구조 무결성 및 고장

Structural integrity and failure
스웨덴 고틀란드 회르네의 무너진 헛간

구조적 무결성기능 상실은 구조물이 파손 없이 설계한 구조적 하중(중량, 힘 등)을 지지할 수 있는 능력을 다루는 공학의 한 측면이며, 미래 설계에서의 기능 상실을 방지하기 위해 과거의 구조적 기능 상실에 대한 연구를 포함한다.

구조적 무결성(structural integrity)은 아이템(구조적 구성요소 또는 많은 구성요소로 구성된 구조물)이 과도하게 파손되거나 변형되지 않고 자체 중량을 포함한 하중 하에서 함께 유지될 수 있는 능력이다.이는 공사가 의도한 수명 동안 합리적인 사용 기간 동안 설계된 기능을 수행하도록 보장합니다.품목은 부상, 심각한 손상, 사망 및/또는 금전적 손실을 초래할 수 있는 치명적인 고장을 방지하기 위해 구조적 무결성을 가지고 제작됩니다.

구조적 기능 상실은 구조적 무결성의 상실 또는 구조적 구성요소 또는 구조물 자체의 내하력 손실을 의미한다.구조적 고장은 재료강도 한계를 초과하여 응력을 받아 파괴 또는 과도한 변형을 일으킬 때 시작된다. 구조 설계에서 고려해야 하는 한 가지 한계 상태는 궁극적 고장 강도이다.적절하게 설계된 시스템에서는 국지적인 장애로 인해 구조물 전체가 즉시 또는 진행적으로 붕괴되지 않도록 해야 합니다.

서론

구조적 건전성은 구조물의 파손, 변형 또는 피로로 인한 고장 없이 의도된 하중을 견딜 수 있는 능력이다.설계 목적에 부합하고 원하는 서비스 수명 동안 기능을 유지할 수 있는 품목을 생산하기 위해 엔지니어링에서 자주 사용되는 개념입니다.

구조적인 무결성을 가진 아이템을 만들기 위해서는 엔지니어는 먼저 인성, 강도, 중량, 경도, 탄성 등 재료의 기계적 특성을 고려한 후 재료가 원하는 하중을 오래 견딜 수 있도록 필요한 크기와 형태를 결정해야 합니다.부재는 부러지거나 과도하게 구부러지지 않기 때문에 단단하고 튼튼해야 한다.매우 단단한 재료는 휘어짐에도 견딜 수 있지만, 충분히 질기지 않는 한 깨지지 않고 하중을 지탱하기 위해 매우 커야 할 수도 있습니다.한편, 고탄성 재료는 높은 인성이 골절을 막아도 하중을 받으면 휘어집니다.

또한 각 구성요소의 무결성은 하중 지지 구조에서 개별 적용에 대응해야 합니다.교량 지지대에는 높은 항복강도가 필요하지만 교량 지지대를 지탱하는 볼트에는 양호전단강도와 인장강도가 필요하다.스프링은 뛰어난 탄성이 필요하지만 선반 공구는 높은 강성이 필요합니다.또한 구조물 전체가 가장 약한 링크의 장애 없이 부하를 지탱할 수 있어야 합니다.이는 다른 구조 요소에 더 많은 부하가 걸려 계단식 [1][2]장애로 이어질 수 있기 때문입니다.

역사

온전하게 건물을 지을 필요성은 기록된 역사까지 거슬러 올라간다.주택은 자신의 무게와 거주자의 무게를 지탱할 수 있어야 했다.성은 침략자들의 공격을 견디기 위해 요새화되어야 했다.공구는 일을 할 수 있을 만큼 튼튼하고 튼튼해야 했습니다.하지만, 오늘날 존재하는 파괴 역학의 과학은 앨런 아놀드 그리피스가 유리의 깨지기 쉬운 파단을 연구한 1920년대에 이르러서야 발전되었다.

1940년대부터, 몇몇 새로운 기술들의 악명 높은 실패는 구조적 실패를 분석하는 데 필요한 보다 과학적인 방법을 만들었다.제2차 세계대전 중에는 용접 공정에서 발생하는 응력, 온도 변화 및 격벽 모서리의 응력 농도에 의한 메짐성 파괴로 인해 200개 이상의 용접 강철 선박이 두 동강 났습니다.1950년대에, 몇몇 De Havilland Comets가 비행 중에 폭발했는데, 그것은 균열이 형성되고 가압된 선실이 폭발하게 만든 사각형 창문 모서리의 응력 집중으로 인해 발생했다.가압 보일러 탱크의 고장으로 인한 보일러 폭발은 이 시대에는 또 다른 흔한 문제였으며, 심각한 피해를 야기하였다.다리와 건물의 크기가 커지면서 더 큰 재앙과 인명 피해가 발생했다.구조 무결성을 갖춘 건축물을 건설해야 하는 이러한 요구는 재료 과학 및 파괴 [3][4]역학 분야에서 큰 발전을 가져왔다.

장애의 종류

눈 무게로 인한 건물 붕괴

구조적 실패는 다양한 유형의 문제에서 발생할 수 있으며, 대부분은 다른 산업 및 구조적 유형에 따라 고유합니다.그러나 대부분은 다섯 가지 주요 원인 중 하나로 추적할 수 있습니다.

  • 첫 번째는 구조물이 크기, 모양 또는 재료의 선택으로 인해 하중을 지탱할 수 있을 만큼 견고하고 견고하지 않다는 것입니다.구조물 또는 구성요소가 충분히 강하지 않으면 구조물에 임계 응력 수준을 초과하는 응력이 가해지면 치명적인 고장이 발생할 수 있습니다.
  • 두 번째 유형의 고장은 구조물의 기하학적, 설계 또는 재료적 성질의 불안정성에 의해 야기되는 피로 또는 부식으로 인한 것이다.이러한 고장은 일반적으로 재료의 모서리에 너무 가까운 사각 모서리나 볼트 구멍과 같은 응력점에 균열이 형성될 때 시작됩니다.이러한 균열은 재료의 응력과 하중을 반복하면서 커지며(순환하중), 결국 임계 길이에 도달하여 정상적인 하중 조건에서 구조물이 갑자기 기능하지 않게 된다.
  • 세 번째 유형의 고장은 재료의 부적절한 선택, 잘못된 크기, 부적절한 열처리, 설계 미준수 또는 조잡한 제작 등의 제조 오류로 인해 발생합니다.이런 유형의 장애는 언제든지 발생할 수 있으며 일반적으로 예측할 수 없습니다.
  • 네 번째 고장 유형은 불량 재료 사용입니다.이러한 유형의 고장은 또한 예측 불가능한데, 이는 재료가 이전에 사용했을 때 부적절하게 제조되거나 손상되었을 수 있기 때문입니다.
  • 다섯 번째 실패 원인은 예상치 못한 문제에 대한 배려 부족입니다.이러한 유형의 실패는 반달리즘, 파괴 행위 또는 자연 재해와 같은 이벤트로 인해 발생할 수 있습니다.또한 구조물을 사용하고 유지관리하는 사람이 적절한 교육을 받지 않고 [3][4]구조물에 과도한 스트레스를 가하는 경우에도 발생할 수 있습니다.

현저한 장애

브릿지

디브릿지

붕괴 후 디 브릿지

Dee 다리는 Robert Stephenson에 의해 설계되었으며, 단철 스트럿으로 보강된 주철 거더를 사용했습니다.1847년 5월 24일, 열차가 지나가면서 붕괴되어 5명이 사망했다.그것의 붕괴는 구조적 실패에 대한 최초의 공식 조사 중 하나였다.이 조사에서는 단철이 주철을 보강하지 않아 구조 설계에 근본적인 결함이 있었으며 반복적인 [5]굴곡으로 인해 주조에 실패했다는 결론을 내렸습니다.

퍼스트테이 레일 브리지

디 다리 참사는 1879년 12월 28일 첫 번째 테이 레일 다리가 붕괴된 것을 포함하여 많은 주철교 붕괴가 뒤따랐다.디 다리처럼, 타이 호는 열차가 지나갈 때 무너져 75명이 사망했다.다리는 부실하게 만들어진 주철로 만들어졌고 디자이너 토마스 바우치가 바람에 의한 하중을 고려하지 않았기 때문에 실패했다.그 붕괴로 인해 주철은 철골 건설로 대체되었고 1890년 포스 철교의 완전한 재설계를 통해 [6]세계 최초의 완전한 철교가 되었다.

제1타코마 협교

1940년 원래의 타코마 협교 붕괴는 물리학 교과서에서 공명의 전형적인 예로 묘사되기도 하지만, 이러한 설명은 오해를 불러일으킨다.다리를 파괴한 재앙적인 진동은 단순한 기계적 공명 때문이 아니라, 공기 탄성 파동으로 알려진 다리와 다리를 통과하는 바람 사이의 더 복잡한 진동 때문이다.교량 공기역학에 대한 이해의 주역인 로버트 H. 스캔란은 [7]이러한 오해에 대한 기사를 썼다.이러한 붕괴와 그에 따른 연구는 바람/구조 상호작용에 대한 이해를 증가시켰다.붕괴 후 유사한 사건이 재발하지 않도록 여러 개의 다리가 변경되었다.유일한 사망자는 터비라는 [6]이름의 개였다.

I-35W 브리지

I-35W의 붕괴가 북쪽을 보고 있는 모습이 카메라에 찍혀 있습니다.

I-35W 미시시피 강 다리(공식적으로 Bridge 9340으로 알려져 있음)는 미국 미네소타주 미니애폴리스에 있는 미시시피 강을 가로질러 주간 고속도로 35W를 운반하는 8차선 강철 트러스 아치 다리였습니다.그 다리는 1967년에 완공되었고, 미네소타 교통부에 의해 유지보수가 이루어졌다.이 다리는 미네소타에서 5번째로 [8][9]붐비는 다리였으며,[10] 매일 14만 대의 차량이 운송되었다.이 다리는 2007년 8월 1일 저녁 러시아워 시간에 파괴되어 강이나 강둑으로 무너졌다.13명이 죽고 145명이 다쳤다.붕괴 이후, 연방 고속도로 관리국은 트러스 [12][13]구조에서 거더를 연결하는 데 사용된 거셋 플레이트라고 불리는 대형 강판과 관련하여 다리의 설계 결함이 발견된 후 유사한 구조의[11] 700개의 미국 교량을 점검할 것을 각 주에 권고했다.관계자들은 미국의 많은 다른 다리들이 같은 디자인을 공유하고 있는 것에 우려를 표명하고 왜 40년 이상의 [13]검사에서 그러한 결함이 발견되지 않았는지에 대해 의문을 제기했다.

건물들

타네 건물 붕괴 사고

2013년 4월 4일 인도 [14][15]마하라슈트라주 타네 교외 뭄브라 부족 땅에 건물이 붕괴됐다.어린이[16][nb 1] 18명, 여성 23명, 남성 33명 등 74명이 숨졌고 100명 이상이 [19][20][21]살아남았다.

이 건물은 공사 중이었고 100~150명의 저소득층[22] 거주자에 대한 입주증명서가 없었다. 단지 입주자는 현장 건설 인부와 그 가족뿐이었다.이 건물은 안전, 합법적 건축, 토지 취득, 거주자 점유를 위한 표준 관행이 지켜지지 않아 불법 건축된 으로 보고되었다.

4월 11일까지, 건설업자, 엔지니어, 시 공무원, 그리고 다른 책임자들을 포함한 총 15명의 용의자들이 체포되었다.정부 기록에 따르면 이 지역의 불법 건물 수를 관리하라는 명령은 2005년 마하라슈트라 주정부 명령과 2010년 봄베이 고등법원 명령 두 가지였다.주정부와 시 공무원들에게도 불만이 제기되었다.

4월 9일, 테인 시공사는, 「위험한」건물을 중심으로, 이 지역의 불법 건축물을 철거하는 캠페인을 개시해, 불법 건축물에 대한 불만 사항을 받아들여 추적하기 위한 콜 센터를 설립했습니다.한편 산림부는 테인 지역의 임야 침해를 해결하겠다고 약속했다.

사바르 건물 붕괴 사고

2013년 4월 24일 방글라데시 수도 대다카 지역의 하위 구역사바르에서 8층짜리 상업 건물인 라나 플라자가 붕괴되었다.사망자 수색은 5월 13일 1134명의 [23]사망자와 함께 끝났다.약 2,515명의 부상자들이 건물에서 [24][25]살아서 구조되었다.

이는 역사상 가장 치명적인 의류 공장 사고이자 현대 인류 [22][26]역사상 가장 치명적인 구조적 결함으로 여겨진다.

그 건물에는 의류 공장, 은행, 아파트, 그리고 다른 상점들이 있었다.저층 상점과 은행은 건물에 [27][28][29]균열이 발견되자 곧바로 문을 닫았다.전날 균열이 발생한 뒤 건물 사용을 피하라는 경고는 무시됐다.의류 노동자들에게 다음날 복귀 명령이 내려졌고 아침 출근 시간에 [30]건물이 무너졌다.

삼풍백화점 붕괴 사고

1995년 6월 29일 서울 서초구있는 5층짜리 삼풍백화점이 붕괴되어 502명이 사망하고 1445명이 갇혔다.

1995년 4월, 점포의 남쪽 날개 5층 천장에 냉난방 장치가 있어 균열이 생기기 시작했다.6월 29일 아침, 천장의 균열이 급격하게 증가하자, 점포 관리자들은 꼭대기 층을 닫고 에어컨을 껐지만, 간부들이 예방 차원에서 건물을 나가거나 공식적인 대피 명령을 내리지 않았다.

붕괴 5시간 전에는 에어컨의 진동으로 슬라브 균열이 더 커지면서 꼭대기 층에서 펑하는 소리가 들렸다.고객들의 신고로 에어컨은 꺼졌지만 바닥의 균열은 이미 10cm 폭으로 커진 상태였다.현지 시각으로 오후 5시경 5층 천장이 내려앉기 시작했고 오후 5시 57분에는 지붕이 무너지면서 에어컨이 이미 과부하가 된 5층으로 추락했다.

로난 포인트

1968년 5월 16일, 런던 뉴햄 구에 있는 22층 주거용 타워 로난 포인트는 18층에서 비교적 작은 가스 폭발로 인해 건물에서 구조적인 벽 패널이 날아가면서 무너졌다.이 타워는 프리캐스트 콘크리트로 지어졌으며, 단일 패널이 고장나면서 건물의 한쪽 구석 전체가 무너졌다.패널 사이를 통과하는 철근이 불충분했기 때문에 패널이 폭파될 수 있었습니다.이는 또한 패널이 운반하는 하중을 다른 인접 패널로 재배포할 수 없음을 의미했다. 왜냐하면 힘이 따를 경로가 없었기 때문이다.붕괴의 결과로, 불균형적인 붕괴를 방지하기 위해 건축 규제를 정비하였고 프리캐스트 콘크리트 상세에 대한 이해가 크게 향상되었다.붕괴의 결과로 많은 비슷한 [31]건물들이 개조되거나 파괴되었다.

오클라호마시티 폭탄 테러

1995년 4월 19일, 9층 콘크리트가 알프레드 P.골조했다. 오클라호마에 있는 무라 연방 빌딩이 트럭 폭탄에 맞아 부분 붕괴를 일으켜 168명이 사망했다.그 폭탄은 크긴 했지만, 그 구조물이 상당히 불균형하게 붕괴되는 원인이 되었다.폭탄은 건물 전면의 모든 유리를 날려버렸고 1층 철근 콘크리트 기둥을 완전히 산산조각 냈다.2층에서는 기둥 간격이 넓어졌고, 2층에서는 거더에 의해 위층 기둥의 하중이 더 적은 기둥으로 전달되었다.저층 기둥 중 하나가 제거되면서 추가 하중으로 인해 인근 기둥들이 붕괴되었고, 결국 건물의 중앙 부분이 완전히 붕괴되었다.이번 폭탄 테러는 테러에 의한 폭발물이 건물에 가할 수 있는 극단적인 힘을 가장 먼저 부각시킨 사건 중 하나였으며,[32] 건물의 구조 설계에서 테러리즘에 대한 고려를 증가시켰다.

베르사유 결혼식장

예루살렘 탈피오트에 위치한 베르사유 결혼식장은 이스라엘 역사상 최악의 시민 참사가 발생한 곳이다.2001년 5월 24일 목요일 밤 22시 43분 케렌과 아사프 드로르의 결혼식 때 4층 건물의 3층 상당 부분이 무너져 23명이 사망했다.신랑과 신부는 살아남았다.

세계 무역 센터 1, 2, 7 타워

9월 11일 테러로 두 대의 민간 여객기가 뉴욕 세계무역센터 트윈타워에 고의로 추락했다.충격과 그에 따른 화재는 두 타워를 2시간 이내에 붕괴시켰다.충격으로 외부 기둥이 절단되고 코어 기둥이 손상되어 이러한 기둥이 전달한 하중이 재분배되었습니다.이러한 하중 재분배는 각 [33]건물의 꼭대기에 있는 햇트러스의 영향을 크게 받았습니다.그 충격으로 강철의 일부 내화재가 제거되어 화재의 열에 노출이 증가하였다.온도가 높아져 코어 기둥은 더 높은 층의 무게로 인해 크리프소성 변형이 발생할 정도로 약해졌다.화재의 열로 인해 주변 기둥과 바닥이 약해져 바닥이 처지고 건물 외벽에 내부 힘이 가해졌습니다.WTC 7빌딩도 이날 오후 붕괴됐다. 47층짜리 초고층 빌딩은 건물 내부의 대형 화재와 북쪽 [34][35]타워 붕괴로 인한 심각한 구조적 손상으로 몇 초 만에 무너졌다.

챔플레인 타워스

2021년 6월 24일, 플로리다 서프사이드에 있는 12층짜리 콘도 건물인 챔플레인 타워스 사우스가 부분적으로 붕괴되어 수십 명의 부상자와 98명이 [36]사망했다.붕괴가 비디오에 [37]찍혔다.건물 [38]잔해 속에서 1명이 구조되었고, 6월 24일 붕괴되지 않은 건물에서 약 35명이 구조되었다.철근의 수분 침투 및 부식으로 인한 지하 주차장의 철근 콘크리트 지지 구조물의 장기적인 열화는 붕괴의 요인으로 간주되어 왔다.이 문제는 2018년에 보고되었고 2021년 4월에 "훨씬 더 악화되었다"고 언급되었다.붕괴 당시 1,500만 달러 규모의 복구 작업이 승인되었다.

항공기

1964년 B-52 Stratofortress 테스트는 1963년 Elephant Mountain과 1964년 Savage Mountain의 추락을 일으켰던 것과 동일한 고장을 입증했다.

1954년 두 의 드 하빌랜드 Comet C1 제트 여객기가 금속 피로에 의한 감압으로 추락한 것과 1963-64년 네 의 보잉 B-52 폭격기의 수직 안정기가 공중에서 끊어졌던 것과 같은 유형의 항공기에서 반복적인 구조적 고장이 발생했다.

다른.

바르샤바 라디오 마스트

1991년 8월 8일 16:00 UTC 바르샤바 라디오 돛대, 부르즈 칼리파가 세워지기 전에 만들어진 가장 높은 인공 돛대가 가장 높은 재고에서 남자 와이어를 교환하는 과정에서 오류로 인해 무너졌다.돛대는 처음에 구부러졌다가 높이가 대략 절반으로 뚝 부러졌다.Mostal Zabrze의 작은 이동식 크레인이 붕괴되면서 파괴되었다.1997년 WLBT 타워가 붕괴된 것과 달리 모든 근로자들이 교환 절차 전에 돛대를 떠났기 때문에 사망자는 없었다.

하얏트 리젠시 보도

하얏트 리젠시 산책로의 디자인 변경.

1981년 7월 17일 미주리주 캔자스시티하얏트 리젠시 로비를 통과하는 두 개의 현수막이 붕괴되어 114명이 사망하고 200명[39] 이상이 다쳤다.붕괴는 늦은 설계 변경에 의한 것으로, 보도를 지탱하는 로드의 연결 방법을 변경해, 의도치 않게 연결부의 힘을 배가시켰다.이 실패는 설계 엔지니어와 계약자 간의 원활한 의사소통과 설계, 특히 계약자가 제안한 설계 변경에 대한 엄격한 점검의 필요성을 부각시켰다.이 실패는 전 세계 공학 코스에 대한 표준 사례 연구로 공학에서 [40][41]윤리의 중요성을 가르치기 위해 사용됩니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

메모들
  1. ^ 마하라슈트라주 [17]내에서 지난 10년간 최악의 건물 붕괴 참사로 불리며 20년 만에 최악의 [18]재해로 불린다.
인용문
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참고 문헌
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