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Contents
CHAPTER 1. INTRODUCTION 12
CHAPTER 2. LITERATURE REVIEW 15
2.1. Material Properties at High Temperature 15
2.1.1. Concrete 15
2.1.2. Steel reinforcements 21
2.2. Wall Behavior at High Temperatures 24
2.2.1. Experiments 24
2.2.2. Theoretical model 27
2.3. Fire Resistance in Code Provisions 31
2.3.1. ACI216.1-07 31
2.3.2. EUROCODE 2- 2004 31
2.3.3. AS 3600-2001 33
2.3.4. New Zealand code, NZS 3101: Part 1:1995 34
2.3.5. ACI216.1-91/TMS-0216-97 35
2.3.6. Failure criteria 35
CHAPTER 3. EXPERIMENTS 36
3.1. Objective 36
3.2. Specimens 36
3.2.1. Main parameters 36
3.2.2. Fabrication of wall specimens 37
3.2.3. Test conditions and procedure 45
3.3. Test results 51
3.3.1. Observation 51
3.3.2. Effect of main parameters 70
CHAPTER 4. DEVELOPMENT OF AXIAL DEFORMATION MODEL AND FIRE RESISTANCE FORMULA 78
4.1. Objective 78
4.2. Development of the Axial Deformation Model of the Walls in Fire 78
4.2.1. Heat transfer model 78
4.2.2. Spalling model 92
4.2.3. Axial deformation model of the walls in fire 98
4.2.4. Parametric studies 119
4.3. Development of Predictive Formula for Fire Resistance 123
4.3.1. Formulation of predictive formula 123
4.3.2. Comparisons of fire resistance the test results, the model and the formula 125
4.3.3. Comparisons of fire resistance by provisions and the formula 126
CHAPTER 5. CONCLUSIONS 131
REFERENCES 134
국문초록 137
ABSTRACT 139
APPENDIX 141
APPENDIX A. FIGURES OF WALL SPECIMENS BEFORE AND AFTER FIRE TESTS 141
APPENDIX B. PROGRAM LIST 147
Table 2.1. Test specimen properties 24
Table 2.2. Fire resistance of single-layer concrete walls (Table 2.1 of ACI 216.1-07) 31
Table 2.3. Minimum wall thickness of non load-bearing walls (Table 5.3 of EC2-2004) 32
Table 2.4. Minimum wall thickness for load-bearing reinforced concrete walls (Table 5.4 of EC2-2004) 33
Table 2.5. Minimum effective thickness for insulation (Table 5.7.2 of AS 3600-2001) 33
Table 2.6. Minimum effective wall thickness for fire resistance (Table 6.1 NZS 3101: 1995) 34
Table 2.7. Minimum cover to vertical reinforcement and tendons for stability of walls (Table 6.4 of NZS 3101: 1995) 34
Table 3.1. Specimens 38
Table 4.1. Comparison with test results for fire resistance 114
Table 4.2. Best fit coefficients of "a" and "b" in Eq (4.66) 123
Table 4.3. Comparisons of fire resistance by provisions and the Formula 127
Fig. 2.1. Modulus of elasticity and compressive strength of various concretes 17
Fig. 2.2. Comparisons between models by Lie et. al. (1984) and Nisigakitarou et.al. (1995) 20
Fig. 2.3. Model comparisons for steel reinforcements tested at UE state 23
Fig. 2.4. Wall test specimens and test methods by Cozier and Sanjayan (2000) 26
Fig. 2.5. Flow chart of solution procedure Using the stress-stain law and its variation with temperature 28
Fig. 2.6. Discretization of the wall 29
Fig. 2.7. Equilibrium equations for the wall 30
Fig. 3.1. Details of wall specimens and podium 42
Fig. 3.2. Thermocouple points 43
Fig. 3.3. Thermocouples at midsection and near surface 44
Fig. 3.4. String displacement gages 46
Fig. 3.5. Illustration of furnace system 48
Fig. 3.6. Wall loading schemes 49
Fig. 3.7. ISO standard heating curve 50
Fig. 3.8. Collapsed wall specimens 53
Fig. 3.9. Partially spalled wall specimens 54
Fig. 3.10. Wall specimens without spalling 55
Fig. 3.11. Temperature distribution of L100A 57
Fig. 3.12. Temperature distribution of L150A 58
Fig. 3.13. Temperature distribution of H100B 59
Fig. 3.14. Temperature distribution of N₂200BH 60
Fig. 3.15. Temperature distribution of N₃200B 61
Fig. 3.16. Temperature distribution of N₂200B 62
Fig. 3.17. Temperature distribution of N₁150B 63
Fig. 3.18. Temperature distribution of N₁1000 64
Fig. 3.19. Time vs. axial deformation 69
Fig. 3.20. Effect of wall thickness 72
Fig. 3.21. Effect of load level 72
Fig. 3.22. Effect of compressive strength of concrete 75
Fig. 3.23. Effect of ratio of vertical reinforcement 77
Fig. 4.1. Concrete wall exposed to fire at both side 79
Fig. 4.2. Nomenclature for numerical solution of conduction problem 80
Fig. 4.3. Comparison of test result of L100A 84
Fig. 4.4. Comparison of test result of L150A 85
Fig. 4.5. Comparison of test result of N₂200B 86
Fig. 4.6. Comparison of test result of N₂200BH 87
Fig. 4.7. Comparison of test result of N₃ 200B 88
Fig. 4.8. Comparison of test result of H100B 89
Fig. 4.9. Comparison of test result of N₁1000 90
Fig. 4.10. Comparison of test result of N₁150B 91
Fig. 4.11. The principle of strain hardening rule applied on creep strain for concrete 100
Fig. 4.12. Strain-stress of concrete at temperature 103
Fig. 4.13. Principal creep curve for steel according to Dorn theory 106
Fig. 4.14. The principal of strain hardening rule applied on creep strain for steel 107
Fig. 4.15. Strain-stress of steel at temperature (EC3 2004) 107
Fig. 4.16. Different strain components in reinforced concrete wall at high temperature 111
Fig. 4.17. Algorithm 113
Fig. 4.18. Comparison of time - axial deformation 118
Fig. 4.19. Effect of wall thickness 119
Fig. 4.20. Effect of P/Pn 120
Fig. 4.21. Effect of concrete compressive Strength 121
Fig. 4.22. Effect of vertical reinforcement ratio 121
Fig. 4.23. Effect of cover thickness 122
Fig. 4.24. Comparison of the fire resistance predicted by the model and the formula in Eq (4.69) 125
Fig. 4.25. Comparisons of fire resistance between test results and prediction by formula 126
Fig. 4.26. Comparisons of fire resistance by EC2, ACT and the Formula 128
Fig. 4.27. Comparisons of fire resistance between test results and prediction by modified formula with τ'R = 0.76·τR(이미지참조) 129
Fig. 4.28. Comparisons of fire resistance by EC2, ACI and the modified Formula with τ'R = 0.76·τR(이미지참조) 130
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국내의 경우, 대부분의 아파트건물은 벽식구조로 건설된다. 벽식구조는 높이에 비해 벽체두께가 얇아 높은 형상비를 갖는다. 이는 화재 시 콘크리트 벽체 내부로 고온의 열이 급격히 전달될 수 있음을 의미하며 이로 인하여 벽체 구성 재료의 열화와 함께 벽체의 궁극적인 붕괴를 초래할 수 있음을 의미한다. 최근에 초고층 아파트 또는 주상복합의 건설과 함께 고강도 콘크리트가 사용되고 있다. 이로 인하여 화재 시 심각한 폭열현상이 우려되어 이에 대한 연구 필요성이 증가하고 있다.
화재에 노출된 벽체에 대한 이론적 또는 실험적 연구는 매우 제한적으로 진행되었으며 이들 연구는 또한 한쪽 벽체면이 화재에 노출된 경우에 한하여 진행되었다.
이 연구에서는 양면이 화재에 노출된 벽체의 구조적 거동을 실험 및 이론연구를 통하여 규명함에 있다. 이 연구의 구제적 목적은 다음과 같다: 1) 화재 시 중심 축하중을 받는 철근 콘크리트 벽체의 구조적 거동에 대한 추가 실험 자료 제시; 2) 화재 시 벽체 거동을 모사할 수 있는 이론 모델 개발; 3) 벽체에 대한 내화시간 예측식 개발.
실험을 통하여 양면이 화재에 노출된 콘크리트 벽체의 경우 벽체 두께와 양생조건에 따라 완전붕괴, 심각한 화해, 그리고 세시간 이상 내화성능을 가질 수 있음이 관찰되었다.
벽체 두께가 100mm 이거나 150mm 인 경우 완전붕괴가 발생하였다. 이들 벽체의 경우 상대적으로 단기간 양생되었거나 또는 고강도 콘크리트로 제작되었다. 다른 벽체들은 부분적 폭열이 발생하거나 또는 전혀 폭열이 발생하지 않은 상태에서 180 분의 내화성능을 나타내었다.
화재 실험에 의하면 벽체 수직변위는 두 경향을 나타내었다: 초기 팽창 후 수축; 지속적인 팽창. 과도한 폭열에 따른 급격한 내부온도 상승으로 인하여 벽체 단면이 심각하게 손상을 받은 경우에 벽체 수축이 관찰되었다.
화재 시 일정한 축하중을 받는 벽체의 가열 시간에 따른 축변위를 모사할 수 있는 이론 모델을 열전달 모델, 폭열 모델, 고온에서의 콘크리트와 철근의 기계적 거동을 고려한 이론모델에 근거하여 개발하였다. 개발된 모델은 화재 시 벽체의 거동을 잘 모사하였다. 이론 모델에 의하면 벽체의 내화성능은 벽체두께와 벽체의 공칭축내력에 대한 축하중비의 영향을 가장 많이 받는 것으로 나타났다. 그러나 콘크리트의 압축강도, 수직 철근비, 콘크리트 피복두께는 벽체의 내화성능에 거의 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
개발된 모델을 이용하여 벽체의 내화시간을 예측할 수 있는 실용식을 개발하였다. 이 식은 벽체 두께와 벽체 공칭축내력에 대한 축하중비의 함수로서 벽체의 내화성능을 예측하는 실용식으로 사용될 수 있다.
개발된 실용식에 따른 내화성능과 ACI 217-6 및 EUROCODE 2 에 제시된 내화성능을 비교하였다. ACI 217-6 의 경우 벽체두께만을 내화성능 산정 시 변수로 채택하고 있다. 이는 화재 시 벽체가 받고 있는 하중영향을 무시함으로 말미암아 부정확한 내화성능을 초래할 수 있다. 벽체 내력에 대한 축하중 크기와 무관하게 모든 경우에 대하여 개발된 실용식은 EUROCODE 2 에 의한 내화성능에 비하여 더 큰 값을 나타냈다. 실용식에 의한 내화성능(TR)에 감소계수 α=0.79 을 곱하여 수정할 경우 EUROCODE 2 에 의한 벽체 내화성능과 수정된 실용식에 의한 내화성능값이 유사하게 됨이 관찰되었다. 감소계수의 적용은 축하중을 받는 벽체에 발생할 수 있는 우발편심 모멘트에 의한 내력감소 영향 등을 추가로 고려함을 의미한다. 그러나 화재 시 벽체가 받은 불확실성에 대한 연구는 앞으로 더 연구되어야 할 필요가 있다.
원문구축 및 2018년 이후 자료는 524호에서 직접 열람하십시요.
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