화재 시 철근콘크리트 구조물의 성능에 영향을 미치는 화재 영향 인자의 효과에 관한 연구

Abstract

최근 건물의 고층화 및 도심지역 기반시설의 복잡화로 인하여 건물들 간의 상호의존성이 높아져 화재 발생 시 그 피해 규모가 증가하고 있으며, 이러한 대규모의 화재 사고에 대한 대책으로, 신속한 화재 진압 활동 및 대피 활동을 위한 건축물의 구조적 안전성 예측에 대한 관심이 꾸준히 증대되고 있는 실정이다. 이를 위해 실규모의 화재 실험을 통해 화재 시 화염의 양상 및 실내 온도분포를 파악하고 있으나, 화재 실험을 수행하기에는 안전 및 경제적인 이유로 어려움이 많은 실정이다. 이를 보완하기 위해, 최근에는 CFD(Computational Fluid Dynamics) 기반의 화재 전파 예측 기술 및 다양한 구조해석 프로그램을 통해 화재 양상을 예측하고 구조적 거동을 파악하고 있다. 또한 건축물에서 화재가 발생하였을 경우, 화재 양상 및 구조물의 성능 변화에 영향을 미치는 요인이 다양하여 신속한 피해 규모 파악 및 대응이 어려운 실정이다. 따라서 화재 시 화재 양상 및 구조 거동에 영향을 미치는 다양한 인자를 파악하여, 이들이 건축물의 구조 성능 변화에 어떠한 영향을 미치는지 파악할 필요가 있다. 본 연구에서는 개구부의 개폐 여부, 인화물질의 면적, 실의 면적, 지지점 조건을 변수로 하여 화재 시 구조물의 성능 변화를 파악하고자 하였다. 이를 위해 화재 시뮬레이션을 수행하여 각 변수에 따른 실내 온도 분포를 파악하였으며, 유한요소 해석 수행을 통해 각 부재의 내부 온도 및 구조 성능 변화를 파악하였다. 또한 이를 바탕으로 화재 시간에 따른 각 부재의 잔존 구조 성능을 시각적으로 나타내주는 프로그램을 제안하였다. 연구 결과, 개구부가 모두 개방된 경우 화재실에서 높은 온도가 확인되어 화재실에 위치한 부재에서 큰 구조 성능 변화를 보였으나, 창문이 폐쇄된 경우에는 환기의 영향으로 계단실 부근에서 높은 온도 및 큰 구조 성능 변화가 나타났다. 또한, 인화물의 면적이 클수록 실내의 온도가 증가하여 각 부재의 구조 성능 변화가 증가하였다. 실의 면적은 감소할수록 개구부를 통한 복도로의 화재 전파가 증가하여 복도의 온도가 증가하였다. 이에 따른 구조 해석 결과 실의 면적과 관계없이 화재실의 구조 성능 변화는 유사하였으나, 실의 면적이 감소할수록 복도 부재의 구조 성능 변화가 증가하였다. 마지막으로 지지점 조건에 따른 구조 해석 결과, Pin-Roller와 Pin-Pin으로 구속되었을 때는 유사한 구조 성능 변화를 보였으나 Fix-Fix로 구속되었을 때 보다 큰 구조 성능 변화가 확인되었다.;Recently, fire propagation and structural behavior are predicted by using various fire dynamics simulators and structural analysis programs. Also, When a fire occurs in a building, temperature distributions are affected by many environmental factors. That is, structural behavior of the building under fire varies with conditions of building, such as location of fire initiation, opening conditions and the size of inflammable materials. Therefore, there is a need to investigate factors that affect the structural behavior and evaluate how these factors affect structural performance of the structural members. This paper aims at investigating structural performance of reinforced concrete structure according to influencing parameters under fire. Towards that goal, effects of influencing parameters on heat propagation are investigated through the computational fluid dynamics (CFD) model, Fire Dynamics Simulator (FDS). In addition, temperature distribution and residual performance of the structural members are evaluated by finite element method. Finally, on the basis of the results, an automated evaluating method for residual performance of the structural members under fire considering various influencing parameters is developed. As a result, the following results can be drawn. 1) When the openings are opened, maximum temperature is obtained from fire initiated room and structural performance of the structural members in the fire initiated room are greatly reduced. On the other hand, when windows are closed, the temperature and structural performance are changed greatly near stairways. 2) The temperature and structural performance are changed greatly with the size of inflammable materials. 3) As the size of room decreases, fire is moved to corridor and structural performance of the structural members in corridor are dropped greatly. 4) The beam supported with pin-pin shows a similar structural performance when the beams is supported with pin-roller. Also, when the boundary conditions of beam are fixed, the structural performance dropped greatly.