이 논문에서는 화재 발생에 따른 구조물의 성능 변화를 평가하기 위한 철근콘크리트 부재의 수치해석모델이 제안되었다. 화재 발생 시 유발되는 전도, 대류 및 복사열의 효과를 고려한 비정상 열전달 해석을 수행하였으며 이를 통해 단면 내 온도분포를 결정하였다. 또한, 적층섬유단면을 적용하여 온도증가로 인해 단면 내 위치에 따라 달라지는 재료의 비선형성을 고려하였다. 이 때, 온도변화에 따라 유발되는 열팽창 변형률, 비정상상태 변형률, 크리프 변형률 등의 비역학적 변형특성을 단면 내 각 섬유에 대해 고려함으로써 화재 발생 시의 극심한 온도증가를 고려한 비선형 해석을 수행하였다. 제안된 해석모델의 타당성을 입증하기 위하여 철근콘크리트부재의 표준화재실험으로부터 얻어진 실험결과와 해석결과를 비교하였으며, 특히, 화재 시간에 따른 저항능력의 변화를 살펴봄으로써, 철근콘크리트 부재의 거동특성을 평가하고 이를 설계규준에서 제시하는 단면 및 저항능력과 비교하였다.
이 논문에서는 화재 발생에 따른 구조물의 성능 변화를 평가하기 위한 철근콘크리트 부재의 수치해석모델이 제안되었다. 화재 발생 시 유발되는 전도, 대류 및 복사열의 효과를 고려한 비정상 열전달 해석을 수행하였으며 이를 통해 단면 내 온도분포를 결정하였다. 또한, 적층섬유단면을 적용하여 온도증가로 인해 단면 내 위치에 따라 달라지는 재료의 비선형성을 고려하였다. 이 때, 온도변화에 따라 유발되는 열팽창 변형률, 비정상상태 변형률, 크리프 변형률 등의 비역학적 변형특성을 단면 내 각 섬유에 대해 고려함으로써 화재 발생 시의 극심한 온도증가를 고려한 비선형 해석을 수행하였다. 제안된 해석모델의 타당성을 입증하기 위하여 철근콘크리트부재의 표준화재실험으로부터 얻어진 실험결과와 해석결과를 비교하였으며, 특히, 화재 시간에 따른 저항능력의 변화를 살펴봄으로써, 철근콘크리트 부재의 거동특성을 평가하고 이를 설계규준에서 제시하는 단면 및 저항능력과 비교하였다.
This paper introduces a numerical model which can evaluate the fire-resistant capacity of reinforced concrete members. On the basis of the transient heat transfer considering the heat conduction, convection and radiation, time-dependent temperature distribution across a section is determined. A laye...
This paper introduces a numerical model which can evaluate the fire-resistant capacity of reinforced concrete members. On the basis of the transient heat transfer considering the heat conduction, convection and radiation, time-dependent temperature distribution across a section is determined. A layered fiber section method is adopted to consider non-linear material properties depending on the temperature and varying with the position of a fiber. Furthermore, effects of non-mechanical strains of each fiber like thermal expansion, transient strain and creep strain are reflected on the non-linear structural analysis to take into account the extreme temperature variation induced by the fire. Analysis results by the numerical model are compared with experimental data from the standard fire tests to validate an exactness of the introduced numerical model. Also, time-dependent changes in the resisting capacities of reinforced concrete members exposed to fire are investigated through the analyses and, the resisting capacities evaluated are compared with those determined by the design code.
This paper introduces a numerical model which can evaluate the fire-resistant capacity of reinforced concrete members. On the basis of the transient heat transfer considering the heat conduction, convection and radiation, time-dependent temperature distribution across a section is determined. A layered fiber section method is adopted to consider non-linear material properties depending on the temperature and varying with the position of a fiber. Furthermore, effects of non-mechanical strains of each fiber like thermal expansion, transient strain and creep strain are reflected on the non-linear structural analysis to take into account the extreme temperature variation induced by the fire. Analysis results by the numerical model are compared with experimental data from the standard fire tests to validate an exactness of the introduced numerical model. Also, time-dependent changes in the resisting capacities of reinforced concrete members exposed to fire are investigated through the analyses and, the resisting capacities evaluated are compared with those determined by the design code.
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가설 설정
13(a)에서 각각 나타난 바와 같이 각각 Method A와 Method B 로 구분하여 내화단면 및 설계하중을 결정한다. Method A에서 편심은 유로코드에서 제시되는 최대 편심(emax=0.15b) 값을, 철근비는 0.03을 가정하였으며 단면의 극한 저항능력 NRD와 MRD는 P-M 상관도의 작성을 통해 구하였다. 그리고 해석에 있어서, 동일한 bmin 및 a 값을 갖는 정사각형 단면에 대해 코드를 통해 결정된 기둥의 기하 정보(l0,fi) 및 설계하중(NEd,fi, MEd,fi)을 적용하였다.
3을 사용하였고, 경계에서의 대류계수 h = 25W / mk를 사용하였다. 기둥부재의 외부 표면은 동일한 온도변화에 노출된다.
5를 적용하였다. 세장비 10의 경우 μfi = 0.2와 μfi = 0.5에 대해 비교하였으며 모든 세장비에 대해 양측 힌지의 지점조건을 가진 기둥 단면 상하부에 각각 4개씩의 철근이 매입되어 있고 4면에 화재가 발생한 상황을 가정하였다. 설계강도 fyd = 370.
이 때 구조물의 표면은 동일한 온도에 노출된 것으로 가정할 수 있으므로 대표단면에 대한 두께방향의 2차원 열전달 해석을 수행하게 된다. 특히 철근의 양은 콘크리트의 양에 비해 미소하므로 철근은 온도해석 시 별도로 고려하지 않고 동일 위치의 콘크리트 온도분포와 동일하다고 가정하였으며 이 때, 콘크리트의 온도분포에 대한 지배방정식은 다음 식 (11)과 같다.
화재실험당시 실시한 재료실험 결과에 따라 초기 콘크리트 압축강도와 철근 항복강도는 각각 30 MPa와 435.8 MPa로 주어졌으며 철근의 탄성계수는 2.0×105 MPa로 가정하였다. Fig.
제안 방법
이 논문에서는 화재에 따라 유발되는 RC 구조물의 재료속성 변화와 관련하여 콘크리트 및 강재의 온도변형, 크리프 변형 및 고온에서 콘크리트의 비정상상태 변형등, 실험을 통해 규명된 구조재료의 변형인자들을 모두 고려한 해석모델을 제안하였다. 그리고 기존의 해석적 연구들의 경우 온도에 따른 변형효과들을 동시에 고려함으로써 각 인자들이 미치는 영향을 살펴보기 힘들었던 반면, 이러한 한계점을 극복하고자 모든 변형효과를 다 고려한 해석은 물론 각 영향인자들이 미치는 영향을 별도로 해석하여 구조적 거동에 어떠한 차이를 나타내는 지를 분석하였다. 이를 위해, 화재 시 콘크리트 부재의 표면에서 발생하는 온도변화의 영향을 반영하기 위한 열전달 해석을 수행하였으며, 열전달해석을 통해 결정된 단면 내 온도분포를 적용하여 화재 발생 시 단면 위치에 따라 달라지는 재료속성을 고려한 비선형 해석을 수행하였다.
이를 위해, 화재 시 콘크리트 부재의 표면에서 발생하는 온도변화의 영향을 반영하기 위한 열전달 해석을 수행하였으며, 열전달해석을 통해 결정된 단면 내 온도분포를 적용하여 화재 발생 시 단면 위치에 따라 달라지는 재료속성을 고려한 비선형 해석을 수행하였다. 또한, 기존의 많은 연구들이 그 적용성에 있어서 휨부재나 압축부재에 국한되어 있었던 반면 제안된 모델을 두 가지 구조부재에 모두 적용하여 그 거동을 살펴보았으며, 해석 결과의 타당성을 검증하기 위하여 기 수행된 표준화재실험의 결과와 구조거동을 비교하였다. 한편, 화재발생 이 후 부재의 시간의존적인 저항능력을 세장비에 따라 해석하고 이를 디자인코드의 저항능력과 비교함으로써 설계규준에서 제시하고 있는 내화설계방법의 효율성을 검증하여 보았다.
따라서 화재로 인한 대상구조물 표면으로부터의 온도증가를 평가할 필요가 있으므로 이를 위해 열전달 해석을 수행해야 한다. 먼저 구조물 표면의 경계조건으로 사용되는 화재의 온도를 정의할 필요가 있는데, 이 논문에서는 표준화재 온도-시간 관계식 중 널리 쓰이는1,3,20) ASTM E11938)의 관계식(Tf = 20 + 750 · (1-exp (-3.79553 · (t/60)0.5)) + 179.41 · (t/60)0.5)을 기반으로 하여 시간에 따른 온도변화를 고려하였다. 여기서, Tf는 화재의 온도(℃), t는 시간(min)을 의미한다.
이 논문에서는 콘크리트 구조물의 비정상 열전달 해석으로 결정된 온도 분포를 기반으로, 온도변화에 따라 추가적으로 발생하는 시간 의존적 거동을 반영할 수 있는 해석모델을 제안하였다. 이때, 고려되어야 하는 시간 의존적 거동들을 각기 적용하여 구조거동에 있어서 발생하는 차이점을 분석하고 이를 타 연구자들이 수행한 표준화재실험 결과와 비교하여 그 타당성을 검증하였다.
이 논문에서는 화재에 따라 유발되는 RC 구조물의 재료속성 변화와 관련하여 콘크리트 및 강재의 온도변형, 크리프 변형 및 고온에서 콘크리트의 비정상상태 변형등, 실험을 통해 규명된 구조재료의 변형인자들을 모두 고려한 해석모델을 제안하였다. 그리고 기존의 해석적 연구들의 경우 온도에 따른 변형효과들을 동시에 고려함으로써 각 인자들이 미치는 영향을 살펴보기 힘들었던 반면, 이러한 한계점을 극복하고자 모든 변형효과를 다 고려한 해석은 물론 각 영향인자들이 미치는 영향을 별도로 해석하여 구조적 거동에 어떠한 차이를 나타내는 지를 분석하였다.
그리고 기존의 해석적 연구들의 경우 온도에 따른 변형효과들을 동시에 고려함으로써 각 인자들이 미치는 영향을 살펴보기 힘들었던 반면, 이러한 한계점을 극복하고자 모든 변형효과를 다 고려한 해석은 물론 각 영향인자들이 미치는 영향을 별도로 해석하여 구조적 거동에 어떠한 차이를 나타내는 지를 분석하였다. 이를 위해, 화재 시 콘크리트 부재의 표면에서 발생하는 온도변화의 영향을 반영하기 위한 열전달 해석을 수행하였으며, 열전달해석을 통해 결정된 단면 내 온도분포를 적용하여 화재 발생 시 단면 위치에 따라 달라지는 재료속성을 고려한 비선형 해석을 수행하였다. 또한, 기존의 많은 연구들이 그 적용성에 있어서 휨부재나 압축부재에 국한되어 있었던 반면 제안된 모델을 두 가지 구조부재에 모두 적용하여 그 거동을 살펴보았으며, 해석 결과의 타당성을 검증하기 위하여 기 수행된 표준화재실험의 결과와 구조거동을 비교하였다.
또한, 기존의 많은 연구들이 그 적용성에 있어서 휨부재나 압축부재에 국한되어 있었던 반면 제안된 모델을 두 가지 구조부재에 모두 적용하여 그 거동을 살펴보았으며, 해석 결과의 타당성을 검증하기 위하여 기 수행된 표준화재실험의 결과와 구조거동을 비교하였다. 한편, 화재발생 이 후 부재의 시간의존적인 저항능력을 세장비에 따라 해석하고 이를 디자인코드의 저항능력과 비교함으로써 설계규준에서 제시하고 있는 내화설계방법의 효율성을 검증하여 보았다.
대상 데이터
화재를 고려한 수치해석에 사용된 재료상수는 화재실험 당시 실시한 재료실험 결과를 기반으로 초기 콘크리트 압축강도 36.1 MPa, 철근 항복강도 420 MPa, 철근의 탄성계수는 2.0X105 MPa로 각각 적용하였다. 온도증가에 따라 발생하게 되는 콘크리트의 비역학적 변형률의 상대 적인 영향을 살펴보기 위해 Fig.
데이터처리
에서 찾아볼 수 있다. 단, 이 논문에서는 시간간격의 크기에 대해 안정한 결과를 주는 CrankNicolson Scheme(β=0.5)을 이용하여 시간영역에 대한 해석을 수행하였으며, 시간영역을 잘게 잘라 해석함으로써 오차를 충분히 줄이고 해석하는 것이 가능하다.
이 논문에서는 콘크리트 구조물의 비정상 열전달 해석으로 결정된 온도 분포를 기반으로, 온도변화에 따라 추가적으로 발생하는 시간 의존적 거동을 반영할 수 있는 해석모델을 제안하였다. 이때, 고려되어야 하는 시간 의존적 거동들을 각기 적용하여 구조거동에 있어서 발생하는 차이점을 분석하고 이를 타 연구자들이 수행한 표준화재실험 결과와 비교하여 그 타당성을 검증하였다. 이에 더하여, 세장비 조건에 따라 주어진 내화시간을 버틸 수 있는 초기 편심모멘트 값을 산정하여, 이를 설계규준과 비교하고 그 타당성을 판단하였다.
이론/모형
31,37) 이러한 크리프 거동은 Fig. 2와 같이 비례한계 (proportional limit)와 항복한계(yield limit)에 걸친 비선형 구간에서 잘 나타나고 있으며, 따라서 별도로 응력-변형률 모델과 앞서 설명했던 복잡한 크리프 모델을 혼용할 필요가 없는 장점이 존재하므로 이 논문에서는 EN 1992-1-2 모델을 해석에 적용하였다. 여기서, 응력-변형률 관계는 4개의 구간으로 나누어 정의된다.
대상 구조물의 실험 시, ASTM E-119(1976) 화재 곡선에 따른 온도이력을 기둥 네면에 경계조건으로 적용하였으며, 화염의 방출도 ε는 0.3을 사용하였고, 경계에서의 대류계수 h = 25W / mk를 사용하였다. 기둥부재의 외부 표면은 동일한 온도변화에 노출된다.
위의 지배방정식을 구성함에 있어 정의되는 k(T), ρ(T), c(T)는 각각 콘크리트의 열전도계수, 밀도, 비열이며 Eurocode224)에서 제안한 식을 기반으로 산정하였다. 이 식에서 내부 생성열 Q는 경화된 콘크리트 구조물에서는 없다고 가정하였다.
이 논문에서 Lie 등4)이 표준화재실험을 수행한 기둥을 대상으로 해석모델에 대한 검증을 수행하였다(Fig. 5 참조).
Terro13)는 크리프를 포함하는 LITS(load induced thermal strain)에 대해서 온도에 대한 비선형 모델식을 제시한 바 있다. 이 외에도 고온에서의 크리프 변형률을 모사하기 위한 노력이 이루어졌지만5) 비정상상태 크리프와 그 외의 기본크리프 및 건조 크리프에 대해 별도의 모델을 제시하지 못하는 경우가 많기에, 이 논문에서는 콘크리트의 응력상태와 시간 및 온도효과를 고려한 Harmathy25)의 모델식을 사용하였으며 이는 식 (2)와 같다.
2)나아가 콘크리트의 응력은 전체 변형률 가운데 역학적 변형률을 산정하고 이를 응력-변형률 관계에 대입함으로써 결정하게 된다. 이와 같은 콘크리트의 응력-변형률 관계는 온도변화에 따라 다르게 나타나기 때문에 이를 정의하기 위한 여러 연구가 진행되었으며5,28) 이 논문에서는 실험치와의 비교를 통해 온도의 변화에 따른 거동을 비교적 효과적으로 모사하는 것으로 알려져 있는7) Lie & Lin의 모델28)을 토대로 응력-변형률 관계를 정의하였고 (Fig. 1(a) 참조) 그 관계를 표현하면 다음 식 (4), (5)와 같다.
성능/효과
1) 압축 부에서 크리프 및 비정상상태 변형률은 온도에 의한 콘크리트의 팽창을 상쇄시키며 부재의 변위에 크게 영향을 미치기 때문에 정확한 응력과 변위의 산정을 위해서는 고온에서의 시간의존적 거동을 반드시 고려해야 할 것으로 판단된다.
2) 보 해석 시, 인장철근의 온도가 약 450℃이상 고온에 노출될 경우 철근의 크리프에 의해 부재의 변위가 급격히 증가하므로 이에 대한 고려가 필요하다.
4) 기둥 부재의 경우 유로코드는 세장비가 클 경우 축력의 증가에 따라 주어진 내화시간을 버틸 수 있는 초기 편심모멘트 값을 과대평가하는 경향을 나타내었다.
후속연구
3) 화재에 따른 부재의 파괴는 온도에 의한 철근과 콘크리트의 강도저하가 주요한 원인이며, 특히, 배근 상태가 달라지는 위치에 있는 단면의 경우 단면저항능력이 변화하므로 철근콘크리트구조물의 내화 설계 시 이에 대한 고려가 필요하다. 따라서, 피복 두께를 적절하게 증가시켜 철근에 발생하는 온도변화를 줄여주는 것이 부재의 내화성능에 도움이 될 것으로 판단된다.
3) 화재에 따른 부재의 파괴는 온도에 의한 철근과 콘크리트의 강도저하가 주요한 원인이며, 특히, 배근 상태가 달라지는 위치에 있는 단면의 경우 단면저항능력이 변화하므로 철근콘크리트구조물의 내화 설계 시 이에 대한 고려가 필요하다. 따라서, 피복 두께를 적절하게 증가시켜 철근에 발생하는 온도변화를 줄여주는 것이 부재의 내화성능에 도움이 될 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
철근콘크리트의 특징은?
철근콘크리트(RC)는 경제성, 내구성 등의 유리한 특성으로 인하여 토목 구조물 및 일반 건축물 등 많은 구조물에 널리 사용되고 있으며 다른 구조재료에 비해서 열전도율이 낮기 때문에 내화재료로도 그 기능을 충분히 발휘하는 구조재료이다. 그러나 RC 구조물 혹은 구조 부재가 화재 등으로 인해 고온에 장시간 노출되었을 경우, 구조물에 심각한 영향을 끼칠 수 있는 구조적 손상이 발생하기 때문에 이를 고려한 RC 구조물의 내화성능 평가를 위한 다양한 접근이 이루어지고 있다.
RC 구조물이 고온에 장시간 노출되면 어떻게 되는가
철근콘크리트(RC)는 경제성, 내구성 등의 유리한 특성으로 인하여 토목 구조물 및 일반 건축물 등 많은 구조물에 널리 사용되고 있으며 다른 구조재료에 비해서 열전도율이 낮기 때문에 내화재료로도 그 기능을 충분히 발휘하는 구조재료이다. 그러나 RC 구조물 혹은 구조 부재가 화재 등으로 인해 고온에 장시간 노출되었을 경우, 구조물에 심각한 영향을 끼칠 수 있는 구조적 손상이 발생하기 때문에 이를 고려한 RC 구조물의 내화성능 평가를 위한 다양한 접근이 이루어지고 있다. 특히.
콘크리트의 전체 변형률중 화재발생시 고려되는 비역학적 변형률을은 무엇이 있는가?
화재 발생 경과 시간 t에서 일축응력 상태에 있는 콘크리트의 전체 변형률은 크게 역학적 변형률(mechanical strain,)과 비역학적 변형률(non-mechanical strain,)로 분류 할 수 있다. 이 중 구조계의 변형은 증가시키지만 추가적인 응력을 발생시키지 않는 비역학적 변형률 가운데 화재 발생 시 고려되는 비역학적 변형률로는 온도 변형률, 크리프 변형률, 비정상상태 변형률을 들 수 있으며 이들의 관계를 식으로 표현하면 다음 식 (1)과 같다.
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