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Performance Assessment of Reinforced Concrete Bearing Wall Subjected to Fire

Title
Performance Assessment of Reinforced Concrete Bearing Wall Subjected to Fire
Other Titles
한 면이 화재에 노출된 철근콘크리트 내력벽의 구조성능평가
Authors
Jiyeon Kang
Issue Date
2017
Department/Major
대학원 건축도시시스템공학과
Publisher
이화여자대학교 대학원
Degree
Doctor
Advisors
신영수
Abstract
Reinforced concrete walls are widely used for residential buildings in Korea, playing a major role to resist against vertical and lateral loads. Although it is important to satisfy fire resistant performance of walls, studies of fire damaged concrete walls have been limitedly performed. Especially, it has been known that the normal strength concrete is relatively safe against fire, compared to the high strength concrete which shows spalling under fire. According to Korean building code, fire resistant structure must have thickness larger than 100mm. Also, the structures need to meet the performance criteria for one hour or two hours depending on the building purpose, number of floors, and height. The international building codes also suggest that the walls need to meet minimum thickness depending aggregates of the concrete. To investigate the fire resistance of the bearing walls in a structure, knowledge of the behaviors of isolated walls or sub-assembly testing in the standard furnace is required. Therefore, the experiments are performed to investigate the factors during a fire test on the load-bearing capacity of reinforced concrete walls. The factors are wall thickness, moisture content, axial load and heating area. Seventeen wall specimens are tested under the ISO 834 standard fire curve and loading test. The different temperature distributions of the walls vary depending on these factors. Among the variables, the wall thickness and moisture content have a significant effect on the load-bearing capacity of the fire-damaged walls. The walls with 150 ㎜ thickness is more damaged than the walls with 200 ㎜ and 250 ㎜ thicknesses because of the relatively thinner walls and moisture- content-sensitive. 2. The moisture clog inside thick walls with 200 and 250 ㎜ thicknesses prevents heat being transferred and this acts as insulation. It is becoming serious-especially in large moisture content, which have good fire resistance. But, the effect on the load-bearing capacity of the walls of the 200 ㎜ and 250 ㎜ thicknesses is not dependent heavily on the moisture content. The axial-loaded walls exert an effect on the change of the temperature distribution, but both the experiment and analytical results show that it is not enough to exert an influence on the load-bearing capacities. The proposed analytical modeling technique having moisture clog zone is able to predict thermal behavior of normal strength concrete walls under fire with consideration of moisture contents. Thermal properties for concrete and steel adapted from Eurocode 2 and the proposed thermal conductivity of moisture clog are applied to the model, the analytical results of models matches well with experimental results. In addition, a structure with two walls, two beams, two slabs and one column is tested under the ISO 834 standard fire curve to compare with the behavior of the isolated walls. The temperature distributions of two walls in a structure can be different depending on fire test condition or material properties by curing environment. However, the behavior of a wall in a structure and an isolated wall under fire condition are similar if these conditions are equal. The analytical method based on validated thought experimental results is applied to generate the fire-damaged walls with 2,800 high considering the buckling effect. The models for structural analyses generated to deformation shape after thermal analysis. The load-bearing capacity of the fire-damaged walls with pin supports at both ends does not significantly depend on the wall thickness, the reason for it is restraint of pinned ends. The difference of the load-bearing capacity of fire-damaged walls as moisture content, axial load, and eccentricity are within approximately 5 %. The load-bearing capacity of fire-damaged walls can be calculated by 500 ℃ isotherm method by Eurocode 2. 500 ℃ isotherm method is applicable to the walls with 150 ㎜ thickness although the minimum width of cross-section for 2h of fire resistance rate is 160 ㎜. However, for the wall with thickness 150 ㎜ and one-pinned end, the load-bearing capacity can be calculated by modified 500 ℃ isotherm method that concrete at a temperature more than 400 ℃ is neglected. Then, the finite element models of fire-damaged walls in a structure are developed to predict the load-bearing capacity of RC structures with the bearing wall system after fire. A typical bearing wall system structures in a fire is occurred the redistribution of the vertical load in walls. The vertical load in fire-exposed walls is moved to fire-unexposed or exposed wall in the side of a structure, it is remarkable in the larger axial load level. As a results both experiments of isolated walls and a structure with walls and analyses of isolated walls and a unit in a residential building, there is significant difference in temperature distribution of walls depending on variables. Although the load-bearing capacity of fire-exposed walls for 2 h is 55 to 73 %, the load-bearing capacity of a fire-damaged structure is 80 – 95 %. That is because the redistribution of the vertical load in walls is occurred in fire.;국내 아파트는 대부분 벽식구조로 건설되어 있으며, 주요부재인 벽체는 상부로부터 전달되는 수직력 뿐 아니라 수평력을 기초에 전달하는 역할을 하고 있다. 이러한 벽체의 내화성능을 확보하는 것은 매우 중요함에도 불구하고, 화재 손상을 입은 벽체의 연구는 거의 이루어지지 않고 있다. 특히 일반강도 콘크리트 벽체는 폭열이 발생하는 고강도 콘크리트에 비해 상대적으로 안전하다고 평가되고 있어, 고강도 콘크리트 벽체 위주로 연구가 수행되고 있다. 국내 건축법에서는 두께가 100 ㎜이상인 철근콘크리트벽을 내화구조로 규정하고 있으며, 건물의 용도, 층수, 높이에 따라 1시간 또는 2시간을 내화구조의 성능기준으로 정하고 있다. 해외 내화기준에서도 건물의 용도, 규모에 따라 화재성능등급(Fire Resisting rate)을 갖기 위한 벽의 최소두께를 콘크리트 골재별로 구분하여 제시하고 있는 수준이다. 본 연구에서는 화재시 일반강도 콘크리트 내력벽체의 열적․구조적 거동에 영향을 미치는 주요인자를 분석하고, 화재 후 잔존강도에 미치는 영향을 분석하기 위해 실험과 해석을 수행하였다. 이를 위해 벽체두께, 콘크리트의 함수율, 화재시 축하중비, 가열면적 및 화재시간을 변수로 하는 일반강도 콘크리트 벽체를 제작하고 ISO 834 표준가열곡선으로 가열하였다. 또한 화재 후 실험체에 하중을 가력하여 잔존강도를 평가하였다. 실험결과를 바탕으로 화재피해를 입은 일반강도 콘크리트 벽체의 화재시 온도분포와 화재 후 잔존강도를 예측하는 해석연구를 수행하였다. 이를 통해 실제 아파트의 층고와 동일한 2,800 ㎜인 벽체의 화재 중 및 후의 거동을 예측하고, 실제 아파트에 화재가 발생한 경우 손상을 어느 정도 입는지 예측할 수 있는 모델을 구현하고 해석 연구를 수행하였다. 실험결과, 아파트의 세대내 칸막이벽체로 주로 사용되는 두께 150 ㎜인 벽체는 한면이 화재에 노출되었을 때, 1시간, 2시간 후 내력이 각각 77 % , 55 % 수준으로 저하되는 것을 확인하였다. 또한 일반강도 콘크리트는 물시멘트비가 약 50% 내외로 높기 때문에 콘크리트의 함수율에 따라 화재시 벽체의 온도분포에 영향을 미치는 현상이 나타났고, 함수율이 높을수록 가열면에서 비가열면으로 온도가 잘 전달되어 벽체의 내력 손상도가 커지는 것으로 나타났다. 반면, 아파트의 세대 외벽으로 사용되는 두께 200 ㎜ 또는 250 ㎜인 벽체는 한면이 고온에 노출되었을 때, 가열면 부근의 수분이 비가열면쪽으로 이동하면서 벽체 내에 수분층(Moisture clog)을 형성한다는 것을 알 수 있었다. 이로 인해 벽체 내부로 열이 전달하는 것이 지연되어, 가열면과 비가열면의 온도가 크게 차이나게 되었으며, 벽체가 두껍고 함수율이 높을수록 이러한 영향은 더 커지는 것으로 나타났다. 다만, 화재 후 잔존강도 저감에는 함수율과 화재 중 축하중의 크기는 큰 영향력이 없는 것으로 나타났다. 한 면이 고온에 노출된 철근콘크리트 벽체의 온도분포 및 잔존강도를 해석하기 위해 이러한 실험결과를 바탕으로 하여, Moisture clog를 포함한 벽체의 열해석 모델링 기법을 제안하였다. 콘크리트와 철근의 온도에 따른 역학적 재료모델은 Eurocode에 제시된 내용을 기반으로 하였으며, Eurocode의 열전도율(Thermal conductivity)을 수정하여 제안한 Moisture clog의 물성치는 실험결과와 잘 일치하였다. 구조물에 구속되어있는 벽체의 거동을 보다 정확하게 분석하기 위해 벽, 보, 기둥, 슬래브로 구성된 구조물을 제작하여 화재실험을 수행한 결과, 한 구조물 안에서도 각각 부재 내부 수분량의 분포, 화재 실험방법 및 조건의 차이 등으로 다른 온도분포를 가질 수 있음을 알 수 있었다. 단, 구조물 내 벽체와 유사한 조건으로 실험한 단일 벽체는 구조물의 벽체와 동일한 온도분포를 나타남을 확인하였다. 앞서 검증한 단일 벽체의 화재시 거동에 대한 해석방법을 실제 아파트의 층고와 동일한 2,800 ㎜ 높이의 단위벽체의 해석연구에 적용하였다. 이 때, 열해석 후 벽체의 변형을 구조해석시 벽체 모델에 반영하여 보다 정확한 해석을 수행하였다. 실제 벽식구조 아파트의 벽체와 동일하도록 양단을 핀으로 하여, 150, 200, 250 ㎜ 두께의 벽체에 대해 화재 2시간 후의 잔존강도를 해석한 결과, 화재 피해를 입지 않은 벽체와 비교하여 68 %, 72 %, 79 % 로 잔존강도가 나타났다. 또한 일반강도 콘크리트의 물시멘트비를 고려한 콘크리트의 수분량과 실제 벽체가 받는 축하중비, 그리고 편심거리를 변수로 하여 화재후 콘크리트 벽체의 잔존강도를 해석한 결과, 그 차이는 5% 이내로 나타났다. 다만, 중심축에서 h/3이상 떨어진 지점에 벽체의 축하중비가 30%이상의 편심을 받으면 급격한 내력저감이 발생하는 것으로 나타났다. 또한 화재손상을 입은 부재의 잔존강도를 간단히 계산할 수 있도록 Eurocode가 제시한 500 ℃ 등온선법으로 벽체의 화재 후 잔존강도를 예측이 가능함을 확인하였다. 500 ℃ 등온선법을 적용할 수 있는 전제조건으로 내화 2시간 이상을 견딜 수 있는 부재의 유효두께를 160 ㎜으로 제시하고 있으나, 두께 150㎜인 벽체에도 500 ℃ 등온선법을 적용할 수 있는 것으로 확인되었다. 다만, 양단 핀고정보다 벽체의 구속력이 저감될 경우에는 400℃ 이하 면적을 유효면적으로 계산하는 것을 제안한다. 주거건물인 아파트를 모델로 하여 화재 발생을 시뮬레이션한 결과, 전체 면적의 1/8부분에 1시간 또는 2시간동안 고온에 노출시킨 경우에 대해 구조물 내력의 각각 약 95 %, 92 %를 나타내는 것으로 나타났다. 또한 화재가 확산되어 1/4부분에 손상을 입었을 때, 1시간 91 %, 2시간 82 % 정도의 내력을 보유하는 것으로 확인되었다. 화재가 발생하면 화재에 노출된 벽체가 지지하던 하중이 주변의 세대간벽 쪽으로 이동하는 것을 확인하였으며, 이는 축하중이 상대적으로 큰 경우에 더 눈에 띄게 나타났다. 단일 벽체와 구조물의 화재실험과 단일 벽체와 아파트 유닛에 대한 열 및 구조해석을 수행한 결과, 다양한 영향인자에 대한 온도분포의 차이가 다소 발생하였다. 이로 인해 2시간 화재에 한면이 노출된 단일 벽체의 구조성능은 약 55 – 73 % 정도 감소하였지만, 구조물에서는 벽체들이 다른 부재들과 구속되어있고, 하중의 배분을 통해 구조물의 손상정도는 약 5 - 20 %로 작아지는 것을 확인하였다.
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일반대학원 > 건축도시시스템공학과 > Theses_Master
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