유한요소법을 이용한 SC구조 벽체의 전열특성에 관한 해석적 연구

Abstract

건축물은 지진·바람·눈·화재와 같은 비일상적인 여러 종류의 재해를 받을 경우에도 인명과 재산을 보호하는 역할을 할 수 있어야 한다. 이 중 화재는 다른 종류의 재해와 달리 어느 정도 인간에 의하여 제어가 가능하므로, 벽 및 바닥 등의 구획 부재는 연소 확대 방지를 위하여 법령에 의해 내화구조로 규정하고 있다. 이러한 내화구조 성능은 벽 및 바닥 등의 부재 표면 및 내부온도와 화재구획 반대측의 부재 표면온도(이하, 비가열면)를 확인하는 것으로 이루어지며, 부재 내부온도는 구획부재의 역학적 성상 예측에, 비가열면 온도는 구획부재의 연소 확대 방지 성능 중 차열성 평가에 이용된다. 한편, 화석연료의 대안으로 필요성이 증가하고 있는 원자력 발전소는 건설공기가 길다는 단점이 있어, 공기단축의 한 방안으로써 모듈화 공법의 일종인 SC구조(Steel Plate-Concrete Structure)가 제안되고 있다. 그러나 SC구조는 열에 의해 쉽게 강도 및 탄성의 저하되는 강판이 부재표면에 노출되어 있고, H형강, 스터드 볼트, 콘크리트 등으로 구성되어 기존의 철근콘크리트 및 복합구조와는 그 열성상이 상이할 것이 예상된다. 그러므로 본 논문에서는 해석을 통하여 SC구조 벽체의 전열특성을 파악하여, 향후 실험적 연구에 대한 기초자료를 얻는 것을 그 목적으로 한다. 구획부재의 내화성능은 구조안정성, 차염성, 차열성의 확인으로 이루어지며, 본 연구는 SC구조 벽체의 내화성능 평가 중 그 첫 번째 단계로서 열전도 예측을 통한 차열성에 대한 부분을 다루고자 한다. 이를 위하여, 범용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 2차원 비정상 열전도해석을 수행하였다. 또한 해석 수행 시 SC구조 벽체를 구성하는 콘크리트와 강재의 고온 특성은 Eurocode 및 기존의 연구결과를 적용하였으며, 화재 온도는 ISO 표준 시간-가열 곡선을 사용하였다. 본 논문은 총 4장으로 구성되어 있으며, 각 장의 내용은 다음과 같다. 제 1 장에서는 본 연구의 배경 및 목적과 연구의 범위 및 방법에 대하여 기술하였다. 제 2 장에서는 SC구조의 개발 배경 및 개요에 대하여 기술하였으며, 제 3 장에서는 해석수행을 위하여 고온시 강재와 콘크리트의 특성에 대한 문헌고찰을 하였다. 제 4 장에서는 전열해석의 해석조건에 대한 기술과 해석수행 결과를 나타내었으며, 결론의 내용은 다음과 같았다. 1) ISO 834 표준 시간-가열 온도 곡선을 따라 부재 가열면은 초기 30분 동안 급격히 온도 상승이 일어났다. 이러한 온도 특성에 따라서 가열면 강판(EP)도 초기 30분 동안 온도 상승이 급격히 일어나 600～700℃에 이르고, 3시간 후에는 1000℃ 정도까지 상승하는 양상을 보였다. 2) 가열 90분 이후, 콘크리트만 있는 단면의 가열면 강판의 온도는 가열 온도와 거의 비슷하게 나타났다. 그러나 강재가 있는 단면의 온도 상승은 강재의 높은 열전도율로 인하여 콘크리트와 직접 맞닿은 단면보다 낮은 기울기를 보였으며, 3시간 가열 후의 온도도 40℃ 정도 낮았다. 3) 강재에 의해 빠르게 전달된 열은 콘크리트 부분에서 정체되는 현상을 보였으며, 특히 스터드의 끝부분은 콘크리트만 있는 같은 깊이의 단면에 비하여 약 190℃가 높았고, 내부에 타이바가 있는 단면과 비교하여도 약 200℃가 높았다. 4) 내부 콘크리트 부분에서는 같은 깊이일 경우에도 단면형상에 따라 온도차가 발생하여 열팽창에 의한 부재 내부의 변형과 가열면에 존재하는 강재와 콘크리트의 온도차 및 상이한 열팽창계수로 인한 두 이질재료 사이의 이격현상의 발생이 예상된다. 5) 콘크리트의 내력 저하가 큰 600℃ 이상의 위치는 6～8㎝ 정도로 나타났으며, 콘크리트의 내력 저하로 인한 단면 손실이 SC구조의 하중 지지력에 미치는 영향을 검토해야 할 것으로 사료된다. 6) 3시간 후의 가열면 온도가 1000℃에 이르렀음에도 부재의 비가열면 온도는 거의 변화가 없었으며, 강재에 의한 열교 영향으로 가장 높은 온도를 가지는 타이바 부분 단면의 이면온도도 32℃로 나타나, SC구조 벽체가 충분한 차열성을 가지고 있음을 확인할 수 있었다.; Structures have to be able to protect human life and property against disasters of like earthquakes, blasts, snowfalls and fires. From among these, the fire is able to controled by humans. Therefore elements of division like walls and slabs are in the form of performance specifications or standards and codes of practice. On the other hands, people need a nuclear power plant for lack of fossil fuel, but a nuclear power plant construction is required a long period of time. Steel Plate-Concrete Structure(SC structure) is proposed, for reduction of construction period. The evaluation of fire resistance efficiency is accomplished by ascertaining loadbearing capacity, integrity and insulation of building element. This is found by analyzing thermal stress from temperature distributed internal material. The paper, first step of evaluations of fire resistance, is to deal with a part about insulation. Furthermore, experiment to analyze distribution of temperature is conducted to explain two-dimensional transient heat transfer analysis by using ABAQUS a wide use nonlinear finite element program. The results of existing research are used for thermal properties of concrete and steel where they compose structural wall in steel plate-concrete structure when achieving analysis. ISO 834 standard time/temperature curve is used for the temperature assumed fire. This study is composited total four chapter, and the content of each chapter is following this. In chapter 1, described about the study purpose, method and extents. In chapter 2, described about the development background of SC structure and essential features. In chapter 3, make a description of thermal properties of concrete and steel. In chapter 4, make a description of analysis conditions and contents of a conclusion are as follows. 1) The temperature of Exposed surface rapidly rose similarly ISO 834 standard time/temperature curve. Temperature of Exposed surface is 600～700℃ at the early 30 minutes; about 1000℃ at 3 hours later. 2) From 90 minutes after heating, the temperature of Exposed surface, section of only concrete, was similar to heating temperature. But rising temperature of sections with steel had a low slope to sections of with concrete and also had low temperature at 3 hours heating. It was concrete had lower conductivity than steel. 3) It was showed heat through the steel became slow-going at concrete part. Specially the part of the end stud had about 300℃ higher than the concrete section; about 200℃ higher than the section with tie-bar. 4) The inside concrete section temperature and deformation were different from the element section shape in the same depth. And it is expected steel plate comes apart concrete because they has different thermal expansion coefficient. 5) The part of over 600℃ was from the heating surface till 6～8㎝ : this part should be considered to decreasing of concrete strength and loadbearing capacity of element. 6) Though the temperature of Exposed surface was about 1000℃ at 3 hours after heating, the other side was not a variation of temperature. 32℃ was the highest temperature in Unexposed surface; the section with tie-bar. According to this analysis, SC structure is possessed of the insulation performance for 3 hours.