1. 서 론
현대 토목 및 건축구조물에서 광범위하게 사용되고 있는 건설재료인 철근콘크리트(Reinforced Concrete, RC)는 낮은 열전도도에도 불구하고 화재와 같은 고온에 장시간 노출될 경우 재료강성저하, 비역학적 변형 발생으로 인해 전체 구조 시스템에 치명적인 손상을 줄 수 있다. 특히 고도화되고 복잡화된 현대 구조물에서 화재에 따른 전체 구조물의 손상은 물적피해 뿐아니라 인명피해와도 직결되므로 고온 노출에 따른 RC 구조물의 내화 성능 평가 연구는 필수적이다.
이러한 RC 구조물의 내화성능 평가를 위해 많은 연구자들이 실험적 또는 해석적인 접근방법을 제시해 왔다. 실험적 접근의 경우 보와 기둥과 같은 RC 부재단위에서의 표준화재실험을 통한 성능평가가 많이 수행되었다(Nassif, 2006; Youssef and Moftah, 2007; Kim et al., 2012). 하지만 이러한 실험적 접근의 경우, 규모나 시간에 대한 제약으로 인해 실제 구조물 단위에서 평가를 수행하기에 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 해석적인 접근방법도 다양하게 연구되어 왔다. Huang et al. (2009)은 빔요소를 이용하여 부재단위에서 다양한 구조에 대한 수치해석을 진행하였으나, 크립 등 시간 의존적인 거동특성을 어떻게 고려하였는지에 대한 명확한 설명이 부족하다. Bratina et al. (2007)은 유로코드에 나와있는 온도에 따른 재료 물성 변화를 바탕으로 유한요소모델을 구성하여 RC 부재의 거동을 수치적으로 분석하였다. 내화성능 평가에 대한 다양한 해석적 연구들이 수행되어 왔으나, 대부분이 부재단위에서의 접근인 관계로 전체 구조물의 거동을 평가하기에는 한계가 있다고 할 수 있다.
다양한 화재 조건에 노출된 프레임 구조물의 거동에 대한 연구도 일부 연구자들에 의해 수행되었다. Souza Jr. and Creus (2007)는 프레임 구조물의 해석을 위한 방법론을 제시하고 있는데, 강구조에 국한된다는 한계가 있으며, Alderighi and Salvatore (2009)가 제시하고 있는 RC보와 강관충전기둥 복합 프레임 구조물의 수치해석 방법은 고온에 따른 콘크리트의 비역학적 변형률을 고려하지 않고 있다. 따라서 고온 노출에 따라 발생하는 철근과 콘크리트의 비역학적 변형률을 고려한 RC 프레임 구조물의 수치해석적 연구가 필요할 것으로 생각된다.
본 논문에서는 보, 기둥 등 부재단위에서 기검증된 자체제작 내화해석 프로그램을 이용하여(Hwang and Kwak, 2015), 화재에 노출된 RC 프레임 등 구조물 단위에서 전체 거동에 대한 평가를 수행하였다. 실제 구조물에서 발생가능한 다양한 화재 시나리오를 가정하여, 화재노출시간에 따른 부재력 변화에서 기인하는 2차원 RC 프레임 구조물의 내부 응력 분포 및 변위의 변화를 수치해석을 통해 분석하였다. 고온에 노출된 부재에서 온도의 영향으로 발생하는 추가적인 변형을 반영하기 위해 재료의 비역학적 변형률을 고려한 알고리즘을 적용하여 화재 영역과 하중의 크기에 따른 실제 구조물 단위에서의 거동 특성을 반영할 수 있도록 하였다.
2. RC 프레임 구조물의 구성
부재단위에서 검증된 내화해석 프로그램의 프레임 구조물 단위에서 적용성을 확인하기 위해 우선적으로 single-bay 프레임에 대한 해석을 수행하고, 실제 구조물과 비슷한 환경에서의 거동을 확인하기위해 three-bay 프레임에서 다양한 화재시나리오에 따른 구조해석을 실시하였다. 본 연구에서는 절점당 5자유도를 갖는 2차원 구조물을 대상으로 하였다. 또한 부재 단면은 가상의 철근과 콘크리트 격자로 이루어진 섬유(fiber)단면으로 모사하여 격자 각각의 온도를 산정하여 전체 단면의 온도분포를 얻을 수 있도록 하였다. International Federation for Structural Concrete (Fib International, 2008)에서 제시하고 있는 예제를 바탕으로 하여 프레임 구조를 재구성 하였으며, 해석에 사용된 구조물은 다음과 같다.
2.1 Single-bay 프레임 구조
해석에 사용된 2차원 single-bay 구조물의 자세한 사항은 Fig. 1에서 확인할 수 있다. RC 단면은 Fig. 2에서 볼 수 있듯이 보에서 2종류(A-A, B-B)와 기둥에서 1종류(C-C)가 각각 사용되었다. 콘크리트 압축강도(f'c)는 30 MPa, 철근의 항복강도(FY)는 500 MPa, 철근의 탄성계수(Es)는 200 GPa로 가정하였다. 프레임의 보 부분에는 48 kN/m의 등분포하중을, 양 기둥 부재의 끝단에는 1,000 kN의 집중하중을 재하시키고 해석을 진행하였다. 보 부재보다 위로 기둥 부재를 구성한 것은 다층 구조물의 거동을 모사하기 위함이다.
2.2 Three-bay 프레임 구조
비대칭 화재 상황에 대한 구조물의 거동을 평가하기 위한 three-bay 프레임 구조는 single-bay 프레임 구조에 기본하여 동일한 제원의 프레임을 좌우에 하나씩 더 갖도록 구성하였다. 구조물과 단면구성에 대한 자세한 사항은 Fig. 3에 나타내었다. single-bay 프레임 구조와 마찬가지로 2층에도 기둥을 위치시켜 예제가 다층구조물의 거동을 보이도록 하였다. 재료물성은 single-bay 프레임과 동일하게 가정하였으며, 보 부재에 작용하는 등분포하중으로 42 kN/m를 재하하였다. 각 기둥 부재의 끝단에는 집중하중 형태로 층 하중(P)을 재하하여 해석을 수행하였다.
3. 화재노출에 따른 프레임 구조 거동 평가
시간에 따라 구조물에 가해지는 화재 온도는 International Organization for Standardization 834 표준화재곡선(ISO 834, 1975)을 따른다고 가정했다. 단면 열전달 해석을 위한 열특성계수는 대부분 유로코드(EN 1992-1-2, 2004)에서 제공한 값을 따르되, 콘크리트 밀도는 2,300 kg/m3, 콘크리트 열전도율은 (k=1.68-0.1906(θ/100)+0.0082(θ/100)2, 대류계수는 25 W/m2, 열방출도는 0.56의 값을 적용(Fib International, 2008)하였다. 고온에 따른 재료의 비역학적 변형률을 고려하여 해석을 진행하였으며, 콘크리트의 경우 온도변형률, 크리프변형률, 비정상상태 변형률을 고려하였고, 철근은 온도변형률과 크리프변형률을 고려하였다. 자세한 사항은 관련된 참고문헌에서 확인이 가능하다(Hwang and Kwak, 2015).
3.1 Single-bay 프레임 구조
화재조건은 Figs. 1과 2에 나타낸 것과 같이 1층 내부에서 발생한 것으로 가정하여, 보 부재와 1층 기둥부재의 내부 3면이 화재에 따른 고온에 160분 동안 노출되도록 하였다. 비정상 열전달 해석(Hwang and Kwak, 2015)을 통해 얻어진 고온 노출 시간에 따른 기둥 부재의 단면 온도 분포는 Fig. 4와 같다. 열원에 가까운 부재 표면의 철근과 콘크리트는 노출 초기에 온도가 급격히 증가하고, 심부로 갈수록 콘크리트의 낮은 열전도율로 인해 온도가 천천히, 적게 증가한다. 특히 Fig. 4(a)에서 4번 철근은 바깥쪽 단면이 화재에 노출되어 있지 않은 관계로 화재노출시간 100분 이하에서는 거의 온도가 변하지 않는 것을 확인 할 수 있다.
단면 온도 정보를 활용한 구조해석 수행 결과는 Fig. 5와 같다. 화재 노출시간에 따라 보 부재의 중앙 부분에 발생한 처짐이 점점 증가했으며, 160분이 지났을 때에 8.3 cm의 변위가 발생한 것을 확인할 수 있다(Fig. 5(a)). 추가적으로 기둥 부재에서도 횡방향 변위가 발생하였는데, 이는 보 부재의 열팽창에 따른 영향으로 판단된다.
구조물 내부의 휨모멘트도 노출시간에 따라 변화하게 되는데, Fig. 5(b)에서 보이듯 일정하게 증가하거나 감소하지 않는다는 것을 알 수 있다. 화재에 의한 부재의 변형 및 구속효과, 부재 강성의 저하 등으로 인한 복합적인 효과에 따른 힘의 재분배를 보다 구체적으로 분석하기 위해 Fig. 1에 나와있는 Points A, B, C, D에서의 휨모멘트와 보 부재(point A)에 작용하는 축력의 변화를 Fig. 6에 나타내었다. 화재초기에는 보 부재의 열팽창에 의한 구속효과로 인해 point A에서의 축력이 급격하게 증가하다가, 70분 이후에는 고온으로 인한 구조 강성이 감소하면서 구속효과가 줄어들게 되어 축력이 서서히 감소하게 됨을 알 수 있다(Fig. 6(a)). 각 절점의 휨모멘트 재분배도 축력에서 보여준 경향과 비슷하게 나타나는데(Fig. 6(b)), 특히 보 부재의 축력에 직접 영향을 받는 point C에서의 휨모멘트 변화를 살펴보면 초기값에 비해 최대값이 3배가까이 증가했음을 알 수 있다.
3.2 Three-bay 프레임 구조
구조물을 구역에 따라 Left, Center, Right로 나누고, 화재 시나리오에 따라 Center, Right, Center&Right 의 세 가지 화재 상황을 가정하였다. 화재 발생 구역에서 각 부재는 최소 3면, 최대 4면이 고온에 노출되도록 하였으며, 화재가 발생하지 않은 구역의 보 부재와 기둥 부재는 초기상태의 온도분포를 유지한다고 가정하였다. 각각의 상황에서 층 하중 또한 세 가지 재하조건(P=1,000 kN, 2,500 kN, 4,000 kN)에 대해 해석을 수행하였으며, Table 1에 화재 시나리오에 따른 모든 경우의 수를 나타내었다. 각 화재시나리오 별로 프레임 구조물 전체에 걸쳐 변위와 휨모멘트 변화를 측정하였고, 구조물 중 일부가 하중을 추가로 받지 못하는 경우를 최대 내화시간으로 보았다.
대표적으로 층 하중 P=2,500 kN이 작용하는 경우에 대해 각각의 화재 시나리오에 따른 해석결과(변위&휨모멘트도)를 Figs. 7~9에 나타내었다. Center 구역에서만 화재가 발생한 2500-C (Fig. 7)는 화재노출 130분 이후에 구조물이 파괴되었고, Center 구역의 보에서 집중적으로 큰 처짐이 발생하였다. 화재 발생에 따른 응력 재분배로 인해 Center 보 양단의 모멘트가 약 2배 정도 증가하였고, 각 기둥의 고정단에서도 추가적인 모멘트가 발생함을 확인하였다. 특히 보와 기둥의 연결부위에서 기둥부재에 기존의 6배가 넘는 모멘트 증가가 확인되는데, 이는 온도 상승에 따른 보 부재의 열팽창에 의한 변형이 기둥부재에 수평하중 형태로 작용했기 때문이다.
2500-R (Fig. 8)과 2500-CR (Fig. 9)는 비대칭 화재가 발생한 경우이며, 각각 내화시간이 90분, 40분으로 대칭 화재가 발생한 1000-C에 비해 내화시간이 감소하였다. 2500-R의 경우, Right 구역에서 보와 기둥에 큰 처짐이 발생한다는 것을 확인할 수 있다. 특히 보의 열팽창에 의해 오른쪽 기둥에 발생하는 변형이 상당히 크고, 그로 인해서 기둥에 작용하는 최대 모멘트 값이 노출 전에 비해 5배 이상 증가한 것을 확인할 수 있다. 2500-CR에서도 2500-R과 비슷하게 Right 구역의 기둥에서 횡방향 변위와 모멘트 증가가 크게 나타나는 것을 알 수 있다.
대칭화재가 발생한 2500-C 경우에 비해, 비대칭화재가 발생한 2500-R과 2500-CR의 내화시간에 큰 차이가 나타남을 확인할 수 있는데, 이러한 경향을 파악하기 위해 화재 시나리오에 따른 내화시간을 Table 2에 정리하였다.
층 하중이 커질수록 내화시간이 짧아지는 경향을 보이며, 특히 화재구역이 비대칭일 경우 대칭일 때보다 구조물의 붕괴를 가속화 시킨다는 것을 확인할 수 있다. 이러한 비대칭 화재는 직접적으로 영향을 받는 최외곽 기둥에 급격한 변형을 가져오고, 2차 모멘트 효과에 의한 모멘트 증가로 인해 빠른 시간안에 구조물의 붕괴를 일으키기 때문에 대칭 화재에 비해 상대적으로 짧은 내화시간을 가진다는 것을 확인할 수 있다.
4. 결 론
본 논문에서는 화재에 같은 고온에 노출된 RC 프레임 구조물의 거동을 노출시간에 따라 수치해석적 접근을 통해 분석하는 방법에 대한 연구를 수행하였다. 온도의 변화에 따른 재료의 비역학적 변형률을 고려하여, 다양한 하중과 화재 시나리오에 따라 single-bay 프레임과 three-bay 프레임의 변형와 휨모멘트 변화를 분석하였다.
대칭화재의 경우, 보 부재에서 처짐과 모멘트 증가가 크게 발생했고, 비대칭화재의 경우에는 보 부재의 변형에 기인하여 보-기둥 접합부에서 기둥부재의 처짐과 모멘트 증가가 크게 발생하였다. 특히 구조물이 붕괴에 이르는 내화시간의 경우, 대칭화재보다 비대칭화재에서 훨씬 짧게 나타났다. 이는 부재 단위에서 변위나 모멘트 변화 등의 내화성능 평가도 중요하지만, 화재 발생 위치에 따라 구조물 단위에서의 내화성능 평가 또한 중요하다는 것을 의미한다. 화재에 노출된 프레임 구조물의 경우, 복잡한 메커니즘을 바탕으로 한 응력 재분배가 발생하므로, 동일한 내화 성능을 가진 부재라고 하더라도 부재에 가해진 축력이나 화재 발생 구역에 따라 전체 구조물의 내화시간에 큰 차이가 발생하므로 다양한 화재 시나리오를 고려한 구조물 내화성능 평가의 필요성을 확인할 수 있었다.
PDF Links
PubReader
ePub Link
Full text via DOI
Download Citation
Print
