[학위논문]하이브리드 쉴드터널 라이닝의 내화성능 평가를 위한 온도의존적 열전도도 추정 An Estimation of Temperature-dependent Thermal Conductivity for Evaluating Fire Resistance on Hybrid Shield Tunnel Lining원문보기
국토의 70%가 산지인 우리나라의 지리적 특성으로 인해 도로 및 철도 시설 확충에 따른 터널의 수는 빠른 속도로 증가하고 있으며, 지속적으로 늘어나고 있는 교통량을 고려한다면 터널 내 사고에 의한 화재 발생 가능성도 높아질 수 있다. 터널 구조물에서의 화재는 단시간에 빠른 속도로 고온에 도달하는 특성을 가지고 있어 이로 인한 인명 및 경제적 피해는 상당히 크다. 이러한 이유로 터널 구조물의 내화성능 확보는 중요한 사항이라 할 수 있다. 또한 화재에 의해 피해를 입은 터널 구조물을 신속하고 정확하게 복구하기 위해서는 손상정도 및 범위를 정량적으로 평가하여 이에 따른 적절한 내화대책을 수립하는 것이 중요하다.
따라서 본 연구에서는 쉴드터널 구조물의 내화성능 확보를 위해 개발된 ...
국토의 70%가 산지인 우리나라의 지리적 특성으로 인해 도로 및 철도 시설 확충에 따른 터널의 수는 빠른 속도로 증가하고 있으며, 지속적으로 늘어나고 있는 교통량을 고려한다면 터널 내 사고에 의한 화재 발생 가능성도 높아질 수 있다. 터널 구조물에서의 화재는 단시간에 빠른 속도로 고온에 도달하는 특성을 가지고 있어 이로 인한 인명 및 경제적 피해는 상당히 크다. 이러한 이유로 터널 구조물의 내화성능 확보는 중요한 사항이라 할 수 있다. 또한 화재에 의해 피해를 입은 터널 구조물을 신속하고 정확하게 복구하기 위해서는 손상정도 및 범위를 정량적으로 평가하여 이에 따른 적절한 내화대책을 수립하는 것이 중요하다.
따라서 본 연구에서는 쉴드터널 구조물의 내화성능 확보를 위해 개발된 하이브리드 쉴드터널 라이닝의 내화성능을 평가하고, 고온에 노출된 하이브리드 쉴드터널 라이닝의 정확한 손상평가를 위한 방안으로 온도의존적 열전도도의 추정방법을 제안하였다.
실물모형 화재실험을 통해 온도분포 특성을 분석한 결과, 시험체의 최고온도 도달 시간은 일반 쉴드터널 라이닝의 경우 48분, 하이브리드 쉴드터널 라이닝의 경우에는 67분으로 각각 483.0℃, 370.3℃의 온도가 측정되었다. 폭렬특성은 일반 쉴드터널 라이닝이 폭렬면적은 약 5.5배 이상, 폭렬깊이는 약 1.2배 이상으로 나타났으며, 폭렬에 의한 철근의 노출도 현저하게 많이 관찰되었다. 잔존압축강도는 일반 쉴드터널 라이닝의 경우 상온 압축강도를 기준으로 약 33%인 14.6MPa, 하이브리드 쉴드터널 라이닝은 약 20%인 9.5MPa의 강도저하가 나타났다. 폭렬특성 및 잔존압축강도 평가 결과, 하이브리드 섬유를 혼입하면 일반 쉴드터널 라이닝에 비해 우수한 내화성능을 확보할 수 있는 것으로 나타났다.
수열온도 평가를 위해 X선 회절분석과 열중량 분석을 수행한 결과, 일반 쉴드터널 라이닝은 450℃ 이상, 하이브리드 쉴드터널 라이닝은 450℃ 이하의 수열온도를 받은 것으로 추정되었다. 그러나 이러한 평가방법으로는 정확한 수열온도의 예측에 한계가 있었다. 따라서 화재에 의한 손상깊이 또는 잔존내력 평가를 위해서는 강도가 급격히 저하되는 400~600℃의 온도범위에서의 정확한 수열온도 예측이 필요하며, 이를 위해 온도의존성을 고려한 해석적 기법이 병행되어야 한다.
열전도 역문제를 통해 하이브리드 쉴드터널 라이닝의 온도의존적 열전도도를 추정할 수 있었으며, 유사배합을 사용한 기존연구 결과와 비슷한 경향을 나타내었다. 따라서 본 연구에서 제안한 콘크리트의 온도의존적 열전도도 추정방법은 시간 및 깊이별 온도분포 결과가 있다면 콘크리트의 온도에 따른 열전도도를 간편하게 예측할 수 있다.
CFD(computational fluid dynamics) 해석을 통해 실물모형 화재실험을 모사하고 이를 통해 하이브리드 쉴드터널 라이닝의 열전도해석을 수행하였다. 온도의존적 열전도 특성을 고려할 경우 실물모형 화재실험에서 측정된 온도 데이터와 비교하여, 깊이 25mm 위치에서 약 41℃의 최대온도 차이가 나타났으며 그 외의 깊이에서는 최대온도 차이가 약 20℃ 이하로 발생하였다. 콘크리트 열전도도 2.4W/m℃를 적용한 경우에는 깊이 25mm에서 최대 124℃의 온도 차이가 발생하였으며, 1.4W/m℃의 열전도도에 대한 결과에서도 최대온도 차이가 약 76℃ 발생하였다. 따라서 콘크리트의 온도의존적 특성을 반영한 열전도 해석이 이루어진다면, 보다 정확한 콘크리트의 수열온도를 예측할 수 있을 것이다.
핵심용어 : 실물모형 화재실험, 폭렬, 잔존압축강도, 수열온도, 온도의존적 열전도도
국토의 70%가 산지인 우리나라의 지리적 특성으로 인해 도로 및 철도 시설 확충에 따른 터널의 수는 빠른 속도로 증가하고 있으며, 지속적으로 늘어나고 있는 교통량을 고려한다면 터널 내 사고에 의한 화재 발생 가능성도 높아질 수 있다. 터널 구조물에서의 화재는 단시간에 빠른 속도로 고온에 도달하는 특성을 가지고 있어 이로 인한 인명 및 경제적 피해는 상당히 크다. 이러한 이유로 터널 구조물의 내화성능 확보는 중요한 사항이라 할 수 있다. 또한 화재에 의해 피해를 입은 터널 구조물을 신속하고 정확하게 복구하기 위해서는 손상정도 및 범위를 정량적으로 평가하여 이에 따른 적절한 내화대책을 수립하는 것이 중요하다.
따라서 본 연구에서는 쉴드터널 구조물의 내화성능 확보를 위해 개발된 하이브리드 쉴드터널 라이닝의 내화성능을 평가하고, 고온에 노출된 하이브리드 쉴드터널 라이닝의 정확한 손상평가를 위한 방안으로 온도의존적 열전도도의 추정방법을 제안하였다.
실물모형 화재실험을 통해 온도분포 특성을 분석한 결과, 시험체의 최고온도 도달 시간은 일반 쉴드터널 라이닝의 경우 48분, 하이브리드 쉴드터널 라이닝의 경우에는 67분으로 각각 483.0℃, 370.3℃의 온도가 측정되었다. 폭렬특성은 일반 쉴드터널 라이닝이 폭렬면적은 약 5.5배 이상, 폭렬깊이는 약 1.2배 이상으로 나타났으며, 폭렬에 의한 철근의 노출도 현저하게 많이 관찰되었다. 잔존압축강도는 일반 쉴드터널 라이닝의 경우 상온 압축강도를 기준으로 약 33%인 14.6MPa, 하이브리드 쉴드터널 라이닝은 약 20%인 9.5MPa의 강도저하가 나타났다. 폭렬특성 및 잔존압축강도 평가 결과, 하이브리드 섬유를 혼입하면 일반 쉴드터널 라이닝에 비해 우수한 내화성능을 확보할 수 있는 것으로 나타났다.
수열온도 평가를 위해 X선 회절분석과 열중량 분석을 수행한 결과, 일반 쉴드터널 라이닝은 450℃ 이상, 하이브리드 쉴드터널 라이닝은 450℃ 이하의 수열온도를 받은 것으로 추정되었다. 그러나 이러한 평가방법으로는 정확한 수열온도의 예측에 한계가 있었다. 따라서 화재에 의한 손상깊이 또는 잔존내력 평가를 위해서는 강도가 급격히 저하되는 400~600℃의 온도범위에서의 정확한 수열온도 예측이 필요하며, 이를 위해 온도의존성을 고려한 해석적 기법이 병행되어야 한다.
열전도 역문제를 통해 하이브리드 쉴드터널 라이닝의 온도의존적 열전도도를 추정할 수 있었으며, 유사배합을 사용한 기존연구 결과와 비슷한 경향을 나타내었다. 따라서 본 연구에서 제안한 콘크리트의 온도의존적 열전도도 추정방법은 시간 및 깊이별 온도분포 결과가 있다면 콘크리트의 온도에 따른 열전도도를 간편하게 예측할 수 있다.
CFD(computational fluid dynamics) 해석을 통해 실물모형 화재실험을 모사하고 이를 통해 하이브리드 쉴드터널 라이닝의 열전도해석을 수행하였다. 온도의존적 열전도 특성을 고려할 경우 실물모형 화재실험에서 측정된 온도 데이터와 비교하여, 깊이 25mm 위치에서 약 41℃의 최대온도 차이가 나타났으며 그 외의 깊이에서는 최대온도 차이가 약 20℃ 이하로 발생하였다. 콘크리트 열전도도 2.4W/m℃를 적용한 경우에는 깊이 25mm에서 최대 124℃의 온도 차이가 발생하였으며, 1.4W/m℃의 열전도도에 대한 결과에서도 최대온도 차이가 약 76℃ 발생하였다. 따라서 콘크리트의 온도의존적 특성을 반영한 열전도 해석이 이루어진다면, 보다 정확한 콘크리트의 수열온도를 예측할 수 있을 것이다.
핵심용어 : 실물모형 화재실험, 폭렬, 잔존압축강도, 수열온도, 온도의존적 열전도도
The number of tunnel structures is rapidly increasing as a result of expanded road and railway facilities. Considering the constantly growing traffic volume, it may be increased the possibility of fire due to traffic accident in tunnels. Because fire in tunnels is reached at high temperatures in a s...
The number of tunnel structures is rapidly increasing as a result of expanded road and railway facilities. Considering the constantly growing traffic volume, it may be increased the possibility of fire due to traffic accident in tunnels. Because fire in tunnels is reached at high temperatures in a short period of time, a significantly larger loss of life and economic damage occurs. For this reason fire resistance of tunnel structures is an importance matter. Also, in order to quickly and exactly repair fire-induced damage of tunnel structures, it is important to establish recovery measures based on quantitative evaluation of fire-induced damage.
In this study, it was evaluated fire resistance of shield tunnel linings and suggested estimation method of temperature-dependent thermal conductivity by using solution of inverse heat conduction problem.
Full-scale fire test was conducted to evaluate fire-induced damage. As a result of temperature distribution analysis with time and depth, reaching time of maximum temperature for normal and hybrid shield tunnel lining was respectively 48 minutes and 67 minutes. Maximum temperature was measured 483.0℃ and 370.3℃ respectively. As a result of explosive spalling evaluation, explosive spalling area of normal shield tunnel lining was 5.5 times greater than hybrid shield tunnel lining. Explosive spalling depth of normal shield tunnel lining was more than 1.2 times. And in the case of normal shield tunnel lining, more exposed reinforced bars were observed. Reduced compressive strength of normal and hybrid shield tunnel lining at high temperature was respectively 14.6MPa and 9.5MPa. By adding hybrid-fiber, therefore, fire resistance of shield tunnel lining can be improved.
Heating temperature was predicted by XRD and TG analysis. As a result, heating temperature was estimated over 450℃ for normal shield tunnel lining and below 450℃ for hybrid-fiber shield tunnel lining. However, such evaluation methods were limited to predict accurate heating temperature. For evaluation of damaged depth or residual compressive strength, it should be accurately predicted heating temperature with sharply decreased temperatures range from 400~600℃.
Temperature-dependent thermal conductivity of hybrid shield tunnel lining could be estimated by solving an inverse problem of heat conduction. Estimated temperature-dependent thermal conductivity was similar to results of other study. Thus, if there is temperature data with time and depth, temperature-dependent thermal conductivity of concrete is conveniently predicted by using suggested estimation method in this study.
CFD analysis for simulating full-scale fire test was performed. And it was carried out heat conduction analysis of hybrid shield tunnel lining using the results of CFD analysis. As a result of considering temperature-dependent thermal conductivity, in comparison with temperature data of full-scale fire test difference of maximum temperature was 41℃ at depth of 25mm. At other depth, difference of maximum temperature were less than approximately 20℃. In the case of considering constant thermal conductivities(2.4, 1.4W/m℃), difference of maximum temperature was respectively 124℃ and 76℃ at depth of 25mm. Thus, in order to evaluate temperature distribution of concrete at high temperatures, it should be performed thermal conduction analysis taking into account temperature-dependent properties of concrete.
Keywords : Full-scale fire test, Explosive spalling, Residual compressive strength, Heating temperature, Temperature-dependent thermal conductivity
The number of tunnel structures is rapidly increasing as a result of expanded road and railway facilities. Considering the constantly growing traffic volume, it may be increased the possibility of fire due to traffic accident in tunnels. Because fire in tunnels is reached at high temperatures in a short period of time, a significantly larger loss of life and economic damage occurs. For this reason fire resistance of tunnel structures is an importance matter. Also, in order to quickly and exactly repair fire-induced damage of tunnel structures, it is important to establish recovery measures based on quantitative evaluation of fire-induced damage.
In this study, it was evaluated fire resistance of shield tunnel linings and suggested estimation method of temperature-dependent thermal conductivity by using solution of inverse heat conduction problem.
Full-scale fire test was conducted to evaluate fire-induced damage. As a result of temperature distribution analysis with time and depth, reaching time of maximum temperature for normal and hybrid shield tunnel lining was respectively 48 minutes and 67 minutes. Maximum temperature was measured 483.0℃ and 370.3℃ respectively. As a result of explosive spalling evaluation, explosive spalling area of normal shield tunnel lining was 5.5 times greater than hybrid shield tunnel lining. Explosive spalling depth of normal shield tunnel lining was more than 1.2 times. And in the case of normal shield tunnel lining, more exposed reinforced bars were observed. Reduced compressive strength of normal and hybrid shield tunnel lining at high temperature was respectively 14.6MPa and 9.5MPa. By adding hybrid-fiber, therefore, fire resistance of shield tunnel lining can be improved.
Heating temperature was predicted by XRD and TG analysis. As a result, heating temperature was estimated over 450℃ for normal shield tunnel lining and below 450℃ for hybrid-fiber shield tunnel lining. However, such evaluation methods were limited to predict accurate heating temperature. For evaluation of damaged depth or residual compressive strength, it should be accurately predicted heating temperature with sharply decreased temperatures range from 400~600℃.
Temperature-dependent thermal conductivity of hybrid shield tunnel lining could be estimated by solving an inverse problem of heat conduction. Estimated temperature-dependent thermal conductivity was similar to results of other study. Thus, if there is temperature data with time and depth, temperature-dependent thermal conductivity of concrete is conveniently predicted by using suggested estimation method in this study.
CFD analysis for simulating full-scale fire test was performed. And it was carried out heat conduction analysis of hybrid shield tunnel lining using the results of CFD analysis. As a result of considering temperature-dependent thermal conductivity, in comparison with temperature data of full-scale fire test difference of maximum temperature was 41℃ at depth of 25mm. At other depth, difference of maximum temperature were less than approximately 20℃. In the case of considering constant thermal conductivities(2.4, 1.4W/m℃), difference of maximum temperature was respectively 124℃ and 76℃ at depth of 25mm. Thus, in order to evaluate temperature distribution of concrete at high temperatures, it should be performed thermal conduction analysis taking into account temperature-dependent properties of concrete.
Keywords : Full-scale fire test, Explosive spalling, Residual compressive strength, Heating temperature, Temperature-dependent thermal conductivity
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.