WUF-B 접합부 및 합성슬래브로 설계된 철골모멘트골조의 에너지기반 근사해석을 이용한 연쇄붕괴 저항성능 평가

Abstract

연쇄붕괴란 비정상하중으로 인한 구조물의 국부적인 손상 및 파괴가 전체의 파괴로 이어지는 현상이다. 비정상하중이란 설계단계에서 고려하지 않는 화재, 테러, 폭발, 차량의 충돌 등과 같은 일반적이지 않은 사건에 의한 하중을 의미한다. 연쇄붕괴의 주요 사례로는 해외의 경우 1968년 런던 Ronan Point Apartment의 가스폭발로 인한 붕괴사고, 1995년 미국 Alfred P. Murrah Federal Building의 차량 폭탄 테러에 의한 붕괴, 2001년 비행기의 충돌에 의해 발생한 World Trade Center의 붕괴 등이 있으며, 국내에서는 1995년 삼풍백화점 붕괴사고가 있다. 최근 세계 각지에서 크고 작은 테러가 끊이지 않고 있으며, 테러나 폭발 등의 비정상하중의 작용에 대한 구조물의 안전성 평가는 사용자나 국가적 측면에서도 중요한 관심사로 떠오르고 있다. 이에 따라, 비정상하중에 의해 국부적인 손상이 발생한 건축물의 연쇄붕괴를 방지할 수 있는 신뢰할 수 있고 효율적인 설계방법에 대한 연구가 요구된다. 국내의 경우 국토해양부에서 2010년 ‘건축물 테러예방 설계가이드라인’을 제정하였다. 바닥면적의 합계가 20,000m2 이상인 호텔, 역사, 종합병원 등과 같은 다중이용 건축물과 50층 이상 또는 200m 이상의 높이를 가지는 초고층건축물에 대하여 건축물 설계단계에서부터 테러로 인한 피해를 예방하고 피해를 최소화 할 수 있는 건축물의 설계를 유도하기 위한 지침을 제시하고 있다. 이는 건축물의 대지 및 실내계획이나 보안시설, 피난 및 설비계획 등을 위주로 다루고 있고, 테러 후 주요부재의 국부파괴 시 건축물의 붕괴를 방지할 수 있는 명확한 지침이 제시되어 있지 않아 추가적인 연구가 필요한 실정이다. 해외의 경우, 미국의 American Society of Civil Engineers(ASCE)1), General Services Administration(GSA)2), Department of Defence(DoD)3)에서는 비정상하중에 의한 건축물의 연쇄붕괴 방지를 위한 해석 및 설계방법을 제시하고 있으며, 영국의 British Standards Institution(BS)4)에서는 비정상하중을 저항하기 위해 부재의 충분한 재료강도를 확보하고 부재 간의 결속을 강화시켜 불균형 붕괴를 방지하기 위한 지침을 제시하고 있다. 건축물의 연쇄붕괴를 방지하기 위한 설계방법으로 GSA 20031), DoD 20052), BS 59503)에서는 공통적으로 대체경로법을 권고하고 있다. 이는 비정상하중에 의한 기둥이 제거되는 시나리오에 따른 현상을 반영하여 건축물의 연쇄붕괴에 대한 저항성능을 평가하는 방법으로 현재 활발히 연구가 진행 중이다. 기둥제거 시나리오에 따른 붕괴 메커니즘을 고려하여 해석을 진행하기 위해서는 기둥제거에 따른 동적효과와 접합부 및 부재 내에서 재료비선형 및 대변형 등을 반영한 비선형 동적해석을 수행하여야 가장 정확한 결과를 얻을 수 있다. 하지만 이 방법은 각각의 하중 단계마다 해석을 반복해야 하며, 해석 시간 및 데이터가 많이 소비 된다는 단점이 있다. 기존 연구에서는 이러한 문제점을 보완하기 위해 에너지 기반 근사해석이 제안되었고 적용되었다. 또한 실제구조물의 연쇄붕괴 저항성능에 대한 신뢰할 수 있는 정량적 평가를 위해서는 구조물 모델링 시 비선형 거동과 파괴를 모사할 수 있는 상세한 접합부 및 슬래브 모델의 고려가 요구됨을 명시하고 있다. 본 연구에서는 비선형 정적해석을 이용하여 순간적인 기동제거로 인한 동적효과가 고려된 하중-변위 응답을 효율적으로 산출할 수 있는 에너지 기반 근사해석을 적용하여 철골모멘트골조 전체구조물에 대한 연쇄붕괴 저항성능 평가를 수행하였다. 대상구조물의 바닥슬래브와 접합부는 각각 합성슬래브와 WUF-B 내진접합부를 적용하였으며 구조 강건성과 민감도 평가를 통해 연쇄붕괴 저항성능을 평가하였다. 본 연구는 총 6장으로 구성되어 있으며 각 장별 주요내용은 다음과 같다. 제1장 : 서 론 제2장 : 연쇄붕괴 저항성능 평가방법 제3장 : 연쇄붕괴 해석을 위한 슬래브 및 접합부 모델 제4장 : 전산해석 제5장 : 연쇄붕괴 민감도 평가 제6장 : 결론 본 연구를 통해 다음과 같은 결론을 얻었으며, 이를 통해 국내 기준으로 설계된 합성슬래브와 WUF-B 접합부가 적용된 철골모멘트골조 구조물은 연쇄붕괴저항성능을 보유한 것으로 판단된다. 1. 합성슬래브 저감모델의 해석결과를 합성슬래브 실험체의 실험결과와 비교하였다. 이를 통해, 합성슬래브 저감모델의 타당성을 검증하였다. 2. 구조물의 해석결과, 기둥제거 시 전체구조물의 파괴는 기둥제거 경간의 접합부 부근의 보 하부 플랜지가 파괴되는 것을 확인하였다. 3. GSA 2003의 기준하중에서 대상구조물의 현회전각을 평가하였으며, 본 연구의 대상구조물은 GSA 2003의 연쇄붕괴 저항성능 기준을 만족하는 것을 확인하였다. 4. 대상구조물의 구조강건성 평가결과 연쇄붕괴 기준하중의 2.5배 이상 초과하여 저항하는 것을 확인하였으며, 이는 합성슬래브가 전체구조물의 강성을 향상시킨 것으로 판단되었다. 5. 구조민감도 평가를 통해 내부기둥 제거 시 내력성능의 저하가 가장 큰 것을 확인하였으며, 손상되지 않은 구조물의 내력성능의 약 33%로 내력성능이 저하하는 것을 확인하였다. 6. 추후 연구과제로 동일한 평면에 대하여 RBS 접합부 등의 다른 접합상세로 설계된 철골모멘트골조 시스템에 대한 연쇄붕괴 민감도 비교분석이 요구된다.