[논문]충돌/폭발 하중에 의한 구조물의 파괴거동 해석

한상을; 전두진; 차은호

[국내논문] 충돌/폭발 하중에 의한 구조물의 파괴거동 해석
Collapse Simulation by the Impact/Blast Load 원문보기

한국공간구조학회지 = Journal of Korean Association for Spatial Structures, v.16 no.3, 2016년, pp.17 - 23

한상을 (인하대학교 건축공학과) , 전두진 (인하대학교 건축공학과) , 차은호 (인하대학교 건축공학과)

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AI 본문요약
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문제 정의

이전의 연구에서는 충돌-폭발-화재의 일련의 연속적인 해석은 수행되지 않았고, 서로 독립적인 해석만 수행되었다. 따라서 본 연구에서는 이전 연구의 단점 및 한계를 극복하기 위해서, 테러 시나리오 분석 및 전체 구조물 단위의 대규모 충돌과 충돌 후 폭발해석을 수행하였다.
인하대학교 건축학부 구조해석연구실에서는 범용 Hydrocode인 AUTODYN, LS-DYNA 등을 이용하여, 다양한 구조물에 대한 충돌/폭발, 파괴거동과 관련한 연구를 수행하였으며, 해석결과의 분석을 통하여 사용된 해석알고리즘의 적용성 및 각각의 구조물에 대한 거동특성을 규명할 수 있었다. 이에 본 기술기사는 그 해석결과의 예시를 통해, 관련분야에 관심 있는 독자에게 작으나마 정보제공의 목적으로 기술되었다. 지면의 제한에 의해 자세한 해석과정의 소개는 생략하였다.
본 기술기사에서는 인하대학교 건축학부 구조해석연구실에서 수행하고 있는 충돌, 폭발 및 붕괴과정 해석기법과 해석결과에 대한 소개를 목적으로 하고 있으며, 이를 통하여 관련분야 연구자와 상호 정보교류의 장을 마련하고자 한다.

가설 설정

폭파해석 수행 시 구조물의 가장 취약한 부분을 선정한 후 폭파하중을 입력하여 구조물의 안전성을 평가하게 된다. 폭파하중을 구하기 위해선 대상 구조물에서 일어날 수 있는 시나리오를 가정한 뒤 FEMA에서 제시하고 있는 [Fig. 8]을 통하여 폭약량을 산출하게 된다.

제안 방법

범용 Hydrocode인 AUTODYN을 이용하여 다양한 구조물에 대한 충돌/폭발, 연쇄붕괴과정 해석을 수행하였으며, 본 장에서는 그 해석결과를 간략히 소개한다.
폭파해석 수행 시 구조물의 가장 취약한 부분을 선정한 후 폭파하중을 입력하여 구조물의 안전성을 평가하게 된다. 폭파하중을 구하기 위해선 대상 구조물에서 일어날 수 있는 시나리오를 가정한 뒤 FEMA에서 제시하고 있는 [Fig.
압축하중을 받는 기둥의 경우, 압축하중의 작용 여부에 따라 P-Delta 효과에 의하여 폭발 하중에 의한 잔류변형이 크게 달라진다. 따라서 본 연구에서는 첫 번째 단계로 기둥에 압축하중을 작용하여 정적 해석을 수행한다. 이때는 정적 해석을 위해 내연적 유한요소 해석법(Implicit)을 이용하여 해석을 수행한다.
이때는 정적 해석을 위해 내연적 유한요소 해석법(Implicit)을 이용하여 해석을 수행한다. 기둥에 압축하중을 작용한 후, 두 번째 단계로 폭발하중을 작용하여 동적 해석을 수행한다. 이때는 하중에 따른 시간 이력 해석을 위해 외연적 유한요소 해석법(Explicit)을 이용하여 해석을 수행한다.
이때는 하중에 따른 시간 이력 해석을 위해 외연적 유한요소 해석법(Explicit)을 이용하여 해석을 수행한다. 충분한 시간 동안 시간 이력 해석을 수행한 후, 구조물의 거동이 일정한 잔류 변형을 일으키며 수렴하게 되면 수렴된 잔류 변형을 바탕으로 안전성을 평가하도록 한다. [Fig.

데이터처리

항공기 충돌하중의 검증을 위하여 [Fig. 3]에 나타난 것과 같이, 강체벽에 대한 충돌해석을 수행하여, 시간에 대한 충돌하중을 검토하고 이를 OECE/NEA(2002)에서 제안한 B747의 충돌하중 그래프와 비교하였다. 항공기 충돌하중은 질량분포에 비례하기 때문에 충돌속도 150m/s에 대한 충돌하중그래프를 통해서 질량의 크기를 결정할 수 있다.

이론/모형

본 연구에서는 Century Dynamics, Inc.에서 개발한 범용 Hydrocode인 AUTODYN을 사용하였다. 1985년 캘리포니아에서 설립된 Century Dynamics, Inc.
압력-시간 이력곡선은 폭발실험을 통해 얻은 실험식에 근거하여 산정되며, 이러한 산정식은 TM5-855-1과 TM5-1300 등에서 제안하고 있다. 주로 폭발해석이 가능한 동적해석 프로그램에서 폭발하중의 산정을 위해 사용되는 Conwep 모델은 TM5-855-1의 식을 적용하였으며, 대부분의 폭발해석에서 사용되고 있다.
따라서 본 연구에서는 첫 번째 단계로 기둥에 압축하중을 작용하여 정적 해석을 수행한다. 이때는 정적 해석을 위해 내연적 유한요소 해석법(Implicit)을 이용하여 해석을 수행한다. 기둥에 압축하중을 작용한 후, 두 번째 단계로 폭발하중을 작용하여 동적 해석을 수행한다.
기둥에 압축하중을 작용한 후, 두 번째 단계로 폭발하중을 작용하여 동적 해석을 수행한다. 이때는 하중에 따른 시간 이력 해석을 위해 외연적 유한요소 해석법(Explicit)을 이용하여 해석을 수행한다. 충분한 시간 동안 시간 이력 해석을 수행한 후, 구조물의 거동이 일정한 잔류 변형을 일으키며 수렴하게 되면 수렴된 잔류 변형을 바탕으로 안전성을 평가하도록 한다.

성능/효과

항공기 충돌하중은 질량분포에 비례하기 때문에 충돌속도 150m/s에 대한 충돌하중그래프를 통해서 질량의 크기를 결정할 수 있다. 동체와 연료는 각각 쉘요소와 SPH로 모델링하였는데, 해석 결과 본 연구의 B747의 충돌하중은 기존의 OECE/NEA 전문가 회의(2002)에서 제안한 충돌하중그래프와 유사한 충돌거동특성을 나타내고 있음을 알 수 있었기 때문에 본 연구의 항공기 FE모델의 정확성을 검증할 수 있었다.

후속연구

지면의 제한에 의해 자세한 해석과정의 소개는 생략하였다. 지속적인 연구를 수행한다면 국가 중요시설 및 초고층구조물, 개폐식 대공간 구조물에 대한 설계기술 및 방재기술의 향상과 비정상 상태에 대한 불확실성의 해소에 기여할 수 있을 것으로 판단된다. 향후 이 분야에 관심 있는 연구자들과 다양한 공동연구의 기회가 마련되길 기대하면서 원고의 기술을 마친다.
지속적인 연구를 수행한다면 국가 중요시설 및 초고층구조물, 개폐식 대공간 구조물에 대한 설계기술 및 방재기술의 향상과 비정상 상태에 대한 불확실성의 해소에 기여할 수 있을 것으로 판단된다. 향후 이 분야에 관심 있는 연구자들과 다양한 공동연구의 기회가 마련되길 기대하면서 원고의 기술을 마친다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	폭발해석에 정적해석으로 해석이 어려운 이유는 무엇인가?	폭발해석은 극히 짧은 순간에 매우 큰 하중이 작용하는 특징 때문에 일반적인 정적해석으로는 해석이 어려우며 동적해석으로만 정확한 해석이 가능하다. 따라서 대부분의 폭발해석은 유한요소를 이용한 비선형해석으로 수행되고 있다.
	기존의 연쇄붕괴에 관한 해석 및 설계지침에 사용하는 대체하중경로법이 가지고 있는 한계는 무엇인가?	기존의 연쇄붕괴에 관한 해석 및 설계지침은 임의의 기둥부재의 완전한 파괴를 가정하여 기둥부재를 제거한 뒤 해석을 수행하는 대체하중경로법을 사용하고 있다. 그러나 이 방식은 비정상하중의 크기와 기둥의 피해정도를 고려하지 않고 해당 기둥만을 완전히 제거한 후 해석을 수행하기 때문에 특정 상황에서의 구조물의 피해정도와 연쇄붕괴 저항 성능을 평가하는 데 한계가 있다. 이에 따라 국내외에서 구조물의 폭발하중에 대한 많은 연구가 비선형 동적해석을 통하여 수행되고 있다.
	AUTODYN의 장점은 무엇인가?	AUTODYN은 유한요소법, 유한차분법, 유한체적법을 사용하고, 비교적 간단한 인터페이스에 의해 PC에서 구동되는 고체, 유체, 기체역학분야에 고루 사용될 수 있는 범용 Hydrocode이다. AUTODYN의 장점은 해석절차 및 프로그램의 사용이 편리하고 간단하다는 점이다. 고체와 고체, 유체와 유체 및 고체와 유체의 상호 접촉면 계산이 자동으로 이루어지고, 다양한 재료모델이 라이브러리로 제공된다.

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