선형 및 비선형해석을 통한 철근콘크리트 무량판구조의 연쇄붕괴 저항성능 평가

Abstract

최근 최적화 설계, 혁신적인 골조시스템의 개발, 더 강하고 더 가벼운 재료의 선택, 해석기술의 발전 등 구조분야에서 지속적이고 획기적인 발전을 이루고 있다. 그러나 이러한 발전이 오히려 안전율이라는 개념으로 확보하고 있던 여유치가 없어지고, 비록 발생 확률이 작을 수도 있지만 추가적으로 발생할 수 있는 비정상하중 등에 저항하기에는 더 약한 구조로 귀착되고 있어 연쇄붕괴는 더욱 중요한 문제점이 되고 있다. 또한, 최근에는 테러 등 새로운 위협이 증가하고 있고, 특히 초고층 건물에서 자연재해뿐만 아니라 붕괴 및 대형 인명피해가 우려되는 화재, 폭발 등과 같은 비정상하중에 의한 저항성능의 검토가 무엇보다 중요한 문제가 되었다. 연쇄붕괴(progressive collapse)는 폭발, 화재, 차량 또는 항공기의 충돌 등 비정상 하중(abnormal loads)에 의하여 구조부재의 국부적인 파괴, 주변 부재의 파괴, 건물 전체 또는 더 큰 영역의 파괴로 이어지는 붕괴를 의미한다. 국내외에서 철근콘크리트 및 철골 모멘트골조에 관한 연쇄붕괴 저항성능에 관한 연구는 상당한 진전을 보이고 있으나, 무량판 구조(flat plate system)에 대한 연쇄붕괴 저항성능에 대한 연구는 거의 이루어지고 있지 않는 현실이다. 최근 초고층 주상복합 건물 등에서 무량판 구조의 사용이 증가하는 추세이어서 무량판 구조의 연쇄붕괴 저항성능에 대한 연구가 특별히 중요하게 인식되고 있다. 철근콘크리트 무량판 구조는 최근 공기단축 및 시공성 향상을 위하여 중·저층은 물론 초고층 건물에서도 사용이 증가되고 있는데 층고절감, 층간소음의 제어, 그리고 철근상세 및 거푸집 작업의 단순화와 같은 많은 장점을 가지고 있다. 1995년 철근콘크리트 무량판 구조인 삼풍백화점 A동 건물 붕괴사고는 설계, 시공, 유지보수 및 용도변경 전 단계에 걸친 총체적인 과오로 인한 것이며, 무량판 구조 그 자체의 결함으로 볼 수는 없을 것이다. 대체하중경로법(alternate load path method)의 DCR(demand capacity ratio)값은 정상하중(normal load)과 비정상하중(abnormal load)의 응력값을 상호 비교하여 구할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 정상하중 상태에서 철근콘크리트 무량판구조의 횡력저항시스템으로 널리 사용되는 실무적 방법인 유효보폭법(effective beam width method)의 연쇄붕괴 해석에의 적용에 대한 검증을 하고자 하였다. 층수의 변화, 내진설계 범주(SDC, seismic design category)의 변화, 기둥 붕괴 위치의 변화 등 다양한 변수를 적용하여 유효보폭 해석(EB모델) 및 플레이트 유한요소 해석(PF모델)을 비교하면서 무량판구조의 적절한 연쇄붕괴 저항성능을 평가하고자 하고자 하였는데, 플레이트 요소의 상세해석 해석과 비교하여 정상하중에 대하여 유효보폭으로 설계한 건물을 비정상하중을 적용하여 연쇄붕괴 저항성능을 평가하고자할 때 적절한 DCR 값을 제시하고자 함이다. 본 연구에서는 GSA(General Services Administration) 가이드라인에서 제안하는 대체하중경로법을 적용하여 선형정적해석, 선형동적해석 및 비선형정적해석을 수행하고 결과를 분석하였다. 해석프로그램(S/W)은 건축구조물 상용해석 프로그램인 Midas-Gen 7.8.5 및 비선형 정밀해석 프로그램인 NastranFX를 사용하였다. Midas-Gen은 판(plate) 및 입체(solid) 요소에 대한 비선형 정밀해석이 불가능하여 NastranFX와 같은 비선형 정밀해석 S/W를 사용하여 거동을 비교하고자 하였다. 즉, 정적 해석을 통한 DCR 분석 및 선형동적해석을 통한 동적해석의 거동은 Midas-Gen과 같은 상용프로그램을 사용하여 산출하되, 비선형 거동의 정밀해석과의 거동 검증을 위하여 NastranFX를 사용하였다. 이러한 목적을 위하여 본 연구는 총 6장으로 구성되었으며, 제1장에서는 본 연구의 목표 및 범위를 설정하였고, 제2장에서는 기존 연구, 연쇄붕괴 사고 사례 및 설계 기준 등 연쇄붕괴에 대한 일반적 내용을 고찰하였으며, 제3장에서는 GSA 가이드라인 및 본 연구와 관련되는 유한요소해석 이론에 대한 내용을 고찰하였다. 제4.1장에서는 정상하중 상태에 대한 내진해석을 통하여 능력량(Capacity)을 산출하였고, 제4.2장에서는 기둥을 제거한 모델에 충격계수(iImpact factor) 2를 적용한 비정상하중 상태에서의 응력값인 요구량(Demand)을 구하여, 능력량과 요구량의 비교를 통하여 DCR을 산정하였다. 제4.3장에서는 충격계수를 사용하지 않은 비정상상태에서의 선형동적해석(time history analysis)을 통하여 동적처짐을 산출하고 제4.2장의 정적처짐과 비교하여 충격계수의 적절성을 판단하였다. 제5장에서는 비정상하중상태에서 충격계수 2를 적용한 비선형정적해석을 수행한 후 소성힌지의 분포상태, 부재의 처짐각 및 최대하중계수를 통하여 비정상상태에서의 정밀한 연쇄붕괴 거동을 평가하였다. 제6장에서는 결론으로 GSA 가이드라인의 보완방법을 제시하였고, 각 해석별 비교를 통하여 비정상하중이 발생할 경우 무량판 구조의 거동을 평가하였으며, 구조계획 단계에서 고려하여야 할 사항을 제시하였는데, 그 결과는 아래와 같다.

1. GSA가이드라인의 보완 방법 제시

1) 유효보폭법(EB) 모델은 GSA 선형정적해석의 DCR 기준값 2를 기둥 제거 위치에 따라 일부 조정하여 적용할 것을 제안한다. 2) 동적해석을 통하여 정적해석에서의 충격계수 (impact factor, 중력하중 증폭계수) 2는 보수적인 결과임을 알 수 있어 충격계수 2이하 수준으로 하향 조정할 필요가 있다. 3) 전단에 대한 저항성능은 DCR 값으로 평가할 것이 아니라 접합부의 보강설계를 통하여 접합부는 충분히 강하다는 전제하에 별도로 검토하여야할 것으로 판단된다.

2. 비정상하중에 대한 연쇄붕괴 거동 평가

1)동적해석(time history analysis)에 의하여 기둥의 순간적인 제거로 인하여 변위가 발생하지만 몇 번의 진동 후에 10초 근처의 탄성범위 내에서 탄성변형 값으로 수렴함을 보여주고 있다. 2)단계별 소성힌지(plastic hinge)의 상태를 살펴보면 대체적으로 즉시사용한계상태 수준으로 나타나 전체붕괴로 이어지지 않고 국부붕괴의 형태를 띠는 것으로 나타났다. 3) 수직처짐 결과는 GSA의 비선형해석 가이드라인(6o)에 비해 연쇄붕괴 저항성능에 여유가 있음을 보여주고 있어 기둥이 파괴된 후에 슬래브에 의해 대체하중경로를 확보하여 건물이 연쇄붕괴에 저항하는 것을 나타내고 있다. EB모델과 PF모델 모두 현수작용(catenary action)을 충분히 발휘하여 하중계수(load factor) 1을 초과하여 저항하는 것으로 나타났다.

3. 구조계획을 위한 본 연구의 활용방안

1) 모든 건물은 비정상하중에 의하여 국부 손상 상태를 유지할 것을 목표로 제시하며, 비정상하중은 건설 중인 경우는 포함하지 않고 사용 상태에서의 건물 상태로 한정하여야 한다. 2) 군용 건물에는 DoD 기준과 같은 보강된 방법을 적용하고, 주요건물과 초고층 건물 등은 GSA의 대체하중경로법이나 특별국부저항방법 같은 직접적 방법을 적용하고, 일반 상용건물에서는 ACI 318과 같은 간접적 디자인의 방법을 적용하는 것이 적절할 것으로 판단된다. 3) 공동주택 등 주거용 건물 등에서 가스폭발 등 압력 하중에 저항하도록 하여야 하며, 초고층 건물 및 공동주택에서는 1층의 피로티 기둥 등을 강선으로 특별히 보강하는 대책이 필요하다. PC 건물 및 무량판 구조에서의 접합부 상세를 강조할 필요가 있다. 4) 지진하중의 크기와 연쇄붕괴저항성능은 비례 관계가 있음을 알 수 있어내진설계범주가 연쇄붕괴 저항성능에 중요하게 고려될 필요가 있다. 5) 무량판 시스템 구조계획시 외부 테두리보의 적절한 배치 및 정방형 배치의 구조계획이 효과적임을 보여주고 있으며, 지붕층에 대한 별도의 보강이 필요할 것으로 판단되며, 건물 안정성에 필수로 고려되는 외부기둥은 주요 성분(key elements)으로 디자인할 필요가 있다.