본 연구는 기존 국내에 적용된 사양적 내화설계 방법이 아닌 구획의 특성, 재료 및 부재의 특성 등 화재 공학적 개념을 도입한 성능적 내화설계 방법을 적용하여 건축물의 주요 구조부에 대한 내화성능을 평가하는 것이다. 성능적 내화설계란 건축물 및 해당 구획의 특성, 사용 용도 및 가연물 등을 고려하여 화재시 발생할 수 있는 화재 성상을 예측하여 이에 적합하게 내화설계를 수행하는 방법이다. 성능적 내화설계는 기존 사양적 내화설계 방법이 아닌 화재 성상에 따라 부재의 열적·역학적 특성을 해석적으로 예측함으로써 화재시 건축물의 목표성능을 만족하도록 하는 합리적인 설계방법이다. 국내에서도 ...
본 연구는 기존 국내에 적용된 사양적 내화설계 방법이 아닌 구획의 특성, 재료 및 부재의 특성 등 화재 공학적 개념을 도입한 성능적 내화설계 방법을 적용하여 건축물의 주요 구조부에 대한 내화성능을 평가하는 것이다. 성능적 내화설계란 건축물 및 해당 구획의 특성, 사용 용도 및 가연물 등을 고려하여 화재시 발생할 수 있는 화재 성상을 예측하여 이에 적합하게 내화설계를 수행하는 방법이다. 성능적 내화설계는 기존 사양적 내화설계 방법이 아닌 화재 성상에 따라 부재의 열적·역학적 특성을 해석적으로 예측함으로써 화재시 건축물의 목표성능을 만족하도록 하는 합리적인 설계방법이다. 국내에서도 성능적 내화 설계법을 도입하고자 2000년도 초반부터 성능적 설계에 관한 연구 및 실험 등을 지속적으로 수행하고 있다. 특히, 유로코드에서 제시하고 있는 단순 설계법(Simple Method), 상세 설계법(Advanced Method)은 성능적 내화설계 관련 연구에 기본이 되고 있으며 이를 기반으로 국내에 적용 가능한 해석 및 평가 기법이 연구되고 있다. 그러나 국내의 경우 건축물의 소방시스템, 연기제어, 피난에 관한 제도적 절차 및 세부 화재안전 설계 방법 등은 제시되고 이를 지속적으로 보완·수정하고 있으나, 내화설계의 경우 구획의 특성을 고려한 화재 시나리오, 건축 재료 및 부재의 종류에 따른 내화설계 방법 등 합리적인 내화설계 및 평가를 위한 세부 기준 및 절차 등이 제시하지 못하고 있다. 본 연구에서는 성능적 개념을 도입한 주요구조부의 내화성능을 평가하고자 기존 국내/외 화재안전 관련 코드 및 법규를 분석하고 이를 통해 국내 내화설계 절차에 적용 가능한 화재시나리오 및 주요구조부의 내화설계 및 평가 절차를 제시하였다. 또한, 추가적으로 복합재료로 구성되어 있는 콘크리트의 온도상승에 따른 열전도율을 예측할 수 있는 예측식을 제시하였다. 예측식은 기존 문헌에서 제시된 배합 조건 및 온도 상승에 따른 부피율(Volume Fraction)과 Spherical 모델을 이용한 합성이론을 적용하여 모르타르의 열전도율을 예측하였다. 또한, 추가적으로 골재의 계면 열저항을 함께 고려하여 최종적으로 콘크리트 내화성능 평가에 효과적으로 활용가능 한 콘크리트의 열전도율 예측식을 제안하였다. 1) 화재곡선에 따른 내화성능 평가 본 연구에서는 내화설계에 사용되는 포스트 플래시오버 화재곡선을 비교·분석하고 각 화재곡선을 이용하여 내화성능을 평가 한 뒤 결과 값을 비교·분석하였다. 현재 내화설계에 사용되는 화재곡선은 표준화된 식을 사용하는 표준 화재곡선과 구획화재특성을 고려하는 파라메트릭 화재곡선으로 나뉘며, 사용의 편의상 표준화재곡선을 통한 내화성능 평가가 주로 이루어지고 있다. 그러나 표준화재곡선은 구획의 특성 및 가연물의 종류 등을 고려하지 않기 때문에 합리적인 화재강도를 통한 내화성능 평가를 수행하는 것이 불가능하다고 판단하였으며 이를 검증하고자 구획특성을 고려한 파라메트릭 화재곡선의 화재강도와 비교·분석하였다. 두 개의 화재곡선에 대해 동일한 화재강도로 내화성능을 평가하기 위해 등가화재심각도의 개념을 적용하였다. 각 화재 곡선의 심각도를 일치시킨 뒤 내화성능 평가를 수행한 결과 표준화재곡선을 통한 내화설계의 경우 특정 부재 및 구획의 경우 실제 내화성능과 오차가 발생하는 것으로 나타났다. 따라서, 건축물의 성능적 내화설계 도입시 표준화재곡선 및 파라메트릭 화재곡선을 동시에 고려하여 합리적인 화재 곡선을 반영하는 것이 필요하며 추가적으로 파라메트릭 화재곡선의 경우 사용조건의 한계성이 존재하기 때문에 이에 대한 추가적인 실험을 통해 사용 범위를 확장할 필요성이 있다고 판다하였다. 2) 성능적 내화설계 도입을 위한 내화성능 평가 절차 및 세부 기준 국내의 경우 현재까지 성능적 내화설계에 대한 법적 근거는 건축법 등에 제시되어 있으나 이에 대한 세부 설계 기준 및 평가 방법은 전무한 실정이다. 따라서 성능적 내화설계 도입을 위한 설계 및 평가 절차 등에 대한 연구가 필요하나, 현재 국내 연구의 경우 특정 내화구조에 대한 성능 실험 및 평가가 주로 수행되고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 국내 도입이 가능한 건축물의 성능적 내화성능 평가 절차 및 세부 기준을 제시하였다. 강구조 건축물에 대한 내화성능 평가는 기존 코드에서 제시하고 있는 화재시 강도설계법 및 한계온도법의 개념을 수정·보완하여 화재 곡선에 따른 강도, 온도, 시간으로 주요구조부의 내화성능을 평가할 수 있는 절차 및 세부 기준을 제시하였다. 또한 기존 사양적 기준에 의한 성능 평가와 성능적 기준에 의한 성능 평가를 동시에 고려할 수 있도록 평가 절차를 정립하여 적용할 수 있는 범위를 최대한 확장하였다. 콘크리트 건축물에 대한 내화성능 평가는 유로코드에서 제시하고 있는 500℃ 등온법 및 구역분할법을 기반으로 평가 절차를 분석하였다. 각국에서 제시하고 있는 화재관련 내화설계 기준은 상세한 설계 및 평가 절차를 다루고 있지 않기 때문에 국내 내화성능설계 도입을 위한 체계 정립이 필요하다. 또한 유로코드에서 제시하고 있는 콘크리트 내화설계의 경우 화재 시간에 의한 콘크리트 깊이별 온도 상승에 의해 계산된다. 그러나 각 코드에서 제시하고 있는 콘크리트 깊이별 온도를 나타내는 등온선은 특정 단면 및 표준화재곡선에 의한 것만 제시하고 있어 3장에서 다룬 파라메트릭 화재곡선을 적용하는 것이 불가능하다. 따라서 본 연구에서는 콘크리트의 온도상승에 따른 열전달 해석을 위해 기본적인 유한요소에 대해 제시하였으며 이를 통해 각 화재곡선 적용시 콘크리트에 깊이별 온도를 예측할 수 있다. 3) 콘크리트의 합리적 내화성능 평가를 위한 멀티스케일 열전도율 예측 모델 제시 콘크리트와 같은 복합재료의 경우 정확한 열전도율을 예측하는 것이 어렵기 때문에 기존 코드의 경우 상한값과 하한값을 설정하여 사용자의 선택에 의해 사용할 수 있도록 제시하고 있다. 그러나 코드에서 제시된 열전도율의 사용 폭이 방대하고 특정 배합조건 및 고강도 콘크리트의 경우, 해당 열전도율과 전혀 다른 열전도율을 나타내고 있어 이를 고려한 예측식이 필요한 것으로 판단하였다. 본 연구에서는 온도상승에 따른 콘크리트의 부피율 변화 및 Spherical 모델을 적용한 합성이론을 활용하여 멀티스케일 열전도율 예측 모델을 제시하였다. 기존 문헌에서 제시된 배합 조건 및 온도상승에 따른 구성성분의 단계별 부피율을 기반으로 복합재료로 구성된 콘크리트의 구성성분을 Spherical 모델을 통해 일반화하였다. 일반화된 구성성분은 합성이론을 통해 각 단계/온도별 열전도율을 예측 모델로 제안되었다. 본 연구에서 제안한 콘크리트의 열전도율 모델은 크게 2가지로 구분할 수 있다. 구성성분의 온도상승에 따른 부피율 및 합성이론을 이용하여 시멘트 페이스트 및 모르타르의 온도 구간별 열전도율을 예측 모델과 골재의 계면 열저항과 예측된 모르타의 열전도율을 이용한 콘크리트의 온도 구간별 열전도율 예측 모델로 구분된다. 콘크리트에 적용되는 골재의 경우, 표면의 거칠기 및 각기 다른 형상으로 인해 골재와 시멘트 페이스트 및 모르타르 사이에 미세공극이 발생하고 이러한 미세공극으로 인해 골재 표면에 열저항이 발생하여 실제 콘크리트의 열전도율과 오차가 발생한다. 따라서 본 연구에서는 골재의 계면 열저항을 고려하여 최종적으로 콘크리트의 열전도율 예측 모델을 제시하였다. 예측된 콘크리트의 열전도율은 기존 문헌 및 코드 등에서 제시하거나 예측하는 결과 값 및 실험 값과 비교하였으며 비교 결과, 배합 조건 및 강도 등에 따라 열전도율을 예측하는 것이 가능한 것으로 분석되었다. 따라서 콘크리트 내화성능 평가에 필요한 콘크리트 재료의 열특성 실험 및 내화실험을 대체할 수 있으며, 차후 내화성능 평가에 폭넓게 사용하는 것이 가능할 것으로 판단된다.
본 연구는 기존 국내에 적용된 사양적 내화설계 방법이 아닌 구획의 특성, 재료 및 부재의 특성 등 화재 공학적 개념을 도입한 성능적 내화설계 방법을 적용하여 건축물의 주요 구조부에 대한 내화성능을 평가하는 것이다. 성능적 내화설계란 건축물 및 해당 구획의 특성, 사용 용도 및 가연물 등을 고려하여 화재시 발생할 수 있는 화재 성상을 예측하여 이에 적합하게 내화설계를 수행하는 방법이다. 성능적 내화설계는 기존 사양적 내화설계 방법이 아닌 화재 성상에 따라 부재의 열적·역학적 특성을 해석적으로 예측함으로써 화재시 건축물의 목표성능을 만족하도록 하는 합리적인 설계방법이다. 국내에서도 성능적 내화 설계법을 도입하고자 2000년도 초반부터 성능적 설계에 관한 연구 및 실험 등을 지속적으로 수행하고 있다. 특히, 유로코드에서 제시하고 있는 단순 설계법(Simple Method), 상세 설계법(Advanced Method)은 성능적 내화설계 관련 연구에 기본이 되고 있으며 이를 기반으로 국내에 적용 가능한 해석 및 평가 기법이 연구되고 있다. 그러나 국내의 경우 건축물의 소방시스템, 연기제어, 피난에 관한 제도적 절차 및 세부 화재안전 설계 방법 등은 제시되고 이를 지속적으로 보완·수정하고 있으나, 내화설계의 경우 구획의 특성을 고려한 화재 시나리오, 건축 재료 및 부재의 종류에 따른 내화설계 방법 등 합리적인 내화설계 및 평가를 위한 세부 기준 및 절차 등이 제시하지 못하고 있다. 본 연구에서는 성능적 개념을 도입한 주요구조부의 내화성능을 평가하고자 기존 국내/외 화재안전 관련 코드 및 법규를 분석하고 이를 통해 국내 내화설계 절차에 적용 가능한 화재시나리오 및 주요구조부의 내화설계 및 평가 절차를 제시하였다. 또한, 추가적으로 복합재료로 구성되어 있는 콘크리트의 온도상승에 따른 열전도율을 예측할 수 있는 예측식을 제시하였다. 예측식은 기존 문헌에서 제시된 배합 조건 및 온도 상승에 따른 부피율(Volume Fraction)과 Spherical 모델을 이용한 합성이론을 적용하여 모르타르의 열전도율을 예측하였다. 또한, 추가적으로 골재의 계면 열저항을 함께 고려하여 최종적으로 콘크리트 내화성능 평가에 효과적으로 활용가능 한 콘크리트의 열전도율 예측식을 제안하였다. 1) 화재곡선에 따른 내화성능 평가 본 연구에서는 내화설계에 사용되는 포스트 플래시오버 화재곡선을 비교·분석하고 각 화재곡선을 이용하여 내화성능을 평가 한 뒤 결과 값을 비교·분석하였다. 현재 내화설계에 사용되는 화재곡선은 표준화된 식을 사용하는 표준 화재곡선과 구획화재특성을 고려하는 파라메트릭 화재곡선으로 나뉘며, 사용의 편의상 표준화재곡선을 통한 내화성능 평가가 주로 이루어지고 있다. 그러나 표준화재곡선은 구획의 특성 및 가연물의 종류 등을 고려하지 않기 때문에 합리적인 화재강도를 통한 내화성능 평가를 수행하는 것이 불가능하다고 판단하였으며 이를 검증하고자 구획특성을 고려한 파라메트릭 화재곡선의 화재강도와 비교·분석하였다. 두 개의 화재곡선에 대해 동일한 화재강도로 내화성능을 평가하기 위해 등가화재심각도의 개념을 적용하였다. 각 화재 곡선의 심각도를 일치시킨 뒤 내화성능 평가를 수행한 결과 표준화재곡선을 통한 내화설계의 경우 특정 부재 및 구획의 경우 실제 내화성능과 오차가 발생하는 것으로 나타났다. 따라서, 건축물의 성능적 내화설계 도입시 표준화재곡선 및 파라메트릭 화재곡선을 동시에 고려하여 합리적인 화재 곡선을 반영하는 것이 필요하며 추가적으로 파라메트릭 화재곡선의 경우 사용조건의 한계성이 존재하기 때문에 이에 대한 추가적인 실험을 통해 사용 범위를 확장할 필요성이 있다고 판다하였다. 2) 성능적 내화설계 도입을 위한 내화성능 평가 절차 및 세부 기준 국내의 경우 현재까지 성능적 내화설계에 대한 법적 근거는 건축법 등에 제시되어 있으나 이에 대한 세부 설계 기준 및 평가 방법은 전무한 실정이다. 따라서 성능적 내화설계 도입을 위한 설계 및 평가 절차 등에 대한 연구가 필요하나, 현재 국내 연구의 경우 특정 내화구조에 대한 성능 실험 및 평가가 주로 수행되고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 국내 도입이 가능한 건축물의 성능적 내화성능 평가 절차 및 세부 기준을 제시하였다. 강구조 건축물에 대한 내화성능 평가는 기존 코드에서 제시하고 있는 화재시 강도설계법 및 한계온도법의 개념을 수정·보완하여 화재 곡선에 따른 강도, 온도, 시간으로 주요구조부의 내화성능을 평가할 수 있는 절차 및 세부 기준을 제시하였다. 또한 기존 사양적 기준에 의한 성능 평가와 성능적 기준에 의한 성능 평가를 동시에 고려할 수 있도록 평가 절차를 정립하여 적용할 수 있는 범위를 최대한 확장하였다. 콘크리트 건축물에 대한 내화성능 평가는 유로코드에서 제시하고 있는 500℃ 등온법 및 구역분할법을 기반으로 평가 절차를 분석하였다. 각국에서 제시하고 있는 화재관련 내화설계 기준은 상세한 설계 및 평가 절차를 다루고 있지 않기 때문에 국내 내화성능설계 도입을 위한 체계 정립이 필요하다. 또한 유로코드에서 제시하고 있는 콘크리트 내화설계의 경우 화재 시간에 의한 콘크리트 깊이별 온도 상승에 의해 계산된다. 그러나 각 코드에서 제시하고 있는 콘크리트 깊이별 온도를 나타내는 등온선은 특정 단면 및 표준화재곡선에 의한 것만 제시하고 있어 3장에서 다룬 파라메트릭 화재곡선을 적용하는 것이 불가능하다. 따라서 본 연구에서는 콘크리트의 온도상승에 따른 열전달 해석을 위해 기본적인 유한요소에 대해 제시하였으며 이를 통해 각 화재곡선 적용시 콘크리트에 깊이별 온도를 예측할 수 있다. 3) 콘크리트의 합리적 내화성능 평가를 위한 멀티스케일 열전도율 예측 모델 제시 콘크리트와 같은 복합재료의 경우 정확한 열전도율을 예측하는 것이 어렵기 때문에 기존 코드의 경우 상한값과 하한값을 설정하여 사용자의 선택에 의해 사용할 수 있도록 제시하고 있다. 그러나 코드에서 제시된 열전도율의 사용 폭이 방대하고 특정 배합조건 및 고강도 콘크리트의 경우, 해당 열전도율과 전혀 다른 열전도율을 나타내고 있어 이를 고려한 예측식이 필요한 것으로 판단하였다. 본 연구에서는 온도상승에 따른 콘크리트의 부피율 변화 및 Spherical 모델을 적용한 합성이론을 활용하여 멀티스케일 열전도율 예측 모델을 제시하였다. 기존 문헌에서 제시된 배합 조건 및 온도상승에 따른 구성성분의 단계별 부피율을 기반으로 복합재료로 구성된 콘크리트의 구성성분을 Spherical 모델을 통해 일반화하였다. 일반화된 구성성분은 합성이론을 통해 각 단계/온도별 열전도율을 예측 모델로 제안되었다. 본 연구에서 제안한 콘크리트의 열전도율 모델은 크게 2가지로 구분할 수 있다. 구성성분의 온도상승에 따른 부피율 및 합성이론을 이용하여 시멘트 페이스트 및 모르타르의 온도 구간별 열전도율을 예측 모델과 골재의 계면 열저항과 예측된 모르타의 열전도율을 이용한 콘크리트의 온도 구간별 열전도율 예측 모델로 구분된다. 콘크리트에 적용되는 골재의 경우, 표면의 거칠기 및 각기 다른 형상으로 인해 골재와 시멘트 페이스트 및 모르타르 사이에 미세공극이 발생하고 이러한 미세공극으로 인해 골재 표면에 열저항이 발생하여 실제 콘크리트의 열전도율과 오차가 발생한다. 따라서 본 연구에서는 골재의 계면 열저항을 고려하여 최종적으로 콘크리트의 열전도율 예측 모델을 제시하였다. 예측된 콘크리트의 열전도율은 기존 문헌 및 코드 등에서 제시하거나 예측하는 결과 값 및 실험 값과 비교하였으며 비교 결과, 배합 조건 및 강도 등에 따라 열전도율을 예측하는 것이 가능한 것으로 분석되었다. 따라서 콘크리트 내화성능 평가에 필요한 콘크리트 재료의 열특성 실험 및 내화실험을 대체할 수 있으며, 차후 내화성능 평가에 폭넓게 사용하는 것이 가능할 것으로 판단된다.
This paper presents the evaluation of the fire resistance performance of structural parts in a building using performance-based fire resistance design method focusing on fire engineering concepts such as the characteristics of compartments, materials and members, not specification-based fire resista...
This paper presents the evaluation of the fire resistance performance of structural parts in a building using performance-based fire resistance design method focusing on fire engineering concepts such as the characteristics of compartments, materials and members, not specification-based fire resistance design method which is commonly employed in Korea. Performance-based fire resistance design centers on estimating fire behaviors based on the characteristics of the building and compartment, the usage of the building and combustible materials. Unlike specification-based fire resistance design, it analytically estimates the thermal and dynamic characteristics of members in relation to fire behavior so as to satisfy the target performance of the building at a fire. In Korea, studies and tests on performance-based fire resistance design have been continuously conducted since the early 2000s. In particular, the simple method and the advanced method suggested in the Eurocode form the basis for the studies on performance-based fire resistance design and those on analysis and evaluation methods to be applied in Korea. However, while institutional processes dealing with building fire protection system, smoke control and evacuation and detailed fire safety design methods are provided and continuously supplemented and revised, detailed standards and processes for rational fire resistance design and evaluation such as compartment-specific fire scenarios and material/member-specific fire resistance design methods are not provided. In this study to conduct the performance-based evaluation of the fire resistance of major structural parts, domestic/overseas fire safety codes and regulations are analyzed and fire scenarios and fire resistance design & evaluation processes for the major structural parts which can be applied in Korea are suggested. In addition, a formula to estimate the thermal conductivity of concrete composed of multiple materials is suggested. The thermal conductivity of mortar is estimated by volume fraction in relation to mixing conditions and temperature rises and a composite theory using the spherical model. And, the formula to estimate the thermal conductivity of concrete to be used to effectively evaluate the fire resistance performance of concrete is suggested with the interfacial thermal resistance of the aggregates taken into consideration. 1) Comparison & analysis of fire resistance evaluation results using fire curves In this study, post-flashover fire curves used for fire resistance design were compared and analyzed and the results of fire resistance evaluation using the curves were compared and analyzed. Fire curves used for fire resistance design are divided into standard fire curves using standardized formulas and parametric fire curves considering compartment fire characteristics. The former are mainly used for the sake of convenience. However, standard fire curves not considering the characteristics of compartments and the types of combustibles were deemed improper for rational evaluation of fire intensity and fire resistance. Therefore, fire intensity was compared between the two fire curves. The concept of equivalent fire severity was applied in order to evaluate fire resistance performance under the condition of identical fire severity. According to the results of the fire resistance evaluation conducted under identical fire severity, there were differences between fire resistance designed by standard fire curves and actual fire resistance performance of particular members and compartments. Therefore, it is deduced that both standard fire curves and parametric fire curves should be considered in the process of performance-based fire resistance design. In addition, it is required to conduct additional tests in order to expand the range of the use of the parametric fire curves. 2) Analysis of fire resistance evaluation processes & detailed standards Although the construction law provides legal foundation for performance-based fire resistance design in Korea, detailed design standards and evaluation methods do not exist in the country. Studies on performance-based fire resistance designs and evaluation processes are needed. Nevertheless, performance tests and evaluations conducted in Korea concentrate on specific fire resistance structures. Therefore, evaluation processes and detailed standards for performance-based evaluation to be employed in Korea are suggested in this paper. The concepts of the strength design method and the limit temperature method provided in existing codes were revised and supplemented to provide processes and detailed standards for evaluating the fire resistance of main structural parts in a steel structure in terms of strength, temperature and time on the fire curves. And, evaluation processes were established in a way that specification-based evaluation and performance-based evaluation could be considered simultaneously to expand the range of application. Fire resistance evaluation processes for concrete were analyzed based on the 500℃ equivalent temperature method and the zone partitioning method provided in the Eurocode. Since fire resistance design standards provided in countries do not include detailed design and evaluation processes, it is required to establish a system to introduce performance-based fire resistance design to Korea. In addition, fire resistance design for concrete provided in the Eurocode is based on temperature rise at difference depths inside the concrete. However, it is impossible to apply the parametric fire curves mentioned in section 3 because isotherms for concrete depths provided in the codes cover specific cross-sections and standard fire curves only. Therefore, basic finite elements for the heat transfer analysis of concrete are provided in this paper to be applied to fire curves and estimate temperatures at different concrete depths. 3) Multi-scale thermal conductivity estimation model for rational evaluation of concrete fire resistance performance Existing codes provide upper limits and lower limits and give the user a choice because it is difficult to estimate the exact thermal conductivity of composite materials like concrete. But, since the range is wide and values provided in the codes are far from the actual thermal conductivity of concrete of specific mixing conditions or high-strength concrete, estimation formulas taking these into consideration are needed. In this paper, changes in concrete volume fraction in relation to temperature rises and a composite theory employing the spherical model were used to provide a multi-scale thermal conductivity estimation model. Based on volume fraction at each stage in relation to mixing conditions and temperature rises provided in existing studies, the components of concrete composed of multiple materials were generalized by the spherical model. The generalized components were provided for a thermal conductivity estimation model at each stage and temperature level through the composite theory. Thermal conductivity estimation models for concrete suggested in this paper are divided into 2 kinds. One estimates the thermal conductivity of cement paste and mortar at each temperature section using volume fraction in relation to temperature rises and the composite theory. The other estimates the thermal conductivity of concrete at each temperature section using the interfacial thermal resistance of aggregates and the thermal conductivity of mortar. Tiny pores are generated between aggregates, cement paste and mortar due to the rough surfaces and different shapes of aggregates. Due to thermal resistance on aggregate surfaces caused by the tiny pores, the actual thermal conductivity is different from the provided value. Therefore, a thermal conductivity estimation model is provided in this paper taking the interfacial thermal resistance of aggregates into consideration. The thermal conductivity values of concrete estimated by the model were compared with test results in existing documents and estimated values in existing codes. It was found that the model could estimate the thermal conductivity of concrete according to its mixing condition and strength. Therefore, it is deduced that it can substitute thermal characteristics tests of concrete materials and fire resistance tests needed for the fire resistance evaluation of concrete and can be widely used for fire resistance evaluation.
This paper presents the evaluation of the fire resistance performance of structural parts in a building using performance-based fire resistance design method focusing on fire engineering concepts such as the characteristics of compartments, materials and members, not specification-based fire resistance design method which is commonly employed in Korea. Performance-based fire resistance design centers on estimating fire behaviors based on the characteristics of the building and compartment, the usage of the building and combustible materials. Unlike specification-based fire resistance design, it analytically estimates the thermal and dynamic characteristics of members in relation to fire behavior so as to satisfy the target performance of the building at a fire. In Korea, studies and tests on performance-based fire resistance design have been continuously conducted since the early 2000s. In particular, the simple method and the advanced method suggested in the Eurocode form the basis for the studies on performance-based fire resistance design and those on analysis and evaluation methods to be applied in Korea. However, while institutional processes dealing with building fire protection system, smoke control and evacuation and detailed fire safety design methods are provided and continuously supplemented and revised, detailed standards and processes for rational fire resistance design and evaluation such as compartment-specific fire scenarios and material/member-specific fire resistance design methods are not provided. In this study to conduct the performance-based evaluation of the fire resistance of major structural parts, domestic/overseas fire safety codes and regulations are analyzed and fire scenarios and fire resistance design & evaluation processes for the major structural parts which can be applied in Korea are suggested. In addition, a formula to estimate the thermal conductivity of concrete composed of multiple materials is suggested. The thermal conductivity of mortar is estimated by volume fraction in relation to mixing conditions and temperature rises and a composite theory using the spherical model. And, the formula to estimate the thermal conductivity of concrete to be used to effectively evaluate the fire resistance performance of concrete is suggested with the interfacial thermal resistance of the aggregates taken into consideration. 1) Comparison & analysis of fire resistance evaluation results using fire curves In this study, post-flashover fire curves used for fire resistance design were compared and analyzed and the results of fire resistance evaluation using the curves were compared and analyzed. Fire curves used for fire resistance design are divided into standard fire curves using standardized formulas and parametric fire curves considering compartment fire characteristics. The former are mainly used for the sake of convenience. However, standard fire curves not considering the characteristics of compartments and the types of combustibles were deemed improper for rational evaluation of fire intensity and fire resistance. Therefore, fire intensity was compared between the two fire curves. The concept of equivalent fire severity was applied in order to evaluate fire resistance performance under the condition of identical fire severity. According to the results of the fire resistance evaluation conducted under identical fire severity, there were differences between fire resistance designed by standard fire curves and actual fire resistance performance of particular members and compartments. Therefore, it is deduced that both standard fire curves and parametric fire curves should be considered in the process of performance-based fire resistance design. In addition, it is required to conduct additional tests in order to expand the range of the use of the parametric fire curves. 2) Analysis of fire resistance evaluation processes & detailed standards Although the construction law provides legal foundation for performance-based fire resistance design in Korea, detailed design standards and evaluation methods do not exist in the country. Studies on performance-based fire resistance designs and evaluation processes are needed. Nevertheless, performance tests and evaluations conducted in Korea concentrate on specific fire resistance structures. Therefore, evaluation processes and detailed standards for performance-based evaluation to be employed in Korea are suggested in this paper. The concepts of the strength design method and the limit temperature method provided in existing codes were revised and supplemented to provide processes and detailed standards for evaluating the fire resistance of main structural parts in a steel structure in terms of strength, temperature and time on the fire curves. And, evaluation processes were established in a way that specification-based evaluation and performance-based evaluation could be considered simultaneously to expand the range of application. Fire resistance evaluation processes for concrete were analyzed based on the 500℃ equivalent temperature method and the zone partitioning method provided in the Eurocode. Since fire resistance design standards provided in countries do not include detailed design and evaluation processes, it is required to establish a system to introduce performance-based fire resistance design to Korea. In addition, fire resistance design for concrete provided in the Eurocode is based on temperature rise at difference depths inside the concrete. However, it is impossible to apply the parametric fire curves mentioned in section 3 because isotherms for concrete depths provided in the codes cover specific cross-sections and standard fire curves only. Therefore, basic finite elements for the heat transfer analysis of concrete are provided in this paper to be applied to fire curves and estimate temperatures at different concrete depths. 3) Multi-scale thermal conductivity estimation model for rational evaluation of concrete fire resistance performance Existing codes provide upper limits and lower limits and give the user a choice because it is difficult to estimate the exact thermal conductivity of composite materials like concrete. But, since the range is wide and values provided in the codes are far from the actual thermal conductivity of concrete of specific mixing conditions or high-strength concrete, estimation formulas taking these into consideration are needed. In this paper, changes in concrete volume fraction in relation to temperature rises and a composite theory employing the spherical model were used to provide a multi-scale thermal conductivity estimation model. Based on volume fraction at each stage in relation to mixing conditions and temperature rises provided in existing studies, the components of concrete composed of multiple materials were generalized by the spherical model. The generalized components were provided for a thermal conductivity estimation model at each stage and temperature level through the composite theory. Thermal conductivity estimation models for concrete suggested in this paper are divided into 2 kinds. One estimates the thermal conductivity of cement paste and mortar at each temperature section using volume fraction in relation to temperature rises and the composite theory. The other estimates the thermal conductivity of concrete at each temperature section using the interfacial thermal resistance of aggregates and the thermal conductivity of mortar. Tiny pores are generated between aggregates, cement paste and mortar due to the rough surfaces and different shapes of aggregates. Due to thermal resistance on aggregate surfaces caused by the tiny pores, the actual thermal conductivity is different from the provided value. Therefore, a thermal conductivity estimation model is provided in this paper taking the interfacial thermal resistance of aggregates into consideration. The thermal conductivity values of concrete estimated by the model were compared with test results in existing documents and estimated values in existing codes. It was found that the model could estimate the thermal conductivity of concrete according to its mixing condition and strength. Therefore, it is deduced that it can substitute thermal characteristics tests of concrete materials and fire resistance tests needed for the fire resistance evaluation of concrete and can be widely used for fire resistance evaluation.
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