연쇄붕괴해석을 위한 최소 부분골조 모델의 평가

Abstract

연쇄붕괴란 비정상하중에 의해 국부적인 손상 및 파괴가 발생하여 구조물 전체의 파괴로 이어지는 현상이다. 비정상하중이란 화재, 테러, 폭발, 차량의 충돌 등과 같이 설계단계에서 고려되지 않는 하중을 의미한다. 연쇄붕괴를 방지하기 위해 영국의 British Standards Institution(BSI)와 미국의 Department of Defence(DoD), General Services Administration(GSA)는 구조물의 연쇄붕괴 저항성능을 평가하기위한 가이드라인을 설계단계에서 제시하고 있으며 기둥부재의 순간적인 제거로 인한 인접경간 보의 현수작용을 통해 주변기둥으로 하중을 전달하는 대체경로법을 적용하여 해석하는 것을 권장하고 있다. GSA 2016은 구조물의 연쇄붕괴 발생시, 중력하중의 대체경로를 통한 하중 재분배와 구조물의 연속성을 고려하여 3차원 전체구조물로 해석하는 것을 권고하고 있다.

본 연구에서 ABAQUS를 이용하여 연쇄붕괴 해석을 위한 최소 규모의 부분골조 모델의 적용성을 평가하기 위해 Column-Tree 접합부가 적용된 5bay×8bay×7story의 전체구조물(40m×72m×26m)을 대상으로 분석하였다. GSA 2016에서 권고하고 있는 기둥제거 시나리오 가운데 하중재분배 시스템을 기반으로 단변 기둥제거 시나리오에 대하여 2bay1bay 부분골조 모델, 모서리 기둥제거 시나리오에 대하여 1bay×1bay 부분골조 모델을 수평방향 최소 규모의 부분골조 모델로 선정하였다. 모델의 수직방향의 최소 규모를 판단하기 위하여 상부 층수를 변수로 분석하였다. 층수의 영향 및 선정된 최소 규모 부분골조 모델의 타당성은 전체골조 모델의 해석 결과와 비교하여 분석되었다.

제 1장에서는 본 연구의 연쇄붕괴해석을 위한 층수의 영향 및 최소규모의 부분골조 모델링의 적용성 평가의 필요성을 소개하였다.

제 2장에서 부분골조 모델링 범위를 결정하기 위해 전체골조로 모델링된 대상구조물의 규모, 면적, 내진설계, 설계하중, 부채 치수 등의 개요 있다.

제 3장에서는 GSA 기둥제거 시나리오를 기반으로 부분골조의 모델링 범위를 결정하였으며, 단변기둥제거 시나리오는 기둥제거 좌우의 2개 모듈의 2bay×1bay 부분골조를 모델링하였고 모서리기둥제거 시나리오는 제거기둥을 포함한 1개 모듈의 1bay×1bay 부분골조를 모델링하였다. 또한 접합부, 볼트 물성, 슬래브, 경계조건 및 해석 방법 등의 소개하였다.

제 4장에서 단변 기둥제거 시나리오 부분골조의 하중-변위 거동해석결과를 정리하여 전체골조모델의 해석결과와 비교하였다. 또한 부분골조의 소성힌지 및 Stub Beam / Column-Tree접합부 응력분석, 합성슬래브 및 작은 보의 응력분석 등의 해석결과를 도출하였다.

제 5장에서 모서리 기둥제거 시나리오 부분골조의 하중-변위 거동해석결과를 정리하여 전체골조모델의 해석결과와 비교하였다. 또한 부분골조의 소성힌지 및 Stub Beam / Column-Tree접합부 응력분석, 합성슬래브 및 작은 보의 응력분석 등의 해석결과를 도출하였다.

제 6장에서는 각 장의 소결들을 종합하여 다음과 같은 결과를 도출하였다.

1. 구조물의 연쇄붕괴 저항성능 평가를 위한 효율적인 전산 모델링 및 해석시간을 감축을 위하여 구조물의 모델링 범위를 단변 기둥제거 시나리오에 대하여 2bay×1bay, 모서리 기둥제거 시나리오에 대하여 1bay×1bay로 최소화 하였으며 유용한 결과가 도출되었다. 이 결과에 근거하여 장변 기둥제거 시나리오의 경우 모델링 범위를 2bay×1bay로 최소화 할 수 있다.

2. 전체층을 포함한 부분골조 모델의 해석결과는 전체골조 대비 6% 이내의 오차를 나타내는 반면, 상부 층을 고려하지 않은 해석 결과는 신뢰할 수 없는 것으로 나타났다.

3. 부재강성이 작은 보를 포함한 상부 층의 층수가 많을수록 하부 층으로 전이되는 하중이 더 증가하게 되어 상대적으로 낮은 하중 단계에서 구조물이 붕괴된다.

4. 각 층의 보 부재강성이 동일한 경우 각 층의 보 거동이 일치하므로 1개 층만을 고려한 부분골조 모델을 적용할 수 있다.

5. 상기 결과의 적용은 본 연구에서 분석한 대상구조물과 같은 정형 구조물의 경우에도 유효하며, 비정형 구조물에 대한 적용은 제한적인 것으로 판단된다.