초록 ▼

토목 및 건축 구조물은 지진, 바람, 화재와 같은 다양한 하중을 고려하였을 때 구조물의 사용성 및 안전성을 확보할 수 있도록 설계된다. 구조물의 사용기간 중 접할 확률이 높은 하중에 대해서는 구조물이 선형으로 거동하도록 설계를 하고 매우 큰 지진에 대해서는 비선형으로 거동할 수는 있지만, 구조물의 붕괴에 의해 인명 피해가 발생하지 않도록 설계를 하는 것이 일반적인 설계 개념이다. 토목/건축 구조물이 비선형으로 거동한다는 것은 구조부재가 어느 정도 손상을 입게 된다는 것을 뜻한다. 예를 들면 강재가 항복 변형률 이상의 변형률을 경험하

토목 및 건축 구조물은 지진, 바람, 화재와 같은 다양한 하중을 고려하였을 때 구조물의 사용성 및 안전성을 확보할 수 있도록 설계된다. 구조물의 사용기간 중 접할 확률이 높은 하중에 대해서는 구조물이 선형으로 거동하도록 설계를 하고 매우 큰 지진에 대해서는 비선형으로 거동할 수는 있지만, 구조물의 붕괴에 의해 인명 피해가 발생하지 않도록 설계를 하는 것이 일반적인 설계 개념이다. 토목/건축 구조물이 비선형으로 거동한다는 것은 구조부재가 어느 정도 손상을 입게 된다는 것을 뜻한다. 예를 들면 강재가 항복 변형률 이상의 변형률을 경험하거나 콘크리트에 인장이나 압축에 의한 균열이 발생함을 뜻한다.



재현 주기가 긴 강한 지진이나 높은 온도의 화재를 접한 구조시스템의 평가는 대부분 수치해석을 통해 이루어진다. 구조시스템의 수치해석 시 각 구조부재의 거동을 정확히 모사할 수 있어야 구조시스템의 평가를 정확히 할 수 있다. 구조시스템이 주어진 동적 하중에 의해 선형으로 거동할 경우에는 각 부재의 탄성, 질량, 감쇠비 등만 수치적으로 모사하면 되기 때문에 구조시스템의 안정성을 비교적 정확히 평가할 수 있다. 물론 실제 건설된 구조물의 탄성 및 감쇠비를 정확히 예측하는 것은 어려운 일이지만, 구조물이 비선형으로 거동할 경우에 비해서는 모델링의 난이도는 낮고, 해석의 정확도가 높은 편이다. 강한 지진에 의해 부재가 항복한 후 강도 및 강성이 저하하는 경우나 화재로 인한 높은 온도에 의해 재료의 물성이 변하는 경우에는 부재의 구조적 거동이 변위 이력 및 온도에 의한 영향을 받게 된다. 이러한 비선형 이력 거동을 수치적으로 정확히 모사하는 것은 상당히 어려운 일이다.



최근 토목/건축 분야에서는 성능 기반 설계를 내진, 내화, 내풍 설계 등에 적용하기 시작하였는데, 이러한 성능 기반 설계 시 제일 중요한 단계 중 하나는 구조물의 성능을 정확히 평가하는 것이다. 성능 기반 설계 시(특히 내진 및 내화 설계 시)에는 구조물이 비선형으로 거동할 때의 성능을 평가해야 하는데, 일반적인 토목/건축 분야의 기술 인력이 각 부재의 비선형거동을 정확히 파악한 후 그것을 정확한 수치모델로 만들기는 현실적으로 어렵다. 구조물의 비선형 해석을 위한 수치모델을 어떻게 만들어야 하는지에 대한 명료한 가이드라인도 아직 존재하지 않는다. 예를 들어 성능 기반 내진설계의 가이드라인으로 인식되고 있는 ASCE41[1]의 경우에도 각 부재의 포락선(envelop curve)은 주어져 있지만 각 부재의 이력 거동은 실험 결과를 바탕으로 검증해야 한다고 제안하고 있다.



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