서는 폭발하중에 대한 철근콘크리트 기둥의 저항 성능을 평가하기 위하여 유체해석과 구조해석이 동시에 가능한 하이드로코드(Zukas, 2004)를 이용하여 기둥의 거동을 해석하고 폭발 후의 잔존 하중지지 능력을 평가하였다. 특히, 기둥의 단면 형상 변화에 따른 철근콘크리트 기둥의 폭발하중에 대한 저항 성능을 비교하였다.
AUTODYN(Ansys, 2005)에서는 폭발하중을 모델링하기 위해서 그림 2(Showichen, 2008)와 같은 1D-Wedge를 이용한다. 우선 2D-Euler-Multi-Material 솔버를 이용해 계산하고자 하는 최대거리만큼 공기를 만들고, 원하는 폭발 형태를 반구형(Hemisphere) 혹은 구형(Sphere)이라 가정하여 폭발물의 반지름 길이만큼 입력해 준 다음 폭발 압력파를 계산하는 과정을 거친다. 계산된 압력파는 1D 환경에서 거리에 따른 폭발하중을 산정하는 것이 가능하고, 2D 또는 3D 모델에 특정 조건에 맵핑(mapping)하여 사용할 수도 있다(Remennikov, 2003).
1D-Wedge를 이용해 계산된 폭발하중을 그림 4와 같은 평면을 가진 2D와 3D모델에 맵핑해 두 개의 측정 위치(Gauge Point)에서의 압력이력 그래프를 비교하는 예제해석을 수행하였다(Fairlie, 1997). 8g의 TNT가 네 건물의 중앙에서 폭발했을 때 다음 세 가지 경우의 결과를 비교하였다.
1D-Wedge를 이용해 계산된 폭발하중을 그림 4와 같은 평면을 가진 2D와 3D모델에 맵핑해 두 개의 측정 위치(Gauge Point)에서의 압력이력 그래프를 비교하는 예제해석을 수행하였다(Fairlie, 1997). 8g의 TNT가 네 건물의 중앙에서 폭발했을 때 다음 세 가지 경우의 결과를 비교하였다.
해석에 사용되는 2D와 3D 모델링은 해석 시간을 단축하기 위해서 그림 4에 표시한 것과 같이 전체의 1/4만 모델링을 한 후 대칭모드를 사용하였다.
1D-Wedge는 폭발중심으로부터 처음 반사가 발생하기 직전까지의 거리인 120mm만큼 공기를 모델링하고, 8g의 TNT를 입력해 압력파를 미리 계산하였다. 이 때 공기의 내부에너지는 206800kJ/kg을 입력한다(Champman 등, 1994).
하지만 초기값을 그대로 사용한다면 콘크리트의 파괴모드가 주응력에 의한 인장파괴가 아닌 과도하게 큰 강도를 갖게 되므로 실제 콘크리트의 거동을 모사하기 위해서는 초기값을 수정해야 한다(Nystrὃm 등, 2009). 따라서 3.5MPa의 인장강도에서 파괴가 발생하고 크랙에 영향을 고려하도록 변수를 입력하였다. 철근 물성은 Piecewise linear Johnson-Cook 모델을 사용하였고, 각각의 소성변형률에서 항복응력을 정의한 데이터를 통해 변형 경화 특성을 반영하였다.
기둥의 상하부는 고정지지를 기본으로 하지만, 기둥 상부에 작용하는 고정하중과 적재하중에 의한 압축력을 반영하기 위해 Z축방향에 대해서는 이동이 가능하도록 경계조건을 부여하였다. 압축력은 각각 1MPa, 5MPa, 10MPa이 작용할 때 각각의 결과를 비교하였다. 그림 10과 같이 기둥 중심으로부터 폭발물의 중심까지의 거리는 3m로 동일하고, 기둥의 중심 높이에서 구형으로 폭발한다고 가정하였다.
이 때 폭발물(TNT)의 양은 각각 50kg, 100kg을 사용하였다. 사각기둥의 폭발 위치는 모서리보다 상대적으로 저항성능이 우수한 정면에서 폭발한 경우를 비교하였다.
AUTODYN을 이용해 폭발하중을 산정한 후 간단한 예제를 통해 실제 실험과 유사함을 입증한 후 철근 콘크리트 기둥의 단면 형상에 따른 폭발저항 성능을 비교해 보았다. 본 논문을 통해 다음과 같은 결론을 내릴 수 있다.
3) 기둥 단면의 형상에 따른 폭발저항 성능을 비교하기 위해 같은 단면적과 높이를 가진 사각형과 원형 철근 콘크리트 기둥을 해석하였다.

대상 데이터

1D-Wedge를 이용해 계산된 폭발하중의 적합성을 확인하기 위해 실제 실험 데이터와 ConWEP의 결과를 비교하였다. 실험은 C-4 폭약 15kg을 설치하고, 폭발물의 중심으로부터 2m 떨어진 위치에 두 개의 측정지점을 설치하였다(Carriere 등, 2009). 입사압력(Incident Pressure)을 측정하기 위한 실험이므로 폭발물은 지면으로부터 반사되는 폭발파의 영향을 최소화하기 위해 지면에서 2.
해석 시간에 영향을 미치는 요소망의 개수는 두 기둥 모두 4608개(8×8×72)를 사용하였다.
콘크리트 물성은 AUTODYN 라이브러리에서 제공하고 있는 압축강도 35MPa 콘크리트를 사용하였다. 이 콘크리트 모델은 Riedel, Hiermayer, Thoma에 의해 만들어졌기 때문에 RHT 콘크리트라고 한다.
해석에 사용된 사각형과 원형 기둥 모델은 그림 9와 같이 동일한 단면적을 가지고 있고, 높이는 4.5m로 같다. 주철근은 D29를 사용하였고, 스터럽은 D16을 300mm마다 설치하였다.
5m로 같다. 주철근은 D29를 사용하였고, 스터럽은 D16을 300mm마다 설치하였다. 철근의 피복두께는 40mm를 사용하였다.
주철근은 D29를 사용하였고, 스터럽은 D16을 300mm마다 설치하였다. 철근의 피복두께는 40mm를 사용하였다. 해석 시간에 영향을 미치는 요소망의 개수는 두 기둥 모두 4608개(8×8×72)를 사용하였다.
그림 10과 같이 기둥 중심으로부터 폭발물의 중심까지의 거리는 3m로 동일하고, 기둥의 중심 높이에서 구형으로 폭발한다고 가정하였다. 이 때 폭발물(TNT)의 양은 각각 50kg, 100kg을 사용하였다. 사각기둥의 폭발 위치는 모서리보다 상대적으로 저항성능이 우수한 정면에서 폭발한 경우를 비교하였다.

데이터처리

1D-Wedge를 이용해 계산된 폭발하중의 적합성을 확인하기 위해 실제 실험 데이터와 ConWEP의 결과를 비교하였다. 실험은 C-4 폭약 15kg을 설치하고, 폭발물의 중심으로부터 2m 떨어진 위치에 두 개의 측정지점을 설치하였다(Carriere 등, 2009).

이론/모형

5MPa의 인장강도에서 파괴가 발생하고 크랙에 영향을 고려하도록 변수를 입력하였다. 철근 물성은 Piecewise linear Johnson-Cook 모델을 사용하였고, 각각의 소성변형률에서 항복응력을 정의한 데이터를 통해 변형 경화 특성을 반영하였다.

성능/효과

폭발하중을 산정하기 위해서 가장 좋은 방법은 실험을 통해 결과를 얻는 방법이겠지만, 경제성과 효율성 측면을 고려하면 거의 불가능하다고 할 수 있다. 그래서 폭발하중을 정의하기 위한 적절한 방법은 폭발하중을 수치적으로 계산할 수 있는 전산프로그램을 사용하는 것이다.
실험값과 ConWEP의 최대과다압력(Peak Overpressure)은 표 1에 나타내었다. ConWEP과 AUTODYN은 약 1.4%의 근소한 차이를 보이고 있고, 실험값과 AUTODYN의 최대 오차는 약 10%의 차이를 보이고 있다. 폭발실험을 할 때 미세하게 조건이 달라지는 것이 결과에 영향을 미칠 수 있음을 감안하면 충분히 수용할만한 결과라고 할 수 있다.
그림 5는 반구형으로 맵핑했을 경우, 압력파의 벡터를 확대해서 보여주고 있다. 이를 통해 반구형 폭발시에는 지면으로 향하는 압력 벡터가 없기 때문에 지면 반사파를 고려할 수 없다는 결론을 얻을 수 있다.
본 논문을 위해 수행된 해석값과 참고문헌의 값을 비교했을 때 AUTODYN 해석상의 오차는 최대 3.8%, 최소 0.5%가 발생하였지만, 전산유체해석의 특성을 고려하면 매우 근사한 결과라고 할 수 있다. 오차의 발생시키는 원인은 요소망의 크기가 다르고, 1D-Wedge를 이용한 압력파 계산 과정에 의해 발생하게 된다.
단면형상에 따른 비교를 해보면 같은 조건에서 원형기둥이 사각기둥보다 최대 변형 및 잔류변형이 더 적게 발생하는 것을 확인할 수 있다. 그림 11과 그림 12와 같이 50kg의 TNT가 폭발할 때 사각기둥의 최대변형에 대한 잔류 변형의 비율은 압축력이 각각 10MPa, 5MPa, 1MPa일 때, 49%, 56%, 59%인데 반해 원형기둥은 38%, 49%, 53%을 나타내고 있다.
그림 11과 그림 12와 같이 50kg의 TNT가 폭발할 때 사각기둥의 최대변형에 대한 잔류 변형의 비율은 압축력이 각각 10MPa, 5MPa, 1MPa일 때, 49%, 56%, 59%인데 반해 원형기둥은 38%, 49%, 53%을 나타내고 있다. 즉, 원형기둥은 최대변형량과 잔류변형량 뿐만 아니라, 최대변형이 발생한 이후의 복원력 또한 사각기둥보다 크게 나타났다.
1) 기존의 대체하중경로법을 이용한 연쇄붕괴 방지 설계방법은 간편하게 사용할 수 있으나 기둥제거시나리오를 이용한 보수적인 설계 방법이므로 폭발에 의한 기둥의 부분손상을 고려한 저항성능을 평가할 필요가 있다.
2) 전산유체해석을 이용한 폭발하중 산정의 적합성을 확인하기 위해 폭발실험값과 실험식을 기초로 한 프로그램의 결과를 비교해 충분히 수용할만한 오차내의 결과를 얻었다.
해석결과 원형기둥은 사각형기둥보다 최대변형과 잔류변형이 더 작게 발생하였고, 최대변형 이후의 복원력도 더 큰 것을 확인할 수 있었다. 따라서 원형기둥이 사각형기둥보다 폭발저항 성능이 크다고 할 수 있다.

후속연구

폭발하중의 크기는 폭발물의 종류와 양, 그리고 폭발 거리에 의하여 결정되는 것으로 초고층 건물이 건설되는 국가의 사회 안보적인 상황에 의존하므로 명확하게 결정하기가 어려운 문제이다. 하지만 본 논문의 해석 기술을 통하여 연쇄붕괴에 대비한 기둥의 허용 손상과 허용 폭발하중의 크기를 제시할 수 있으며, 허용 폭발하중의 크기는 초고층 건물의 설계 시에 폭발물의 접근을 제한할 수 있는 볼라드(bollard) 또는 트랩(trap) 등을 설치하는 설계조건으로 활용할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연쇄붕괴의 가능성을 줄이기 위해 사용하고 있는 기준은 무엇이 있는가?	현재 연쇄붕괴의 가능성을 줄이기 위해 사용하고 있는 기준은 대표적으로 GSA(General Service Administration)와 DoD(Department of Defence) 가이드라인이 있다. DoD가 GSA보다 나중에 만들어졌기 때문에 좀 더 광범위한 내용을 다루고 있지만, 두 기준에서 주(主)를 이루고 있는 내용은 비정상하중에 의해 주요 부재의 손실이 발생하였을 때 대체하중 경로(alternative load path)를 갖도록 하고 있다.
	폭발하중의 특징은?	건축물에 작용하는 일반적인 하중과 비교했을 때 폭발하중의 가장 큰 특징은 매우 짧은 시간(10-3~10-6sec)에 높은 열과 많은 에너지를 방출한다는 것이다. 그림 1은 폭발하중에 의해 발생하는 전형적인 압력형태를 나타낸 것이다.
	단면형사에 따른 단일 기둥이 폭발하중을 받을 때의 거동을 평가한 결과는?	우선 AUTODYN을 이용한 폭발하중 산정 결과를 폭발실험값과 비교한 다음 간단한 폭발 예제를 통해 계산된 폭발압력파가 실제와 유사함을 입증하였다. 단면 형상에 따른 기둥의 폭발저항 성능 해석을 수행한 후 잔류변형을 이용한 평가법을 이용해 원형기둥이 사각형 기둥보다 폭발저항 성능이 더 우수함을 확인하였다.

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상세보기
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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