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화재 피해를 입은 철근 콘크리트 휨 부재의 구조 거동에 관한 해석적 연구

Title
화재 피해를 입은 철근 콘크리트 휨 부재의 구조 거동에 관한 해석적 연구
Authors
이은주
Issue Date
2004
Department/Major
과학기술대학원 건축학과
Publisher
이화여자대학교 과학기술대학원
Degree
Master
Abstract
사회가 산업화, 도시화 되어감에 따라 화재로 인한 인명 및 재산피해는 더욱 커졌고 또한 이로 인해 막대한 국가적 손실을 초래하고 있다. 전체 화재 중 건축물이 차지하는 비율은 52.4%로서 화재건수의 절반 이상이 건축물에서 발생하며, 건축물 화재 중에서도 주택, 아파트 및 공장, 작업장의 화재건수가 75%에 달해 대부분의 화재는 주거시설 및 공장에서 발생하는 것으로 나타났다. 특히 각종 건축구조물의 고층화, 다양화, 대형화되어가는 추세에 따라 화재 발생요인은 날로 증대하고 있다. 우리나라에서 보편화되어있는 철근콘크리트 구조는 가장 실용적이며 내화적인 동시에 내구적인 것으로 그 성능이 평가되어져 왔다. 그러나 콘크리트는 온도가 상승함에 따라 탄성계수와 압축강도 등의 성능이 급격히 저하된다. 따라서 화재 시 온도가 상승함에 따른, 철근콘크리트 보에 대한 거동을 파악할 필요가 있다. 특히 고강도 콘크리트 보의 경우 낮은 물-시멘트비로 인해 일반 강도 콘크리트 보에서는 발생하지 않았던 폭렬 현상이 발생한다. 이로 인해 단면이 손실되고 내부 온도 증가도 커지는 모습을 실험을 통해 알 수 있었다. 하지만 보 해석에 관한 기존의 연구는 이러한 고강도 콘크리트의 주요 특징인 폭렬현상을 고려하지 않고 있다. 본 연구에서는 고강도 콘크리트의 주요특징인 폭렬 현상을 고려한 열 해석 모델을 바탕으로 철근 콘크리트의 온도변화에 따른 역학적 성질의 변화를 고려하여 화재시 보의 거동에 대해 예측, 평가하여 실제 실험에 의한 데이터와 비교 검증하고 이를 이용하여 열이 철근 콘크리트 보의 거동에 영향을 미치는 변수에 대하여 해석을 통하여 알아보았다. 우선, 고온하에서 철근 콘크리트의 재료적 특성과 여러 가지 재료모델에 대해 조사하고, 이를 바탕으로 유한차분법과 분절요소법을 사용하여 화재시 철근 콘크리트 보의 거동을 파악할 수 있는 프로그램을 작성하였다. 이렇게 작성한 프로그램을 실제 실험치와 비교한 결과 온도 해석시 고려되지 못한 콘크리트 내의 수분 증발 구간으로 인하여 일정하게 유지되는 온도구간을 갖지 못하는 차이를 보였다. 그러나 전체적인 경향은 매우 유사하게 나타났으므로 변수해석을 하기에는 무리가 없다고 판단하였다. 피복두께 변수의 경우, 내화기준 5cm를 기준으로 +1cm, -1 cm를 하여 4cm, 5cm, 6cm의 3가지 경우에 대하여 고강도, 일반강도 각각을 해석하여 비교하였다. 그 결과 피복두께가 커질수록 처짐이 적게 나타나는데 내화기준인 5cm인 경우보다 작은 4cm인 경우 그 처짐의 정도가 5cm, 6cm에 비해 현저히 크게 나타남을 알 수 있다. 고강도 콘크리트 보의 경우 60분 동안 가열한 실험체들은 피복 5cm의 경우 처짐은 약 10mm이고 피복 4cm의 경우 처짐은 약 20mm이다. 그러나 90분이 넘어가면 처짐과 부재의 내부온도가 급격히 상승하여 구조물에 손상을 입힘을 알 수 있다. 화재 시간에 따라 가열온도가 높아질수록 피복두께의 영향이 더 크게 나타난다. 철근 콘크리트 보의 인장철근비를 변화시켜 인장철근에 따른 화재시 보의 거동을 알아보았다. 최소철근비일 때는 처짐이 최대철근비와 최대철근비의 50%를 가질 때 보다 빠른 속도로 처짐이 증가하고, 약 30분에서 40분 정도부터는 그 처짐의 증가율이 서서히 발생한다. 최대철근비와 최대철근비의 50%를 갖는 경우는 처짐 속도, 처짐 크기 면에서 큰 차이는 나타나지 않지만 전체적으로 철근이 많이 들어간 경우 더 작은 처짐이 나타난다. 이러한 현상은 인장력에 저항하는 철근이 많이 들어갔기 때문이고, 고강도 콘크리트의 경우에는 폭렬시 단면 손실을 고려할 때, 인장철근이 있는 하부에서는 손실이 발생하지 않도록 해석모델을 만들었기 때문이기도 한 것으로 보인다. 최소철근비일 때의 처짐은 최대철근비, 최대철근비의 50%일 때의 처짐의 약 2.5∼3배 정도의 값을 갖는 것으로 나타났다. 다음으로, 콘크리트의 압축강도를 일반강도 240kg/cm^(2), 고강도 500kg/cm^(2) 로 하여 해석하였다. 일반강도 콘크리트와 실제로는 폭렬이 일어나지만 해석시 폭렬을 고려하지 않은 고강도 콘크리트를 비교하여 보면 콘크리트의 압축강도가 높을수록 보의 처짐이 적게 발생한다. 그러므로 폭렬이 일어나지 않는다면 콘크리트의 압축강도가 높을수록 화재에 강한 것이다. 그러나 실제로는 고강도 콘크리트의 경우 폭렬현상이 발생하기 때문에 그로 인한 단면손실을 고려한다면, 오히려 일반강도의 경우보다 처짐이 더 크게 발생하게 된다. 보의 단면 크기를 변화시켜 그 영향을 알아보았다. 각각 일반강도 콘크리트와 고강도 콘크리트를 사용한 경우, 최대 철근비일 때, 단면 춤이 작으면, 처짐이 급격히 증가하는 부분이 나타난다. 이것은 보 단면의 크기가 작을수록 최대 철근비로 인한 취성적 현상이 크게 나타난 것으로 보인다. 최대 철근비의 50%와 최소철근비를 갖는 경우에는, 보의 크기에 따른 거동이 처짐의 크기에서는 보 단면이 클수록 처짐이 적게 발생하는 등의 차이는 나지만, 전체 거동은 유사하게 나타났다. 마지막으로 재하하중에 따른 해석을 수행하였는데, 가열 초기에는 하중에 따른 처짐의 차이가 거의 나타나지 않으나 시간이 흐름에 따라 재하하중이 증가할수록 처짐이 증가하고 있다. 일반강도 콘크리트의 경우에 비하여 고강도 콘크리트가 그 차이가 크게 나타났으며, 이것은 폭렬 현상으로 인하여 고강도 코크리트의 단면이 줄어들고 그 내부온도가 높아지면서 재하 하중의 영향도 커진 것으로 생각된다. ;As the society is developing, the loss due to fire is increasing. It turns out that more than half of the fire breakouts have taken place within the architectural structures. In particular, in accordance with the tendency of building architectural structures more higher, more larger and more diverse in form, the fire-triggering factors are increasing day by day and it is becoming increasingly important to take care of the damaged structures. The reinforced concrete structures, a generally-used material in Korea, has been rated among the highest in terms of practicality, fire-resistance and durability. But concrete drops the capability of the elastic modulus and compressive strength as inner temperature is high. Especially, in case of high strength concrete, the low water-cement ratio induces the spalling. (The spalling didn't almost occur in case of the normal one). So, the section of concrete sustains loss and then the increasing of inner temperature is larger. But existing beam analysis studies are not considering spalling that is important property of the high strength concrete. In this study, I made the program that predicts and assess the thermal behavior of reinforced concrete structures during heating and verified. And then, using it, the parameters influencing the structural behavior of RC beams during heating is investigated. To begin with, the temperature-dependent material properties, the stress - strain relationships and the constitutive relation during heating were investigated. The material properties can be subdivided into two types; thermal properties for temperature distribution analysis and mechanical properties for structural analysis. Using F.D.M and the segmentation method, the program was made to predict the thermal behavior of reinforced concrete beams during heating. Comparing the result by program to the one by experiment, some differences in an early stage occurred. This phenomenon is why the temperature characteristics of the concrete cannot be duly accounted due to dehydration. So, the analysis result don't have a horizontal period. But because the result of analysis is similar tendency to the result of experiment, I concluded to use the program to execute the parameter study. They are observed the relative effects of main parameters - cover thickness, heating time, compressive strength of the concrete, the steel ratio. In a case of the cover thickness, on the basis of fire resistance standard 5cm, the analysis was executed about 4cm, 5cm, 6cm. As a result, if the cover is thicker, the deflection is smaller and the value 4cm less than the fire resistance standard shows much larger deflection than the others. As temperature during heating is higher, the influence of the cover thickness is larger. In the case of the reinforcing ratio change, the analysis is executed. As the value is larger, the deflection of the beam is restrained. In the case of the compressive strength of concrete, the analysis was executed about N.S.C(240kg/cm^(2)) and H.S.C(500kg/cm^(2)). Comparing normal strength concrete with high strength concrete that not considering spalling, as compressive strength is higher, the deflection is smaller. Therefore, if spalling doesn't occur, the high strength concrete is strong in fire. But actually, as high strength concrete occur spalling, if the section loss is considered, normal strength concrete is stronger than high strength concrete. Size effect on the behavior of the beam during heating is observed. If the beam has maximum reinforcing ratio and depth of the beam section is small, the rate of the deflection increasing becomes large. This is why the small section beam has the brittleness. max. reinforcing ratio and 50% of the max. reinforcing ratio have a little difference. The final parameter is the load during heating. The initial of heating has not shown the difference of the deflection but the load is more, the deflection is more. H.S.C beam has the more difference than N.S.C about the load parameter. This is because the effect of the load and the section loss become large due to spalling.
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