[국내논문]정적 및 동적 해석을 이용한 철근콘크리트 건물의 연쇄붕괴 저항성능 평가 An Evaluation of Progressive Collapse Resisting Capacity of RC Structure Using Static and Dynamic Analysis원문보기
연쇄붕괴는 구조부재의 국부적인 파괴가 주변부재로 이어지고 이 파괴가 또 다른 주변부재의 파괴로 이어지는 붕괴를 의미한다. 현재 국내에서는 연쇄붕괴 방지를 위한 설계지침이 마련되어 있지 않은 형편이다. 특히 구조설계 시 연쇄붕괴 저항성능의 평가를 할 필요가 있을 때 연쇄붕괴 방법 및 절차에 대한 기준이 없어 엔지니어들이 많은 어려움을 느끼고 있다. 따라서, 본 연구에서는 연쇄붕괴 저항성능평가에 가장 많이 사용되는 GSA 가이드라인을 이용하여 정적 및 동적해석에 의해 평가하는 방법 및 절차를 소개하고, 철근콘크리트 모멘트저항골조에 대해 연쇄붕괴 성능평가를 수행하여 각 해석방법에 의한 결과를 비교, 분석하였다. 연구의 결과 국내 설계기준에 의해 내진 설계된 해석모델의 철근콘크리트 모멘트저항골조 시스템은 DCR 값이 2를 초과하여 연쇄붕괴에 충분한 대체하중 경로를 제공하지 못하며, 연쇄붕괴를 고려하기 위해서는 추가적인 보강이 고려되어야 할 것으로 판단된다. 또한, 선형동적해석과 선형정적해석의 수직 처짐 및 DCR 값을 비교한 결과, 정적해석에 의한 평가결과보다 보수적인 결과를 나타내어 실용적인 방법으로서 현재 제안되고 있는 하중조합의 2배를 고려하는 동적계수를 고려한 선형정적해석의 사용이 가능할 것으로 판단된다.
연쇄붕괴는 구조부재의 국부적인 파괴가 주변부재로 이어지고 이 파괴가 또 다른 주변부재의 파괴로 이어지는 붕괴를 의미한다. 현재 국내에서는 연쇄붕괴 방지를 위한 설계지침이 마련되어 있지 않은 형편이다. 특히 구조설계 시 연쇄붕괴 저항성능의 평가를 할 필요가 있을 때 연쇄붕괴 방법 및 절차에 대한 기준이 없어 엔지니어들이 많은 어려움을 느끼고 있다. 따라서, 본 연구에서는 연쇄붕괴 저항성능평가에 가장 많이 사용되는 GSA 가이드라인을 이용하여 정적 및 동적해석에 의해 평가하는 방법 및 절차를 소개하고, 철근콘크리트 모멘트저항골조에 대해 연쇄붕괴 성능평가를 수행하여 각 해석방법에 의한 결과를 비교, 분석하였다. 연구의 결과 국내 설계기준에 의해 내진 설계된 해석모델의 철근콘크리트 모멘트저항골조 시스템은 DCR 값이 2를 초과하여 연쇄붕괴에 충분한 대체하중 경로를 제공하지 못하며, 연쇄붕괴를 고려하기 위해서는 추가적인 보강이 고려되어야 할 것으로 판단된다. 또한, 선형동적해석과 선형정적해석의 수직 처짐 및 DCR 값을 비교한 결과, 정적해석에 의한 평가결과보다 보수적인 결과를 나타내어 실용적인 방법으로서 현재 제안되고 있는 하중조합의 2배를 고려하는 동적계수를 고려한 선형정적해석의 사용이 가능할 것으로 판단된다.
Progressive collapse is defined as a collapse caused by sectional destruction of a structural member which links to other surrounding structures. Currently the design guidelines for the prevention of progressive collapse is not available in Korea. So, structural engineers have a difficulty in evalua...
Progressive collapse is defined as a collapse caused by sectional destruction of a structural member which links to other surrounding structures. Currently the design guidelines for the prevention of progressive collapse is not available in Korea. So, structural engineers have a difficulty in evaluating progressive collapse. In this study, the static and dynamic analysis to evaluate the methods and procedures are conducted using commercial analysis program for RC moment resisting frames. According to the study, DCR value of RC moment resisting frame system based on code in Korea is over 2 and it shows that it can't provide alternate load paths due to the progressive collapse. And additional reinforcement should be considered for the progressive collapse resistance. As a result of vertical deflection and DCR value of linear static analysis and linear dynamic analysis, the results of dynamic analysis were underestimated more than the result of static analysis. Thus, the dynamic coefficient value of 2 provides conservative estimation.
Progressive collapse is defined as a collapse caused by sectional destruction of a structural member which links to other surrounding structures. Currently the design guidelines for the prevention of progressive collapse is not available in Korea. So, structural engineers have a difficulty in evaluating progressive collapse. In this study, the static and dynamic analysis to evaluate the methods and procedures are conducted using commercial analysis program for RC moment resisting frames. According to the study, DCR value of RC moment resisting frame system based on code in Korea is over 2 and it shows that it can't provide alternate load paths due to the progressive collapse. And additional reinforcement should be considered for the progressive collapse resistance. As a result of vertical deflection and DCR value of linear static analysis and linear dynamic analysis, the results of dynamic analysis were underestimated more than the result of static analysis. Thus, the dynamic coefficient value of 2 provides conservative estimation.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 연쇄붕괴 저항성능 평가에 가장 많이 사용되는 GSA(General Service Administration) 기준을 사용하여 일반적인 철근콘크리트 모멘트저항골조에 대해 상용해석 프로그램을 이용한 연쇄붕괴 저항성능 평가를 정적 및 동적해석에 의해 평가하는 방법 및 절차를 소개하고자 하였다. 또한 국내 설계기준에 의해 설계된 철근콘크리트 건물을 대상으로 연쇄붕괴 저항성능을 평가하고, 평가방법의 결과를 비교하여 구조설계 실무에서 연쇄붕괴 저항성능평가를 위한 기초가 되는 자료가 되고자 하였다.
따라서, 본 연구에서는 GSA 가이드라인에서 제시한 방법을 사용하여 국내 건축구조설계기준에 의해 내진 설계된 12층 철근콘크리트 모멘트저항골조 건물을 대상으로 연쇄붕괴 해석을 수행하였다. 연쇄붕괴 해석방법은 실무에서 비교적 쉽게 적용할 수 있는 선형정적해석과 비선형정적해석 그리고 선형동적해석을 수행하였으며, 각각의 해석법에 대해 해석절차를 기술하고, 수행한 해석결과를 비교하였다.
따라서 본 연구에서는 연쇄붕괴 저항성능 평가에 가장 많이 사용되는 GSA(General Service Administration) 기준을 사용하여 일반적인 철근콘크리트 모멘트저항골조에 대해 상용해석 프로그램을 이용한 연쇄붕괴 저항성능 평가를 정적 및 동적해석에 의해 평가하는 방법 및 절차를 소개하고자 하였다. 또한 국내 설계기준에 의해 설계된 철근콘크리트 건물을 대상으로 연쇄붕괴 저항성능을 평가하고, 평가방법의 결과를 비교하여 구조설계 실무에서 연쇄붕괴 저항성능평가를 위한 기초가 되는 자료가 되고자 하였다.
본 연구에서는 연쇄붕괴성능에 대한 국내기준이 없는 상황에서 실무에서 연쇄붕괴성능평가를 위한 방법으로서 비교적 쉽게 적용이 가능한 선형정적, 비선형정적, 선형 동적 해석방법의 절차를 소개하고, 국내 구조설계기준 (KBC 2009)에 따라 설계된 12층 철근콘크리트 모멘트 저항골조 시스템을 대상으로 상용해석 프로그램을 사용하여 연쇄붕괴 저항성능을 평가하였다. 해석방법 및 기둥 제거 위치를 변수로 하여 GSA의 대체경로법을 따라 각각 해석을 수행하였으며 해석방법에 따른 결과의 차이 및 연쇄붕괴 성능지수를 비교하였다.
가설 설정
기둥과 보 단면의 크기는 각각 600×600mm, 400×600mm로 하였고, 콘크리트 강도는 기둥은 30MPa, 보는 27MPa로 가정하였다.
4와 같이 한 경간당 6m로 하여 장변방향 경간 수는 5개, 단변방향 경간 수는 3개로 하였다. 하중기준은 KBC 2009에 의해 설계하였으며, 설계하중은 사무소 건물에 대한 바닥하중을 가정하여 DL : 4kN/m2, LL : 2.5kN/m2을 적용하였다. 기둥과 보 단면의 크기는 각각 600×600mm, 400×600mm로 하였고, 콘크리트 강도는 기둥은 30MPa, 보는 27MPa로 가정하였다.
제안 방법
GSA 가이드라인에서 제시하고 있는 연쇄붕괴 저항성능 평가는 비정상하중에 의한 건물의 최하층 외각 기둥 및 내부기둥 제거 시나리오에 따라 Fig. 1에서 표시한 것처럼 건물의 최하층 외곽 기둥 하나가 제거되는 경우를 각각 가정하여 모서리기둥, 장변방향의 가운데 기둥, 단변방향의 가운데 기둥, 그리고 내부기둥이 제거되는 경우에 대하여 해석을 수행하여 평가한다.
25LL)까지 수직 방향으로 변위를 증가시키면서 해석을 수행하여 연쇄 붕괴 방지성능을 평가하는 방법이다. 기둥이 제거된 위치의 양쪽 경간에는 2.0(1.0DL+0.25LL)을 적용하고, 인접경간에는 1.0DL+ 0.25LL의 일정한 하중을 적용하였다. 하중과 변위의 그래프는 Fig.
해석방법 및 기둥 제거 위치를 변수로 하여 GSA의 대체경로법을 따라 각각 해석을 수행하였으며 해석방법에 따른 결과의 차이 및 연쇄붕괴 성능지수를 비교하였다. 또한 DCR 값, 소성힌지 발생위치, 허용회전각과 같은 해석결과들을 사용하여 철근콘크리트 모멘트저항골조의 붕괴저항성능을 평가하였으며 그 결과를 정리하면 다음과 같다.
본 논문에서는 Fig. 1(b)에 명시한 Reaction(해석결과에서 산출된 제거대상 기둥의 부재력과 동일한 반력)을 0~5초까지 선형으로 증가시키고, 5~7초까지는 일정하게 유지시켰으며, 7초 이후에는 완전히 제거하였다. 시간의 변화에 따른 하중의 변화에 대한 결과는 Fig.
선형정적해석은 2장에서 기술한 바와 같이 모서리기둥(C1), 장변방향기둥(C9), 단변방향기둥(C2), 내부기둥(C6)을 각각 제거한 해석모델에 대하여 수직하중에 대한 하중조합 2(2.0DL+0.25LL)를 기둥이 제거된 경간과 그 상층부에 적용하였으며, 그 외 경간에는 1.0DL+0.25LL을 재하하여 해석을 수행하였다. 해석결과에서 산출된 연쇄붕괴 해석모델의 DCR 값은 Fig.
따라서, 본 연구에서는 GSA 가이드라인에서 제시한 방법을 사용하여 국내 건축구조설계기준에 의해 내진 설계된 12층 철근콘크리트 모멘트저항골조 건물을 대상으로 연쇄붕괴 해석을 수행하였다. 연쇄붕괴 해석방법은 실무에서 비교적 쉽게 적용할 수 있는 선형정적해석과 비선형정적해석 그리고 선형동적해석을 수행하였으며, 각각의 해석법에 대해 해석절차를 기술하고, 수행한 해석결과를 비교하였다. 연쇄붕괴 해석은 국내에서 구조설계실무에 많이 사용되는 상용해석 프로그램인 마이다스(MIDAS)를 사용하여 수행하였다.
본 연구에서는 연쇄붕괴성능에 대한 국내기준이 없는 상황에서 실무에서 연쇄붕괴성능평가를 위한 방법으로서 비교적 쉽게 적용이 가능한 선형정적, 비선형정적, 선형 동적 해석방법의 절차를 소개하고, 국내 구조설계기준 (KBC 2009)에 따라 설계된 12층 철근콘크리트 모멘트 저항골조 시스템을 대상으로 상용해석 프로그램을 사용하여 연쇄붕괴 저항성능을 평가하였다. 해석방법 및 기둥 제거 위치를 변수로 하여 GSA의 대체경로법을 따라 각각 해석을 수행하였으며 해석방법에 따른 결과의 차이 및 연쇄붕괴 성능지수를 비교하였다. 또한 DCR 값, 소성힌지 발생위치, 허용회전각과 같은 해석결과들을 사용하여 철근콘크리트 모멘트저항골조의 붕괴저항성능을 평가하였으며 그 결과를 정리하면 다음과 같다.
대상 데이터
해석 대상 건물은 Fig. 3과 같은 평면 형태를 가지는 서울시에 위치한 12층 규모의 철근콘크리트 보통모멘트 골조인 사무소 용도의 건물로 Fig. 4와 같이 한 경간당 6m로 하여 장변방향 경간 수는 5개, 단변방향 경간 수는 3개로 하였다. 하중기준은 KBC 2009에 의해 설계하였으며, 설계하중은 사무소 건물에 대한 바닥하중을 가정하여 DL : 4kN/m2, LL : 2.
이론/모형
연쇄붕괴 해석방법은 실무에서 비교적 쉽게 적용할 수 있는 선형정적해석과 비선형정적해석 그리고 선형동적해석을 수행하였으며, 각각의 해석법에 대해 해석절차를 기술하고, 수행한 해석결과를 비교하였다. 연쇄붕괴 해석은 국내에서 구조설계실무에 많이 사용되는 상용해석 프로그램인 마이다스(MIDAS)를 사용하여 수행하였다.
성능/효과
(2) 비선형정적 해석은 연쇄붕괴 평가에서 파괴가 하중 2.0(1.0DL+0.25LL)의 83%에서 발생하여 선형평가의 결과와 동일하게 연쇄붕괴성능을 만족하지 못하는 것으로 평가되었으나, 처짐 등의 거동에 있어서 2배 이상의 차이가 발생하여 이상하중시의 정확한 거동예측보다는 소성힌지의 위치, 부재 및 시스템의 연성 및 파괴하중을 비교하기 위한 목적 으로 적합할 것으로 판단된다.
(3) 선형동적해석의 결과 선형정적해석에서의 수직 처짐 및 DCR 값보다 작은 값을 나타내었으며, 정적 해석에 의한 평가결과보다 과소평가하게 되었다. 따라서 현재 정적해석에서 제안되고 있는 하중조합의 2배를 고려하는 동적계수를 고려한 해석은 충분히 보수적인 값으로 사용이 가능하다고 판단된다.
(4) 선형정적해석, 선형동적해석의 경우 수직 처짐이 거의 비슷하게 발생하였으며, DCR 값에서 선형정적해석이 보다 보수적인 결과를 나타내므로, 비선형 및 동적해석을 적용할 경우 모델링 및 해석에 많은 시간이 소요되는 점을 고려할 때, 일반적인 경우에는 비교적 간단한 선형정적해석법에 의한 건물의 연쇄붕괴 성능 평가가 가능한 것으로 판단된다.
12는 앞서 수행한 선형정적해석, 선형동적해석, 비선형정적해석 시 모서리기둥(C1), 장변방향기둥(C9), 단변방향기둥(C2), 내부기둥(C6)이 제거되었을 때 수직 처짐 중 대표적으로 모서리기둥(C1)의 수직 처짐을 비교한 결과이다. 각 해석방법에 따른 처짐을 살펴보면 정적해석이 동적해석보다 더 보수적인 값을 나타내며, 현재의 선형정적해석 시에 동적효과를 고려하기 위한 계수 2의 사용이 가능할 것으로 판단된다. 따라서 건물의 연쇄붕괴 성능평가를 위한 선형정적해석에 의한 방법은 정밀한 평가는 어려우나 비교적 간편하게 사용하고자 할 때 적용이 가능한 방법으로 판단된다.
그림에서와 같이 선형정적해석의 결과와 동일하게 선형동적해석에서도 전단력에 대해서는 DCR 값이 2 이하로 만족하였으나, 휨모멘트에 대해 DCR 값이 하부에서 2를 초과하는 것으로 나타났으며, 연쇄붕괴 저항성능을 만족하지 못하였다. 그러나 선형정적해석에 의해 산출된 DCR 값에 비해 선형동적해석의 휨모멘트에 대한 DCR 값이 상대적으로 약 20% 정도 작게 산출되었으며, 선형정적해석의 경우가 보다 보수적인 결과를 얻는 것으로 나타났다.
8은 선형동적해석에 의한 결과에서 산출된 휨모멘트에 대한 DCR 값이다. 그림에서와 같이 선형정적해석의 결과와 동일하게 선형동적해석에서도 전단력에 대해서는 DCR 값이 2 이하로 만족하였으나, 휨모멘트에 대해 DCR 값이 하부에서 2를 초과하는 것으로 나타났으며, 연쇄붕괴 저항성능을 만족하지 못하였다. 그러나 선형정적해석에 의해 산출된 DCR 값에 비해 선형동적해석의 휨모멘트에 대한 DCR 값이 상대적으로 약 20% 정도 작게 산출되었으며, 선형정적해석의 경우가 보다 보수적인 결과를 얻는 것으로 나타났다.
(3) 선형동적해석의 결과 선형정적해석에서의 수직 처짐 및 DCR 값보다 작은 값을 나타내었으며, 정적 해석에 의한 평가결과보다 과소평가하게 되었다. 따라서 현재 정적해석에서 제안되고 있는 하중조합의 2배를 고려하는 동적계수를 고려한 해석은 충분히 보수적인 값으로 사용이 가능하다고 판단된다.
3mm가 발생하였다. 또한 외부, 내부 및 코너 기둥제거시의 모든 해석결과에서 선형정적해석의 값보다 약 10~20% 작은 값을 나타내어 비정상하중에 의해 기둥이 제거된 이후의 인접부재의 거동에 있어서도 DCR 값과 같이 선형정적해석에 비해 보수적인 결과를 나타내었다. 이러한 값의 차이는 동적해석 시에는 구조물의 감쇠를 고려하므로 수직 처짐이 적게 발생하는 것으로 판단된다.
후속연구
(1) 국내 설계기준에 의한 본 해석모델의 내진 설계된 철근콘크리트 모멘트저항골조 시스템은 저층부에서 DCR 값이 2이상 발생하여 연쇄붕괴에 충분한 대체하중 경로를 제공하지 못하는 것으로 판단되며, 연쇄붕괴에 대한 고려를 위해서는 추가 보강이 고려하여야 할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
연쇄붕괴 저항성능 평가에 가장 많이 사용되는 방법은 무엇인가?
따라서 본 연구에서는 연쇄붕괴 저항성능 평가에 가장 많이 사용되는 GSA(General Service Administration) 기준을 사용하여 일반적인 철근콘크리트 모멘트저항골조에 대해 상용해석 프로그램을 이용한 연쇄붕괴 저항성능 평가를 정적 및 동적해석에 의해 평가하는 방법 및 절차를 소개 하고자 하였다. 또한 국내 설계기준에 의해 설계된 철근콘크리트 건물을 대상으로 연쇄붕괴 저항성능을 평가하고, 평가방법의 결과를 비교하여 구조설계 실무에서 연쇄붕괴 저항성능평가를 위한 기초가 되는 자료가 되고자 하였다.
연쇄붕괴란 무엇인가?
연쇄붕괴(progressive collapse)는 구조부재의 국부적인 파괴가 주변 부재의 파괴로 이어지고 이 파괴가 또 다른 주변 부재의 파괴로 이어져 결국 건물 전체 또는 더 큰 영역의 파괴로 이어지는 붕괴를 의미한다.(Nair, R.
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