When a severe disaster such as a building collapse occurs, a first priority for rapid rescue is to find a location where people are highly expected to be buried but alive. It is, however, very difficult to correctly designate the location of such cavities by conventional geophysical survey due to a ...
When a severe disaster such as a building collapse occurs, a first priority for rapid rescue is to find a location where people are highly expected to be buried but alive. It is, however, very difficult to correctly designate the location of such cavities by conventional geophysical survey due to a pile of debris of building members. In this study, location of possible lifeguard cavities were evaluated through a series of simulations of building collapse by explosion depending on the height of the building, a structure of basement floor and a location of explosion. Three types of building structure: five-story, ten-story and fifteen-story were prepared as a model for the simulation. As a results, in the case of low building, only basement floor partially collapsed. On the other hand, in the case of high building, a collapsed range on the inside of the building increased and lifeguard spaces were formed only in the lateral side or corner of the building. In addition, when a wall exists in the basement floor, the possibility that cavities could be formed increased compared to the cases without wall. However, for the fifteen-story building case, no possible lifeguard cavity was found. It is noted that for a high rise building, the height of building more affect forming of safeguard cavity than the structure of the basement floor.
When a severe disaster such as a building collapse occurs, a first priority for rapid rescue is to find a location where people are highly expected to be buried but alive. It is, however, very difficult to correctly designate the location of such cavities by conventional geophysical survey due to a pile of debris of building members. In this study, location of possible lifeguard cavities were evaluated through a series of simulations of building collapse by explosion depending on the height of the building, a structure of basement floor and a location of explosion. Three types of building structure: five-story, ten-story and fifteen-story were prepared as a model for the simulation. As a results, in the case of low building, only basement floor partially collapsed. On the other hand, in the case of high building, a collapsed range on the inside of the building increased and lifeguard spaces were formed only in the lateral side or corner of the building. In addition, when a wall exists in the basement floor, the possibility that cavities could be formed increased compared to the cases without wall. However, for the fifteen-story building case, no possible lifeguard cavity was found. It is noted that for a high rise building, the height of building more affect forming of safeguard cavity than the structure of the basement floor.
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문제 정의
하지만 생존한 사람이 매몰되어 고립되어 있는 매몰공동의 형성 위치 및 유형에 관한 연구는 보고되지 않고 있다. 따라서 본 연구에서는 구조물 붕괴발생 시 긴급구호를 위한 기초연구로, 폭발에 의한 구조물의 붕괴시뮬레이션을 실시하여 긴급구호의 목표지점으로 활용될 매몰 공동의 형성 위치를 예측하고자 하였다.
구조물이 붕괴된 후 구조물 내에 발생하는 매몰 공동은 구조물의 붕괴원인, 구조물을 이루는 부재의 종류 및 성질, 지상·지하 층수, 구조, 사용연한 등에 따라 다양하게 형성될 것이다. 본 논문에서는 이들 중 건물 붕괴 발생원인, 건물층수, 건물구조를 인자로 선정하여 각 인자에 따른 구조물의 붕괴 후 매몰 공동 형성의 위치를 파악하고자 하였다. 건물붕괴 발생 원인으로는 선행연구5),6)를 참고하여 국내에서 발생건수는 비교적 낮으나, 건물붕괴 및 연쇄붕괴 유발 가능성이 높고, 발생시 많은 인명피해를 야기할 수 있는 폭발을 대상으로, 폭원의 위치를 내부/외부로 설정하였다.
본 연구에서는 건물붕괴와 같은 대형재난 시 긴급구호를 위한 목적으로, 지하 매몰 공동 발생 지점을 예측하였다. 그 기초연구로서, 구조물의 층수, 구조, 폭원 위치를 인자로 설정한 후, 붕괴시뮬레이션을 실시하여 인자별 매몰 공동의 형성위치를 알아보았다.
제안 방법
건물층수는 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, 벽체의 유/무로 인자를 설정하였다.
본 논문에서는 이들 중 건물 붕괴 발생원인, 건물층수, 건물구조를 인자로 선정하여 각 인자에 따른 구조물의 붕괴 후 매몰 공동 형성의 위치를 파악하고자 하였다. 건물붕괴 발생 원인으로는 선행연구5),6)를 참고하여 국내에서 발생건수는 비교적 낮으나, 건물붕괴 및 연쇄붕괴 유발 가능성이 높고, 발생시 많은 인명피해를 야기할 수 있는 폭발을 대상으로, 폭원의 위치를 내부/외부로 설정하였다. 건물층수는 저층(10층 이하), 중층(11∼15), 고층(16∼20)을 대표하는 층수로 각각 저층은 5층, 중층은 10층, 고층은 15층을 선정하였다.
구조물의 층수에 따른 매몰 공동의 위치를 검토하기 위해 5층, 10층, 15층 구조물의 붕괴 후 결과를 알아보 았다. 이 중 매몰 공동의 발생확률이 가장 적은 지하 1층의 결과를 Fig.
본 연구에서는 건물붕괴와 같은 대형재난 시 긴급구호를 위한 목적으로, 지하 매몰 공동 발생 지점을 예측하였다. 그 기초연구로서, 구조물의 층수, 구조, 폭원 위치를 인자로 설정한 후, 붕괴시뮬레이션을 실시하여 인자별 매몰 공동의 형성위치를 알아보았다.
매몰 공동 형성에 영향을 미치는 인자를 선정한 후, 각 인자들에 따른 케이스를 설정하여 붕괴시뮬레이션을 실시하였다. 붕괴시뮬레이션에는 ELS 상용프로그램(ASL Durham, USA)을 사용하였다.
앞에서 서술한 시뮬레이션 결과에서 기둥의 수직변위를 이용하여 등고선도를 작성, 매몰 공동 형성 위치를 검토하였다. 이는 시뮬레이션 결과를 도시하는 것만으로는 부재가 부분 붕괴되어 벽체와 이루는 작은 공간의 매몰 공동의 상태를 확인하는데 어려움이 있기 때문이다.
대상 데이터
건물층수는 저층(10층 이하), 중층(11∼15), 고층(16∼20)을 대표하는 층수로 각각 저층은 5층, 중층은 10층, 고층은 15층을 선정하였다.
폭발 사고가 일어나는 위치가 건물의 외부인지 내부인지가 붕괴 사고시 매몰 공동의 형성에 큰 영향을 미치는 것은 자명한 일이지만, 지금까지 시뮬레이션을 통해 폭원의 위치를 고려하여 매몰 공동 발생에 대한 검토를 실시한 연구는 사례가 없다. 본 연구에서는 이를 확인하기 위해 5, 10, 15층의 구조물을 대상으로 붕괴 시뮬레이션을 실시하였고, 대표적으로 폭원을 내부와 외부에 각 각 설치한, 전체 10층 구조물의 붕괴 시뮬레이션의 결과 중 지하 1층의 결과를 Fig. 15에 도시하였다. 10층 구조물과 비교하여 5층과 15층 구조물의 경우, 폭원의 위치에 대한 매몰 공동의 위치는 다르지만, 여기서 검토하고자 하는 내용과는 특이점이 없으므로 생략하였다.
13의 (a), (b), (c)는 해석결과, (d), (e), (f)는 기둥변위의 등고선도이다. 해석 조건으로는 지하벽체가 있는 구조물을 대상으로 외부 폭원에 의한 폭발을 상정하였다. 먼저 해석 결과를 보면, 층수가 높아질수록 매몰 공동의 발생면 적이 작은 것으로 나타났다.
이론/모형
이는 시뮬레이션 결과를 도시하는 것만으로는 부재가 부분 붕괴되어 벽체와 이루는 작은 공간의 매몰 공동의 상태를 확인하는데 어려움이 있기 때문이다. 등고선도 작성에는 크리깅(Kriging) 기법을 적용하였으며 등고선도와 함께 붕괴 시뮬레이션도 도시하였다.
매몰 공동 형성에 영향을 미치는 인자를 선정한 후, 각 인자들에 따른 케이스를 설정하여 붕괴시뮬레이션을 실시하였다. 붕괴시뮬레이션에는 ELS 상용프로그램(ASL Durham, USA)을 사용하였다. 이는 AEM(Applied Element Method)를 기반으로 하는 3D 비선형 동역학 구조 해석용 프로그램으로써, 탄성해석과 크랙킹, 대변위, 완전요소분리, 붕괴를 포함한 소성해석이 가능한 프로그램이다4).
성능/효과
1. 폭원 위치보다 낮은 곳에 위치한 지하층에서의 층고에 따른 매몰 공동 발생 확률은, 지하 1층보다는 지하 3층으로 내려갈수록 매몰 공동 발생 확률이 크다.
2. 지하 벽체가 있는 경우, 낮은 층수의 건물에서는 폭원에 가까운 지하 1층만 중앙벽체 일부분이 붕괴되었고, 높은 층수의 건물에서는 지하 1, 2층은 전체 붕괴되었으며 지하 3층의 모서리에만 매몰 공동이 발생하였다.
8의 15층 구조물은 지하 3층의 좌/우측 모서리에만 매몰 공동이 발생하였고, 그 외의 부분과 지하 1, 2층은 붕괴되었다. 2.2.1과 동일하게 층수가 높을수록 붕괴되는 면적이 커 매몰 공동의 발생 가능성은 적은 것으로 나타났다.
3. 본 연구의 수치해석 사례의 경우, 층수가 증가하면, 폭발이 발생하는 위치와 지하벽체의 유/무와는 관계없이 구조물 전체가 붕괴되어 매몰 공동 발생확률은 적다.
해석 조건으로는 지하벽체가 있는 구조물을 대상으로 외부 폭원에 의한 폭발을 상정하였다. 먼저 해석 결과를 보면, 층수가 높아질수록 매몰 공동의 발생면 적이 작은 것으로 나타났다. 구체적으로 보면, 5층 구조물은 폭원 근처 벽체 일부만 파괴된데 비해, 15층 구조물은 전체적으로 붕괴되어 매몰 공동이 거의 발생하지 않는다.
후속연구
구조물이 붕괴된 후 구조물 내에 발생하는 매몰 공동은 구조물의 붕괴원인, 구조물을 이루는 부재의 종류 및 성질, 지상·지하 층수, 구조, 사용연한 등에 따라 다양하게 형성될 것이다.
본 시뮬레이션은 붕괴사고가 발생하기 전에 실시하여 여러 인자에 따른 매몰 공동 형성위치 파악을 위한 기초자료로서 활용될 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
도심지 인구 과밀화로 나타나는 건축물의 형태는?
도심지 인구 과밀화로 지하시설물은 날로 증가하고 지하층고가 깊어지고 있다. 이러한 이유로 과거 삼풍 백화점 붕괴사고와 같은 대형재난이 발생했을 때, 재 래식 중장비를 이용한 기존의 구호방식으로는 고립된 인명의 신속하고 안전한 구호에 한계가 있다.
붕괴시뮬레이션에 사용한 프로그램은?
매몰 공동 형성에 영향을 미치는 인자를 선정한 후, 각 인자들에 따른 케이스를 설정하여 붕괴시뮬레이션을 실시하였다. 붕괴시뮬레이션에는 ELS 상용프로그램(ASL Durham, USA)을 사용하였다. 이는 AEM(Applied Element Method)를 기반으로 하는 3D 비선형 동역학 구 조 해석용 프로그램으로써, 탄성해석과 크랙킹, 대변위, 완전요소분리, 붕괴를 포함한 소성해석이 가능한 프로그 램이다4).
ELS 상용프로그램은 어떤 프로그램인가?
붕괴시뮬레이션에는 ELS 상용프로그램(ASL Durham, USA)을 사용하였다. 이는 AEM(Applied Element Method)를 기반으로 하는 3D 비선형 동역학 구 조 해석용 프로그램으로써, 탄성해석과 크랙킹, 대변위, 완전요소분리, 붕괴를 포함한 소성해석이 가능한 프로그 램이다4).
참고문헌 (6)
S. Okada, "Indoor-zoning Map on Dwelling Space Safety during an Earthquake", Proceedings of the 10th World Conference on Earthquake Engineering, pp. 6037-6042, 1992.
N. Nachi and S. Okada "Provabilistic Seismic Casualty Models and Simplified Method to Evaluate Seismic Casualty Risk", Japan Construction Society, Vol. 616, pp. 97-104, 2007.
N. Li, B. Bercerik-Gerber, L. Soibelman and B. Krishnamachari, "Comparative Assessment of an Indoor Localization Framework for Building Emergency Response", Automation in Construction, Vol. 57, pp. 42-54, 2015.
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