신영석 김성수 2013-02 13660 https://aurora.ajou.ac.kr/handle/2018.oak/3289 학위논문(석사)아주대학교 일반대학원 :건설교통공학과,2013. 2 소방방재청의 통계에 의하면 차량화재는 지속적으로 증가하고 있으며, 차량화재의 경우 휘발유 및 경유와 같은 연료가 누출됨으로서 화재가 발생되면 강도가 크고 급속히 확대되어 큰 피해를 유발시킬 수 있다. 대표적으로 2004년 발생한 독일 Wiehltal Bridge 화재사고 및 2007년에 발생한 미국 샌프란시스코 고속도로 교차점 유조차 화재사고와 2010년 서울외곽순환 고속도로 부천고가교 화재사고 등이 있으며, 이러한 교량에서의 화재사고등을 고려해 볼 때 화재에 대하여 교량 구조물의 안전성과 경제성을 적절히 확보할 수 있는 설계가 필요할 것이다. 따라서 본 연구에서는 열원의 모델링 및 구조물의 손상 평가기법에 대한 분석을 수행하고, 수치해석을 이용하여 콘크리트 교량의 화재에 대한 손상을 평가하였다. 교량 하부에서 발생한 차량화재에 따른 손상시나리오로서 차량화재 특성을 반영하여 열원을 모델링하고, 고온에 따른 재료 열적특성을 고려하여 해석을 수행하였다. 유한요소 프로그램인 ABAQUS 6.11을 이용한 3차원 열전달 및 열응력해석을 수행하였으며 화재 발생위치 및 형하고를 변수로 하여 CASE해석을 수행, 분석하였고 손상평가 기준에 따라 손상평가를 실시하였다. 해석결과 화염높이에서 여유고 0.5m CASE를 제외한 모든 CASE가 콘크리트 피복두께 40mm 안쪽에서 손상판정기준 380℃ 및 철근 손상판정기준 500℃를 모두 초과하여, 콘크리트의 균열 및 폭렬이 발생하고 보강철근에 고온이 직접 전달되어 구조물의 성능에 심각한 손상을 유발할 수 있는 것으로 평가된다. 따라서 화재의 규모 및 형하고에 따른 영향, 화재발생 위치 등 다양한 인자에 대하여 열전달 해석과 더불어 열전달에 따른 열응력 해석을 통하여 안전성 평가를 수행하는 것이 필요할 것으로 판단된다. 목 차 요 약 문 ⅰ 목 차 ⅱ 표 목 차 ⅴ 그림목차 ⅵ 제 1 장 서론 1 1.1 연구배경 및 목적 1 1.2 연구내용 및 방법 2 제 2 장 화재분석 및 화재시나리오 3 2.1 차량 화재 사고 3 2.2 화재에 의한 교량 피해 사례 6 2.3 차량화재에서의 화재강도 9 2.3.1 경유의 화염온도 및 복사열 9 2.3.2 차량의 열방출률 10 2.4 화재에 의한 교량의 손상 시나리오 도출 11 제 3 장 화재에 의한 구조물 해석 이론 14 3.1 화재에 의한 구조물 해석 14 3.2 열전달 해석의 기본 이론 15 3.3 화염 해석 기본 이론 18 3.3.1 복사 열전달 산정기법 18 3.3.2 화염 높이 산정기법 19 3.4 콘크리트 및 철근 열 특성 22 3.4.1 열전도율 (Conductivity) 22 3.4.2 비열 (Specific Heat) 24 3.4.3 밀도 (Density) 26 3.5 콘크리트 및 철근의 온도에 따른 재료물성 변화 27 3.6 재료 및 구조물의 손상기준- 28 3.6.1 재료의 손상 판정 28 3.6.2 폭렬현상 29 3.6.3 교량 손상기준 30 제 4 장 화재에 의한 교량의 손상 해석 31 4.1 열전달 해석방법의 검증 31 4.2 화재에 의한 교량 손상 해석모델 32 4.2.1 교량 제원 32 4.2.2 모델링 33 4.2.3 해석 설정 34 4.2.4 재료의 열 특성 및 경제조건 35 4.2.5 열원 35 4.2.6 MATLAB을 이용한 복사열 적용 37 4.2.7 해석 CASE 구성 38 4.3 열전달 해석 결과 40 4.3.1 시간에 따른 열전달 해석 결과 41 4.3.2 CASE별 해석 결과 42 4.3.3 CASE별 위치에 따른 최고온도 51 4.3.4 CASE별 손상온도 도달시간 53 4.3.5 CASE별 손상온도 영향면적 55 4.4 열응력 해석 결과 57 제 5 장 결론 61 참고문헌 63 표 목 차 표 2.1 평균 차종별 차량화재의 발생건수, 사망자와 부상자 및 재산피해현황 4 표 2.2 3년간 평균 차종별 발화 요인별 자동차화재 발생 건수 5 표 2.3 차량의 열 방출률 11 표 3.1 철근의 종류별 임계온도 28 표 3.2 재료 손상기준 임계온도 30 표 4.1 열전달 해석 수행 설정 34 표 4.2 열응력 해석 수행 설정 34 표 4.3 해석 CASE 정리 표 39 표 4.4 최종시간(6000sec)에서 CASE별 위치에 따른 최고온도 51 표 4.5 Girder 피복두께 40mm에서의 손상기준온도 도달시간 53 표 4.6 Slab 피복두께 40mm에서의 손상기준온도 도달시간 54 표 4.7 열응력 해석 결과 60 그 림 목 차 그림 2.1 1980년부터 2009년까지 화재 및 차량화재의 발생건수 3 그림 2.2 서울외곽순환 고속도로 부천고가교 화재사고 6 그림 2.3 서해안 고속도로 상행선 서해대교 화재사고 7 그림 2.4 미국 샌프란시스코 고속도로 교차점 유조차 화재사고 8 그림 2.5 독일 Wiehltal Bridge 화재사고 8 그림 2.6 일본 수도고속도로 이케부쿠로선 화재사고 9 그림 2.7 경유의 평균 화염온도 10 그림 2.8 측정위치에 따른 복사강도 10 그림 2.9 승용차 화재 실험 결과 11 그림 2.10 승합차 화재 실험 결과 11 그림 3.1 열전달 해석을 위한 미소 요소 15 그림 3.2 화염의 복사열 전달 개념도 18 그림 3.3 석유화학물질의 단위면적당 질량 연소율 20 그림 3.4 액면연소 시 석유화학물질의 열화학적 상수 21 그림 3.5 온도에 따른 콘크리트의 열전도율 23 그림 3.6 온도에 따른 철근의 열전도율 24 그림 3.7 온도에 따른 콘크리트의 비열 25 그림 3.8 온도에 따른 철근의 비열 26 그림 3.9 콘크리트의 밀도 27 그림 3.10 콘크리트 및 철근 강도감소계수 28 그림 4.1 Time-evolution of the temperature 32 그림 4.2 해석 모델 종단면도 32 그림 4.3 해석 모델 횡단면도 32 그림 4.4 해석 교량 모델링 33 그림 4.5 해석에 적용한 열원의 모델링 36 그림 4.6 Matlab을 이용한 복사열하중 적용 알고리즘 37 그림 4.7 화재위치에 따른 해석 CASE 38 그림 4.8 교량 형하고에 따른 해석 CASE 39 그림 4.9 T-1-1에서의 시간대별 교량하부 온도분포 40 그림 4.10 T-1-1에서의 시간대별 교량횡단면 온도분포 41 그림 4.11 T-1-1에서의 거더 주철근 온도분포 42 그림 4.12 CASE T-1-1 열전달 해석 결과 43 그림 4.13 CASE T-1-2 열전달 해석 결과 44 그림 4.14 CASE T-1-3 열전달 해석 결과 44 그림 4.15 CASE T-1-4 열전달 해석 결과 44 그림 4.16 CASE T-2-1 열전달 해석 결과 45 그림 4.17 CASE T-2-2 열전달 해석 결과 45 그림 4.18 CASE T-2-3 열전달 해석 결과 46 그림 4.19 CASE T-2-4 열전달 해석 결과 46 그림 4.20 CASE T-3-1 열전달 해석 결과 47 그림 4.21 CASE T-3-2 열전달 해석 결과 47 그림 4.22 CASE T-3-3 열전달 해석 결과 48 그림 4.23 CASE T-3-4 열전달 해석 결과 48 그림 4.24 CASE T-3-5 열전달 해석 결과 48 그림 4.25 CASE T-4-1 열전달 해석 결과 49 그림 4.26 CASE T-4-2 열전달 해석 결과 49 그림 4.27 CASE T-4-3 열전달 해석 결과 50 그림 4.28 CASE T-4-4 열전달 해석 결과 50 그림 4.29 CASE T-4-5 열전달 해석 결과 50 그림 4.30 L1위치 CASE별 40mm안쪽에서의 380℃이상 영향면적 55 그림 4.31 L2위치 CASE별 40mm안쪽에서의 380℃ 이상 영향면적 55 그림 4.32 L3위치 CASE별 40mm안쪽에서의 380℃ 이상 영향면적 56 그림 4.33 L4위치 CASE별 40mm안쪽에서의 380℃ 이상 영향면적 56 그림 4.34 교량 처짐 양상 57 그림 4.35 L1 위치에서의 시간-처짐 곡선 57 그림 4.36 L2 위치에서의 시간-처짐 곡선 58 그림 4.37 L3 위치에서의 시간-처짐 곡선 58 그림 4.38 L4 위치에서의 시간-처짐 곡선 59 그림 4.39 형하고 H1에서의 시간-처짐 곡선 59 kor The Graduate School, Ajou University 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다. 화재를 고려한 콘크리트 교량의 손상 평가 SungSoo Kim Thesis 아주대학교 건설교통공학과 구조연구실 SungSoo Kim 일반대학원 건설교통공학과 2013. 2 Master http://dcoll.ajou.ac.kr:9080/dcollection/jsp/common/DcLoOrgPer.jsp?sItemId=000000013660 콘크리트 교량 손상 평가 열전달 해석 비선형 열응력 해석 ABAQUS