치명적인 얇은 건물 벽 두께 Thin walls with potentially fatal consequences

개발도상국, 구조적인 강도보다 경제성에 중점

취약할 수 밖에 없어


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    안전한 건설과 저렴한 건설 중에 선택하는 상황을 주게 되면, 지진에 노출된 많은 개발도상국의 건물 설계 기업들은 값비싼 건설재료의 사용을 줄이고 저렴한 건설을 더 선호하도록 강요받고 있다. 프랑스 로잔 공과대학교 엔지니어들이 이러한 구조물이 지진에 어떻게 반응하고 그것들이 기능을 상실하는 조건이 무엇인지에 대한 새로운 데이터 수집에 성공했다. 


지진은 자체적인 힘으로는 거의 사람을 죽게 만들지 않는다. 대신에, 그것들이 발생시키는 많은 비용은 내진 건물과 인프라시설의 부족으로 설명이 가능하다. 2010년 칠레 지진의 경우, 많은 얇은 벽을 가진 강화 콘크리트 건물이 이제까지 기록된 가장 강력한 지진 중 하나에 의해 파괴되었다. 


오늘날까지, 아직도 일부 라틴 아메리카 국가에서는 얇은 벽을 가진 많은 건물들이 더 많이 건설되고 있다. 최근에, 로잔 공과대학교 엔지니어들이 이러한 건물들이 어떻게 취약한지를 이해하기 위해 얇은 강화 콘크리트 벽의 안정성 문제를 평가했다. 그들의 연구결과는 [Bulletin of Earthquake Engineering] 저널에 발표되었다. 


이 매우 얇은 벽의 구조물이 지진 과정에서 어떻게 동작하는지를 발견하기 위해, 본 연구의 저자 2명인 조아오 알메이다(Joǎo Almeida)씨와 안젤리카 로쏘(Angelica Rosso)씨는 일부 남아메리카 국가의 저소득 주택 프로젝트에서 사용되는 것과 비슷한 2개의 80mm 두께, 2×2.7m 크기의 벽 세그먼트를 시험했다. 실험실 바닥에 벽 세그먼트를 고정하고 벽을 다른 방향으로 전후로 굽히기에 충분한 5개의 액추에이터로 그것들을 로딩시킨 다음, 그들은 구조물에 미치는 지진의 영향을 시뮬레이션했다. 이 프로세스를 천천히 진행함으로써, 연구진들은 피해의 확산을 관찰하는 시간을 가지고 균열이 벽을 통해 어떻게 전파하고 종극에는 그것을 파괴시키는지를 발견했다. 


"우리가 실험 과정에서 수집한 데이터는 독특한 것이다. 벽 구조가 표면에 수직으로 회복불가능하게 변형되는 현상을 의미하는 소위 각변형적인 벽의 변형(out-of-plane wall failure)에 대한 상세한 측정은 이번이 최초"라고 이 연구의 선임 연구원인 카르틴 바이어(Katrin Beyer)씨는 말했다. 그에 의하면, 벽 두께 그 자체보다 더 큰 변형이 이 조건 상에서 발견된 것도 최초의 일이다. 시험의 최종까지, 벽의 강화 바가 굴곡되었고 콘크리트는 구조체의 한쪽 코너에서 부슬부슬 부스러졌다. 센서, 카메라 그리고 변위 게이지 덕분에, 연구진들은 벽의 붕괴를 이끄는 모든 움직임을 캡처하고 분석할 수 있었다. 


지진에 견디기 위해, 건물 구조체는 지진이 발생시키는 지진파에 의해 일어나는 진동을 견딜 수 있을 정도로 연성이 있어야 한다. 그렇지만 지진 설계가 전형적으로 매우 비싸고 전문적인 역량이 필요하기 때문에, 개발도상국에서 가난한 지역에서는 종종 표준 이하의 건물이 지어진다. 여기서 하나의 경우가 있다. 2010년에 발생한 칠레 지진 과정에서 붕괴된 주택 유닛의 정밀한 검사결과는 그 건물이 보유한 강화 콘크리트 벽이 종종 이 나라의 건설기준을 만족시키지 못함을 보여준다. 


위험한 허점 

바이어(Beyer)씨의 설명에 의하면, 그것들이 건설된 이유는 건설기준의 허점에 연유한다. 그것은 엔지니어들이 얇은 벽이 충분히 강하다고 간주하고 프로젝트를 진행시키는 것에 있다. "지진에 취약한 나라들에 있어서의 건설기준은 더 엄격하게 적용되고 타이트해져야 한다는 것이 진정한 해결책"이라고 바이어( Beyer)시는 말했다. 그렇지만 지금까지, 그 허점은 여전히 존재한다고 그녀는 말했다. 


칠레에 초점을 맞추는 대신, 과학자들은 더 위험도가 낮지만 그럼에도 위험한 지진의 위기를 가지고 있는 이웃나라인 콜롬비아에 초점을 맞추었다. 콜롬비아에서는, 강화 콘크리트 벽을 사용하여 건설된 고층 건물에 비해 저소득 건물에 대한 수요가 높다. 그렇지만, 콜롬비아의 건축 설계 엔지니어들은 지진이 가져올 위험을 인식하고 있지만, 건물이 항상 이것을 반영하는 것은 아니다. 콘크리트와 강화 바는 종종 건설비용의 많은 부분을 차지하기 때문에, 건설업자들은 종종 더 얇은 벽을 사용하는데, 때로는 칠레에서 사용되는 벽 두께의 단 절반만을 사용하기도 한다. 


공유해야 할 의무 

"우리는 이러한 비싼 연구 인프라시설에 대한 접근이 가능한 행운을 가졌기 때문에, 우리가 확보한 데이터를 과학 커뮤니티에 공유하여 세계의 연구원들과 엔지니어들이 그 결과를 검토하게 하는 것이 우리의 의무라고 생각한다"고 바이어(Beyer)씨는 설명했다. 콜롬비아 칼리 공과대학교(Universidad del Valle in Cali), 안티오키아 엔지니어링 스쿨(School of Engineering of Antioquia) 그리고 콜롬비아 메델린 대학교(University of Medellin in Colombia) 등의 콜롬비아 연구진들과 함께, 그들은 최근에 이 구조물의 구조적인 행동에 대한 이해의 증진 그리고 기존의 얇은 벽 강화 콘크리트 구조물의 안정성 확보를 위한 비용효과적인 접근법 연구에 대한 추가 연구를 위해 2차 라운드 자금지원을 받았다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』


Credit: EPFL – EESD


Given the choice between safer and cheaper construction, many housing design companies in earthquake-prone developing countries see themselves forced to save on expensive construction materials and opt for the latter. EPFL structural engineers have gathered new data on how these structures respond to earthquakes, and in which circumstances they may fail.


Earthquakes almost never kill people by themselves. Instead, the high toll they take can be explained by a lack of resilient buildings and infrastructure. In Chile in 2010, many thin-walled reinforced concrete buildings were damaged in one of the strongest earthquakes ever recorded. Yet today, more and more structures with even thinner walls are being built in some Latin American countries. Recently, engineers from EPFL evaluated the stability of thin reinforced concrete walls to understand how they fail. Their findings are published in the journal Bulletin of Earthquake Engineering.


To find out how very thin-walled structures behave in an earthquake, João Almeida and Angelica Rosso, two of the study's authors, tested two 80-millimeter-thick, 2-by-2.7-meter wall segments, similar to those used in low-income housing projects in some South American countries. By clamping the wall segments to the floor of the laboratory and loading them with five actuators strong enough to slowly bend the walls back and forth in different directions, they simulated the impact of an earthquake on the structure. By slowing down the process the researchers had time to watch the damage spread and to find out how cracks propagate across the wall, ultimately destabilizing it.


"The data we gathered in our experiment is unique," says Katrin Beyer, the principal investigator of the study. "It is the first to contain detailed measurements of a so-called out-of-plane wall failure, which means that the wall structure was irreversibly deformed perpendicularly to its surface." According to Beyer, it was also the first time that displacements greater than the wall thickness itself had been observed under these conditions. By the end of the test, the wall's reinforcement bars had bent, with the concrete crumbling in one corner of the structure. Thanks to an array of sensors, cameras, and strain gauges, the researchers were able to capture and analyze every motion leading up to the collapse of the wall.





To withstand an earthquake, a building's structure has to be ductile enough to ride out the vibrations caused by the earthquake's seismic waves. But because seismic design is typically more expensive and requires more expertise, poorer parts of developing and emerging countries are often built with sub-standard buildings. A case in point: closer investigation of the housing units that collapsed in the 2010 Chile earthquake revealed that their reinforced concrete walls often did not meet the recommendations of the country's construction code.


A dangerous loophole

The reason they were built at all, explains Beyer, can be found in a loophole in the construction code. All it takes is for an engineer to deem thin walls sufficiently robust, and the project can go forward. "The real solution would be to more strictly enforce and further tighten the building code in countries that are prone to earthquakes," says Beyer. But until then, she says, the loophole will subsist.


Credit: EPFL – EESD


Rather than focusing on Chile, the scientists focused on neighboring Colombia, a country with a lower, nonetheless dangerous, seismic risk. In Colombia, demand is high for low-income housing in medium to high-rise buildings built using reinforced concrete walls. But even though housing design engineers in Colombia are aware of the risks earthquakes bring, building permits do not always reflect this. And with concrete and reinforcement bars often making up the lion's share of a building's cost, constructors often opt to use even thinner walls – sometimes only half the thickness of those used in Chile.


A duty to share

"Because we are lucky enough to have access to such expensive research infrastructure, we see it as our duty to make our data available to the scientific community, so that researchers and engineers around the world can exploit the results," explains Beyer. Together with the Colombian partners at the Universidad del Valle in Cali, the School of Engineering of Antioquia and the University of Medellin in Colombia, they recently received a second round of funding to further improve the understanding of the structural behavior of these structures and to study cost-effective approaches capable of stabilizing existing thin-walled reinforced concrete structures.


http://phys.org/news/2015-11-thin-walls-potentially-fatal-consequences.html


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