[논문]화재에 노출된 철근콘크리트 기둥의 수치해석적 열전달 모델

이차돈; 신영수; 이승환; 이창은

doi:10.4334/jkci.2005.17.6.871

화재에 노출된 철근콘크리트 기둥의 수치해석적 열전달 모델
Numerical Modeling of Heat Transfer in Reinforced Concrete Columns Exposed to Fire 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.17 no.6, 2005년, pp.871 - 878

이차돈 (중앙대학교 건축공학과) , 신영수 (이화여자대학교 건축학과) , 이승환 (중앙대학교 건축공학과) , 이창은 (중앙대학교 건축공학과)

초록
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화재에 노출된 철근콘크리트 기둥은 기둥을 구성하는 재료물성의 변화와 함께 기둥의 구조적 성능에도 결과적으로 열화현상을 나타내게 된다. 기둥의 구조적 성능의 열화정도는 화재동안 기둥단면에 전달된 열의 양과 관련이 있다. 이를 예측하기 위한 합리적인 열 전달 모델은 기둥이 가열을 받는 동안 전달된 열 정도에 따라 변하는 콘크리트의 전도율 및 열용량, 그리고 단면 내 잉여수 증발에 대한 적절한 고려를 하여야 한다. 본 연구에서 제안한 모델은 양해법 유한차분법에 근거하여 개발되었으며 기존에 제안된 모델들에 비하여 이들 모든 변수들의 영향을 적절하게 고려하고 있다. 본 연구에서 개발된 모델은 기존 화해 실험에 의한 기둥 단면 내 온도를 적절하게 예측하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Reinforced concrete columns exposed to fire experience severe deterioration in material properties and subsequent structural capacities. Degree of losses in structural capacity of a column due to fire-damage mainly depends on the amount of heat transferred into the column during the fire. A reasonable heat transfer model of fire-damaged reinforced concrete column needs to take into account the heat-dependent nonlinear properties of heat conductivity and heat capacity of concrete as well as the evaporation of moistures in a section during the fire. Compared to the previously suggested models, the developed model in this study has included all these parameters in its numerical expressions based on explicit finite difference method. The developed model could predict the temperature changes with a reasonable accuracy for the columns exposed to fire.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 기존 모델을 보완하기 위한 새로운 이론모델을 유한차분법에 기준하여 개발하고자 하였다. 개발된 모델은 양해법에 근거하였으며 재료의 열적 비선형성이 고려될 수 있도록 하였다.
본 연구에서는 기존에 개발된 대표적인 열전달식 모델들에 대하여 검토하였으며 이를 근거로 기존의 모델에 비하여 개선된 수치해석 모델을 제시하였다. 개발된 모델은 양해법인 유한차분법에 근거하여 개발되었으며 기존의 다른 모델들에 비하여 가열된 콘크리트의 온도변화에 따른 비선형 열특성 및 잉여수의 체적비 변화에 따른 열변화를 고려할 수 있는 특성을 갖는다.
이를 근거로 화해를 입은 기둥 내 콘크리트 및 철근의 변화된 물성에 근거하여 기둥의 화해거동을 예측할 수 있다. 본 연구에서는 기존에 제시된 열전달식의 수치해석적 모델을 검토하고 이를 개선한 새로운 모델을 제시하였다.

가설 설정

0초로 하였다. 모든 경우, 상온에서의 콘크리트 기둥 내 잉여수 체적비가 측정되지 않은 상태였으나 T.T.Ue13-14^ 경우와 같이 잉여수 체적비는 如 =5%로 가정 하였다. Fig.

제안 방법

개발된 모델은 양해법에 근거하였으며 재료의 열적 비선형성이 고려될 수 있도록 하였다. 또한 안정된 수렴을 위한 조건 (stability condition)을 제시하였다.
개발된 모델은 양해법에 근거하였으며 재료의 열적 비선형성이 고려될 수 있도록 하였다. 또한 안정된 수렴을 위한 조건 (stability condition)을 제시하였다.
본 절에서는 기둥단면 영역 내(domain)에 존재하는 임의 절점 Sw)을 중심으로 열전달식에 대한 유한차분법식을 제시하였다. 영역 내에서 비선형 열전달식 (식(1)) 좌변의 은 ("을9)항은 아래와 같이 표현될 수 있다
본 절에서는 단면크기가 bxh 인 장방형 철근콘크리트 기둥의 단면을 대상으로 비선형 열전달식에 대한 유한차분법식을 유도하였다. Fig.

성능/효과

개발된 모델은 양해법인 유한차분법에 근거하여 개발되었으며 기존의 다른 모델들에 비하여 가열된 콘크리트의 온도변화에 따른 비선형 열특성 및 잉여수의 체적비 변화에 따른 열변화를 고려할 수 있는 특성을 갖는다. 개발된 모델은 다양한 연구자들에 의하여 실시된 실험치를 잘 예측하였으며 또한 타 연구자들의 이론 예측치와도 거의 유사한 값을 나타내었다. 비선형 열전달식은 온도에 따라 변하는 콘크리트의 열전도율 및 열용량을 적용하여야 하므로 정확한 단면 내열추적을 위하여 추후 고강도 콘크리트 등 다양한 콘크리트 구성 재료에 대한 이들의 구체적 실험식들이 요구된다.
개선된 수치해석 모델을 제시하였다. 개발된 모델은 양해법인 유한차분법에 근거하여 개발되었으며 기존의 다른 모델들에 비하여 가열된 콘크리트의 온도변화에 따른 비선형 열특성 및 잉여수의 체적비 변화에 따른 열변화를 고려할 수 있는 특성을 갖는다. 개발된 모델은 다양한 연구자들에 의하여 실시된 실험치를 잘 예측하였으며 또한 타 연구자들의 이론 예측치와도 거의 유사한 값을 나타내었다.
4 에 이들 실험결과와 본 연구에서 개발된 이론 모델의 예측치 및 부분적으로 타 연구자들의 이론모델 결과들과 비교하였다. 본 연구에서 개발된 모델은 전체적으로 실험치를 잘 예측함을 살펴볼 수 있다. 또한 타 이론 모델의 예측치들과도 유사한 값을 나타내고 있음을 볼 수 있다.

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