1. 서 론
2. 유한요소해석 연구 개요 및 모델링
2.1 연구 방법
2.2 선행 실험 연구 분석
2.3 유한요소해석 모델 구축 및 검증
3. 해석 수행 및 결과 분석
3.1 하중-변위 곡선
3.2 잔존 강도
3.3 콘크리트 균열 양상
4. 결 론
1. 서 론
최근 화재 사고의 빈도와 규모가 증가함에 따라, 방호시설 및 대피소를 포함한 각종 인명 보호 구조물에서 철근콘크리트(reinforced concrete, RC) 구조물의 내화 성능 및 화재 이후의 잔존 구조 성능에 대한 관심이 지속적으로 확대되고 있다. 고온 환경에 장시간 노출된 구조물은 재료의 열적·기계적 특성의 저하뿐만 아니라, 냉각 과정에서의 내부 미세균열 축적으로 인한 복합적인 구조 거동을 나타낸다. 특히 철근콘크리트 보 부재는 휨 성능 확보를 위해 인장영역에 철근이 배근되어 있어, 인장영역이 고온에 노출되는 경우 재료 열화에 의해 휨 강도 및 연성이 급격히 저하될 수 있다.
철근콘크리트 구조물의 화재 손상 및 내화 성능에 대한 연구는 다양한 관점에서 수행되어 왔다. 기존 연구들은 주로 화재 시 또는 화재 직후의 재료 물성 및 구조 성능 변화 그리고 보강을 통한 성능 확보를 중심으로 실험적·수치해석적 접근을 통해 철근콘크리트 부재의 성능 저하 양상을 분석해 왔다(Hsu and Lin, 2008; Onundi et al., 2019; Abdulrahman and Kadir, 2022). 특히, 콘크리트의 폭렬 현상, 철근의 항복강도 저하, 강성 감소 등의 거동 특성이 보고되었으며, 이를 통해 화재 후 구조물의 안전성 평가 및 보수·보강 방안이 제안된 바 있다(Poon et al., 2001; Shahraki et al., 2023). 그러나 현재까지의 연구는 화재 종료 후 상온으로 냉각된 조건에서의 잔존 성능에 대한 체계적 분석은 상대적으로 부족한 실정이다. 특히 철근콘크리트 보의 잔존 성능을 평가하기 위해서는 단순한 온도 이력뿐만 아니라 파괴 양상에 영향을 미치는 다양한 변수들을 종합적으로 고려해야 한다. 그러나, 화재 노출 시간과 전단경간비, 즉 가력점과 지점 사이 거리(a)를 단면 유효깊이(d)로 나눈 값(a/d)과 같은 조건을 동시에 반영한 연구는 제한적인 수준에 머물러 있다. 또한, 철근콘크리트 보 부재는 휨 파괴에 대해 연성 거동을 유도하도록 설계되지만, 장시간 고온에 노출될 경우 재료 열화로 인해 구조 거동이 급격히 변화하여 휨 지배 거동을 보이던 부재가 전단 지배 파괴로의 파괴모드 전이가 발생할 수 있다(Thanaraj et al., 2020). 이에 본 연구는 화재에 따른 열손상이 철근콘크리트 보의 잔존 성능에 미치는 영향을 정량적으로 분석하고, 화재 노출 시간 및 a/d의 변화에 따른 구조 성능 변화 및 파괴모드 전이를 분석함으로써, 향후 보수·보강 전략 수립에 활용 가능한 기초 자료를 제공하고자 한다.
2. 유한요소해석 연구 개요 및 모델링
2.1 연구 방법
본 연구는 화재 이후 냉각된 철근콘크리트 보의 잔존 구조 성능을 정량적으로 평가하기 위해 비선형 유한요소해석 프로그램인 ATENA를 활용한 수치해석을 수행하였다. 해석 대상은 Ahmad and Bhargava(2023)의 선행 실험에서 사용된 보 실험체를 기반으로 하여 비가열(상온) 및 화재 노출 조건에서의 구조 성능 저하를 분석하였다. 선행 실험에서 사용된 온도 이력 곡선을 기반으로 비가열, 60분 화재 노출에 대한 열전달 해석을 수행하여 철근과 콘크리트의 잔존 강도를 산정하였으며, 산정된 물성을 기반으로 실험과 동일한 4점 가력 조건 하에서 구조 해석을 수행하였다. 해석 모델은 선행 실험 결과를 바탕으로 검증되었으며, 이를 통해 해석 결과의 신뢰성과 타당성을 확보하였다. 이를 바탕으로 120분 및 180분의 화재 노출 시간 증가, a/d를 주요 변수로 사용하여 변수에 따른 온도 분포, 내력 저하, 균열 거동 및 파괴모드의 변화를 평가하였다.
2.2 선행 실험 연구 분석
Ahmad and Bhargava(2023)는 선행 실험에서 실험체 Beam A(비가열), Beam B(60분 화재 노출)를 대상으로 4점 가력 실험을 수행하였다. 사용된 철근과 콘크리트 재료 물성은 Table 1에 제시되었고 실험체 형상 및 상세 정보는 Fig. 1에 나타나 있다. 비가열 실험체와 비교한 결과, 60분 가열 실험체는 최대 하중과 초기 강성에서 모두 감소가 관찰되었으며, 연성 또한 다소 저하된 것으로 나타났다. 60분 가열 실험체의 휨 강도는 비가열 실험체 대비 약 12.9 % 감소하였고, 초기 강성은 약 11.6 % 낮은 값을 나타냈다. 두 실험체 모두 휨파괴 형태를 보였으나, 화재 피해를 입은 실험체에서 균열의 발생 시점이 빠른 경향이 나타났다.
Table 1
Material properties of RC beams for fire testing (Ahmad and Bhargava, 2023)
| Concrete | Steel Reinforcement | |||||
| Longitudinal Bars | Stirrups | |||||
| D20 | D16 | D8 | ||||
| fck (MPa) | fy (MPa) | E (GPa) | fy (MPa) | E (GPa) | fy (MPa) | E (GPa) |
| 40.3 | 576 | 210 | 587 | 210 | 567.2 | 205 |
2.3 유한요소해석 모델 구축 및 검증
본 연구에서는 화재 후 냉각된 철근콘크리트 보의 휨 성능 저하를 평가하기 위해 Ahmad and Bhargava(2023)의 실험 연구를 기반으로 Beam A, Beam B 실험체를 대상으로 ATENA 유한요소해석 모델을 구축하고 열전달 해석을 수행하였다. 본 해석에서는 선행실험과 동일한 가열조건 및 monitor point 설정을 통하여 온도 이력을 산출하였으며, 해석 속도 및 수렴성 확보를 위해 대칭 조건을 활용하여 보 모델의 절반만을 모델링하여 연구를 수행하였다. 시간-온도 결과는 Fig. 2에 제시되었다. Fig. 2의 T1~T6는 각 열전대에서 측정된 온도 값을 의미하여 단면 내 열전대의 위치는 Fig. 1에서 확인 가능하다. 60분 가열된 Beam B 모델의 최대 표면온도는 실험 대비 약 0.8 °C 높게 나타났으며, 냉각 15시간 경과 콘크리트 내부 중앙부 온도는 약 23 °C 높게 확인되었다. 이는 열전도율, 비열, 수분 증발 등의 비선형 열적 거동으로 인한 오차로 해석되며, 전반적으로 실험 결과와 유사한 경향을 보여 열 전달 해석의 신뢰성을 확보할 수 있었다.
화재로 인한 열 손상 및 철근콘크리트 보의 구조 성능 저하를 정밀하게 반영하기 위해, 내부 온도 분포를 바탕으로 단면을 U자 형상으로 3개 구간으로 분할하고, 각 구간의 평균 온도에 따라 Eurocode 및 기존 문헌의 강도 저감 계수를 적용하여 Table 2에 정리된 물성치를 적용한 구조해석을 수행하였다. 해석에는 Ahmad and Bhargava(2023)의 실험과 동일한 4점 가력 조건이 적용되었으며, 하중은 Z축 방향으로 0.5 mm/step의 변위 제어 방식으로 증가하도록 설정하였다. 콘크리트의 초기 탄성거동 후 균열 발생 시 가상 균열모델과 균열개구 법칙을 기반으로 한 비선형 소성거동을 구현하였으며, 균열 전파는 콘크리트 압축강도에 따라 산정된 프로그램 기본값의 파괴에너지(fracture energy)를 적용하였다. 또한, 철근–콘크리트 부착은 해석 효율성과 수렴 안정성을 고려하여 완전 부착(perfect bond) 조건으로 가정하였다. Fig. 3에 제시된 바와 같이, 비가열 모델(Beam A)은 실험 대비 최대 하중이 약 1.01배였으며, 60분 화재 노출(Beam B) 모델은 약 0.98배에 해당했다. 또한 내력 저하 시작 시점은 비가열 실험과 해석 모델이 각각 53.8 mm, 47.9 mm였고, 60분 화재 노출 모델에서는 실험 56.8 mm, 해석 56.0 mm로 유사한 결과를 보여, 본 연구의 수치 모델이 실제 화재 후 구조 거동을 신뢰성 있게 재현함을 확인하였다. 선행 실험에서는 균열 폭에 대한 언급이 없었으나, 본 연구의 수치해석 결과에 따르면 비가열 모델에서는 인장 영역을 따라 최대 2 mm 수준의 균열이 발생하였고, 압축 영역까지 확장되는 양상을 보였다. 반면, 60분 화재 노출 모델에서는 균열 폭과 개수가 감소하였으며, 이는 화재에 따른 재료 강도 및 강성 저하로 인한 응력 재분포 효과로 해석된다.
Table 2
Residual properties of materials exposed to 60 min fire
3. 해석 수행 및 결과 분석
인장영역이 고온에 노출된 철근콘크리트 보의 구조 거동 및 성능을 정량적으로 평가하기 위해, 본 연구에서는 해석 변수로 화재 노출 시간(0분, 60분, 120분, 180분), a/d(2.0, 3.0, 4.0)를 설정하였다. 이는 화재로 인한 열 손상이 부재의 휨 및 전단 거동에 미치는 영향을 다각도로 분석하기 위한 것으로, 각 변수는 화재 손상 조건에서의 구조 성능에 결정적인 영향을 미치는 항목들이다. 먼저, 화재 시간은 부재 내부 온도 분포 및 재료 열화를 결정짓는 주요 변수로, 노출 시간이 길어질수록 재료의 성능 저하가 뚜렷하게 나타난다. 또한 a/d는 보의 파괴모드 결정에 직접적으로 영향을 미치며 전단저항 능력과 밀접한 관련이 있다. 이에 따라 변수 조합에 따른 하중-변위 거동, 파괴모드 등을 비교 분석하여, 인장영역을 포함하여 3면 가열 후 냉각된 철근콘크리트 보의 구조 성능 열화 양상을 분석하였다.
3.1 하중-변위 곡선
구축된 해석모델의 a/d를 2.0, 3.0, 4.0으로 달리하여 구조해석을 수행 후 각 조건 별 항복점, 최대 하중 도달 지점, 극한점 및 연성도 등에 대하여 정량적으로 분석하였다. 항복점의 경우, 철근이 항복강도 및 항복변형률이 도달하는 시점으로 정의하였으며, 극한점은 부재의 최대 하중의 85 % 도달점 또는 최대 하중 도달 이후 급격한 내력 저하가 시작되는 시점, 철근의 인장강도 및 극한변형률에 도달하는 시점 중 하나 이상을 만족하는 시점으로 정의하였다. 또한, 강성은 하중-변위 곡선의 원점에서 항복점까지 이르는 기울기로 산정하였다. 각 모델에 대한 해석 결과는 Fig. 4와 Fig. 5에 제시되었다. 모든 모델에서 화재 노출 시간 증가에 따라 초기 강성 저하와 함께 최대 하중 이후 내력 감소가 확인되었다. 특히 a/d = 2.0 모델에서 120분 이상 가열이 진행될 때, 콘크리트의 압축강도 및 탄성계수 저하, 인장철근의 항복강도 저하로 인해 전단강도가 현저히 감소하였으며, 가력점과 지점 사이의 전단 균열 발생 및 전단 한계상태 조기 도달에 따라 충분한 변형을 하지 못한 채 취성적인 전단파괴로의 파괴모드 전이가 발생하였다. 화재 노출 시간이 0분에서 180분으로 증가할 경우, a/d = 2.0 조건에서는 최대 하중이 466.8 kN에서 174.6 kN으로 약 62.6 % 감소하였으며, 모든 a/d 조건에서 최대 하중은 평균 65.3 % 감소하여 화재 노출 시간에 따른 구조 성능 열화를 확인되었다. a/d = 4.0 모델은 휨 지배적 거동을 유지하면서 최대 하중 저하율 또한 비교적 완만하게 나타나 연성적인 구조 응답 특성을 보였다.
화재 노출 시간 증가에 따라 연성도는 전반적으로 감소하는 경향을 보였으며, 특히 a/d = 2.0 조건에서 연성도는 비가열 시 3.89에서 180분 화재 노출 시 0으로 급감하여 연성 능력을 완전히 상실한 것으로 나타났다. 강성 또한 a/d = 2.0 조건에서는 비가열 시 44.49 kN/mm에서 180분 화재 노출 시 27.52 kN/mm로 약 38.1 % 감소하여 화재 노출 시간으로 인한 성능 저하가 발생하였다.
3.2 잔존 강도
화재 노출 시간과 a/d의 변화에 따른 강도의 정량적 변화를 분석하여 Table 3에 정리하였다. 비가열 조건 a/d = 2.0 모델은 가장 높은 강도인 466.8 kN을 나타냈으며, a/d가 증가할수록 전단응력은 점진적으로 감소하여 a/d = 4.0 모델에서는 약 51 % 감소한 228.5 kN까지 저하되었다. 이는 a/d가 증가함에 따라 휨 지배 거동에 의해 구조체 강도가 상대적으로 작아졌기 때문으로 해석된다. 화재 노출 시간이 증가할수록 모든 a/d 조건에서 강도는 급격히 감소하였으며, 특히 180분 조건 a/d = 2.0 모델은 174.6 kN으로 비가열 대비 약 62.6 %, 180분 조건 a/d = 4.0 모델은 77.4 kN으로 약 43.8 %감소하였다. 이와 같은 경향은 전단 지배 모델에서 더욱 뚜렷하게 나타났으며, 열 손상에 취약한 전단거동의 특성이 반영된 결과로 판단된다.
Table 3
Residual strength of fire-damaged RC Beams
| Fire Exposure | Strength (kN) | ||
| a/d = 2.0 | a/d = 3.0 | a/d = 4.0 | |
| Unheated | 466.8 | 312.4 | 228.5 |
| 60 min heated | 416.2 | 283.0 | 203.4 |
| 120 min heated | 340.5 | 242.3 | 173.6 |
| 180 min heated | 174.6 | 152 | 130.8 |
3.3 콘크리트 균열 양상
a/d 및 화재 노출 시간에 따른 균열 양상 및 폭을 분석하였다. ATENA 해석 결과를 통해 균열 폭은 색상 차이로 구간별 구분되며, 균열의 방향은 검은색 실선으로 표현되어 시각화되었으며, 전체적인 균열 거동은 Table 4에 제시하였다. 최대 균열 폭, 전단 균열과 휨 균열의 지배 양상, 균열의 방향성, 분포 범위 등을 종합적으로 고려하였다. 최대 균열 폭은 비가열 a/d = 2.0 모델에서 약 2.8 mm으로 확인되었으며, 180분 화재 노출 조건에서도 최대 균열 폭이 1.5 mm 수준으로 억제되며, 파괴 형태와 위치, 방향성이 비가열 조건과 유사하게 유지되어 고온 손상 이후에도 안정적인 휨 지배 거동과 연성 능력이 확보됨을 확인하였다.
4. 결 론
본 연구는 화재 이후 냉각된 철근콘크리트 보의 잔존 구조 거동과 성능을 정량적으로 분석하기 위해 비선형 유한요소해석을 수행하였다. 선행 실험 연구 결과를 바탕으로 수치해석 모델의 신뢰성을 검증한 후, 화재 노출 시간, a/d를 주요 변수로 삼아 화재 상황에서의 열 전달 및 냉각 후 구조해석을 진행하였다.
∙ 유한요소해석 프로그램인 ATENA를 활용한 수치해석 모델을 통해 실제 화재 실험에서 철근콘크리트 보 내부 열 분포를 높은 정확도로 예측할 수 있었으며 냉각된 후 철근콘크리트 시험체의 구조적 거동 및 손상 상태 또한 잘 나타낼 수 있었다.
∙ 화재 후 냉각된 철근콘크리트 보의 구조 성능은 인장철근의 항복강도 저하에 따른 휨 성능 감소가 주요 원인으로 작용하였으며, 콘크리트의 압축강도 및 탄성계수 저하로 인해 단면 전체의 강성이 저하되어 구조 성능 전반이 열화되는 양상을 보였다. 특히 화재 노출 시간이 증가할수록 인장철근의 항복응력은 급격히 감소하였고, 이에 따라 최대 하중, 초기 강성, 연성도 모두 뚜렷한 저하를 나타냈다. 또한 화재 노출 시간이 120분 이상일 경우, 작은 a/d 조건에서는 휨파괴에서 전단파괴로의 전이가 발생하며 취성적인 거동이 두드러지게 나타났다.
∙ a/d의 변화에 따라 인장영역 가열 조건에서 보의 파괴모드와 구조 성능이 뚜렷한 차이를 보였으며, a/d가 작을수록 전단 지배적 거동을 나타내고 전단균열이 조기에 발생하는 양상이 확인되었다. 특히, 120분 이상의 화재 조건에서는 작은 a/d 값을 가진 모델에서 기존의 휨지배적 거동이 전단파괴로 전이되었으며, 이에 따라 급격한 구조 성능 저하가 나타났다.
본 연구 결과는 실제 화재 피해 구조물의 보수·보강 계획 수립 시 주어진 조건에 따른 구조적 거동 변화와 성능 저하 특성을 반영해야 함을 시사한다. 일반적으로 화재 피해를 입은 철근콘크리트 보의 구조적 성능 회복을 위해 탄소섬유시트 및 강판 등을 사용한 보수 기법이 활용되고 있다. 화재 피해로 인한 철근콘크리트 보의 지배적 거동 또는 파괴모드를 파악하고, 강도 저감, 연성도 상실 등의 결함을 정량적으로 반영한 보다 효과적이고 체계적인 성능 회복이 필요하다. 이를 통해, 예상 파괴모드에 따른 보수법과 강도, 강성, 변형 능력 등의 성능 향상 목표 설정이 가능하다. 또한, 파괴모드와 연성도 상실을 반영하여 콘크리트구조 강도설계법에 요구되는 강도감소계수 적용이 가능하다. 추후, 다양한 보수법을 통한 보강 위치 및 범위에 따른 성능 회복 수준 등을 검토하는 후속 연구가 요구된다.
