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문제 정의
- 국내규정과 달리 미국의 ACI 216R-89(1), 유럽의 EUROCODE⑸에서는 철근 및 콘크리트의 재료특성, 발생온도에 따른 강도 및 변형을 산정하여 구체적인 설계 방법을 제시하고 있지만 이러한 기준들 역시 단순히 보, 기둥, 슬래브 등의 단일부재의 내화강도를 평가할 뿐이지 화재로 인한 구조물 전체의 역학적 거동의 변화를 평가하지 못한다. 따라서 이런 기존의 내화설계기준의 대안으로 본 연구에서는 Andrew H.Buchanan(2) 및 ACI 216R-89등의 철근콘크리트 내화성에 관한 여러 자료들을 바탕으로 열전달해석 및 비선형 유한요소 해석을 수행하여 화재로 인한 전체 구조물의 거동변화를 합리적으로 예측하고 그 안전성을 평가하고자 한다.
- 지하구조물의 경우 하중은 지중에 위치하는 깊이와 토증의 종류 그리고 지하수의 유무에 따라 변하게 된다. 본 논문에서는 내화성 평가를 위한 목적으로 3m정도의 지중에 위치한 지하차도에 발생하는 하중을 간략화 시켜 작용시켰다. 화재동안에 예상되는 작용하중은 상온에서의 최대 설계하중보다 훨씬 작아서 상시와는 다른 하중조합들이 사용되는데 본 연구에서는 U=D+L+H의 하중조합을 적용하였다.
- 본 연구에서는 ACI 216R-89의 내화 설계기준과 비선형 유한요소해석을 통한 내화성능 평가 방법을 간략히 소개하였고 두 가지 방법을 이용하여 구조물의 내화성을 평가하였다.
- 기존의 설계기준으로도 기본적인 내화성의 평가가 가능하지만 화재동안에 전체 구조물의 거동변화를 정확하게 평가하기에는 한계가 있다. 이런 이유로 본 연구에서는 구조물의 내화성을 보다 합리적으로 평가하기 위해 비선형 유한요소 해석기법에 의한 내화성 평가를 수행하였다. 먼저 화재 상황에 따른 화재온도 및 발생위치 등을 고려한 열전달 해석을 수행하여 화재시간과 구조물의 위치에 따른 온도분포를 알 수 있었고, 그 결과를 바탕으로 열 변화에 따른 물성치 변화를 고려한 재료 비선형해석을 수행하여 구조물에 작용하는 응력을 정확하게 파악할 수 있었다.
가설 설정
- 1. 철근은 인장과 압축력만을 받는 Truss부재로 가정한다.
- 2. 해석모델의 철근량은 실제 배근된 철근과 동일한 면적을 갖도록 단위폭당의 두께 t로 나타낸다.
- 화재시 콘크리트에 발생하는 Spallinge 피복손실로 인한 단면의 감소와 철근의 열 보호 능력 상실로 구조물의 강성이 크게 감소되어 터널과 지하차도와 같은 지하구조물에 큰 피해를 입힌다. 하지만 본 연구에서는 첨가제(폴리프로필렌 등)의 재료적인 보강을 통하여 Spalling을 줄일 수 있다고 가정하여 연구를 수행하였다.
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