반도체 제조공정의 화재위험과 연기유동 분석 및 화재감지기 안전설계에 관한 연구

한수진 명지대학교 2006 국내박사

반도체강국인 우리나라는 세계시장에서 선도적인 위치를 지키기 위해 지속적으로 생산라인을 건설하고 있으나, 반도체공장의 잠재되어 있는 위험에 대한 연구와 자료는 부족한 실정이다. 반도체공장에 존재하는 많은 위험 중에 화재의 위험은 공장의 가동중단을 가져올 수 있어 초기에 진압을 못하면 필연코 막대한 손실을 가져온다. 이런 위험요소들을 감소하기 위하여 더 많은 소방안전설비를 갖추는 외에 더 중요한 것은 어떻게 하면 최적의 방재시스템을 설계·구축하여 이 방면의 손실을 감소 할 것인가 하는 것이다. 현재의 반도체공장 관련 소방법규는 기능성 법규에 해당하며 이런 법규는 반도체공장의 특수성에 대한 고려가 부족하다. 기존의 사양중심 소방법규 등은 경험에 의한 것이었기 때문에 명확한 공학적 증명 없이 이루어졌고 따라서 사양기준 소방법규에 맞추어 설비할 경우 여러 가지 문제점들이 야기될 수 있다. 예를 들면 기존의 법에 의한 설비는 과투자, 저효율 및 다양화되어 가는 건축설계의 자유로움을 소화하지 못하고, 빠른 신기술의 변화에 적용하지 못하는 것이다. 그러므로 최적의 화재예방설계는 생산현장의 상황과 환경을 고려하여 소방안전 설비를 갖추는 것이다. 반도체 제조공정은 무창층의 밀폐공간으로서 청정도 관리를 위하여 강한 공조 흐름이 존재한다. 따라서 이러한 Clean Room 특성에 맞는 화재안전 설계가 필요하다. 이에 반도체 Clean Room내 공조방식에 따른 연기유동과 이에 따른 최적의 감지시스템 구축방안을 도출하고자 한다. 본 연구에서는 H사의 Clean Room에 1MW의 메탄올 화재가 발생했을 때, 연기흐름과 속도 등을 분석하고 효과적인 방재시스템을 제시하기 위해, 전산유체역학을 이용하여 화재 시뮬레이션을 수행하였다. The power of semiconductor, Korea is continuously constructing semiconductor production line for keeping a front-runner status. however, studies and data about potential risks in semiconductor factory are still short. If fire does not initially suppressed, the fire cause a great damage. To decrease fire risk factors, in addition to fire fighting safety equipment, more important thing is how to design and construct fire protection system. The current fire protection code about semiconductor factory come under functional law, and this law is short of consideration about particularity of factory. The existing prescriptive fire code depending on experience compose without evident engineering verifications, thus equipments which is created by the current prescriptive fire code may bring about a variety of problems. For example, the design under the current regulation can not cope with the excessive investments, low efficiencies, and the diversifying construction designs and be applied to the quick changes of new technologies. Ergo, an optimal design for fire protection is to equip fire protection arrangements with condition and environment of production field. Manufacturing factory of semiconductors is a windowless airtight space. And for cleanliness, there exists strong flow of cooperation. Therefore, there is a need for fire safety design that meets the characteristic of a clean room. Accordingly, we are to derive smoke flow according to cooperation process within a clean room and construction plan of an optimal sensor system. In this study, in order to confirm the performance of proposed smoke-exhaust equipment and suggest efficient smoke exhaust device when there is a fire of 1MW of methane in the clean room of company H, we have implemented fire simulation using fluid dynamics computation.

소방화재조사관의 화재수사권 부여에 관한 연구

조상열 경기대학교 행정·사회복지대학원 2016 국내석사

인류가 지금까지 문명을 발전시키면서 성장하고 있는 바탕에는 불을 다룰 줄 아는 지혜가 있었기에 가능했으리라 생각된다. 이처럼 불은 우리 인간에게 매우 유용한 문명의 도구로 자리 잡아 왔다. 하지만 항상 유익하기만 하지는 않았다. 불은 우리가 원치 않는 다른 모습으로도 찾아오곤 한다. 우리는 그것을 화재라고 한다. 화재는 인간의 의도에 반하여 도구를 사용하여 소화하여야할 필요성이 있는 불을 의미하는데 현대의 발달된 문명과 함께 화재의 발생도 빈번하고 규모도 대형화하여 인명과 재산피해는 해마다 늘어나는 양상이다. 소방에서는 화재의 예방과 진압 및 국민의 안전을 위해 많은 노력을 하고 있으나 여러 가지 법적·제도적·사회적 인식의 부족으로 화재를 비롯한 안전문화 정착에는 다소 소홀한 부분이 여전히 남아있다. 우리사회는 최근 대형건물화재·문화재화재·가스폭발·지하철화재·유독가스누출·여객선 사고 등의 끔찍한 재난사고가 끊임없이 발생하여 수많은 사상자와 엄청난 재산피해가 발생하고 있는데 대부분의 사건사고가 인재였다는 사실은 가슴 아픈 일이다. 이런 사실은 미리 예견하여 막을 수 있었거나 피해를 줄일 수도 있었다는 이야기이기도 하다. 오늘날 국민들의 생활수준이 향상되고 권리 의식이 높아지면서 안전에 대한 요구가 더욱 확대되고 있다. 이러한 때에 화재를 비롯해 사회의 여러 안전 분야 중 큰 축을 담당하고 있는 소방조직에서는 국민의 안전한 생활 영위를 위하여 더욱 큰 관심과 노력을 기울여야 할 책임이 있는 것이다. 본 논문에서는 화재조사 및 수사와 관련하여 화재전문기관인 소방에서 관련법규의 미비로 인하여 화재현장에서 화재조사관이 느끼는 비효율성과 중복된 조사로 국민의 불편을 가중시키는 원인을 알아보았다. 또한, 경찰과 소방의 본연의 전문 업무능력에 따라 화재수사권을 소방화재조사관에게 부여하는 당위성에 대하여 연구하였고, 소방기관이 화재수사를 하기 위한 전제로 특별사법경찰(이하 ‘특사경’이라 함)과 화재조사관이 한 팀으로 조사와 수사를 같이 하는 전담팀 구성의 필요성을 역설하였으며, 화재감정 전문기관으로 소방과학연구실을 확대 개편하여 국과수의 업무 부담을 줄이고 화재감식전문성을 더욱 공고히 해야 할 것이라는 점을 제안하였다. 소방기관 스스로가 특사경으로서 화재에 관한 수사능력을 배양하여 충분한 실적을 쌓고 공적 신뢰도를 높여간다면, 화재수사권이 화재전문기관인 소방으로 넘어오는데 이의를 제기할 사람은 없을 것이다. 그렇게 되기 위해서는 형법의 개정에 앞서 특사경법상 특사경의 직무범위를 우선 개정하여 화재수사를 가능토록 해야 할 것이다. 소방기관에 화재수사권이 부여된다면 같은 화재현장에 경찰기관이 소방기관과 동시에 출동하여 유사한 업무를 하는 행정의 비효율과, 두 기관으로부터 이중 조사를 받아야 하는 국민의 불편도 사라지게 된다. 더불어 화재현장 동원 경찰력을 방범과 예방순찰 등에 전념토록 할 수 있어, 국민에게 보다 나은 치안 서비스와 안전한 봉사행정을 실현하는데 이바지 할 수 있을 것이다. Civilian demand quality services in country in order to live a safe life from various disasters and crimes when the living standards of the people and the consciousness level of people increases. The police and Fire Authority are responsible for our society’s safety. Police defend the security of the public from various criminal and Fire Authority has a duty to keep citizens from fire, including various disasters. There are numerous disastrous accidents and damage caused to life and property occurred constantly in our society. At this time the Fire Authority which is responsible for the safety from fire in many parts of society will be pay greatest attention and efforts to minimize the damage of life and property of the people. In this paper, I’ll discuss about the necessity to give a Fire Authority a fire investigation right. Because Fire investigator feel inefficiencies in fire place In the fire, Lack of relevant laws and regulations fire investigator feel inefficiencies and redundant research adds discomfort to the people. Under Current legislation, dispatch of police and fire agencies in fire place at the same time cause Ineffectiveness of administrative tasks and discomfort of the people undergo a double investigation. If Fire Authority get a fire investigation right, Ineffectiveness of administrative tasks and discomfort of the people will disappear and police force will be able to contribute to the true service to the public.

화재 대응 개선방안에 관한 연구 : 제천 스포츠센터 화재 사례(case)를 중심으로

박계춘 목원대학교 산업정보언론대학원 2020 국내석사

Modern Korean society has changed all aspects of society in accordance with high economic growth and industrialization. Buildings are becoming taller, denser and underground to limit land use and maximize space utilization. In these changes, fires are caused by various causes, and the scale of human and property damages is increasing. Fire suppression, rescue and rescue of human life is called fire response. The recent fire cases in which a number of casualties have occurred have most of the problems of delayed notification, inappropriate fire response, and commanding ability of the field commander. The purpose of this study is to derive the problem of fire response that may occur in case of fire through the fire case analysis of Jecheon Sports Center and to study the effective way to improve fire response.

화재발생에 관한 지리학적 고찰

이선희 梨化女子大學校 敎育大學院 1994 국내석사

화재 확산을 고려한 실내 화재 대피 시뮬레이션

이재영 서울시립대학교 일반대학원 2020 국내석사

대형 건축물의 피난안전성 진단과정에서는 일반적으로 화재 시뮬레이션과 대피 시뮬레이션을 독립적으로 실행하는 논커플링 방식으로 피난안전성을 평가하고 있다. 대피 시뮬레이션은 보행자들이 지정한 장소로 대피하기까지 소요되는 피난요구시간(RSET)을 계산하며, 화재 시뮬레이션은 화재의 영향이 지정한 장소에 도달하기까지 소요되는 피난허용시간(ASET)을 계산한다. 건물의 피난안전성은 ASET이 RSET보다 길면 건물이 안전하다고 판단되며, 반대로 ASET이 RSET보다 짧으면 건물이 위험하다고 판단된다. 하지만, 논커플링 방식의 화재 대피 시뮬레이션에서는 재실자들의 이동이 화재의 열·연기 확산에 영향을 받지 않고 계산되므로, 시뮬레이션의 결과가 실제 피난 형태와 다르게 표현된다. 또한, 논커플링 방식을 통한 피난안전성 평가에서는 설계자가 피난안전성을 평가하는 지점을 어디로 선정하느냐에 따라 건축물의 피난안전성에 대한 평가가 다르게 나타난다는 문제가 있다. 본 연구에서는 화재 확산과 보행자의 움직임을 동시에 고려한 커플링 방식의 화재 대피 시뮬레이션을 제안하고자 한다. 커플링 방식의 화재 대피 시뮬레이션은 기존의 보행모델 floor field model(FFM)에 화재 확산의 가시화와 우회경로 탐색을 반영하여 생성한 확장된 FFM을 기반으로 한다. 화재 확산의 가시화는 크게 공간데이터의 생성, 가시화를 위한 연기 확산 필드 생성, 화재 인지를 위한 연기 인지 필드 생성 과정을 통해 진행된다. 확장된 FFM에서 사용되는 공간데이터는 실내 표준데이터 IndoorGML을 통해 제작한다. 화재 확산 데이터는 화재 시뮬레이터 fire dynamics simulator를 통해 산출하고, 산출된 화재 확산 데이터는 연기 확산 필드로 변환하여 FFM에 화재를 가시화한다. 연기 인지 필드는 보행모델의 에이전트가 먼 거리에서도 화재 상황을 인지할 수 있는 공간이며, 연기 확산 필드를 통해 생성한다. 우회경로 탐색은 우회를 고려한 이동확률 정의, 안전한 출구 탐색 과정을 통해 진행된다. 확장된 FFM에서의 에이전트는 자신의 상태에 따라 다른 형태의 이동 확률을 이용하여 화재를 피해 이동한다. 화재를 인지한 보행자가 이동할 안전한 출구는 그래프 데이터를 기반으로 탐색된다. 추가적으로 보행자가 화재의 영향 내에서 움직일 때 받는 피해를 계산하여 사망 여부를 판정하고, 이를 통해 사망추정 인원수를 집계한다. 본 연구에서 제안하는 화재 대피 시뮬레이션은 다양한 화재 상황에 대한 시뮬레이션뿐만 아니라 화재로 인한 사망 인원의 추정이 가능하다. 시뮬레이션의 결과로 대피 인원들의 이동궤적과 출구별 누적 대피 인원을 산출하며, 산출된 결과들을 비교하여 일반적인 대피 상황과 여러 화재 상황에 대한 보행자의 움직임을 분석한다. 또한, 에이전트에 건강수치를 적용하여 화재 상황에 따른 사망인원수를 추정하는 실험을 진행한 후, 실험의 결과를 분석하여 에이전트의 건강수치가 대피 상황에 미치는 영향을 살펴본다. 또한, 에이전트를 보행자의 특성 중 건물구조 인지 여부와 연령을 기반으로 그룹을 나누어 멀티 에이전트를 생성하고, 이를 이용하여 실험을 진행한다. 단일 에이전트일 때와 멀티 에이전트일 때의 대피결과를 비교하여 대피 인원들의 특성이 대피에 미치는 영향을 분석한다. In general, the evacuation safety diagnostics in large buildings evaluate evacuation safety using a non-coupling method that independently executes evacuation and fire simulation. The evacuation simulation calculates RSET(Required Safe Egress Time) that is time to take for pedestrians to evacuate to a designated location. The fire simulation calculates ASET(available safe egress time) that is time to take for the impact of the fire to reach the designated location. The evacuation safety is considered to be safe if ASET is longer than RSET. On the contrary, if ASET is shorter than RSET, the building is considered dangerous. However, there are limitations to describe realistic evacuation using non-coupling method. In the non-coupling method, people move without being affected by heat and smoke diffusion, so the simulation result is different from the actual evacuation. In addition, the evacuation safety diagnostics based on the non-coupling method has a problem that the result of the evacuation safety may vary depending on where the designer selects the evaluation point. In this study, i propose a fire evacuation simulation model based on coupling method that describe fire spread and pedestrian movement simultaneously. The proposed model is the extended FFM(floor field model) that reflects the visualization of the fire spread and the detour route search based on the FFM. The visualization of the fire spread consists of the process of generating spatial data, generating a smoke spread floor field and generating a smoke recognition field for fire recognition. The spatial data used in the extended FFM is produced through the IndoorGML that is an indoor standard data. The fire spread data is calculated by fire dynamics simulator, which is a fire simulator, and the fire spread data is converted into a smoke spread field to visualize the fire in the FFM. The smoke recognition floor field which is a space where an agent can recognize a fire situation even at a long distance is generated through a smoke spread floor field. The detour route search consists of defining transition probability considering the detour and searching the safe exit. In the extended floor field model, agents move using different types of transition probability depending on their state. The safe exit for the agent is searched on the graph data. In addition, the damage taken when an agent moves within the effect of a fire is calculated to determine death of the agent. The fire evacuation simulation in this study is capable of estimating the number of death due to fire as well as simulation of various fire situations. By comparing the trajectory of evacuee and the cumulative evacuee for each exit, the pedestrian movements are analyzed for general evacuation and fire situations. By applying the health point to the agent, the number of death is estimated according to the fire situation. I analyze the results and examine the impact of health point on evacuation. In addition, I made multi agents by dividing the agent into groups about whether the structure of the building and the age. I compare the evacuation results of single agents and multi-agents and analyze the impact of evacuation personnel's characteristics on evacuation.

Study on fire curve estimation method of railcars

이덕희 Graduate School, Yonsei University 2016 국내박사

The fire safety management techniques of these days are developed to the stage of conducting performance base fire safety design and quantitative risk assessment (QRA) in railway systems. A fire curve of railcar is one of the most important input factors in quantitative risk assessment for the decision of fire safety facility scale. For that reason, there were many trials to get fire curves of trains however they had critical limitations compared to the curves from real fire tests. We need to develop a novel simple estimation method of railcar fire curve to save extremely high cost for conducting real fire test of railcars. This thesis analyzed used methods, reduced scale model fire test results and results of conducted two types of real railcar fire tests for developing a new railcar fire curve estimation method. The used methods for the estimation of fire curve were reviewed and applied to the train case of this study for the analysis. The used common summation method was modified by burning area based calculation to find out the developed concurrency to the experimental results. The limitation of modified post-flashover model also reviewed with the correction coefficient η to include the external burning of the compartment. The advantages and limitations of CFD simulations with heat release late per unit area (HRRPUA) model and the pyrolysis model were discussed with the experimental fire curve of intercity railcar. Series of subway cars in reduced model with different opening conditions were tested in the viewpoint of fire development and flame spreading. The outlier phenomenon from the post flashover heat release rate (HRR) line for usual compartment was investigated at wide opened ventilation conditions in reduced scale model test. The linear flame spreading was also inspected in this experiment with certainly wide openings. Two cases of real scale fire tests were conducted with an intercity railcar and a subway electrical multiple unit (EMU) railcar. The standard ignition fire source scenario in EN 45545-1 was applied to both cars, and measured fire growth rates were compared with the traditional growing ratio curves. The decision of ignition time by using surface temperature measurement with arranged thermocouples was carried out. Flame spreading speeds were investigated by analyzing the ignition time and distances to all of the measuring points on each interiors at 400 ℃ of surface temperature. In case of intercity train car, ceiling and wall panel showed linear flame spreading while floor and seat showed non-linear spreading. All of the flame spreading over the interior surfaces showed linear fashion in subway car. The linear design fire was suggested with five parameters. The HRR measurements of mock-up test and seat assembly test were compared with the full scale test results of the intercity railcar. It was analyzed that the fire test with two seats alinement can give same information about flashover time and initial fire growing rate. Therefore, we just need to estimate the fire curve after flashover time which is supposed to be the time of over 1MW HRR. A novel fire curve estimation model based on fire propagation speed was proposed in this study. This model calculation result showed much better agreement with the real test result than the trials with CFD simulations. The evaluations of this novel model on the real scale fire test for two railcars were discussed. The basic method of summation caused the limitations of discordance at decay stage in estimated fire curve. Even though the suggested model needs further studies for different fire source and opening scenarios, it can be much useful because it just adapts the data from specified tests to be confirmed for rail safety engineering. 최근 철도시설에서 화재위험을 관리 절차는 표준화된 사고 시나리오에 대하여 성능기반의 정량적 위험도 평가(QRA)를 요구하는 수준으로 발전하였다. 이때 철도차량의 화재곡선은 철도터널이나 지하역사에 적용되는 안전설비의 규모를 결정하는 가장 중요한 요소가 된다. 따라서 적정한 철도차량 화재곡선을 도출하기 위한 다양한 예측방법이 사용되어 왔으나 각기 한계점을 내포하고 있어왔으며 차량마다 실물 화재시험을 하는 것은 많은 비용이 소요되므로 공학적으로 적용할 만한 간단한 화재곡선 예측 방법의 개발이 요구된다. 본 논문에서는 기존에 사용되던 방법론에 기초하여 축소 모형시험(Reduced scale model test)과 실물규모시험(real scale fire test)을 분석하여 도출된 차량 내 화재전파 특성에 기반한 새로운 화재곡선 예측방법을 제시하였다. 우선, 기존에 사용되어 왔던 철도차량 화재곡선 산출 방법을 정리하고 한계점을 분석하였다. 대표적으로 사용되어 화재공학에서 적용하여 왔던 연소가능 소재 사용량 기준의 합량법(Summation method)을 개량하여 실시간으로 연소면적을 분석하여 적용하는 연소면적 기반 합량법(Burning area based summation method)을 적용했을 경우 개선된 화재곡선 사례를 제시하였다. 이와 더불어 포스트-플래시오버 모델의(post-flashover model)의 한계점을 극복하기 위하여 제안된 보정계수를 적용할 경우 사례를 소개하였다. CFD 화재 모델링을 통하여 철도차량 화재곡선을 예측한 사례를 제시하고 한계점을 논하였다. 전동차 축소모형 시험을 수행하고 화재성장 형상 및 화염전파 특성을 분석하였다. 환기계수(ventilation factor)의 증가에 따라서 post flashover 모델에 의하여 열방출률(Heat release rate)이 증가하다가 특정 시점으로부터는 이론 곡선으로부터 이탈하는 특성이 나타나는 것을 확인하였다. 충분한 개방이 이루어진 경우 축소모델에서 화염전파는 선형적으로 이루어짐을 확인하였다. 도시간 열차의 객차와 지하철에 적용되는 전동차 구조의 차량에 대하여 실물화재 시험을 수행하였다. 차량 실물화재 시험에 적용하는 표준 시나리오에 의하여 화재성장율을 분석하고 기존의 전형적인 성장율 값과 비교하였다. 열전대(thermocouple)를 내장재에 부착하고 온도 변화를 측정하여 각 내장재가 점화되는 시간을 분석하였다. 400℃를 점화시간으로 가정하였을 때 내장재별 화염전파 특성을 분석하였다. 도시간 열차의 경우 천장과 벽면 내장판은 선형적인 전파 특성을 바닥과 의자는 비선형적인 전파를 전동차 구조의 차량은 모든 내장재에서 선형적인 화염전파 특성이 나타났다. 화재곡선을 단순화하여 5가지 요소로 가장 단순한 형태의 선형 설계화재곡선(Design fire curve)을 만드는 방법론을 제안하였다. 이때 실물화재 시험과 의자시험 및 차량 내장재 목업(mock-up fire test)시험 결과를 비교하여 플래시오버 발생시간과 초기 성장율은 2조의 의자 시험 조립체 시험으로도 확보할 수 있다는 점을 확인하였다. 따라서 화재가 1MW급 이상으로 확대된 성장곡선만 확보한다면 철도차량 설계화재 곡선을 구할 수 있다는 점을 주장하였다. ISO 5658-2(lateral flame spread test) 시험을 통하여 구해진 측 방향의 화염전파 속도를 이용하여 화재 진행속도를 결정하는 방법과 이를 이용한 철도차량 화염전파 모델식을 제안하였다. 철도차량의 형태에 따라서 적용하는 선형성을 달리하여 적용해야 했다. 도시간 열차와 같이 의자가 차량 실내를 수직방향으로 분할하는 경우에는 바닥과 의자에 이차식의(quadratic) 전파속도를 적용할 때 보다 실물화재 시험결과와 잘 일치하였다. 반면 지하철 전동차의 경우 일차 선형의(linear) 전파속도를 적용하여 수용할 수 있는 수준의 결과를 확인하였다. 이 예측 모델이 가지고 있는 한계점과 적용할 수 있는 조건에 대하여도 논하였다. 제시된 모델은 기존에 의무적으로 수행하던 시험데이터를 적용하므로 활용성이 높을 것으로 기대된다.

법률 및 화재시뮬레이션 위험평가를 통한 화재안전평가표 개발 : 지식산업센터 사례 중심으로

허윤택 연세대학교 공학대학원 2016 국내석사

Recently, the fire risk is increasing in the complex buildings such as Knowledge Industry Center in downtown To prevent fire risk, the needs of aggressive fire safety assessment approach instead of passive fire system inspection are increasing. The fire safety assessment includes fire safety management and life safety field. Therefore, this study was performed to develop comprehensive fire safety assessment system for improving the ability of fire safety manager. In reference to law and fire simulation risk assessments for Knowledge Industry Center especially, As a result, this study proposed a new fire safety assessment process referring to the existing law, fire assessment lists and fire simulation case data and the fire assessment table consisting of 14 categories and 80 assessment items. 최근 도심에 위치한 지식산업센터와 같은 복합 건축물에서의 화재로 인한 물적, 인적 피해의 위험성이 증가하고 있다. 이러한 위험성을 예방하기 위해 소극적인 시설분야 평가방식을 탈피한 안전경영 및 인명안전 분야를 포함하는 보다 적극적인 화재안전 평가 방식의 필요성이 증가하고 있다. 따라서 본 연구에서는 새로운 화재안전 평가 체계의 필요성을 인식하고 관계인의 자율 소방안전 관리 능력 제고 및 화재예방을 위한 종합적인 화재안전 평가 프로세스를 분석하였다. 이를 위해 지식산업센터를 대상으로 소방전문가에 의한 법률 및 방재시뮬레이션 위험 분석 사례를 통한 시설물 위주의 점검 평가 방식을 보완하는 새로운 평가 프로세스를 도출 하였고, 기존의 법률 및 제도의 화재안전평가 리스트와, 화재시뮬레이션 자료를 종합 분석하여 소방안전관리에 필요한 14개 분류 80개 평가항목으로 구성되는 화재안전평가표를 제안 하였다.

화재피해를 입은 고 강도 철근 콘크리트 휨 부재의 구조성능에 관한 연구

신미경 이화여자대학교 과학기술대학원 2003 국내석사

최근 10년여간(1990년∼2000년) 화재건수는 매년 10%이상 증가하고 있으며, 화재발생은 인명 및 재산피해는 물론 막대한 국가적 손실을 초래하고 있다. 전체 화재건수의 절반 이상은 건축물에서 발생하며 건축물 화재 중에서도 대부분의 화재는 주거시설 및 공장에서 발생하는 것으로 나타나고 있다. 특히 각종 건축구조물의 고층화, 다양화, 대형화되어가는 추세에 따라 고강도 콘크리트의 중요성이 대두되고 있지만 고온 하에서 고강도 콘크리트에 대한 연구는 거의되어 있지 않은 상태이다. 본 연구에서는 고강도 철근콘크리트 보의 가열 실험과 가열실험 후 잔존 내력을 평가하기 위해 가력 실험을 실시하였고, 실험결과를 바탕으로 철근 콘크리트 보의 화재 중 휨 거동과 화재 후 잔존 강도에 관하여 고찰하였다. 열전달 이론에 의한 식을 유한 차분법으로 정식화하고 Basic Language로 수치 해석하여 콘크리트 내부온도를 열전달 해석하였다. 실험적 고찰을 위해 기준 실험체 2개와 가열 실험체 12개 총 14개의 실험체를 제작하였다. 화재노출시간과 피복깊이를 주요변수로 하여 ISO 834기준의 표준가열곡선에 의해 가열로에서 가열 실험하였고, 그 후 대기 중에서 냉각하여 고온에 노출된 실험체에 대해 잔존강도 실험을 수행하였다. 그리고 일반 강도에 대한 비교는 전년도에 같은 조건에서 실시한 데이터를 참고하였다. 화재 피해를 입은 고강도 철근 콘크리트 휨 부재의 구조 거동을 실험적, 해석적으로 고찰해 본 연구의 결과는 다음과 같다. 고강도 콘크리트 보의 경우 낮은 물-시멘트비로 인해 일반 강도 콘크리트 보에서는 발생하지 않았던 폭렬 현상이 발생한다. 이로 인해 단면이 손실되고 이로 인해 내부 온도 증가도 커져 일반 강도 콘크리트 보에 비해 화재에 취약한 것으로 나타났다. 실험체의 파괴 시간을 비교하면 일반 강도 콘크리트의 보의 경우 피복 4㎝ 실험체의 경우는 151분, 피복 5㎝의 경우는 225분이었으나 고강도 콘크리트 보의 경우는 피복 4㎝ 실험체의 경우 144분, 피복 5㎝ 실험체의 경우 161분이었다. 이는 고강도 콘크리트가 폭렬 현상으로 인해 단면이 손실됨으로서 고온 시 파괴 시간이 짧아진 것이다. 실험체의 처짐 증가율이 급격히 커지는 시간의 경우도 마찬가지로 일반 강도 피복 4㎝ 실험체의 경우 75분, 피복 5㎝ 실험체의 경우 100분 정도였으나 고강도의 경우 피복 4㎝ 실험체의 경우 55분, 피복 5㎝의 경우는 65분으로 고강도 콘크리트 보가 화재에 취약한 것을 알 수 있으며, 누적온도-처짐 관계에서도 두 강도를 비교하면 150㎜의 처짐이 발생 시 일반 강도 보의 경우 누적온도는 약 22000℃, 고강도의 경우 약 15000℃이다. 내구성 측면에서도 역시 고강도 콘크리트가 화재 노출시 더 위험한 것을 알 수 있다. 그리고 고강도 콘크리트 보의 경우 고온 하에서 피복 4㎝인 실험체와 피복 5cm인 실험체의 거동이 크게 차이가 나지 않는 것으로 보아 일반 강도 콘크리트와 달리 1㎝정도의 피복두께는 화재 시 큰 영향을 주는 변수로 작용하지 않는다. 가열하지 않은 실험체와 가열한 실험체의 초기 탄성 구간 기울기를 비교해 보면 최대 기울기의 감소율이 일반 강도 콘크리트 보의 경우 37%, 고강도 콘크리트의 경우 70%정도로 화재 시의 폭렬 현상으로 인해 화재 시 고강도 콘크리트 보의 피해가 큰 것으로 나타났다. 그리고 사용성 측면에서도 사용 한계 처짐에 다다르는 하중값이 가열 전보다 가열 후에 일반 강도의 경우 최대 33%, 고강도의 경우 49% 감소된 모습을 보였다. 이는 고강도 콘크리트 보가 화재에 의해 내구성 저하가 큰 것을 잘 보여주고 있다. 고온 하에서 실험체 내부 온도를 유한 차분법을 통한 수치 해석을 하여 해석한 결과 오차가 최종 시간 온도에서 보 하부 열전대인 con-1의 경우 약 8∼10%정도로 오차 5%안에 들 정도로 정확하진 않으나 실험 결과와 해석 결과가 어느 정도 유사한 경향을 보인다는 것을 알 수 있다. 보다 정확한 온도 해석프로그램을 사용한 열전달해석을 위해서는 콘크리트에 내포된 수분 및 함수율과 재료물성과의 상관관계에 관한 정확한 데이터가 필요하며 이와 관련된 사항은 추후 연구사항으로 남는다. The number of fires in the last decade(1990-2000) has been increasing by more than 10%, costing not only human lives and property but also inflicting a significant degree of loss on the nation as a whole. It turns out that more than half of the fire breakouts have taken place within the architectural structures. In most of the cases, the fire occurred in residential facilities or factories. In particular, in accordance with the tendency of building architectural structures more higher, more larger and more diverse in form, the importance of the concrete with high strength get influential. but the researches on structural behaviors of high strength concrete under high temperature are rarely studied. This study executed fire test of high strength RC beams and loading test for evaluating residual strength of beams after heating. Based on test, it considered structural behavior of RC beams under high temperature and residual strength of beams after heating. The heat transfer equation is formed into F.D.M. based on the theory of heat transfer. And then, the temperature change of concrete, as increasing of furnace temperature, is analyzed by numerical method using Basic language. For this purpose, fourteen beam specimens are fabricated and experimented. Twelve specimens are exposed to the fire for 60 and 90 minutes and to the failure. The main variables of the test is concrete cover and exposure time to fire. In fire test, the furnace temperature is controled by ISO 834 standard heating curve. After being cooled in room temperature, the specimens are loaded to the failure. And, The experiment data of normal strength concrete refer to the previous test executed under same condition. The conclusions in regard to such research can be seen as follows. In case of high strength concrete, the low water-cement ratio induce the spalling. (The spalling didn't occur in case of normal one.) So, the section of concrete sustain loss and then the increasing of inner temperature is larger. Therefore, the high strength concrete is weaker than normal one. Comparing with the time of reaching failure, in case of normal strength, the specimens with 4cm cover lasted 151 minutes until failure, 5cm ones has 225 minutes. whereas 4cm ones have 144 minutes and 5cm ones have 161 minutes in case of high strength. The reason of this result is induced by spalling and section loss in accordance with spalling, too. The deflection rate increased greatly after the first 75 minutes for 4cm-cover specimens and 100 minutes for the 5cm ones, in case of normal strength. But, in case of high one, 4cm-cover specimens have 55 minutes and 5cm ones have 65 minutes. This result know it for us that the high strength concrete is weak, too. When the deflection reach 150㎜, accumulative temperature is 22000℃ for normal strength, whereas it is 15000℃ for high one. Therefore, in durability, high strength concrete is more disadvantageous the normal one, too. Besides, in case of high strength concrete, the cover thickness is not important variable because the structural behavior of specimen is not enough of a difference by cover thickness, contrary to normal one. In the initial elastic domain, the maximum stiffness decreasing rate is 37% for normal strength concrete, 70% for high one between heated specimens and non-heated specimen. And, comparing with the load value when deflection reach limit for use, the normal strength concrete has the maximum 33% decreasing rate and the high one has 49%. These results prove that high strength concrete is larger damage than normal one as exposing heat. According to the heat transfer analysis by using F.D.M., an error is 8∼10% for the lower part of beam. It doesn't has accuracy because it get out of bounds of 5% error. But the result of analysis is similar tendency to the result of experiment To attain higher accuracy of the heat transfer analysis using the numerical method, the amount and the functional relation of the moisture contained in the concrete and the correlation with the property matter of the material should be taken into account in further research.

화재 피해를 입은 철근 콘크리트 휨 부재의 구조 거동에 관한 해석적 연구

이은주 이화여자대학교 과학기술대학원 2004 국내석사

사회가 산업화, 도시화 되어감에 따라 화재로 인한 인명 및 재산피해는 더욱 커졌고 또한 이로 인해 막대한 국가적 손실을 초래하고 있다. 전체 화재 중 건축물이 차지하는 비율은 52.4%로서 화재건수의 절반 이상이 건축물에서 발생하며, 건축물 화재 중에서도 주택, 아파트 및 공장, 작업장의 화재건수가 75%에 달해 대부분의 화재는 주거시설 및 공장에서 발생하는 것으로 나타났다. 특히 각종 건축구조물의 고층화, 다양화, 대형화되어가는 추세에 따라 화재 발생요인은 날로 증대하고 있다. 우리나라에서 보편화되어있는 철근콘크리트 구조는 가장 실용적이며 내화적인 동시에 내구적인 것으로 그 성능이 평가되어져 왔다. 그러나 콘크리트는 온도가 상승함에 따라 탄성계수와 압축강도 등의 성능이 급격히 저하된다. 따라서 화재 시 온도가 상승함에 따른, 철근콘크리트 보에 대한 거동을 파악할 필요가 있다. 특히 고강도 콘크리트 보의 경우 낮은 물-시멘트비로 인해 일반 강도 콘크리트 보에서는 발생하지 않았던 폭렬 현상이 발생한다. 이로 인해 단면이 손실되고 내부 온도 증가도 커지는 모습을 실험을 통해 알 수 있었다. 하지만 보 해석에 관한 기존의 연구는 이러한 고강도 콘크리트의 주요 특징인 폭렬현상을 고려하지 않고 있다. 본 연구에서는 고강도 콘크리트의 주요특징인 폭렬 현상을 고려한 열 해석 모델을 바탕으로 철근 콘크리트의 온도변화에 따른 역학적 성질의 변화를 고려하여 화재시 보의 거동에 대해 예측, 평가하여 실제 실험에 의한 데이터와 비교 검증하고 이를 이용하여 열이 철근 콘크리트 보의 거동에 영향을 미치는 변수에 대하여 해석을 통하여 알아보았다. 우선, 고온하에서 철근 콘크리트의 재료적 특성과 여러 가지 재료모델에 대해 조사하고, 이를 바탕으로 유한차분법과 분절요소법을 사용하여 화재시 철근 콘크리트 보의 거동을 파악할 수 있는 프로그램을 작성하였다. 이렇게 작성한 프로그램을 실제 실험치와 비교한 결과 온도 해석시 고려되지 못한 콘크리트 내의 수분 증발 구간으로 인하여 일정하게 유지되는 온도구간을 갖지 못하는 차이를 보였다. 그러나 전체적인 경향은 매우 유사하게 나타났으므로 변수해석을 하기에는 무리가 없다고 판단하였다. 피복두께 변수의 경우, 내화기준 5cm를 기준으로 +1cm, -1cm를 하여 4cm, 5cm, 6cm의 3가지 경우에 대하여 고강도, 일반강도 각각을 해석하여 비교하였다. 그 결과 피복두께가 커질수록 처짐이 적게 나타나는데 내화기준인 5cm인 경우보다 작은 4cm인 경우 그 처짐의 정도가 5cm, 6cm에 비해 현저히 크게 나타남을 알 수 있다. 고강도 콘크리트 보의 경우 60분 동안 가열한 실험체들은 피복 5cm의 경우 처짐은 약 10mm이고 피복 4cm의 경우 처짐은 약 20mm이다. 그러나 90분이 넘어가면 처짐과 부재의 내부온도가 급격히 상승하여 구조물에 손상을 입힘을 알 수 있다. 화재 시간에 따라 가열온도가 높아질수록 피복두께의 영향이 더 크게 나타난다. 철근 콘크리트 보의 인장철근비를 변화시켜 인장철근에 따른 화재시 보의 거동을 알아보았다. 최소철근비일 때는 처짐이 최대철근비와 최대철근비의 50%를 가질 때 보다 빠른 속도로 처짐이 증가하고, 약 30분에서 40분 정도부터는 그 처짐의 증가율이 서서히 발생한다. 최대철근비와 최대철근비의 50%를 갖는 경우는 처짐 속도, 처짐 크기 면에서 큰 차이는 나타나지 않지만 전체적으로 철근이 많이 들어간 경우 더 작은 처짐이 나타난다. 이러한 현상은 인장력에 저항하는 철근이 많이 들어갔기 때문이고, 고강도 콘크리트의 경우에는 폭렬시 단면 손실을 고려할 때, 인장철근이 있는 하부에서는 손실이 발생하지 않도록 해석모델을 만들었기 때문이기도 한 것으로 보인다. 최소철근비일 때의 처짐은 최대철근비, 최대철근비의 50%일 때의 처짐의 약 2.5∼3배 정도의 값을 갖는 것으로 나타났다. 다음으로, 콘크리트의 압축강도를 일반강도 240kg/㎠, 고강도 500kg/㎠로 하여 해석하였다. 일반강도 콘크리트와 실제로는 폭렬이 일어나지만 해석시 폭렬을 고려하지 않은 고강도 콘크리트를 비교하여 보면 콘크리트의 압축강도가 높을수록 보의 처짐이 적게 발생한다. 그러므로 폭렬이 일어나지 않는다면 콘크리트의 압축강도가 높을수록 화재에 강한 것이다. 그러나 실제로는 고강도 콘크리트의 경우 폭렬현상이 발생하기 때문에 그로 인한 단면손실을 고려한다면, 오히려 일반강도의 경우보다 처짐이 더 크게 발생하게 된다. 보의 단면 크기를 변화시켜 그 영향을 알아보았다. 각각 일반강도 콘크리트와 고강도 콘크리트를 사용한 경우, 최대 철근비일 때, 단면 춤이 작으면, 처짐이 급격히 증가하는 부분이 나타난다. 이것은 보 단면의 크기가 작을수록 최대 철근비로 인한 취성적 현상이 크게 나타난 것으로 보인다. 최대 철근비의 50%와 최소철근비를 갖는 경우에는, 보의 크기에 따른 거동이 처짐의 크기에서는 보 단면이 클수록 처짐이 적게 발생하는 등의 차이는 나지만, 전체 거동은 유사하게 나타났다. 마지막으로 재하하중에 따른 해석을 수행하였는데, 가열 초기에는 하중에 따른 처짐의 차이가 거의 나타나지 않으나 시간이 흐름에 따라 재하하중이 증가할수록 처짐이 증가하고 있다. 일반강도 콘크리트의 경우에 비하여 고강도 콘크리트가 그 차이가 크게 나타났으며, 이것은 폭렬 현상으로 인하여 고강도 코크리트의 단면이 줄어들고 그 내부온도가 높아지면서 재하 하중의 영향도 커진 것으로 생각된다. As the society is developing, the loss due to fire is increasing. It turns out that more than half of the fire breakouts have taken place within the architectural structures. In particular, in accordance with the tendency of building architectural structures more higher, more larger and more diverse in form, the fire-triggering factors are increasing day by day and it is becoming increasingly important to take care of the damaged structures. The reinforced concrete structures, a generally-used material in Korea, has been rated among the highest in terms of practicality, fire-resistance and durability. But concrete drops the capability of the elastic modulus and compressive strength as inner temperature is high. Especially, in case of high strength concrete, the low water-cement ratio induces the spalling. (The spalling didn't almost occur in case of the normal one). So, the section of concrete sustains loss and then the increasing of inner temperature is larger. But existing beam analysis studies are not considering spalling that is important property of the high strength concrete. In this study, I made the program that predicts and assess the thermal behavior of reinforced concrete structures during heating and verified. And then, using it, the parameters influencing the structural behavior of RC beams during heating is investigated. To begin with, the temperature-dependent material properties, the stress - strain relationships and the constitutive relation during heating were investigated. The material properties can be subdivided into two types; thermal properties for temperature distribution analysis and mechanical properties for structural analysis. Using F.D.M and the segmentation method, the program was made to predict the thermal behavior of reinforced concrete beams during heating. Comparing the result by program to the one by experiment, some differences in an early stage occurred. This phenomenon is why the temperature characteristics of the concrete cannot be duly accounted due to dehydration. So, the analysis result don't have a horizontal period. But because the result of analysis is similar tendency to the result of experiment, I concluded to use the program to execute the parameter study. They are observed the relative effects of main parameters - cover thickness, heating time, compressive strength of the concrete, the steel ratio. In a case of the cover thickness, on the basis of fire resistance standard 5cm, the analysis was executed about 4cm, 5cm, 6cm. As a result, if the cover is thicker, the deflection is smaller and the value 4cm less than the fire resistance standard shows much larger deflection than the others. As temperature during heating is higher, the influence of the cover thickness is larger. In the case of the reinforcing ratio change, the analysis is executed. As the value is larger, the deflection of the beam is restrained. In the case of the compressive strength of concrete, the analysis was executed about N.S.C(240kg/㎠) and H.S.C(500kg/㎠). Comparing normal strength concrete with high strength concrete that not considering spalling, as compressive strength is higher, the deflection is smaller. Therefore, if spalling doesn't occur, the high strength concrete is strong in fire. But actually, as high strength concrete occur spalling, if the section loss is considered, normal strength concrete is stronger than high strength concrete. Size effect on the behavior of the beam during heating is observed. If the beam has maximum reinforcing ratio and depth of the beam section is small, the rate of the deflection increasing becomes large. This is why the small section beam has the brittleness. max. reinforcing ratio and 50% of the max. reinforcing ratio have a little difference. The final parameter is the load during heating. The initial of heating has not shown the difference of the deflection but the load is more, the deflection is more. H.S.C beam has the more difference than N.S.C about the load parameter. This is because the effect of the load and the section loss become large due to spalling.

화재피해를 입은 철근콘크리트 부재의 거동특성에 관한 해석적 연구

김고은 경원대학교 대학원 2008 국내석사