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.
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.
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...
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 nonlinear finite-element program DIANA. Two numerical steps are incorporated in this program. The first step carries out the nonlinear transient heat flow analysis associated with fire and the second step predicts the structural behavior of reinforced concrete frames subjected to the thermal histories predicted by first step. The complex features of structural behavior in fire conditions, such as thermal expansion, plasticity, cracking or crushing, and material properties changing with temperature are considered. A concrete material model based on nonlinear fracture mechanics to take cracking into account and plasticity models for concrete in compression and reinforcement steel were used. The material and analytical models developed in this paper are verified against the experimental data on simple reinforced concrete beams. The changes in thermal parameters are discussed from the point of view of changes of structure and chemical composition due to the high temperature exposure. Although, this study considers codes standard fire for reinforced concrete frame, any other time-temperature relationship can be easily incorporated.
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 nonlinear finite-element program DIANA. Two numerical steps are incorporated in this program. The first step carries out the nonlinear transient heat flow analysis associated with fire and the second step predicts the structural behavior of reinforced concrete frames subjected to the thermal histories predicted by first step. The complex features of structural behavior in fire conditions, such as thermal expansion, plasticity, cracking or crushing, and material properties changing with temperature are considered. A concrete material model based on nonlinear fracture mechanics to take cracking into account and plasticity models for concrete in compression and reinforcement steel were used. The material and analytical models developed in this paper are verified against the experimental data on simple reinforced concrete beams. The changes in thermal parameters are discussed from the point of view of changes of structure and chemical composition due to the high temperature exposure. Although, this study considers codes standard fire for reinforced concrete frame, any other time-temperature relationship can be easily incorporated.
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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.
제안 방법
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. 또한 재료의 열적 특성값은 전술한 규준에 근거하여 입력하였으며, 역학적 특성값은 상온에서의 재료 시험을 근거로 온도에 따른 특성값을 적용하였다.
요소분할 (mesh)은 100X 100 mm를 기준으로 화재에 직접 노출되는 부분을 세분하였다. 요소는 콘크리트의 경우 3D solid 요소 (CHX60), 철근의 경우 DIANA의 '"embedded reir血rcements"를 적용하였으며, 온도 하중을 고려하기 위하여 경계면은 가상의 요소 (BQ4HT)로 모델링하였다. 해석에 사용된 재료 모델은 각각 Drucker-Prager (c = 8.
일반적으로 100℃ 이하에서 는 내부 23 W/m2oC, 외부 9W/m%:를 이용하고 있으며, Khan 등은 20W/m2oC< 제안하고 있다6). 그러나 이는 화재와 같은 고온 환경에서의 값이 아니며, 대류 경계만을 대상으로 한 것이므로 본 연구에서는 다음과 같이 대류경계와 복사열 경계를 고려한 등가 열전달 계수 (equivalent heat transfer coefficient)를 수정 . 제안하였다.
그러므로 본 연구는 화재 등과 같은 고온 환경을 경험하는 철근콘크리트 구조물의 열적 거동 특성을 해석적으루 구명하기 위하여 비선형 유한요소해석 (finite element analysis, 이하 FEA) 기법을 도입하였으며, 범용 유한요소해석 프로그램인 DIANA를 이용하여 화재 곡선 하중 (온도 이력 하중)을 받는 철근콘크리트 골조의 비선형 FEA 를 수행하였다. 해석 기법은 먼저 외부 열원의 영향에 의한 비정상 온도 분포 해석 (nonlinear transient heat flow analysis)을 수행하고 그 결과를 이용한 비선형 FEA를 수행하였다.
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. 또한 재료의 열적 특성값은 전술한 규준에 근거하여 입력하였으며, 역학적 특성값은 상온에서의 재료 시험을 근거로 온도에 따른 특성값을 적용하였다. 콘크리트 함수율은 공시체를 동일 조건에서 가열한 후 중량비로 평가한 것으로 5.
시험체의 크기는 250x400x5, 000 mm의 복근 직사각형 단순보로 상부 및 하부에 SD40급 D22 2개 및 3개를 배근하였다. 또한 전단 파괴를 방지하기 위하여 SD40급 D10 철근을 150 mm 간격으로 배근하였으며, 내부 온도를 측정하기 위하여 열전대를 하부 주철근 및 시험체 중앙에 설치하였다 (Fig. 9). 재료시험 결과 콘크리트의 압축강도는 20.
시험체는 수평 가열로에 단순지지 상태로 설치한 후 4점재하 방식으로 가력하였다. 먼저 실제 하중 상황을 가정하기 위하여 초기 하중을 87 kN (사무실 용 1.0DL + 0.4LL) 가력한 후, 하중 유지 상태에서 ISO 834 (KS F 2257) 기준을 따라 가열하였으며, 가열 시간은 변수별로 60분, 90 분 그리고 파괴 시까지 지속하였다.
열전도율 및 열용량의 온도시간의존성 유.무에 대한 분석을 위하여 Table 5와 같이 열전도율 및 열용량이 일정한 경우 (I), 각각이 온도의존성을 갖는 경우 (Ⅱ, Ⅲ) 그리고 모두 온도의존성을 갖는 경우 (IV) 총 4가지에 대하여 해석을 실시하였다. 해석 조건은 모든 경우에 대하여 콘크리트 함수율 3%와 등가 대류 계수를 적용하였다.
비선형 FEA를 위하여, 구성 재료인 콘크리트와 철근은 각각 비선형 파괴 역학, 균열 및 소성 모델을 이용하여 3 차원으로 모델링하였다. 여기서 콘크리트의 균열은 분산균열 모델 (smeared crack concept)을 이용하였다.
해석 기법은 먼저 외부 열원의 영향에 의한 비정상 온도 분포 해석 (nonlinear transient heat flow analysis)을 수행하고 그 결과를 이용한 비선형 FEA를 수행하였다. 비정상 온도 분포 해석에 있어서는 콘크리트와 철근에 대한 온도의존성 열적 특성을 온도 함수로 치환하여 이를 고려하였으며, 비선형 FEA에서는 온도에 따른 재료의 역학적 비선형성과, 균열에 대한 파괴 역학적 관점을 도입하였다. 한편 해석 방법에 대한 신뢰성 검증을 위하여 단순 보의 내화 실험을 실시하여 본 해석 기법의 타당성을 검증하였다.
7과 같이 화재가 발생하는 경우 철근콘크리트 골조의 열전달에 대한 비정상 온도 분포 해석과 이러한 결과로 얻은 각 절점에서의 온도 정보를 이용한 비선형 FEA로 구성된다. 비정상 온도 분포 해석에 있어서는 콘크리트와 철근에 대한 온도의존성 열적 특성을 온도 함수로 치환하여 이를 고려하였으며, 전술한 규준에서 제시한 특성값을 이용하였다. 비선형 FEA에서는 온도에 따른 재료의 역학적 비선형성과, 균열의 발생 및 진전에 대한 파괴 역학적 관점을 도입하여 이를 모델링하였다.
10과 같다. 시험체는 수평 가열로에 단순지지 상태로 설치한 후 4점재하 방식으로 가력하였다. 먼저 실제 하중 상황을 가정하기 위하여 초기 하중을 87 kN (사무실 용 1.
시험체는 피복두께 (40mm, 50mm)와 가열 시간 (60분, 120분, 파괴 시까지)을 주요 변수로 하여 총 6개를 제작하였으며, 시험체 일람은 Table 1과 같다. 시험체의 크기는 250x400x5, 000 mm의 복근 직사각형 단순보로 상부 및 하부에 SD40급 D22 2개 및 3개를 배근하였다.
여기서 了하以心, G는 표준 압축강도시험을 통해 얻을 수 있으며, 본 연구에서는 검증의 경우 재료 시험 결과를, 골조 해석의 경우 규준에서 제안하고 있는 콘크리트 구성 방정식을 이용하였다. 사용된 철근은 Von Mises 항복 규준과 등방성 변형 경화를 고려한 구성 방정식을 고려하였다.
열팽창 계수는 크리프를 무시한 변형 구속이 없을 때의 온도에 따른 열변형률을 규준에 근거하여 적용하였다整).
대칭성을 고려하여 4, 000X3, 000X200mm (1/8)로 분할하여 경계 조건을 부여하였다. 요소분할 (mesh)은 100X 100 mm를 기준으로 화재에 직접 노출되는 부분을 세분하였다. 요소는 콘크리트의 경우 3D solid 요소 (CHX60), 철근의 경우 DIANA의 '"embedded reir血rcements"를 적용하였으며, 온도 하중을 고려하기 위하여 경계면은 가상의 요소 (BQ4HT)로 모델링하였다.
콘크리트의 최대 강도 이후 연화 곡선 (stress softening)에 대한 이상화는 이직선 응력-균열 개구 관계에 대한 Gylltoft의 제안치를 이용하였으며 다음과 같다.
비정상 온도 분포 해석에 있어서는 콘크리트와 철근에 대한 온도의존성 열적 특성을 온도 함수로 치환하여 이를 고려하였으며, 비선형 FEA에서는 온도에 따른 재료의 역학적 비선형성과, 균열에 대한 파괴 역학적 관점을 도입하였다. 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.
수행하였다. 해석 기법은 먼저 외부 열원의 영향에 의한 비정상 온도 분포 해석 (nonlinear transient heat flow analysis)을 수행하고 그 결과를 이용한 비선형 FEA를 수행하였다. 비정상 온도 분포 해석에 있어서는 콘크리트와 철근에 대한 온도의존성 열적 특성을 온도 함수로 치환하여 이를 고려하였으며, 비선형 FEA에서는 온도에 따른 재료의 역학적 비선형성과, 균열에 대한 파괴 역학적 관점을 도입하였다.
무에 대한 분석을 위하여 Table 5와 같이 열전도율 및 열용량이 일정한 경우 (I), 각각이 온도의존성을 갖는 경우 (Ⅱ, Ⅲ) 그리고 모두 온도의존성을 갖는 경우 (IV) 총 4가지에 대하여 해석을 실시하였다. 해석 조건은 모든 경우에 대하여 콘크리트 함수율 3%와 등가 대류 계수를 적용하였다. Fig.
요소는 콘크리트의 경우 3D solid 요소 (CHX60), 철근의 경우 DIANA의 '"embedded reir血rcements"를 적용하였으며, 온도 하중을 고려하기 위하여 경계면은 가상의 요소 (BQ4HT)로 모델링하였다. 해석에 사용된 재료 모델은 각각 Drucker-Prager (c = 8.08, sin0 = 0.5, sin〃=0.5) 와 Von Mises 항복 조건을 만족하는 계수를 결정하여 적용하였으며 역학적 특성은 Table 4와 같다. 또한, 콘크리트와 철근의 온도에 따른 역학적 특성값은 Figs.
해석은 Fig. 7과 같이 화재가 발생하는 경우 철근콘크리트 골조의 열전달에 대한 비정상 온도 분포 해석과 이러한 결과로 얻은 각 절점에서의 온도 정보를 이용한 비선형 FEA로 구성된다. 비정상 온도 분포 해석에 있어서는 콘크리트와 철근에 대한 온도의존성 열적 특성을 온도 함수로 치환하여 이를 고려하였으며, 전술한 규준에서 제시한 특성값을 이용하였다.
화재 등의 고온 환경에서 철근콘크리트 구조물의 열적특성 및 거동을 구명하기 위해 수행된 비정상 온도 분포해석 및 비선형 FEA를 통하여 다음 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
대상 골조는 경간 8, 000 mm, 층고 6, 000 mm의 1경 간을 대칭성을 고려하여 4, 000X3, 000X200mm (1/8)로 분할하여 경계 조건을 부여하였다. 요소분할 (mesh)은 100X 100 mm를 기준으로 화재에 직접 노출되는 부분을 세분하였다.
시험체 일람은 Table 1과 같다. 시험체의 크기는 250x400x5, 000 mm의 복근 직사각형 단순보로 상부 및 하부에 SD40급 D22 2개 및 3개를 배근하였다. 또한 전단 파괴를 방지하기 위하여 SD40급 D10 철근을 150 mm 간격으로 배근하였으며, 내부 온도를 측정하기 위하여 열전대를 하부 주철근 및 시험체 중앙에 설치하였다 (Fig.
이론/모형
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.
이용하였다. 사용된 철근은 Von Mises 항복 규준과 등방성 변형 경화를 고려한 구성 방정식을 고려하였다.
계산하는데 이용하였다. 사용된 콘크리트의 인장강도는 CEB-FIP 모델 규준을 이용하였으며 다음과 같다.
모델링하였다. 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).
해석에 이용된 온도 이력은 Fig. 14와 같은 여러가지 시간-온도 관계 곡선 중에서 건축물의 온도 해석에 이용되고 있는 ISO 834 (KS F 2257)를 이용하였다. 온도하중은 Fig.
성능/효과
2) 본 연구에서 제안한 등가 대류 계수는 열의 대류 특성과 복사 특성 및 온도의존성을 고려한 것으로, 화재에 의한 철근콘크리트 구조 부재의 열전달 특성을 보다 실제 상황에 근접하게 구현할 수 있을 것으로 판단되었다.
3) 해석을 통하여 콘크리트 내에 포함된 수분이 온도상승 구배를 완화시키는 것을 확인할 수 있었으며, 이를 통하여 구조물의 열 해석 시 함수율에 대한 적절한 평가를 통하여 보다 정확한 화해의 구현이 가능할 것으로 판단되었다.
4) 콘크리트의 열전도율 및 열용량에 대한 온도 의존성을 고려함으로써 열 해석 시 초기 상태에서 화재로 인한 부재 내부의 온도 분포를 보다 안정적으로 평가할 수 있을 것으로 판단되었다.
5) 온도 하중을 고려한 비선형 FEA 해석 결과 철근콘크리트 골조 내 보의 중앙부 처짐은 사용 한계 상태를 규정 내화 시간 내에 초과하게 되며, 철근콘크리트 구조체가 장시간 화재에 노출되는 경우 구조물이 심각한 붕괴 상태에 도달할 가능성도 있는 것으로 분석되었다.
가열 시간에 따른 결과를 분석해 보면 60분 동안 가열한 시험체 (S-4, S-5)는 철근의 온도가 약 120℃, 처짐이 약 16 mm 안팎으로 구조물에 큰 영향을 주지 않고 안전한 범위 내에 들어왔다. 그러나 120분 이상 가열하였을 때는 철근의 온도 및 처짐이 급격히 상승하였으며 120분에서 철근의 온도는 약 300℃였다.
18(b)에서 함수율이 10%인 경우 온도 115℃부분에서 잠열에 의한 열용량의 급격한 변화로 인하여 온도구배가 매우 완만한 것을 확인할 수 있었다. 그러므로 구조물의 열 해석 시에는 콘크리트 내부의 함수율에 대한 적절한 평가를 통하여 보다 정확한 해석이 가능할 것으로 판단되었다.
20(c)>은 우각부 모서리에서 가장 크게 나타나고 있었다. 대상 골조의 보의 중앙부 처짐을 분석해 보면 (Fig. 21) 온도 하중을 고려하지 않은 상태에서의 비선형 해석 결과 (5.18mm)에 비하여, 온도하중을 고려 하는 경우 지속 시간 100분시 32.8 mm, 2°°분시 62.2 mm, 250분시 74.1 mm로써 각각 7.1 배, 12.0배, 14.3 배 증가하는 것으로 나타나 화재가 발생하는 경우 중앙부 처짐이 급격하게 증가하는 특성을 잘 나타내고 있었다. 또한, 규준에 의한 골조 하부 비구조 부재의 피해 한계 처짐 (partition damsee, L/1,000) 및 사용성 한계 상태(serviceability limit, L/480)에 대한 비교에서는 화재 발생 이후 각각 13분, 50분에 이러한 처짐을 초과하는 것으로 나타나 철근콘크리트 구조체가 장시간 화재에 노출되는 경우 구조물이 심각한 붕괴 상태에 도달할 가능성도 있는 것으로 분석되었다.
3 배 증가하는 것으로 나타나 화재가 발생하는 경우 중앙부 처짐이 급격하게 증가하는 특성을 잘 나타내고 있었다. 또한, 규준에 의한 골조 하부 비구조 부재의 피해 한계 처짐 (partition damsee, L/1,000) 및 사용성 한계 상태(serviceability limit, L/480)에 대한 비교에서는 화재 발생 이후 각각 13분, 50분에 이러한 처짐을 초과하는 것으로 나타나 철근콘크리트 구조체가 장시간 화재에 노출되는 경우 구조물이 심각한 붕괴 상태에 도달할 가능성도 있는 것으로 분석되었다.
07 (Table 3)로 나타났다. 이러한 검증을 통하여 본 연구에서 DIANA 를 통하여 해석된 비정상 온도 분포 해석과 비선형 FEA 는 보 내의 온도 분포 특성과 이로 인한 구조물의 거동 특성을 매우 유사하게 추정할 수 있어, 구조물(골조)로의 해석이 가능할 것으로 판단되었다.
또한 초기에는 해석 Ⅱ, IV의 온도 구배가 I, Ⅱ의 경우보다 높지만 약 100분 이후 부터는 이와는 반대의 현상을 관찰할 수 있었다. 이를 통하여 열전도율 및 열용량에 대한 온도의존성을 고려하여 열 해석 및 평가를 하는 경우 초기 상태에서 화재로 인한 부재 내부의 온도 분포를 보다 안정적으로 평가할 수 있을 것으로 판단되었다.
9). 재료시험 결과 콘크리트의 압축강도는 20.5 MPa로, 철근의 인장강도는 410 MPa로 나타났다.
특히 250분에는 676℃와 859℃ (등가 대류계수 적용)로써 27% 이상의 온도상승이 예측되었다. 전술한 바와 같이 등가 대류 계수는 열의 대류 특성과 복사 특성 및 온도의존성을 고려한 것으로, 보다 실제 상황을 근접하게 구현하고 있다고 판단할 수 있으므로, 구조물의 열 해석 시 기존의 일정 대류 계수를 적용하는 경우 실제 온도를 과소평가할 가능성이 있을 것으로 판단되었었다.
500℃였다. 처짐 특성 또한 F-4 시험체의 경우는 가열 시작 80분 후 부터 처짐이 급격히 상승하였으며, F-5는 약 100분 이후부터 급격히 증가함으로써 증가된 피복 두께가 열의 전달 분포를 지연시키고 있음을 알 수 있었다.
또한 재료의 열적 특성값은 전술한 규준에 근거하여 입력하였으며, 역학적 특성값은 상온에서의 재료 시험을 근거로 온도에 따른 특성값을 적용하였다. 콘크리트 함수율은 공시체를 동일 조건에서 가열한 후 중량비로 평가한 것으로 5.4%로 나타났다. 대류 계수는 가열로 내 조건을 고려하여 九 =400W/m*C로 가정한 후, 본 연구에서 제안한 온도 이력에 따른 등가 대류 계수를 적용하였다.
11 및 Table 2는 해석 및 실험결과를 비교한 것으로, 시험체의 온도 이력 곡선과 해석 곡선으로 부터 해석기법은 온도 이력을 매우 유사하게 추정하고 있음을 알 수 있다. 특히 해석 결과를 가열 시간별 (30분, 60분, 120분) 로 분석해보면 (Table 2), 실험 결과에 대한 해석 결과의 비는 0.92~0.99로써 해석 결과가 실험 결과보다 크게 예측하고 있으나 오차는 10% 내에 있음을 알 수 있다.
그러나 120분 이상 가열하였을 때는 철근의 온도 및 처짐이 급격히 상승하였으며 120분에서 철근의 온도는 약 300℃였다. 한편 피복두께 및 가열 시간에 관계없이 모든 시험체의 온도상승구배 특성은 110~ 130℃ 부분에서 콘크리트 내에 함유된 잉여수의 잠열 및 수분이동에 의하여 온도 변화가 없는 구간이 나타났다.
해석 결과 골조의 열전달 특성은 250분에 표면온도가 852℃에 이르는 것으로 나타났으며, 철근의 온도 (피복으로 부터 50 mm)는 120분 (2시간) 후 251℃로써 콘크리트의 피복두께가 충분한 내화 성능을 발현하고 있음을 알 수 있었다. 그러나 화재가 지속되게 되면 180분에는 350℃, 250분에는 448℃까지 상승하는 것으로 나타났다.
후속연구
1) 본 연구에서 수행된 고온 환경하의 철근콘크리트 구조물에 대한 비정상 온도 분포 해석 및 비선형 FEA 해석 기법은 온도에 따른 재료의 열적, 역학적 성능 및 화재-온도 곡선을 자유롭게 고려할 수 있으며, 추후 관련 해석에 용이하게 사용될 수 있을 것으로 판단되었다.
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