화재 열 유동을 고려한 구조물의 열응력해석 프레임워크
Nonlinear Thermo-mechanical Analysis Considering Heat Flow under Fire Conditions
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초록
이 연구는 화재에 노출된 구조물의 역학적 거동을 평가하기 위한 기반연구로서 화재 유동해석과 열응력해석의 통합 프레임워크를 확립하고 이를 강재와 콘크리트로 이루어진 대표체적에 적용한 결과를 제시하였다. 먼저 Fire Dynamics Simulator(FDS)를 이용해 임의의 화재곡선으로 모델링되는 화원으로부터 구조물 표면까지 유동해석을 실시하였다. 이를 통해 구조물 표면에서 시간에 따른 온도 분포를 계산하였고, 이 결과를 비선형 열응력해석에 경계조건으로 적용하였다. 이후의 과정은 화재의 성장 또는 감소에 따라 구조물 표면온도의 변화를 반영하는 열전달해석과 구조해석으로 이루어진다. 제시한 통합 프레임워크에 의해 화재 구조해석을 수행한 결과, 강재와 콘크리트의 대표체적 모두 동일한 하중이 작용할 때 상온 조건에서는 탄성 거동을 보였지만 화재로 인한 온도 조건을 고려할 경우 소성 거동을 보였다. 이는 구조물이 화재에 노출되는 경우 설계하중보다 작은 하중에서도 한계상태에 이를 수 있다는 것을 의미하며, 따라서 원전구조물이나 교량과 같은 중요 사회기반구조물의 설계 시 구조물의 화재거동 평가가 고려되어야 한다고 할 수 있다.
Abstract
In this study, a numerical analysis framework for investigating the nonlinear behavior of structures under fire conditions is presented. In particular, analysis procedure combining fire-driven flow simulation and thermo-mechanical analysis is discussed to investigate the mechanical behavior of fire-exposed representative volume structures made of steel and concrete, respectively. First of all, fire-driven flow analysis is conducted using Fire Dynamics Simulator(FDS) in a rectangular parallelepiped domain containing the structure. The FDS simulation yields the time history of temperature on the surface of the structure under fire conditions. Second, mechanical responses of the fire-exposed structure with respect to prescribed uniformly distributed loads are calculated by a coupled thermo-mechanical analysis using the time-varying surface temperature as boundary conditions. Material nonlinearities of steel and concrete have been considered in the thermo-mechanical analysis. A series of numerical results are presented to demonstrate the feasibility of the multiphysics structural fire analysis for investigating the structural behavior under fire conditions.
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