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1 Journal of the Korean Society of Safety, Vol. 28, No. 3, pp , June 2013 by The Korean Society of Safety (pissn ) All right reserved. 박장호 김성수 아주대학교건설시스템공학과 ( 접수 / 채택 ) Evaluation of Damage on a Concrete Bridge Considering the Location of the Vehicle Fire Jang Ho Park Sung Soo Kim Department of Civil System Engineering, Ajou University (Received April 2, 2013 / Accepted June 12, 2013) Abstract : Heat transfer analysis and thermal stress analysis for the concrete bridge was performed in order to investigate the damage of the concrete bridge by the fire of the vehicle. Changes in material properties, such as thermal conductivity, specific heat, density, elasticity, caused by temperature rise were considered. Heat transfer analysis and thermal stress analysis were performed according to the various location of the fire by ABAQUS. From the comparison of the numerical results, the degree of structural damage for the concrete bridge was investigated and considerations for the design of a concrete bridge against fire were identified. Key Words : concrete bridge, fire of the vehicle, damage assessment, heat transfer analysis, thermal stress analysis 1. 서론 현대사회는산업구조의변화와더불어도시화가지속적으로진행되어인구가도시로집중됨에따라서도시의한정된공간을보다효율적으로사용할필요성이점차증대되고있다. 한정된공간에서의인구집중은다양한형태의재해발생을증가시키고있으며, 이러한재해중에서화재의발생역시증가하여사회간접시설에서의직접적피해를증가시키고그피해액또한커지고있다 년서울외곽순환고속도로사고및 2008 년일본수도고속도로이케부쿠로선화재사고, 2007 년미국샌프란시스코고속도로교차점유조차화재사고및 2004 년발생한독일 Wiehltal Bridge 화재사고등은교량또한화재사고에취약하고사고발생시피해액이크게발생될수있음을보여준다. 이와같이교량에서의차량화재에의한심각한손상의발생가능성이제기됨에따라서경제적이고안전한교량의건설을위해서는차량화재에대한적절한고려가필요하다. 구조물의내화설계에대한인식이커짐에따라화재에대한구조물의안전성확보를위한연구가지속적으로이루어지고있다. 그러나화재에대한구조물의안전성확보를위한연구는대부분건축물및터널등과같은폐쇄형구조물을중심으로이루어지고있으며 1-5), 상대적으로화재에안전하다고여겨져온교량과같은개방형구조물에대한연구는미비한실정이다 6-7). 화재에의한구조물의손상을파악하기위해서는화재의강도가중요하다. 차량화재사고의 피해를보면휘발유또는경유와같은연료가누출됨으로서발생하는화재가화재의강도도크며, 화재가급속하게확대되는것으로알려져있다. 따라서차량의종류별화재강도는화재위험도를정량적으로분석하기위한중요한인자이다. 차량별화재강도에대한대표적연구로 EUREKA 499- FIRETUN 실험이수행되었고터널내방재설계를위한기본적인인자로활용되고있다 8). 국내에서도소형승용차및승합차를대상으로한실물화재실험을실시하여승용차및승합차의화재강도및차량의화재전파에대한결과를제시하였다 9). 연구결과에의하면차량충돌에의한화재는화재전파로인해차량 2 대에화재가나는경우로볼수있으며, 이경우차량 1 대화재보다화재강도가약 2.5 배이상으로화재위험성이높아지는것으로나타나있다. 본연구에서는기존에건설되어공용중인 4 m 내외의형하고가낮은 T 형콘크리트슬래브교량에대하여차량화재의위치에따른교량의열전달해석및열응력해석을수행하고교량의손상정도를살펴보았다. 범용유한요소해석프로그램인 ABAQUS 를이용하여해석을수행하였으며화재에따른구조물의온도상승및그에따른재료특성의변화와열응력및열변형률을고려하였다. 해석결과로부터화재의위치와형하고에따른교량의손상정도를평가하였다. 2. 차량화재에의한교량의열전달해석및구조해석 열전달해석은화재에노출된부재의온도변화를계산 Corresponding Author: Jang Ho Park, Tel : , jangho@ajou.ac.kr Department of Civil System Engineering, Ajou University, San 5, Woncheon-dong, Youngtong-Gu, Suwon , Korea 80

2 하기위해사용된다. 열전달의계산은요소의형상, 재료의열특성과경계조건에서의열전달계수에영향을받는다. 요소표면에서의열전달은대류와복사에의해이루어지며, 고체에서의열전달은전도에의하여이루어진다. 열응력을고려한구조해석은화재상황에서의부재의온도변화를고려한비선형구조해석으로일반적인비선형구조해석과유사하게이루어진다 열전달해석 구조물에서의온도변화에대한열전도지배방정식은다음과같다 10). 여기서 는재료의임의시간과임의의위치에서온도를, 는열전도계수 (W/m ) 를, 는단위체적당열에너지 (W/m 3 ) 를, 는재료의밀도 (kg/m 3 ) 를, 는비열 (J/kg ) 을의미한다. 그리고열원으로부터구조물에전달되는열대류및열복사에서의경계조건은다음과같이나타낼수있다. (1) (2) (3) (4) 여기서, 는각각화재온도및구조물표면온도를나타내고,, 는각각대류계수, 슈테판볼츠만상수 ( ), 방사율을의미한다. 열전달해석은일반적으로유한요소법 ( 또는유한차분법 ) 을이용한수치해석프로그램들에의해이루어진다. 본연구에서는범용유한요소프로그램인 ABAQUS 를이용하여해석을수행하였다 재료의열특성 콘크리트는이질재료의복합체로서열전도율 ( ) 은각이질재료의열전도율에의해결정되며온도, 함수량, 골재의종류, 시멘트의종류, 공극률등에영향을받는다. Eurocode 에서는콘크리트의종류에따라열전도율의상한값과하한값을제한하고있으며, 수분함유율 1.5% 의보통콘크리트의열전도율은 Fig. 1 과같다 11). 1) Upper limit ( ) 2) Lower limit ( ) 일반적으로콘크리트의비열 ( ) 은상온기준 800~1000 으로온도상승에따라증가하는경향이있다. 콘크리트의비열은잠열의영향이크고 200 이하에서는수분증발에따라급격한변화를보인다 11). 콘크리트의비열은내부수분함유율에따라그값이크게변하며, 100~ 200 사이에서증발이모두발생하게되고 100~115 에서최고값 ( ) 을갖는다. 수분함유율 1.5 % 의보통콘크리트비열은 Fig. 2 와같이같고최고값은 1470 이다. (7) (8) (9) (10) 온도에따른콘크리트의밀도 ( ) 는 Eurocode 에 Fig. 3 과같이제시되어있다 11). (11) (12) (13) (14) 철근의열전도율은콘크리트의열전도율에비해매우높으며 Eurocode 에서는대부분의구조용강재에대하여 Fig. 4 와같은선형근사치를제시하고있다 12-13). (5) (6) Fig. 1. Temperature-dependent thermal conductivity of concrete. Fig. 2. Temperature-dependent specific heat of concrete. 한국안전학회지, 제 28 권제 3 호, 2013 년 81

3 박장호 김성수 Fig. 3. Temperature-dependent density of concrete. (15) (16) 온도에따른철근의비열특성은 Eurocode 에 Fig. 5 와같이제시되어있으며 735 에서최고값 5000 을갖는다 12-13). (17) (18) (19) (20) 2.3. 열원 구조물의내화성능평가를위하여화재사례및실물실험을기초로하여화재에따른온도 - 시간곡선이제안되었다. ISO(International Standardization Organization : 국제표준화기구 ) 및 ASTM(American Society for Testing and Materials : 미국재료시험학회 ) 에서는 ISO 834 및 ASTM E119 등의표준가열곡선을제시하여세계적으로많이이용되고있으며이외에도네덜란드에서규정한 RWS 곡선, 독일도로건설부가규정한 RABT 곡선이있다 14). 이와같은화재곡선은터널및건축물내부의폐쇄형화재의특성이반영된곡선으로서본연구와같은차량화재에의한교량의손상에이용하기에는적합하다고보기어렵다. 본논문에서는기존의화재곡선을경유및휘발유의화염특성과실물차량화재실험등차량화재의특성을반영하여수정한화재곡선을사용하였다 9). 열원은승용차 2 대에화재가발생했을경우로화재곡선은 Fig. 6 과같이화재발생직후 600 sec (10 min) 후에최고온도 1200 에도달하며 6000 sec(100 min) 까지화재가지속된다고가정하였다 구조해석 열응력을고려한구조해석은화재상황에서의부재의온도변화를고려한구조해석과정이다. 일반적인구조재료의항복강도와탄성계수는온도가상승함에따라감소한다. Eurocode 에서는 Fig. 7 과같이온도에따른콘크리트및철근의강도감소계수를제시하고있다 11-13). 본연구에 Fig. 4. Temperature-dependent thermal conductivity of steel. Fig. 6. Temperature curve of the heat source. Fig. 5. Temperature-dependent specific heat of steel. Fig. 7. Reduction factors of elasticity for steel and concrete. 82 Journal of the KOSOS, Vol. 28, No. 3, 2013

서는온도의상승에따른콘크리트및철근의탄성계수감소를 Eurocode 에제시된강도감소계수를활용하여산정하였다. 다만 Eurocode 에는 900 이후콘크리트의강도가없는것으로규정하고있으나본연구의해석에서는 900 이상의열원이존재하므로 800 이상에서감소계수는 0.1 로일정하다고가정하여적용하였다. 기타의해석과정은일반적인비선형구조해석과동일하게이루어졌다.

열원의온도곡선은앞서제시한 Fig. 6 을사용하였다. 3. 차량화재의위치에따른교량의손상평가 범용유한요소프로그램인 ABAQUS 를이용하여열전달 (nonlinear transient Heat transfer) 해석을선수행하고열전달해석결과를이용한비선형열응력해석을수행하여교량의손상을평가하였다 15

4 서는온도의상승에따른콘크리트및철근의탄성계수감소를 Eurocode 에제시된강도감소계수를활용하여산정하였다. 다만 Eurocode 에는 900 이후콘크리트의강도가없는것으로규정하고있으나본연구의해석에서는 900 이상의열원이존재하므로 800 이상에서감소계수는 0.1 로일정하다고가정하여적용하였다. 기타의해석과정은일반적인비선형구조해석과동일하게이루어졌다. 도저감계수도 Eurocode 에제시된값을적용하였다. 경계조건으로주변의온도는상온 20 o C 로하였으며, 콘크리트의표면복사율 ( ) 은 0.8 로하였고, 슈테판볼츠만상수 W/m 2o C 를적용하였다. 화염이직접닿는부분은표면에화재의온도를직접정의하였고그외의부분은공기의대류계수 25 W/m 2 를적용한대류전달로정의하였다. 열원의온도곡선은앞서제시한 Fig. 6 을사용하였다. 3. 차량화재의위치에따른교량의손상평가 범용유한요소프로그램인 ABAQUS 를이용하여열전달 (nonlinear transient Heat transfer) 해석을선수행하고열전달해석결과를이용한비선형열응력해석을수행하여교량의손상을평가하였다 15) 해석대상교량국토해양부주관하에조사된 e-나라지표 2012 도로교량및터널현황조서 를보면기존에건설되어공용중인교량중 4 m 내외의형하고를갖는중소교량이다수있으며, 이러한교량의경우승용차화재에의해직접적인손상이발생할수있어형하고가작은중소규모의교량을연구대상교량으로선정하였다. 해석에사용된교량은단순지지의 T 형거더교로순경간이 14.6 m이며유효폭원은 8.85 m이다. 하중으로는자중및기타사하중을고려하고활하중은고려하지않았다. 콘크리트설계기준강도는 을적용하고, 철근 (SD300) 의항복강도는 를적용하였다. Fig. 8, Fig. 9는각각해석에사용된단순지지의 T형거더교의종단면과횡단면을나타낸것이다. 전제절점수 482,328개, 전체요소수 442,320개, 최소요소의크기는 mm, 최대요소의크기는 mm으로교량의상부구조를모델링하였다 열전달해석및구조해석본연구에서는화재위치와형하고를변수로하여해석 Fig. 10. Case of analysis considering location of fire. Fig. 11. Case of analysis considering height of a bridge 재료의열특성및경계조건 재료의열특성은앞에서제시한 Eurocode 의온도에따른열특성을적용하였고, 온도에따른콘크리트및철근의강 (a) t=100 sec Fig. 8. Configuration of a concrete bridge. (b) t=1000 sec Fig. 9. Cross section for girder of concrete bridge. (c) t=6000 sec Fig. 12. Temperature distribution according to time(case 1, H=3.0 m). 한국안전학회지, 제 28 권제 3 호, 2013 년 83

박장호 김성수 을수행하였다. 화재의위치는 Fig. 10 과같이대상교량의교축방향중앙의가운데와최내측 T 형거더, 좌측지점의가운데와최내측 T 형거더 4 가지로 case 를구성하였다. 차량화재에서의화염높이는 4 m 로설정하였고, 교량의형하고는 Fig. 11 과같이 3 m 부터 4.5 m 까지에대하여해석을수행하였다.

Fig. 13 은형하고 H=3 m 인경우각 case 의 t=6,000 sec 에서의교량하부표면의온도분포를나타낸것이다. Fig. 14, Fig. 15 는각각거더의피복두께 40 mm 안쪽과슬래브의피복두께 40 mm 안쪽에서의시간에따른온도변화를나타낸것이다.

5 박장호 김성수 을수행하였다. 화재의위치는 Fig. 10 과같이대상교량의교축방향중앙의가운데와최내측 T 형거더, 좌측지점의가운데와최내측 T 형거더 4 가지로 case 를구성하였다. 차량화재에서의화염높이는 4 m 로설정하였고, 교량의형하고는 Fig. 11 과같이 3 m 부터 4.5 m 까지에대하여해석을수행하였다. 형하고 H=3 m 의경우에는거더및슬래브에화염이직접닿으며, 형하고 H=4.5 m 의경우에는교량에화염이직접닿지않는다. Fig. 12 는형하고 H=3 m 이고 case 1 인경우에대하여교량하부표면과교량중앙의횡단면에서의온도분포를시간순서로나타낸것이다. 초기에화염에직접휩싸이는부분의온도부터급격히증가하게되고이후점차열원을중심으로열이전파되는형태로온도가분포하는것을확인할수있다. Fig. 13 은형하고 H=3 m 인경우각 case 의 t=6,000 sec 에서의교량하부표면의온도분포를나타낸것이다. Fig. 14, Fig. 15 는각각거더의피복두께 40 mm 안쪽과슬래브의피복두께 40 mm 안쪽에서의시간에따른온도변화를나타낸것이다. Table 1 은각 case 별, 형하고별거더및슬래브안쪽 40 mm 및 80 mm 에서의최고온도를정리한것이다. 열원이지점에위치하는경우 (case 2, 4) 는화재가교량의중앙에서발생한경우 (case 1, 3) 보다거더에서의온도가더높게나타났다. 이는지점의거더끝단면에추가적으로열원에노출되어나타난현상으로보인다. 또한교축방향으로동일한위치에서화재가발생할경우형하고가커짐에따라화재가슬래브한면에작용하는경우보다열원이거더의세면에작용하는경우에거더에서의열전달이크게일어나는것을볼수있다. 반면슬래브에서는거더에비하여화재의위치에따른변화는작게나타났다. 교량의구조재료로는일반적으로콘크리트와강재가사용되고있다. 강재는콘크리트에비해열전도가약 50 배정도높아고온에서의응답이빠르기때문에화재에의한손상깊이가깊으며화재에상대적으로취약하다. ASTM 에서는철근의임계온도를설정하여화재에노출된철근의손상을판정하는기준으로사용하고있다. 이는항복강도가상온대비 50% 이하로떨어지지않도록하는것이목적이 (a) H=3 m (b) H=3.5 m (c) H=4.0 m Fig. 14. Time histories of temperature at the cover depth of the girder. (a) case 1 (b) case 2 (c) case 3 (d) case 4 Fig. 13. Temperature distribution for 4 cases (H=3.0 m, t=6,000 sec). 며, 이에따라임계온도를물성이변하는 704 가아닌 538 로하였다. 콘크리트의경우는 380 를수산화칼슘의분해와수화물경계에서의균열이발생하는온도로보고콘크리트의손상을판정하는기준으로사용하고있다. 물론콘크리트는 500 까지압축강도를유지하고 650 를넘어가면 50% 이상의강도저하가나타난다. 하지만약 200~ 325 에서콘크리트의폭렬이발생하기때문에이를고려하여야하며, 화재시콘크리트의폭렬깊이가콘크리트의피복두께이상으로발생하는경우에는보강근에고온이직접전달되어구조물의성능에치명적인손상이발생될수있다. 이와같은기준및기존연구를바탕으로본연구에서는재 84 Journal of the KOSOS, Vol. 28, No. 3, 2013

Table 1. Max. temperatures for 4 cases at t=6,000 sec. (a) H=3 m Case 형하고 Girder 40 mm Slab 40 mm Girder 80 mm Slab 80 mm 3.0 m 660.8 564.7 352.4 254.4 1 3.5 m 644.4 564.5 338.1 254.1 4.0 m 614.8 237.

6 Table 1. Max. temperatures for 4 cases at t=6,000 sec. (a) H=3 m Case 형하고 Girder 40 mm Slab 40 mm Girder 80 mm Slab 80 mm 3.0 m m m m m m m m m m m m m m (b) H=3.5 m (c) H=4.0 m Fig. 15. Time histories of temperature at the cover depth of the slab. 료의손상기준온도를각각콘크리트 380, 철근 500 으로설정하고해석결과로부터손상평가를실시하였다. 3 의경우의최고온도 보다 24.2% 온도가높게나타났다. 하지만거더내부 80 mm 에서는최고온도가각각 375.1, 로 6% 정도의온도차이가발생하였으며, 슬래브에서는모든 case 에서유사한최고운도를보여온도의차이는국부적으로나타나는것으로볼수있다. 3) 형하고 H=3 m 인경우에서열원이교량지점에위치하는경우거더피복두께안쪽에서콘크리트임계온도 380 최소도달시간은약 1,300 sec, 철근임계온도 500 최소도달시간은약 2,000 sec 으로나타났다. 슬래브피복두께안쪽에서콘크리트임계온도최소도달시간은약 2,500 sec, 철근임계온도최소도달시간은약 4,400 sec 으로나타났다. 열원이교량중앙에위치하는경우는거더피복두께안쪽에서 380 도달시간이 2,200 sec 내외, 500 도달시간이 3,430 sec 내외의결과를보였다. 4) 형하고 H=3 m 에서 H=4 m 까지거더내부 40 mm 의최고온도는콘크리트손상기준 380 및철근손상판정기준 500 를모두초과하였다. 슬래브내부 40 mm 에서는형하고 H=3 m 와 H=3.5 m 에서대부분콘크리트손상기준및철근손상판정기준을넘는최고온도를보였다. 이는콘크리트의균열및폭렬이발생하고보강철근에고온이직접전달되어구조물의성능에심각한손상이유발된것으로평가할수있다. 열전달해석결과을바탕으로열응력해석을수행하였 1) 거더피복두께안쪽에서는화재의위치및형하고에따라서최대 820.6, 최소 까지온도가상승하였으며슬래브피복두께안쪽에서는최대 565.0, 최소 까지온도가상승하였다. 2) 형하고 H=3 m 인경우에는열원이교량의지점에위치하는 case 2, case 4 의경우거더내부 40 mm 의최고온도 로열원이교량중앙에서위치하는 case 1, case (a) Case 1 (b) Case 2 Fig. 16. Configuration for deflection of the bridge. 한국안전학회지, 제 28 권제 3 호, 2013 년 85

7 박장호 김성수 Fig. 17. Time histories of deflection for 4 cases(h=3.0 m). Table 2. Max. deflection for 4 cases. 형하고 case 1 case 2 case 3 case m mm mm mm mm 3.5 m mm mm mm mm 4.0 m mm mm mm mm 으며, case 1, case 2 에서의교량의처짐형상을 Fig. 16 에도시하였다. Fig. 17 에서는형하고 H=3 m 인경우 case 별교량중앙에서의시간에따른처짐을나타내었고, Table 2 에는각 case 별교량중앙에서의최대처짐을정리하였다. 열원이교량중앙에위치하는 case 1, case 3 의경우가열원이교량지점에위치하는 case 2, case 4 의경우에비하여큰처짐이발생하였으며, 화재로인한추가처짐은교량중앙에서최대 mm, 최소 mm 의작은값을보였다. 또한 case 1, case 3 의경우형하고 H=3 m, H=3.5 m 에서는비슷한처짐결과를보이다가 H=4 m 에서처짐이급격히작아지는결과가나타났다. case 2, case 4 의경우에도형하고 H=3 m, H=3.5 m 에서보다는 H=4 m 에서처짐이많이감소하는결과를나타내었다. 4. 결론 본연구는화재에의한중소규모콘크리트교량의손상평가를위하여유한요소프로그램인 ABAQUS 를이용한 3 차원열전달및열응력해석을수행하였다. 교량하부에서발생한차량화재에대하여차량화재특성을반영하여열원을모델링하고, 고온에따른재료열특성을고려하여해석을수행하였다. 화재발생위치및형하고를변수로하여다양한해석을수행하고결과를분석하여손상평가기준에따라손상평가를실시하였다. 본연구를통하여얻은결론은다음과같다. 1) 승용차화재에의한열원이교량의하부에작용하는경우열원이접촉하는구조물의형상에따라온도의차이가발생하므로이에따른영향이고려되어야할것이다. 2) 화재발생시슬래브보다는거더에서의온도상승이 컸으며, 거더피복두께안쪽에서콘크리트임계온도 380 최소도달시간은 1,300 sec, 철근임계온도 500 최소도달시간은약 2,000 sec 으로나타나화재발생초기에화재강도를줄일수있다면구조물의손상을최소화할수있을것이다. 3) 형하고 H=4 m 인경우화염이거더에직접닿는부분은매우적으나, 화염이거더에직접닿는형하고 H= 3.5 m 인경우와비슷한온도변화를보였다. 이는열원이근접할경우에는복사의영향이상당이크며이에대한영향이고려되어야함을의미한다. 4) 승용차화재의경우형하고가 4.5 m 이상인경우구조물의손상은크지않을것으로판단되며, 이에따라최근에설계및시공된교량의경우 4.5 m 이상의형하고를확보하고있어승용차화재에의한교량의손상은크지않을것으로예상된다. 5) 4.5 m 이상의형하고를확보한교량의경우라도승용차화재에는비교적안전하다고판단할수있으나화물차, 버스등의대형차에의한화재의경우에는화재의규모및화재발생위치등을고려하여안전성평가가이루어져야할것이다. 감사의글 : 이논문은 2012 년도정부 ( 교육과학기술부 ) 의재원으로한국연구재단의지원을받아수행된기초연구사업임 (No ) References 1) Fabio Biondini and Andrea Nero, Cellular Finite Beam Element for Nonlinear Analysis of Concrete Structures under Fire, Journal of Structure Engineering, Vol. 137, No. 5, pp , ) A. Caner, S. Zlatanic and N. Munfah, Structural Fire Performance of Concrete and Shotcrete Tunnel Liners, Journal of Structure Engineering, Vol. 131, No. 12, pp , ) C. Pichler, R. Lackner and H. A. Mang, Safety Assessment of Concrete Tunnel Linings under Fire Load, Journal of Structure Engineering, Vol. 132, No. 6, pp , ) Han Na Park, Jae Kwon Ahn and Cheol Ho Lee, Analysis of Structural and Thermal Parameters for Evaluating Fire Resistance of Steel Beams, Journal of Korean Society of Steel Construction, Vol. 21, No. 6, pp , ) Byung-Chan Han, Young-Jin Kwon, Jae-Hwan Kim, Yeong- Soo Shin and Eun-Gyu Choi, Temperature-dependency Thermal Properties and Transient Thermal Analysis of Structural Frames Exposed to Fire, Journal of Korea Concrete Institute, Vol. 19, No. 3, pp , ) Bong-Jo Rhu, Young-Sun Song and Weon-Tae Park, Safety Evalution of on the Cable of Extra Dosed Bridges by Fire, Journal of Korean Society of Hazard Mitigation, Vol. 8, No. 5, pp , ) Byung-Seung Kong, Study on Disaster Prevention System 86 Journal of the KOSOS, Vol. 28, No. 3, 2013

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Microsoft Word - KSR2013A320

Microsoft Word - KSR2013A320 k ƒ! YWXZ º º t rzyywxzhzyw k ep k Dynamic Behavior of Bridge considering Various Light Weight Rail Vehicles Õ äø ÐãäÕò ãã Sang-Su Kim, Yong-ul Park *, Man-Cheol Kim ** Abstract The purpose of this paper