폴리프로필렌섬유와 강섬유를 혼입한 고강도콘크리트 기둥의 재하하중비에 따른 내화성능을 검증하기 위하 여 3기의 동일한 기둥시험체를 제작하여 각 시험체에 40%, 50%, 그리고 61%의 설계하중에 해당하는 고정압축하중을 재하한 후 ISO-834 표준내화곡선에 따라 180분간 내화시험을 실시하였다. 폭렬은 발생하지 않았으며, 표면부의 색은 분 홍색을 띤 회색으로 변했다. 시험체의 최대 연직방향 처짐은 1.5~2.2 mm로, 내화시험 중 화재로 인한 시험체의 강도손 실이 발생하지 않았으며, 설계하중의 61%이내에서 시험체의 내화성능은 영향을 받지 않았다. 깊이별 내부 콘크리트의 온도분포, 콘크리트 내부 수분 증발로 인한 온도상승이 변한 점 등 전반적으로 비재하 내화시험 결과와 매우 유사하였다. 180분 내화시험 후의 최종온도는 모서리철근이 491.4oC, 중앙철근이 329.0oC이며, 철근의 총 평균온도는 409.8oC이다. 전 반적인 온도분포의 경향은 비재하 내화시험과 매우 유사하였다. 모서리철근의 열에너지 유입량이 많기 때문에 중앙철 근과의 온도차(153.7oC)가 나타났으며, 가열 후 30~50분 사이에 온도상승추세가 변하였다. 이는 강섬유와 폴리프로필렌 섬유를 혼입한 콘크리트의 온도구배가 낮고, 철근으로의 수분이동과 내부 수분의 막힘현상, 그리고 수분의 기화열 때문이다.
폴리프로필렌섬유와 강섬유를 혼입한 고강도콘크리트 기둥의 재하하중비에 따른 내화성능을 검증하기 위하 여 3기의 동일한 기둥시험체를 제작하여 각 시험체에 40%, 50%, 그리고 61%의 설계하중에 해당하는 고정압축하중을 재하한 후 ISO-834 표준내화곡선에 따라 180분간 내화시험을 실시하였다. 폭렬은 발생하지 않았으며, 표면부의 색은 분 홍색을 띤 회색으로 변했다. 시험체의 최대 연직방향 처짐은 1.5~2.2 mm로, 내화시험 중 화재로 인한 시험체의 강도손 실이 발생하지 않았으며, 설계하중의 61%이내에서 시험체의 내화성능은 영향을 받지 않았다. 깊이별 내부 콘크리트의 온도분포, 콘크리트 내부 수분 증발로 인한 온도상승이 변한 점 등 전반적으로 비재하 내화시험 결과와 매우 유사하였다. 180분 내화시험 후의 최종온도는 모서리철근이 491.4oC, 중앙철근이 329.0oC이며, 철근의 총 평균온도는 409.8oC이다. 전 반적인 온도분포의 경향은 비재하 내화시험과 매우 유사하였다. 모서리철근의 열에너지 유입량이 많기 때문에 중앙철 근과의 온도차(153.7oC)가 나타났으며, 가열 후 30~50분 사이에 온도상승추세가 변하였다. 이는 강섬유와 폴리프로필렌 섬유를 혼입한 콘크리트의 온도구배가 낮고, 철근으로의 수분이동과 내부 수분의 막힘현상, 그리고 수분의 기화열 때문이다.
The 180 minutes fire test based on the standard curve of ISO-834 were conducted on three RC column specimens with different constant axial loading ratios to evaluate the fire performance of fiber cocktail (polypropylene+steel fiber) reinforced high strength concrete column. The columns were tested u...
The 180 minutes fire test based on the standard curve of ISO-834 were conducted on three RC column specimens with different constant axial loading ratios to evaluate the fire performance of fiber cocktail (polypropylene+steel fiber) reinforced high strength concrete column. The columns were tested under three loading levels as 40%, 50%, and 61% of the design load. No explosive spalling has been observed and the original color of specimen surface has been changed to light pinkish grey. The maximum axial displacements of three specimens were 1.5~2.2 mm. There was no reduction in load bearing capacity of each specimen exposed to fire and no effect were observed on the fire performance within 61% of the design load. The tendencies of the results with loading, such as the temperature distribution of in concrete and the changes in temperature rise due to the water vaporization in concrete, are very similar to those without loading. The final temperatures of steel rebar after 180 minutes of fire test resulted in 491.4${^{\circ}C}$ for corner rebar, 329.0${^{\circ}C}$ for center rebar, and 409.8${^{\circ}C}$ for total mean of steel rebar. The difference of mean temperature between corner and center rebar was 153.7${^{\circ}C}$ㅍ. The tendency of temperature rise in concrete and steel rebar changed after 30~50 minutes from the starting time of the fire test because the heat energy influx into corner rebar is larger than that into center rebar. The cause of decrease in temperature rise was due to the water vaporization in concrete, the lower temperature gradient of the concrete with steel and polypropylene fiber cocktails, the moisture movement toward steel rebars and the moisture clogging.
The 180 minutes fire test based on the standard curve of ISO-834 were conducted on three RC column specimens with different constant axial loading ratios to evaluate the fire performance of fiber cocktail (polypropylene+steel fiber) reinforced high strength concrete column. The columns were tested under three loading levels as 40%, 50%, and 61% of the design load. No explosive spalling has been observed and the original color of specimen surface has been changed to light pinkish grey. The maximum axial displacements of three specimens were 1.5~2.2 mm. There was no reduction in load bearing capacity of each specimen exposed to fire and no effect were observed on the fire performance within 61% of the design load. The tendencies of the results with loading, such as the temperature distribution of in concrete and the changes in temperature rise due to the water vaporization in concrete, are very similar to those without loading. The final temperatures of steel rebar after 180 minutes of fire test resulted in 491.4${^{\circ}C}$ for corner rebar, 329.0${^{\circ}C}$ for center rebar, and 409.8${^{\circ}C}$ for total mean of steel rebar. The difference of mean temperature between corner and center rebar was 153.7${^{\circ}C}$ㅍ. The tendency of temperature rise in concrete and steel rebar changed after 30~50 minutes from the starting time of the fire test because the heat energy influx into corner rebar is larger than that into center rebar. The cause of decrease in temperature rise was due to the water vaporization in concrete, the lower temperature gradient of the concrete with steel and polypropylene fiber cocktails, the moisture movement toward steel rebars and the moisture clogging.
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문제 정의
이 연구는 섬유혼입공법을 사용한 설계강도 80 MPa의 고강도콘크리트로 제작한 기등에 대한 재하하중별 내화실험을 실시하여 내화성능을 평가하기 위한 것으로, 폭렬발생유무, 콘크리트내의 온도구배 (temperature gradient) 와 온도분포, 종방향철근 중심부의 온도분포, 그리고 시간에 따른 구조물의 연직방향 처짐변화를 측정하였다.
가설 설정
이러한 수분의 이동과 막힘현상으로 철근의 온도가 일시적으로 상승하지 못하는 현상이 일어나게 된다.20) 폴리프로필렌 섬유가 녹은 통로로 수증기가 빠져나가지 못하게 되면 내부공극압에 의해 폭렬이 발생해서 철근의 온도가 수분막힘현상과 기화열에도 불구하고 급격히 상승하게 된다.9)
제안 방법
14) 또한 일부 연구에서는 설계하중의 54%를 재하하기도 하였다.11) 본 연구에서는 재하하중에 따른 내화성능의 검증하기 위하여 하중비 (loading ratio)를 변화시키면서 내화시험을 실시하였다. 여기서 하중비란 실험 당일 측정한 콘크리트 강도를 기준으로 계산한 설계축강도를 재하하중으로 나눈 비를 의미한다.
각 기둥시험체의 상단, 중단 그리고 하단에 설치한 열전대의 깊이별 콘크리트 온도를 측정하였다. Fig.
실험체의 설계축강도는 콘크리트 구조설계기준(2003)을 따라서 내화시험 실시재령(48일)에서 측정한 압축강도를 사용하여 계산하였다. 각 시험체에 40%, 50%, 그리고 61%의 설계하중에 해당하는 고정압축 하중을 재하한 상태에서 ISO-834 표준화재 가열곡선에 따라 180분간 내화시험을 진행하였다. 각 시험체별로 재하된 고정압축하중(constant axial load)은 Table 3에 정리 하였다.
고강도콘크리트의 폭렬을 방지하기 위해 폴리프로필렌섬유와 강섬유를 배합강도, 시공성 그리고 경제성을 고려하여 최적의 양을 혼입하였다. 사용된 각각의 섬유 특성을 Table 1에 정리하였다.
섬유혼입 고강도콘크리트의 재하 내화시험에서 구한 온도구배 (temperature gradient)를 같은 콘크리트의 비재하 내화시험에서 구한 값과 비교하였고, 아울러 보통강도의 콘크리트 온도구배와 비교하였다. 60분 간격으로 추정한 온도구배를 Table 7에 정리하였고, 열전대 위치별 가열시간에 따른 온도변화를 Fig.
이 연구에서는 국내 고강도콘크리트의 내화성능 관리기준17)의 온도규정을 만족하기 위해서 제안한 폴리프로필렌섬 유와 강섬 유를 혼입 한 고강도콘크리 트 기 둥시험 체를 제작하여 재하하중 변화에 따른 내화성능을 검증하고 비재하 내화시험 결과9)와 비교하였다.
이 연구에서는 폴리프로필렌섬유와 강섬유를 혼입한 고강도콘크리트 기등의 재하하중비에 따른 내화성능을 검증하기 위하여 3기의 동일한 기둥시험체를 제작하여각 시험체에 40%, 50%, 그리고 61%의 설계하중에 해당하는 고정압축하중을 재하한 상태에서 ISO-834 표준내화곡선에 따라 180분 내화시험을 실시하였다.
대상 데이터
배합하였다. 결합재료는 D사의 1종 보통포틀랜드 시멘트 및 실리카퓸과 플라이애쉬를 사용하였다. 잔골재는 비중 2.
시험체 제작에 사용된 섬유혼입 고강도콘크리트는 E 레미콘사 공장에서 생산하였으며, 60분 경과 후 슬럼프플로우는 590 mm, 공기 량은 1.7%로 측정 되었다.
결합재료는 D사의 1종 보통포틀랜드 시멘트 및 실리카퓸과 플라이애쉬를 사용하였다. 잔골재는 비중 2.59, 조립률 2.8의 세척사를 사용하였으며, 최대치수는 20mm, 비중은 2.65의 굵은골재를 사용하였다.
이론/모형
섬유혼입공법을 적용한 80 MPa 고강도콘크리트의 재하 내화시험을 표준화재조건에 노출시킨 내화시험방법 에 따라 한국건설기술연구원 방내화실험동에서 실시하였다. 가열시 내화로의 가력기 (actuator) 의 최대 재하 하중은 2, 940 kN이지만, 장비의 안전관리를 위해 2, 500 kN 이하로 재하하중을 제한하였다.
여기서 하중비란 실험 당일 측정한 콘크리트 강도를 기준으로 계산한 설계축강도를 재하하중으로 나눈 비를 의미한다. 실험체의 설계축강도는 콘크리트 구조설계기준(2003)을 따라서 내화시험 실시재령(48일)에서 측정한 압축강도를 사용하여 계산하였다. 각 시험체에 40%, 50%, 그리고 61%의 설계하중에 해당하는 고정압축 하중을 재하한 상태에서 ISO-834 표준화재 가열곡선에 따라 180분간 내화시험을 진행하였다.
재하 내화시험을 실시하기 위하여 제작한 시험체의 길이는 3, 000 mm, 한면의 길이 가 350 mm인 정사각형 단면으로 3기의 동일한 기둥시험체를 콘크리트구조설계기준(2003)에 따라 제작하였다.18) 직경 22mm인 8개의 종방향 절근 (longitudinal reinforcement)과 직경 10 mm 인 띠철근(tie bar)을 100mm 간격으로 배근하였으며, 사용된 철근의 항복강도는 420 MPa이다.
성능/효과
1) 180분의 내화시험 후 외관조사를 통해 각 시험체에 폭렬이 발생하지 않았음을 확인하였다. 콘크리트 표면부의 색은 연한 분홍색을 띤 회색으로 변하였으며, 시험체 표면부에는 균열이 발생하였다.
국내의 경우 시험의뢰자가 인정된 구조 기준에 규정된 방법에 따라 정하게 되어있다.12, 13) 반면에 해외의 경우에는 설계하중의 40%를 일정하게 재하16하거나, 전단면 유효로 계산한 설계강도의 1/3을 재하한다.14) 또한 일부 연구에서는 설계하중의 54%를 재하하기도 하였다.
2mm로, 이는 허용최대변위 30 mm 보다 매우 작은 값이다.13) 즉, 내화시험 중 화재로 인한 시험체의 강도손실이 발생하지 않았다는 점을 의미하며, 61%까지 하중비를 증가시켜도 시험체의 내화성능은 영향을 받지 않았음을 확인하였다. 하중비의 개념을 사용하고 있는 유럽시방서에 따르면 하중비가 60% 이하인 경우 내화보강을 하지 않은 보통강도 콘크리트로 제작한 피복 28.
6 mm 의 기둥시험에서 180분이상의 내화성능을 확보하는 것으로 내화설계하고 있다.15) 따라서 이 연구에서 실시한 섬유보강 고강도콘크리트의 경우도 하중 비가 61% 이하에서 180분 이상의 내화성능을 확보하였으며, 하중비가 더 높아져야 화재시 구조물의 하중저항능력 (load bearing capacity)이 영향을 받을 것으로 판단된다.
Table 6에 정리하였다. 180분간 진행된 내화시험에서 콘크리트 표면에서 30 mm 깊이의 평균온도는 494.7oC 도이며, 깊이 50 mm에서는 427.2oC로 큰 차이가 없지만, 깊이 60 mm에서는 326.5oC로 100oC정도 급감하였으며, 콘크리트 단면중심 부(175 mm)의 온도는 165.1oC로 측정되었다. 이는 앞에서 언급한 바와 같이 깊이 50~60mm 부근까지 변색이 진행된 점과 일치하며 심각한 손상을 입은 피복부분만 보수가 필요하다고 판단된다.
180분의 내화시험 후 외관조사를 통해 각 시험체에 폭렬이 발생하지 않았음을 확인하였다. Fig 7(a)와 같이 콘크리트 표면부의 색은 연한 분홍색을 띤 회색으로 변하였으며, 시험체 표면부에는 Fig 7(b)와 같은 균열이 발생하였다.
2) 시험체의 최대 연직방향 처짐은 1.5~2.2mm로, 내화시험 중 화재로 인한 시험체의 강도손실이 발생하지 않았다는 점을 의미하며, 설계하중의 61% 이내에서 시험체의 내화성능은 영향을 받지 않았음을 확인하였다.
5oC/mm이다.21) 본 연구에서 예측한 60분 가열 후 깊이 30 mm와 50 mm간의 온도구배는 3.0oC/mm로, 3.8배가량 온도전달이 낮게 됨을 확인하였다.3) 일부 시험체의 내부 콘크리트의 온도가 높았지만, 깊이별 내부 콘크리트의 온도분포가 비재하 내화시험 결과와 매우 유사하였다. 깊이 50~60mm 부근까지 변색이 진행된 점과 이 부근에서 온도상승이 완만해진 점 역시 동일하였다.
4) 60분 가열 후 섬유혼입 콘크리트의 온도구배는 보통강도 콘크리트 온도구배보다 3.8배 적은 3.0oC/mm 이지만, 비재하 내화시험의 온도구배 (2.2oC/mm) 보다는 높았다. 하지만, 2시간 가열 후에는 비재하 내화시험의 온도구배와 유사하게 3.
5) 180분 내화시험 후의 최종온도는 모서리철근이 491.4oC, 중앙철근이 329.0oC이며, 철근의 총 평균온도는 409.8oC이다. 전반적인 온도분포의 경향은 비재하 내화시험과 매우 유사하였다.
6) 모서리철근의 온도상승률은 가열 후 60분간 2.41oC/ min에서 종료시 2.66oC/min까지 상승하였다. 반면에 중앙철근은 1.
Fig 7(a)와 같이 콘크리트 표면부의 색은 연한 분홍색을 띤 회색으로 변하였으며, 시험체 표면부에는 Fig 7(b)와 같은 균열이 발생하였다. 시험체를 코어링하여 내부상태를 검사한 결과, 피복에서 50 mm까지 변색 이 진행되었으며 , 50~60 mm 부근을 경계로 내부 콘크리트의 색은 변하지 않았다. 하중비를 40%, 50%, 그리고 61%로 증가시키면 내화시험을 실시한 각 시험체의 최대 연직방향 처짐은 Table 4에 정리한 바와 같이 1.
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