온도상승에 따른 콘크리트의 열전도율 예측 모델

Prediction Model of Thermal Conductivity of Concrete Structures with Temperature Rise

본 연구에서는 성능적 개념을 도입한 콘크리트의 내화설계를 평가하는데 주요요소로 사용되는 콘크리트의 열전도율을 온도상승에 따라 예측할 수 있는 예측 모델을 제시하였다. 콘크리트의 경우 시멘트, 골재, 물 등 다양한 복합재료로 구성되어 있어 강재와 같이 온도 구간별 열전도율을 정확히 예측하는 것이 불가능하다. 이러한 요소로 인해 기존 문헌의 경우 온도 상승에 따라 상한값 및 하한값을 정하여 사용하거나 특정 배합조건에 대한 열전도율 실험을 통해 예측식을 제안하여 사용하는 것이 일반적이다. 그러나 다양한 배합조건이 사용되는 콘크리트의 경우 기존에 제안한 열전도율 값을 통해 내화성능을 평가하는 경우 실제 온도 상승 대비 약 100℃ 이상의 온도 차이가 발생하는 것으로 나타난다. 따라서 본 연구에서는 온도상승에 따른 콘크리트의 부피율 예측 및 Spherical 모델을 적용한 합성이론을 활용하여 멀티스케일 열전도율 예측 모델을 제시하였다. 첫 번째로 재료의 화학적 성질을 변수로 정량적으로 나타낼 수 있는 화학양론(Stoichiometric) 모델을 통해 구성요소의 부피율(Volume Fraction)을 예측한다. 마이크로(1x10-6m) 레벨에서 구조단위 레벨까지 단계별로 콘크리트의 구성요소를 분류하고 각 단계별 부피율(Volume Fraction)을 예측한다. 두 번째로 화학적 특성과 열특성에 관한 관점을 함께 고려할 수 있는 합성이론(Composite Theory) 모델을 통해 고온에서 체적 변화에 기반한 콘크리트의 유효 열전도율을 예측한다. 합성이론을 통해 고온에서 콘크리트의 열전도율을 특성화하여 포괄적으로 나타낼 수 있다. 제시한 열전도율 예측 모델은 열전도율 실험을 통한 결과값 비교 분석하였으며, 그 결과 본 연구에서 제시한 예측 모델이 기존 문헌 및 연구에서 제시한 모델보다 더욱 근사한 값을 예측할 수 있는 것으로 분석되었다. 따라서 본 연구에서 제시하는 열전도율 예측 모델을 사용하여 성능적 내화설계를 평가하는 경우 보다 합리적으로 내화설계를 평가할 수 있을 것으로 판단된다.