2세대 Eurocode 2의 콘크리트 내화 설계

먼저 새 개정판을 정리하여 자신 있게 접근할 수 있도록 하겠습니다. 그런 다음 두 번째 방법을 실제 프리캐스트 거더에 적용하여 프로세스를 얼마나 쉽게 자동화할 수 있는지 보여드리겠습니다. (조항 번호는 2004라고 표시한 경우를 제외하고 EN 1992-1-2:2023을 기준으로 합니다.)

표준의 변경 사항 - 내화 성능

1. 표는 유지되지만, 표와 관련된 규칙은 더 엄격해집니다.

표 기반 데이터는 여전히 빠르고 보수적인 방법이며, 계산 방법은 표로 다룰 수 없는 부재를 위한 것입니다. 2023년판도 이러한 접근 방식을 유지하되 적용 범위를 명확히 합니다. 표 기반 결과는 시험 결과와 간략법 또는 고급 방법에 비해 일반적으로 안전측으로 간주되며, 명시된 범위를 벗어난 외삽은 허용되지 않습니다(cl. 6.1(2)).

또한 세 가지 접근 방식이 더 일관되게 함께 작동하도록 하는 것이 목표입니다. 머리말에서는 표 기반 방법, 간략법, 고급 방법이 서로 부합하도록 표 기반 규정이 갱신되었음을 확인하고 있습니다.

표는 어떤 조건에 맞추어 보정되어 있습니까?

표의 최소 치수는 고정된 가정에 기반합니다. 주요 기준값은 대부분 변경되지 않았습니다.

• ηfi = 0.7 — 기준 하중 수준(2004, cl. 5.2(3); 2023, cl. 6.2(1)).
• 500 °C — 휨을 받는 단순 지지 부재의 임계 철근 온도이며, ηfi = 0.7 및 γS = 1.15에서 약 0.60 fyk에 해당합니다(2004, 5.2(4); 2023, cl. 6.2(3), Note 1).

다만 두 가지 주목할 만한 변경 사항이 있습니다.

1. 열전도율: 2004년판은 허용된 열전도율 범위 전체에서 데이터를 사용할 수 있도록 했습니다. 2023년판은 단일 열전도율 함수를 제공합니다.
2. ηfi: 2004년판에서는 국가 부속서에서 이 값을 수정할 수 있었습니다(2004, 5.2(3), Note). 2023년판에서는 cl. 6.2(1)에서 ηfi = 0.7로 고정됩니다.

같은 조항은 기본 가정이 적용되지 않는 경우 표 기반 데이터를 보정하도록 요구하며, EN 1992-1-1의 Annex A에 따라 재료 계수가 수정된 경우에는 표 기반 데이터의 사용을 배제합니다.

2. 수분 함량은 더 이상 단순한 백분율이 아니라 판단 과정의 일부입니다.

기본 원칙은 두 개정판에서 동일합니다. 심한 폭렬은 피해야 하며, 그렇지 않으면 성능에 미치는 영향을 고려해야 합니다.

그러나 수분을 다루는 방식은 달라졌습니다.

• 2004: 폭렬은 중량 백분율로 표현되는 수분 한계값과 연계되었으며, 권장값은 국가 부속서에서 정했습니다.
• 2023: 고정 백분율은 삭제되었습니다. 수분 함량은 이제 노출, 하중, 구속, 형상, 골재, 혼화재, 공기량, 섬유, 투수성, 강도 등 폭렬에 영향을 줄 수 있는 다른 요인과 함께 고려됩니다.

2023년판에는 전용 판단 표(Table 10.1)도 도입되었습니다. 이 표는 평가를 네 가지 주요 입력, 즉 내화 시간, 수분 상태, 콘크리트 강도, 실리카 퓸 함량과 연결합니다.

다시 말해, 수분은 더 이상 확인해야 할 단일 수치가 아니라 폭렬에 대한 더 폭넓은 평가의 일부입니다.

3. 500 °C 등온선은 사라지고, 온도 그래프는 공식으로 대체됩니다.

2004년판은 참고용 Annex B에서 500 °C 등온선법과 구역법이라는 두 가지 단면 감소법을 제시했습니다(2004, 4.2.3, B.1.1(3) ~ (4), B.2(3)). 2023년판에는 500 °C 등온선법이 없으며, 7.3.2조는 구역법의 논리만 사용합니다.

Part 1-1을 통해 결과가 달라지는 이유 – EN 1992-1-2는 상온 설계에 대한 보충 규정으로 작성되었습니다. 이 표준은 EN 1992-1-1과의 차이점 또는 추가 사항을 규정하며, 해당 표준의 2023년판을 발행 연도가 명시된 규범적 인용 문서로 인용합니다(cl. 1.1(1)).

이러한 연계는 간략 휨 검토에서 특히 분명하게 나타납니다.

• MRd,fi는 As,prov/As,req > 1.3이 아닌 경우에 유효합니다(cl. 7.3.3.2, 식 7.18).
• MEd와 As,req는 모두 EN 1992-1-1에서 가져옵니다.
• 2023년 방법은 개별 인장 철근에 대해 온도에 따라 감소된 강도의 평균을 구합니다.

그 밖에 무엇이 달라졌습니까?

EN 1992-1-1 자체도 변경되었습니다. 2세대에서는 전단력과 비틀림에 대한 규정이 개정되었고, 교량, 액체 저장 및 격납 구조물, CFRP 보강, 강섬유 보강 콘크리트까지 적용 범위가 확대되었으며, 기존 구조물의 평가와 보강을 위한 새로운 부속서가 추가되었습니다.

전단력과 비틀림은 참고용 부속서에서 본문으로 이동했습니다. 2004년판에서 전단력, 비틀림, 정착에 대한 계산 방법은 참고용 Annex D에 있었으며, 화재로 인한 전단 파괴는 매우 드물고 제시된 방법은 완전히 검증되지 않았다는 주석이 붙어 있었습니다(2004, Annex D). 2023년판은 전단력과 비틀림을 간략 설계법에 속하는 7.3.5조에 배치하고, 정착은 상세 규정으로 옮겼습니다. 상세 규정에서는 화재 시 정착 길이와 겹침 이음 길이를 상온 값과 같게 취할 수 있습니다(cl. 9.2(1)).

표 기반 방법은 이 점에서 변경되지 않았습니다. 6조의 최소 치수를 따르는 경우 전단력, 비틀림, 정착에 대한 추가 검토는 생략할 수 있습니다(cl. 6.1(7); 2004, 5.1(3)). 변경 사항은 계산으로 검증하는 부재와 관련이 있습니다. 7.3.5조는 두 가지 경우를 구분합니다.

• 전단 철근이 있는 부재(cl. 7.3.5.3). cl. 7.3.2의 감소 단면이 적용되며, 콘크리트 강도는 M점에서 취합니다. 스터럽의 강도는 P점의 온도를 사용하여 감소시키며, P점은 스터럽과 웹 중간 깊이의 단면이 교차하는 지점입니다. (아래 그림 참조) 그런 다음 EN 1992-1-1의 전단 방법을 감소 단면에 적용합니다. 플랫 슬래브에서는 수직 스터럽 또는 스터드가 감소된 형상에서 제어 파괴면과 교차하는 경우에만 유효한 것으로 간주하며, 비틀림도 같은 논리를 따릅니다(cl. 7.3.5.3(6), 7.3.5.4).
• 전단 강도가 콘크리트 인장 강도에 좌우되는 부재(cl. 7.3.5.2). 프리스트레스트 부재와 무근 또는 소량 배근된 부재는 중공 슬래브와 두꺼운 보에서와 같이 비선형 온도 분포로 인해 발생하는 인장 응력을 특별히 고려해야 합니다. 그 밖의 경우 인장 강도는 무시하며, 사용하는 경우 감소는 식 (5.21)과 (5.22)를 따릅니다(cl. 5.3.1.2).

새 개정판, 새로운 구성: 필요한 내용을 찾는 위치

그리고 새로 추가된 내용

• 국가 선택 사항 축소 – 2004년판 머리말에는 국가 선택에 맡겨진 조항이 16개 나열되어 있습니다. 2023년판 머리말에는 3개 조항이 나열됩니다.더 이상 국가 선택 사항이 아닌 항목은 열전도율 범위, 수분 한계값, Method A 편심 한계, 기준 하중 수준 ηfi, 그리고 고급 방법의 사용 가능 여부에 대한 결정입니다. (2023 0.5; 2004 머리말, 3.3.3, 4.1, 4.5.1, 5.2(3), 5.3.2)
• Method A, 편심 – 화재 시 1차 편심은 단면 치수의 1/4로 제한되며 표준에 고정되어 있습니다. 2004년판의 권장값은 0.15h였습니다. (2023, 6.3.2.2(2)b; 2004, 5.3.2(2))
• 냉각 단계 – 식을 통해 최고 온도까지 가열된 후 20 °C로 다시 냉각된 콘크리트의 강도를 구할 수 있습니다. 2004년판 본문은 냉각 중 발생할 수 있는 강도 증가를 고려해서는 안 된다고만 규정했습니다. (2023, 5.3.1.1(5), 4.3(1); 2004, 3.2.2.1(7))

IDEA StatiCa의 접근 방식: 현재와 미래의 단면 검토

RCS가 다루는 범위

IDEA StatiCa RCS 애플리케이션은 단면이 표 기반 데이터를 만족하는지라는 질문에 빠르게 답합니다. 이 경계를 정확히 짚어 둘 필요가 있습니다. 2세대 기준에서 표 기반 방법과 계산 방법이 갈리는 지점이기 때문입니다. RCS의 내화 성능 검토는 슬래브, 벽, 보, 기둥, 세장 기둥에 사용할 수 있습니다. 이 기능은 프로젝트 마법사에서 Fire resistance EN 1992-1-2:2006-11로 선택합니다.

• 기둥 – Method A 및 Method B
• 보 – 직사각형, T형 및 I형 단면만 가능합니다. 단순 지간 보와 연속 보를 구분해야 하며, 연속 보는 보를 따른 단면 위치를 설정해야 합니다. 이 위치는 검토 결과에 큰 영향을 줍니다. 검토 대상 값은 웨브 폭과 최외곽 철근층에서 가장 가까운 노출면까지의 거리입니다.
• 슬래브 – 일방향 및 이방향 슬래브, 벽으로 지지되는 연속 판, 기둥으로 지지되는 연속 판.
• 벽 – 내력벽 및 비내력벽

실제 온도를 계산할 수 있는데 왜 표에 의존해야 합니까?

표는 내화 성능을 빠르게 검토하는 방법이지만, 특정 단면 형상, 치수, 축 거리, 화재 조건만 다룹니다. 

신규 설계에서는 단면이 만족하지 못하면 단면을 조정할 수 있으므로 이 방법이 유효합니다. 그러나 기존 부재는 형상이 이미 정해져 있습니다. 표 기준을 불과 몇 밀리미터 벗어난 단면에는 표 기반 해법이 없습니다.

이때 실제 온도장을 계산하면 차이가 생깁니다. 미리 정해진 값에 의존하지 않고 실제 단면을 통한 열 전파를 계산하고, 그 온도를 이용해 단면의 내력을 검토할 수 있습니다. Section 애플리케이션이 바로 이 작업을 수행합니다. 실제 단면과 철근 배치를 해석한 다음, 계산된 온도를 기반으로 내화 성능을 검토합니다.

새로운 Section 애플리케이션이 추가하는 기능

Section에서 지붕 거더 예제를 확인해 보십시오. 표 검토는 하나의 축 거리에 대해 적합 여부만 알려 줍니다. Section 애플리케이션을 사용하면 같은 단면에 대해 이용률을 얻을 수 있습니다. 고급 방법이 실제 부재에서 어떤 결과를 내는지 확인하기 위해, 지붕 거더를 Section 애플리케이션(BETA)으로 검토했습니다. 화재 상황은 상온 검토와 같은 프로젝트에서 켜므로 별도의 모델이 필요 없습니다. 화재 시 하중 효과는 ULS 및 SLS 하중 효과와 구분된 별도의 그룹으로 입력합니다. 화재 시 단면력이 상온일 때와 다르기 때문입니다.

모델링한 단면은 높이 1140 mm의 프리캐스트 I형 거더이며, 여러 철근 직경과 제작사 요구에 맞게 최적화된 배치를 갖습니다. 내화 등급은 R60이고, 화재 곡선은 EN 1991-1-2의 표준 화재 곡선이며, 화재에 노출되는 면은 하면, 좌측면, 우측면입니다. 사용자는 상면, 하면, 좌측면, 우측면의 네 가지 중에서 노출면을 선택합니다(아래 그림 참조). 그러면 애플리케이션이 웨브-플랜지 접합부와 같은 오목 모서리를 포함하여 실제 노출 모서리를 도출하고 빨간색으로 표시합니다. 이 단면은 중앙 단면이며, 예시에서의 하중은 휨 모멘트만 작용합니다.

온도 분포 – 애플리케이션은 단면을 더 조밀한 메시로 분할하고 시간 단계별로 온도장을 계산합니다. 이 예시에서는 60분까지 계산하며, 전체적으로는 최대 240분까지 가능합니다. 히트맵에서는 하면과 하부 모서리가 가장 뜨겁고, 온도는 웨브 중심 쪽으로 갈수록 급격히 낮아집니다. 데이터 보기에는 콘크리트 요소와 개별 철근의 온도가 나열됩니다. 예를 들어 가장 아래쪽 모서리 철근은 480 °C에 도달하지만, 상부 플랜지 중앙의 철근은 거의 상온입니다. 표는 단일 공칭 축 거리로 작동하므로 이러한 분포를 보여 줄 수 없습니다.

애플리케이션은 이 온도로부터 콘크리트 강도, 철근 항복 강도와 비례 한계, 탄성 계수에 대한 감소 계수를 사용하여 감소된 재료 특성을 도출합니다. 이때 EN 1992-1-2의 감소 계수를 사용합니다. 계수 맵은 검토를 실제로 지배하는 요인을 보여 줍니다. 이 거더에서 가장 아래쪽 철근은 항복 강도의 60%를 유지하고, 하부 플랜지 모서리의 콘크리트는 강도의 약 6%를 유지합니다. 마지막으로, Section 애플리케이션은 수식을 사용하여 결과를 쉽게 파악할 수 있게 합니다. 예를 들어 휨 검토는 상온에서와 동일한 응답을 사용하되, 감소된 강도로 평가합니다.

결론

엔지니어가 2세대 EN 1992-1-2를 직접 읽든 소프트웨어에 작업을 맡기든 출발점은 같습니다. 표 기반 데이터는 신규 정형 부재를 위한 빠르고 안전측인 검토로 남아 있습니다. 규격을 직접 살펴보는 경우, 위에서 다룬 변경 사항을 통해 2023년판 규정이 2004년판과 어디에서 다른지 알 수 있습니다. 표를 만족하지 못하거나 적용할 수 없는 경우 규격은 고급 계산 방법을 제시하며, Section 애플리케이션이 그 방법을 수행합니다. 각 철근과 콘크리트 요소의 온도를 도출하고, 감소된 재료 특성을 적용하며, 적합/부적합 대신 이용률을 제공합니다. 단면의 실제 거동을 반영하므로 표 기반 방법을 대체할 수 있는 편리하고 빠르며 정밀한 방법입니다.