[논문]고온을 받은 고강도 콘크리트의 강도특성

윤현도; 김규용; 한병찬

doi:10.4334/jkci.2002.14.5.698

고온을 받은 고강도 콘크리트의 강도특성
Strength Properties of High-Strength Concrete Exposed at High Temperature 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.14 no.5, 2002년, pp.698 - 707

윤현도 (충남대학교) , 김규용 (일본 건축연구소 재료연구그룹) , 한병찬 (충남대학교)

초록
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본 연구에서는 건축물에 발생된 화재와 같이 단기간에 빠르게 가열되는 조건하에 고강도 콘크리트의 압축강도특성을 구명하기 위하여 기존의 내화실험결과를 수집 및 분석하며 아울러 현행 노출온도에 따른 압축강도의 상관관계 기준식의 고강도 콘크리트에 적용 가능성을 검토하고자 한다. 노출온도에 따른 고강도 콘크리트의 압축강도 변화 특성은 내화실험방법(재하, 비재하 및 비재하 잔여 강도실험) 및 골재종류(천연 및 경량골재)에 따라 다르게 나타나므로 실험방법 및 골재종류별로 나누어 비교 및 분석하였다. 고강도 콘크리트의 압축강도 특성은 보통강도와는 노출온도에 따라 다르게 나타났으며 노출온도 약 2$0^{\circ}C$에서 40$0^{\circ}C$범위에서 보통강도 콘크리트보다 급격하게 압축강토가 저하되었으며 40$0^{\circ}C$ 이상에서는 큰 차이를 보이지 않았다. 80$0^{\circ}C$에서 고강도 콘크리트의 압축강도는 상온 압축강도의 30%까지 감소되었다. 노출온도에 따른 압축강도 및 탄성계수 변화에 대한 실험결과와 유럽 기준을 비교하여 볼 때 현행 기준식은 안전측이지 못하므로 화재에 노출된 고강도 콘크리트의 압축강토 및 탄성계수 평가에 적응 가능성이 결여된 것으로 평가되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

A review is presented of experimental studies on the strength performance of concrete exposed at short-term and rapid heating as in a fire and after cooling. Emphasis is placed on concretes with high original compressive strengths, that is, high-strength concrete(HSC). The compressive strength-temperature relationships from the reviewed test programs are distinguished by the test methods used in obtaining the data(unstressed, unstressed residual strength, and stressed tests) and by the aggregate types(normal or lightweight), The compressive strength properties of HSC vary differently with temperature than those of NSC. HSC have higher rates of strength loss than lower strength concrete in the temperature range of between 20$^{\circ}C$ to about 400$^{\circ}C$. These difference become less significant at temperatures above 400$^{\circ}C$ compressive strengths of HSC at 800$^{\circ}C$ decrease to about 30 ％ of the original room temperature strength. A comparison of lest results with current code provisions on the effects of elevated temperatures on concrete compressive strength and elastic modulus shows that the CEN Eurocodes and the CEB provisions are unconservative.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

:丄러나 기존 실험결과에 의하면 150 ℃ 초과시 선형적으로 급격하게 저하되는 깅향을 보이고 있다. 본 논문에서는 다소 분산되고 제한된 기존실험 결과를 근거로 추정선을 제안하였다
이를 위하여 기본적으로 요구되는 자료는 화재시 경험한 노출온노에 따른 고강도 콘크리트 및 철근의 응러-변형률 특성, 잔여 압축강도 및 탄성계수 등이다. 본 연구는 고온에 노출된 고강도 콘크리트 부재의 내력평가를 위한 일련된 연구로 본 논문에서는 기존 연-】1자의 내화실험결과를 근거로 천연골재를 사용한고강노 콘크리트의 노출온노에 따른 비재하 잔여 압축강도 및 탄성계수를 평가할 수 있는 추정식을 제안하고자 한다.
이에 본 연구에서는 기존 내화실험결과粉13)를 근거로 420 燮拼급 이상인 고강도 콘크리트의 노출온도에 따른 압축강도특성을 구명하고 아울러 현행 각 국의 내화 기준 및 설계식의 고강도 콘크리트에의 적용 가능성을 검토하므로서 철근콘크리트 건축물의 내화설계기준 작성 또는 보통강도 콘크리트를 근거로 규정된 기존 내화 설계기준의 개정을 위한 기조자료를 제시하고자 한다.
9 및 10과 같다. 재하 실험 결과에 대한 자료는 현재 문헌상에 보고된 자료가 없어 본 절에서는 비재하 및 비재하 잔여강도에 대한 내화실험결과로부터 고강도 콘크리트의 노출온도별 탄성계수변화에 대하여 검토한다

제안 방법

Noumowe, Clatres, Debicki 와 Costaz" 는 고온에 노출된 고강도 콘크리트의 역학적 특성을 구명하기 위하여 실험 및 해석적인 접근방법을 적용하였다. 압축강도 390 및 620 kgf/cm?인 160乂320 mm 원주형, 100x100x400 mm 큐빅 시험체에 대하여 비재하 잔여강도 실험방법을 적용하였다.
실시하였다. 100x200 mm 원주형 시험체를 1 ℃/분 속도로 각각 200, 350 및 500 ℃까지 가열한 후 60분 동안 목표온도를 유지하여 안정상태에 이르게 한 후 상온에서 파괴시까지 재하하여 가열온도에 따른 압축강도 및 탄성계수를 평가하였다.
420 k或erri2급 이상인 고강도 콘크리트에 대한 제한된 기존 내화 실험연구에 대한 분석 및 각국 기준의 설계 곡선과 비교함으로써 다음과 같은 결론을 얻었다.
Furumura, Abe 및 ShinoharaU)는 보통 포틀랜드 시멘트를 사용한 압축강도 430 및 610 kg竝(京인 眇皿诚 원주형 시험체에 대하여 비재하 및 비재하 잔여강도 내화실험을 실시하였다. 각 시험체는 100~700 ℃범위에서 100 ℃씩 증가시켜 목표온도로 설정하였고 모든 시험체가 안정 상태에 이르도록 2시간 동안 목표온도를 일정하게 유지하였다.
비재하 실험에서는 1.5。方 분속 도로 가열한 후 목표온도에 이르러 2~6시간 동안 온도를 일정하게 유지하여 안정상태에 이르도록한 후 재하하였다
내화실험 연구_a에서는 압축강도 1, 530 kgf/M인실리카휴을 혼합한 콘크리트에 대하여 1 ℃/분 가열속도로 목표 온도 20, 150, 350, 450 및 650 ℃ 까지 가열하고 다시 1 ℃/분 속도로 냉각시켜 상온에 이른 수일 후 비재하 잔여 강도 실험방법을 적용하였다.
압축강도 390 및 620 kgf/cm?인 160乂320 mm 원주형, 100x100x400 mm 큐빅 시험체에 대하여 비재하 잔여강도 실험방법을 적용하였다. 목표온도 150, 300, 450, 500 및 600 ℃ 까지 1 ℃/분속 도로 가열하고 목표온도를 1시간동안 유지하여 시험체를 안정상태에 이르도록한 후 다시 상온까지 냉각하여 압축강도 쪼갬 및 직접인장강도를 평가하였다.
각 시험체는 100~700 ℃범위에서 100 ℃씩 증가시켜 목표온도로 설정하였고 모든 시험체가 안정 상태에 이르도록 2시간 동안 목표온도를 일정하게 유지하였다. 목표온도하에서 평균 압축강도 및 탄성계수와 온도의 상관관계, 콘크리트의 응력-변형률 관계를 평가하였다
실시하였다. 비재하 잔여강도 실험은 50, 80, 100, 120, 200, 300, 皈), 520 및 600 ℃까지 1 ℃/분의 속도로 가열한 후 9~22시간 동안 안정된 상태에 이르도록 하고 이후 상온까지 냉각한 후 파괴시까지 재하하였다. 비재하 실험에서는 1.
kgf/cm?인 160乂320 mm 원주형, 100x100x400 mm 큐빅 시험체에 대하여 비재하 잔여강도 실험방법을 적용하였다. 목표온도 150, 300, 450, 500 및 600 ℃ 까지 1 ℃/분속 도로 가열하고 목표온도를 1시간동안 유지하여 시험체를 안정상태에 이르도록한 후 다시 상온까지 냉각하여 압축강도 쪼갬 및 직접인장강도를 평가하였다.
670k藻/cn?인 콘크리트의 64x64 mm 원주형 시험체에 대한 비재하 및 비재하 잔여강도실험을 실시하였다. 비재하 잔여강도 실험은 50, 80, 100, 120, 200, 300, 皈), 520 및 600 ℃까지 1 ℃/분의 속도로 가열한 후 9~22시간 동안 안정된 상태에 이르도록 하고 이후 상온까지 냉각한 후 파괴시까지 재하하였다.

대상 데이터

1晰)인 고강도 콘크리트를 대상으로 내화실험을 수행하였다. 사용된 시험체는 51시02 mm 의원 주형 공시체이며 최대 굵은 골재크기는 9.5mm이고 재하 및 비재하 내화실험방법이 적용되었다. 시험체의 가열속도는 7~8 ℃/분으로 100 ℃에서 800 ℃까지 100 ℃씩 증가 시 켰다.

성능/효과

1) 비재하 및 재하 내화실험에서 노출온도가 증가됨에따라 고강도 콘크리트의 압축강도는 노출온도 20 笆이후 400 ℃에 이를 때까지 강도 변화가 적은 안정적인 상태를 유지하고 있으며 이후 노출온도가 증가됨에 따라 급격하게 압축강도가 저하되었다 비재하 잔여강도 실험에서는 20 ℃이후 200 ℃범위에서 미소한 강도증가 또는 저하 특성을 보이며 200 ℃이후 노출온도가 증가됨에 따라 급격하게 압축강도가 저하되는 경향을 보였다.
2) 상온에서 300 ℃까지 노출온도가 증가됨에 따라 고강도 콘크리트의 탄성계수는 다소 완만한 감소를 보이다 노출 온도 300 ℃이후 급격히 저하되는 경향을 보였다.
3) 노출온도가 증가됨에 따라 천연골재 고강도 콘크리트의 압축강도 및 탄성계수는 경량골재에 비하여 보다 급격하게 저하되는 특성을 보였다. 노출온도와 고강도 콘크리트의 인장강도 관계는 콘크리트의 압축강도와 무관하게 유사한 경향을 보이고 있으며 노출온도 500 ℃에서 상온의 50%내외로 저하되었다.
잔여 강도 실험결과는 노출온도 상온에서 200 ℃범위까지 적용 가능하지만 그 이상의 온도에서는 과대평가되는 경향이 있어 적용 가능성이 결여된 것으로 판단된다. 경량골재를 사용한 고강도 콘크리트에 대한 내화실험 결과는 제한된 연구결과로 인하여 비재하 내화실험 결과만을 유럽기준 설계곡선과 비교하여 보면 유럽 기준은 실험결과를 과대평가하는 경향이 있어 이에 대한 적용 가능성이 결여된 것으로 판단된다.
9에 나타난 바와 같이 천연 및 경량곤재 모두 유사한 경향을 보이고 있으며 고강도 콘크리트의 노출온도가 증가됨에따라 탄성계수는 감소되었다. 노줄온도 400 ℃에서 골재 종류에 따른 보유 탄성계수값은 경량 및 천연골재 콘크리트에서 각각 상온의 58%, 30 %로 나타났으며 400 ℃ 이후에도 노출온도가 증가됨에 따라 급격하게 저하되는 경향을 보이고 있으며 이러한 경향은 경량 보다 천연골재 콘크리트에서 현저하였다.
그림에 나타난 바와 같이 노출온도에 따른 고강도 콘크리트의 직접 및 쪼갬 인장강도 특성은 고강도 및 보통강도 콘크리트에서 유사한 경향을 보이고 있다. 보통 및 고강도 콘크리트 모두에서 직접인장강도가 쪼갬인 장강도 보다 높게 나타났으며 인장실험방법과 무관하게 노출 온도가 증가됨에 따라 인장강도는 저하되는 경향을 보였으며 이러한 경향은 보통강도 보다 고강도 콘크리트에서 현저하게 나타났다.
본 연구에서 고강도 콘크리트의 내화성능을 분석하기 위하여 수행된 기존 연구결과를 근거로 분석하여 보면 노출 온도에 따른 고강도 콘크리트의 강도특성을 평가하기 위하여 일반적으로 재하(stressed), 비재하(unstressed) 및비재하 잔여 강도(unstressed residual strength) 내화실 험방법이 주로 적용되고 있다. 재하 내화실험은 Fig.
이상과 같은 Fig. 6 및 7로부터 화재시 고강도 콘크리트의 압축강도는 주변온도가 400 ℃ 까지 상승할때까지 상온에서 콘크리트 압축강도의 60 %이상 보유할 수 있으나 400 ℃를 초과하게 되면 급격하게 압축강도가 저하되어 800 ℃에 이르러 상온 압축강도의 20~30 %내외만을 보유하는 것으로 나타났다. Fig.
이상과 같이 고강도 콘크리트의 노출온도에 따른 탄성계수는 콘크리트에 사용된 골재종류 및 내화실험 방법에 따라 다소 차이를 보이고 있으며 천연골재를 사용한 고강도 콘크리트의 33 ℃이상의 노출온도에 따른 탄성계수 변화는 비재하 내화실험 경우보다 비재하 잔여강도 내화실험 시 급격히 저하되는 경향을 보이고 있다. 따라서 화재 발생 시보다 화재 진화후 콘크리트의 탄성계수 저하는 현저할 것으로 판단되므로 화재를 경험한 건물의 내하력평가 시 이에 대한 고려가 요망된다.

후속연구

4) 유럽기준(CEN) 및 RILEM 위원회(CEB)에 의해 제안된 압축강도 및 탄성계수와 노출온도 관계 곡선은 420 kgf/cm, 급 이상의 고강도 콘크리트에 적용시 고온에 노출된 콘크리트의 강도특성을 과대 평가하는 경향이 있어 주의를 요하며 향후 이에 대한 보완 연구가 요망된다.
따라서, 고강도 콘크리트를 사용한 건축물에서 구체 콘크리트가 화재 등으로 인하여 고온에노줄될 경우 화재 진화후 상온으로 다시 냉각된 고강도 콘크리트의 압축강도는 화재시 구체가 노출된 온도에 따라 현저하게 변화되므.로 화재를 경험한 철근콘크리트 건축물의 재사용 여부에 대한 검토시 이에 대한 세심한 고려가 필요할 것으로 판단된다.
13은 골재종류 및 실험방법에 따른 노출온도별 고강도 콘크리트의 탄성계수 변화를 유럽기준과 비교하여 나타낸 것으로 노출온도에 따른 탄성계수 변화의 전반적인 경향은 양호하게 나타내고 있으나 천연골재를 사용한 고강도 콘크리트의 노출온도에 따른 탄성계수를 과대평가하는 경향을 보이고 있어 적용 가능성이 결여된 것으로 판단된다. 반면 제한된 실험결과를 근거로 판단하여 볼 때 경량골재를 사용한 고강도 콘크리트의 노출온도에 따른 탄성계수 변화는 유럽기준에 의해 예측할 수 있을 것으로 판단된다.

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상세보기
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Concrete Reinforcing Steel Institute, " Reinforcing Concrete Fire Resistance," CRSI, 1980.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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