[논문]고온조건에서 콘크리트의 수분증발 해석기법

이태규

doi:10.5392/jkca.2017.17.07.538

고온조건에서 콘크리트의 수분증발 해석기법
Analytical Method for Moisture Vaporization of Concrete under High Temperature 원문보기

한국콘텐츠학회논문지 = The Journal of the Korea Contents Association, v.17 no.7, 2017년, pp.538 - 545

초록
AI-Helper

콘크리트가 화재에 노출되면 콘크리트 표면에서의 수분뿐만 아니라 콘크리트 내부에서의 수분도 수분의 평형 및 전달조건에 의하여 증발이 발생된다. 수분의 평형조건은 재료의 자기이력거동으로 표현되는 물의 증발에 대한 수착등온선 관계로 설명된다. 본 논문은 화재시 콘크리트 내부의 수분변화를 예측하고자 하는 것으로 부재 내부의 임의의 위치에서의 상대함수율을 산정하기 위하여 유한요소방식을 적용하였다. 또한 고온에서 콘크리트의 수분확산 특성치에 대해서도 모델식을 제시하였다. 이러한 해석기법의 정확성을 검증하기 위하여 실험데이터와 비교하였으며, 그 결과 수분증발로 인하여 수분이 감소되는 효과를 포함한 전반적인 부재 내부의 수분이동현상이 실제 실험데이터와 거의 유사하게 나타나는 것으로 확인되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Moisture evaporates, when concrete is exposed to fire, not only at concrete surface but also at inside the concrete to adjust the equilibrium and transfer properties of moisture. The equilibrium properties of moisture are described by means of water vapor sorption isotherms, which illustrate the hysteretical behavior of materials. In this paper, the prediction method of the moisture distribution inside the concrete members at fire is presented. Finite element method is employed to facilitate the moisture diffusion analysis for any position of member. And the moisture diffusivity model of high strength concrete by high temperature is proposed. To demonstrate the validity of this numerical procedure, the prediction by the proposed algorithm is compared with the test result of other researcher. The proposed algorithm shows a good agreement with the experimental results including the vaporization effect inside the concrete.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 본 논문에서는 콘크리트 내부에서의 수분증발에 따른 영향을 포함한 비정상상태 수분확산방정식을 전개하고, 고온에서의 재료의 수분이동 특성에 관한 해석적 모델링을 수행하고자 한다. 또한 이로부터 콘크리트 부재 내부에서의 시간에 따른 상대함수율의 변화 과정에 대한 해석적 알고리즘을 개발하고자 한다.
따라서 본 논문에서는 콘크리트 내부에서의 수분증발에 따른 영향을 포함한 비정상상태 수분확산방정식을 전개하고, 고온에서의 재료의 수분이동 특성에 관한 해석적 모델링을 수행하고자 한다. 또한 이로부터 콘크리트 부재 내부에서의 시간에 따른 상대함수율의 변화 과정에 대한 해석적 알고리즘을 개발하고자 한다.
본 논문에서는 고온 하에서 콘크리트의 수분확산, 발산, 내부증발의 수분이동과정, 수착등온선에 의한 정식화, 재료의 수분이동 특성치 개발을 모두 고려한 콘크리트의 수분증발을 평가할 수 있는 해석적 알고리즘을 개발하였다. 화재와 같은 고온 조건에서는 온도와 수분 이동이 상호 밀접한 연관관계를 가지기 때문에 보다 정밀한 해석을 수행하기 위하여서는 기화조건을 판단하고 이에 따라 온도해석과 수분이동해석을 동시에 병행하는 기법의 적용이 필요하였으며, 이중 본 논문에서는 수분이동해석에 관한 내용만으로 구성하였다.

제안 방법

기존의 해석 알고리즘의 경우 에는 수분이동과 온도를 독립적인 관계로 취급하여 각기 별도의 해석을 수행하고, 최종적인 결과들만을 단순 하게 합산(summation)하는 방식을 취하고 있다. 그러나 본 논문에서는 기화조건을 설정하고 증발에 따른 함수율 변화를 고려하기 위하여 수분이동과 온도를 서로 연계하여 동시에 평가하는 방식을 적용하였으며, 이중 본 논문에서는 수분이동 해석에 관한 내용만으로 구성 하였다.
따라서 본 논문에서는 고강도 콘크리트까지의 적용성 확대를 위하여 고차항의 식을 근간으로 하고, 물-결합재비(W/B )가 0.2～0.3 정도일 때 표면계수가 (1～ 2)×10-5을 보이는 연구결과[11]와 수분이 없을 경우에는 표면계수가 0이라는 경계조건을 추가하여 식(12)과 같은 모델식을 제안하였다.
따라서 본 논문에서는 모든 상대습도 범위에 대하여 적용되면서 탈착등온선에 근접한 다음과 같은 식을 제안하였으며, 그 형상은 [그림 2]와 같다.
화재와 같은 고온 조건에서는 온도와 수분 이동이 상호 밀접한 연관관계를 가지기 때문에 보다 정밀한 해석을 수행하기 위하여서는 기화조건을 판단하고 이에 따라 온도해석과 수분이동해석을 동시에 병행하는 기법의 적용이 필요하였으며, 이중 본 논문에서는 수분이동해석에 관한 내용만으로 구성하였다. 또한 사 용되는 재료의 수분이동 특성치인 수분확산계수 및 표면계수에 대하여서도 분석하였다.
사용된 콘크리트의 배합은 [표 1]과 같으며, 타설 1일 후 27일간 수중양생한 후 다시 기건상태로 28일 경과된 시험체를 대상으로 하여 해석결과와의 비교를 수행하였다. 해석시작시간에서의 초기 상대함수율은 실험결과에 의거하여 PC-25는 78%, PC-55는 90%로 각각 설정하였다.
벽체는 두께 120 mm에 500×500 mm크기로 제작하였으며, 철근은 D10을 사용하고 피복두께는 40 mm로 배치하였다. 상대함수율 변화를 측정하기 위한 센서는 함수율측정용 전극 [13]을 [그림 6]과 같이 표면으로부터 각각 30, 70, 90 mm의 위치에 매설하였으며, 건조개시재령을 두 가지 형태로 구분하여 각각 실험을 수행하였다. 화재는 비재 하 조건으로 [그림 7]과 같은 ISO 표준가열곡선[14]을 적용하여 한 면에서만 화재가 발생되는 것으로 하였으며, 시험시간은 2시간으로 설정하였다.
이와 같은 행렬방정식으로부터 상대함수율을 구하고 이를 다시 상대습도로 변환시키는 해석 알고리즘을 [그 림 3]과 같이 개발하였다. 기존의 해석 알고리즘의 경우 에는 수분이동과 온도를 독립적인 관계로 취급하여 각기 별도의 해석을 수행하고, 최종적인 결과들만을 단순 하게 합산(summation)하는 방식을 취하고 있다.
콘크리트 표면에서 외부 환경으로의 기체상의 이동인 발산에 대하여 평가하기 위해서는 콘크리트 표면의 상대습도와 외기의 상대습도 사이의 관계를 설정하여야 하며, 본 논문에서는 다음과 같이 발산에 대한 경계 조건을 설정하였다.
지금까지는 수분확산이론(moisture diffusion theory) 의 적용에 있어서 콘크리트 내부 상대함수율과 상대습도를 동일하게 취급하여, 수분의 확산유속을 콘크리트 내부의 상대함수율 대신에 공극의 상대습도로 나타내는 방법을 사용하고 있다. 하지만 상대함수율과 상대습도는 동일한 값이 아니라 수착등온선의 관계로 변환시켜야 하기 때문에 본 논문에서는 보다 정밀한 해석을 수행하기 위하여 상대습도로 변경하지 않고 상대함수 율을 그대로 수식으로 전개하였다.
상대함수율 변화를 측정하기 위한 센서는 함수율측정용 전극 [13]을 [그림 6]과 같이 표면으로부터 각각 30, 70, 90 mm의 위치에 매설하였으며, 건조개시재령을 두 가지 형태로 구분하여 각각 실험을 수행하였다. 화재는 비재 하 조건으로 [그림 7]과 같은 ISO 표준가열곡선[14]을 적용하여 한 면에서만 화재가 발생되는 것으로 하였으며, 시험시간은 2시간으로 설정하였다. 가열에 따른 콘크리트 내부로의 열전달은 콘크리트 온도평가시스템 [15]에 의거하였다.
본 논문에서는 고온 하에서 콘크리트의 수분확산, 발산, 내부증발의 수분이동과정, 수착등온선에 의한 정식화, 재료의 수분이동 특성치 개발을 모두 고려한 콘크리트의 수분증발을 평가할 수 있는 해석적 알고리즘을 개발하였다. 화재와 같은 고온 조건에서는 온도와 수분 이동이 상호 밀접한 연관관계를 가지기 때문에 보다 정밀한 해석을 수행하기 위하여서는 기화조건을 판단하고 이에 따라 온도해석과 수분이동해석을 동시에 병행하는 기법의 적용이 필요하였으며, 이중 본 논문에서는 수분이동해석에 관한 내용만으로 구성하였다. 또한 사 용되는 재료의 수분이동 특성치인 수분확산계수 및 표면계수에 대하여서도 분석하였다.

대상 데이터

벽체는 두께 120 mm에 500×500 mm크기로 제작하였으며, 철근은 D10을 사용하고 피복두께는 40 mm로 배치하였다.

이론/모형

따라서 수분확산계수는 습도와 온도의 영향이 모두 포함되어 있으면서 현재 일반적으로 많이 사용되고 있는 다음과 같은 Mihashi와 Numao의 모델[9]을 적용하였다.
시간에 따른 함수율의 변화를 고려한 비정상상태 수분확산 평형방정식(transient moisture diffusion equation)을 적용하여 손실되는 열량을 산정하고, 이를 부피의 단위로 환산하면 증발에 의하여 소실되는 함수량을 산정할 수 있으며, 이를 식(3)과 같은 형태의 평형 방정식으로 전개하면 다음과 같다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	콘크리트는 어디에 사용되고 있는가?	콘크리트는 일반 토목 구조물뿐만 아니라 건축 구조물 등 모든 사회기반 구조물에 폭넓게 적용되어 사용되고 있다. 특히 최근에 들어 각종 구조물의 대형화 추세에 따라 장대교량, 특수교량, 고층 건축물 등이 다양하게 건설되고 있으며 이에 따라 고강도 및 고성능 콘크리트의 사용이 필수적으로 되어가고 있는 추세에 있다.
	온도와 습도의 변화는 수분확산계수에 어떤 영향을 미치는가?	수분확산계수는 당초 습도만의 함수로 여겨져 왔으나 이후 많은 연구에 따라 최근에는 온도와 습도의 복합함수로 취급되고 있다. 습도와 수분확산계수의 관계는 동일한 온도 하에서 습도가 90 % 이상이거나 40 % 이하일 때는 수분확산계수의 변화가 거의 없지만 그 사이인 40~ 90 %에서는 급격히 변화되는 것으로 알려져 있다. 또한 온도와 수분확산계수와의 관계는 동일한 습도 하에서 온도를 100℃ 이상 상승시키면 수분이 기화하여 투수성이 급격히 증가하기 때문에 수분확산계수 도 급격히 증가하며, 온도가 40~60℃ 이하일 경우에는 거의 변화가 없는 것으로 알려져 있다.
	구조물의 내화성능에 영향을 미치는 요인은?	화재와 같은 고온 하에서의 안전성은 결국 구조물의 내화성능(fire resistance)으로 평가되며, 내화성능은 고온 하에서의 구조부재의 하중저항성능으로 정의된다. 지금까지의 연구결과에 따르면 구조물의 내화성능은 콘크리트 압축강도, 내부 습도, 치밀성, 구조물의 크기와 형상, 사용재료, 하중조건, 화재발생조건 등에 따라 매우 큰 차이를 보이는 것으로 알려져 있다[1][2].

참고문헌 (15)

강석원, 이순이, 이태호, "화재 패턴인식을 위한 학습 알고리즘," 한국콘텐츠학회 학술대회 논문집, 제7권, pp.521-525, 2009.
김홍열, 고온영역에서 고강도 콘크리트의 역학적 특성에 관한 실험적 연구, 건국대학교, 박사학위논문, 2002.
김형준, 한상훈, 최승관, "화재시 콘크리트 요소 폭렬영향성 고찰," 한국화재소방학회 논문지, 제21권, 제2호, pp.54-63, 2007.
Z. P. Bazant and L. J. Najjar, "Nonlinear Water Diffusion in Nonsaturated Concrete," Materials and Construction, Vol.5, pp.3-20, 1972.

상세보기
V. Baroghel-Bouny, "Water Vapour Sorption Experiments on Hardened Cementitious Materials," Cement and Concrete Research, Vol.37, pp.414-437, 2007.

상세보기
강석화, 수화반응 모델과 미세구조의 상관관계 연구, 연구보고서, 과학기술부 국책연구개발사업, 동양메이저, 2001.
Z. P. Bazant, "Thermodynamics of Hindered Adsorption and Its Implications for Hardened Cement Paste and Concrete," Cement and Concrete Research, Vol.2, No.1, pp.1-16, 1972.

상세보기
I. M. Smith and D. V. Griffiths, Programming the Finite Element Method, 3rd Edition, John Wiley & Sons, 1998.
H. Mihashi and T. Numao, "Diffusion Process and Shrinkage of Concrete at Evaluated Temperatures," Journal of JCI, Vol.10, pp.139-146, 1988.
K. Sakata, "A Study on Moisture Diffusion in Drying and Drying Shrinkage of Concrete," Cement and Concrete Research, Vol.13, pp.216-224, 1983.

상세보기
J. K. Kim and C. S. Lee, "Moisture Diffusion of Concrete Considering Self-Desiccation at Early Ages - An Experimental Investigation," Cement and Concrete Research, Vol.29, No.12, pp.1921-1927, 1999.

상세보기
高正遠, 田村政道, 兼松學, 野口貴文, "火災加熱條件下にあはるコシクリ一トの細孔構造の變化と熱.水分移動に關する實驗的硏究," 日本建築學會大會學術講演槪要集, pp.55-56, 2005.
고정원, 박상준, 오보환, "화재 가열 환경 하에 있는 콘크리트 중의 열 수분 이동 측정 시스템," 한국콘크리트학회지 기술기사, 제16권, 제9호, pp.58-62, 2007.
ISO Technical Committee 92, Properties of Materials at High Temperatures, RILEM Committee 44, 1985.
이태규, "기화열을 고려한 콘크리트의 온도평가시스템 개발," 한국콘텐츠학회논문지, 제15권, 제12호, pp.604-611, 2015.

원문보기 상세보기

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증