초록

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현재 방폭설계 관련 설계지침은 기둥제거시나리오를 이용한 대체하중경로법을 주로 적용하고 있지만, 실제로 폭발이 발생하였을 때 기둥의 완전한 파괴가 일어나지 않을 경우 이 방식을 적용하는 것은 적합하지 않다. 따라서 본 논문에서는 비선형 동적 해석 프로그램인 AUTODYN을 이용해 편심하중을 받는 철근 콘크리트 기둥의 잔존 폭발 저항 성능을 평가하는 방식을 제안하였다. 해석결과를 비교해보면 TNT양과 축하중이 클수록 철근콘크리트 기둥의 잔존 폭발 저항 성능이 감소되었다. 이것은 폭발이 발생하기전의 기둥의 편심하중에 의한 응력상태에 따라 폭발 저항 성능이 달라짐을 알 수 있다.

현재 방폭설계 관련 설계지침은 기둥제거시나리오를 이용한 대체하중경로법을 주로 적용하고 있지만, 실제로 폭발이 발생하였을 때 기둥의 완전한 파괴가 일어나지 않을 경우 이 방식을 적용하는 것은 적합하지 않다. 따라서 본 논문에서는 비선형 동적 해석 프로그램인 AUTODYN을 이용해 편심하중을 받는 철근 콘크리트 기둥의 잔존 폭발 저항 성능을 평가하는 방식을 제안하였다. 해석결과를 비교해보면 TNT양과 축하중이 클수록 철근콘크리트 기둥의 잔존 폭발 저항 성능이 감소되었다. 이것은 폭발이 발생하기전의 기둥의 편심하중에 의한 응력상태에 따라 폭발 저항 성능이 달라짐을 알 수 있다.

AI 본문요약

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• 연구 주제
• 연구 방법
• 연구 결과

문제 정의

• 따라서 초고층 건물의 연쇄붕괴 위험도를 평가하기 위해서는 폭발이 일어나기 전의 축하중과 휨모멘트에 의한 초기 응력상태에서 폭발하중에 의한 기둥 부재의 손상정도를 파악한 후에 기둥의 잔존 폭발 저항 성능을 통해 건물의 연쇄붕괴 위험도를 평가해야 한다. 본 논문에서는 모멘트의 영향을 고려하기 위해 편심하중을 받는 철근 콘크리트 기둥의 잔존 폭발 저항 성능의 평가 절차를 제안하고자 하며 제안된 방법을 통해 초기 하중과 폭발하중을 변화시키면서 각각의 잔존 폭발 저항 성능을 비교하고자 한다.
• 본 연구에서는 그림 1과 같이 축하중과 모멘트를 받는 철근콘크리트 기둥의 폭발 저항 성능을 평가하기 위해 수치해석을 수행하였다. TNT의 위치는 기둥으로부터 5m 떨어진 지점에 있으며 기둥 높이의 중심인 2m에 위치시켰다.

가설 설정

• 철근의 피복두께는 48mm를 사용하였다. 본 연구에서는 폭발하중에 의한 철근콘크리트 기둥의 잔존 저항 성능을 평가하는 것에 목적이 있으므로 폭발물의 이격 거리를 지나치게 근접하였을 경우 기둥의 잔존 저항 성능을 평가하는 목적에 적합하지 않기 때문에 이격 거리를 5m로 설정하였다.
• 부재 설계는 그림 2와 같이 콘크리트 단면은 폭, 두께를 500mm로 동일하게 하였고, 높이는 4m로 가정하였다. 주철근은 D29를 사용하였고, 스터럽은 D16을 250mm간격마다 설치하였다.

제안 방법

• 2011). 2단계 해석과정에서 기둥이 폭발하중에 의해 파괴되었을 경우에는 전 단계 과정으로 돌아가 초기 모멘트를 제거한 후 다시 평가를 진행하였다. 3단계에서는 폭발하중을 받은 철근콘크리트 기둥의 잔존 저항 성능을 평가하기 위해 모멘트를 1000kN*m까지 램프하중으로 가해 기둥이 파괴되는 시점까지 해석을 수행하였다.
• 초기 하중은 그림 4와 같이 철근콘크리트 기둥의 P-M상관도를 고려해 모멘트는 200kN·m로 하였고, 축압력은 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30MPa로 6가지 경우에 대해 해석을 수행하였다. 2단계에서는 100, 250kg의 폭발물(TNT)에 대한 철근콘크리트 기둥의 폭발해석을 수행하였다. 이 단계에서는 폭발하중이 작용한 후, 기둥의 거동이 완전히 수렴할 때까지 해석을 수행하는 것을 원칙으로 하지만, 해석 시간의 효율성을 고려해 기둥 내의 모든 절점의 속도가 0.
• 2단계 해석과정에서 기둥이 폭발하중에 의해 파괴되었을 경우에는 전 단계 과정으로 돌아가 초기 모멘트를 제거한 후 다시 평가를 진행하였다. 3단계에서는 폭발하중을 받은 철근콘크리트 기둥의 잔존 저항 성능을 평가하기 위해 모멘트를 1000kN*m까지 램프하중으로 가해 기둥이 파괴되는 시점까지 해석을 수행하였다. 기둥의 파괴 시점은 기둥의 압축영역에서 압축 변형률이 0.
• AUTODYN에서는 파괴모드를 결정하는 Flow rule 옵션의 기본 값으로 No-Bulking으로 설정되어 있지만 이것은 관입실험 해석에 적합하므로 본 논문에서는 폭발실험 해석에 적합한 Bulking으로 설정하여 수치해석을 수행하였다(Nyström U.2008).
• 2010)는 초기 하중적용단계, 폭발 해석단계, 폭발 후 추가 하중적용단계, 평가단계로 구분하여 평가를 시행한다. 본 연구에서는 해석의 목적에 맞게 그림 3과 같이 평가절차를 제안하였다. 1 단계에서는 폭발해석을 하기 전에 초기 하중을 50ms의 시간동안 램프하중으로 가하는데 이것은 기둥의 고유진동 주기를 고려하여 동적효과를 제거하기 위함이다.
• TNT의 위치는 기둥으로부터 5m 떨어진 지점에 있으며 기둥 높이의 중심인 2m에 위치시켰다. 이때의 폭발물(TNT)은 100, 250kg의 경우에 대하여 해석을 수행하였다.
• 철근콘크리트 기둥의 물성은 실험 결과를 기반으로 하여 표 1과 같이 AUTODYN 라이브러리의 물성치를 수정한 모델을 선택하여 사용하였다. 현실적인 콘크리트 파괴를 구현하기 위해 삼축응력상태(hydro)로 입력되어 있는 기본 값을 인장파괴로 변경하였고, 인장파괴 강도를 압축강도의 10%로 설정하였다.
• 초기 하중은 그림 4와 같이 철근콘크리트 기둥의 P-M상관도를 고려해 모멘트는 200kN·m로 하였고, 축압력은 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30MPa로 6가지 경우에 대해 해석을 수행하였다.
• 편심하중을 받는 철근콘크리트 기둥의 잔존 폭발 저항 성능을 평가하기 위해 폭발하중과 초기 하중조건을 변경시키면서 폭발해석을 수행하였다. 해석 결과를 통해 폭발하중과 축하중의 크기가 클수록 폭발 이후의 잔존 저항 성능이 감소되었다.
• 철근콘크리트 기둥의 물성은 실험 결과를 기반으로 하여 표 1과 같이 AUTODYN 라이브러리의 물성치를 수정한 모델을 선택하여 사용하였다. 현실적인 콘크리트 파괴를 구현하기 위해 삼축응력상태(hydro)로 입력되어 있는 기본 값을 인장파괴로 변경하였고, 인장파괴 강도를 압축강도의 10%로 설정하였다. AUTODYN에서는 파괴모드를 결정하는 Flow rule 옵션의 기본 값으로 No-Bulking으로 설정되어 있지만 이것은 관입실험 해석에 적합하므로 본 논문에서는 폭발실험 해석에 적합한 Bulking으로 설정하여 수치해석을 수행하였다(Nyström U.

대상 데이터

• 부재 설계는 그림 2와 같이 콘크리트 단면은 폭, 두께를 500mm로 동일하게 하였고, 높이는 4m로 가정하였다. 주철근은 D29를 사용하였고, 스터럽은 D16을 250mm간격마다 설치하였다. 철근의 피복두께는 48mm를 사용하였다.
• 주철근은 D29를 사용하였고, 스터럽은 D16을 250mm간격마다 설치하였다. 철근의 피복두께는 48mm를 사용하였다. 본 연구에서는 폭발하중에 의한 철근콘크리트 기둥의 잔존 저항 성능을 평가하는 것에 목적이 있으므로 폭발물의 이격 거리를 지나치게 근접하였을 경우 기둥의 잔존 저항 성능을 평가하는 목적에 적합하지 않기 때문에 이격 거리를 5m로 설정하였다.

데이터처리

• 편심하중을 받는 철근콘크리트 기둥의 잔존 폭발 저항 성능을 평가하기 위해서 위에서 제안한 평가 절차를 통해 총 34번의 전산해석을 수행하여 결과를 얻었다. 100kg TNT의 폭발하중을 가할 경우를 나타낸 그림 5를 살펴보면 축압력이 25MPa 이상일 경우에는 폭발로 인해 기둥이 완전히 파괴됨을 알 수 있고 축압력이 20MPa 이하일 경우에는 축압력과 모멘트에 의한 초기응력상태에 따라 잔존 저항 능력이 각각 다름을 알 수 있다.

성능/효과

• 200kg TNT의 폭발하중을 나타낸 그림 6에서도 축압력 뿐만 아니라 모멘트에 의한 단면내 응력상태에 따라 폭발 이후의 잔존 저항 능력이 달라짐을 알 수 있다. 따라서 폭발에 의한 기둥의 피해를 예측하기 위해서는 폭발이 발생하기 전의 응력 상태를 반드시 고려하여야 하며, 기존의 P-M 상관 곡선을 폭발물의 양에 비례하는 만큼 수평 이동한 곡선을 폭발 이후의 기둥의 잔존 저항 성능 평가에 이용할 수도 있음을 알 수 있다.
• 편심하중을 받는 철근콘크리트 기둥의 잔존 폭발 저항 성능을 평가하기 위해 폭발하중과 초기 하중조건을 변경시키면서 폭발해석을 수행하였다. 해석 결과를 통해 폭발하중과 축하중의 크기가 클수록 폭발 이후의 잔존 저항 성능이 감소되었다. 폭발 이전의 단면내 응력 상태에 따라 폭발 이후의 잔존 저항 성능이 각각 다르게 나타나므로 폭발에 의한 피해를 예상할 때는 축하중 뿐만 아니라 휨모멘트에 의한 폭발 이전의 응력 상태를 반드시 고려해야 한다.

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이 논문을 인용한 문헌

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