내진 접합상세에 따른 철골보통모멘트골조 및 철골중간모멘트골조의 연쇄붕괴 저항성능 평가

Abstract

건축물은 건축구조기준에 명시하고 있는 하중 조건에 견딜 수 있도록 설계된다. 하지만 설계단계에서 예기치 못한 비정상하중으로 인하여 구조물의 국부적인 손상 및 파괴가 발생하고 구조물 자체의 여유도가 급격히 저하되어 전체의 파괴로 이어지는 연쇄붕괴(Progressive collapse)의 사례들이 많이 보고되고 있다. 이러한 사고들을 계기로 하여 해외의 건축구조기준에서는 건축물의 연쇄붕괴를 방지하기 위한 해석 및 설계방법 또는 구조부재의 충분한 재료강도를 확보하고 접합부의 결속을 강화시켜 불균형 붕괴(Disproportionate collapse)를 방지하기 위한 지침을 제시하고 있다. 최근에 테러의 위협이 전 세계적으로 증가되고 있음에도 불구하고, 많은 국가에서는 연쇄붕괴를 방지할 수 있는 설계기준을 제시하지 않고 있다. 한국의 경우 건축물 테러예방 설계가이드라인(국토해양부 2010)에서 대규모 및 초고층 건축물에 대하여 테러로 인한 피해를 예방하고 최소화 할 수 있는 설계방법을 제시하고 있다. 하지만 이는 건축물의 대지 및 실내계획이나 보안시설, 피난 및 설비계획 등을 위주로 다루고 있고, 테러 후 주요부재의 국부파괴 시 건축물의 붕괴를 방지할 수 있는 명확한 지침을 제시하고 있지 않고 있다. 또한 폭탄테러를 주로 이용하는 ISIL(Islamic State of Iraq and the Levant) 테러단체가 최근에 한국을 테러대상국으로 지목함에 따라 더 이상 테러로부터 안전한 지역이 아니므로 이에 대한 대책마련이 시급한 실정이다. 따라서 테러나 폭발 등의 비정상하중의 작용 후 구조물의 안전성 평가는 사용자나 국가적 측면에서도 중요한 관심사이므로 손상이 발생한 건축물의 연쇄붕괴를 방지할 수 있는 신뢰할 수 있고 효율적인 설계방법에 대한 연구가 요구된다.

본 연구는 국내 기준에 따라 내진 설계된 구조시스템의 연쇄붕괴 저항성능을 비교 및 분석하기 위해 신뢰할 수 있고 효율적인 평가방법을 제시하는 것을 목적으로 하며, 이를 달성하기 위한 전체적인 구성은 아래와 같다.

제 1장에서는 연구를 수행하게 된 배경으로 연쇄붕괴 저항성능에 대한 효율적인 평가방법의 필요성을 소개하고 연구목적을 달성하기 위한 논문의 전체 구성에 대하여 기술하였다.

제 2장에서는 해외에서 명시되어 있는 연쇄붕괴를 방지하기 위한 설계지침을 파악하고, 이와 관련된 선행연구의 동향을 기술하였다. 선행연구는 대체경로법의 해석방법, 모델링 방법, 구조물의 골조 모델링에 대하여 분석하였으며, 이러한 기존연구의 고찰을 바탕으로 본 연구의 세부적인 방향을 결정하였다.

제 3장에서는 구조물의 붕괴저항성능을 정량적으로 평가할 수 있는 방법으로 구조 강건성 및 민감도를 제시하였다. 그리고 비정상하중에 의한 연쇄붕괴 거동을 현실적으로 모사할 수 있는 방법인 대체경로법에 대하여 효율적이고 신뢰할 수 있는 해석방법으로 보고되고 있는 에너지 기반 근사해석을 소개하였고, 제시된 해석방법의 적용성을 검증하기 위해 예제구조물을 대상으로 전산해석을 수행하여 그 결과를 분석하였다.

제 4장에서는 연쇄붕괴의 전산해석 시 전체 평면 및 전 층을 포함하는 전체구조물의 모델링을 수행하기 위한 합리적인 모델링 방법에 대하여 기술하였다. 2장에서 대상구조물로 결정된 철골모멘트골조에 대하여 구조물의 거동에 지배적인 영향을 미치는 요소인 보-기둥의 내진접합부와 합성슬래브의 모델링 방법을 기술하였다. 기술된 해석모델의 타당성을 검증하기 위해 1개의 합성슬래브와 2개의 내진접합부에 대한 실물 실험체를 대상으로 중력하중을 기반으로 한 전산해석을 수행하였으며, 이를 실험결과와 비교 및 분석하였다. 이러한 기존의 내진접합부 해석모델을 바탕으로 아직 개발되어지지 않은 내진접합부에 대하여 해석모델을 제시하였고, 실험체와 전산해석 결과의 비교 및 분석을 통해 타당성을 검증하였다.

제 5장에서는 내진설계 시 가장 많이 사용되는 철골 보통 및 중간모멘트골조를 대상으로 3장과 4장에서 기술된 해석 및 평가방법을 이용하여 연쇄붕괴에 대한 저항성능을 평가하였다. 대상구조물은 KBC 2016을 바탕으로 보, 기둥 그리고 합성슬래브를 설계하였고, 골조시스템에 따라 내진접합부를 적용하였다. 전체구조물의 해석모델에 대하여 기둥제거 시나리오에 따라 비선형 정적해석을 수행한 후 기둥의 순간적인 제거에 따른 동적효과를 반영한 에너지 기반 근사해석을 이용하여 구조 강건성 및 민감도 지수를 통해 연쇄붕괴 저항성능을 평가하였다.

제 6장에서는 각 장에서의 소결들을 종합하여 본 연구의 결과를 아래와 같이 도출하였다.

(1) 비선형 정적해석을 기반으로 한 에너지 기반 근사해석을 통해 효율적으로 구조물의 연쇄붕괴에 대한 해석결과를 도출할 수 있었다. 이 해석방법을 기반으로 구조 강건성 및 민감도를 이용하여 구조물의 연쇄붕괴에 대한 저항성능을 정량적으로 측정하고 명확하게 평가할 수 있었다.

(2) 기존 연구의 고찰을 통해 연쇄붕괴 해석 시 신뢰할 수 있는 결과를 얻고 평가하기 위해서는 비선형 거동과 파괴를 모사할 수 있는 접합부 및 슬래브 모델이 필수적으로 고려되어야 한다. 이에 대한 모델링 방법은 요소의 차원에 따라 다르게 적용될 수 있으며, 본 연구에서는 전산해석의 효율성을 위해 1차원 및 2차원 요소로 구성되는 해석모델을 이용하였다. 합성슬래브, WUF-B 및 RBS 접합부에 대한 해석모델에 대하여 실험 및 해석결과의 비교를 통해 타당성을 확인하였고, 실험체의 결과와 유사하게 나타난 것을 확인하였다. 반면 기존의 내진설계에서 사용되고 있는 접합부 해석모델은 중력하중을 기반으로 하는 연쇄붕괴 해석에서 실제의 거동을 제대로 모사할 수 없음을 알 수 있었다.

(3) WUF-B 접합부의 취약한 용접부와 연성능력을 향상시키는 내진 인증접합부로 WCPF 접합부가 있으며, 시공 시 간편하고 효율적인 장점이 있다. 본 연구에서는 WCPF 접합부 해석모델에 대하여 1차원 요소를 이용한 모델링 방법을 제시하였다. 이 모델은 상하부 플랜지에 접합되는 커버 플레이트의 상이한 형상에 대하여 평균 폭으로 대체하고 단면 2차 모멘트를 기반으로 한 등가의 두께를 적용하였다. 실험체를 바탕으로 한 3차원 요소의 상세모델과 내진성능 실험체의 결과를 이용하여 제시한 해석모델의 타당성 검증을 수행하였고, 그 결과 모델링 방법의 유효성을 확인하였다.

(4) 국내 설계기준을 기반으로 한 철골 보통 및 중간모멘트골조의 전체구조물에 대하여 에너지 기반 근사해석을 이용한 대체경로법을 수행하였다. 1개 기둥제거 시나리오에 대하여 GSA 2003에서 제시하고 있는 연쇄붕괴 저항성능을 모두 만족하는 것으로 나타났으며, 이는 소요강도의 3.3배 이상으로 설계된 합성슬래브가 전체구조물의 강성을 향상시킨 것으로 판단되었다. 하지만 2개 기둥제거 시나리오에서는 WCPF 접합부가 적용된 보통모멘트골조만 연쇄붕괴 저항성능을 보유한 것으로 평가되었다.

(5) WUF-B가 적용된 보통모멘트골조는 평면의 단변방향에 있는 기둥을 제거하였을 경우 내력성능의 저하가 가장 큰 것을 확인되었으나 기준하중의 1.8배를 저항할 수 있는 것으로 평가되었다. 또한 GSA 2003 허용기준에 대한 연쇄붕괴 저항성능은 WUF-B가 적용된 보통모멘트골조가 다른 구조물보다 가장 작게 나타나 가장 우수한 것으로 평가되었다. 이는 WUF-B가 적용된 구조물과 다른 구조물의 구조 강건성이 힌지 및 강접합과 같은 서로 다른 접합조건에 의한 시나리오로 결정되어 현회전각이 상대적으로 작게 나타난 것을 알 수 있었다. 하지만 구조 강건성은 WUF-B 접합부의 하부 플랜지에서 조기파괴로 인해 다른 구조물보다 가장 취약한 것으로 평가되었다. WCPF와 RBS가 적용된 보통 및 중간모멘트골조는 내부기둥의 제거 시 내력성능의 저하가 가장 크게 나타났으나, WUF-B가 적용된 구조물보다 8∼14% 높은 내력성능을 보유하고 있어 연쇄붕괴에 덜 민감한 것으로 평가되었다.

(6) 대상구조물은 철골구조물의 일반적인 구조계획으로 설계되어 내진 접합상세 및 모멘트골조시스템을 기준에 따라 각각 적용하였으므로 본 연구의 결과로부터 WCPF 및 RBS 접합부는 WUF-B 접합부보다 연쇄붕괴에 대한 저항성능이 더 우수하다고 평가된다. 또한 중간모멘트골조보다 더 낮은 연성능력으로 설계된 보통모멘트골조는 WUF-B 접합부의 적용에 의해 상대적으로 연쇄붕괴에 대하여 더 민감한 구조물로 평가되었지만 WCPF 접합부는 커버 플레이트의 영향으로 2개의 기둥제거 시에도 연쇄붕괴에 대한 저항성능이 확보되는 것을 확인하였다. 이 결과로부터 연쇄붕괴에 대한 접합부의 저항성능은 WCPF 접합부가 가장 우수한 것으로 평가된다.

이상의 연구결과를 통해 국내 구조설계기준에 따라 내진 설계된 철골구조물은 연쇄붕괴 저항성능을 만족하는 것을 알 수 있었다. 단, 2개의 기둥제거 시나리오의 경우에는 WCPF 접합부의 적용을 통해 연쇄붕괴 저항성능을 확보할 수 있었다. 또한 본 연구에서 수행하였던 모델링 및 해석방법이 연쇄붕괴 해석기법으로 적용이 가능하며, 제안된 구조 강건성 및 민감도를 통해 구조물의 붕괴저항성능을 간편하고 정량적으로 평가할 수 있으므로 이와 관련된 연구 및 구조설계 시 유용하게 활용될 것으로 판단된다.