[논문]ADINA 구조해석을 이용한 PCT 거더교 좌굴 평가에 관한 연구

김의수; 김종혁

doi:10.3795/ksme-a.2013.37.11.1415

초록
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최근에는 이러한 법공학 분야에 유한요소법 및 유한체적법을 이용한 다양한 시뮬레이션 기법을 활용하여 안전사고 및 재난사고에 대한 법적 책임문제를 해명하고 보다 정확한 원인분석을 통해 원인을 규명하고 있는 추세이다. 본 연구에서는 ADINA 구조해석을 이용하여 단경교 거더교 붕괴사고에 관한 좌굴 원인분석을 수행하였다. 본 연구에서 다루는 사고는 단경교 거더교 신축 중 상현 슬래브 구성을 위한 콘크리트 타설 중 교량이 붕괴된 사고로 원설계 공법에서 가설 공법이 변경되었고 상현 콘크리트 블록 및 격벽 콘크리트 등을 미시공한 상태에서 그 다음 단계인 상현 슬래브 콘크리트 타설을 진행함으로써 구조적 불안정을 가져와 거더가 좌굴이 발생하여 붕괴된 사고이다. 사고 재현 실험이 불가한 경우 F.E.M 을 이용한 구조안정성 비교 평가는 정확한 공학적 사고의 원인을 규명하는데 효과적인 방법이다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, to resolve problems regarding legal liability for accidents and disasters, various simulation techniques such as F.E.M. and F.V.M. have been used in the field of forensic engineering. In this study, we performed mechanical structure analysis using ADINA to investigate the cause of bridge c...

Recently, to resolve problems regarding legal liability for accidents and disasters, various simulation techniques such as F.E.M. and F.V.M. have been used in the field of forensic engineering. In this study, we performed mechanical structure analysis using ADINA to investigate the cause of bridge collapse accidents. Such accidents occurred owing to modified and missing processes in comparison with the original design while filling with concrete. Modified and missing processes cause buckling of the upper plate and twisting of the main girder. Through this study, we determine the exact cause of bridge collapse by comparing the evaluation of the structure stability of the original design with the evaluation of the structure stability of the modified and missing process using ADINA structure analysis. Hence, this result indicates that buckling prediction through FEA is the most effective method.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이와 같은 교량 붕괴사고는 발생시 대형 참사를 내재하고 있기 때문에 법공학적인 측면에서 전문화되고 체계적인 사고조사와 원인 규명을 통해 사전에 예방대책을 마련함으로써 유사 및 동종재해의 발생을 최소화해야 한다. 본 연구에서는 ADINA 구조해석을 이용하여 공정 누락에 대한 구조 안정성 평가를 원설계치와 비교 분석함으로써 상현재 좌굴로 인한 교량 붕괴 사고의 정확한 원인을 규명하였다.
본 연구에서는 단경교 거더교 신축 중 상현 슬래브 구성을 위한 콘크리트 타설 중 교량이 붕괴된 사고의 원인을 규명하기 위해 법공학적 관점에서 ADINA 구조해석을 이용하여 좌굴 형태 분석과 구조안정성 영향 평가를 수행하였고 다음과 같은 결과를 도출하였다.
사회가 점점 고도한 기술사회로 접어들고 국내 공판중심주의 도입으로 인해 공학과 법이 함께 관련된 문제들을 다루는 법공학에 대한 필요성은 더욱 대두되고 있다. 본 연구에서는 법공학에서 다루는 내용 중 교량 구조물이 붕괴되면서 추락으로 이어져 큰 인명피해를 가져올 수 있는 P.C.T 거더교(Prestressed Composite Truss Girder)의 상현재 좌굴 거동에 관한 평가를 진행하고자 한다. 본 연구에서 다루는 사고는 단경교 거더교 신축 중 상현 슬래브 구성을 위한 콘크리트 타설중 교량이 붕괴된 사고로 원설계 공법에서 가설 공법이 변경되었고 상현 콘크리트 블록 및 격벽 콘크리트 등을 미시공한 상태에서 그 다음 단계인 상현 슬래브 콘크리트 타설을 진행함으로써 구조적 불안정을 가져와 거더가 좌굴이 발생하여 붕괴되었다.

제안 방법

(1) 붕괴된 단경간 실제 설계된 시공법 대비 변경된 시공법이 적용되었고 붕괴된 거더교에서 상현 콘크리트 블록과 격벽 설치 없이 타설이 진행되어 구조적으로 불안정한 상태에서 작업이 이루어졌다.
모델링 구성을 위해 트러스 및 콘크리트 모델은 총 98,439 개의 빔요소를 사용하였고 모델링 조건은 Table 2 에서 보듯 모델 A 는 정상 공법 적용시 거더교를 나타내고 모델 B 는 실제 적용된 상현 콘크리트 블록 미설치와 격벽 콘크리트 미시공 상태의 거더교를 형상화 하였다. 구성된 3D 모델은 Fig. 9 와 같고 경계조건은 Fig. 10 에서 보듯 상부슬래브 철근 중량을 35.7 ton, 거푸집 중량을 40 kgf/㎡, 타설용 콘크리트 중량을 90 ton 으로 사고 당시 콘크리트를 타설하던 지점(교각쪽에서 10m 지점)에 분포하중으로 적용하였다. 단면 재원은 Table 3 과 같고 적용된 물성치는 상,하현강재의 경우는 Table 1 의 계장화 압입시험에서 득한 값을 적용하였고 콘크리트와 복부사재의 경우는 도로교 설계기준에서 규정한 허용인장강도 40 MPa, 320 MPa 을 각각 적용하였다.
7 ton, 거푸집 중량을 40 kgf/㎡, 타설용 콘크리트 중량을 90 ton 으로 사고 당시 콘크리트를 타설하던 지점(교각쪽에서 10m 지점)에 분포하중으로 적용하였다. 단면 재원은 Table 3 과 같고 적용된 물성치는 상,하현강재의 경우는 Table 1 의 계장화 압입시험에서 득한 값을 적용하였고 콘크리트와 복부사재의 경우는 도로교 설계기준에서 규정한 허용인장강도 40 MPa, 320 MPa 을 각각 적용하였다.
본 붕괴 거더교는 당초 설계 대비 변경된 공법이 적용되었고 상현 콘크리트 블록 미설치와 격벽 콘크리트 미시공 등으로 인한 구조안정성 영향 평가를 위해 비선형 해석 상용프로그램인 ADINA을 이용하여 유한요소해석을 통한 영향 평가를 수행하였다. 모델링 구성을 위해 트러스 및 콘크리트 모델은 총 98,439 개의 빔요소를 사용하였고 모델링 조건은 Table 2 에서 보듯 모델 A 는 정상 공법 적용시 거더교를 나타내고 모델 B 는 실제 적용된 상현 콘크리트 블록 미설치와 격벽 콘크리트 미시공 상태의 거더교를 형상화 하였다.
상기 항에서 언급한 SM570 강재의 상현재는 좌굴 및 소성변형이 심한 상태로 설계와 실제 시공된 상현재의 기계적 특성치를 비교하기 위해 Fig. 8 과 같이 계장화 압입 시험법(ISO TR29381 과 KSB 0950:2002 의 압입시험을 이용한 인장물성 평가 방법)에 근거하여 상현재 두께별로 인장 물성을 평가하였다. 본 평가에서는 사고 시편의 경우 기존의 기계적 물성 평가법들이 가지는 시편 제작의 단점으로 인해 적용될 수 없었던 다양한 분야들에 대해 폭넓게 응용되고 있는 계장화 압입시험법을 이용하였다.

대상 데이터

본 붕괴 거더교는 당초 설계 대비 변경된 공법이 적용되었고 상현 콘크리트 블록 미설치와 격벽 콘크리트 미시공 등으로 인한 구조안정성 영향 평가를 위해 비선형 해석 상용프로그램인 ADINA을 이용하여 유한요소해석을 통한 영향 평가를 수행하였다. 모델링 구성을 위해 트러스 및 콘크리트 모델은 총 98,439 개의 빔요소를 사용하였고 모델링 조건은 Table 2 에서 보듯 모델 A 는 정상 공법 적용시 거더교를 나타내고 모델 B 는 실제 적용된 상현 콘크리트 블록 미설치와 격벽 콘크리트 미시공 상태의 거더교를 형상화 하였다. 구성된 3D 모델은 Fig.
사고 현장은 거더교 신설 공사 현장으로 전체 교량연장 592.6 m 중 군거부(접경지역에 설치되는 특성에 따라 군(軍등)협정 과정에서 유사시 시설 일부를 쉽게 폭파하도록 주교량과 분리하여 신축) 시설 용도로 신축 중이던 교량연장 55 m, 폭원 11 m 의 PCT(Prestressed Composite Truss Girder)공법이 적용된 단경간 P.C.T. 거더교가 상부바닥판 콘크리트 타설 중 붕괴되어 낙교된 상태이며 이를 Fig.1에 나타내었다. 붕괴된 단경간 거더교(이하 사고 거더교)는 P.
사고 거더교는 총 5 개의 트러스 부재가 용접작업에 의해 연결되고 교량에 인장력을 부여하기 위해 PS 강선을 이용한 프리스트레스 인장 작업 후 성토와 가설 지지대를 제거하고 주교량 교각에서 약 10 m 지점 2 번, 3 번 거더부에 상현 슬래브 타설 중 붕괴된 상태이다. 총 3 개의 거더 중 2 번, 3 번 거더가 붕괴된 상태이며 Fig. 5 에서 보듯 10.68 m 지점의 1 차 트러스 부재 용접부에서 낙교 전 상현재의 심한 좌굴 변형 형태와 낙교 후 소성 변형 형태가 관찰된다. 좌굴이 발생한 원인은 Fig.

이론/모형

8 과 같이 계장화 압입 시험법(ISO TR29381 과 KSB 0950:2002 의 압입시험을 이용한 인장물성 평가 방법)에 근거하여 상현재 두께별로 인장 물성을 평가하였다. 본 평가에서는 사고 시편의 경우 기존의 기계적 물성 평가법들이 가지는 시편 제작의 단점으로 인해 적용될 수 없었던 다양한 분야들에 대해 폭넓게 응용되고 있는 계장화 압입시험법을 이용하였다. 계장화 압입시험법은 다양한 기계적인 특성을 비파괴적으로 측정하는 최신기술로서 재료에 하중 인가 및 제거 과정 중 하중과 변위를 연속적으로 측정하여 획득된 압입하중-변위곡선의 분석을 통해 유동물성, 잔류응력, 파괴 인성 등의 기계적 특성을 평가할 수 있는 방법이다.

성능/효과

(2) 상현 콘크리트 블록을 타설하지 않는 경우 당초 설계시 계산된 저항능력이 감소하여 좌굴이 발생하고 콘크리트 타설순서 및 위치에 따라 좌/우측 쏠림현상이 발생하는데 상현 콘크리트 블록 미시공이 좌굴 발생에 큰 영향을 주었다.
(3) 계장화압입시험법을 이용하여 기계적 특성(항복강도, 인장강도)을 측정한 결과, 평균 항복 강도는 약 364 MPa 이며, 평균 인장 강도는 759 MPa 로 제시된 설계치 허용인장응력 260 MPa 의 값을 만족하므로 이로 인한 사고 관련성은 낮은 것으로 판단된다.
계장화 압입시험법은 다양한 기계적인 특성을 비파괴적으로 측정하는 최신기술로서 재료에 하중 인가 및 제거 과정 중 하중과 변위를 연속적으로 측정하여 획득된 압입하중-변위곡선의 분석을 통해 유동물성, 잔류응력, 파괴 인성 등의 기계적 특성을 평가할 수 있는 방법이다.^(3~5) 실제 사용된 상현재 대한 기계적 특성(항복강도, 인장강도)을 측정한 결과, Table 1 에 나타낸 바와 같이 평균 항복 강도는 약 364 MPa 이며, 평균 인장 강도는 759 MPa 로 제시된 강재의 기계적 특성치인 항복 강도 460 MPa 을 만족하지 못하며 설계치 허용인장응력 260 MPa 의 값은 만족함을 확인하였다. 여기서, Y.
(4) 좌굴 변형 해석 결과, 설계 거더교에 타설 하중이 부여된 모델 A 의 경우는 구조안정성 측면에서 안정된 상태를 나타내나 붕괴 거더교에 타설하중이 부여된 모델 B 의 경우는 임계좌굴응력 대비 발생응력이 그 이상으로 구조적으로 불안정한 상태를 나타내는 것으로 보아 상현재 콘크리트 블록 미시공이 좌굴 변형에 주요인임을 검증하였다.
T 거더교(Prestressed Composite Truss Girder)의 상현재 좌굴 거동에 관한 평가를 진행하고자 한다. 본 연구에서 다루는 사고는 단경교 거더교 신축 중 상현 슬래브 구성을 위한 콘크리트 타설중 교량이 붕괴된 사고로 원설계 공법에서 가설 공법이 변경되었고 상현 콘크리트 블록 및 격벽 콘크리트 등을 미시공한 상태에서 그 다음 단계인 상현 슬래브 콘크리트 타설을 진행함으로써 구조적 불안정을 가져와 거더가 좌굴이 발생하여 붕괴되었다. 이와 같은 교량 붕괴사고는 발생시 대형 참사를 내재하고 있기 때문에 법공학적인 측면에서 전문화되고 체계적인 사고조사와 원인 규명을 통해 사전에 예방대책을 마련함으로써 유사 및 동종재해의 발생을 최소화해야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	법공학이란?	각종 사고에 관한 법적 문제에 대해, 이를 공학적으로 해명하는 학문 분야인 법공학(Forensic Engineering)은 공학과 관련된 분야에서 사고가 발생했을 경우 이 분야의 전문적인 지식과 경험을 갖추고 있는 전문가가 법적인 관점에서 문제점을 규명하는 학문이다(1,2). 사고 원인 규명 과정에 있어서 일반적인 공학적 관점이 사고가 발생하는 메케니즘을 설명하고 파악하는데 주안점을 둔 반면 법공학은 안전사고 및 재난사고에 대한 법적 책임 문제를 해명하는 목적 외에 전문지식을 가지고 있는 법공학 조사관들의 정확한 원인분석을 통해 원인을 규명하고 이를 예방하기 위해 각종 제도와 법적 규제에 대한 규격 및 정책을 제안하여 안전하고 안정된 사회를 실현하는데 공헌하는 것이라할 수 있다.
	사고를 바라보는 공학적 관점과 법공학과의 관점 차이는?	각종 사고에 관한 법적 문제에 대해, 이를 공학적으로 해명하는 학문 분야인 법공학(Forensic Engineering)은 공학과 관련된 분야에서 사고가 발생했을 경우 이 분야의 전문적인 지식과 경험을 갖추고 있는 전문가가 법적인 관점에서 문제점을 규명하는 학문이다(1,2). 사고 원인 규명 과정에 있어서 일반적인 공학적 관점이 사고가 발생하는 메케니즘을 설명하고 파악하는데 주안점을 둔 반면 법공학은 안전사고 및 재난사고에 대한 법적 책임 문제를 해명하는 목적 외에 전문지식을 가지고 있는 법공학 조사관들의 정확한 원인분석을 통해 원인을 규명하고 이를 예방하기 위해 각종 제도와 법적 규제에 대한 규격 및 정책을 제안하여 안전하고 안정된 사회를 실현하는데 공헌하는 것이라할 수 있다. 사회가 점점 고도한 기술사회로 접어들고 국내 공판중심주의 도입으로 인해 공학과 법이 함께 관련된 문제들을 다루는 법공학에 대한 필요성은 더욱 대두되고 있다.

참고문헌 (11)

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