[논문]갤러킨 유한요소해석 방법을 이용한 열전도 해석 모델 구축에 관한 연구

강승구; 김동준; 이재영; 한병찬; 권영진

갤러킨 유한요소해석 방법을 이용한 열전도 해석 모델 구축에 관한 연구
A study on the analysis model of heat conduction using the Galerkin Method 원문보기

강승구 (호서대학교 소방방재학과) , 김동준 (호서대학교 소방방재학과) , 이재영 (교토대학 건축공학과) , 한병찬 (우송정보대학 건축공학과) , 권영진 (호서대학교 소방방재학과)

본 연구는 비선형 비정상 온도분포해석에 대하여 갤러킨 유한요소해석 방법을 응용하고 2차원 삼각형 요소를 사용하였다. 이에 대하여 실험값과 해석값을 비교한 결과 모든 실험체에서 0.96~1.03의 차이가 있었으며 10%의 오차 범위 안에 있었다.

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문제 정의

따라서 본 연구는 화재 등과 같은 고온 환경에 대하여 철근콘크리트 구조물의 내화성능에 관한 해석적 연구의 일환으로 갤러킨 유한요소해석 방법을 이용한 비선형 비정상 온도분포해석(Nonlinear transient heat flow analysis) 기법을 제시하였으며, 실규모 슬래브의 1면 내화실험을 실시하여 수치해석 모델의 검증과 유효성을 확인하여 내화성능 평가 방법 정립 및 화재에 대한 안전성 검토를 위한 기초자료를 제시하고자 한다.

제안 방법

Fig 1에 모델링에 대한 개요를 나타내었으며, 크기는 190x180mm를 대상으로 3절점 삼각형 요소를 이용하였다. 또한 요소분할은 20x20mm를 기준으로 경계부분에 급격한 온도구배를 고려하여 1/2로 분할하였다.
. 시간의존 열적특성을 온도함수로 치환하였으며. 다음 식(4)과 같이 나타낼 수 있다.

대상 데이터

내화 가열 실험 후 해석기법의 구축은 FORTRAN 90을 이용하였으며, 비정상 유한요소 해석 기법을 위해 일본 교토대학의 原田가 제작한 열전도 모델을 사용하였다. Fig 1에 모델링에 대한 개요를 나타내었으며, 크기는 190x180mm를 대상으로 3절점 삼각형 요소를 이용하였다. 또한 요소분할은 20x20mm를 기준으로 경계부분에 급격한 온도구배를 고려하여 1/2로 분할하였다.
실험체는 4000x600x180의 슬래브 형태로 다음 Fig 1과 같이 제작하였으며, Table 1은 내화 가열실험의 계획을 나타낸 것이다. 내화 가열 실험 후 해석기법의 구축은 FORTRAN 90을 이용하였으며, 비정상 유한요소 해석 기법을 위해 일본 교토대학의 原田가 제작한 열전도 모델을 사용하였다.

이론/모형

계획을 나타낸 것이다. 내화 가열 실험 후 해석기법의 구축은 FORTRAN 90을 이용하였으며, 비정상 유한요소 해석 기법을 위해 일본 교토대학의 原田가 제작한 열전도 모델을 사용하였다. Fig 1에 모델링에 대한 개요를 나타내었으며, 크기는 190x180mm를 대상으로 3절점 삼각형 요소를 이용하였다.

성능/효과

이에 따라 기존연구에서는 유한차분법 이나 유한요소법 과 같은 근사해석 기법을 이용한 콘크리트 부재의 내화성능 평가방법이 제시되었다. 3)4)유한차분법에 의한 콘크리트의 열전달 모델$은 차분법이 갖는 시간의 수렴 조건에 대한 한계로 화재 등과 같이 급격한 온도변화를 나타내는 부재의 해석에서 안정성에 대하여 문제가 있다.
갤러킨 유한요소해석 방법을 응용한 비선형.비정상 온도분포해석 기법 구축 및 해석을 통하여 실험치와 해셕결과치의 비율(Exp/Ana)은 RC-F1의 30분(=0.84)를 제외한 모든 실험체에서 0.96~1.03의 차이가 있었으며 10%의 오차 범위안에 있었다. 이에 대하여 수분 이동 및 이를 통해 추가되는 증발속도를 고려한다면 향후 화재성상에 근사한 예측이 가능하다고 사료된다.

후속연구

03의 차이가 있었으며 10%의 오차 범위안에 있었다. 이에 대하여 수분 이동 및 이를 통해 추가되는 증발속도를 고려한다면 향후 화재성상에 근사한 예측이 가능하다고 사료된다.
특히, 콘크리트 재료의 건축 구조물의 내화성능을 실험적으로 규명하는 것은 그 규모 및 경제적 측면에서 한계가 있으며, 이에 대한 해석적 연구가 필요하다. 이에 따라 기존연구에서는 유한차분법 이나 유한요소법 과 같은 근사해석 기법을 이용한 콘크리트 부재의 내화성능 평가방법이 제시되었다.

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