[논문]주철근의 개수 및 단면비에 따른 폭발하중을 받는 철근콘크리트 기둥의 해석적 연구

최호순; 김민숙; 이영학

doi:10.7734/coseik.2012.25.3.219

[국내논문] 주철근의 개수 및 단면비에 따른 폭발하중을 받는 철근콘크리트 기둥의 해석적 연구
Parametric Study on Reinforced Concrete Columns under Blast Load 원문보기

한국전산구조공학회논문집 = Journal of the computational structural engineering institute of Korea, v.25 no.3, 2012년, pp.219 - 226

최호순 (경희대학교 건축공학과) , 김민숙 (경희대학교 건축공학과) , 이영학 (경희대학교 건축공학과)

초록
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기둥은 건물에서 하중을 지지하는 중요한 구성요소이므로 기둥의 손상 또는 파괴는 건물의 연쇄붕괴의 원인이 된다. 특히 폭발하중에 의한 기둥의 거동평가는 연쇄붕괴 방지에 있어 중요한 요소이다. 본 논문에서는 축하중을 받고 있는 기둥이 폭발하중을 받을 때의 거동과 폭발 저항성능을 평가하였다. 이를 위해 동일단면적과 비슷한 철근비를 가지는 기둥에서 주 철근의 개수를 달리하여 각 변수에 따른 폭발하중에 대한 폭발 저항성능을 평가하였다. 또한, 동일한 성능을 지니는 기둥에서 단면비를 달리하여 기둥의 폭발 저항성능을 비교하였다. 해석결과, 폭발 직후 충격량에 대한 수직 변형률은 철근의 개수 및 단면비에 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 그러나 수평변형의 경우 폭발압력을 받는 면의 철근 개수가 증가함에 따라 기둥의 저항성능이 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 기둥 단면의 단면 2차모멘트가 클수록 폭발하중에 대한 저항 성능 및 복원력이 더 큰 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Columns are the key elements supporting load in structure. Column failure causes the structure to collapse. It is important to evaluate residual strength for damaged columns under blast load for preventing progressive collapse. In this paper, columns were investigated to compare the blast resistance on the change of the number of steel bars within the range of reinforcement ratio. And this study was carried out 4 different analytical models to evaluate effects of aspect ratio. The results indicate that the vertical strain was unaffected by the number of steel bars and aspect ratio. As the number of steel bars facing blast load increase, the blast resisting capacity of the columns was improved in the lateral strain. Also, the analysis results showed that a large moment of inertia of area, as compared to a small one would be superior in residual strength as well as force of restitution.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

이와 같이 폭발하중을 받는 부재의 저항성능을 향상시키는 방법에 관한 연구가 최근들어 활발히 시작되고 있으나, 폭발하중을 받은 이후 부재의 폭발 저항성능에 관한 연구는 여전히 미흡한 실정이다. 따라서 본 연구에서 비선형 동적해석이 가능한 프로그램인 AUTODYN을 이용하여 폭발하중을 받아 손상을 입은 기둥의 폭발 저항성능을 평가하고자 한다.
본 논문에서는 철근콘크리트 기둥의 주철근 개수 및 단면비가 기둥의 폭발 저항성능에 미치는 영향을 평가하기 위해,동일한 단면에 비슷한 철근비를 가지는 기둥의 철근 개수를 달리한 것과 동일한 성능을 가지는 기둥의 단면비를 달리한 두 가지 변수를 고려하여 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 폭발하중을 받는 기둥의 변형과 연직하중에 대한 잔류저항성능을 평가하기 위한 해석을 수행하였다. 본 해석에서는 5MPa의 축하중을 받는 기둥으로 가정하였다.
본 연구에서는 폭발하중에 대한 저항성능을 평가하기 위해서 두 그룹으로 나누어 해석을 수행하였다. 그룹 A는 동일한 단면과 비슷한 철근비를 갖는 기둥에서 철근의 직경을 달리 하였고, 그룹 B는 동일한 성능을 지니는 기둥의 단면비를 달리하였다.
본 연구에서는 폭발하중을 받는 기둥의 잔류 저항성능을 유한요소해석을 수행하여 평가하였다. 동일한 단면에서 비슷한 철근비를 갖는 철근콘크리트 기둥을 대상으로 철근의 개수를 달리하여 최대변형과 잔류변형을 비교하였고, 동일한 성능을 가지는 철근콘크리트 기둥의 단면비를 변화시켜 기둥의 잔류 저항성능을 비교하였다.
5) 본 연구에서는 폭발하중에 의해 부분손상을 입은 기둥의 잔류 저항성능을 평가하였다. 부분손상을 고려한 평가에서 더 나아가 부재가 파괴가 되었을 때 연쇄붕괴방지에 대한 연구가 필요하다.

가설 설정

본 연구에서는 폭발하중을 받는 기둥의 변형과 연직하중에 대한 잔류저항성능을 평가하기 위한 해석을 수행하였다. 본 해석에서는 5MPa의 축하중을 받는 기둥으로 가정하였다.
경계조건은 양단 고정단을 기본으로 설정하였지만 축방향 하중에 의한 압축력을 고려하기 위해 축방향에 대한 변위는 구속하지 않았다. Interaction에 대한 contact 조건은 철근과 콘크리트 사이의 경계면은 External gap을 사용하여 최소한의 이격만을 고려하였고, 공기와 콘크리트 사이의경계면은 fully coupled를 가정하여 해석을 수행하였다.

제안 방법

반면, 화약 remapping 방법은 해석이전에 공기와 화약만 미리 모델링하고, 화약을 폭발시켜 일정거리까지의 에너지 즉, 팽창력을 가진 공기를 계산하고, 이 데이터를 옮겨와서 팽창 에너지를 가진 공기만 가지고 해석을 수행한다. 본 연구에서는 AUTODYN에서 해석의 시간적 효율성을 높이기 위해 1D-Wedge를 이용한 remap 기능을 사용하였다.
그림 3은 1D-Wedge를 통해 압력파를 해석한 모습이다. 폭발하중 모델의 타당성을 확인하기 위해 Carriere 등(2009)의 실험과 동일하게 폭발하중을 모델링하였다. C4 15kg을 2m거리까지 화약과 공기만을 미리 모델링하고, 압력파가 공기의 최대 거리 2m에 이를 때까지 해석을 수행하였다.
폭발하중 모델의 타당성을 확인하기 위해 Carriere 등(2009)의 실험과 동일하게 폭발하중을 모델링하였다. C4 15kg을 2m거리까지 화약과 공기만을 미리 모델링하고, 압력파가 공기의 최대 거리 2m에 이를 때까지 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 표 2와 같이 Nystr"omm 등(2009)이 수정한 재료모델과 AUTODYN 라이브러리에서 제공하는 재료모델을 A-D22-8-1.94 변수에 적용하여 최대변형과 잔류변형을 비교하였다.
공기의 메쉬(mesh)는 100mm× 100mm× 100mm, 기둥의 메쉬는 10mm× 10mm× 25mm인 직사각형 솔리드로 구획하였다.
표 4는 동일단면에서 비슷한 철근비를 갖는 기둥의 철근의 개수를 달리할 때 폭발하중에 대한 기둥의 최대변형과 잔류변형을 비교한 표이다. 해석수행 중 변수 A-D19-10-1.80와 A-D25-6-1.90은 축에 따라 철근의 수가 달라지기 때문에 X축을 기준으로 해석을 수행하였다.
표 5는 동일한 성능을 가지는 철근콘크리트 기둥의 단면비를 달리함에 따른 철근콘크리트 기둥의 폭발 저항성능을 비교한 표이다. 철근비는 동일하게 하고 단면을 변화시켜 동일한 성능을 지니는 기둥을 비교하였다.
본 연구에서는 폭발하중을 받는 기둥의 잔류 저항성능을 유한요소해석을 수행하여 평가하였다. 동일한 단면에서 비슷한 철근비를 갖는 철근콘크리트 기둥을 대상으로 철근의 개수를 달리하여 최대변형과 잔류변형을 비교하였고, 동일한 성능을 가지는 철근콘크리트 기둥의 단면비를 변화시켜 기둥의 잔류 저항성능을 비교하였다. 본 연구를 통해 구해진 결론은 다음과 같다:
2) 주철근의 개수에 따른 철근콘크리트 기둥의 폭발 저항성능을 평가하고자 동일한 단면에서 비슷한 철근비를 갖는 철근콘크리트 기둥의 철근의 직경과 개수를 달리하여 해석을 수행하였다. 세 변수를 해석한 결과 폭발하중에 저항하는 면의 주철근의 수가 증가할수록 최대변형값과 잔류 변형값이 감소함을 알 수 있었다.
3) 본 연구에서는 이상극한하중과 같은 짧은 시간동안 받는 횡하중에 대한 철근콘크리트 기둥의 단면비의 영향을 고려하여 기둥의 폭발 저항성능을 비교하였다. 동일한 성능을 지니는 철근콘크리트 기둥의 최대변형은 기둥의 단면 2차 모멘트가 클수록 최대 변형값과 잔류 변형값이 작게 나타났다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 콘크리트의 물성으로는 AUTODYN에서 제공하는 압축강도 35MPa의 RHT 콘크리트를 사용하였다. RHT 콘크리트는 폭발, 충돌의 해석에 주로 사용되는 모델로, 인장에 약하여 작은 변형에도 파괴되는 반면 압축력의 증가에 따라 콘크리트 강도가 증가하는 현상을 나타낸다.

이론/모형

현재 이러한 동적하중을 받는 콘크리트 재료모델을 제공하고있는 상용해석 프로그램으로는 AUTODYN 및 LS-DYNA등이 있다. 본 연구에서는 충격 및 관통, 탄두 해석, 폭발과압력파에 대한 영향 평가 등의 해석에 폭넓게 사용되고 있는AUTODYN을 해석 프로그램으로 사용하였다.
02mm로 동일한 값을 보였다. 두 기둥의 최대변형과 잔류변위는 근소한 차이를 보여 본 연구에서는 AUTODYN라이브러리에서 제공하는 재료모델을 사용하였다.

성능/효과

1D-Wedge 해석 후 공기에 remapping을 하여 해석을 수행 한 결과, 표 1에서 보는 바와 같이 AUTODYN에서 해석한 압력값은 ConWEP과 비교했을 때 약 5%, 그리고Carriere 등(2009)의 실험에서 측정한 최대압력과 비교했을 때 약 4%의 오차를 보였다. 따라서 본 연구의 해석에 사용될 폭발하중의 모델링이 타당한 것으로 사료된다.
1D-Wedge 해석 후 공기에 remapping을 하여 해석을 수행 한 결과, 표 1에서 보는 바와 같이 AUTODYN에서 해석한 압력값은 ConWEP과 비교했을 때 약 5%, 그리고Carriere 등(2009)의 실험에서 측정한 최대압력과 비교했을 때 약 4%의 오차를 보였다. 따라서 본 연구의 해석에 사용될 폭발하중의 모델링이 타당한 것으로 사료된다.
90보다 짧은 시간에 작용하는 횡하중에 대해 더 잘 저항하고 최대변형대 잔류변형비의 비가 가장 작아 복원력 또한 우수함을 보여준다. 즉, 폭발하중에 면하는 철근 수의 증가가 폭발하중에 대한 저항성능을 향상시키는 것으로 나타났다.
1) 폭발하중 모델검증을 통하여 Carriere 등(2009)의 실험결과와 유한요소해석의 결과값이 유사함에 따라 본연구의 해석방법이 신뢰할 만한 결과를 얻을 수 있는 것으로 판단된다.
2) 주철근의 개수에 따른 철근콘크리트 기둥의 폭발 저항성능을 평가하고자 동일한 단면에서 비슷한 철근비를 갖는 철근콘크리트 기둥의 철근의 직경과 개수를 달리하여 해석을 수행하였다. 세 변수를 해석한 결과 폭발하중에 저항하는 면의 주철근의 수가 증가할수록 최대변형값과 잔류 변형값이 감소함을 알 수 있었다. 이는 폭발하중에 저항하는 면의 철근의 수가 증가할수록 폭발저항성능을 향상시키는 효과를 가져온다고 판단된다.
3) 본 연구에서는 이상극한하중과 같은 짧은 시간동안 받는 횡하중에 대한 철근콘크리트 기둥의 단면비의 영향을 고려하여 기둥의 폭발 저항성능을 비교하였다. 동일한 성능을 지니는 철근콘크리트 기둥의 최대변형은 기둥의 단면 2차 모멘트가 클수록 최대 변형값과 잔류 변형값이 작게 나타났다. 즉, 단면 2차 모멘트가 클수록 잔류 변형값이 작아지고 복원력이 향상되어 폭발저항성능을 향상시킨다고 판단된다.
동일한 성능을 지니는 철근콘크리트 기둥의 최대변형은 기둥의 단면 2차 모멘트가 클수록 최대 변형값과 잔류 변형값이 작게 나타났다. 즉, 단면 2차 모멘트가 클수록 잔류 변형값이 작아지고 복원력이 향상되어 폭발저항성능을 향상시킨다고 판단된다. 이는 단면 2차모멘트가 일반적인 정적하중 하에서와 같이 폭발하중과 같은 이상극한하중 하에서도 동일하게 기둥의 내력에 영향을 끼친다고 판단된다.
4) 폭발 직후 수직 변형률은 철근의 개수, 단면 형상에 관계없이 동일한 성능의 철근콘크리트 기둥에서 유사한 거동을 보였다. 이는 주철근이 매우 짧은 시간동안 받는 이상극한하중에 대하여 횡방향에 비해 축방향 변형에 영향을 덜 받기 때문이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Roman Point Apartment 붕 괴 사고는 어떤 사건인가?	이상극한하중에 의한 건물의 국부적인 손상 및 연쇄붕괴에 대한 연구는 1968년 발생한 Roman Point Apartment 붕 괴 사고를 기점으로 본격적으로 진행되기 시작하였다. 이 사 건은 22층 프리캐스트 건물의 18층에서 발생한 가스폭발로 외부 벽 패널이 무너지고 상부바닥이 낙하하면서 건물 모서리 부 분이 연쇄적으로 붕괴된 사건이다. Roman Point Apartment 사건 이후 2001년 세계무역센터 붕괴 사건은 이상극한하중 하의 구조물의 연쇄붕괴 및 거동을 평가하는 연구의 중요성 을 더욱 높이는 계기가 되었다.
	기둥은 무엇에 중요한 구성 요소인가?	기둥은 건물에서 하중을 지지하는 중요한 구성요소이므로 기둥의 손상 또는 파괴는 건물의 연쇄붕괴의 원인이 된다. 특히 폭발하중에 의한 기둥의 거동평가는 연쇄붕괴 방지에 있어 중요한 요소이다.
	건물의 연쇄붕괴의 원인은?	기둥은 건물에서 하중을 지지하는 중요한 구성요소이므로 기둥의 손상 또는 파괴는 건물의 연쇄붕괴의 원인이 된다. 특히 폭발하중에 의한 기둥의 거동평가는 연쇄붕괴 방지에 있어 중요한 요소이다.

참고문헌 (11)

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원문보기 상세보기
김한수, 박재표 (2011) 전산해석을 이용한 CFT 기둥의 폭발 저항성능 평가, 대한건축학회 논문집, 27(3), pp.65-72.
이경구 (2010) 폭발하중을 받는 강재압축재의 잔여저항성능 평가, 대한건축학회 논문집, 26(10), pp.37-44.
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상세보기
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