[논문]고온에 노출된 PCM 충진형 바닥 시스템의 거동 특성

박민재; 민정기; 윤성원; 주영규

doi:10.9712/kass.2017.17.2.033

고온에 노출된 PCM 충진형 바닥 시스템의 거동 특성
Behavior Characteristics of PCM Infilled Floor System at Elevated Temperature 원문보기

한국공간구조학회논문집 = Journal of the Korean Association for Spatial Structures, v.17 no.2, 2017년, pp.33 - 41

박민재 (고려대학교 건축사회환경공학과) , 민정기 (한국건설생활환경시험연구원 삼척실화재시험연구센터) , 윤성원 (서울과학기술대학교 건축학부) , 주영규 (고려대학교 건축사회환경공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Composite Floor system infilled with PCM(Phase Change Material) between upper and lower steel plates was developed to apply the steel frame. When steel frames were applied this system, it can absolutely reduce the duration of construction due to dry construction method. However to apply this system as a structural floor member without fire resistance covering, it must have 2 hours fire resistance performance. Because PCM consisted of three quarters of section with thermal insulation performance, fire resistance performance of this floor system was expected to easily have 2 hours fire resistance performance. This paper was to investigate behavior characteristics of PCM infilled floor system at elevated temperature using FEM analysis to develop the fire resistance performance of it.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

반면 하부와 직접 만나지 않는 길이방향 Wire는 고온에서 내력저하로 인장력을 받지 못하는 하부 강판 대신에 인장력을 발휘한다. 본 논문에서는 범용 유한요소 프로그램인 ABAQUS/CAE 6.10-1로 해석을 수행하여 고온에서 iFLASH System 내부에 설치된 Wire-mesh의 직경에 따른 역학적 거동 특성을 분석하고자 한다.
본 논문에서는 해석의 신뢰성을 확보하기 위해 기존에 수행되었던 초기 iFLASH System의 내화 시험과 해석 결과를 비교하였다. [Fig.
본 연구에서 사용된 PCM은 상용화되지 않은 폴리머계열의 고분자소재로, 재료의 열특성 및 기계적 특성을 파악하기 위해 KS기준에 의거한 시험을 실시하였다. PCM의 밀도와 비열, 열전도율은 TGA-DSC 시험을 토대로 확보하였으며, 비열과 열전도율는 밀도와 다르게 기계의 한계로 200℃까지만 확보하였다.

가설 설정

PCM의 밀도와 비열, 열전도율은 TGA-DSC 시험을 토대로 확보하였으며, 비열과 열전도율는 밀도와 다르게 기계의 한계로 200℃까지만 확보하였다. 200℃ 이상의 값은 밀도와 비열에 비례하고 열전도율에 반비례하는 열확산도를 지수함수로 가정하여 예측하였다. [Fig.
또한 해석의 효율성을 높이기 위해 구조부재가 아닌 폭방향 Wire는 생략하였으며, 고온에서 인장력을 받을 길이방향 Wire는 원형이 아닌 등가면적의 사각형으로 모델링하였다. PCM의 강한 부착력으로 iFLASH System의 단면이 유지되는데, 부착력에 대한 정확한 규명이 없기 때문에 본 논문에서는 재료 사이에 부착면 탈락은 없다고 가정하였다.
PCM의 기계적 특성은 KS기준에 의거한 시험을 통해 확인하였으며⁹⁾, 온도별 감소 비율은 [Fig. 11]의 잔류밀도 비율과 동일하다고 가정하였다. 온도별 응력-변형률 곡선은 [Fig.

제안 방법

2시간 가열 후 하중지지력, 차열성, 차염성 3가지 기준으로 내화성능을 평가한다. 하중지지력은 시험체의 처짐과 처짐 변화량이 시험체의 스팬(L)과 구조 단면의 최대 압축력을 받도록 설계된 위치에서 최대 인장력을 받도록 설계된 위치까지의 거리(d)로 인해 결정되는 처짐과 처짐 변화량 기준을 초과하지 않으면 만족한다.
부재 내부의 온도분포를 파악한 다음, 온도별 재료의 기계적 특성을 이용하여 부재의 응력과 변형률을 계산하여 iFLASH System의 처짐을 계산한다. ABAQUS를 이용한 iFLASH System 내화 해석 모델링은 대칭을 이용하여 1/4 부분만 모델링하였다. 또한 해석의 효율성을 높이기 위해 구조부재가 아닌 폭방향 Wire는 생략하였으며, 고온에서 인장력을 받을 길이방향 Wire는 원형이 아닌 등가면적의 사각형으로 모델링하였다.
PCM 충진형 바닥 시스템의 고온에서의 거동 특성을 분석하였다. KS기준에 따라 내화시험 방법을 범용 유한요소 해석프로그램인 ABAQUS/CAE 6.
본 연구에서 사용된 PCM은 상용화되지 않은 폴리머계열의 고분자소재로, 재료의 열특성 및 기계적 특성을 파악하기 위해 KS기준에 의거한 시험을 실시하였다. PCM의 밀도와 비열, 열전도율은 TGA-DSC 시험을 토대로 확보하였으며, 비열과 열전도율는 밀도와 다르게 기계의 한계로 200℃까지만 확보하였다. 200℃ 이상의 값은 밀도와 비열에 비례하고 열전도율에 반비례하는 열확산도를 지수함수로 가정하여 예측하였다.
iFLASH System은 휨성능 실험⁹⁾을 통해 수평부재로써의 적합성과 연성 능력에 대해 확인하였다. 또한 [Fig.
또한 설치의 어려움, 정밀 시공 등의 시공 효율성이 낮고 공기를 증가시켜 현장 적용가능성이 아직 상당히 낮다고 볼 수 있다. 따라서 시공효율성 및 공기 문제를 해결하고 획기적인 단면 감소, 자중 저감으로 구조 효율성을 높일 수 있는 iFLASH(Innovative Fire proof, Light-weighted, Absorbed, Shallow and Hybrid) System을 개발하였다.
을 통해 수평부재로써의 적합성과 연성 능력에 대해 확인하였다. 또한 [Fig. 2]와 같이 iFLASH System을 적용한 건물에 대해 바닥 진동 실험을 진행하여 진동저항 성능¹¹⁾을 확인하였다. 내화피복이 없는 바닥 구조부재로 사용하기 위해 각 성능별 연구가 계속 진행 중이며, 부착력을 바탕으로 개발된 PCM을 충진한 초기 iFLASH System의 내화실험 결과에 기초하여 iFLASH System의 내화성능 연구가 진행 중이다.
ABAQUS를 이용한 iFLASH System 내화 해석 모델링은 대칭을 이용하여 1/4 부분만 모델링하였다. 또한 해석의 효율성을 높이기 위해 구조부재가 아닌 폭방향 Wire는 생략하였으며, 고온에서 인장력을 받을 길이방향 Wire는 원형이 아닌 등가면적의 사각형으로 모델링하였다. PCM의 강한 부착력으로 iFLASH System의 단면이 유지되는데, 부착력에 대한 정확한 규명이 없기 때문에 본 논문에서는 재료 사이에 부착면 탈락은 없다고 가정하였다.
10-1로 모델링하였다. 부재 내부의 온도분포를 파악하는 열전달 해석을 수행한 후, 부재 내부의 온도분포와 온도별 재료의 기계적 특성을 이용하여 응력-변형률 해석을 수행하였다. 해석 모델은 대칭을 이용하여 1/4부분만 사용하였다.
열전달 해석을 수행하기 위해 필요한 재료의 열적 특성은 밀도, 열전도율, 비열 3가지이다. 부재 내부의 온도분포를 파악한 다음, 온도별 재료의 기계적 특성을 이용하여 부재의 응력과 변형률을 계산하여 iFLASH System의 처짐을 계산한다. ABAQUS를 이용한 iFLASH System 내화 해석 모델링은 대칭을 이용하여 1/4 부분만 모델링하였다.
Eurocode는 상온에서의 기계적 특성 대비 감소 비율을 온도별로 나타낸다. 상온에서의 기계적 특성은 초기 iFLASH System의 내화시험체에 사용된 강재의 재료실험 결과를 사용하였다. 강재의 밀도는 7,850kg/m³으로 온도와 관계없는 상수 값이고, 열전도율과 비열은 [Fig.
Wire-mesh 간격은 초기 내화실험 당시 사용하였던 150mm으로 설정하였다. 해석 모델은 Wire-mesh가 설치되지 않은 모델 1가지와 Wire의 직경을 다르게 하여 총 5가지를 수행하였고, 길이 방향 Wire의 중심위치는 하부 강판에서부터 폭방향 Wire의 지름과 길이방향 Wire의 반지름의 합만큼 떨어진 곳에 있다. 각 해석 모델의 명칭과 특징은 [Table 2]와 같다.

대상 데이터

해석 모델은 대칭을 이용하여 1/4부분만 사용하였다. 해석 모델 개수는 총 5가지로 서로 다른 Wire 직경을 사용한 4가지와 Wire-mesh를 설치하지 않은 1가지로 구성된다. 2시간 상부면(비가열면)의 온도 변화량과 모델의 처짐을 계산한 결과 다음과 같은 결론에 도달하였다.

이론/모형

PCM 충진형 바닥 시스템의 고온에서의 거동 특성을 분석하였다. KS기준에 따라 내화시험 방법을 범용 유한요소 해석프로그램인 ABAQUS/CAE 6.10-1로 모델링하였다. 부재 내부의 온도분포를 파악하는 열전달 해석을 수행한 후, 부재 내부의 온도분포와 온도별 재료의 기계적 특성을 이용하여 응력-변형률 해석을 수행하였다.
열전달 해석에 사용될 강재의 밀도, 열전도율, 비열과 온도별 기계적 특성은 Eurocode 1993-1-2 (Design of Steel Structure)를 참고하였다. Eurocode는 상온에서의 기계적 특성 대비 감소 비율을 온도별로 나타낸다.

성능/효과

1) Wire-mesh를 설치한 PCM 충진형 바닥 시스템은 하부 강판의 내력 상실, 길이방향 Wire의 내력 상실을 기점으로 3단계 다른 거동 특성을 보인다. 시스템의 내화성능에 영향을 미치는 구간은 길이방향 Wire의 내력상실 구간이다.
2) Wire-mesh는 상부면의 온도 변화량에 큰 역할을 미치지 않지만, 처짐 값에 상당한 영향을 미친다.
3) 단면 내 Wire-mesh의 강성이 아닌 Wire 직경의 크기가 Wire의 내력 상실 시간을 늦추어 2시간 후 처짐의 결정한다.
이는 하부 강판으로부터 길이방향 Wire가 위치한 길이가 폭방향 Wire의 직경과 같기 때문이다. 최종 처짐 값은 단면 내 Wire-mesh의 강성보다 Wire의 직경 크기에 따라 Wire 내력 상실 시간이 지배적인 영향을 미쳤다. T41과 T41w4.

후속연구

2]와 같이 iFLASH System을 적용한 건물에 대해 바닥 진동 실험을 진행하여 진동저항 성능¹¹⁾을 확인하였다. 내화피복이 없는 바닥 구조부재로 사용하기 위해 각 성능별 연구가 계속 진행 중이며, 부착력을 바탕으로 개발된 PCM을 충진한 초기 iFLASH System의 내화실험 결과에 기초하여 iFLASH System의 내화성능 연구가 진행 중이다. KS기준^15),16)의 내화시험 방법에 따라 iFLALSH System을 가열할 경우 하부 강판의 내력저하가 나타나면서 처짐이 급격하게 증가하기 시작한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	iFLASH System을 개발 하게된 배경은 무엇인가?	하지만 위에서 언급한 개발된 콘크리트와 강재를 사용한 부재의 경우, 구조 부재의 단면 감소, 자중 저감 등의 구조적 효율성이 크게 변하지 않고, 합성 구조시스템의 경우, 설치 및 운반이 어려워 시공성이 떨어진다는 단점이 있다. 또한 신소재를 활용한 시스템들의 경우 연구 진행단계가 초기 수준이며, 대부분 해외에서 생산되는 시스템이기 때문에 구조재로 사용하기 위해서는 물량 증가로 인해 경제성이 떨어진다. 또한 설치의 어려움, 정밀 시공 등의 시공 효율성이 낮고 공기를 증가시켜 현장 적용가능성이 아직 상당히 낮다고 볼 수 있다. 따라서 시공효율성 및 공기 문제를 해결하고 획기적인 단면 감소, 자중 저감으로 구조 효율성을 높일 수 있는 iFLASH(Innovative Fire proof, Light-weighted, Absorbed, Shallow and Hybrid) System을 개발하였다.
	iFLASH System이란 무엇인가?	iFLASH System은 [Fig. 1]과 같이 상하부 강판 사이에 강한 부착력9)을 가진 친환경 상변화물질(Phase Change Material, PCM)을 충진한 조립식 합성바닥 부재이다. iFLASH System의 주요 특징은 자중저감, 층고절감, 공기단축, 친환경성, 방폭10) 및 진동 저항성능11), 내화성능12),13)으로 크게 나눌 수 있다.
	iFLASH System의 주요 특징은 무엇인가?	1]과 같이 상하부 강판 사이에 강한 부착력9)을 가진 친환경 상변화물질(Phase Change Material, PCM)을 충진한 조립식 합성바닥 부재이다. iFLASH System의 주요 특징은 자중저감, 층고절감, 공기단축, 친환경성, 방폭10) 및 진동 저항성능11), 내화성능12),13)으로 크게 나눌 수 있다.

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