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온도의존성 열특성 계수를 고려한 화재에 노출된 철근콘크리트 골조의 해석적 연구
Temperature-Dependency Thermal Properties and Transient Thermal Analysis of Structural Frames Exposed to Fire 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.19 no.3, 2007년, pp.283 - 292  

한병찬 (AMS 엔지니어링) ,  권영진 (호서대학교) ,  김재환 (AMS 엔지니어링) ,  신영수 (이화여자대학교) ,  최은규 (이화여자대학교)

초록
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본 연구는 화재에 노출된 철근콘크리트 구조물의 열적 특성 및 구조 거동을 예측할 수 있는 비정상 온도 분포 해석 및 비선형 유한요소해석 기법 개발에 관한 것으로써, 범용 유한요소해석 프로그램인 DIANA를 이용하여 화재에 의한 고온을 받는 철근콘크리트 구조에 대한 수치해석을 수행하고 그 결과를 비교분석하였다. 고온을 받는 철근콘크리트 골조에 대한 수치해석은 시간의존 비정상 온도 분포 해석과 비선형 유한요소해석의 2단계로 진행된다. 비정상 온도 분포 해석에서는 열전도율, 열용량, 열팽창계수에 대한 시간의존 변수를 온도 함수로 표현하여 이를 고려하였으며, 비선형 유한요소해석에 있어서는 콘크리트의 비선형성과 균열을 고려하기 위하여 파괴 역학적 관점을 도입하였다. 또한 철근콘크리트 단순보에 대한 내화 실험을 실시하여, 재료의 열적 특성 및 해석 기법에 대한 검증을 실시하였다. 이러한 해석 기법을 철근콘크리트 골조로 확장하여 열에 의한 콘크리트 및 철근의 역학적 물성 변화 요인을 고려한 해석을 통하여 각각의 변수에 대한 비교 분석을 수행하였다. 본 연구에서의 고온 환경하의 철근콘크리트 구조물에 대한 비선형 유한요소해석기법은 온도에 따른 재료의 열적 특성 및 역학적 성능 및 화재-온도 곡선을 자유롭게 입력하여 고려할 수 있으며, 추후 관련 해석에 용이하게 사용될 수 있을 것으로 판단되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

A research projects is currently being conducted to develop a nonlinear finite element analysis methods for predicting the structural behavior of reinforced concrete frame structures, exposed to fire. As part of this, reinforced concrete frames subjected to fire loads were analyzed using the nonline...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 검증된 비정상 온도 분포 해석과 이를 고려한 비선형 FEA를 철근콘크리트 골조의 해석으로 확장하고자 하였다. Fig.
  • 이다. 본 연구에서는 비정상 온도 분포 해석을 수행하기 위하여 화재 온도 곡선과 각각의 재료에 대한 열적 특성을 온도 함수로 변환하여 이를 고려하였다.
  • 본 연구에서의 비정상 온도 분포 해석과 비선형 FEA 기법의 적합성을 검증하기 위하여 시험체를 대상으로 모델링 및 해석을 실시하였다. 요소 분할은 50x50 mm를 기준으로 콘크리트는 3D solid (CHX60)요소, 철근은 DLANA 의 "embedded reinforcement" 요소를 적용하였으며, 온도 하중을 고려하기 위한 경계면은 가상의 요소 (BQ4HT) 로 모델링하였다.
  • 본 연구에서의 비정상 온도 분포 해석과 비선형 FEA 의 적합성을 검증하고 철근콘크리트 부재의 열적 거동 특성을 구명하기 위하여 검증 실험을 실시하였다.
  • 한편 해석 방법에 대한 신뢰성 검증을 위하여 단순 보의 내화 실험을 실시하여 본 해석 기법의 타당성을 검증하였다. 해석 결과의 분석은 사용 재료의 시간의존 열적 특성이 비정상 온도 분포 해석에 미치는 영향 및 각 변수들이 골조의 비선형거동에 미치는 영향을 분석하였으며, 이를 종합하여 화재에 의한 골조의 거동 특성을 파악함으로써 내화 성능 평가 방법의 정립 및 화재에 대한 안전성 검토를 위한 기초 자료를 제시하고자 하였다.

가설 설정

  • 또한, 콘크리트와 철근의 온도에 따른 역학적 특성값은 Figs. 5 및 6 의 계수를 이용하였으며, 콘크리트는 폭렬이 발생하지 않는 것으로 가정하였다.
  • 4%로 나타났다. 대류 계수는 가열로 내 조건을 고려하여 九 =400W/m*C로 가정한 후, 본 연구에서 제안한 온도 이력에 따른 등가 대류 계수를 적용하였다.
  • 분산 균열 모델에서 균열은 최대 주인장응력이 인장강도에 도달하면 다른 주응력과는 독립적으로 주응력에서 주변으로 균열이 시작되는 것으로 가정하였다 (constant stress cutoff criterion). 또한 균열의 방향이 결정되면 체적에 발생된균열에 대하여 응력-변형률 관계에 의해 결정되는 것으로 하였으며, 추가된 균열은 Fig. 8과 같이 같은 방향이지만 기 발생된 균열에서 최소의 각으로 억제되는 것으로 가정하였다 (multi-directional fixed crack model).
  • 5는 콘크리트의 온도에 따른 역학적 특성을 나타낸 것이다. 본 연구에서는 탄성 계수의 경우 75℃ 이후부터 선형적으로 감소하여 700℃에 상온의 10%로 감소하는 것으로 가정하였으며, 인장강도의 경우는 식 (7)을 이용하였다.
  • 여기서 콘크리트의 균열은 분산균열 모델 (smeared crack concept)을 이용하였다. 분산 균열 모델에서 균열은 최대 주인장응력이 인장강도에 도달하면 다른 주응력과는 독립적으로 주응력에서 주변으로 균열이 시작되는 것으로 가정하였다 (constant stress cutoff criterion). 또한 균열의 방향이 결정되면 체적에 발생된균열에 대하여 응력-변형률 관계에 의해 결정되는 것으로 하였으며, 추가된 균열은 Fig.
  • 14와 같은 여러가지 시간-온도 관계 곡선 중에서 건축물의 온도 해석에 이용되고 있는 ISO 834 (KS F 2257)를 이용하였다. 온도하중은 Fig. 13에 나타난 바와 같이 상부 및 접합부가 화재에 직접 노출되는 것으로 가정하여 온도 이력을 적용하고, 기둥의 나머지 부분은 도입 온도 이력의 1/3이, 측면은 1/10 이 작용하는 것으로 가정하였다. 하중은 상부에서 100 N/ mm (사무실 재하 하중 적용)가 작용하는 것으로 하였으며 모든 부재에 초기 온도 조건은 20℃로 가정하였다.
  • 철근의 경우에도 역학적 성능인 인장강도, 비례한도, 탄성계수는 Fig. 6과 같이 온도에 따른 함수로 가정하여 이를 고려하였다.
  • 콘크리트 재료의 압축 거동은 탄소성 모델을 이용하였고, 탄성 응력 상■태의 한계는 Drucker-Prager 항복면을 도입하였으며, 항복이 일단 발생하면 관련된 소성흐름 법칙에 의하여 등방성 경화 특성을 따르는 것으로 가정하였다. DIANA 에서 이러한 항복면을 정의하는 계수는 응력 상태, 내부마찰각 0, 점착력 c이다.
  • 13에 나타난 바와 같이 상부 및 접합부가 화재에 직접 노출되는 것으로 가정하여 온도 이력을 적용하고, 기둥의 나머지 부분은 도입 온도 이력의 1/3이, 측면은 1/10 이 작용하는 것으로 가정하였다. 하중은 상부에서 100 N/ mm (사무실 재하 하중 적용)가 작용하는 것으로 하였으며 모든 부재에 초기 온도 조건은 20℃로 가정하였다. 또한 해석 단계에서 수렴을 위한 반복 조건 (iteration method)은 수정 Newton-Raphson 방법을 이용하였다.
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참고문헌 (9)

  1. 강석원, 홍성결, '고온에서의 풍크리트 재료모텔과 콘크 리트부재의 열거동 해석', 콘크리트학회 논문집, 13권 3 호, 2001, pp.275-286 

  2. 한상훈, 이상호, '고온을 받는 철근콘크리트 보 및 기둥 부재의 강도저하에 관한 실험적 연구', 대한건축학회 논문집, 20권, 7호, 2004, pp.3-12 

  3. Hannathy, T.Z. Fire Safety Design and Concrete, Lingman Scientific & Technical, 1993 

  4. 日本コソクル一ト學協會, コソクル一ト構造物に火災 安全性硏究委員會報告書, 2002.6, pp.95-96 

  5. Eurocode2, Design of Concrete Structures Part 1,2 General Rules-Structural Fire Design, DO ENV 1992, 1996 

  6. Khan, A. A., Cook, W. D., and Mitchell, D., 'Thennal Properties and Transient Thermal Analysis of Structural Members During Hydration', ACI Materials Journal, Vol. No. 1998, pp.293-302 

  7. CEB Bulletin D' Infonnation No. 208(RILEM-Committee 44-PHT), 'Fire Designing of Concrete Structures', 1991 

  8. Eurocode4, 'Design of composite steel and concrete structures Part 1,2', Structural Fire Design, CEN/TC250/SC4, N39, prENV 1994-1-2, Second Draft, 1992 

  9. U. Schneider. et al, 'Concrete at High TemperatuIe,,-A General Review', Fire Safety Journal, Vol.1, No.1, 1987, pp.55-68 

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