[논문]철근콘크리트 건물의 폭발하중에 의한 연쇄붕괴 해석을 위한 침식 기준

김한수; 안효승

doi:10.4334/jkci.2014.26.3.335

철근콘크리트 건물의 폭발하중에 의한 연쇄붕괴 해석을 위한 침식 기준
Erosion Criteria for the Progressive Collapse Analysis of Reinforcement Concrete Structure due to Blast Load 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.26 no.3, 2014년, pp.335 - 342

초록
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이 논문에서는 철근콘크리트 건물의 폭발하중에 의한 연쇄붕괴 해석을 위한 적합한 침식 기준값을 제안하였다. 침식은 기본적으로 대변형에 의한 오류나 해석의 갑작스러운 종료 등의 문제를 극복하기 위한 수치해석 기법이며 선행연구에서 폭발해석에서의 적합한 침식기준 값을 제안했었다. 하지만 콘크리트는 변형률 속도에 따라 다른 스트레스-스트레인 곡선을 갖는다. 따라서 실험 결과와 수치해석 결과를 비교함으로써 실제와 같은 연쇄붕괴 시뮬레이션에 적합한 침식기준 값을 제안하였다. 최종적으로 실제 붕괴가 일어났던 오클라호마 연방정부 건물을 두 결과 값의 중간 값을 적용하여 유사 해석을 진행하였다. 그 결과, 해석 결과는 실제 붕괴를 잘 묘사하고 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, reference erosion criteria value suitable for progressive collapse analysis of RC structure due to blast load is proposed. Erosion is fundamentally a numerical technique to overcome the problems such as large numerical errors or abrupt termination of analysis and previous study has been suggested value for blast analysis. But concrete has different stress-strain curve according to strain rate. Consequently, the erosion criteria for the realistic progressive collapse simulation were suggested by comparing experiment results and numerical analysis results. Finally, the real progressive collapse of Oklahoma Federal Building was analyzed by using the median value of two values. And as a result, the analysis result is the actual collapse of the well described.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 이 논문에서는 빠른 변형률속도를 가지는 폭발해석과 느린 변형률속도를 가지는 연쇄붕괴해석에 적합한 침식기준을 비교하여 폭발해석과 연쇄붕괴해석에 동시에 적용할 수 있는 침식기준을 제안하였다. 연쇄붕괴해석에 적합한 침식기준을 살펴보기 위하여 붕괴저항성능 평가를 위해 수행된 철근콘크리트 보-기둥 부분 구조물의 실험 결과를 해석 결과와 비교하여 유사한 파괴 거동을 보이는 침식기준을 제시하였다.
따라서 이 논문에서는 연쇄붕괴가 발생하는 유사정적 상태에 적합한 침식기준을 찾기 위하여 철근콘크리트 보-기둥 부분구조물의 경우를 실험 데이터와 침식 기준을 변화시킨 수치해석 모델을 비교하였다. 이를 통하여 연쇄붕괴의 파괴 양상을 사실적으로 모사 할 수 있는 적합한 침식 기준 값을 찾고자 하였다.
이 논문에서는 철근콘크리트 건물의 폭발하중에 대한 연쇄붕괴 거동을 보다 정확하게 모사하기 위한 침식 기준을 제안하였다. 이를 위해 폭발해석과는 다른 변형률 속도를 가지는 연쇄붕괴 저항 실험과 수치해석을 통한 결과를 비교하였으며 유효변형률 침식 기준 값을 변경하며 실험 결과와 유사한 해석 결과를 보여줄 수 있는 값을 도출하였다.
이 연구에서는 그림과 같은 보-기둥 부분구조물의 실험 결과를 모사하기 위해 수치해석을 수행하였다. 이와 같은 해석을 위해 적용한 수치해석모델의 조건은 Fig.
따라서 이 논문에서는 연쇄붕괴가 발생하는 유사정적 상태에 적합한 침식기준을 찾기 위하여 철근콘크리트 보-기둥 부분구조물의 경우를 실험 데이터와 침식 기준을 변화시킨 수치해석 모델을 비교하였다. 이를 통하여 연쇄붕괴의 파괴 양상을 사실적으로 모사 할 수 있는 적합한 침식 기준 값을 찾고자 하였다.

가설 설정

철근의 배근 상태는 보고서에 명시된 주요 구조 부재의 내용을 따랐고 나머지 명시되지 않은 부분은 1.5%의 철근비로 가정하였다. 폭발물(TNT)의 위치는 위 보고서를 근거로 제시된 위치에 약 2000 kg의 폭발물을 사용하였다.

제안 방법

정적 댐핑 계수는 3T 정도에 정적 평형상태가 되도록 하며, T의 정확한 값을 모를 경우에는 되도록 과대평가하여 적용하도록 권장하고 있다. 따라서 예제해석은 구조물의 진동이 완전히 사라진 시점인 250 ms를 기준으로 폭발해석을 시작하였다.
따라서 이 논문에서는 두 경우의 결과 값을 절충하여 폭발해석과 연쇄붕괴해석을 동시에 수행하는 예제해석을 수행하였다. 예제해석에 적용한 침식 기준 값은 0.
3과 같이 각각의 유효소성변형률(∊_p)에 대한 항복응력(Y)을 선형 보간하여 정의한 선형함수를 통해 데이터가 결정된다. 따라서, 이 연구에서는 철근과 콘크리트의 물성치를 실험데이터와 같이 수정하여 적용하였다.
이 해석 모델의 경계조건은 실험조건과 부합하도록 양단의 측면은 횡방향 변위를 구속하였고, 양단의 하부는 핀 지지의 이동단으로 수직방향의 변위만을 구속하였다. 또한 가력기와 유사한 상황을 가정하기 위해서, 중심부의 기둥 상부에 기둥의 단면과 같은 크기의 철판을 모델링을 하고 철판의 상부에 강제로 수직방향의 속도를 부여하였다. 하지만 처음부터 큰 속도를 가하게되면 부재에 순간 적인 충격이 가해질 수 있어 서서히 속력을 증가하는 방법을 사용하였다.
하지만 실제의 콘크리트 파괴를 구현하기 위해 삼축응력상태(hydro)로 설정된 파괴 모델을 주인장응력을 기준으로한 값으로 변경하고, 이를 실험체의 콘크리트 인장강도로 설정하였다. 또한 파괴모드를 결정하는 flow rule 옵션의 기본값은 관입시험 해석에 적합한 값으로, 이를 bulking으로 변경하였다.
철근의 탄성계수는 182 GPa이고 항복강도는 511 MPa, 극한강도는 731 MPa을 사용하였다. 실험은 실험체 중심 기둥 상부에 가력기를 통해 일정한 속도로 강제적인 수직변위를 주며 저항성능을 평가하였다. Fig.
연쇄붕괴해석에 적절한 해석환경을 만들기 위하여 초기 조건의 하중을 구조물의 진동주기에 3∼4배 정도 되는 구간동안 서서히 가해지도록 경사 하중을 적용하였다.
따라서 이 논문에서는 빠른 변형률속도를 가지는 폭발해석과 느린 변형률속도를 가지는 연쇄붕괴해석에 적합한 침식기준을 비교하여 폭발해석과 연쇄붕괴해석에 동시에 적용할 수 있는 침식기준을 제안하였다. 연쇄붕괴해석에 적합한 침식기준을 살펴보기 위하여 붕괴저항성능 평가를 위해 수행된 철근콘크리트 보-기둥 부분 구조물의 실험 결과를 해석 결과와 비교하여 유사한 파괴 거동을 보이는 침식기준을 제시하였다.
등에 의해 수행된 보-기둥 부분구조 물의 연쇄붕괴 저항성을 평가했던 실험 결과를 이용하였다. 위 논문에서는 1/2 스케일의 RC 보-기둥 부분구조물을 ACI 318-05에 따라 내진상세, 비내진 상세를 적용하여 내진상세가 실제로 연쇄붕괴 저항성능에 영향을 주는 지에 대한 실험 및 수치 해석한 결과를 보여준다. 실험체의 원형은 Fig.
각 단부는 2개의 봉과, 핀 지지의 이동단으로 구속되어 있다. 위 실험에서의 단면 상세는 내진 상세와 비내진 상세의 두 가지 경우로 구분하고 있으나, 이 논문에서는 침식 해석 모델과의 비교를 위해 비내진 상세를 적용한 실험체만을 해석에 적용하였다. 따라서 해석에 적용한 모델의 단면 상세는 Fig.
이 연구에서 사용된 수치해석모델의 철근과 콘크리트의 재료 모델은 Magnusson과 Hansson¹⁷⁾의 실험의 결과를 기반으로 하여 AUTODYN에서 제공하는 RHT콘크리트와 Johnson-Cook 모델을 수정한 모델을 사용하였다.
이 해석 모델의 경계조건은 실험조건과 부합하도록 양단의 측면은 횡방향 변위를 구속하였고, 양단의 하부는 핀 지지의 이동단으로 수직방향의 변위만을 구속하였다. 또한 가력기와 유사한 상황을 가정하기 위해서, 중심부의 기둥 상부에 기둥의 단면과 같은 크기의 철판을 모델링을 하고 철판의 상부에 강제로 수직방향의 속도를 부여하였다.
이 논문에서는 철근콘크리트 건물의 폭발하중에 대한 연쇄붕괴 거동을 보다 정확하게 모사하기 위한 침식 기준을 제안하였다. 이를 위해 폭발해석과는 다른 변형률 속도를 가지는 연쇄붕괴 저항 실험과 수치해석을 통한 결과를 비교하였으며 유효변형률 침식 기준 값을 변경하며 실험 결과와 유사한 해석 결과를 보여줄 수 있는 값을 도출하였다. 해석 결과 폭발 해석과는 다소 차이를 보이는 침식 기준 값 0.
이에 이 논문에서는 연쇄붕괴 해석의 효율성과 신뢰성을 위해서 구조물의 일부 부재의 한 변을 2~3개의 요소로 나눌 수 있는 요소의 크기를 선택하였다. 따라서 이 모델에서의 요소분할의 크기는 보의 상부를 3개로 나눌 수 있도록 50 mm 하였다.
해석모델의 요소는 각각 콘크리트는 입체요소(volume element)로 철근은 보 요소(beam element)를 이용하여 모델링을 하였다. 철근과 콘크리트의 관계는 요소 내부를 가로지르는 철근의 효과를 반영하기 위하여 AUTODYN에서의 reinforcement contact기능을 이용하였다.⁹⁾
침식에 따른 영향을 알아보기 위해 침식 기준 값을 변화시키면서 그에 따른 변화를 살펴보았다. 침식을 변경시키는 범위는 선행연구¹¹⁾와 같이 0.
폭발해석과 연쇄붕괴 해석을 동시에 진행하기 위해서 두 값의 중간 값을 적용하여 예제해석을 수행하였다. 예제 해석 대상모델은 미국의 오클라호마 차량폭탄 테러에 의한 연쇄붕괴 사건으로 삼았으며, 중간 값인 0.
기본 값은 삼축응력 상태를 기준으로 변형강화(strain hardening), 압력 경화(pressure hardening) 등을 나타낼 수 있는 특성을 가지고 있다. 하지만 실제의 콘크리트 파괴를 구현하기 위해 삼축응력상태(hydro)로 설정된 파괴 모델을 주인장응력을 기준으로한 값으로 변경하고, 이를 실험체의 콘크리트 인장강도로 설정하였다. 또한 파괴모드를 결정하는 flow rule 옵션의 기본값은 관입시험 해석에 적합한 값으로, 이를 bulking으로 변경하였다.
또한 가력기와 유사한 상황을 가정하기 위해서, 중심부의 기둥 상부에 기둥의 단면과 같은 크기의 철판을 모델링을 하고 철판의 상부에 강제로 수직방향의 속도를 부여하였다. 하지만 처음부터 큰 속도를 가하게되면 부재에 순간 적인 충격이 가해질 수 있어 서서히 속력을 증가하는 방법을 사용하였다. Fig.
따라서 이 모델에서의 요소분할의 크기는 보의 상부를 3개로 나눌 수 있도록 50 mm 하였다. 해석모델의 요소는 각각 콘크리트는 입체요소(volume element)로 철근은 보 요소(beam element)를 이용하여 모델링을 하였다. 철근과 콘크리트의 관계는 요소 내부를 가로지르는 철근의 효과를 반영하기 위하여 AUTODYN에서의 reinforcement contact기능을 이용하였다.

대상 데이터

주철근은 피복두께를 20 mm로 하여 10 mm의 철근이 보 상부에는 3개 하부에는 2개씩 배근되어 있고 스터럽은 6 mm의 철근을 100 mm간격으로 두었다. 실험에 사용된 보-기둥 부분구조물의 콘크리트 압축강도는 31.2 MPa이고, 인장강도는 3.1 MPa이다. 철근의 탄성계수는 182 GPa이고 항복강도는 511 MPa, 극한강도는 731 MPa을 사용하였다.
위 논문에서는 1/2 스케일의 RC 보-기둥 부분구조물을 ACI 318-05에 따라 내진상세, 비내진 상세를 적용하여 내진상세가 실제로 연쇄붕괴 저항성능에 영향을 주는 지에 대한 실험 및 수치 해석한 결과를 보여준다. 실험체의 원형은 Fig. 4와 같이, 5층의 상업용 건물로서 층고는 1층은 4 m, 기준층은 3.3 m이며, 각 기둥은 6 m의 경간을 갖고 있는 다층 건물이다. 여기서 Fig.
3 m이며, 각 기둥은 6 m의 경간을 갖고 있는 다층 건물이다. 여기서 Fig. 4의 빗금 친 부분을 기둥이 소실된 상부의 보-기둥 부분구조물의 실험체로 사용하였다.
위의 폭발하중에 의한 연쇄붕괴해석을 위한 침식기준의 적합성을 검증하기 위하여 실제 차량 폭탄 테러로 연쇄붕괴가 발생하였던 미국 오클라호마 연장정부 건물을 예제해석 대상 모델로 하였다. 각 부재의 치수와 물성은 ASCE(American Society of Civil Engineers)의 보고서¹⁹⁾ 를 참조하여 적용하였다.
1 MPa이다. 철근의 탄성계수는 182 GPa이고 항복강도는 511 MPa, 극한강도는 731 MPa을 사용하였다. 실험은 실험체 중심 기둥 상부에 가력기를 통해 일정한 속도로 강제적인 수직변위를 주며 저항성능을 평가하였다.
각 부재의 치수와 물성은 ASCE(American Society of Civil Engineers)의 보고서¹⁹⁾ 를 참조하여 적용하였다. 콘크리트의 경우 압축강도 39 MPa와 인장강도 3.9 MPa를 사용하였으며, 철근은 항복강도 423 MPa, 극한강도 737 MPa을 사용하였다.
5%의 철근비로 가정하였다. 폭발물(TNT)의 위치는 위 보고서를 근거로 제시된 위치에 약 2000 kg의 폭발물을 사용하였다. Fig.

이론/모형

위의 폭발하중에 의한 연쇄붕괴해석을 위한 침식기준의 적합성을 검증하기 위하여 실제 차량 폭탄 테러로 연쇄붕괴가 발생하였던 미국 오클라호마 연장정부 건물을 예제해석 대상 모델로 하였다. 각 부재의 치수와 물성은 ASCE(American Society of Civil Engineers)의 보고서¹⁹⁾ 를 참조하여 적용하였다. 콘크리트의 경우 압축강도 39 MPa와 인장강도 3.
보-기둥 부분구조물의 실험과 수치해석 결과를 비교하기 위해서 Jun Yu¹⁸⁾등에 의해 수행된 보-기둥 부분구조 물의 연쇄붕괴 저항성을 평가했던 실험 결과를 이용하였다. 위 논문에서는 1/2 스케일의 RC 보-기둥 부분구조물을 ACI 318-05에 따라 내진상세, 비내진 상세를 적용하여 내진상세가 실제로 연쇄붕괴 저항성능에 영향을 주는 지에 대한 실험 및 수치 해석한 결과를 보여준다.
이 연구를 위하여 폭발이나 충격과 같은 비정상 하중에 대한 비선형 동적해석이 가능한 해석 프로그램인 AUTODYN¹³⁾을 사용하였다. 이 연구를 통해 제시된 침식 기준은 폭발 해석과 연쇄붕괴해석에 모두 적용할 수 있는 기준 값이 될 것이며, 전산해석을 통해 철근콘크리트 구조물의 폭발해석 및 연쇄붕괴해석을 동시에 수행하여, 폭발에 의해 구조부재가 제거된 이후의 발생하는 붕괴 거동을 예측하는데 활용 될 수 있을 것이다.
하지만 이 논문에서 철근의 물성은 위의 식 (1)과 같이 정의된 JC모델¹³⁾을 수정하여 순간적인 하중에 의한 대변형을 표현할 수 있도록 한 PJC(piecewise linear JohnsonCook) 모델을 사용하였다. 두 모델은 공통적으로 Fig.

성능/효과

1) 세계적으로 빌딩의 초고층화가 가속화되는 가운데 이 연쇄붕괴는 초고층빌딩에서 발생할 수 있는 가장 파급력이 큰 현상으로서 초고층 빌딩의 최대 단점으로 지적되어 왔다. 이는 만일 작용한 비정상하중에 의한 1차적 피해로 구조물이 연쇄붕괴라는 2차적 사태로 이어지게 된다면 1차적 피해 대비 발생하게 되는 2차적 피해의 영향력이 수직공간에서는 더욱 극대화되어 대규모 인명 및 재산상의 피해를 발생시키기 때문이다.
11은 Jun Yu 등의 실험결과에서 보여주는 실험체의 수직력과 수직변위와의 관계와 수치해석에서 침식 기준 값을 변경했을 경우의 힘과 수직변위와의 관계를 비교한 것이다. 실험 결과는 50 mm의 수직변위가 발생했을 때까지 저항하다 이후 균열이 발생하며 강성이 저하되고, 해석모델 역시 50 mm까지 유사한 강성을 유지한 후강성이 저하되는 모습을 보여주고 있다. 이 후 실험에서는 현수작용(catenary action)에 의해 강성이 다시 증가하게 되는데, 침식 기준 값을 1.
폭발해석과 연쇄붕괴 해석을 동시에 진행하기 위해서 두 값의 중간 값을 적용하여 예제해석을 수행하였다. 예제 해석 대상모델은 미국의 오클라호마 차량폭탄 테러에 의한 연쇄붕괴 사건으로 삼았으며, 중간 값인 0.3을 적용한 해석에서 실제와 아주 유사한 결과를 보여주는 것을 알 수 있었다. 따라서 침식 기준 값을 0.
실제 오클라호마 건물의 주요 구조 부재만을 보고서를 통해 참조하고 그 외 부분은 유사한 상황을 가정하였을 뿐만 아니라 벽체 등의 모델링이 이루어지지 않았다는 점에서 실제 상태를 정확히 모사했다고 볼 수는 없다. 하지만 폭발해석에서 적용했던 침식 기준 값과 연쇄붕괴 실험에 적용했던 침식 기준 값 사이의 중간 값을 적용한 해석이 상당부분 실제 현상을 모사하기 적합함을 보여주고 있다. Fig.
이를 위해 폭발해석과는 다른 변형률 속도를 가지는 연쇄붕괴 저항 실험과 수치해석을 통한 결과를 비교하였으며 유효변형률 침식 기준 값을 변경하며 실험 결과와 유사한 해석 결과를 보여줄 수 있는 값을 도출하였다. 해석 결과 폭발 해석과는 다소 차이를 보이는 침식 기준 값 0.5에서 가장 실험과 가까운 결과를 보여주고 있음을 알 수 있었다.

후속연구

이 논문의 결과를 활용한다면 철근콘크리트 건물의 실제적인 폭발하중에 의한 부재 손실로 발생하는 연쇄붕괴 해석에서 보다 정확하게 해석하는데 유용하게 사용할 수 있을 것이다.
을 사용하였다. 이 연구를 통해 제시된 침식 기준은 폭발 해석과 연쇄붕괴해석에 모두 적용할 수 있는 기준 값이 될 것이며, 전산해석을 통해 철근콘크리트 구조물의 폭발해석 및 연쇄붕괴해석을 동시에 수행하여, 폭발에 의해 구조부재가 제거된 이후의 발생하는 붕괴 거동을 예측하는데 활용 될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비정상하중에 의한 1차적 피해로 연쇄붕괴라는 2차적 사태로 이어지는 문제를 해결하기 위한 대책으로 현재 미국과 유럽을 비롯한 여러 나라에서는 어떻게 하고 있는가?	이를 위한 대책으로 현재 미국, 유럽 등 여러 나라에서는 GSA2), DOD3)등 정적해석법에 근거하여 연쇄붕괴 방지를 위한 설계 기준을 규정하고 있으며 꾸준한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 최근에는 보다 정확한 설계 기준을 제시하기 위하여 폭발과 붕괴라는 비선형적이며 동적인 현상을 고려할 수 있도록 하기 위한 유한요소법을 기반으로 한 동적해석 기법이 많은 연구자들에 의해 수 행되고 있다.
	연쇄붕괴란 무엇인가?	연쇄붕괴는 충격하중이나 폭발하중 등의 비정상하중에 의해 구조부재의 국부손상이 구조물의 부분적인 파괴나 전체적인 붕괴로 이어지는 현상을 말한다.1) 세계적으로 빌딩의 초고층화가 가속화되는 가운데 이 연쇄붕괴는 초고층빌딩에서 발생할 수 있는 가장 파급력이 큰 현상으로서 초고층 빌딩의 최대 단점으로 지적되어 왔다.
	하이드로코드란 무엇인가?	AUTODYN에서 사용하는 하이드로코드10)는 초고속 충돌로 인한 아주 짧은 순간의 대변형, 대회전, 대변형률, 상태변화 등의 비선형 거동 문제를 유한 차분, 유한 체적, 그리고 유한요소법을 사용하여 해석하는 코드이다. 이 같은 장점 때문에 건축분야에서도 구조부재의 충돌및 폭발해석을 위해 많은 연구에 활용되고 있고, 부재단위 해석에서 나아가 충돌 및 폭발의 영향이 구조물 전체에 미치는 영향까지 알아보기 위해 관심을 기울이고 있다.

참고문헌 (20)

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상세보기
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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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