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화재하에서 고강도 콘크리트 기둥의 열적 거동에 영향을 미치는 인자 분석

Title
화재하에서 고강도 콘크리트 기둥의 열적 거동에 영향을 미치는 인자 분석
Other Titles
Analysis of Affecting Parameters on Temperature Behavior of High Strength Concrete Columns under fire
Authors
문지영
Issue Date
2012
Department/Major
대학원 건축학과
Publisher
이화여자대학교 대학원
Degree
Master
Advisors
신영수
Abstract
최근 들어 우리나라의 주거용 건물이 고층화되고 있는 추세로 고층 주거용 건물에서 화재가 발생할 경우 더 많은 경제적 손실과 인명 피해가 발생할 것이다. 특히 건축 구조물의 초고층화, 초대형화 추세에 따라 증가되고 있는 고강도 콘크리트의 사용은 일반화 되었다. 고강도 콘크리트는 일반강도 콘크리트에 비해 조기강도 구현률이 높다는 구조적 장점뿐만 아니라 부재의 단면 크기를 감소시키며 내구성 및 사용성 측면에서 우수하다는 장점을 가지고 있다. 일반적으로 철근콘크리트 구조물은 철골 구조에 비해 내화성이 우수한 것으로 알려져 왔다. 그러나 고강도 콘크리트의 경우 내부 조직이 조밀하여 화재 시 발생되는 내부 수증기를 배출 시키지 못해 갑작스럽게 부재 표면이 폭음과 함께 박리·탈락하는 폭렬(spalling) 현상이 발생한다. 따라서 폭렬 발생으로 인한 부재 파편의 비산 문제뿐만 아니라 구조체의 단면 손실 및 철근의 노출, 재료의 물성치 변화를 초래하여 구조 부재의 심각한 열적, 구조적 손상을 가져온다. 본 연구에서는 화해를 입은 고강도 콘크리트 기둥의 온도 분포 및 폭렬 성상에 영향을 미치는 다양한 영향 인자에 대한 분석을 수행하고자 한다. 따라서 콘크리트의 강도, 부재의 단면 크기, hoop의 간격, pp 섬유의 혼입량 등 고강도 콘크리트의 온도 및 폭렬에 영향을 미칠 수 있는 설계 요소들을 변수로 하여 단주 실험체를 제작하였다. 또한 pp 섬유 혼입량, 가열 실험 시 가력 하중의 유무를 변수로 실제 크기와 유사한 장주 실험체를 제작하여 가열 실험을 수행하였다. 추가적으로 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS version 6.10을 이용하여 고강도 콘크리트 기둥의 열전달 해석을 수행하였다. pp 섬유의 혼입량에 따른 부재의 온도분포를 해석적으로 실험값과 유사하게 구현하였다. 이를 기반으로 다양한 부재 크기에 대하여 pp 섬유의 혼입량 변화가 부재 내부의 온도 분포에 어떠한 영향을 미치는지 추가적인 해석 수행을 통해 알아보았다. 연구 결과 hoop의 간격이 넓을수록, 강도가 클수록, 단면크기가 클수록 폭렬 발생으로 인한 단면 손실률이 커지며, 이로 인해 내부 온도 분포 또한 높아진다. pp 섬유를 혼입한 경우 대부분의 실험체에서 폭렬이 발생하지 않았으나, pp 섬유로 인해 생긴 공극으로 열이 침투 되면서 내부 온도 분포는 높아지는 경향을 띈다.;Due to trend of large and high-rise buildings, use of high strength concrete has become popularized in order to increase the structural performance. The high strength concrete has advantages of early-strength revelation, and reducing required section area. Generally, concrete has low thermal conductivity and thermal diffusion coefficient compared to other construction materials. However, high strength concrete have less fire resisting capacity than normal strength concrete. Explosive spalling of concrete elements under fire is an important issue. The spalling causes signigicant damage on high strength concrete under fire by explosion of particles and loss of the cross sectional area. Also, spalling makes reinforcement exposed, and due to high temperature change of the material properties. The objective of this study is to investigate parameters of high strength concrete columns under high temperature. From the fire tests, temperature distributions of the column sections and loss of area/weight are obtained. Also parametic study is performed about amount of the polypropylene fiber in the concrete mixture using finite element analysis. In order to achieve this goal, fire tests are performed on high strength concrete columns with ISO834 standard fire curve for 90 minutes. The specimens are 18 short columns, 3 long columns. The studied parameters of short columns are strength of concrete, amount of polypropylene fiber, hoop distance and cross sectional area. For long columns, parameters are loading state and mixture of polypropylene fiber. The result of this study shows that large hoop intervals occur signigicant spalling on the higher concrete strength. The specimens mixed with polypropylene fiber don?t have high influence by spalling. The larger cross sectional area has the larger spalling, but in case of mixture of polypropylene fiber specimens observed the opposite results. The loaded specimen shows larger spalling and mixture of polypropylene fiber makes the temperature distribution of the specimen higher. The proposed analytical results are in good agreements with the experimental results which proves the validity of the analytical method proposed in this study.
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