초록
본 연구는 화재에 노출된 철근콘크리트 구조물의 열적 특성 및 구조 거동을 예측할 수 있는 비정상 온도 분포 해석 및 비선형 유한요소해석 기법 개발에 관한 것으로써, 범용 유한요소해석 프로그램인 DIANA를 이용하여 화재에 의한 고온을 받는 철근콘크리트 구조에 대한 수치해석을 수행하고 그 결과를 비교분석하였다. 고온을 받는 철근콘크리트 골조에 대한 수치해석은 시간의존 비정상 온도 분포 해석과 비선형 유한요소해석의 2단계로 진행된다. 비정상 온도 분포 해석에서는 열전도율, 열용량, 열팽창계수에 대한 시간의존 변수를 온도 함수로 표현하여 이를 고려하였으며, 비선형 유한요소해석에 있어서는 콘크리트의 비선형성과 균열을 고려하기 위하여 파괴 역학적 관점을 도입하였다. 또한 철근콘크리트 단순보에 대한 내화 실험을 실시하여, 재료의 열적 특성 및 해석 기법에 대한 검증을 실시하였다. 이러한 해석 기법을 철근콘크리트 골조로 확장하여 열에 의한 콘크리트 및 철근의 역학적 물성 변화 요인을 고려한 해석을 통하여 각각의 변수에 대한 비교 분석을 수행하였다. 본 연구에서의 고온 환경하의 철근콘크리트 구조물에 대한 비선형 유한요소해석기법은 온도에 따른 재료의 열적 특성 및 역학적 성능 및 화재-온도 곡선을 자유롭게 입력하여 고려할 수 있으며, 추후 관련 해석에 용이하게 사용될 수 있을 것으로 판단되었다.
A research projects is currently being conducted to develop a nonlinear finite element analysis methods for predicting the structural behavior of reinforced concrete frame structures, exposed to fire. As part of this, reinforced concrete frames subjected to fire loads were analyzed using the nonlinear finite-element program DIANA. Two numerical steps are incorporated in this program. The first step carries out the nonlinear transient heat flow analysis associated with fire and the second step predicts the structural behavior of reinforced concrete frames subjected to the thermal histories predicted by first step. The complex features of structural behavior in fire conditions, such as thermal expansion, plasticity, cracking or crushing, and material properties changing with temperature are considered. A concrete material model based on nonlinear fracture mechanics to take cracking into account and plasticity models for concrete in compression and reinforcement steel were used. The material and analytical models developed in this paper are verified against the experimental data on simple reinforced concrete beams. The changes in thermal parameters are discussed from the point of view of changes of structure and chemical composition due to the high temperature exposure. Although, this study considers codes standard fire for reinforced concrete frame, any other time-temperature relationship can be easily incorporated.
