최근 케이블을 이용한 현수교 또는 사장교 형식의 교량들이 건설되고 있다. 이러한 교량에서 자동차 충돌등의 사고에 의한 교량위 화재로 손상을 받는 경우가 종종 발생되고 있으나, 화재에 의한 교량구조물의 안정성에 대한 연구는 거의 없는 실정이다. 따라서 본 논문에서는 국도확장사업구간에 시공되고 있는 사장교 교량을 대상으로 하여, 상용소프트웨어인 Solid Works 2007을 사용하여 모델링하고, COSMOS FloWorks 2007소프트웨어에 의한 열전달 해석 및 열응력 해석을 통하여 와이어, 교량위 화재 발생시 와이어, 사재방재 파이프 및 그 주변에 대한 사재방재케이블의 안전을 검토 하였다. 해석변수로는 열원의 온도, 방호책과 열원사이의 거리, 풍속, 스텐인레스강관 끝단의 높이를 사용하였다.
최근 케이블을 이용한 현수교 또는 사장교 형식의 교량들이 건설되고 있다. 이러한 교량에서 자동차 충돌등의 사고에 의한 교량위 화재로 손상을 받는 경우가 종종 발생되고 있으나, 화재에 의한 교량구조물의 안정성에 대한 연구는 거의 없는 실정이다. 따라서 본 논문에서는 국도확장사업구간에 시공되고 있는 사장교 교량을 대상으로 하여, 상용소프트웨어인 Solid Works 2007을 사용하여 모델링하고, COSMOS FloWorks 2007소프트웨어에 의한 열전달 해석 및 열응력 해석을 통하여 와이어, 교량위 화재 발생시 와이어, 사재방재 파이프 및 그 주변에 대한 사재방재케이블의 안전을 검토 하였다. 해석변수로는 열원의 온도, 방호책과 열원사이의 거리, 풍속, 스텐인레스강관 끝단의 높이를 사용하였다.
Recently, cabled-suspension bridges and suspension bridge have been increasingly built in korea. But such structures were often damaged by fire due to car collison. In this study, the cabled-suspension bridges constructed under the kind of the project of national road aggrandizement are modeled usin...
Recently, cabled-suspension bridges and suspension bridge have been increasingly built in korea. But such structures were often damaged by fire due to car collison. In this study, the cabled-suspension bridges constructed under the kind of the project of national road aggrandizement are modeled using Solid Works 2007. The COSMOS FloWorks 2007 software are used for Heat Transfer Analysis and Thermal Stress Analysis. The safety of wire, HDPE pipe and stainless steel pipe are investigated. The major variables for the analysis are the temperature of the heat source, the distance between the fire-proof bulk head and the heat source, wind velocity, and the height of the end of Stainless steel pipe.
Recently, cabled-suspension bridges and suspension bridge have been increasingly built in korea. But such structures were often damaged by fire due to car collison. In this study, the cabled-suspension bridges constructed under the kind of the project of national road aggrandizement are modeled using Solid Works 2007. The COSMOS FloWorks 2007 software are used for Heat Transfer Analysis and Thermal Stress Analysis. The safety of wire, HDPE pipe and stainless steel pipe are investigated. The major variables for the analysis are the temperature of the heat source, the distance between the fire-proof bulk head and the heat source, wind velocity, and the height of the end of Stainless steel pipe.
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문제 정의
따라서 본 연구의 목적은 현재 국내의 각종 사장교의 주변 상습 안개지 역에서 차량사고로 인한 화재발생의 개연성을 배제시킬 수 없기 때문에, 화재발생으로 인해 케이블을 싸고 있는 파이프 및 케이블의 안전성에 대한 정량적 검토가 필요하다고 판단되어, 화재 발생시 사재 방재 안전성을 검토하는데 있으며, 특히, 화재에 의해 발생하는 열에 의해 사재 방재 파이프와 케이블에 대한 안전성을 열-유동해석을 통해 정량적으로 분석하여 그 안전성을 검토하는데 있다. [1~5]
실제로화재가 발생하는 경우, transient해석을수행하는 것이 더 타당성이 있다고 볼 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 transient 해석 관점에서 열전달 해석과 유동해석을수행하였다.[1 ~ 5]
가설 설정
또한 팬 등과 같이 외부에서 강제적인 유동을 유발하는 인자가 없으므로 가열과정에 의하여 생기는 유체의 밀도변화 때문에 일어나는 유동현상인 자연대류 열전달을 고려하기 위하여 자연대류를 일으키는 부력으로 중력을 선정하였으며 유동장은 정상 상태의 층류와 난류 유동으로 가정하였다. 열원 및 대상체 표면에 대해서는 흑체 조건을 사용하여 각각의 재질에 따르는 방사율을 적용하였다.
열원은대형버스에서 화재가발생한상황으로가정하여 , 직육면체로 모델링 하였다. 화재발생 시, 열원의 온도를 가정해야 하는데, 긴 터널의 밀폐된 공간에서 화재 시의 최고 온도는 i, oo(rc가 넘는 경우도 있으나, 통상적인 터널의 대부분의 최고온도는 약 800℃ 정도로 알려져 있다.
한편, 열원의 이격거리가 교량의 끝단으로부터 35m 떨어져 있고, 방호책으로부터의 거 리가Om 경우에 화재가 발생되었다고 가정하였으며, 스텐인레스 강관의 끝단이 콘크리트로부터의 수직높이가h=1.5m인 경우에 대하여 해석을 수행하였다.
제안 방법
경계조건과 관련하여, 주변 온도 20℃의 환경 복사를 고려하였고 교량 주변 공기층의 외부유동으로 인하여 케이블에서 전도가 이루어지는가를 계산하기 위하여 외부유동 해석을 수행하였으며, 고체부분의 열전도를 고려하였다. 또한 팬 등과 같이 외부에서 강제적인 유동을 유발하는 인자가 없으므로 가열과정에 의하여 생기는 유체의 밀도변화 때문에 일어나는 유동현상인 자연대류 열전달을 고려하기 위하여 자연대류를 일으키는 부력으로 중력을 선정하였으며 유동장은 정상 상태의 층류와 난류 유동으로 가정하였다.
하는 것이 타당하다. 본 연구에서는 transient해석에 대한 해석을 수행하였으며, 이를 통하여 얻은 결론은 다음과 같다.
시간 의존 해석에서의 열원은 초기온도 20℃ 에서 시작하여 2400초까지 최고 800℃로 증가한 후 3600초까지 450℃ 로 감소하여 시간에 따라온도가 변하는 열원을 적용하였다.
또한 팬 등과 같이 외부에서 강제적인 유동을 유발하는 인자가 없으므로 가열과정에 의하여 생기는 유체의 밀도변화 때문에 일어나는 유동현상인 자연대류 열전달을 고려하기 위하여 자연대류를 일으키는 부력으로 중력을 선정하였으며 유동장은 정상 상태의 층류와 난류 유동으로 가정하였다. 열원 및 대상체 표면에 대해서는 흑체 조건을 사용하여 각각의 재질에 따르는 방사율을 적용하였다.
해석은 열원의 온도를 상온(2CTC)부터 시간의 변화와 함께 최고 800℃ 까지 변화시켰고, 방호책과 열원과의 거리가 0 m, 풍속이 x-y-z 방향으로 0 m/s, 도로면인 콘크리트부터 스텐인레스 강관의 끝단의 수직 높이 h=L5 m인 경우에 실제로 화재가 발생할 경우와 같이 열원이 시간에 따라 온도가 변하는 데이터를 갖는 시간 의존 해석을 수행하여 시간변화에 따른 온도분포를 계산하였다.
대상 데이터
20℃에서의 발열체 및 대상체의 방사율은 열원은 0.6~ 0.7, 스테인레스 강관은 0.074, HDPE 파이프은 0.95를 각각 나타내며, 표 1은 해석모델을 구성하는 재료의 20℃에서의 물성치를 나타내며, 실제해석에서는 온도 의존 데이터를 사용하였다.
본 연구에 사용된 해석모델은사장교 형식의 교량구조물로 주탑간 거리가 125m 인 4개 주탑으로 되어 있으며 교량폭은23m 이다. 그림 1의 (a)는주탑이 있는곳에서 1/4 대칭모델을 나타내고 있으며, 그림 1의 (b)는 케이블 단면을 나타낸 그림으로, 중심부에 스테 인레스 강으로 이루어진 와이어가 있으며 콘크리트 내부의 와이 어부분은 우레탄으로 감싸고 다시 embedded 파이프로 감싸고 있다.
데이터처리
본 해석을 수행하기 위하여 모델링은 3차원 모델링 상용 소프트웨어인 SolidWorks 2007을 사용하였으며, 열전달 해석과 유동해석은 COSMOSFloWorks 2007을 사용하여 결과를 얻었다.
이론/모형
사장교 사재의 케이블 단면내의 온도분포를 구하기 위하여 2차원 선형-비정상열전도 방정식을 이용하였으며, 임의의 케이블 단면에서 임의의 시간 t에서의 온도 丁의 변화는 다음과 같은 열전도 방정식의 지배를 받는다.
성능/효과
(1) 스테인레스 강관의 경우 본 연구에서 가정한 열원의 온도변화에 따른 최고 온도가 약 475℃로 재료의 용융점보다 훨씬 낮아 문제가 없을 것으로 판단되 었다.
(2) 와이어(wire)는 표면 최고온도가 약 155℃를 넘지 않으므로 본 연구에서 시뮬레이션 한 굵은 6개의 케이블은 강도측면에서 문제가 없을 것으로 판단된다.
후속연구
(3)HDPE파이프의 경우는용융점이 약 134℃이므로 화재발생 후 약20분정도까지는문제가 없으나, 약 20분후에는 소재의 온도가 용융점보다 상승하므로, HDPE 파이프를 보호를 위한 내 열성을 갖는 HDPE소재의 개발이 필요하다.
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