건물의 연쇄붕괴 방지를 위한 미국 GSA와 DoD 설계 가이드라인 GSA and DoD Design Guidelines for Preventing Progressive Collapse of Building Structures 金 眞 求 / 정회원, 성균관대 건축공학과 부교수 Kim, Jinkoo / Assoc. Professor, Sungkyunkwan Univ. jkim12@skku.edu 金 泰 完 / 정회원, 성균관대 연구교수 Kim, Tae-Wan / Postdoctoral, Sungkyunkwan Univ. kmbigdol@skku.edu 1. 머리말 연쇄붕괴란 충격하중 또는 폭발하중 등 현행 설계하 중에 포함되지 않는 비정상하중에 의하여 발생한 구조 부재의 국부적인 손상이 구조물 전체의 파괴로 이어지 는 붕괴현상을 말한다. 1968년 런던에서 발생한 Ronan Point apartment 붕괴 사고를 계기로 구조 물의 연쇄붕괴 현상에 대한 관심을 갖기 시작하였으며, 1995년 미국의 Alfred P. Murrah Building과 2001 년 World Trade Center 붕괴사고 이후 연쇄붕괴에 대한 관심이 다시 증대되었다. 1,2) World Trade Center 붕괴 이후 미국에서는 General Service Administration (GSA)에서 새로 신축되는 연방건물의 연쇄붕괴에 대한 위험을 감소시키기 위하여 연쇄붕괴해 석과 설계에 대한 가이드라인을 발표하였으며, 3) Department of Defence(DoD)에서도 군 관련 건물 에 대한 연쇄붕괴 방지를 위한 해석 및 설계법을 제시 하고 있다. 4) 본 기사에서는 연쇄붕괴에 대한 각 국의 규준 및 설계 가이드라인들을 살펴보고 GSA 및 DoD 가이드라인을 중심으로 연쇄붕괴에 대한 해석 및 설계 에 관한 내용을 소개하고자 한다. 2. 연쇄붕괴 가이드라인 캐나다의 NBCC (National Building Code of Canada) 기준 5) 은 구조물의 연쇄붕괴를 방지하기 위해 서 주요 부재의 설계, 연결재의 설치, 유사시 하중전달 경로의 확보방안 등에 관하여 기술하고 있다. Eurocode 6) 는 연쇄붕괴에 방지에 알 맞는 건물의 평면 형태를 선택하는 방식의 설계기준을 제시하고 있으며, 건물이 일체화되도록 권고하고 있다. 미국의 경우 아직 IBC 2006 7) 과 같은 설계기준에 반영되고 있지는 않으 나, ACI 318 8) 은 구조물이 일체성을 확보하도록 (예를 들면 철근배근의 연속성 확보) 요구함으로써, 건물의 여유도와 연성도를 증대시켜 비정상하중에 의한 부분손 상이 전체붕괴로 연결되는 않도록 하고 있으며, ASCE 7-05 9) 는 ACI 318과 같이 구조물의 일체성에 대해 기 술하고 있을 뿐만 아니라 설계 방법 및 하중 조합도 제 안하고 있다. 최근에는 미국의 GSA 3) 와 DoD 4) 에서 연쇄 붕괴를 방지하기 위한 건물의 해석 및 설계법을 구체적 으로 제시하고 있다. 3. GSA 및 DoD 가이드라인 미국 연방정부의 시설들을 발주, 관리 및 감독을 하 는 GSA(General Service Administration)에서 새 로운 연방기관 건물의 연쇄붕괴에 대한 가능성을 줄이 고, 현존하는 연방기관 건물의 연쇄붕괴에 대한 가능성 을 평가하며, 필요하다면 시설물의 성능향상을 위한 발 전에 도움을 주기위해 2003년에 GSA 가이드라인이라 불리고 보고서를 발표하였다. 여기에는 일반적인 요구 사항과 정의, 그리고 철근 콘크리트와 철골 건물들에 대한 설계 및 해석 방법에 대해 기술하고 있다. 설계지 침으로 철근 콘크리트 건물을 대상으로 여유도, 구조물 의 연속성과 연성도를 제공할 수 있는 상세 사용, 하중 전도에 대한 저항 성능, 그리고 전단에 대한 저항 성능 16 0708 建 築
들을 갖추도록 하고 있다. 철골 건물을 대상으로는 보- 기둥 접합부의 연속성, 접합부의 복원력, 접합부의 여 유도, 그리고 접합부의 회전 성능 등을 요구하고 있다. GSA와 더불어 미국 국방부 (DoD)에서는 2005년 UFC (unified facilities criteria)라는 가이드라인을 제시하였다. 이는 현존하거나 새로 건설되는 국방부 관 련 시설들에 대한 연쇄붕괴 가능성을 감소하기 위해 필 요한 설계 요구사항들을 제공하기 위한 목적으로 작성 되었다. DoD 가이드라인에서 제공하는 내용들은 앞서 GSA 가이드라인의 내용과 대동소이하다. 다만 GSA에 비해 2년 후에 작성되어 보다 많은 내용들이 포함되어 있다. GSA에서는 철근 콘크리트와 철골 건물에 대해서 만 여러 사항들이 제시되어 있으나 DoD에서는 두 시스 템뿐만 아니라 조적조, 목구조, 박판구조 등 다양한 건 물에 대한 내용도 포함되어 있다. 각각의 내용면에서도 요소들의 일체성을 유지하기 위한 이음(tie)에 대한 규 정들이 자세히 제시되어 있으며 연쇄붕괴해석을 위한 대체경로법(alternative path method)에 대한 내용 도 GSA보다 자세히 제공되고 있다. 여기서는 두 가이 드라인에 제시된 여러 방법 중 대체경로법(alternative path method)이라 불리는 해석 및 설계 방법을 중심 으로 소개하겠다. 4. 대체경로법 (Alternative Path Method) 두 가이드라인에서 연쇄붕괴해석을 위해 기본적으로 제안하고 있는 방법은 대체경로법 또는 대체하중경로법 (alternative load pass method) 이다. 이 방법은 비정상하중에 의해 어느 한 구조요소(일반적으로 기둥 을 의미)가 파괴된다고 가정하여 그 요소를 제거한 후 나머지 구조요소들이 그로 인한 하중을 부담할 수 있는 지 확인하는 절차이다. 이러한 연쇄붕괴해석을 위한 대 체경로법을 수행하는 방법으로는 선형정적해석(linear elastic static analysis), 선형동적해석(linear elastic dynamic analysis), 비선형정적해석(nonlinear static analysis), 그리고 비선형동적해석(nonlinear dynamic analysis) 이 제시되어 있다. 이러한 분류는 FEMA 273 10) 의 지진해석에 대한 방법을 따랐다. 각 해석방법의 장, 단점을 살펴보면, 선형해석은 비 선형해석에 비해 모델링이 간단하고 해석이 빠르며, 결 과를 쉽게 확인할 수 있는 장점이 있으나 비정상하중에 의한 기둥 제거 시 건물의 실제 거동은 비선형이며 동 적이기 때문에 선형해석은 적용하중 또는 허용수준 등 을 가정할 수밖에 없는 단점이 있다. 따라서 해석적인 어려움이 있지만 실제거동을 모사하는 비선형동적해석 방법이 연쇄붕괴해석에 가장 합당한 방법이라 할 수 있 다. 여기서는 적용 하중, 허용 기준, 그리고 해석 과정 을 선형정적해석과 비선형동적해석을 중심으로 살펴보 겠다. 가. 적용 하중 정적해석에서 GSA와 DoD는 그림 1(a)와 (b)와 같 이 부재가 제거된 부분에서 충격에 의한 증폭계수를 고 려하여 정적하중의 2배를 적용한 하중조합을 사용하고 DoD의 경우 GSA보다 큰 수직하중과, 횡하중인 풍하 중을 포함한 하중조합을 사용하도록 권고하고 있다. 동 2() 2() 2() 2() 2() 0.2 WL 2() Remove Remove (a) Static load GSA 2003 (b) Static load DoD 2005 0.2 WL Reaction Reaction (c) Dynamic load GSA 2003 (d) Dynamic Load DoD 2005 그림 1. 연쇄붕괴 해석을 위하여 구조물에 작용하는 하중 建 築 0708 17
적해석에서는 GSA와 DoD 모두 증폭계수를 사용하지 않고 모든 경간에 동일한 하중을 가한다. 물론 하중 조 합은 서로 상이하다. 동적해석에서는 부재가 순간적으 로 제거되면서 나타나는 동적 거동을 충분히 모사해야 한다. 표 1. 철골 부재에 대한 허용 기준 (GSA) 나. 허용 기준 (Acceptance Criteria, AC) 1) 선형정적해석 GSA에서는 주요구조 부재, 즉 보 또는 기둥의 파괴 여부를 판단하기 위한 허용 기준으로 요구/능력 비, 즉 DCR (Demand-Capacity Ratio)를 제시하고 있다. 이 DCR은 정의대로 부재력을 부재강도로 나눈 값이다. 여기서 GSA의 경우 부재 강도 평가 시 강도 저감계수 를 적용하지 않고 초과강도 계수 1.1을 적용하여 DCR 을 산정한다. DCR의 허용값(Acceptance Criteria, AC)은 폭/두께 비에 따라 다른 값들을 제시하고 있다. DoD의 경우 다음 절에서 다룰 해석 방법인 대체경로법 을 GSA와 같이 동일하게 사용하지만 부재파괴의 판단 기준은 DCR을 산정하지 않고 설계 강도(강도저감계수 부재공칭강도)에 항복 초과강도 계수 1.1을 적용하여 부재력과 비교하여 분석하는 차이점이 있다. 2) 비선형동적해석 비탄성동적해석 시 각 부재의 파괴여부를 판단하는 허용 기준은 GSA나 DoD 등에서 연성요구도(μ)와 소 성회전각(φ)으로 주어져 있다. 연성요구도는 탄성 처짐 에 대한 비탄성동적해석 결과의 최대값의 비로 나타내 며, 회전각은 아래의 식으로 구한다. 여기서 X는 그림 2에 제시된 대로 기둥이 제거된 부분의 수직변위를 나 타낸다. = X/보길이 (1) 표 2. 철골 부재에 대한 허용 기준 (DoD) 을 LOP(level of protection)에 따라 낮음, 중간, 그 리고 높음으로 나누어서 허용값을 정의하고 있다. 표 2 에서 확인할 수 있듯이 낮은 등급일 때는 GSA와 거의 유사하나 높은 등급일 때는 허용 기준이 보다 엄격함을 알 수 있다. 이는 DoD의 대상 건물이 국방부와 관계가 있는 중요한 건물이기 때문일 것이다. 그림 2. 회전각의 정의 연성요구도와 회전각의 허용값은 각 가이드라인에 제 시되어 있으며, 그 중 일부 값들을 표 1(GSA)과 표 2(DoD)에 제시하였다. DoD의 경우에는 건물의 등급 다. 해석 과정 1) 선형정적해석 GSA에 제시되어 있는 선형 해석에 의한 대체 경로 법 수행 절차를 요약하면 다음과 같다. Step 1. 연쇄붕괴는 수직하중에 의하여 발생하기 때문에 임의 18 0708 建 築
의 기둥을 제거한 후 2(DL+0.25LL)의 하중조합을 적용하여 선형 해석을 수행한다. Step 2. 부재별 DCR을 체크한다. 작용하는 하중에서 전단력 (Demand)이 설계전단력(Capacity)을 초과할 경우 그 부재는 파괴된 것으로 간주한다. 그러나 휨에 대한 DCR은 그림 3과 같이 파괴 메커니즘을 고려하여 부재 가 파괴된 것으로 판단되는 부재는 제거한 후 하중을 재분배한다. Before Column Beam 그림 4. 힌지의 모델링 (GSA) 소성힌지 Elastic Elastoplastic Plastic 그림 3. 부재의 파괴 메커니즘 (GSA) Plan Elevation Removed column (a) 외부기둥 제거 그림 5. 허용 붕괴구역 (GSA) New Hinge ΦMn Plan Elevation ΦMn Offset θ Removed column L Δ After (b) 내부기둥 제거 소성힌지 Step 3. 휨에 대하여 부재의 하중상태가 DCR을 초과하면 DCR을 초과하는 부재에 보 깊이의 1/2만큼 offset을 적용한 곳에 힌지를 그림 4와 같이 추가한다. 추가된 힌지에 강도 저감계수와 항복 초과강도 계수 1.1을 적 용한 모멘트를 아래 그림과 같이 가하여 평형 상태를 만든다. Step 4. DCR값을 초과하지 않을 때까지 Step 1~4를 반복 하여 재해석한다. 만약 모멘트의 재분배가 전체 골조에 이루어지거나 허용 붕괴구역(그림5 참조) 밖으로 DCR 값이 발생하면 구조물은 연쇄붕괴의 가능성이 높음으로 재설계가 필요하다. DoD의 경우는 기술한 대체경로법 수행 절차와 거의 동일하다. 다른 점은 앞 절에서 설명한 바와 같이 AC 를 구하는 방법이 다르며 그림 3의 허용 붕괴 구역도 차이가 있다. 2) 비선형동적해석 DoD에 기술되어 있는 비선형동적해석 과정은 다음 과 같다. Step 1. 구조물의 질량을 해석모델 전체로 분포시킨다. 집중 질량은 허용하지 않는다. Step 2. 하중저항부재를 제거하기 전에 해석모델을 정정평형 상태로 유지한다. Step 3. 적당한 하중저항부재를 순간적으로 제거한다. Step 4. 동적해석을 구조물의 거동이 안정될 때까지 지속 한다. Step 5. 해석 도중 또는 이후에, 계산된 부재력과 변위를 AC 와 비교한다. Step 6. 만약 어떤 부재도 AC를 초과하지 않으면 해석은 완 성되었고 연쇄붕괴에 만족할만한 저항능력을 가진 것으 로 본다. Step 7. 만약 어느 하나의 부재라도 AC를 초과한다면 다음을 따른다. A. 한 부분이 파괴되는 시점에서 이를 순간적으로 제거한다. B. 만약 부재가 파괴되었다면 그 하중을 재분배한다. C. 그 시점에서 해석을 재시작하여 구조물이 안정될 때나 다른 부재는 접합부가 AC를 초과할 때까지 해석 을 수행한다. D. 어떤 부재의 AC 초과로 인해 해석이 중단될 때 마다 허용붕괴구역를 검토한다. 만약 허용붕괴구역을 초과했다면 해석을 중단하고 구조물을 재설계 한 후 Step 1부터 해석을 다시 수행한다. 建 築 0708 19
E. 만약 허용붕괴구역을 초과하지 않고 구조물이 안 정된다면 설계에는 문제가 없다. 만약 재해석에서 허용 붕괴구역은 초과되지 않았지만 한 위치라도 AC를 초과 한다면 구조물이 안정되거나 허용붕괴구역이 초과되지 않을 때까지 A부터 E까지의 과정을 반복한다. Structural Concrete (ACI 318-02) and Commentary (ACI 318R-02), American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan. 9. ASCE7-05(2005). Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures, American Society of Civil Engineers, New York. 10. FEMA273(1997). NEHRP Guidelines for the Seismic Rehabilitation of Buildings, Federal Emergency Management Agency, Washington, D.C. 5. 맺음말 GSA는 연방정부 관련건물을, DoD는 국방부 관련 건물을 대상으로 하기 때문에 적용 하중 및 허용수준에 있어 DoD의 조건이 더욱 엄격하다. 따라서 일반 건물 에 DoD의 가이드라인을 적용하는 것은 과도하게 안전 측의 결과를 얻을 수 있다. 국내 건물에 이 가이드라인 들을 적용하기 위해서는 이러한 사항을 반드시 염두에 두어야 할 것이다. 더불어 두 가이드라인에 있는 대체경로법을 현재 바 로 적용하기에는 여러 한계점이 있다. 선형정적해석 방 법의 경우 적용 하중과 그에 따른 허용 수준 및 붕괴허 용구역, 비선형동적해석 방법의 경우 허용 수준(철골 건물의 경우 특히 접합부의 성능) 등은 현재 실험이나 해석을 통해 완벽하게 검증되지 않은 기준들이므로 사 용에 유의해야 한다. 또한 표 1과 표 2에 제시된 허용 수준에서 분류된 요소들과 그에 따라 제시된 값들에 대 한 명확한 정의가 필요하다. 참고문헌 1. Longinow, A. and Mniszewski, K.R.(1996). Protecting Buildings Against Vehicle Bomb Attacks, Practice Periodical on Structural Design and Construction, Vol. 1, No. 1, pp. 51-54. 2. Corley, W.G., Mlakar Sr., P.F., Sozen, M.A., and Thornton, C.H.(1998). The Oklahoma City Bombing: Summary and Recommendations for Multihazard Mitigation, Journal of Performance of Constructed Facilities, Vol. 12, No. 3, pp. 100-112. 3. GSA(2003). Progressive Collapse Analysis and Design Guidelines for New Federal Office Buildings and Major Modernization Projects, The U.S. General Services Administration, Washington, D. C. 4. DoD(2005). Unified Facilities Criteria (UFC) - Design of Buildings to Resist Progressive Collapse, Department of Defense, Washington, D. C. 5. NBC(1996). National Building Code of Canada 1995, National Research Council of Canada, Ottawa, Canada. 6. Eurocode 1(2002). Actions on Structures, European Committee for Standardization, Brussels. 7. ICC(2006). International Building Code, International Code Council, Falls Church, Virginia. 8. ACI 318(2002). Building Code Requirements for 20 0708 建 築