[논문]강판벽이 설치된 건물의 연쇄붕괴 저항성능

이하나; 권광호; 김진구

doi:10.7734/coseik.2012.25.1.019

문제 정의

본 연구에서는 강판벽이 설치된 골조 건물의 연쇄붕괴 저항성능을 평가하기 위하여 다양한 경간 길이를 갖는 2층 2경간 철골구조물을 설계하고 비선형 정적 연쇄붕괴 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 구조체의 전체적인 거동뿐만 아니라 부분적인 응력과 변형을 파악하기 위하여 유한요소해석이 가능한 ABAQUS(2007)를 이용하여 비선형 정적해석을 수행하였다. 유한요소해석에 사용된 탄성계수(Young’s modulus)는 2.
따라서 구조물의 연쇄붕괴에 대한 저항성능을 확보하기 위한 현실적인 대안은 내진 또는 내풍설계를 통하여 연쇄붕괴에 대한 성능을 동시에 확보하는 것이다. 본 연구에서는 내진성능을 높이기 위하여 간막이벽의 위치에 강판벽이 설치된 골조의 연쇄붕괴 저항성능을 평가하였다. 이를 위하여 2층 2경간 철골 모멘트골조의 2층에 다양한 두께 및 크기의 강판을 설치하고 내부 기둥을 제거한 후 pushdown 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 유한요소해석을 통하여 2층 2차원 철골 모멘트골조를 대상으로 강판벽의 연쇄붕괴 저항성능을 파악하였다. 강판벽의 연쇄붕괴 보강 효과를 다각적으로 검토하기 위해서는 좀 더 다양한 구조재료 및 구조시스템을 대상으로 검증할 필요가 있으며, 이를 위하여 좀 더 단순한 모델링기법 및 목표 성능수준을 만족하기 위한 설계기법의 개발이 필요하다.

가설 설정

본 연구에서는 현재 GSA 가이드라인(2003)에서 제시하는 연쇄붕괴 해석방법 중 FEMA-356을 기준으로한 pushdown 해석을 이용하여 해석모델의 연쇄붕괴 거동을 파악하였다. 변위제어 pushdown 해석은 비정상 하중에 의하여 구조물의 특정부재가 파괴되었다고 가정하고 남은 부재 들의 연쇄붕괴 저항성능을 평가한다. 즉, 임의의 기중을 제거하고 기둥이 제거된 위치에서 수직방향으로 변위를 점차 증가시키면서 구조물의 거동을 파악하는 방법이다.

제안 방법

2층 2경간 철골구조물의 경간 길이를 6m, 9m, 12m 세 경우로 모델링하고, 각 모델에 설치된 강판의 두께를 2, 4, 6, 8mm로 변화시키며 연쇄붕괴 해석을 수행하였다. 비선형 정적해석인 pushdown 해석은 기둥이 제거된 위치의 중앙부의 수직방향 변위를 증가시키면서 각 변위 단계에서 구조물에 재하되는 하중과 가이드라인에 규정된 하중(DL+0.
pushdown 해석을 위해 GSA에서 제시한 고정하중과 25%의 적재하중을 더한 하중조합에 동적효과를 고려하여 해석하였다. 그림과 같이 기둥이 제거된 경간의 부재에는 기둥이 제거된 순간의 동적효과를 고려하여 동적증폭계수 2를 적용한 2(DL+0.
또한 2개의 샛기둥을 설치함으로써 3분할된 모델에서 두께 4mm의 강판의 위치를 center(가운데 부분에 적용), side(양쪽 바깥부분에 적용), full(전체 적용) 로 나누어 설치하여 강판없이 오로지 골조만으로 설계된 경우와 비교 평가하였다. 각 위치에 설치된 강판의 두께를 2, 4, 6, 8mm로 변화시킴으로써 강판 두께 증가에 따른 연쇄 붕괴 성능의 변화도 판단해 보았다. 다양한 설계변수에 따른 해석모델의 명칭을 표 2~표 4에 정리하였다.
건물의 연쇄붕괴 성능을 평가하기 위하여 2층 2경간 철골구조물을 설계하였다. 구조물의 경간 길이는 6m, 9m, 12m 의 세 가지로 나누었고, 층고는 모두 동일하게 3.
경간의 길이가 6m, 9m, 12m인 해석모델에 설치되는 강판의 두께를 달리하며 연쇄붕괴 거동을 파악하였다. 경간 9m 모델의 한 경간에 샛기둥(stud column)을 1개, 2개, 3개 설치하여 강판을 2개, 3개, 4개로 분할하여 설치하였다. 샛기둥과 보와의 접합은 강접으로 모델링하였다.
경간 9m모델의 기둥과 기둥사이에 샛기둥(stud column) 을 1개, 2개, 3개를 설치하여 강판을 2, 3, 4분할하고 연쇄 붕괴 해석을 수행하였다. 이 때 강판의 두께는 4mm로 고정하였으며, 샛기둥의 크기는 200×200×8/12이고 SS400 강재를 사용하였다.
해석모델은 크게 세 가지의 경우로 나누어, 설계 변수에 따른 강판의 연쇄붕괴 성능을 평가하였다. 경간의 길이가 6m, 9m, 12m인 해석모델에 설치되는 강판의 두께를 달리하며 연쇄붕괴 거동을 파악하였다. 경간 9m 모델의 한 경간에 샛기둥(stud column)을 1개, 2개, 3개 설치하여 강판을 2개, 3개, 4개로 분할하여 설치하였다.
pushdown 해석을 위해 GSA에서 제시한 고정하중과 25%의 적재하중을 더한 하중조합에 동적효과를 고려하여 해석하였다. 그림과 같이 기둥이 제거된 경간의 부재에는 기둥이 제거된 순간의 동적효과를 고려하여 동적증폭계수 2를 적용한 2(DL+0.25LL) 하중조합을 적용하였다. 이 하중조합을 기준으로 기둥이 제거된 위치에서 수직변위가 점차적으로 증가함에 따라 모든 부재에 작용하는 하중도 동일한 비례로 증가하도록 하였다.
두 개의 샛기둥을 설치하여 3분할된 9m 경간 모델에서 4mm 두께의 강판이 가운데에만 설치하는 경우, 양쪽 바깥부분에만 설치하는 경우, 전체 설치하는 경우로 나누어 해석을 실시하였다. 이는 문이나 창문 등 개구부로 인하여 경간 전체를 강판으로 채우기 어려운 경우에 해당한다고 할 수 있다.
샛기둥에 의하여 강판이 분할될 경우 강판의 형상비가 달라지며 이에 따른 강판의 연쇄붕괴 성능을 비교하였다. 또한 2개의 샛기둥을 설치함으로써 3분할된 모델에서 두께 4mm의 강판의 위치를 center(가운데 부분에 적용), side(양쪽 바깥부분에 적용), full(전체 적용) 로 나누어 설치하여 강판없이 오로지 골조만으로 설계된 경우와 비교 평가하였다. 각 위치에 설치된 강판의 두께를 2, 4, 6, 8mm로 변화시킴으로써 강판 두께 증가에 따른 연쇄 붕괴 성능의 변화도 판단해 보았다.
재료의 비선형성을 고려하기 위해 그림 2와 같이 재료곡선을 4개의 직선을 이용하여 이상화된 응력-변형도 모델을 사용하였다. 보-기둥은 Solid 요소를 사용하였고, 강판의 경우는 Shell 요소를 사용하여 모델링하였다. 박홍근 등(2007)의 해석적 연구에서와 같이 강판은 기둥과 보에 강접된 것으로 모델링하였다.
연쇄붕괴 해석은 기둥과 같은 구조체의 주요부재가 충격이나 폭발 등과 같은 예측할 수 없는 하중에 의해 파괴되는 시나리오를 예상하고, 구조부재의 부분손상이 건물의 전체 붕괴로 이어지는 즉 연쇄붕괴가 일어날지에 대한 평가를 수행하는 것이다. 본 연구에서는 현재 GSA 가이드라인(2003)에서 제시하는 연쇄붕괴 해석방법 중 FEMA-356을 기준으로한 pushdown 해석을 이용하여 해석모델의 연쇄붕괴 거동을 파악하였다. 변위제어 pushdown 해석은 비정상 하중에 의하여 구조물의 특정부재가 파괴되었다고 가정하고 남은 부재 들의 연쇄붕괴 저항성능을 평가한다.
경간 9m 모델의 한 경간에 샛기둥(stud column)을 1개, 2개, 3개 설치하여 강판을 2개, 3개, 4개로 분할하여 설치하였다. 샛기둥과 보와의 접합은 강접으로 모델링하였다. 샛기둥에 의하여 강판이 분할될 경우 강판의 형상비가 달라지며 이에 따른 강판의 연쇄붕괴 성능을 비교하였다.
샛기둥과 보와의 접합은 강접으로 모델링하였다. 샛기둥에 의하여 강판이 분할될 경우 강판의 형상비가 달라지며 이에 따른 강판의 연쇄붕괴 성능을 비교하였다. 또한 2개의 샛기둥을 설치함으로써 3분할된 모델에서 두께 4mm의 강판의 위치를 center(가운데 부분에 적용), side(양쪽 바깥부분에 적용), full(전체 적용) 로 나누어 설치하여 강판없이 오로지 골조만으로 설계된 경우와 비교 평가하였다.
앞서 언급한 바와 같이 연쇄붕괴 해석은 수직변위가 점차 적으로 증가함에 따라 모든 부재에 작용하는 하중도 동일한 비례로 증가하도록 하는데, 이 때 변위의 증분은 초기 설정으로 전체하중의 1/10 부터 시작하도록 하였으며, 해석이 수렴되지 않을 경우 해석프로그램이 자동적으로 증분값을 최소 1E-005까지 줄여 수렴하도록 해석을 수행하였다. 재료의 비선형성을 고려하기 위해 그림 2와 같이 재료곡선을 4개의 직선을 이용하여 이상화된 응력-변형도 모델을 사용하였다.
25LL)에 대한 비(load factor)를 구하는 일련의 과정이다. 이 때 변 위는 최대 600mm까지 점차적으로 증가하도록 변위제어 해석을 수행하였다. 해석결과 최대 하중계수(load factor)가 1.
25LL) 하중조합을 적용하였다. 이 하중조합을 기준으로 기둥이 제거된 위치에서 수직변위가 점차적으로 증가함에 따라 모든 부재에 작용하는 하중도 동일한 비례로 증가하도록 하였다.
본 연구에서는 내진성능을 높이기 위하여 간막이벽의 위치에 강판벽이 설치된 골조의 연쇄붕괴 저항성능을 평가하였다. 이를 위하여 2층 2경간 철골 모멘트골조의 2층에 다양한 두께 및 크기의 강판을 설치하고 내부 기둥을 제거한 후 pushdown 해석을 수행하였다.
해석모델은 크게 세 가지의 경우로 나누어, 설계 변수에 따른 강판의 연쇄붕괴 성능을 평가하였다. 경간의 길이가 6m, 9m, 12m인 해석모델에 설치되는 강판의 두께를 달리하며 연쇄붕괴 거동을 파악하였다.

대상 데이터

3으로 하였다. 구조체의 기둥은 SM490, 보와 강판은 SS400을 사용하였으며, 각 부재의 항복강도 및 최대강도는 공칭강도 대신 박홍근 등(2004)의 실험결과를 이용하였다. 각 부재는 KBC 2009에 따라 설계하였다.
이 때 강판의 두께는 4mm로 고정하였으며, 샛기둥의 크기는 200×200×8/12이고 SS400 강재를 사용하였다.

이론/모형

구조체의 기둥은 SM490, 보와 강판은 SS400을 사용하였으며, 각 부재의 항복강도 및 최대강도는 공칭강도 대신 박홍근 등(2004)의 실험결과를 이용하였다. 각 부재는 KBC 2009에 따라 설계하였다.
앞서 언급한 바와 같이 연쇄붕괴 해석은 수직변위가 점차 적으로 증가함에 따라 모든 부재에 작용하는 하중도 동일한 비례로 증가하도록 하는데, 이 때 변위의 증분은 초기 설정으로 전체하중의 1/10 부터 시작하도록 하였으며, 해석이 수렴되지 않을 경우 해석프로그램이 자동적으로 증분값을 최소 1E-005까지 줄여 수렴하도록 해석을 수행하였다. 재료의 비선형성을 고려하기 위해 그림 2와 같이 재료곡선을 4개의 직선을 이용하여 이상화된 응력-변형도 모델을 사용하였다. 보-기둥은 Solid 요소를 사용하였고, 강판의 경우는 Shell 요소를 사용하여 모델링하였다.

성능/효과

그림 9는 샛기둥으로 분할된 경간에 강판을 설치하고 연쇄붕괴 해석을 수행한 결과를 나타낸다. 강판벽을 설치할 경우 최대하 중계수가 2.5 이상으로 연쇄붕괴에 대한 저항 성능은 월등히 높아지나, 경간의 분할에 따른 영향은 그리 크지 않은 것으로 나타났다.
5를 초과하여 연쇄붕괴에 안전한 것으로 나타났다. 강판의 두께가 증가할수록 연쇄붕괴에 대한 저항성능 또한 증가하는 것으로 나타났다. 그림 4에 나타낸 경간 6m 모델의 해석결과에 따르면 강판의 두께가 6mm 이상 증가할 경우 다른 경간 모델 들과 상이한 거동을 보이는데, 이는 강판의 큰 강성으로 인하여 강판이 좌굴하지 않고, 1층 기둥에서 먼저 항복 및 좌 굴이 발생하기 때문이다.
0을 초과하여 매우 큰 연쇄붕괴 저항성능을 나타내는 것을 알 수 있다. 강판의 두께가 증가할수록 최대 강도 또한 증가하지만 강도의 증가량은 그리 크지 않은 것으로 나타났다.
그러나 강판의 두께가 어느 한도 이상으로 증가하면 강판이 탄성적으로 거동하고 보와 기둥이 먼저 항복하여 연쇄붕괴에 대한 저항성능이 더이상 증가하지 않았다. 경간 중간에 샛기둥을 설치하고 경간의 일부에만 강판을 설치한 경우에도 연쇄붕괴 저항성능이 어느 정도 증가하는 것으로 나타났으며, 개구부로 인하여 전체 경간에 강판을 설치하지 못하는 경우에도 GSA Guideline에서 요구하는 연쇄붕괴 저항 성능을 확보할 수 있는 것으로 나타났다.
0이하로 나타나 기둥의 제거에 의한 연쇄붕괴에 저항하지 못하는 것으로 나타났다. 그러나 강판벽을 설치한 6m 경간 모델은 강판의 두께가 2mm, 9m 경간 모델과 12m 경간 모델은 각각 4mm와 6mm이상의 두께의 강판을 설치할 경우 탄성구간에서 안전율을 고려한 목표값인 load factor 1.5를 초과하여 연쇄붕괴에 안전한 것으로 나타났다. 강판의 두께가 증가할수록 연쇄붕괴에 대한 저항성능 또한 증가하는 것으로 나타났다.
그림 8은 강판벽이 설치되지 않은 기본 골조의 내부 기둥을 제거하고 비선형 정적해석을 수행한 결과를 나타낸다. 샛기둥의 개수가 증가할수록 최대강도 또한 약간 증가하며, 샛기둥이 두 개 이상 설치된 경우에 최대 하중계수가 1.0을 초과하나, 목표 강도인 load factor 1.5에는 미달하는 것을 알 수 있다. 특히 2개 이상의 샛기둥이 설치된 모델의 경우 강판벽의 형상비가 1.
그림 12는 3등분된 경간의 중앙에만 강판이 설치된 경우 강판의 두께를 2, 4, 6, 8mm로 변화하며 비선형 정적해석을 수행한 결과를 나타낸다. 해석결과에 따르면 강판의 두께가 증가할수록 최대강도 또한 증가하는 것으로 나타났다. 2mm 두께의 강판벽을 설치했을 경우에는 수직변위가 1미터에 도달한 후 목표 강도인 하중계수 1.
GSA Guideline에서 규정하는 수직변위의 한계상태를 수직 점선으로 표시하였다. 해석결과에 따르면 강판이 설치되지 않은 bare frame 모델은 load factor가 1.0이하로 나타나 기둥의 제거에 의한 연쇄붕괴에 저항하지 못하는 것으로 나타났다. 그러나 강판벽을 설치한 6m 경간 모델은 강판의 두께가 2mm, 9m 경간 모델과 12m 경간 모델은 각각 4mm와 6mm이상의 두께의 강판을 설치할 경우 탄성구간에서 안전율을 고려한 목표값인 load factor 1.
해석결과에 따르면 골조 구조물에 강판벽을 설치함으로써 연쇄붕괴에 대한 저항능력을 향상할 수 있으며, 강판의 두께가 증가할수록 구조물의 최대 강도가 증가하는 것으로 나타났다. 그러나 강판의 두께가 어느 한도 이상으로 증가하면 강판이 탄성적으로 거동하고 보와 기둥이 먼저 항복하여 연쇄붕괴에 대한 저항성능이 더이상 증가하지 않았다.

후속연구

본 연구에서는 유한요소해석을 통하여 2층 2차원 철골 모멘트골조를 대상으로 강판벽의 연쇄붕괴 저항성능을 파악하였다. 강판벽의 연쇄붕괴 보강 효과를 다각적으로 검토하기 위해서는 좀 더 다양한 구조재료 및 구조시스템을 대상으로 검증할 필요가 있으며, 이를 위하여 좀 더 단순한 모델링기법 및 목표 성능수준을 만족하기 위한 설계기법의 개발이 필요하다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연쇄붕괴 해석은 무엇인가?	연쇄붕괴 해석은 기둥과 같은 구조체의 주요부재가 충격이나 폭발 등과 같은 예측할 수 없는 하중에 의해 파괴되는 시나리오를 예상하고, 구조부재의 부분손상이 건물의 전체 붕괴로 이어지는 즉 연쇄붕괴가 일어날지에 대한 평가를 수행하는 것이다. 본 연구에서는 현재 GSA 가이드라인(2003)에서 제시하는 연쇄붕괴 해석방법 중 FEMA-356을 기준으로한 pushdown 해석을 이용하여 해석모델의 연쇄붕괴 거동을 파악하였다.
	연쇄붕괴는 무엇인가?	연쇄붕괴는 예상하지 못했던 비정상 하중에 의해 발생한 구조물의 일부파괴가 전체적인 붕괴로 이어지는 현상이다. 뉴욕의 World Trade Center의 붕괴사고를 계기로 화재나 폭발 등의 비정상 하중에 의해 야기될 수 있는 건물의 연쇄 붕괴를 방지할 수 있는 방안에 대한 관심이 높아지고 있다.
	본 논문에서 건물의 연쇄붕괴 성능을 평가하기 위해 설계된 철골구조물의 경간 길이는 어떻게 나누어졌는가?	건물의 연쇄붕괴 성능을 평가하기 위하여 2층 2경간 철골구조물을 설계하였다. 구조물의 경간 길이는 6m, 9m, 12m 의 세 가지로 나누었고, 층고는 모두 동일하게 3.6m이다.

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