[논문]H형강 합성보의 화재거동에 관한 실험적 연구

김성배; 최승관; 한상훈

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H형강 합성보의 화재거동에 관한 실험적 연구

Study on the Fire Behaviour of Composite Beam

한국화재소방학회 논문지= Fire Science and engineering v.22 no.2 , 2008년, pp.84 - 90

김성배 (㈜센구조연구소 연구개발팀 ) ; 최승관 ; 한상훈 ( 한국건설기술연구원 화재및설비연구센터)

초록

용어
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본 연구는 H형강과 콘크리트 슬래브가 전단연결재로 일체화된 합성보의 화재 시 거동에 관한 실험적 연구로, 합성율과 재하율의 영향을 내화실험을 통해 평가하였다. 실험체는 H형강에 스터드 커넥터를 전단연결재로 사용하여 제작한 6개로 구성되며, 화재거동에 대한 전열특성을 열전대를 통해 확인하였다. 실험은 표준화재곡선에 의해 진행하였으며, 건설기술연구원 화재시험실에서 수행하였다. 실험결과 합성율과 재하율에 따른 합성보의 내화 특성을 확인하였으며, 화재에 의한 보형강과 콘크리트, 전단연결재의 열 특성을 확인할 수 있는 기초자료를 확보하였다.

Abstract

This paper aims to experimentally investigate the in-fire performance of composite beams with respect to the effects of load ratio and shear interaction. Under a Standard ISO834 fire, the development of temperature and deflection of simply supported composite beams were recorded. In particular, the transition of temperature distribution across the cross-section. The fire resistance of composite beam was interpreted regarding the level of shear interaction.

주제어

#Fire resistance #Composite beam #Shear interaction #Load ratio #Fire safety

본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 H형강 합성보에 대해 합성율과 재하율에 따른 내화시간과 열전대의 온도분포를 평가하였다.

본 연구에서는 H형강 합성보에 대해 합성율과 재하율에 따른 내화시간과 열전대의 온도분포를 평가하였다. 특히 합성율에 영향을 미치는 스터드 커넥터의 온도를 확인하여 기초자료를 제시하였으나, 합성율과 재하율의 범위가 한정되어 추가적인 실험을 통한 충분한 자료 확보가 필요할 것으로 판단된다.
이에 본 연구에서는 슬래브와 철골 보로 구성된 합성보에 대해 화재조건에서 합성율과 재하율에 따른 합성보와 전단연결재의 성능을 평가하였다.

반면 합성보 및 합성구조에 대한 내화성능평가는 아직 초기단계이다. 이에 본 연구에서는 슬래브와 철골 보로 구성된 합성보에 대해 화재조건에서 합성율과 재하율에 따른 합성보와 전단연결재의 성능을 평가하였다.

제안 방법

각 실험체는 화재에 노출된 합성보 부재의 휨강도에 영향을 미치는 합성율과 재하율을 변수로 표준화재 곡선으로 가열실험을 수행하고 거동을 측정하였다.

각 실험체는 화재에 노출된 합성보 부재의 휨강도에 영향을 미치는 합성율과 재하율을 변수로 표준화재 곡선으로 가열실험을 수행하고 거동을 측정하였다.
각 실험체별로 허용변형량과 허용변형속도를 초과하는 시간과 그 때의 변형량 및 변형속도를 정리하였다.

Table 5는 실험결과를 정리한 것이다. 각 실험체별로 허용변형량과 허용변형속도를 초과하는 시간과 그 때의 변형량 및 변형속도를 정리하였다. Figure 5~Figure 7은 합성율을 기초로 구분한 스터드 커넥터의 간격별 실험체의 시간 변형그래프이다.
그러나 스터드 커넥터와 콘크리트 슬래브 내부의 열전대 경우 합성율에 의한 온도 차를 확인하기 위해 각 자료를 비교하였다.

보이지 않는다. 그러나 스터드 커넥터와 콘크리트 슬래브 내부의 열전대 경우 합성율에 의한 온도 차를 확인하기 위해 각 자료를 비교하였다.
실험계획은 단순지지 합성보의 합성율(80, 110, 140%) 과 재하율(30, 35, 60, 70%)의 영향에 의한 열특성을 평가하기 위해 실험체를 계획하였다.

실험계획은 단순지지 합성보의 합성율(80, 110, 140%) 과 재하율(30, 35, 60, 70%)의 영향에 의한 열특성을 평가하기 위해 실험체를 계획하였다. 재하율은 공칭휨강도를 기준으로 가력한 하중비이다.

성능/효과

1. 합성율이 80~140%의 경우, 합성율이 내화시간에 미치는 영향은 적은 것으로 보이며, 스터드 커넥터와 콘크리트 슬래브에 부착된 열전대의 온도 차이는 크지 않은 것으로 판단된다.

1. 합성율이 80~140%의 경우, 합성율이 내화시간에 미치는 영향은 적은 것으로 보이며, 스터드 커넥터와 콘크리트 슬래브에 부착된 열전대의 온도 차이는 크지 않은 것으로 판단된다. 그러나 본 연구에서 합성율의범위가 완전합성에 가까운 80% 이상의 범위임을 고려하면, 합성율의 범위를 더 낮춰 합성율의 영향을 추가로 검토하는 것이 필요할 것으로 판단된다.
2. 공칭휨강도를 기준으로 산정한 하중에 대해 재하 하중을 30, 60, 70%로 증가시키는 경우 내화시간이 저감되는 경향을 보인다.

2. 공칭휨강도를 기준으로 산정한 하중에 대해 재하 하중을 30, 60, 70%로 증가시키는 경우 내화시간이 저감되는 경향을 보인다. 그러나 상관관계를 명확히 평가하기 위해서는 재하율을 더 증가시켜 확인할 필요가 있을 것으로 판단된다.
3. H형강 합성보의 온도분포는 보 중앙부와 1/4 위치를 비교하면 위치에 의한 온도 차이는 없으나, H형 강단 면의 온도분포는 보 하부 플랜지에서 웨브, 상부 플랜지, 스터드 커넥터, 콘크리트 슬래브의 순으로 온도가 저하된다.

3. H형강 합성보의 온도분포는 보 중앙부와 1/4 위치를 비교하면 위치에 의한 온도 차이는 없으나, H형 강단 면의 온도분포는 보 하부 플랜지에서 웨브, 상부 플랜지, 스터드 커넥터, 콘크리트 슬래브의 순으로 온도가 저하된다. 또한 스터드 커넥터는 콘크리트 슬래브 내부에 묻혀 있어도 H형강에 의해 열전달이 되어 온도가 350℃ 이상으로 상승한다.
스터드 커넥터에 부착한 ⑧, ⑨번 열전대는 보 상부 플랜지의 온도와 비교 시 보 상부 플랜지에서 콘크리트 슬래브로 올라갈수록 온도는 약 100~1501 정도 저하되어 최대온도는 40#를 초과하지 않는 것으로 나타났다.

스터드 커넥터에 부착한 ⑧, ⑨번 열전대는 보 상부 플랜지의 온도와 비교 시 보 상부 플랜지에서 콘크리트 슬래브로 올라갈수록 온도는 약 100~1501 정도 저하되어 최대온도는 40#를 초과하지 않는 것으로 나타났다. 이러한 온도저하는 콘크리트 슬래브에 의해 온도가 흡수되기 때문으로 판단된다.

후속연구

그러나 본 연구에서 합성율의범위가 완전합성에 가까운 80% 이상의 범위임을 고려하면, 합성율의 범위를 더 낮춰 합성율의 영향을 추가로 검토하는 것이 필요할 것으로 판단된다.

합성율이 80~140%의 경우, 합성율이 내화시간에 미치는 영향은 적은 것으로 보이며, 스터드 커넥터와 콘크리트 슬래브에 부착된 열전대의 온도 차이는 크지 않은 것으로 판단된다. 그러나 본 연구에서 합성율의범위가 완전합성에 가까운 80% 이상의 범위임을 고려하면, 합성율의 범위를 더 낮춰 합성율의 영향을 추가로 검토하는 것이 필요할 것으로 판단된다.
그러나 상관관계를 명확히 평가하기 위해서는 재하율을 더 증가시켜 확인할 필요가 있을 것으로 판단된다.

공칭휨강도를 기준으로 산정한 하중에 대해 재하 하중을 30, 60, 70%로 증가시키는 경우 내화시간이 저감되는 경향을 보인다. 그러나 상관관계를 명확히 평가하기 위해서는 재하율을 더 증가시켜 확인할 필요가 있을 것으로 판단된다.
그러므로 합성율과 동일하게재하율도 하중비를 증가시켜 그 상관성을 추가로 확인할 필요가 있을 것으로 판단된다.

그러나 115-2 실험처)가 조기에 파단된 경향이 있어 재하율과 내화시간의 관계를 명확히 평가하기는 다소 어려운 형상을 보이고 있다. 그러므로 합성율과 동일하게재하율도 하중비를 증가시켜 그 상관성을 추가로 확인할 필요가 있을 것으로 판단된다.
특히 합성율에 영향을 미치는 스터드 커넥터의 온도를 확인하여 기초자료를 제시하였으나, 합성율과 재하율의 범위가 한정되어 추가적인 실험을 통한 충분한 자료 확보가 필요할 것으로 판단된다.

특히 합성율에 영향을 미치는 스터드 커넥터의 온도를 확인하여 기초자료를 제시하였으나, 합성율과 재하율의 범위가 한정되어 추가적인 실험을 통한 충분한 자료 확보가 필요할 것으로 판단된다. 본 연구를 통한 결론은 다음과 같다.

저자의 다른 논문

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참고문헌 (16)

1. 천성철, 주영광, 정광량, 김상대, "비대칭 유공 합성 보 iTECH beam의 휨성능평가", 대한건축학회논문집 구조계, Vol.18, No.4, pp.67-74(2002)
2. 김상섭, 김상모, 김성배, 서동기, 김규석, "단순지지 T 형 합성보의 휨거동에 관한 실험적 연구", 한국강구조학회논문집, Vol.16, No.2, pp.225-233(2004)
3. 허병욱, 배규웅, 문태섭, "매입형(슬림플로어) 합성보 의 휨성능 평가-춤이 깊은 데크플레이트와 비대칭 H 형강 철골보", 한국강구조학회논문집, Vol.16, No.2, pp.235-245(2004)
4. (사)한국복합화건축기술협회, "2007년도 정기총회 및 1차 기술세미나, 후분양제도에 대응하기 위한 공기단 축 복합화공법"(2007)
5. 홍원기, 박선치, 이경훈, 김점한, 이호찬, 황윤하, "친 환경 층고 절감형 합성보의 시공 Process 및 시공사 례", 한국생태환경건축학회 논문집, Vol.7, No.6 (2007)
6. 대한건축학회, "건설교통부 고시, 건축구조설계기준" (2005)
7. D.L. Mullett, "Composite Floor Systems", Blackwell Science(1998)
8. Deric J. Oehlers, Mark A. Bradford, "Elementary Behaviour of Composite Steel and Concrete Structural Members", Butterworth-Heinemann(1999)
9. 한국표준협회, "KS F 2848 - 단면 형상 계수에 따른 구조용 강재의 내화 피복 두께 산정 방법"(2005)
10. 건교부, "건축물의 피난.방화구조 등의 기준에 관한 규칙", 건설교통부령 제563호(2007)
11. 한국건설기술연구원, "구조물 성능기반화재거동 해석 및 설계기술연구(I)"(2007)
12. 한상훈, 최승관, 김희주, "비대칭 H형강을 사용한 슬 림플로어 보의 내화성능에 관한 연구", 한국강구조학회 논문집, Vol.19, No.4, pp.235-246(2006)
13. 이승재, 강성덕, 오명호, 김명한, 김상대, "SC 합성기 둥의 내화성능에 대한 실험연구", 한국강구조학회 논문집, Vol.19, No.4, pp.425-434(2007)
14. 최승관, 김성배, "TSC 합성보의 화재 시 거동 및 전 열특성에 관한 실험적 연구 - 철근 보강과 하중비에 의한 내화성능의 영향", 대한건축학회논문집 구조계, Vol.24, No.1, pp.27-35(2008)
15. S.K. Choi, I.W. Burgess and R.J. Plank, "Performance in Fire of Long-Span Composite Truss Systems", Engineering Structures, in press
16. 한국표준협회, "KS F 2257 - 구조부재의 내화시험방 법"(2005)

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