점점 더 발전된 방법들을 통해, 이제 화재와 같은 일반적이지 않은 조건에서 제안된 설계를 검증하는 방법이 훨씬 더 많아졌습니다. 더 이상 부정확하고 지나치게 보수적인 결과를 산출하던 간소화된 방법이나 표 방법을 사용할 필요가 없습니다. 이제 상세 부분을 포함한 설계에 대해 고급 해석을 수행하는 것이 가능합니다. IDEA StatiCa Connection은 화재 계산(EN/AISC)을 포함한 기준에 따른 내화 성능 계산을 제공합니다. 

더욱이, 그렇게 복잡하지 않습니다. 이 주제에 대해 명확하게 살펴보겠습니다.

화재 설계 접근 방법

화재 설계에 대해 이야기할 때, 사용할 수 있는 몇 가지 방법이 있습니다:

• 표 방법
• 간소화 설계 (일반 온도에서 단일 부재 검증)
• 고급 설계 (연결부의 내화 성능에 대한 수치 계산을 포함한 검증)

지금까지는 간소화된 방법, 즉 표 방법 또는 해석적 혹은 수치적 접근 방식의 간소화 설계가 사용되었으나, 이는 표준 온도에 노출된 개별 부재에만 적용되었습니다. 강구조 연결부의 내화 성능 계산은 전혀 사용되지 않았습니다. 간소화 설계는 연결부가 다른 부재보다 재료가 더 많고 더 천천히 가열된다는 기본 가정 하에 사용되었습니다. 이로 인해 안전 결함과 경제적 비효율이 발생하였습니다.

이를 어떻게 해결할까요? 간단한 해결책이 있습니다 – 적절한 검토를 수행하는 것입니다. 상승된 온도에서의 고급 설계는 이러한 약점을 보완할 수 있습니다. 이는 공항, 경기장, 병원 등과 같이 중요도가 높은 건물에 특히 필수적입니다. 더욱이, 부재뿐만 아니라 연결부에 대해서도 상승된 온도에 대한 수치 계산을 수행할 수 있습니다!

IDEA StatiCa에서 사용되는 계산 원리와 강구조 연결부 설계의 일반적인 절차를 살펴보겠습니다.

계산의 핵심 

내화 성능 계산은 화재 등급(내화 등급이라고도 함)과 화재 곡선을 기반으로 합니다.

첫 번째 입력값은 프로젝트 사양에서 알 수 있습니다. 화재 등급은 일반적으로 소방서에서 승인한 화재 문서의 일부인 출력값입니다. 이는 붕괴 전에 모든 사람이 건물을 안전하게 대피할 수 있도록 구조물이 견뎌야 하는 시간을 나타냅니다. 시간은 15분에서 240분(R15~R240)까지 다양하며, 건물 용도 및 규모, 층수, 출구 위치 등 많은 매개변수에 의해 영향을 받습니다. 실제로, 이는 대피하기 더 어렵지만 최대 4시간을 견뎌야 하는 건물을 설계하거나, 충분히 빠르게 대피할 수 있다면 15분 후에 구조물이 붕괴될 수 있음을 의미합니다. 그러나 이는 구조 엔지니어가 결정하는 것이 아니라 건축 및 소방 당국이 결정한다는 점을 기억하십시오.

다음 매개변수로, 연소 과정을 나타내는 화재 곡선을 선택해야 합니다. 즉, 시간에 따른 공기의 가열을 나타냅니다. 실제로, 연소할 것이 없어지면 곡선은 하강하기 시작합니다. 그러나 설계 목적을 위해, 시험을 기반으로 보수적인 결과를 제공하도록 부풀려진 인위적인 곡선이 만들어졌습니다. IDEA StatiCa에서는 Eurocode(ISO 834/표준 화재) 또는 AISC(ASTM E119)에 따른 여러 곡선 중에서 선택할 수 있으며, 석유 플랫폼, 선박 또는 산업 시설에 사용되는 탄화수소와 같이 더 빠른 화재 확산을 위한 특수 곡선도 선택할 수 있습니다.

화재 곡선의 유형과 기타 재료 매개변수 및 치수를 기반으로, 소프트웨어는 증분법을 사용하여 화재 등급에 따른 특정 시간에서 개별 부재(플레이트)의 온도를 계산합니다. 볼트와 용접부의 온도는 더 뜨거운 연결 플레이트를 기준으로 적용됩니다. 플레이트의 자동 계산은 유효 기준에 따라 수행되며, 내화 피복 사용 여부를 지정할 수 있습니다. 동시에, 개별 부재의 온도를 수동으로 입력하는 기능도 유지됩니다.

부재의 온도에 따라 재료의 열화와 그에 따른 재료 특성을 저감하는 계수가 결정됩니다. 플레이트, 볼트 및 용접부의 규정 검토는 고전적인 응력-변형률 해석과 동일하지만 저감된 값을 사용합니다.

결과 확인

IDEA StatiCa Connection의 내화 성능 해석 결과에 대한 다음의 간단한 시연을 통해 연결부가 다양한 조건에서 어떻게 거동하는지, 그리고 이론이 어떻게 적용되는지 살펴보겠습니다.

먼저, 응력-변형률 해석으로 접합부가 통과하는지 확인하겠습니다. 

그런 다음, 복사본을 만들고 내화 성능 해석을 설정합니다. 설정에서 가장 낮은 화재 등급인 R15와 Eurocode에 따른 표준 화재 곡선을 선택합니다. 의도적으로 내화 피복이 없는 접합부를 설정하겠습니다.

표시된 결과에서, 내화 피복 없이 15분 이내에 개별 구성 요소가 어떻게 가열되는지, 그리고 이것이 재료의 특성과 검토된 접합부의 내력에 어떤 영향을 미치는지 확인할 수 있습니다. 일부 구성 요소에서 불과 15분 만에 700°C 이상의 온도에 도달했음을 알 수 있습니다. 

내화 피복을 추가하면, 특히 이렇게 짧은 시간 동안 완전히 다른 값에 즉시 도달합니다. 플레이트가 가열될 시간이 없으며, 재료의 열화는 문제가 되지 않습니다.

등급이 R90으로 높아지고, 따라서 구조물이 화재를 견뎌야 하는 시간이 연장되면, 다시 700°C 부근의 온도에 도달합니다. 그러나 내화 피복이 있는 경우, 첫 번째 경우에는 대피를 위한 충분한 시간이 확보됩니다.

수치 모델의 도움으로, 몇 분 만에 다양한 경우에 대한 이 간단한 비교를 수행할 수 있었습니다. 또한 결과에서 어떤 구성 요소가 설계의 가장 취약한 지점이 될 가능성이 있는지 쉽게 파악할 수 있습니다.

마무리

위에서 살펴본 바와 같이, 화재 영향에 대한 설계가 그렇게 어려울 필요는 없습니다. IDEA StatiCa는 안전하게 사용할 수 있으면서 동시에 경제적인 구조물을 설계하는 데 도움을 드립니다. 구식의 보수적인 방법을 사용하거나 계산을 완전히 회피할 필요가 없습니다.

IDEA StatiCa Connection의 내화 성능 외에도, IDEA StatiCa Member에서 모든 부재를 검증하는 솔루션도 제공합니다.

더 많은 이론을 위해, 지식 베이스 문서 화재 설계를 읽거나 CTU의 Wald 교수가 수행한 검증 사례를 확인하십시오.