초록 ▼

연구의 목적 및 내용:
최근 국가 주요시설물에 집중적으로 발생되는 테러 및 충돌, 화재 등이 점차 증가함에 따라 순간적인 충돌 이후 발생되는 고온의 화재에 대한 사회기반 구조물의 파괴 메커니즘, 변형률 속도가 고려된 비선형 해석을 통한 손상도 평가 및 설계가 요구되고 있다. 따라서 본 연구에서는 긴장재에 의해 구속효과가 도입된 철근 콘크리트 쉘 부재의 충돌 후 화재에 대한 복합 파괴손상 평가방법을 개발하는데 있다. 이를 수행하기 위하여 PSC 쉘 부재의 실험적 평가와 구속효과를 받는 재료모델을 개발하고, 복합손상 시나리오에 대

연구의 목적 및 내용:
최근 국가 주요시설물에 집중적으로 발생되는 테러 및 충돌, 화재 등이 점차 증가함에 따라 순간적인 충돌 이후 발생되는 고온의 화재에 대한 사회기반 구조물의 파괴 메커니즘, 변형률 속도가 고려된 비선형 해석을 통한 손상도 평가 및 설계가 요구되고 있다. 따라서 본 연구에서는 긴장재에 의해 구속효과가 도입된 철근 콘크리트 쉘 부재의 충돌 후 화재에 대한 복합 파괴손상 평가방법을 개발하는데 있다. 이를 수행하기 위하여 PSC 쉘 부재의 실험적 평가와 구속효과를 받는 재료모델을 개발하고, 복합손상 시나리오에 대한 정밀해석기법을 구축하였다. 또한 정밀해석기법을 이용하여 full-scale PSC 쉘 구조물의 손상도 평가를 실시하고 주요설계인자를 도출하여 설계기법을 제안하였다.
연구결과:
긴장재에 의해 구속효과가 도입된 철근 콘크리트 쉘 부재의 파괴손상 평가방법을 개발하기 위하여 3년간 단계별 연구수행을 통하여 목표를 달성하였다.
(1) 복합 극한하중을 받는 PSC 쉘 부재의 충돌 후 화재 실험을 위하여 이방향 프리스트레스 콘크리트 부재(1,400×1,000×300mm)를 제작하여 실험을 수행하였다. PSC시편의 경우 RC시편에 비하여 고온의 화재하중에 폭렬과 탈락에 의한 손상이 크게 발생하는 것을 확인할 수 있었으며, 충돌 후 화재하중을 받는 PSC 시편의 경우 충돌에 의해 발생된 균열을 통해 고온 및 수분의 이동으로 인해 비교적 적은 손상이 발생한 것을 확인하였다.
(2) 충돌 후 고온의 화재에 따른 복합손상 시나리오에 대한 정밀해석기법의을 구축하기 위하여 상용해석프로그램인 LS-Dyna와 MIDAS FEA를 이용하여 정밀해석기법을 구축하였다. LS-Dyna를 이용하여 충돌해석을 수행하고 실험 결과와 비교하여 검증하였으며, MIDAS FEA를 이용하여 화재해석을 수행하고 실험 결과와 비교하여 검증하였다. 또한 충돌 후 화재 해석을 진행하기 위하여, LS-Dyna의 해석결과를 이용하여 MIDAS FEA에 손상된 element를 제거함으로써 충돌 후 화재해석을 통한 정밀해석기법을 구축하였다.
(3) 충돌 후 고온의 화재에 따른 복합손상 시나리오에 대한 full-scale PSC 쉘 구조물의 손상도 평가를 위하여 원전격납구조물과 유사한 LNG 저장탱크 외부 벽체를 full-scale로 모델링하여 PSC 쉘구조물의 정밀해석을 통해 구조물의 손상도 평가를 수행하였다. 손상도 평가 결과 LNG 저장탱크의 벽체 하부의 경우 충돌하중에 취약함을 나타냄으로서 추후 LNG 저장탱크 설계에 있어서 방호·방재의 개념의 설계가 필요하다고 판단된다. 또한 복합손상 시나리오에 대한 설계기법으로서 Bayesian 방법을 통해 얻어진 취약도 곡선을 활용하는 방법론을 제시하였다. Bayesian 방법을 이용해 개발된 만족도 곡선은 극한하중에 대한 콘크리트 설계변수의 함수로 요구성능 기준을 만족할 확률을 결정함으로써 콘크리트 구조물의 방호설계를 위한 기초적 자료가 될 것이라고 판단된다.
연구결과의 활용계획:
본 연구에서 개발한 충돌 후 화재하중을 받는 PSC 쉘 구조물의 실험적, 해석적 평가를 통해 파괴 손상도 정립은 구조물 파괴로 인한 2차적 재해를 예방 및 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다. 또한 구조물의 충돌 후 화재에 대한 파괴거동을 보다 정확하게 예측함으로써 보다 한 차원 높은 구조물거동에 대한 정확한 예측이 가능하다. 실험적 평가의 경우 여러 분야에서 해석적 기술을 향상시킬수 있는 데이터베이스를 확보한다는 개념에서 매우 중요한 자료로 판단됨으로써 후발 특수하중 관련 연구자들의 기초자료 및 benchmarking으로 활용할 수 있다.

Abstract ▼

Purpose & contents:
Recently, as the number of terror, vehicle, and fire accidents on important civil infrastructures is increasing at an alarming rate, the topic of damage evaluation and failure mechanism based designs of these infrastructures using precise nonlinear analysis considered strain-r

Purpose & contents:
Recently, as the number of terror, vehicle, and fire accidents on important civil infrastructures is increasing at an alarming rate, the topic of damage evaluation and failure mechanism based designs of these infrastructures using precise nonlinear analysis considered strain-rate effect has been strongly demanded by related industries and governments. Since the accident caused damage and failure of these infrastructures are achieved by an sudden impact followed by a high temperature fire scenario, this study will focus on the damage evaluation and failure mechanism understanding of prestressed concrete (PSC) shell members confined using PS tendon by model testings and numerical analysis of the multi-damage scenario (Impact-fire).
(1) Evaluation of PSC member model test results and establishment of numerical analysis method under the multi-damage scenario
(2) Selection of main design parameters of PSC member and evaluation of damaged PSC member test under the multi-damage scenario
(3) Development of damage evaluation and suggestion of analysis method for PSC structure under the multi-damage scenario
Result:
In this study, the model test and analytical parameter studies for the multi-damage scenario will be performed by combining transient impact and high temperature fire on PSC structure. The analytical parameter study will be carried out using the High Fidelity Physics Based Analysis (HFPB) considering the strain-rate and confining effects. From the parameter study, the optimum design parameter will be verified by model tests. Based on the results obtained from these analyses and tests, the PSC structural damage evaluation and design method will be developed in comparison with the practical designs.
(1) PSC structural model test evaluation and numerical analysis method establishment under multi-damage scenario
․ Analysis of extreme loading characteristic for the multi-damage scenario of transient impact caused high temperature fire
․ Performance of PSC shell member model test for the multi-damage scenario
․ Establishment of numerical material model for the multi-damage scenario
(2) Derivation of main design parameters and damage evaluation test on PSC shell member under multi-damage scenario
․ Establishment of HFPB analysis and integrated numerical analysis for the accuracy
․ Selection of main design parameters on PSC shell member under multi-damage scenario
․ PSC test evaluation using optimum design parameters obtained from the numerical parametric study
(3) Damage evaluation development on full-scale PSC shell structure and suggestion of design method under multi-damage scenario
․ Establishment the PSC structural damage evaluation and failure mechanism using parametric study results under multi-damage scenario
․ Damage evaluation the PSC shell structure using Bayesian method
․ Suggestion the PSC design method considering multi-damage scenario
Expected;Contribution:
By precisely understanding the multi-damage scenario of PSC shell structure form experimental and analytical studies, the secondary hazards originated from the primary failure can be controlled and prevented. Also, the research results can be effectively used for the basic knowledges to develop design method based on structural damage and failure mechanism understanding. The more advanced design method for extreme loading condition such as the multi-damage scenario, more accurate predictions of structure behavior are possible. Since this type of study has never been attempted in the world, a leader position in the field of hazard prevention design of PSC civil infrastructures under extreme loading conditions can be obtained. As the fruits of the study, innovative research publications and technical specialists can be produced. Also, the in-depth understanding of the failure mechanics of PSC shell structure can be used as the basic foundation to improve safety of the nuclear reactor containment vessel(PCCV), bridge, and other critical infrastructure as well as important structures.