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Post-fire Structural Performance of High Strength Concrete Walls and Columns

Title
Post-fire Structural Performance of High Strength Concrete Walls and Columns
Authors
류은미
Issue Date
2020
Department/Major
대학원 건축도시시스템공학과
Publisher
이화여자대학교 대학원
Degree
Doctor
Advisors
신영수
Abstract
Since reinforced concrete (RC) structures are widely used due to its well-known thermal resistant, studies of fire damaged concrete structures have been limitedly conducted. Especially, high strength concrete (HSC) has additional degradation due to its disadvantages such as spalling. Column and wall play an important role in high-rise residential buildings with the wall structure system. Under fire, wall and column surfaces are commonly damaged partially and inconstantly due to fire condition and floor plan. Therefore, it is necessary to evaluate the thermal and structural behaviors of walls and columns under and after fire depending on heated area as well as other variable. In this study, variations in the thermal and structural behavior of walls were investigated according to the and the heated area, fire exposure time and compressive strength of the concrete. To this end, fire and axial loading tests were performed to obtain the temperature distributions and residual strengths. Heat was applied to the walls according to the ISO 834 standard time–temperature curve for 1 or 2 h. The fire test results demonstrated significant dependence of the heat propagation through the wall along the thickness of the moisture clog formed during heating. In order to prove the effect of moisture clog on the heat propagation, heat transfer analyses were performed. The analytical results showed that the finite element (FE) model can predict heat propagation for the wall under fire accurately when the moisture clog zone is appropriately modeled. The results of the axial loading tests also indicated that the structural behaviors of the fire damaged walls were affected by the fire exposure time, concrete strength, and heated area. In particular, the wall heated on the single face showed eccentricity, which reduced the residual strength considerably. Structural analyses of the walls were also conducted to propose the reduced section method and investigate the effect of eccentricity. In addition, the structural behavior of fire damaged walls under cyclic loading was experimentally and analytically investigated based on heated area and design parameters. Toward this goal, walls were exposed to the ISO 834 standard time-temperature curve for 2 h. After cooling for a week, cyclic loading was applied to the fire-damaged walls. Based on the tests, the temperature distribution, maximum lateral load, stiffness, ductility, and energy dissipation of the tested specimens were obtained. The test results showed that fire exposure significantly reduced the cyclic performance of the RC wall. In addition, the test variables influenced maximum lateral loads, stiffness, and ductility of the fire damaged walls. However, there was no significant difference in temperature distribution and energy dissipation among the specimens depending on failure mode and aspect ratio. In particular, the structural behaviors of the specimens designed to be weak at flexure were similar even though the heated area of the walls heated on single face were twice larger than walls heated only on half face. In case of columns, the temperature distribution and structural behavior were experimentally and analytically investigated depending on heated area. Fire and residual strength tests were performed to measure the temperature and residual strength of columns. Also, temperature and structural analyses were conducted using a commercial software ABAQUS 6.3-10 and the results of analyses were validated by comparing to those obtained experimentally. The test results showed that residual strengths of columns having asymmetric heating were influenced by eccentricity, resulting in additional reduction in residual strength, but not as large as the wall heated on single face. In addition, the reduced section method could predict the residual strength of the column. Finally, the structural behavior of high-rise residential building with the wall bearing system after fire was predicted using the analytical method of columns and walls validated in the previous chapter. Toward the goal, three-dimensional model of the compartment was generated for thermal and structural analyses using commercial software ABAQUS ver. 6.10-3. And then, the stiffness of column and walls obtained from the structural analysis of compartment was applied to the structural members of the high-rise residential building using commercial software Midas/Gen 2019. As results of high-rise residential building, the story drift and mode shape were slightly affected by fire exposure. However, the force and moment of columns and walls on the fire damaged floor and surrounding floors significantly changed after fire. ;최근 고층건물은 인구 집중 및 건축기술의 발전으로 인해 빠르게 증가하고 있으나 화재 시 인명 대피에 많은 시간을 소요되며, 외부 소방 인력에 의한 화재진압이 오래 걸린다. 게다가, 고층건물은 고강도 콘크리트를 사용하는 경우가 많은데 화재 시 고강도 콘크리트의 성능은 일반강도 콘크리트와 상당히 다르다. 국토교통부에 따르면 국내에서 2007년부터 10년간 공급된 500가구 이상 공동주택 중 98.5%(194만 가구)는 벽구조 시스템을 사용하고 있다고 보고 하였다. 기둥과 벽은 벽구조 시스템에서 하중을 전달하는 중요한 역할을 하고 있기 때문에 실제 화재 상황에 일어날 수 있는 다양한 경우에 대한 연구가 필요하다. 하지만 기존의 화재 피해를 입은 기둥과 벽에 대한 연구에서는 실제 화재 조건을 반영한 연구가 매우 부족하였다. 이러한 조건 중 하나로 벽은 다른 구조 부재에 비해 상대적으로 면적이 크기 때문에 화재 발생 시 벽의 일부만 화재에 노출될 수 있는 것이다. 또한, 일반적으로 기둥의 4면을 전부 가열하여 부재의 열적∙구조적 특성에 대해 연구를 진행하고 있으나 실제로 화재가 발생한 기둥은 4면 전체에 가열되는 경우보다 일부 면에만 가열이 되는 경우가 대부분이다. 이러한 부분적인 화재 손상은 부재의 구조적 성능을 더욱 취약하게 할 수 있다. 또한, 벽체는 벽구조 시스템에서 주로 바람과 지진에 의해 발생하는 횡력에 대해 저항하기 위해 사용되며, 특히 고층 건물에서 그러하다. 실제로 화재 피해를 입은 건물이 지진과 풍하중을 받는 경우는 드문 일이 아니지만 이에 대한 연구는 매우 부족한 실정이다. 이에, 본 연구에서는 이러한 조건들을 반영하여 화재 피해를 입은 기둥 및 벽의 열적∙구조적 거동에 대한 연구를 수행하였다. 본 연구에서는 철근콘크리트 (RC) 벽체의 열 및 구조적 거동을 화재 노출시간, 콘크리트의 압축강도, 가열 면적에 따라 분석하였으며, 이를 위해 화재실험 및 축하중 실험을 수행하였다. 화재실험은 ISO-834 표준화재곡선에 따라 1시간 또는 2시간 동안 벽체를 가열하였다. 시험 결과를 보면, 가열 실험 중 형성된 moisture clog는 벽체의 온도 분포에 상당한 영향을 주며, 이를 검증하기 위해 열전달 해석을 수행하였다. 잔존 강도 실험의 결과는 화재 노출시간, 콘크리트의 압축강도, 가열 면적에 따라 화재 피해를 입은 벽의 구조적 거동이 큰 영향력을 받는다는 것으로 나타났다. 특히 한쪽 면에만 가열한 벽에는 편심의 영향을 받아 잔존 강도가 상당히 낮았다. 이러한 부분적인 화재 손상이 편심을 유발하여 추가적인 잔존 강도 감소를 발생시켰다. 이에, 실험결과를 바탕으로 단순화된 모델링 기법을 제안하였으며, 편심 효과를 검증하기 위한 구조해석을 수행하였다. 또한 반복하중을 받는 화재 피해를 입은 벽의 열적·구조적 거동에 영향을 분석하기 위해 실험과 해석을 수행하였다. 이를 위해, 가열 면적과 설계 변수(파괴 모드, 형상비)를 변수로 하는 고강도 콘크리트 벽체를 제작하였다. 콘크리트 벽체는 2시간 동안 ISO 834 표준화재곡선에 노출되었으며, 일주일간 냉각 후 반복 가력 실험을 하였다. 실험을 통해 벽체의 온도 분포, 최대 횡하중, 강성, 연성 및 에너지 소산능력을 구하였다. 시험 결과에 보면 화재 피해를 입은 벽체의 성능이 크게 저하되며, 변수 또한 벽체의 최대 횡하중, 강성 및 연성에 영향을 미쳤다. 단, 파괴 모드 및 형상비는 실험체의 온도분포 및 에너지 소산능력에 큰 영향력이 없는 것으로 나타났다. 특히, 휨파괴를 유도한 실험체의 경우, 단일 면에만 가열된 벽체의 가열 면적이 반면에만 가열된 벽체의 두배가 크지만 구조적 거동은 상당히 유사하였다. 기둥의 경우, 가열 면적에 따른 기둥의 온도 분포 및 구조적 거동을 분석하였으며, 이를 위해서 화재 실험과 잔존 강도 실험을 수행하였다. 실험 결과를 바탕으로 화재 시 기둥의 온도 분포와 화재 후 잔존 강도를 예측하는 해석 연구를 수행하였으며, 구조해석의 경우, 단순화된 모델링 기법을 이용하여 해석을 수행하였다. 결과에 따르면, 부분적인 화재 피해가 편심을 발생시켜 잔존 강도가 추가로 감소하지만 한쪽 면에만 가열된 벽만큼 크지는 않다. 마지막으로, 앞서 검증한 단일 벽체의 화재 시 거동에 대한 해석 방법을 실제 벽 구조로 된 고층 주거용 건물을 대상으로 화재 시 구조적 거동에 대해 예측하고 분석하였다. 이를 위해, 상용 소프트웨어 ABAQUQ 6.3-10를 이용하여 화재가 난 구획의 열 및 구조 해석을 수행하고, 화재가 난 구획에 대한 해석을 통해 얻은 강성을 상업용 소프트웨어 Midas/Gen 2019을 이용한 고층 주거건물 구조부재에 적용하였다. 해석 결과, 구획 화재는 건물의 전체 변형과 모드 형태에 큰 영향을 미치지 않지만 화재가 일어난 층 및 인접한 층에서 기둥과 벽체의 하중과 모멘트를 크게 변화시켰다.
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일반대학원 > 건축도시시스템공학과 > Theses_Ph.D
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