ELS를 이용한 고층 RC 빌딩의 붕괴해석 및 발파해체해석 기법의 국부손상-연쇄붕괴 전이과정 해석에 응용 Collapse Simulations of High-Rise RC Building Using ELS Software and Application of Explosive Demolition Methods to Transition Process Analysis from Local Damage to Progressive Collapse원문보기
외부폭발, 화재, 충돌, 지진, 태풍과 같은 비정상 하중에 의한 고층빌딩의 연쇄붕괴(progressive collapse) 해석에 관련된 많은 연구가 진행되고 있다. 특히 그러나 실규모의 고층건물을 대상으로 한 손상 및 붕괴에 실험은 현실상 불가능한 실정이다. 본 연구에서는 구조물 발파해체분야에서 적용되는 ELS 소프트웨어를 이용하여 외부폭발에 의한 고층 RC 구조물의 국부손상 및 연쇄붕괴시뮬레이션을 수행하였다. 현관으로부터 1m, 2m, 5m, 10m, 15m 이격되어 폭약 1,500kg이 폭발한 것을 가정하여, 이격거리에 따른 국부손상과 이에 따른 연쇄붕괴현상을 파악하였다. 특히 기폭시나리오에 따라 구조물 지지부재의 일부를 제거하여 구조물의 붕괴를 유도하는 발파해체기법을 국부손상-연쇄붕괴 전이과정 연구에 적용하였다.
외부폭발, 화재, 충돌, 지진, 태풍과 같은 비정상 하중에 의한 고층빌딩의 연쇄붕괴(progressive collapse) 해석에 관련된 많은 연구가 진행되고 있다. 특히 그러나 실규모의 고층건물을 대상으로 한 손상 및 붕괴에 실험은 현실상 불가능한 실정이다. 본 연구에서는 구조물 발파해체분야에서 적용되는 ELS 소프트웨어를 이용하여 외부폭발에 의한 고층 RC 구조물의 국부손상 및 연쇄붕괴시뮬레이션을 수행하였다. 현관으로부터 1m, 2m, 5m, 10m, 15m 이격되어 폭약 1,500kg이 폭발한 것을 가정하여, 이격거리에 따른 국부손상과 이에 따른 연쇄붕괴현상을 파악하였다. 특히 기폭시나리오에 따라 구조물 지지부재의 일부를 제거하여 구조물의 붕괴를 유도하는 발파해체기법을 국부손상-연쇄붕괴 전이과정 연구에 적용하였다.
Progressive collapse analyses of high-rise buildings subjected to abnormal loading such as fires, impacts, earthquakes, typhoon, bomb blasts etc. are intended. However it is difficult to perform collapse experiments of the real scale building to determine the capacity of the structure under an extre...
Progressive collapse analyses of high-rise buildings subjected to abnormal loading such as fires, impacts, earthquakes, typhoon, bomb blasts etc. are intended. However it is difficult to perform collapse experiments of the real scale building to determine the capacity of the structure under an extreme loading events. In this study, collapse behavior of a 15 story RC structure building loaded by external explosion pressures were simulated using Extreme Loading Structures (ELS) software. The standoff distance between the RC building and explosives of 1500 kg was 1, 2, 5, 10, and 15 meters. The explosive demolition analysis techniques based on removal of partial support structures following blast scenario was adapted to investigate the transition process of progressive collapse-local damage.
Progressive collapse analyses of high-rise buildings subjected to abnormal loading such as fires, impacts, earthquakes, typhoon, bomb blasts etc. are intended. However it is difficult to perform collapse experiments of the real scale building to determine the capacity of the structure under an extreme loading events. In this study, collapse behavior of a 15 story RC structure building loaded by external explosion pressures were simulated using Extreme Loading Structures (ELS) software. The standoff distance between the RC building and explosives of 1500 kg was 1, 2, 5, 10, and 15 meters. The explosive demolition analysis techniques based on removal of partial support structures following blast scenario was adapted to investigate the transition process of progressive collapse-local damage.
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문제 정의
특히 기폭시나리오에 따라 구조물 지지부재의 일부를 제거하여 구조물의 붕괴를 유도하는 발파해체기법을 국부손상-연쇄붕괴 전이과정 연구에 적용하였다. 연쇄붕괴가 발생된 모델을 대상으로 국부손상부재를 파악하여, 발파해체 해석기법을 적용하여 국부 손상-연쇄붕괴 전이를 방지하기 위한 보강법을 연구하였다. 결과적으로 구조물의 수직하중을 직접 받는 벽체 및 기둥의 보강이 효과적인 것으로 나타났다.
가설 설정
본 연구에서 적용하는 Extreme Loading Structures (ELS) 소프트웨어는 응용 요소법(Applied Element Method, AEM)을 기반으로 제작되어 주로 극한 하중 조건하에 구조물의 손상정도와 붕괴거동을 예측하는 수치해석 프로그램이다(Tagel-Din & Rahman, 2006). AEM은 구조물을 작은 요소들을 집합체로 모형화하며 이 요소들은 Fig. 1에서와 같이 요소면 주위에 분포되어 있는 접촉점에서 한 개의 수직 스프링과 두 개의 전단 스프링에 의해 연결된 것으로 가정한다. 각 요소는 3차원의 물리적인 좌표와 형상을 가지며 서로 분리되거나 충돌할 수 있다.
외부폭발에 의한 고층 RC 빌딩의 붕괴거동을 해석하기 위하여 1,500kg 폭약이 RC 빌딩으로 1m, 2m, 5m, 10m, 15m 이격된 거리에서 폭발하는 것을 가정하였다. 해석모델의 경우 이격거리 1~2m 사이에서 국부손상에 의한 연쇄붕괴가 발생하는 것으로 나타났다.
폭약 TNT 1,500kg을 적재한 화물차가 Fig. 4와 같이 고층 RC빌딩 건물에 외부폭발사고가 발생하는 것을 가정하였다. 지상 2m 높이에서 구조물과 화물차의 거리 1m, 2m, 5m, 10m, 15m 이격된 거리에서 외부 폭발에 의한 고층 빌딩의 국부손상 및 연쇄붕괴를 모사하였다.
해석에서는 접촉면당 5개의 스프링을 사용하였고 지반은 콘크리트와 동일한 물성을 갖는 것으로 가정하였다. Table 2는 해석에서 사용한 콘크리트, 철근, 벽돌의 물성값을 나타내고 있다.
제안 방법
총 모델링 시간은 약 24시간 정도 소요됐다. Case 1 model은 외부폭발에 의한 국부손상으로 인한 연쇄붕괴가 발생한 경우로 기준모델로서 국부손상 된 기둥 9개, 거더 4개, 벽체 6개, 슬라브 4개를 제거하여 발파해체 시뮬레이션해석을 수행하였다.
Case 1 해석에서 연쇄붕괴를 야기시킨 국부파괴 부재를 파악하여 발파해체 해석기법에 발파부재로 간주하여 순차적 제거하는 붕괴해석모델을 작성하였으며, 하중 대체경로를 부여하여 연쇄붕괴를 지양시키기 위하여 국부파괴된 주요 구조부재를 보강한 발파해체해석모델을 작성하였다. Table 5는 Case 1 model의 외부폭발에 의하여 직접적으로 국부파괴된 부재를 발파 해체 시나리오에 적용한 모델이며, Model 1은 Case 1 model의 맨 앞 열 좌·우측 벽체를 제거하지 않고 해석한 경우이고 Model 2는 Case 1 mode의 1층 기둥의 두께를 2배한 경우이다.
국부손상이 연쇄붕괴로 전이되는 메카니즘을 알아보기 위해 구조부재를 보강한 모델들의 기둥의 축력과 거더의 모멘트를 분석하였다. Fig 11은 Model 1, Model 2, Model 3에 대한 축력과 모멘트를 분석하기 위한 1층의 기둥과 거더 내 모니터링 위치를 표시한 것이다.
본 연구에서는 AEM법을 기반으로 한 ELS(Extreme Loading for Structures) 프로그램을 이용하여 외부폭발에 의한 고층 RC 구조물의 국부손상 및 연쇄붕괴 과정을 모사하였다. 폭원과 빌딩의 이격거리에 따른 국부손상과 이에 따른 연쇄붕괴 여부를 파악하였다.
폭원과 빌딩의 이격거리에 따른 국부손상과 이에 따른 연쇄붕괴 여부를 파악하였다. 연쇄붕괴가 발생한 경우의 국부파괴된 구조부재(기둥, 슬라브, 벽, 거더)를 조사하여, 발파해체 시나리오의 발파부재로서 적용하여 붕괴모델링을 수행하였다. 하중 대체경로를 부여하기 위하여 국부파괴된 주요 구조부재를 보강한 발파해체해석을 수행하고 축 응력 및 모멘트를 분석하여 고층빌딩의 국부손상-연쇄붕괴 전이과정을 분성하고, 국부손상-연쇄붕괴 전이 방지를 위한 보강법을 제안하였다.
4와 같이 고층 RC빌딩 건물에 외부폭발사고가 발생하는 것을 가정하였다. 지상 2m 높이에서 구조물과 화물차의 거리 1m, 2m, 5m, 10m, 15m 이격된 거리에서 외부 폭발에 의한 고층 빌딩의 국부손상 및 연쇄붕괴를 모사하였다. 해석시간은 5초로 설정하였으며 외부폭발 하중에 의한 time step은 0.
본 연구에서는 AEM법을 기반으로 한 ELS(Extreme Loading for Structures) 프로그램을 이용하여 외부폭발에 의한 고층 RC 구조물의 국부손상 및 연쇄붕괴 과정을 모사하였다. 폭원과 빌딩의 이격거리에 따른 국부손상과 이에 따른 연쇄붕괴 여부를 파악하였다. 연쇄붕괴가 발생한 경우의 국부파괴된 구조부재(기둥, 슬라브, 벽, 거더)를 조사하여, 발파해체 시나리오의 발파부재로서 적용하여 붕괴모델링을 수행하였다.
연쇄붕괴가 발생한 경우의 국부파괴된 구조부재(기둥, 슬라브, 벽, 거더)를 조사하여, 발파해체 시나리오의 발파부재로서 적용하여 붕괴모델링을 수행하였다. 하중 대체경로를 부여하기 위하여 국부파괴된 주요 구조부재를 보강한 발파해체해석을 수행하고 축 응력 및 모멘트를 분석하여 고층빌딩의 국부손상-연쇄붕괴 전이과정을 분성하고, 국부손상-연쇄붕괴 전이 방지를 위한 보강법을 제안하였다.
대상 데이터
5. Plan and 3D model of 15 story RC building(unit: m).
해석대상 모델은 Fig. 5와 같은 넓이 30.25m, 폭 20.5m, 높이 48m 인 15층 높이의 RC 빌딩이다. (a)는 평면도를 나타내며 (b)는 ELS프로그램으로 생성 시킨 3D 모델이다.
이론/모형
해석모델의 경우 이격거리 1~2m 사이에서 국부손상에 의한 연쇄붕괴가 발생하는 것으로 나타났다. 특히 기폭시나리오에 따라 구조물 지지부재의 일부를 제거하여 구조물의 붕괴를 유도하는 발파해체기법을 국부손상-연쇄붕괴 전이과정 연구에 적용하였다. 연쇄붕괴가 발생된 모델을 대상으로 국부손상부재를 파악하여, 발파해체 해석기법을 적용하여 국부 손상-연쇄붕괴 전이를 방지하기 위한 보강법을 연구하였다.
총 모델링 시간은 약 36시간 정도 소요됐다. 폭약량, 거리, 시간에 따른 폭발압력은 Friedlander방정식(Mays and Smith 1995)를 적용하여 산정하였다.
성능/효과
연쇄붕괴가 발생된 모델을 대상으로 국부손상부재를 파악하여, 발파해체 해석기법을 적용하여 국부 손상-연쇄붕괴 전이를 방지하기 위한 보강법을 연구하였다. 결과적으로 구조물의 수직하중을 직접 받는 벽체 및 기둥의 보강이 효과적인 것으로 나타났다.
이는 축력이 하중을 많이 받으면 받을수록 모멘트값도 커진다는 의미한다. 따라서 구조부재인 기둥의 보강이 거더로 전달되는 모멘트를 낮추는 대체경로의 역할을 하였다는 것을 알 수 있었다. 슬라브의 두께를 2배로 한 Model 3의 거더에서 시간-모멘트 그래프 범위는 0kg•m~12,000kg•m이고 Case I model에서의 모멘트 값의 범위는 0kg•m~18,000kg•m이다.
이 점으로 미루어보아 대상구조물 거더의 최대허용모멘트 값은 약 18,000kg•m임을 알 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
연쇄붕괴란 무엇인가?
연쇄붕괴는 구조부재의 국부적인 파괴로 인하여 주변 부재의 파괴로 어어지고 건물 전체 또는 더 큰 영역의 파괴로 이어지는 붕괴를 의미하며 이는 2차, 3차 피해가 계속해서 발생하게 되어 인명 및 시설물에 큰 손실을 입힌다. 연쇄붕괴의 대표적인 국내 사례는 1995년 삼풍백화점 붕괴사건이고 외국의 경우는 1998년 미국 오클라호마 연방정부 건물의 차량 폭탄 테러 및 2001년 미국 세계무역센터(WTC) 건물의 연쇄붕괴를 들 수 있다(Nair, 2003).
요소와 요소 사이를 연결하는 연결 스프링은 어떻게 나눌 수 있는가?
그리고 요소들의 크기가 변할 때 특정한 변환요소가 필요 없으며 같은 면을 공유하는 요소들은 면의 일부분만이라도 공유되면 연결 스프링으로 연결이 된다. 요소를 연결하는 스프링은 매트릭스 스프링과 철근 스프링으로 나누며 매트릭스 스프링은 인접한 두 요소의 연결 상태와 주요 구성 재료의 특성을 나타낸다. 예를 들면 콘크리트 구조물일 경우 이 스프링은 콘크리트의 재료를 표현하며 철골 구조물일 경우 철골의 재료 특성을 표현한다.
Extreme Loading Structures 소프트웨어는 어떤 프로그램인가?
본 연구에서 적용하는 Extreme Loading Structures (ELS) 소프트웨어는 응용 요소법(Applied Element Method, AEM)을 기반으로 제작되어 주로 극한 하중 조건하에 구조물의 손상정도와 붕괴거동을 예측하는 수치해석 프로그램이다(Tagel-Din & Rahman, 2006). AEM은 구조물을 작은 요소들을 집합체로 모형화하며 이 요소들은 Fig.
참고문헌 (7)
Okamura H. and Maekawa K.: Nonlinear analysis constitutive models of reinforced concrete, Gihodo Co. Ltd., Tokyo, 1991.
Ristic, D., Yamada, Y., and Iemura, H. 1986, "stressstrain based modeling of hysteretic structures under earthquaked induced bending and varying axial loads", Research report No. 86-ST-01, School of Civil Engineering, Kyoto University, Kyoto, Japan.
Nair, R.S., 2003, Progressive Collapse Basics, Proc. AISC-SIDNY Symp. on Resisting Blast and Progressive collapse, AISC, New York.
Mays, G.C., and P.D. Smith, 1995, Blast Effects on Buildings, Thomas Telford Publications, Thomas Telford Services Ltd, Heron Quay, London, UK.
Mendis, P.A., and T. Ngo, 2002, Assessment of tall buildings under blast loading and aircraft impact, Toward a better built Environment, Innovation Association of Bridge and Structural Engineering, Australia, pp. 375-376.
Tagel-Din, H. and N. A. Rahman, 2006, Simulation of the Alfred P. Murrah Federal Building Collapse due to Blast Loads, Architectural Engineering National Concerence, Omaha, Nebraska, pp. 1-15.
박 훈, 석철기, 김승곤, 2008, AEM을 이용한 철근콘크리트 모형 구조물의 붕괴 모델링, 터널과 지하공간, Vol. 19, No. 1 pp. 43-51.
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