고온에 노출된 콘크리트의 수분이동 및 열역학 해석

• 영문명: Hygro-Thermo-Mechanical Analysis of Concrete under High Temperature
• 발행기관: 한국방재학회
• 저자명: 이인규 Rhee, Inkyu
• 간행물 정보: 『2. 한국방재학회 논문집』13권5호, 25~34쪽, 전체 10쪽
• 주제분류: 공학 > 기타공학
• 파일형태: PDF
• 발행일자: 2013.10.31

국문 초록

실제로 콘크리트재료는 화재 노출시 심각한 손상을 입는다. 이는 물리적으로 높은 열응력 변화, 공극압 변화 그리고, 재료자체의 비가역적 화학적 손상 등의 조합에 기인한다. 본 논문은 폭렬현상의 원인에 대한 주요한 2가지 가설인 구속조건을 갖는 열변형 효과, 급격한 공극압 변화(증기압)을 해석적으로 모형화하고, 최근 실험적 연구에서 주장된 이들 2가지 요인의 복합적 효과에 대해 그 메카니즘을 분석하고자 하였다. 즉, 비균질성 특성을 갖는 콘크리트재료가 고온 노출에 따른 열수분이동 및 열역학적 거동에 관한 해석적 규명의 일환이었다. 골재와 경화된 모르터 부분의 열특성 및 재료특성의 차이를 묘사한 2상 복합체 기하학적 모델(Heterogeneous model), 재료손상모델 등을 동시에 사용하여, 급격한 온도상승에 따른 콘크리트 내부의 재료간 차등 열변형, 수분이동에 따른 차등 수축특성을 다루었다. 궁극적으로, 이러한 복합응력상태가 국부적 재료손상으로 이어져, 경계면에 폭렬현상으로 이어지는 과정을 확인하였다. 온도, 공극압 그리고 열변형에 따른 개별적인 유한요소 해를 갖고, 다음 해석단계의 해를 결정하기 위해 변형률 기반 환경하중(Strain-driven environmental loads)를 이용하여 추정하였다. 이 때, 이들 변형율 간의 관계는 중첩가능 관계(Additive relationship)로 정의하였다.

영문 초록

In reality, a concrete structure develops critical damage from a fire disaster. This is because the physical high gradient changes in the form of thermal stress and pore pressure; it is elevated by moisture migration among dissimilar material properties as well as irreversible chemical reaction of its constituents. This paper explores two main hypotheses for spalling: restrained thermal deformations and vaporization of the free pore water with an aid of finite element method. Eventually, the combined problem with pore pressure and thermal deformation under constrained conditions are discussed for the sake of analyzing the recent experimental findings. The heterogeneous model (representative volume element; RVE) problem of aggregate inclusions in an elastic matrix bonded by different thermal, hygral, and elastic properties was considered. Since these multiple processes occur on different scales, the binding rule of these processes was basically taken as an additive relation in the form of a strain format for simplicity. Finally, the total strain was evaluated according to the contributions of thermal strain, hygral strain, strain by pore pressure, and the elastic strain at the material points. The right-hand side of the stiffness equation was finally introduced in the environmental strain driven initial load.

키워드

열 수분이동 및 열역학 해석 공극압 응력불균형 폭렬현상 Hygro-thermo-mechanical interaction Pore pressure Mismatch Spalling