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다양한 설계변수를 고려한 고온에서의 고강도콘크리트 기둥의 열적거동에 관한 연구

Title
다양한 설계변수를 고려한 고온에서의 고강도콘크리트 기둥의 열적거동에 관한 연구
Other Titles
Effects of Various Design Factors on the Thermal Behavior of High Strength Concrete Columns under High Temperature
Authors
박지은
Issue Date
2011
Department/Major
대학원 건축학과
Publisher
이화여자대학교 대학원
Degree
Master
Advisors
신영수
Abstract
최근 도시 집중화 현상으로 건축 구조물이 고층화, 대형화됨에 따라 구조 성능을 향상시키기 위한 재료로 고강도콘크리트의 사용이 점차 일반화되고 있다. 일반적으로 콘크리트는 다른 구조재료에 비해서 열전도율, 열 확산계수가 현저히 낮고, 고온에서 완전붕괴에 도달하기까지의 에너지 소산능력이 우수하기 때문에 화재가 일어난 경우 건물사용자에게 충분한 대피시간을 확보해준다. 그러나 일반강도 콘크리트에 비해 낮은 물-시멘트 비와 투기성을 갖고, 더 많은 시멘트 계 재료를 사용하는 고강도콘크리트는 화재 발생 시 폭 렬 을 일으킬 수 있는 가능성이 더욱 높아 구조적 측면에서 문제시되고 있다. 따라서 고강도콘크리트를 사용할 경우 화재 시 폭 렬 현상에 대한 충분한 고려와 이에 대한 정확한 구조거동 파악 및 폭 렬 저감 방안에 관한 구체적 연구가 요구된다. 본 연구에서는 부재크기, 피복두께, 철근 배근과 철근 비, 화재성상, 콘크리트 강도를 변수로 하여 고온에서의 고강도콘크리트 기둥의 열 적 거동을 분석하고자 하였다. 이를 위해 화재실험을 수행하여 각 변수에 따른 온도분포와 폭 렬 성상을 살펴보았다. 또한 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS version 6.10을 이용하여 고강도콘크리트 부재의 내부온도분포를 예측할 수 있는 해석기법을 제시하였다. 본 열 해석은 고온에서의 고강도콘크리트의 열 적 특성과 실험을 통해 측정한 단면손실률을 고려하여 해석을 수행하였다. 연구 결과, 부재크기가 클수록, 피복두께가 작을수록, 철근 배근 간격이 좁고 철근비가 클수록, 화재곡선 온도가 급격하게 증가할수록, 콘크리트 강도가 클수록 더 높은 온도분포와 폭 렬 양을 보였다. 열 해석을 통해 얻은 결과 값은 실험값과 유사한 온도분포를 보였으며, 이에 해석 방법이 타당하다고 판단되어 추가적으로 부재크기와 철근간격에 대한 변수해석을 수행하였다.;Due to the trend of large and high-rise buildings, use of high strength concrete has become popularized in order to increase the structural performance. Generally, concrete has low thermal conductivity and thermal diffusion coefficient compared to other structural materials and shows excellent energy dissipation capacity till full collapse providing sufficient time for the people to evacuate the building when exposed to fire. However, high strength concrete shows relatively low fire resistance capacity compared to normal strength concrete. Especially, spalling is occurred as significant damage of high strength concrete under high temperature. Thus, consideration of spalling phenomenon and accurate understanding of thermal and structural behaviors of high strength concrete is necessary to prevent structural damage due to fire. In this study, effects of various design factors on thermal behaviors of high strength concrete columns under high temperature are observed. The studied parameters are sizes of cross sectional area, cover thickness, reinforcement arrangements, steel ratios, fire characteristics, and concrete strengths. Temperature distributions and area/weight loss are measured from the fire experiments and compared between different specimens. Moreover, Finite Element Analysis is performed by using ABAQUS version 6.10 to propose analytical method that can be used to predict the temperature distributions in high strength concrete members. The FE models include temperature dependent thermal properties of high strength concrete under high temperature and the area loss measured from the experiments. Experimental results show that higher temperature with larger spalling is occurred on the larger column section, smaller cover thickness, smaller space between reinforcements, larger steel ratios, higher rate of temperature rise of the fire curve, and finally larger concrete strength. The proposed analytical results are in good agreements with the experimental results which proves the validity of the analysis method proposed in this study. Due to the method's reliability, parametric study is performed additionally to investigate the effects of cross sectional areas and reinforcement arrangements on thermal behaviors of high strength concrete.
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