[국내논문]지진에 의한 건축물 붕괴 시 매몰공동 위치 예측에 관한 수치해석 사례 연구 Numerical Simulation for Prediction of Existing Cavity Location on Earthquake-Induced Building Collapse원문보기
건축 구조물 붕괴 사고가 발생했을 때, 건물 내에 있는 사람들의 긴급구호를 위해 가장 먼저 해야 할 일은 인명이 매몰되어 있는 위치(이하 매몰 공동이라 칭함)를 찾는 일이다. 그러나 붕괴된 건물의 잔해물 내에 위치한 매몰 공동을 일반적인 탐색 방법으로 찾는 것은 불가능하다. 이에 대한 해결방법으로 본 연구에서는, 붕괴시뮬레이션을 통하여 건축 구조물 붕괴 시 지하층에 형성되는 매몰 공동을 평가하였다. 붕괴 시뮬레이션에 사용되는 매몰 공동 유형에 영향을 미치는 인자로는 건축 구조물 층고, 내부 벽체의 유/무로 설정하였다. 시뮬레이션 결과, 지하벽체가 없고 고층 건물일수록 동일한 지진하중에서 큰 면적으로 붕괴가 발생하여 매몰 공동 형성에 불리한 것으로 나타났다. 또한, 매몰 공동이 형성될 경우 건물 외벽 부근이나 코너 부분에 형성될 가능성이 높은 것으로 나타났다.
건축 구조물 붕괴 사고가 발생했을 때, 건물 내에 있는 사람들의 긴급구호를 위해 가장 먼저 해야 할 일은 인명이 매몰되어 있는 위치(이하 매몰 공동이라 칭함)를 찾는 일이다. 그러나 붕괴된 건물의 잔해물 내에 위치한 매몰 공동을 일반적인 탐색 방법으로 찾는 것은 불가능하다. 이에 대한 해결방법으로 본 연구에서는, 붕괴시뮬레이션을 통하여 건축 구조물 붕괴 시 지하층에 형성되는 매몰 공동을 평가하였다. 붕괴 시뮬레이션에 사용되는 매몰 공동 유형에 영향을 미치는 인자로는 건축 구조물 층고, 내부 벽체의 유/무로 설정하였다. 시뮬레이션 결과, 지하벽체가 없고 고층 건물일수록 동일한 지진하중에서 큰 면적으로 붕괴가 발생하여 매몰 공동 형성에 불리한 것으로 나타났다. 또한, 매몰 공동이 형성될 경우 건물 외벽 부근이나 코너 부분에 형성될 가능성이 높은 것으로 나타났다.
The most urgent measure to be taken for a rapid rescue when a building collapse happens is to designate or predict a possible location where human beings are alive. It is, however, very difficult to find and correctly designate such cavities by conventional geophysical survey due to a pile of debris...
The most urgent measure to be taken for a rapid rescue when a building collapse happens is to designate or predict a possible location where human beings are alive. It is, however, very difficult to find and correctly designate such cavities by conventional geophysical survey due to a pile of debris of building members. In this study, the simulation of building collapse induced by an earthquake was conducted to predict forming pattern of a existing cavities. The simulation cases included the influence of structure wall existence and height of building. Three types of building structure: five-story, ten-story and fifteen-story were prepared as a simulation case. In the case of high building, a collapse range on the inside of the building increased consequently lowering the possibility of lifeguard cavern forming. In addition, when a wall exists in the basement floor, the possibility that existing cavities could be formed increased compared to the cases without wall.
The most urgent measure to be taken for a rapid rescue when a building collapse happens is to designate or predict a possible location where human beings are alive. It is, however, very difficult to find and correctly designate such cavities by conventional geophysical survey due to a pile of debris of building members. In this study, the simulation of building collapse induced by an earthquake was conducted to predict forming pattern of a existing cavities. The simulation cases included the influence of structure wall existence and height of building. Three types of building structure: five-story, ten-story and fifteen-story were prepared as a simulation case. In the case of high building, a collapse range on the inside of the building increased consequently lowering the possibility of lifeguard cavern forming. In addition, when a wall exists in the basement floor, the possibility that existing cavities could be formed increased compared to the cases without wall.
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문제 정의
, 2015)와 본 연구의 결과를 비교·검토할 예정이다. 그로부터 수정, 보완을 거쳐 예측의 신뢰성을 향상시켜 실제 붕괴사고가 발생했을 때 사람의 생존확률이 높은 매몰 공동의 위치를 신속히 예측하고자 한다.
형성된다. 본 논문에서는 이들 중 건물붕괴 발생원인, 건물층수, 건물구조를 인자로 선정하여 각 인자에 따른 구조물의 붕괴 후 매몰 공동 형성의 위치를 파악하고자 하였다. 건물붕괴 발생원인으로는 선행연구(Korea Kacoh Co.
본 연구에서는 건물붕괴와 같은 대형재난 시 긴급구호를 위한 목적으로, 지하 매몰 공동 발생 위치 및 유형을 예측하였다. 그 기초 연구로 지진에 의해 구조물 붕괴가 발생했을 때, 구조물의 층수와 구조를 인자로 설정한 후, 붕괴시뮬레이션을 실시하여 인자별 매몰 공동의 유형을 알아보았다.
본 연구에서는 이러한 붕괴 시뮬레이션을 적용하여, 최근 국내 발생빈도가 증가하고 있는 지진에 의한 건축구조물의 붕괴 시 건축물의 붕괴 유형별 매몰공동이 형성되는 위치를 평가하였다.
따라서 개착식 구호방식 외에, 구조물 붕괴사고 발생 시 적용 가능한 긴급구호 기술 개발이 요구되고 있다. 이에 대한 해결방법으로 본 논문에서는 굴착식 긴급구호 방식을 제안하기 위한, 굴착 종점 즉, 매몰 공동의 위치를 예측하는 방법을 연구하였다.
, 2013; Lee, 2014)를 참고하여 국내에서 발생건수는 비교적 낮으나, 건물붕괴 및 연쇄 붕괴유발 가능성이 높고 발생 시 많은 인명피해를 야기할 수 있는 지진을 대상으로 설정하였다. 지진에 의한 구조물 붕괴 시 매몰 공동 유형의 예측에 있어, 현실적인 상황을 고려한다면 구조물 자체의 특징(층고, 구조 등) 및 붕괴 유발 인자 등 고려되어야할 인자는 무수히 많으나, 본 연구에서는 선행연구(Korea Kacoh Co., LTD., 2013; Lee, 2014)를 참고하여 구조물의 층고와 구조만을 인자로 설정하여, 각 인자에 따른 구조물의 붕괴 후 매몰 공동 형성 위치를 파악하고자 하였다. 층고는 저층 (10층 이하), 중층(11~15), 고층(16~20)을 대표하는 층수로 각각 저층은 5층, 중층은 10층, 고층은 15층을 선정하였다.
제안 방법
층고는 저층 (10층 이하), 중층(11~15), 고층(16~20)을 대표하는 층수로 각각 저층은 5층, 중층은 10층, 고층은 15층을 선정하였다. 건물구조는 국내에서 가장 많이 분포하는 구조이면서 대규모 상업시설에 가장 빈번히 사용되는 건물구조인 RC구조를 선택하고, 지하벽체의 유/무를 영향인 자로 설정하였다.
예측하였다. 그 기초 연구로 지진에 의해 구조물 붕괴가 발생했을 때, 구조물의 층수와 구조를 인자로 설정한 후, 붕괴시뮬레이션을 실시하여 인자별 매몰 공동의 유형을 알아보았다. 붕괴 시뮬레이션 결과, 구조물 층수가 높을수록 자중이 커 부재의 낙하 속도가 증가하므로 붕괴가 큰 면적으로 발생하여 매몰 공동 발생확률은 적은 것으로 나타났다.
본 논문에서는 굴착식 긴급구호의 기초연구로서 굴착의 종점이 되는 재해지내 인명이 매몰된 고립지점 즉, 매몰 공동을 예측하기 위한 방법으로 붕괴 시뮬레이션을 적용하였다. 붕괴 시뮬레이션은 발파해체 시 구조물의 붕괴거동을 예측하기 위해 사용되어 왔다.
지진에 의한 구조물의 붕괴 시 매몰 공동 형성의 유형에 영향을 미치는 인자를 선정하고, 각 인자들에 따른 해석 케이스를 설정하여 붕괴시뮬레이션을 실시하였다. 붕괴시뮬레이션에는 3D 비선형 동역학 구조 해석용 소프트웨어인 ELS (Extreme Loading for Structures) 상용프로그램(ASL Durham, USA)을 사용하였다.
지진에 의한 구조물의 붕괴로 형성된 매몰 공동의 위치를 검토하기 위해, 기등의 수직변위를 이용하여 등고선 도를 작성하였다. 이는 붕괴 시뮬레이션 결과만으로는 매몰 공동을 파악하기가 어렵기 때문에 실시하였는데, 부재들 중 지하층 상단기등의 수직변위를 검토함으로써 변위가 발생한 기등과 벽이 이루는 공간에 형성되는 매몰 공동을 확인할 수 있다.
지하 내부벽체의 유/무, 구조물의 층고 조건의 변화에 대하여, 각각의 해석 모델의 동일 지점(5층 높이의 기둥 상단)에서의 시간에 따른 수직 변위를 비교하였다. Fig.
등고선도 작성에는 NaturalNeighbor 보간법을 사용하였다. 지하에 벽체가 없는 모델의 경우, 매몰 공동이 발생하지 않을 정도로 전체 붕괴가 일어났기 때문에 논외로 하고, 지하에 벽체가 있는 모델의 해석결과(붕괴되지 않은 5층 구조물은 제외) 만검토하였다.
대상 데이터
11. Vertical displacement of the top of column at same height (5m) on 5-, 10-, 15-story building.
4 mm 간격으로 균등하게 배근하였다. 거더는 폭 250 mm, 높이 600mm로 중앙부(section A)거더와 양단부(section B)거더의 배근을 서로 다르게 배근하였다. 거더의 주철근은 D16과 D13으로 중앙부 거더는 총 8개, 양단부 거더는 총 10개를 배치하였으며, 스트럽은 D10 으로 200mm 간격으로 동일하게 배근하였다.
거더는 폭 250 mm, 높이 600mm로 중앙부(section A)거더와 양단부(section B)거더의 배근을 서로 다르게 배근하였다. 거더의 주철근은 D16과 D13으로 중앙부 거더는 총 8개, 양단부 거더는 총 10개를 배치하였으며, 스트럽은 D10 으로 200mm 간격으로 동일하게 배근하였다. 슬래브의 배근은 상단과 하단 배근을 동일하게 D13으로 1000 mm간격으로 배근하였다.
본 논문에서는 이들 중 건물붕괴 발생원인, 건물층수, 건물구조를 인자로 선정하여 각 인자에 따른 구조물의 붕괴 후 매몰 공동 형성의 위치를 파악하고자 하였다. 건물붕괴 발생원인으로는 선행연구(Korea Kacoh Co., LTD., 2013; Lee, 2014)를 참고하여 국내에서 발생건수는 비교적 낮으나, 건물붕괴 및 연쇄 붕괴유발 가능성이 높고 발생 시 많은 인명피해를 야기할 수 있는 지진을 대상으로 설정하였다. 지진에 의한 구조물 붕괴 시 매몰 공동 유형의 예측에 있어, 현실적인 상황을 고려한다면 구조물 자체의 특징(층고, 구조 등) 및 붕괴 유발 인자 등 고려되어야할 인자는 무수히 많으나, 본 연구에서는 선행연구(Korea Kacoh Co.
지진하중은 1995년 일본 고베지진의 실계측 자료를 입력하였다. 고베지진은 진원이 내륙이고, 새벽 5시에 규모 7.
, 2013; Lee, 2014)를 참고하여 구조물의 층고와 구조만을 인자로 설정하여, 각 인자에 따른 구조물의 붕괴 후 매몰 공동 형성 위치를 파악하고자 하였다. 층고는 저층 (10층 이하), 중층(11~15), 고층(16~20)을 대표하는 층수로 각각 저층은 5층, 중층은 10층, 고층은 15층을 선정하였다. 건물구조는 국내에서 가장 많이 분포하는 구조이면서 대규모 상업시설에 가장 빈번히 사용되는 건물구조인 RC구조를 선택하고, 지하벽체의 유/무를 영향인 자로 설정하였다.
해석모델은 Fig. 1에 표시한 바와 같이 지상 층고에 따라 5, 10, 15층의 총 3종류이고, 지하층은 모든 모델에서 3층으로 동일하다. 한 층의 높이는 3m이며, 기둥과 기둥사이의 거리는 5m이다.
이론/모형
이는 붕괴 시뮬레이션 결과만으로는 매몰 공동을 파악하기가 어렵기 때문에 실시하였는데, 부재들 중 지하층 상단기등의 수직변위를 검토함으로써 변위가 발생한 기등과 벽이 이루는 공간에 형성되는 매몰 공동을 확인할 수 있다. 등고선도 작성에는 NaturalNeighbor 보간법을 사용하였다. 지하에 벽체가 없는 모델의 경우, 매몰 공동이 발생하지 않을 정도로 전체 붕괴가 일어났기 때문에 논외로 하고, 지하에 벽체가 있는 모델의 해석결과(붕괴되지 않은 5층 구조물은 제외) 만검토하였다.
실시하였다. 붕괴시뮬레이션에는 3D 비선형 동역학 구조 해석용 소프트웨어인 ELS (Extreme Loading for Structures) 상용프로그램(ASL Durham, USA)을 사용하였다. 이는 AEM (Applied Element Method)를 기반으로 하는 3D 비선형 동역학 구조 해석용 프로그램으로써, 탄성해석과크랙킹, 대변위, 완전요소분리, 붕괴를 포함한 소성해석이 가능한 프로그램이다(Applied Science International, 2010).
성능/효과
5의 (a), (b), (c)는 붕괴 후 5층 구조물의 지하 1, 2, 3층의 양상이다. 결과를 보면, 지하층의 내부 부재들은 모두 붕괴되었고, 층 별로 주변부 부재인 기둥, 거더, 벽체의 붕괴는 다른 양상을 보였는데, X 방향의 경우에는 지하 전체 층에서붕괴되지 않았다. Y 방향의 경우에는 지하 1층 주변부부재는 전체적으로 붕괴되었고, 지하 2층은 좌측 코너부 일부를 제외하고 전체적으로 붕괴되었다.
그 기초 연구로 지진에 의해 구조물 붕괴가 발생했을 때, 구조물의 층수와 구조를 인자로 설정한 후, 붕괴시뮬레이션을 실시하여 인자별 매몰 공동의 유형을 알아보았다. 붕괴 시뮬레이션 결과, 구조물 층수가 높을수록 자중이 커 부재의 낙하 속도가 증가하므로 붕괴가 큰 면적으로 발생하여 매몰 공동 발생확률은 적은 것으로 나타났다. 지하벽체가 존재할 때, 붕괴된 부재의 하중이 지하벽체로 분포되면서 붕괴 면적이 작기 때문에 매몰 공동 발생확률은 크다.
, 2015)에서는 폭원에서 먼 부분의 측벽 부에 매몰 공동 발생확률이 큰 결과와 다소 차이가 있었다. 이들 결과로 건축 구조물의 구조 및 층고만이 아닌 붕괴 발생 원인에 의해서도 매몰 공동이 발생하는 위치와 유형에 차이가 있다는 것을 확인할 수 있었다.
이상, 지하 벽체가 없는 구조물의 해석결과, 구조물의 층고와 관계없이 전체적으로 내부는 붕괴되는 경향을 보였고, 주변부 부재의 붕괴양상은 유사하였다.
이는 층고가높은 구조물일수록 붕괴된 부재들의 자중이 크므로, 이로 인해 붕괴가 크게 발생한 것으로 생각된다. 한편 같은 층고의 구조물에서 지하벽체가 없는 구조물과 비교하여, 지하벽체가 있는 구조물은 특히, 내부 붕괴가 작은 것으로 나타났다. 이는 붕괴 후 파괴된 지상층 부재의 자중을 견디는 힘이 기등과 거더 외 지하벽체로 분산되어, 지하벽체가 없는 경우에 비해 붕괴 후 전체적으로 견디는 힘이 크기 때문에 지하층의 파괴가 작기 때문이다.
또한 같은 붕괴 조건일 때 지하 1층보다는 지하 3층으로 내려갈수록 매몰 공동 발생확률은 크다. 한편, 지진에 의해서 건축 구조물이 붕괴될 때는 중앙부의 부재가 파괴되고, 외벽은 보존되므로 4방향의 측벽부 또는 코너부에 매몰 공동 발생확률이 큰 것으로 나타났다. 이는 폭발에 의한 붕괴 시뮬레이션을 실시한 선행연구 (Jung et al.
해석 결과, 구조가 동일할 때, 층고가 높은 구조물일수록 붕괴발생 면적은 큰 것으로 나타났다. 이는 층고가높은 구조물일수록 붕괴된 부재들의 자중이 크므로, 이로 인해 붕괴가 크게 발생한 것으로 생각된다.
후속연구
향후연구에서는 실제 구조물을 대상으로 붕괴 시뮬레이션을 실시하여 그 결과와, 폭발에 의한 매몰 공동 형성 유형에 관한 선행연구(Jung et al., 2015)와 본 연구의 결과를 비교·검토할 예정이다. 그로부터 수정, 보완을 거쳐 예측의 신뢰성을 향상시켜 실제 붕괴사고가 발생했을 때 사람의 생존확률이 높은 매몰 공동의 위치를 신속히 예측하고자 한다.
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