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응용 요소법을 이용한 초고층 건물의 축소 모델링 연쇄붕괴 해석
Reduced Degree of Freedom Modeling for Progressive Collapse Analysis of Tall Buildings using Applied Element Method 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.26 no.5, 2014년, pp.599 - 606  

김한수 (건국대학교 건축공학과) ,  위해환 (건국대학교 건축공학과)

초록
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초고층 건물의 연쇄붕괴는 큰 피해를 발생시키므로 초고층 건물의 설계 단계에서 반드시 고려해야할 사항이다. 유한요소법을 이용한 초고층 건물의 연쇄붕괴 해석은 해석 시간이 지나치게 많이 소요되어 사실상 불가능하다고 할 수 있다. 본 논문에서는 유한 요소법의 대안으로 응용 요소법을 이용한 연쇄붕괴 해석의 유용성을 살펴보았다. 초고층 건물의 연쇄붕괴 해석을 위하여 규모 축소 모델링 방안을 제안하였다. 제안한 규모 축소 모델링 방안은 폭파하중의 직접적인 피해를 받는 부분만 해석모델에 포함하고 제외되는 나머지 부분의 질량과 전달하중 그리고 강성은 하나의 층에 집중시키는 방법이다. 20층 고층 철근콘크리트 건물에 대한 전체 모델과 축소된 모델을 세 가지 연쇄붕괴 시나리오에 대하여 연쇄붕괴 해석을 수행하고 그 결과를 비교하였다. 축소 모델은 전체 모델과 유사한 연쇄붕괴 양상을 보여 주지만 소요된 시간은 전체 모델의 약30%로 줄일 수 있었다. 본 논문에서 제안된 연쇄붕괴 해석 방안은 비정상 하중에 의한 초고층 건물의 연쇄붕괴 해석에 유용하게 사용될 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Since progressive collapse of tall buildings can cause enormous damage, it should be considered during the design phase of tall buildings. The progressive collapse analysis of tall buildings using finite element methods is almost impossible due to the vast amount of computing time. In this paper, ap...

주제어

#폭발 해석   #철근콘크리트   #초고층 건물   #연쇄붕괴   #응용 요소법  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 본 논문에서는 초고층 철근 콘크리트 건물에서 폭파에 의한 연쇄붕괴를 해석할 수 있는 축소 규모 모델링 방안을 제안하고, 세 가지 시나리오를 가정한 후 응용 요소법을 이용한 프로그램인 ELS를 이용하여 제안된 방법의 타당성을 확인하였다. 철근콘크리트 건물의 연쇄붕괴 해석에서의 응용 요소법의 유용성을 확인하기 위하여 미국 오클라호마 연방정부 건물의 연쇄붕괴 사례에 대하여 연쇄붕괴 해석을 수행하였다.
  • 응용 요소법을 이용한 폭발에 의한 연쇄붕괴 해석은 많은 연구를 통해서 입증되어 있지만 모델의 규모가 커지면 해석적 한계에 부딪힌다. 본 논문은 축소 모델 기법을 제시하여 이를 해결하고자 하였다.
  • 본 연구에서 사용한 ELS 프로그램은 응용 요소법을 기반으로 만들어진 구조 해석 프로그램으로, 건축 토목 구조물의 비선형 거동을 해석하기 위해 개발되었다. 응용 요소법은 구조물의 선형 해석에도 적용 가능하지만 폭발에 의한 구조물의 거동 해석과 같은 비선형 동적 해석에 특히 유용한 해석 프로그램이다.
  • 본 연구에서는 이러한 단점을 보완하기 위한 방법으로 응용 요소법을 이용한 초고층건물의 연쇄붕괴 해석 기법을 소개하고, 효율적인 연쇄붕괴 해석을 위한 모델링 기법을 제안한다. 응용 요소법2)(Applied element method)은 요소 자체가 변형을 표현하는 유한 요소법(Finite element method)과는 달리, 요소와 요소사이를 연결하는 스프링으로써 변형을 표현한다.
  • 응용 요소법을 이용한 비선형 동적 해석 프로그램이 유한 요소법을 이용한 해석에 비해 해석 시간을 줄일 수 있는 장점이 있지만, 초고층 건물의 경우 여전히 요소의 수가 너무 많기 때문에 모델링 및 폭발에 의한 연쇄붕괴 해석에 큰 어려움이 있다. 이를 해결하고자 규모 축소 모델링 방안을 제안하였다. 초고층 건물의 연쇄붕괴 해석에서 가장 중요한 점은 연쇄붕괴 발생 여부를 알아보고자 하는 것이며 이를 알아보기 위한 해석에서 초고층 건물 전체가 포함될 필요는 없다.
  • 일정 규모 이상의 초고층건물일 경우 응용 요소법을 이용하더라도 모델링 및 해석에 어려움이 발생하는 것이 일반적이다. 이와 같은 문제를 해결하고자 본 논문에서는 초고층건물의 축소 모델링 기법을 제안하였고, 응용 요소법을 기반으로 한 해석 프로그램인 ELS (Extreme Loading for structure)2)를 이용하여 그 타당성을 확인하였다.

가설 설정

  • 를 참조하여 각 주요 부재의 치수와, 층별 하중 그리고 재료 물성값를 Table 1과 같이 정하였다. 나머지 부재는 1.5%의 철근비로 가정하였으며, 폭발물의 양은 약 1750 kg으로 위 보고서에 제시된 위치에서 폭발시켰다.
  • 5이하일 때 부재가 안전하다고 판정한다. 만약 DCR이 기준을 넘으면 부재가 파괴된다고 가정하고, 파괴되는 영역이 기둥과 직접 연결된 부재로 한정되지 않고 넓어 진다면 연쇄붕괴가 일어난다고 판단한다.10)
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
유한 요소법을 이용한 비선형 동적 해석의 단점은? 폭발에 의한 구조물의 연쇄붕괴 해석에는 주로 유한 요소법을 이용한 비선형 동적 해석이 적용되어 왔다. 하지만 이 방법은 해석 모델의 규모가 커짐에 따라 해석 시간이 크게 증가하거나 해석이 불가능해지는 단점이 있다. 특히 최근의 초고층건물은 규모가 매우 크기 때문에 유한 요소법을 이용한 연쇄붕괴 해석은 실무적으로 사용하기가 대단히 어렵다. 철근콘크리트 건물의 경우, 콘크리트와 철근의 재료 모델 설정 등에 있어서 많은 기술적인 어려움이 존재하는 것도 사실이다.
연쇄붕괴 관련 연구는 어떻게 시작되었는가? 연쇄붕괴와 관련된 연구는 1968년 런던에서 발생한 Ronan Point 아파트의 붕괴를 기점으로 시작되어, 1998년 미국 오클라호마 연방정부 건물의 차량 폭탄 테러와 2001년미국 세계 무역센터의 테러사건 등 여러 연쇄붕괴 사건이 발생하면서 국내외에서 활발히 진행되고 있다. 하지만, 많은 불확실성과 해석 능력의 한계로 연쇄붕괴를 해석하고 예측하는 데에는 여전히 어려움이 많다.
연쇄붕괴 해석 및 예측이 어려운 이유는? 연쇄붕괴와 관련된 연구는 1968년 런던에서 발생한 Ronan Point 아파트의 붕괴를 기점으로 시작되어, 1998년 미국 오클라호마 연방정부 건물의 차량 폭탄 테러와 2001년미국 세계 무역센터의 테러사건 등 여러 연쇄붕괴 사건이 발생하면서 국내외에서 활발히 진행되고 있다. 하지만, 많은 불확실성과 해석 능력의 한계로 연쇄붕괴를 해석하고 예측하는 데에는 여전히 어려움이 많다.
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참고문헌 (15)

  1. Nair, R. S., Progressive Collapse Basics, Proceedings of AISC-SIDNY Symposium on Blast and Progressive Collapse, AISC, 2003. 

  2. ASI, ELS Theory Manual, Applied Element Overview, 2013, pp. 10-43. 

  3. ASCE, The Oklahoma City Bombing, 1996, pp. 1-26. 

  4. DoD, Design of Buildings to Resist Progressive Collapse, U.S Department of Defense, 2013, pp. 12-58 

  5. GSA, Progressive Collapse Design Guidelines Applied to Concrete Moment-Resisting Frame Buildings, U.S. General Services Administration, 2004, pp. 4.1-4.17 

  6. UFC, Design of Buildings to Resist Progressive Collapse, U.S Department of Defense, 2013, pp. 59-60 

  7. The Oklahoma City Bombing : Summary and Recommendations for Multihazard Mitigation, Journal of Performance of Constructed Facilities, 1998, pp. 100-112. 

  8. A How-To Guide to Mitigate Potential Terrorist Attackes Against Buildings, FEMA452, 2005, pp. 1-15. 

  9. Blast Loading and Blast Effects on Structures, Electroinc Journal of Structural Engineering, 2007, pp. 76-91. 

  10. The Required Lateral Load for Prevention of a Progressive Collapse in a Tall Buildings, Journal of the Architectural Institute of Korea, Vol. 26, No. 50, 2006, pp. 26-27. 

  11. Aspects Concerning Progressive Collapse of a Reinforced Concrete Frame Structure with Infill Walls, Proceedings of the World Congress on Engineering, Vol. 3, 2011, pp. 6-8. 

  12. ASCE, Structural Design for Physical Security: State of the Practice Report, Task Committee on Physical Security, American Society of Civil Engineers, 1999. 

  13. Introduction to Structural Dynamics, 1973, pp. 3-26. 

  14. 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 Collapse, Journal of Korean Society of Explosives & Blasting Engineering, Vol. 29, No. 2, 2011, pp. 1-12. 

  15. Collapse Modeling of Model RC Structure Using Applied Element Method, Journal of Korean Society for Rock Mechanics, Vol. 19, No. 1, 2008, pp. 43-51. 

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