연쇄붕괴 저항성능 평가를 위한 철골보의 단순화된 해석적 모델 개발

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. 연쇄붕괴의 주요 사례로는 국내의 경우 1995년 삼풍백화점 붕괴사고가 있으며, 1968년 런던 Ronan point apartment의 가스폭발에 의한 붕괴사고, 1995년 미국 Alfred P.Murrah Federal Building의 차량 포탄 테러로 인한 붕괴사고, 2001년 비행기의 충돌에 의해 발생한 World Trade Center의 붕괴사고 등이 있다. 이러한 붕괴사고들을 계기로 미국의 Department of Defence(DoD)과 General Services Administration(GSA)에서는 건축물의 연쇄붕괴를 방지하기 위한 해석 및 설계방법을 제시하고 있고, 구조물의 연쇄붕괴 저항성능을 평가하기 위하여 대표적 연쇄붕괴 발생 위험성이 높은 위치의 기둥을 제거하는 시나리오를 제시하고 있다. 또한 선형, 비선형의 정적 및 동적 해석 방법과 보-기동 접합부의 상세에 따라 평가 기준 하중에서의 허용기준을 제시하고 있다. 다만 극한하중 작용 시 휨부재의 대변형에서 나타나는 평가 기준하중 이후의 인장 저항 성능 평가에 고려되지 않는다. 많은 연구자들이 비선형 정적, 동적 전산해석을 통한 연쇄붕괴 전산해석 모델을 개발하고 평가하였으나, 이러한 전산해석을 통한 방법은 깊은 전문적인 지식과 경험을 요하므로 일반 실무설계에서의 활용은 제한적이다. 따라서 일반 실무설계를 위한 단순한 해석적 모델이 요구된다. 철골조의 연쇄붕괴 저항성능은 접합부의 구속조건 및 적용하중유형에 직접적으로 영향을 받는다. 하중이 증가하면 보의 최대 모멘트를 받는 단면은 소성되며 보의 대변형 영역에서 현수작용으로 인하여 소성단면에서 축력이 급격하게 증가하면서 모멘트가 감소되어 보는 인장거동을 나타낸다. 본 연구에서는 조기축력과 잔여모멘트를 고려한 실제 거동에 근접한 모멘트와 축력의 상호작용 관계를 기반으로 3개의 집중하중이 작용하는 양단 고정단보의 해석적 모델을 수행하여 붕괴점까지의 하중-변위 관계의 단순화된 해석적 모델을 제시하고자한다. 고정단 보의 경우 탄성단계와 소성단계에서는 순수 모멘트만에 의해 하중에 저항하며 과도단계에서는 단부와 중앙부의 모멘트는 전소성모멘트에 도달한 후 더 이상 증가할 수 없다. 현수작용 과도단계에서 중앙부와 단부는 소성상태에 도달하고 모멘트가 더 이상 증가할 수 없으므로 증가하는 하중에 저항하기 위해 축력이 급격히 증가하기 시작한다. 순수 현수작용단계에서는 보의 거동이 트러스 거동으로 전환되어 축력에 의해 저항한다. 또한 전산해석 결과를 이용하여 기존 연구자들이 단순화하여 적용해온 모멘트와 축력 상호작용 관계보다 더 실제 거동에 근접하도록 보의 조기 발현되는 축력과 소성단면의 잔여모멘트를 해석모델에 고려하여 해석결과의 신뢰성을 높이고자 한다.

본 연구는 총 5장으로 구성되어 있으며 각 장별 주요 내용은 다음과 같다.

제 1장에서는 본 연구의 배경으로서 연쇄붕괴 저항성능 평가를 위한 보의 단순화된 해석적 모델 개발의 필요성 및 목적을 소개하였다.

제 2장에서 해석적 모델의 범위를 결정하고 보의 소성단면에서의 모멘트와 축력과의 관계를 기반으로 하중-변위 모델의 5개 단계를 정의하여다. 또한 전산해석을 통해 하중 중가에 따른 보의 모멘트와 축력과의 관계를 분석하였고, 이를 기반으로 조기에 발현되는 축력과 순수 현수작용단계에 나타나는 잔여 모멘트의 크기를 결정하였다.

제 3장에서 하중-변위 모델의 5개 특성점을 정식화하였으며, 이때 조기에 발현되는 축력의 영향과 순수 현수작용단계에 나타나는 잔여모멘트를 고려하여 붕괴점까지의 개선된 결과를 도출하였다.

제 4장에서 본 연구에서 개발한 해석적 모델로 도출한 결과와 ABAQUS 전산해석 결과를 비교하여 해석적 모델의 타당성을 검증하였다.

제 5장에서는 본 연구로부터 얻어진 결론을 기술하고, 향후 수행되어야 할 연구방향에 대하여 기술하였다.

본 연구내용의 결론을 제시하면 다음과 같다.

1. 전산해석을 통해 하중 중가에 따른 보의 모멘트와 축력과의 관계를 분석하였고, 이를 기반으로 조기에 발현되는 축력을 0.2Fp로, 순수 현수작용단계에 나타나는 잔여 모멘트의 크기를 0.3Mp로 결정하였다.

2. 하중-변위 모델의 5개 특성점을 정식화하였으며, 이때 기존 연구자들이 고려하지 않은 조기에 발현되는 축력의 영향과 순수 현수작용단계에 나타나는 잔여모멘트를 고려하여 개선된 결과를 도출하였다.

3. 본 연구에서 개발된 해석적 모델의 타당성을 검증하기 위해 전산해석 결과와 비교하였다. 경간-보춤 비가 서로 다른 5개의 보에 대하여 분석한 결과 모든 경우에서 해석적 모델과 전산해석 결과가 대체적으로 유사하게 나타났으며 해석적 모델의 붕괴하중과 변위가 각각 전산해석 결과의 92 ~ 98%와 86 ~ 88.3%로 나타났다. 다만 해석적 모델은 소성영역을 고려하지 않음으로 모든 경우에 전산해석 보다 큰 강성을 나타냈다.

4. 모든 해석적 모델 결과가 전산해석결과 보다 큰 강성으로 나타내고 있고 이는 Rigid-Plastic Mechanism에 기반하므로 실제 확산되는 소성영역을고려하지 못하는 것에 기인하는 것으로 판단되었다.

5. 본 연구에서 개발된 하중-변위 모델은 등분포하중이 작용하는 경우에 대하여 동일한 개념으로 확장이 가능하다. 다만 현재의 모델은 최하층에 대한 모델로서, 상부층의 거더들의 치수가 동일한 경우 적용이 가능하나 상부층 거더의 치수가 상이한 일반적인 경우에 대한 확장이 요구된다.