건물의 연쇄붕괴 평가를 위한 소성힌지 증가 해석방법

박초희,김주원,윤성기 대한건축학회지회연합회 2011 대한건축학회연합논문집 Vol.13 No.2

연쇄붕괴는 폭탄, 테러, 가스폭발, 설계의 결함, 화재, 지진 등 자연현상을 비롯한 다양한 원인에 의해 발생하며 원인별 붕괴경향도 다르다. 미국의 GSA와 DoD 가이드라인의 경우, 주로 폭발에 의한 연쇄붕괴를 고려한다. 이것은 구조물의 주요부재가 파괴되더라도 추가붕괴가 발생하지 않도록 하기 위한 것이다. 대체경로법은 해석방법에 따라 선형 정적해석, 비선형 정적해석, 선형 동적해석, 비선형 동적해석으로 나누며, 각각의 해석방법에 대한 적용방법과 설계고려하중이 달라지고 평가기준 또한 가이드라인에 따라 다르다. 특히 중저층 건축물에 대해 GSA에서는 해석의 편의를 위해 별도의 선형 정적해석 과정을 제시하였다. 이것은 선형해석의 연쇄붕괴해석 한계를 극복하기 위해 소성힌지를 도입한 것으로 실제 소성거동과 차이는 있지만 구조물의 항복 후 영향까지 고려하였다. 본 연구에서는 GSA의 선형정적해석을 이용하고 제시된 방법을 토대로 실제 소성붕괴로 발전시킨다.

배관 엘보우의 소성붕괴모멘트 평가에 미치는 두께와 재료물성의 불균일성 영향

이수영,김진원,이대영 대한기계학회 2023 大韓機械學會論文集A Vol.47 No.7

In this study, three-dimensional finite element analysis (FEA) was performed by inputting material properties and thicknesses measured at different locations in three commercial elbows, and the plastic collapse moment (PCM) was evaluated for each input condition. Notably, the plastic collapse moments varied by up to 39% and 42% with the input material properties and thickness, respectively. Furthermore, the variation in the PCM according to the input material property was larger in closing mode bending than in opening mode bending, but the variation with the input thickness was larger in closing mode bending than in opening mode bending. A comparison of the bending test and FEA results on elbow specimens showed that the plastic collapse behavior was appropriately predicted when the average of the material properties and thicknesses measured at extrados, intrados, and crown of the elbow were inputted. The use of the nominal thickness in the FEA conservatively predicted the plastic collapse behavior of the elbow. 본 연구에서는 3종의 상용 엘보우에서 측정된 위치별 재료물성과 두께를 입력하여 3차원 유한요소해석을 수행하고, 입력 조건별로 소성붕괴모멘트를 평가하였다. 평가 결과 입력된 재료물성과 두께 편차에 따라 소성붕괴모멘트가 각각 최대 39%와 42%의 차이를 보였다. 또한, 입력된 재료물성에 따른 소성붕괴모멘트의 변화는 닫힘모드보다 열림모드 굽힘조건에서 더 크고, 입력된 두께에 따른 소성붕괴모멘트의 변화는 열림모드보다 닫힘모드 굽힘조건에서 더 크게 나타났다. 엘보우에 대한 굽힘시험과 해석 결과를 비교한 결과, 곡관부 내륜, 외륜, 측면에서 측정된 두께의 평균과 재료물성의 평균이 엘보우의 두께와 재료물성으로 적용될 때, 엘보우의 소성붕괴거동이 가장 적절히 예측되었다. 유한요소해석에서 공칭두께의 적용은 엘보우의 소성붕괴거동을 지나치게 보수적으로 예측하였다.

옥천변성대 절개지 사면의 토층붕괴 영향인자에 관한 연구

이경미 ( Kyoung Mi Lee ),김병찬 ( Byung Chan Kim ),서용석 ( Yong Seok Seo ) 대한지질공학회 2009 지질공학 Vol.19 No.4

이 연구는 미원과 충주지역을 중심으로 한 옥천변성대 지역에서 절개지사면 토층붕괴와 관련하여 흙의 주요 특성을 알기 위해 수행되었다. 실내시험을 위하여 붕괴지 토층과 인근의 비붕괴지 토층에서 35개 사면으로부터 불교란 시료와 교란시료를 각각 채취하여 일련의 물성시험과 역학시험을 하였다. 분석결과에 의하면 붕괴지 사면의 토질특성은 흙의 활동지수(AMI)가 0.75 이상이고, 액성한계가 32% 이상, 함수비가 31% 이상일 때 붕괴에 취약한 것으로 나타났다. 그리고 붕괴지토층의 소성지수는 습윤밀도 및 포화밀도와 상관성이 있으며, 소성지수가 크면 간극비가 작아도 붕괴에 취약한 것으로 나타났다. 입도분포는 점토의 함량보다는 모래나 자갈의 함량이 많을수록 붕괴에 더 영향을 미치는 것으로 나타났다. This study aims to clarify the characteristics of the physical and mechanical properties of soil-slope failure of Okcheon metamorphic zone. Soil samples were collected from 35 collapsed and uncollapsed artificial slopes along national roads. A series of laboratory experiments was carried out to examine physical and mechanical properties of soils and rocks. The results show that failure slopes have weakness of failure at 0.75 of AMI or higher, 32% of liquid limit or higher, and 31% of saturated moisture content or higher. The plastic index of failure slopes is correlated to wet density and saturated density. It turned out that failure could easily happen according to a high plastic index even if the void ratio was low. The greater the contents of bigger-sized soil, i.e. contents of sands and gravels rather than of clays, is the greater the chance to fail at the slope.

교각 강성과 교량의 붕괴기구

국승규,Kook, Seung-Kyu 한국전산구조공학회 2016 한국전산구조공학회논문집 Vol.29 No.2

일반설계에서 탄성거동을 전제로 구조물을 설계하는 것과 달리 내진설계는 구조물의 소성거동을 규명하고 조정하여 붕괴를 방지하는 것이 목적이다. 일반교량의 경우에 요구되는 붕괴방지수준은 교량의 특정한 구조부재의 소성거동으로 낙교를 방지하여 지진발생 이후에 긴급차량의 통과를 가능하게 하는 것이다. 이러한 소성거동은 연결부분 또는 교각기둥에 제한되고 각 경우에 적절한 조치가 요구된다. 도로교설계기준은 교각기둥에서 소성힌지를 형성하여 연성붕괴기구를 구성하는 설계방식과 함께 철근콘크리트 교각을 하부구조로 하는 교량을 대상으로 연결부분의 항복을 이용하여 취성붕괴기구를 구성하는 연성도 내진설계를 부록으로 제시하고 있다. 이 연구에서는 철근콘크리트 교각기둥과 강재받침으로 설계된 일반교량을 선정하고 연성붕괴기구와 취성붕괴기구를 모두 고려한 붕괴방지 설계절차 및 도로교설계기준에 요구되는 수정사항을 제안하였다. While structures are designed within elastic range by other designs, plastic behavior of structures should be verified and controlled in order to prevent structural collapse by the earthquake resistant design. No Collapse Requirement for typical bridges is to avoid falling down of superstructure by way of plastic behavior of certain structural elements and to operate emergency vehicles after earthquake. Such plastic behavior is restricted to connections or pier columns and appropriate measures are required for each case. Earthquake Resistant Design part of Roadway Bridge Design Code provides design processes for Ductile Collapse Mechanism by forming plastic hinges at pier columns. Also for bridges with reinforced concrete piers ductility-based design processes are provided as an appendix constructing Brittle Collapse Mechanism with connection yielding. In this study, a typical bridge with steel bearing connections and reinforced concrete piers is selected and No Collapse Design procedure considering both Ductile and Brittle Collapse Mechanism is proposed together with revisions required for the Earthquake Resistant Design part.

용접 철골모멘트골조의 비선형 동적 연쇄붕괴해석을 위한 병렬 소성힌지 모델의 개발

이철호,김선웅,이경구,Lee, Cheol Ho,Kim, Seon Woong,Lee, Kyung Koo 한국강구조학회 2009 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.21 No.2

본 논문에서는 용접철골모멘트골조의 비선형 동적 연쇄붕괴 해석을 위해 인장-휨 거동을 반영한 효율적인 병렬 소성힌지를 제안하였다. 본 목적을 위해 재료적/기하학적 비선형 유한요소해석을 이용한 변수연구를 통해 기둥이 손실된 2경간 보의 항복후 휨거동과 모멘트-축인장력 상호작용을 살펴보았다. 유한요소해석결과를 토대로 보의 모멘트-축인장력 상호작용 관계를 일련의 선형으로 근사화한 소성힌지모델을 제안하고, 이를 OpenSees 프로그램에 적용하여 용접철골모멘트골조의 비선형 동적 연쇄붕괴해석을 수행하였다. 비선형 동적 유한요소해석을 통하여 본 연구에서 제안한 힌지모델의 효율성과 정확도를 검증하였다. 또한 본 연구 결과는 연쇄붕괴 해석 및 설계에 적절한 현수작용효과의 포함여부가 중요함을 보여준다. In this study, a computationally efficient parallel axial-flexural plastic hinge model is proposed for nonlinear dynamic progressive collapse analysis of welded steel moment frames. To this end, post-yield flexural behavior and the interaction of bending moment and axial force of the double-span beams in the column's missing event was first investigated by using material and geometric nonlinear parametric finite element analysis. A piece-wise linear parallel point hinge model that captures the moment-axial tension interaction was then proposed and applied to nonlinear dynamic progressive collapse analysis of welded steel moment frames with the use of the OpenSees Program. The accuracy as well as the efficiency of the proposed model was verified based on the inelastic dynamic finite element analysis results. The importance of including the catenary action effects for proper progressive collapse resistant analysis and design was also emphasized.

연속체 소성해석에 의한 기둥-보 접합부위의 붕괴메커니즘 및 최대내력 평가식 제안

이상주(Lee Sang-Ju),한상을(Han Sang-Eul) 대한건축학회 2008 大韓建築學會論文集 : 構造系 Vol.24 No.4

Connection of steel structures form complicatedly in many cases, they are important part to transmit various stresses. It is indispensable in design of steel structures to evaluate strength of connection. To evaluate strength of connection, the theory of plastic analysis of continuum under in-plane or out-of-plane load can apply to this evaluation. In Plastic Analysis of continuum, internal forces are found by virtual work formulate apply to assumed collapse mechanism. Connection of steel structures is consist of steel members which are consist of plate elements using welding or bolt connection, and plate elements which consist steel members can be treated to 2-dimensional plate elements. So in this study plate elements are treated to 2-dimensional exercise like plate-stress or plate-deflection. Lee(2005) valued maximum internal force by plate with holes collapse mechanism based on plastic theory. By expanding this, the study tried to evaluate internal force of steel structure connection and tried to evaluate maximum internal force of pre-installed rib and welded part. It is necessary to possess internal forces exceed internal forces of each member for steel structures display needed capacity, and this is a premise for design . Maximum internal forces become an index premise plasticity of composed members. In this study, we are going to evaluate internal forces of L-shape joint element. Yield line theory apply to evaluation of internal forces. Yield line theory originated in plastic analysis of general plates has an advantage which it presents evaluation formula of internal forces. In this study, first of all, we present internal forces evaluation formula of yield line, plastic zone, yield line or plastic zone which has curvature, and evaluate differences between L-shaped joint element which has rib and L-shaped joint element which does not has rib using connection of steel structures. Provided formula is estimated to be a foundation for decision of dimensions at designing connections.

연속체 소성해석에 의한 기둥-보 접합부의 기둥 국부붕괴 내력평가

이상주(Lee Sang-Ju),한상을(Han Sang-Eul) 대한건축학회 2008 大韓建築學會論文集 : 構造系 Vol.24 No.5

Steel structures is consist of steel members as using welding or high strength bolt connection, and plate elements which consist steel member can be treated to 2-dimensional elements. In this study, plate elements are treated to 2-dimensional plane-stress or plane-strain problem. Lee(2007) evaluated maximum internal force of L-type joint element for collapse mechanism based on plastic theory. By expanding that, this study tried to evaluate local collapse loads of column at steel structure connection. Objects of this research is connection with a L-type joint element at upper flange and a rib at lower flange by high strength bolt. It is necessary to possess the internal forces exceeding the external forces subjected each member for steel structures so as to display demanded capacity, and this is a premise for design. Maximum internal forces become an index premise plasticity of composed members. In this study, we are going to evaluate local collapse load of column for column-beam moment connection. Yield line theory apply to evaluation of internal forces. Yield line theory originated in plastic analysis of general plates has an advantage which it presents evaluation formula of internal forces.

철골중간모멘트골조의 붕괴성능Ⅱ

박진영,이원호,김형준 한국방재학회 2014 한국방재학회논문집 Vol.14 No.2

연속하는 두 논문중 첫 번쩨 논문에서 도출한 철골중간모멘트골조의 붕괴성능에 가장 큰 영향을 미치는 요인중 하나가 기둥의 소성변형능력이라는 점에 주목하여 최대급지진에서 붕괴방지성능을 만족시키는 기둥의 소성변형능력을 규명하고자 한다. 이를 위해서 첫 번쩨 논문에서 소개한 세 개의 표본건물을 이용하여 40개 지진파에 대한 증분동적해석을 수행하였고 FEMA355F의 신뢰도계수법과FEMA-P695의 방법론을 이용하여 붕괴성능을 평가하였다. The first paper of continuing two papers observed that the one of most important factor of determining collapse capacity is plasticdeformation capacity of column. This study investigated the plastic deformation capacity satisfying collapse prevention level in maximumconsidered earthquake. For this purpose, incremental dynamic analysis was performed with the prototype structure introducedin former paper using 40 ground motion records. The Collapse capacity was evaluated with confidence factor method of FEMA355Fand methodology of FEMA-P695.

터널 붕괴 현장 지반거동의 수치해석적 연구

김민태 한국방재학회 2024 한국방재학회논문집 Vol.24 No.2

본 연구에서는 도심지의 불안정한 지반에서 발생할 수 있는 전형적인 두 가지 지반조건에서의 터널 굴착 사례를 소개하고 수치해석적 분석을 통하여 대상터널의 터널 붕괴의 메커니즘을 분석하였다. 풍화된 암반층에서의 터널 굴착 사례와 미고결 사질토 지반에서의 터널 굴착 사례의 수치해석 결과에서 터널 단면 전체 영역에서 소성거동하기 시작하여 터널 어깨 부에서부터 지표면까지 발생한 것을 알 수 있었고 변위벡터의 발달 양상도 소성영역이 발생한 중심으로 터널 천장부의 함몰 가능성을 판단할 수 있었다. 수치해석 결과 계측 결과와 연관하여 터널 붕괴 원인으로 미고결 지반의 터널 붕괴 과정은 먼저 지하수가 유입된 후 기반암의 풍화나 그 밖의 지반이완을 촉진하는 굴착 과정으로 소성영역과 전단변형이 지표면까지 확대되고 결국 막장의 붕괴와 지표면이 붕괴하는 과정을 확인할 수 있었다. In this study, tunnel excavations were introduced in two typical ground conditions found in unstable urban areas, and the corresponding tunnel collapse mechanisms were investigated using numerical analysis. The case studies of tunnel collapse in weathered rock and uncemented sandy soil layers revealed that a plastic area extended across the entire tunnel section from the tunnel shoulder to the ground surface. The development of the displacement vector indicated the possibility of a tunnel ceiling depression occurring around the plastic area. The numerical analysis results suggest that tunnel excavation, which accelerates bedrock weathering or induces ground relaxation following groundwater introduction, can lead to the collapse of uncemented sandy soils.

외압이 작용하는 마모 실린더의 붕괴 압력 예측을 위한 한계하중 및 비선형 좌굴 해석

석태현(Tae-Hyeon Seok),노가람(Ga-Ram Rho),김동석(Dong-Seok Kim),강병현(Byoung-Hyun Kang),지민정(Min-Jung Ji),박승현(Seung-Hyun Park),허남수(Nam-Su Huh) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.4

원자로용 SGT(Steam Generator Tubes)와 같이 외압을 받는 실린더는 접촉 표면에서의 미세 진동 운동 등에 의해 마모가 발생할 수 있다[1]. 실린더는 마모 발생 전후로 좌굴 거동에 분명한 차이가 존재하므로[2] 구조적 건전성 평가가 필요하다. 이에 본 연구에서는 외압이 작용하는 마모 실린더의 선형 좌굴(linear buckling), 비선형 좌굴(non-linear buckling), 소성 붕괴(plastic collapse) 해석을 수행하여 붕괴압력을 평가하였다. 실린더 중심부에 마모 길이 및 깊이가 다른 다양한 마모 형상을 고려하였다. 실제로는 형상의 부정(imperfection)에 의해 임계압력이 저하되므로 선형 좌굴 해석의 결과를 정확한 좌굴압력으로 보기는 어렵다[3]. 따라서 소성 붕괴, 비선형 좌굴 해석으로 얻은 한계압력, 임계좌굴압력을 비교하였다. 해석 결과 한계압력은 마모 형상이 커질수록 감소하는 경향을 보이며, 임계좌굴압력은 좌굴 형상에 따라 상이한 경향을 보였다. 형상부정계수가 0.1 인 경우 비선형 좌굴 해석으로 얻은 붕괴압력이 작았지만 마모 형상이 커짐에 따라 소성붕괴도 고려되어야 한다. 정확한 임계좌굴압력의 계산을 위해서는 형상부정계수의 정의가 중요하며, 추후 실험을 통하여 형상부정계수를 확보한다면 외압을 받는 마모 실린더의 명확한 구조건전성 평가 가이드라인 제시가 가능할 것으로 판단된다. The cylinder under external pressure, such as steam generator tubes of nuclear power plants, may wear out due to micro-oscillating movements on the contact surface[1]. Since wear defect affects buckling behavior of the cylinder[2], structural integrity assessment of wear cylinder is necessary. In this study, the collapse pressure by linear buckling, non-linear buckling and plastic collapse analyses of a wear cylinder under external pressure are investigated. Various wear shapes with different lengths and depths in the center of the cylinder are considered. It is difficult to obtain accurate collapse pressure based on the linear buckling analysis since the critical pressure decreases due to imperfection of the tube shape[3]. Therefore, we compared linear buckling pressure with both limit pressure and critical buckling pressure obtained by plastic collapse and non-linear buckling analyses. As a result, the limit pressure tends to decrease as the wear size increases as expected, and the critical buckling pressure tends to differ according to the wear shapes and imperfection scale factors. When the imperfection scale factor is 0.1, the main cause of collapse is non-linear buckling, on the other hand, plastic collapse should be considered as the wear size increases. Since the accurate determination of imperfection scale factor is crucial element in the critical buckling pressure assessment, in order to provide the clear guideline of structural integrity assessment for the wear cylinder under external pressure, the experiments on wear cylinder should be conducted.