선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구에서는 유한요소 해석프로그램을 통해 내화재를 보강한 RC보를 모델링하여 해석하였다. 선행연구를 통해 얻은 내화재를 보강한 RC보의 실험 값과 유한요소 해석을 통해 얻은 해석 값을 비교하여 다음과 같은 결과를 도출하였다.
- 본 연구의 목적은 FRP로 보강된 철근콘크리트 부재의 내화단열 재료의 특성을 규명하고 이를 활용하여 내화단열 설계를 위한 해석방법을 제공하는 것이다. 이를 위하여, 내화 단열재에 대한 이면온도 실험을 실시하고 내화재의 열적 특성인 열전도율과 비열을 구하였다.
가설 설정
- 유한요소 해석 시 가열조건으로는 콘크리트의 열적 특성이 내부온도(\(T_1\))에 영향을 미치지 않는다는 가정 하에 Fig 11과 같이 밑면에서 가열되는 1면가열을 설정하였다. 해석시 내화 모르타르와 내화 보드의 열적특성은 Table 1과 2의 값들을 사용하였고 열전도율은 Fig.
제안 방법
- 열전도율은 반복해석을 통해 이면온도 실험결과를 도출하는 값으로 하였으며 내화보드의 열적 특성 또한 내화모르타르와 동일한 방법을 통해 열전도율을 구하였다. B사의 Calcium silicate 제품을 참고하여 비열 1,000 J/kg℃를 고정 값으로 하고 반복해석을 통해 열전도율을 구하였다.
- FRP로 보강된 부위에 내화단열을 위한 재료특성을 파악하기 위하여 이면온도 실험을 실시하였다. 이면온도 실험이란 재료의 한쪽 면을 가열하여 가열하지 않은 면의 온도를 측정하는 것으로써 재료의 열적 특성을 파악하기 위한 실험이다.
- 이를 위하여, 내화 단열재에 대한 이면온도 실험을 실시하고 내화재의 열적 특성인 열전도율과 비열을 구하였다. 그리고 고온에 노출된 FRP로 보강 보 실험체에 대한 유한요소 해석을 실시하고 이를 실험결과와 비교하여, 해석의 적합성을 평가하였다. 최종적으로는 제안된 해석방법에 따라 내화보강된 FRP 보강 보의 외부 온도조건에 따른 열적특성을 해석하고 그에 따른 보강효과 및 부재의 강도변화를 평가하였다.
- 기존 실험결과와의 비교를 통하여 해석방법의 적합성을 확인한 뒤, 전술한 재료 모델을 이용하여 내화재 두께별로유한 요소 해석을 통해 내부온도를 예측하였다. 유한요소 해석 시내화모르타르 두께를 10, 20mm로 하였으며, 내화보드 두께는 20, 30, 45mm로 해석하였으며 그 결과를 Fig.
- 본 연구에서는 유한요소 해석프로그램을 통해 내화재를 보강한 RC보를 모델링하여 해석하였다. 선행연구를 통해 얻은 내화재를 보강한 RC보의 실험 값과 유한요소 해석을 통해 얻은 해석 값을 비교하여 다음과 같은 결과를 도출하였다.
- 실험과 유한요소해석을 통하여 구한 내화 모르타르와 내화보드의 열적특성을 이용하여 내화재로 보강된 RC보의 열전도 해석을 실시하였다. 해석대상 보는 Lim 등에 의해 수행된 실험체 (2017)로서, 단면이 200mm×300mm이고 길이가 2,000mm이다.
- 실험도중 가열온도(\(T_1\))과 외부온도(\(T_2\))를 측정하기 위하여 시험체의 양면 중앙 위치(\(T_1,T_2\))에 열전대를 설치하였다. Figs.
- 실험체 내부 철근의 온도는 콘크리트와 동일하게 ACI committee 216 (2007)에서 제시한 피복두께에 따른 부재 내부의 온도분포도를 적용하여 압축철근의 평균 온도를 계산하였다. 철근의 경우 300℃에서부터 강도저하가 시작되지만 내화단열재가 보강된 보는 콘크리트 내부의 인장철근의 온도가 300℃를 넘지 않는 것으로 나타나 강도저하가 발생하지 않는 것으로 하였다.
- 내화모르터의 비열값은 시멘트 모르타르의 제조 회사인 I사의 CM01 제품을 참고하여 837 J/kg℃을 고정 값으로 입력하였다. 열전도율은 반복해석을 통해 이면온도 실험결과를 도출하는 값으로 하였으며 내화보드의 열적 특성 또한 내화모르타르와 동일한 방법을 통해 열전도율을 구하였다. B사의 Calcium silicate 제품을 참고하여 비열 1,000 J/kg℃를 고정 값으로 하고 반복해석을 통해 열전도율을 구하였다.
- 기존 실험결과와의 비교를 통하여 해석방법의 적합성을 확인한 뒤, 전술한 재료 모델을 이용하여 내화재 두께별로유한 요소 해석을 통해 내부온도를 예측하였다. 유한요소 해석 시내화모르타르 두께를 10, 20mm로 하였으며, 내화보드 두께는 20, 30, 45mm로 해석하였으며 그 결과를 Fig.13에 나타내었다. 그림으로부터, 두께가 두꺼워질수록 내부온도가 낮아지는 것을 볼 수 있다.
- FRP 보강 전의 구조는 기본적인 콘크리트와 철근의 강도저하가 파괴의 원인이 되는 반면에, FRP 보강 후에는 접착제인 에폭시의 부착성능 저하로 탈락이 발생하여 강도가 저하된다. 이러한 열 손상정도를 고려하여 보의 휨 내력을 산정하였다.
- 본 연구의 목적은 FRP로 보강된 철근콘크리트 부재의 내화단열 재료의 특성을 규명하고 이를 활용하여 내화단열 설계를 위한 해석방법을 제공하는 것이다. 이를 위하여, 내화 단열재에 대한 이면온도 실험을 실시하고 내화재의 열적 특성인 열전도율과 비열을 구하였다. 그리고 고온에 노출된 FRP로 보강 보 실험체에 대한 유한요소 해석을 실시하고 이를 실험결과와 비교하여, 해석의 적합성을 평가하였다.
- 그리고 고온에 노출된 FRP로 보강 보 실험체에 대한 유한요소 해석을 실시하고 이를 실험결과와 비교하여, 해석의 적합성을 평가하였다. 최종적으로는 제안된 해석방법에 따라 내화보강된 FRP 보강 보의 외부 온도조건에 따른 열적특성을 해석하고 그에 따른 보강효과 및 부재의 강도변화를 평가하였다.
- 보강된 CFRP의 인장강도와 탄성계수는 각각 2,800 MPa, 160,000MPa 이며 에폭시는 압축강도 70MPa, 인장강도 28MPa, 탄성계수 128,000MPa, 전단강도 18MPa 이다. 표면 매입 공법은 두께 1.2mm 폭 16mm인 FRP를 폭 50 mm간격으로 3열 매입하였고 표면 부착 공법은 두께 1.2 mm이고 폭 50 mm인 FRP를 한 장 부착하였다.
대상 데이터
- 내화모르타르와 내화보드 시험체는 220mm ×220mm의 규격으로서 두 종류의 두께 (20mm, 30mm)로 제작하였다.
- 대상으로 하는 보는 전술한 Lim 등 (2017)의 보 실험체와 동일한 규격으로서, 단면이 200mm×300mm이고 길이가 2,000mm이다.
- 해석대상 보는 Lim 등에 의해 수행된 실험체 (2017)로서, 단면이 200mm×300mm이고 길이가 2,000mm이다. 두께 10mm로 내화 모르타르를 보의 하부 중앙에 길이 1,600mm로 보강한 경우와 두께 30mm의 내화 보드를 보의 하부중앙에 길이 1,600mm로 Fig 11과 같이 내화 보강한 경우를 해석모델로 하였다. 그림에서 \(T_0\)와 \(T_1\)은 각각 가열면의 온도와 단열재 내부, 즉 FRP가 위치한 곳에서의 온도를 나타낸다.
- 2 MPa이다. 보강된 CFRP의 인장강도와 탄성계수는 각각 2,800 MPa, 160,000MPa 이며 에폭시는 압축강도 70MPa, 인장강도 28MPa, 탄성계수 128,000MPa, 전단강도 18MPa 이다. 표면 매입 공법은 두께 1.
- 이면온도 실험이란 재료의 한쪽 면을 가열하여 가열하지 않은 면의 온도를 측정하는 것으로써 재료의 열적 특성을 파악하기 위한 실험이다. 본 실험에서 대상으로 한 내화단열재는 Yeon 등의 연구결과(2014)를 근거로 하여, 내화모르터 및 내화보드를 대상으로 하였고, 대상 제품은 A사의 2,360 kg/m3의 밀도를 가진 내화 모르타르, 일본표준규격 JIS A 5430에서 요구하는 성능을 만족하는 JIC HOKUSEI사의 400 kg/m3의 밀도를 가진 내화보드이다. 내화모르타르와 내화보드 시험체는 220mm ×220mm의 규격으로서 두 종류의 두께 (20mm, 30mm)로 제작하였다.
- 해석대상 보는 Lim 등에 의해 수행된 실험체 (2017)로서, 단면이 200mm×300mm이고 길이가 2,000mm이다.
데이터처리
- 이면온도 실험을 통해 얻은 결과로부터 적합한 열전도계수를 찾기 위해서 유한요소 해석프로그램인 MIDAS FEA(2010) 를 사용하여 유한요소 해석을 진행하였다. 내화모르타르와 내화보드는 Fig.
이론/모형
- 실험체 내부의 평균 온도는 ACI committee 216 (2007)에서 제시한 피복두께에 따른 부재 내부의 온도분포도를 적용하여 내부 콘크리트의 평균 온도를 계산하였다. 온도에 따른 철근의 강도 잔존율은 Eq (4)로 정리하였다.
성능/효과
- 1) 내화재의 이면온도 실험과 유한요소 해석을 실시하여 내화보드와 내화모르타르의 열전도율과 비열을 구하였고 이를 이용하여 기존의 실험체에 적용한 결과, 실험 결과를 근사하게 예측할 수 있는 것으로 나타났다. 이에 따라 제안된 해석방법을 적용할 경우, 내화보드와 내화모르타르로 보강된 철근콘크리트 부재의 고온 노출 시의 온도 분포 등을 예측할 수 있을 것으로 사료된다.
- 2) 제안된 해석방법으로 FRP로 보강된 철근콘크리트 보의 내화성능을 평가한 결과, 20mm 이하의 내화보드를 이용할 경우에는 700℃에서 에폭시가 접착 성능을 상실하고 이는 FRP의 탈락이 발생하는 것으로 나타났다.
- 여기서, W/O FRP는 FRP보강이 없고 또한 내화단열보강 되지 않은 RC 부재를 나타내고, W NSM-FRP와 W EB-FRP는 각각 FRP로 표면매입과 표면부착보강되고 모두 10mm의 내화 모르타르와 30mm두께의 내화보드로 보강된 경우를 나타낸다. FRP보강이 없는 보는 외부온도 700℃까지 내력의 변화가 없지만, 그 이후에는 콘크리트와 철근의 재료물성변화에 따라 내력이 점진적으로 감소하는 것으로 나타났다. 반면에, FRP가 보강된 경우에는 600℃에서부터, 에폭시의 기능이 상실되기 때문에 보강효과가 상실되는 것으로 간주할 수 있다.
- 이와 관련하여, Song (2013)은 내화보드를 FRP보강 철근콘크리트 표면에 부착한 뒤 가열 실험을 실시하여 내화보드 30mm를 철근콘크리트 표면에 부착한 RC보는 외부온도가 480℃에 도달할 때까지 에폭시의 유리전이온도인 65℃에 도달하지 않는 것을 확인하였다. 또한 고성능 내화모르타르를 먼저 도포하고 내화보드를 부착한 경우에는 외부 온도가 600℃에 도달할 때까지 FRP부분이 에폭시 유리전이온도에 도달하지 않음을 밝혔다. 해석적 연구와 관련하여, Dai 등 (2015)은 FRP 표면부착보강후 내화단열처리된 RC 보의 화재노출후 거동을 파악하기 위하여 FRP와 콘크리트사이 계면의 상태변화를 나타낼 수 있는 재료의 구성방정식을 제안하고 삼차원 유한요소해석을 실시하였다.
- 내화모르타르의 경우에는 500℃까지 선형적으로 열전도율이 증가하다가 그 이후에는 다소 그 기울기가 커지며, 온도증가에 대하여 이차곡선으로 증가함을 알 수 있다. 반면에 내화보드의 경우에는 부분적으로 변동은 있으나, 온도증가에 따라 선형적으로 열전도율이 증가하는 것으로 나타났다.
- FRP로 보강된 실험체는 에폭시가 유리전이 온도에 도달하면 기능을 완전히 상실하게 된다. 전술한 해석 결과로부터, 외부 온도가 700℃에 도달하였을 때 단열재 내부온도는 60℃ 이상으로 나타났다. 따라서 이후의 온도에서 FRP의 탈락으로 보강재로써의 기능을 상실하고 이에 따라 보강에 의한 내력 기여는 없어진다.
- 특히 Seo 등 (2013)은 CFRP의 온도에 따른 인장시험, 에폭시의 상태변화 실험, 그리고 온도변화에 따른 부착성능 실험연구를 실시하고 그 결과로서, 부착강도의 측면에서 콘크리트를 보강하기 위한 효율적인 보강방법은 표면매입 보강공법이지만 주변온도가 높아질 경우에는 여전히 보강효과가 현저히 저하될 수 있음을 확인하였다. 특히, 주변 온도가 에폭시의 화학적 성질이 변화하기 시작하는 유리전이온도인 65℃에 근접할 경우, 부착성능이 저하되므로 구조물의 안전한 내화설계를 위해서는 부착용으로 사용되는 에폭시의 성능개선이 시급한 것을 확인하였다.
후속연구
- 3) MIDAS-FEA의 해석 값을 보다 정확하게 도출하기 위해서 각 재료의 이면온도 실험 시 정밀 측정 기구를 이용해야한다. 이러한 과정을 통해 재료의 열적 특성을 정확히 측정하여 해석 모델링의 개선 및 실제 실험 값과 비교하는 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 1) 내화재의 이면온도 실험과 유한요소 해석을 실시하여 내화보드와 내화모르타르의 열전도율과 비열을 구하였고 이를 이용하여 기존의 실험체에 적용한 결과, 실험 결과를 근사하게 예측할 수 있는 것으로 나타났다. 이에 따라 제안된 해석방법을 적용할 경우, 내화보드와 내화모르타르로 보강된 철근콘크리트 부재의 고온 노출 시의 온도 분포 등을 예측할 수 있을 것으로 사료된다.
- 이는 실제 실험에서는보의 측면도 고온에 노출되었지만 본 해석에서는 측면에서의 열전달을 고려하지 않음에 따른 것으로 보여진다. 전체적으로 2장에서 제시된 내화재료의 열적특성으로 고려하여 유한요소해석을 실시할 경우, 실제 내화단열에 따른 내부 온도를 추정할 수 있을 것으로 사료된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.