Numerical Simulation for Prediction of Existing Cavity Location on Earthquake-Induced Building Collapse

지진에 의한 건축물 붕괴 시 매몰공동 위치 예측에 관한 수치해석 사례 연구

Abstract

The most urgent measure to be taken for a rapid rescue when a building collapse happens is to designate or predict a possible location where human beings are alive. It is, however, very difficult to find and correctly designate such cavities by conventional geophysical survey due to a pile of debris of building members. In this study, the simulation of building collapse induced by an earthquake was conducted to predict forming pattern of a existing cavities. The simulation cases included the influence of structure wall existence and height of building. Three types of building structure: five-story, ten-story and fifteen-story were prepared as a simulation case. In the case of high building, a collapse range on the inside of the building increased consequently lowering the possibility of lifeguard cavern forming. In addition, when a wall exists in the basement floor, the possibility that existing cavities could be formed increased compared to the cases without wall.

건축 구조물 붕괴 사고가 발생했을 때, 건물 내에 있는 사람들의 긴급구호를 위해 가장 먼저 해야 할 일은 인명이 매몰되어 있는 위치(이하 매몰 공동이라 칭함)를 찾는 일이다. 그러나 붕괴된 건물의 잔해물 내에 위치한 매몰 공동을 일반적인 탐색 방법으로 찾는 것은 불가능하다. 이에 대한 해결방법으로 본 연구에서는, 붕괴시뮬레이션을 통하여 건축 구조물 붕괴 시 지하층에 형성되는 매몰 공동을 평가하였다. 붕괴 시뮬레이션에 사용되는 매몰 공동 유형에 영향을 미치는 인자로는 건축 구조물 층고, 내부 벽체의 유/무로 설정하였다. 시뮬레이션 결과, 지하벽체가 없고 고층 건물일수록 동일한 지진하중에서 큰 면적으로 붕괴가 발생하여 매몰 공동 형성에 불리한 것으로 나타났다. 또한, 매몰 공동이 형성될 경우 건물 외벽 부근이나 코너 부분에 형성될 가능성이 높은 것으로 나타났다.

서 론

과거 삼풍백화점 붕괴사고와 같은 각종 구조물 붕괴 사고 시 나타난 긴급구호의 가장 큰 문제점 중 하나는 초기 대응기술의 미확보(Ministry of Public Safety and Security, 2011)이며, 이는 대규모 인명 및 재산 피해를 야기하여 큰 문제점으로 드러났다. 이와 같은 구체적인 사고사례를 차치하고라도, 최근 도시 인구 과밀화로 지하철, 지하도, 지하 공용 공간 등 도심지 내 지하시설물은 나날이 증가되고 있는 한편, 도시개발로 건설되었던 구조물의 노후화와 지하수위 저하에 따라 붕괴위험은 점점 증가되고 있다(Korea Agency for Infrastructure Technology Advancement, 2009). 이러한 구조물은 지하시설물의 심부화로 인하여 재래식 중장비를 이용한 기존의 개착식 구호방식으로는 지하에 고립된 인명의 신속하고 안전한 구호에 한계가 있다. 따라서 개착식 구호방식 외에, 구조물 붕괴사고 발생 시 적용 가능한 긴급구호 기술 개발이 요구되고 있다. 이에 대한 해결방법으로 본 논문에서는 굴착식 긴급구호 방식을 제안하기 위한, 굴착 종점 즉, 매몰 공동의 위치를 예측하는 방법을 연구하였다.

지금까지의 재난관련 연구는 확률을 바탕으로 한 피해위험도 평가에 관한 연구(Okada, 1992; Nachi and Okada, 2007), 또는 정확한 구호지점에 접근하기 위한 연구(Li et al., 2015)등이 주를 이루고 있다. 하지만 생존한 사람이 매몰되어 고립되어 있는 매몰공동의 형성 위치 및 유형에 관한 연구는 보고되지 않고 있다.

본 논문에서는 굴착식 긴급구호의 기초연구로서 굴착의 종점이 되는 재해지내 인명이 매몰된 고립지점 즉, 매몰 공동을 예측하기 위한 방법으로 붕괴 시뮬레이션을 적용하였다. 붕괴 시뮬레이션은 발파해체 시 구조물의 붕괴거동을 예측하기 위해 사용되어 왔다. 최근에는 다양한 수치해석 모델링이 적용되고(Yarimer and Lapa, 1994; Ohtsuka et al., 1996), 시뮬레이션에 관한 연구(Meguro and Tagel-Din, 2001; Tagel-Din and Rahman, 2006; Yang et al., 2006)가 진행되고 있다. 이러한 붕괴 시뮬레이션은 발파해체를 위한 사전 작업으로, 철근 콘크리트 구조의 발파 전 부재의 거동을 예측(Tosaka et al., 1988; Yarimer, 1989; Yarimer and Lapa, 1994)하거나, 발파에 의한 지반진동을 제어(Williams, 1990; Dowding, 1994)하기 위한 발파해체 설계를 위해 주로 사용(Loizeaux and Andrew, 2006)되고 있다(Park, 2007).

본 연구에서는 이러한 붕괴 시뮬레이션을 적용하여, 최근 국내 발생빈도가 증가하고 있는 지진에 의한 건축 구조물의 붕괴 시 건축물의 붕괴 유형별 매몰공동이 형성되는 위치를 평가하였다.

 

붕괴시뮬레이션

지진에 의한 구조물의 붕괴 시 매몰 공동 형성의 유형에 영향을 미치는 인자를 선정하고, 각 인자들에 따른 해석케이스를 설정하여 붕괴시뮬레이션을 실시하였다. 붕괴시뮬레이션에는 3D 비선형 동역학 구조 해석용 소프트웨어인 ELS (Extreme Loading for Structures) 상용프로그램(ASL Durham, USA)을 사용하였다. 이는 AEM (Applied Element Method)를 기반으로 하는 3D 비선형 동역학 구조 해석용 프로그램으로써, 탄성해석과 크랙킹, 대변위, 완전요소분리, 붕괴를 포함한 소성해석이 가능한 프로그램이다(Applied Science International, 2010).

구조물 붕괴에 영향을 미치는 인자 설정

구조물이 붕괴된 후 구조물 내에 발생하는 매몰 공동은 구조물의 붕괴원인, 구조물을 이루는 부재의 종류 및 성질, 지상·지하 층수, 구조, 사용연한 등에 따라 다양하게 형성된다. 본 논문에서는 이들 중 건물붕괴 발생원인, 건물층수, 건물구조를 인자로 선정하여 각 인자에 따른 구조물의 붕괴 후 매몰 공동 형성의 위치를 파악하고자 하였다. 건물붕괴 발생원인으로는 선행연구(Korea Kacoh Co., LTD., 2013; Lee, 2014)를 참고하여 국내에서 발생건수는 비교적 낮으나, 건물붕괴 및 연쇄붕괴 유발 가능성이 높고 발생 시 많은 인명피해를 야기할 수 있는 지진을 대상으로 설정하였다. 지진에 의한 구조물 붕괴 시 매몰 공동 유형의 예측에 있어, 현실적인 상황을 고려한다면 구조물 자체의 특징(층고, 구조 등)및 붕괴 유발 인자 등 고려되어야할 인자는 무수히 많으나, 본 연구에서는 선행연구(Korea Kacoh Co., LTD., 2013; Lee, 2014)를 참고하여 구조물의 층고와 구조만을 인자로 설정하여, 각 인자에 따른 구조물의 붕괴 후 매몰 공동 형성 위치를 파악하고자 하였다. 층고는 저층(10층 이하), 중층(11~15), 고층(16~20)을 대표하는 층수로 각각 저층은 5층, 중층은 10층, 고층은 15층을 선정하였다. 건물구조는 국내에서 가장 많이 분포하는 구조이면서 대규모 상업시설에 가장 빈번히 사용되는 건물 구조인 RC구조를 선택하고, 지하벽체의 유/무를 영향인자로 설정하였다.

해석 모델

해석모델은 Fig. 1에 표시한 바와 같이 지상 층고에 따라 5, 10, 15층의 총 3종류이고, 지하층은 모든 모델에서 3층으로 동일하다. 한 층의 높이는 3 m이며, 기둥과 기둥사이의 거리는 5 m이다. 해석모델의 주요 부재의 규모 및 배근도는 Fig. 2과 같다. 기둥은 폭 250 mm, 길이 500 mm인 장방형으로 주철근은 D16과 D13으로 총 10개를 배근하였으며, 스트럽은 D10으로 152.4 mm 간격으로 균등하게 배근하였다. 거더는 폭 250 mm, 높이 600 mm로 중앙부(section A)거더와 양단부(section B)거더의 배근을 서로 다르게 배근하였다. 거더의 주철근은 D16과 D13으로 중앙부 거더는 총 8개, 양단부 거더는 총 10개를 배치하였으며, 스트럽은 D10으로 200 mm 간격으로 동일하게 배근하였다. 슬래브의 배근은 상단과 하단 배근을 동일하게 D13으로 1000 mm간격으로 배근하였다. 또한 부재의 물성치는 모든 해석 모델에서 동일하며 Table 1과 같이 설정하였다. 기둥, 거더 및 슬래브의 구성 재료는 콘크리트로 단위중량을 제외한 다른 물성치는 동일하다. 슬래브의 경우, 활하중(live load) 0.4 t/m2과 바닥하중(flooring load) 0.14 t/m2을 고려하여 산정하였다.

Fig. 1.Collapse simulation models depending on building height.

Fig. 2.Members arrangement of simulation model.

Table 1.Member property of simulation model.

지하벽체의 유/무에 따라 해석 모델을 다르게 구별하였으며, 각각에 대한 해석 모델은 Fig. 3과 같다.

Fig. 3.Simulation model considering presence or absence of interior wall on basement floor.

지진 하중

지진하중은 1995년 일본 고베지진의 실계측 자료를 입력하였다. 고베지진은 진원이 내륙이고, 새벽 5시에 규모 7.2의 크기로 발생하였다. 해석 모델의 X, Y, Z방향(Fig. 4(a))의 최대 지진 가속도는 각 각 –0.828 g (5.540초), 0.7810 g (8,870초), 0.7955 g (8.960초) 이며, 괄호안의 수치는 최대 지진 가속도가 발생한 시각이다. 각 방향과 지진가속도는 Fig. 4(b)과 같으며, 하중 지속시간 및 해석 시간은 30초이고, 시간 증분은 0.01초이다. 경계조건으로 지하층(1, 2, 3층)은 전체 기둥과 벽체의 변위와 회전은 구속하지 않았다.

Fig. 4.Direction and size of earthquake acceleration.

해석 결과

각 인자별로 붕괴시뮬레이션을 실시하여, 매몰 공동이 형성된 결과를 Fig. 5~10에 도시하였다. 단, 해석 결과들은 지하층에 형성된 매몰 공동을 확인하기 위해 붕괴 후의 상태에서 상부에 덮여있는 슬라브 등의 구조물 부재 잔해를 걷어낸 후의 그림이다.

Fig. 5.Expected existing cavities after earthquake-induced 5-story building collapse simulation in case of no wall in the basement floor.

Fig. 6.Expected existing cavities after earthquake-induced 10-story building collapse simulation in case of no wall in the basement floor.

Fig. 7.Expected existing cavities after earthquake-induced 15-story building collapse simulation in case of no wall in the basement floor.

Fig. 8.Expected existing cavities after earthquake-induced 5-story building collapse simulation in case of wall existing in the basement floor.

Fig. 9.Expected existing cavities after earthquake-induced 10-story building collapse simulation in case of wall existing in the basement floor.

Fig. 10.Expected existing cavities after earthquake-induced 15-story building collapse simulation in case of wall existing in the basement floor.

지하벽체가 없는 구조물의 시뮬레이션 결과

Fig. 5~7은 지하벽체가 없는 5, 10, 15층 건축 구조물의 해석 결과이다. 지상층수 이외의 다른 조건-지하층수, 구조 등은 동일하게 설정하였다. Fig. 5의 (a), (b), (c)는 붕괴 후 5층 구조물의 지하 1, 2, 3층의 양상이다. 결과를 보면, 지하층의 내부 부재들은 모두 붕괴되었고, 층 별로 주변부 부재인 기둥, 거더, 벽체의 붕괴는 다른 양상을 보였는데, X 방향의 경우에는 지하 전체 층에서 붕괴되지 않았다. Y 방향의 경우에는 지하 1층 주변부 부재는 전체적으로 붕괴되었고, 지하 2층은 좌측 코너부 일부를 제외하고 전체적으로 붕괴되었다. 지하 3층 주변부 부재는 일부 부분 붕괴가 발생하였다.

Fig. 6의 10층 구조물의 해석 결과, 지하 2층의 붕괴 범위를 제외하고는 5층 구조물과 유사하였고, 지하층 내부 부재들은 전체 붕괴되었다. X방향의 경우에는 지하층 전체 주변부 부재는 붕괴되지 않았고, Y 방향은 지하 1층은 전체적으로 붕괴, 지하 2층은 부분적으로 붕괴되었으며 지하 3층은 일부 부분 붕괴가 발생하였다.

Fig. 7의 15층 구조물의 해석 결과는, 10층 구조물과 유사하였다.

이상, 지하 벽체가 없는 구조물의 해석결과, 구조물의 층고와 관계없이 전체적으로 내부는 붕괴되는 경향을 보였고, 주변부 부재의 붕괴양상은 유사하였다.

지하벽체가 있는 구조물의 시뮬레이션 결과

Fig. 8~10은 지하벽체가 있는 5, 10, 15층 구조물의 해석 결과이다. Fig. 8의 5층 구조물의 지하 1, 2, 3층의 내부 및 주변부 부재들은 전혀 붕괴되지 않았으며, 이는 앞의 지하 내부 벽체가 없는 해석결과와 다른 양상을 보였다.

Fig. 9의 10층 구조물은 지하 1층 일부 내부가 부분 붕괴되었을 뿐, 지하 2층과 3층에서는 붕괴되지 않았다.

Fig. 10의 15층 구조물은 지하 3층의 일부 코너부를 제외하고 내부 부재가 전체적으로 붕괴되었다. 주변부 부재는, X 방향의 경우에는 지하 2층의 좌측 벽체 일부가 어긋난 것을 제외하고는 붕괴되지 않았다. Y 방향의 경우, 지하 1층은 전체적으로 붕괴되었고, 지하 2층은 부분적으로 붕괴되었다. 지하 3층은 주변부 부재 중 일부 거더와 벽체에 어긋남이 발생하였고, 전면부 코너에 매몰 공동이 형성된 것을 알 수 있다.

해석 결과, 구조가 동일할 때, 층고가 높은 구조물일수록 붕괴발생 면적은 큰 것으로 나타났다. 이는 층고가 높은 구조물일수록 붕괴된 부재들의 자중이 크므로, 이로 인해 붕괴가 크게 발생한 것으로 생각된다. 한편 같은 층고의 구조물에서 지하벽체가 없는 구조물과 비교하여, 지하벽체가 있는 구조물은 특히, 내부 붕괴가 작은 것으로 나타났다. 이는 붕괴 후 파괴된 지상층 부재의 자중을 견디는 힘이 기둥과 거더 외 지하벽체로 분산되어, 지하벽체가 없는 경우에 비해 붕괴 후 전체적으로 견디는 힘이 크기 때문에 지하층의 파괴가 작기 때문이다. 결국 이는 지하벽체가 있는 구조물의 경우, 붕괴사고 발생시 인명의 생존 확률이 높은 매몰 공동 발생 가능성이 높아질 것으로 예측할 수 있다.

층고와 구조에 따른 수직 변위 검토

지하 내부벽체의 유/무, 구조물의 층고 조건의 변화에 대하여, 각각의 해석 모델의 동일 지점(5층 높이의 기둥 상단)에서의 시간에 따른 수직 변위를 비교하였다. Fig. 11은 지하층 내부 벽체 유무에 따른 수직 변위를 나타낸 것이다. 지하 내부 벽체의 조건이 동일할때, 구조물의 높이가 5층인 경우, 상부구조물의 자중이 다른 해석모델(10층, 15층)에 비해 상대적으로 작기 때문에 초기 낙하 시작 시간이 늦다. 또한 지하 내부 벽체가 다른 경우, 동일한 구조물의 높이의 구조물에서 지하 내부 벽체가 없는 경우가 있는 경우보다 초기 낙하 시작 시간이 상대적으로 늦다. 한편 동일한 구조일때, 층수가 높을수록 낙하속도가 증가하는 경향을 보이는데, 이는 층수가 높을수록 자중이 증가하기 때문으로 생각된다.

Fig. 11.Vertical displacement of the top of column at same height (5 m) on 5-, 10-, 15-story building.

매몰 공동 검토

지진에 의한 구조물의 붕괴로 형성된 매몰 공동의 위치를 검토하기 위해, 기둥의 수직변위를 이용하여 등고선도를 작성하였다. 이는 붕괴 시뮬레이션 결과만으로는 매몰 공동을 파악하기가 어렵기 때문에 실시하였는데, 부재들 중 지하층 상단기둥의 수직변위를 검토함으로써 변위가 발생한 기둥과 벽이 이루는 공간에 형성되는 매몰 공동을 확인할 수 있다. 등고선도 작성에는 Natural Neighbor 보간법을 사용하였다. 지하에 벽체가 없는 모델의 경우, 매몰 공동이 발생하지 않을 정도로 전체 붕괴가 일어났기 때문에 논외로 하고, 지하에 벽체가 있는 모델의 해석결과(붕괴되지 않은 5층 구조물은 제외)만 검토하였다.

Fig. 12에는 지상 10층 구조물의 붕괴 후 지하 1층에 발생한 매몰 공동을 도시하였다. Fig. 12(a)의 결과에서 보면, 구조물의 중앙부의 일부 벽체가 붕괴되고 외곽부에는 붕괴가 발생하지 않았음을 알 수 있다. 한편, 동일한 모델의 Fig. 12(b)의 기둥의 수직 변위 해석 결과를 보면 우측에 치우친 중앙부쪽의 변위가 크다는 것을 알 수 있다. 이를 보간법으로 적용한 결과인 Fig. 12(c)를 보면, 중앙부보다 우측기둥에 최대변위가 발생하였기 때문에, 그 부분의 일부 벽체가 붕괴되고, 구조물의 전·후면부, 좌측부에 매몰 공동이 발생한 것을 알 수 있다. 한편 지하 2, 3층은 붕괴되지 않았다.

Fig. 12.Existing cavities formed on first basement level in 10-story building after collapse.

Fig. 13는 지상 15층 구조물의 해석 결과 중, 지하 3층의 붕괴양상이다. Fig. 13(a)의 해석 결과에서는 좌측 전면부의 코너부분을 제외하고 전체적으로 붕괴된 것처럼 보이나, Fig. 13(b)의 수직 변위 해석 결과를 보면, 우측 전면부의 수직 변위도 상대적으로 작은 것을 알수 있다. 이를 보간법을 적용하여 나타낸 결과(Fig. 13(c))를 보면 중앙부가 아니라 우측부분에 큰 변위가 나타났기 때문에 일반적으로 지진에 의한 건물 붕괴 시공동이 형성될 확률이 높은 코너부분 중 좌측부에 큰매몰 공동이, 우측부에 작은 매몰 공동이 형성되었다. 한편, 지하 1, 2층은 전체적으로 붕괴되었다.

Fig. 13.Existing cavities formed on third basement level in 15-story building after collapse.

 

결 론

본 연구에서는 건물붕괴와 같은 대형재난 시 긴급구호를 위한 목적으로, 지하 매몰 공동 발생 위치 및 유형을 예측하였다. 그 기초 연구로 지진에 의해 구조물 붕괴가 발생했을 때, 구조물의 층수와 구조를 인자로 설정한 후, 붕괴시뮬레이션을 실시하여 인자별 매몰 공동의 유형을 알아보았다. 붕괴 시뮬레이션 결과, 구조물 층수가 높을수록 자중이 커 부재의 낙하 속도가 증가하므로 붕괴가 큰 면적으로 발생하여 매몰 공동 발생확률은 적은 것으로 나타났다. 지하벽체가 존재할 때, 붕괴된 부재의 하중이 지하벽체로 분포되면서 붕괴 면적이 작기 때문에 매몰 공동 발생확률은 크다. 15층 이상의 높은 구조물의 경우, 지하벽체가 존재하더라도 자중이 크기 때문에 붕괴가 크게 발생하여 매몰 공동 발생 확률은 적다. 또한 같은 붕괴 조건일 때 지하 1층보다는 지하3층으로 내려갈수록 매몰 공동 발생확률은 크다. 한편, 지진에 의해서 건축 구조물이 붕괴될 때는 중앙부의 부재가 파괴되고, 외벽은 보존되므로 4방향의 측벽부 또는 코너부에 매몰 공동 발생확률이 큰 것으로 나타났다. 이는 폭발에 의한 붕괴 시뮬레이션을 실시한 선행연구(Jung et al., 2015)에서는 폭원에서 먼 부분의 측벽부에 매몰 공동 발생확률이 큰 결과와 다소 차이가 있었다. 이들 결과로 건축 구조물의 구조 및 층고만이 아닌 붕괴 발생 원인에 의해서도 매몰 공동이 발생하는 위치와 유형에 차이가 있다는 것을 확인할 수 있었다.

향후연구에서는 실제 구조물을 대상으로 붕괴 시뮬레이션을 실시하여 그 결과와, 폭발에 의한 매몰 공동 형성 유형에 관한 선행연구(Jung et al., 2015)와 본 연구의 결과를 비교·검토할 예정이다. 그로부터 수정, 보완을 거쳐 예측의 신뢰성을 향상시켜 실제 붕괴사고가 발생했을 때 사람의 생존확률이 높은 매몰 공동의 위치를 신속히 예측하고자 한다.