복합 구조 시스템은 강재와 콘크리트의 합성으로 내화성능이 우수할 것으로 판단된다. 그러나 복합구조의 내화성능에 대한 연구는 아직 초기 단계로 기둥과 보 등의 부재에 대한 내화실험 결과가 일부 발표 되었으나 합성보에 대한 자료는 거의 없다. 이에 본 연구에서는 TSC 합성보의 내화성능 평가를 위해 내화실험과 수학적 및 수치 해석적인 방법을 통해 평가하였다. 내화실험은 형상의 종류와 가력 하중, 내화피복재 보강방법 등을 변수로 실험을 실시하였다. 또한 수치 해석 중 강재와 콘크리트의 재료특성은 Eurocode에 준하였으며 온도의 변화는 열전도 FE 해석과 수학적인 방법을 사용하였다.
복합 구조 시스템은 강재와 콘크리트의 합성으로 내화성능이 우수할 것으로 판단된다. 그러나 복합구조의 내화성능에 대한 연구는 아직 초기 단계로 기둥과 보 등의 부재에 대한 내화실험 결과가 일부 발표 되었으나 합성보에 대한 자료는 거의 없다. 이에 본 연구에서는 TSC 합성보의 내화성능 평가를 위해 내화실험과 수학적 및 수치 해석적인 방법을 통해 평가하였다. 내화실험은 형상의 종류와 가력 하중, 내화피복재 보강방법 등을 변수로 실험을 실시하였다. 또한 수치 해석 중 강재와 콘크리트의 재료특성은 Eurocode에 준하였으며 온도의 변화는 열전도 FE 해석과 수학적인 방법을 사용하였다.
The purpose of this paper is to evaluate the fire resistance of the TSC beam, a composite beam composed of a concrete beam enclosed by steel plates. Since a discrepancy was observed between the structural mechanisms of TSC and typical composite beams, the fire performances of the two beams are likew...
The purpose of this paper is to evaluate the fire resistance of the TSC beam, a composite beam composed of a concrete beam enclosed by steel plates. Since a discrepancy was observed between the structural mechanisms of TSC and typical composite beams, the fire performances of the two beams are likewise believed to be partially dissimilar. In this experiment, small and medium-sized TSC beams were tested under given conditions in the laboratory, with/without one of the most widely used spray-on fire protections in Korea. Furthermore, based on the steel and concrete properties under elevated temperatures that were obtained from Eurocode, temperature development across the section was suggested, analyses. To determine the capacity of a modified plastic section, th e fire performance of the model was also examined.
The purpose of this paper is to evaluate the fire resistance of the TSC beam, a composite beam composed of a concrete beam enclosed by steel plates. Since a discrepancy was observed between the structural mechanisms of TSC and typical composite beams, the fire performances of the two beams are likewise believed to be partially dissimilar. In this experiment, small and medium-sized TSC beams were tested under given conditions in the laboratory, with/without one of the most widely used spray-on fire protections in Korea. Furthermore, based on the steel and concrete properties under elevated temperatures that were obtained from Eurocode, temperature development across the section was suggested, analyses. To determine the capacity of a modified plastic section, th e fire performance of the model was also examined.
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문제 정의
갖고 있다. 또한 약 750°C부터 일정기간 동안 지속되는 재료의 결정구조의 상변위 현상을 고려하여 비선형적으로 표현되는 것으로 발표되었고, 본 논문에서는 이러한 강재의 온도 특성은 생략하였다. 밀도(p“=7, 850kg/m3)는 온도 변화에 큰 영향을 받지 않는 것으로 알려져 있으므로 상온 값으로 적용했다.
본 연구에서는 TSC 합성보의 실험과 해석으로 복합구조의 내화성능을 검증하였다. 실험 결과 내화 성능은 내화 피복재의 부착과 재하력이 큰 영향을 미치며, 해석으로 내화 성능의 평가 가능성을 확인하였다.
표준 화재 조건의 가열로에서 강재의 온도변화는 많은 연구 결과를 통해 기본적인 화재 실험 기간 동안 부재의 온도 산정에 대한 결과가 제시되어 있다. 본 연구에서는 무 피복 및 피복 상태의 TSC 보 온도 변화에 대한 열역학적 분석을 수행하였다. 또한 60분간 내화성능 기준을 KS F 2257에서 제시한 강재의 평균 온도 538°C, 국부적인 최대 온도 649°C를 넘지 않는 조건을 만족시키도록 온도 변화를 고려한 단면의 소성 모멘트 관점에서 단면력의 변화를 고찰 하였다.
본 연구에서는 복합구조인 합성 보의 내화성능을 실험과 수치해석을 통해 평가하였다. 한정된 실험체 수로 충분하게 성능을 평가할 수 없으나 합성구조의 내화성능에 대한 기초 자료로 제시하였다.
또한 수치 해석 중 강재와 콘크리트의 재료 특성은 Eurocode로부터 고려하였으며 온도의 변화는 열전도 FE 해석과 수학적인 방법으로 산정하였다. 본 연구의 목적은 합성 보의 내화성능평가를 위한 기초 자료를 제시하고자 한다.
통해 평가하였다. 한정된 실험체 수로 충분하게 성능을 평가할 수 없으나 합성구조의 내화성능에 대한 기초 자료로 제시하였다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
가설 설정
식의 가정은 가열 노 내부 고온 가스에서 강재 구조물로 열전달의 역학적 조건은 가스를 통한 대류와 가열로 벽면에 의한 복사를 고려하며, 강재의 온도 변화는 두께에 따라 변화하지 않는 조건은 가정하고 있다. 그리고 단면 형상에 따른 온도 변화의 영향을 고려하기 위해 단면계수(A/V, section factor)를 포함하여 사용된 강재의 단면적과 화재에 노출된 비율을 고려하여 온도의 발달 정도를 산정할 수 있게 정의하였다.
제안 방법
각 실험체는 그■림 3와 표 3에 정리한 바와 같이 열전대를 부착하여 실험 중 온도변화를 측정하였다. 열전대는 와이어형 K-type으로 데이터 로그를 이용하여 온도변화를 측정하였다.
분석 모델 및 조건은 KS F 2257(1999)의 '건축구조 부재의 내화 시험 방법 및 건설교통부 고시 저]2000-93호에 따라 그림 3(a)의 소형 TSC 보를 60분간 ISO 표준화재 조건에 의해 3면 노출 상태로 온도 분포 거동을 분석하였다. 강재와 콘크리트의 재료특성은 Eurocode로부터 고려하였으며 온도의 변화는 열전도 FE 해석과 수학적인 방법으로 산정하였고, 이것을 기본으로 모델의 내화성능을 분석하였다.
않는 조건은 가정하고 있다. 그리고 단면 형상에 따른 온도 변화의 영향을 고려하기 위해 단면계수(A/V, section factor)를 포함하여 사용된 강재의 단면적과 화재에 노출된 비율을 고려하여 온도의 발달 정도를 산정할 수 있게 정의하였다.
그림 2의 TSC 합성 보의 내화성능 평가를 위해 본 연구에서는 내화실험과 수치 해석을 수행하였다. 내화실험은 형상의 종류와 가력 하중, 내화 피복재 보강 방법 등을 변수로 실험을 실시하였다.
내화실험과 수치 해석을 수행하였다. 내화실험은 형상의 종류와 가력 하중, 내화 피복재 보강 방법 등을 변수로 실험을 실시하였다. 또한 수치 해석 중 강재와 콘크리트의 재료 특성은 Eurocode로부터 고려하였으며 온도의 변화는 열전도 FE 해석과 수학적인 방법으로 산정하였다.
본 연구에서는 무 피복 및 피복 상태의 TSC 보 온도 변화에 대한 열역학적 분석을 수행하였다. 또한 60분간 내화성능 기준을 KS F 2257에서 제시한 강재의 평균 온도 538°C, 국부적인 최대 온도 649°C를 넘지 않는 조건을 만족시키도록 온도 변화를 고려한 단면의 소성 모멘트 관점에서 단면력의 변화를 고찰 하였다.
내화실험은 형상의 종류와 가력 하중, 내화 피복재 보강 방법 등을 변수로 실험을 실시하였다. 또한 수치 해석 중 강재와 콘크리트의 재료 특성은 Eurocode로부터 고려하였으며 온도의 변화는 열전도 FE 해석과 수학적인 방법으로 산정하였다. 본 연구의 목적은 합성 보의 내화성능평가를 위한 기초 자료를 제시하고자 한다.
모든 실험체는 하중을 재하 하는 동안 노와 실험체에 부착된 온도센서로 온도변화 측정을 하였고, 가열로 상부에 설치된 오일잭과 변위계로 변형과 하중을 측정하였다. 실험 특성상 육안 관측은 불가능하며, 각 실험체의 실험 및 파괴 양상-3 다음과 같다.
본 장에서는 TSC 보의 내화성능 평가를 위해 수학적 및 수치 해석적인 방법을 통해 내화 거동을 예측 및 분석하였다. 분석 모델 및 조건은 KS F 2257(1999)의 '건축구조 부재의 내화 시험 방법 및 건설교통부 고시 저]2000-93호에 따라 그림 3(a)의 소형 TSC 보를 60분간 ISO 표준화재 조건에 의해 3면 노출 상태로 온도 분포 거동을 분석하였다.
표 3은 이러한 하중 지지력 판정 기준과 각 실험체별 열전대 설치 번호이다. 소형과 중형 실험체로 구분하여 허용 변형량과 허용 변형속도 등을 나타내었다.
가력하중도 부재 내력의 70%로 저감하였다. 실험 종료 시까지 일부 내화 피복재가 부착된 상태에서 실험이 진행되었으며, 내화성능도 초기예상치를 훨씬 초과하여 계획한 2시간 가력 후 1시간 추가하였다. 각 실험체의 파괴 양상을 정리하면, 내화성능은 내화 피복재로 내화시간을 확보하는 경우 내화 피복재의 탈락에 의한 내력 저하와 작용 하중에 의한 영향이 큰 것으로 판단된다.
표 1은 실험체 일람표이다. 실험체는 크기에 따라 소형과 중형으로 구분하였다. 소형 실험체는 춤이 250(mm), 판 두께 4.
온도와 함께 비선형적 증가를 보이는 비열은 식 4와 같으나, 본 연구에서는 콘크리트 중량대비 4% 함수량을 고려하여 100〜200°C 구간에서 부분적인 피크(C*=2750J/kgK, )를포함하였다. 밀도(0=23OOkg/n?) 는 온도의 변화와는 독립적으로 고.
재하는 가력하중이 내화 시간에 미치는 영향을 평가하기 위해 부재 내력을 기준으로 70, 100, 130(%)로 하였다. 사진 2는 실험체 셋팅과 가력상황이다.
표준 화재 조건에서 일반 콘크리트를 사용 시 TSC 보의 압죽블록을 포함한 콘크리트의 온도 변화를 고찰하였다. 열전도.
표에는 성능평가 기준인 하중지지력과 온도에 대해 정리하였다. 하중지지력은 변형과 변형률로 구분하였고, 부재에서 측정된 온도는 평균온도와 최고온도로 나누어 측정 시간과 그때의 측정값을 정리하였다.
실험체 형상은 冬. 험실 조건을 기준으로 하였다.
대상 데이터
그림 10는 이러한 문제점을 확인하기 위해 30X30X 3(mm) 앵글을 실험체 3개소에 등 간격으로 설치하여 슬래브에서 철선으로 고정시킨 후 실험하였고. 가력하중도 부재 내력의 70%로 저감하였다.
내화피복재는 공인기관으로부터 1시간 15mm, 2시간 25mm, 3시간 35mm의 내화인증을 취득한 제품이다. 내화 피복재의 선정은 현재 국내에서 사용되는 피복재 중 시장점유율이 가장 높은 A사 제품으로 임의 선정 하였고. 사용된 내화 피복재의 중량 배합비는 표 2와 같다.
실험체는 크기에 따라 소형과 중형으로 구분하였다. 소형 실험체는 춤이 250(mm), 판 두께 4.4(mm) 이며 중형 실험체는 춤 300(mm), 판 두께 6.0(mm) 이다.
수치해석에 사용된 단열재는 무기섬유 뿜칠용 재료(단위 질량 : 300kg/m2, 전도율 : 0.12W/mK. 비열 : 1200/kgK) 이며 두께 10mm와 15mm, 20mm를 TSC 보의 강재에 적용 하였을 경우, 표준화재 조건에서 강재의 온도변화는 식 6 을 이용하여 산정하였다.
실험체는 슬래브 120(mm)이고 보 춤은 250, 300(mm), 상부 슬래브 폭은 600(mm), 실험체 총 길이는 4, 900 (mm), 지점간 간격은 4, 400(mm)이다. 실험체 형상은 冬.
실험체에 사용된 이형철근의 인장 시험편은 KS B 0801(금속재료 인장시험편 규정)에 따라 10호 시험편으로 제작하였고, 강판(SS400)은 KS B 0801에 따라 5호 시험편으로 제작하여 인장시험을 실시하였으며, 결과는 표 4와 같다.
콘크리트의 압축강도 시험용 공시 체는 KSF 2404에 따라 직경 100mm, 높이 200mm의 실린더형 몰드를 사용하여 제작하였으며, 공시체는 본 실험체와 동일한 조건 하에서 양생킨 후 본 실험과 동시에 압축강도 시험을 실시하였다. 캐핑 (Capping) 후 실시한 콘크리트 압축강도는 3개 공시체의 평균값으로 하였으며, 결과는 표 5와 같다.
이론/모형
가력은 두 개의 오일 잭을 이용하여 4점 가력 하였고, 처짐은 변위계를 이용하여 중앙에서 측정하였다. 가력은 한국산업규격의 KS F 2257-1 (1999)에 의해 부재 내력을 기준으로 하였다.
가열로에서 무 피복 강재의 온도 산정은 Fourier Heat diffusion 공식을 무차원으로 적용하여 식 5와 같다(Eurocode 4, 1994).
국내의 내화성능 평가 방법은 1999년 ISO 834를 기준으로 개정된 한국산업규격 KS F 2257(1999)의 '건축구조 부재의 내화 시험방법에 준한다. 반면 내화성능은 내화피복재 등의 제품 사양에 의한 사양적 내화구조 기준을 적용하고 있으나, 실내 가연물의 종류와 양, 화재 실의 규모, 화재 하중 등을 고려한 건축물의 내화성능 평가의 필요성을 요구하고 있다(민병렬 2001; Andrew H.
이는 화재 발생 시구 조 물에 복합적인 거동을 발생시키는 한 원인이 된다. 본 연구에서는 열전도 해석을 위하여 강재와 콘크리트 재료의 고온 특성을 Eurocode 3 & 4 Part 1.2 (Eurocode 3, 1993와 Eurocode 4, 1994)를 기본으로 설정하였다.
그림 17은 표준 화재 조건에서 일반 콘크리트를 사용한 TSC 보의 시간별 온도분포 변화이다. 본 해석에서는 일반적으己 검증된 열역학적인 관련 계수를 사용하였으며 (Andrew H. Buchanan 2001), 4%의 수분 함량 조건에서 수행 되었다. 고려된 모델의 소성 중립축의 위치가 슬라브의 윗부분으로부더 30cm 이내에 존재함을 고려하였을 때, 60분간의 표준화 새 조건에서 온도의 변화는 200°C 이내이다.
분석하였다. 분석 모델 및 조건은 KS F 2257(1999)의 '건축구조 부재의 내화 시험 방법 및 건설교통부 고시 저]2000-93호에 따라 그림 3(a)의 소형 TSC 보를 60분간 ISO 표준화재 조건에 의해 3면 노출 상태로 온도 분포 거동을 분석하였다. 강재와 콘크리트의 재료특성은 Eurocode로부터 고려하였으며 온도의 변화는 열전도 FE 해석과 수학적인 방법으로 산정하였고, 이것을 기본으로 모델의 내화성능을 분석하였다.
실험 시 하중 지지력 판정 기준은 ISO 834-1(1999)와 KS F 2257T에 의해 허용 변형량(Q=Z?/400d)과 허용변형속도( 旳力=1?/9000/)를 모두 초과 시 구조적 붕괴로 판정하며, L/30을 초과하지 않아야 한다. 단, 내화피복을 실시한 경우 측정한 강재의 평균온도가 538°C(l, 000°F), 측정된 어느 곳에서도 최대온도 649°C(l, 200°F)를 넘어서는 안된다.
외부에 설치한 열전대는 탈락이 발생하지 않도록 실험체에 고정시켰다. 열전대(Thermo couple)는 ASTM에 제시된 K 타입을 적용하였으며 온도 측정 범위는 -250〜 1260°C 구간이다. 온도 측정 오차는 0〜 1250°C 구간에서 士 2.
열전도. 해석은 TSC 보 대칭 단면의 절반을 FE 소프트웨어인 FPRCBC-T를 사용하여 수행하였다(Huang, Z., 1996). 그림 17은 표준 화재 조건에서 일반 콘크리트를 사용한 TSC 보의 시간별 온도분포 변화이다.
성능/효과
(1) 합성 보의 내화성능은 작용하는 부재내력크기와 내화 피복재의 부착 여부가 가장 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다. 그러므로 철골 및 합성 부재에 사용하는 내화 피복재는 구조 부재가 상시 하중을 받고 있으므로 변형을 흡수할 수 있는 재료 특성의 확보와 이를 기초한 시험 방법의 검토가 필요하다.
(2) TSC 합성 보의 내화성능은 60분간의 표준 화재 조건에서 열전도 해석을 기본으로 분석한 결과 무피복 조건에서는 강재(인장블록) 온도의 급격한 증가로 인해 적절한 피복이 요구되며, 콘크리트 슬래브习 압축블록은 온도의 영향이 거의 없음이 확인되었다. 또한 피복재의 열 특성을 고려한 내화 시간 산정은 프로그램을 이용한 해석으로 합성보 부재의 온도변화를 검증할 수 있다.
(3) 외부에 내화피복을 하는 경우 내부 콘크리트는 내화 시간 까지 실험체전체에 걸쳐 온도 변화가 거의 없는 것으로 나타났다.
그림 9는 각 실험체의 처짐량 그래프이다. 3시간 내화성능을 보인 실험체(TB-S-15)를 제외하고 일정 시간 이후 급격한 변형량 증가로 실험이 종료되었음을 보이고 있다.
블록의 강도 감소는 미미하다. 그러나 인장 응력 부분의 감소는 10분정도가 경과하면 급격히 진행되어 화재상태의 사용 하중에 대한 60분간의 내구성을 확보하는 것에는 어려움이 있으며, 인장 응력 블럭 보강을 위한 피복이 필요함이 확인되었다. 이러한 해석 결과는 식 5가 보수적인 관점에서 정의된 결과이며, 그 밖의 복합구조의 경우도 거의 유사한 결과를 갖는 것으로 확인되고 있다.
측정 결과는 내화성능 시간인 70분까지 거의 모든 열전대가 위치에 관계없이 50°C 이하의 낮은 온도분포를 보이고 있다. 또한 70분의 내화성능을 경과하면서실험체 하부에 위치한 열전대에서 온도가 일부 상승하고 있으나 약 100°C 정도의 온도상승을 보인 후 실험이 종료되었다. 그러므로 내화뿜칠을 하는 경우 내부의 콘크리트 온도는 크게 상승하지 않는 것으로 확인되었으며, 3.
또한 피복재의 두께에 의한 영향보다 작용하는 가력하중의 영향이 더 큰 것으로 나타났다.
하였고, 가력 하중은 부재 내력의 100%이다. 실험 결과 내화 성능은 TB-M-15 실험체와 동일하게 실험체 온도 상승으로 종료 되었고, 내화성능은 70분이다.
검증하였다. 실험 결과 내화 성능은 내화 피복재의 부착과 재하력이 큰 영향을 미치며, 해석으로 내화 성능의 평가 가능성을 확인하였다. 그러나 실험실 여건으로 실험체 규모가 제한되어 부재 크기에 의한 축열의 영향 등을 평가하기 어렵고 내화실험 시 재하력의 영향을 통한 내화성능 평가 등이 검토 되야 할 것으로 판단된다.
가력 하중은 부재 내력의 100%로 하였다. 실험 결과 내화성능은 하중 지지력보다 실험체 온도 상승으로 종료되었고 내화성능은 51분이다.
실험 결과 내화성능은 하중 지지력에 의한 변형 또는 변형률보다 실험체의 온도 상승에 의해 내화성능이 결정되었다. 또한 피복재의 두께에 의한 영향보다 작용하는 가력하중의 영향이 더 큰 것으로 나타났다.
실험결과 하중 지지력은 28분, 실험체의 측정 온도는 16분으로 나타났으나, 내화 피복을 실시하지 않은 경우 내화 성능은 하중 지지력으로만 평가되므로 27분이 되었다. TB-S-15는 소형 실험체이며 내화 피복재를 1시간에 해당하는 15(mm) 뿜칠하였고, 가력 하중은 부재 내력의 70%로 저감하였다.
각 열 절대의 번호와 설치 위치는 그림 3의 (c)와 같다. 측정 결과는 내화성능 시간인 70분까지 거의 모든 열전대가 위치에 관계없이 50°C 이하의 낮은 온도분포를 보이고 있다. 또한 70분의 내화성능을 경과하면서실험체 하부에 위치한 열전대에서 온도가 일부 상승하고 있으나 약 100°C 정도의 온도상승을 보인 후 실험이 종료되었다.
강재 부분 온도 변화이다. 피복 두께가 15mm와 20mm 경우 부재의 온도가 각 600°C와 500°C까지 60분간의 화재에서 증가하는 것을 고려하면, KS F 2257에서 제시한 조건을 만족시키기 위하여 약 17.5mm 정도의 내화 피복재가 필요함을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 요구된 온도에서 강의 약 60% 잔류응력을 고려하면 사용 하중에 대해 적절한 대응 능력이 주어진다고 판단된다.
후속연구
실험 결과 내화 성능은 내화 피복재의 부착과 재하력이 큰 영향을 미치며, 해석으로 내화 성능의 평가 가능성을 확인하였다. 그러나 실험실 여건으로 실험체 규모가 제한되어 부재 크기에 의한 축열의 영향 등을 평가하기 어렵고 내화실험 시 재하력의 영향을 통한 내화성능 평가 등이 검토 되야 할 것으로 판단된다.
참고문헌 (16)
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