강관의 크기, 축력비 및 콘크리트 압축강도 변화에 따른 CFT 기둥부재의 내화성능에 관한 실험적 연구 Experimental Study on Fire Resistance Performance of CFT (Concrete filled Tube) Column according to Cross Section of Steel, Concrete Compressive Strengths and Load Ratios원문보기
CFT기둥은 강관내부에 콘크리트를 채워 넣은 구조로서, 화재 시 강관의 강도는 저하되나 내부 콘크리트의 높은 열용량 효과로 내화성능을 확보할 수 있는 구조이다. 본 연구에서는 강관내부의 충전된 콘크리트의 압축강도 및 축력비 변화에 따른 CFT기둥의 내화성능을 평가하였다. 내화성능의 평가는 KS F 2257-1 및 KS F 2257-7에 따라 수행되었으며, 적용 부재 단면은 $280{\times}280{\times}6$, 콘크리트 압축강도 24MPa, 40MPa 및 축력비 0.9, 0.6, 0.2를 실험변수로 설정하였다. 재하가열시험을 통한 내화성능평가 결과, 콘크리트 압축강도 24Mpa의 경우 축력비 0.9, 0.6, 0.2에서는 각각 27분, 113분, 3시간 이상으로 나타나 축력비 변화에 따른 내화성능이 크게 변화하는 것으로 나타났다. 콘크리트 압축강도 40MPa의 경우, 축력비 0.9, 0.6에서는 각각 19분, 28분으로 나타났다. 40MPa는 24MPa에 비해서 축력비 변화에 따른 내화성능 향상 효과는 크지 않은 것으로 나타났다. 이는 고강도의 경우 가열시 발생되는 내부 압력의 상승로 성능저하가 크게 발생되는 것으로 판단되었다.
CFT기둥은 강관내부에 콘크리트를 채워 넣은 구조로서, 화재 시 강관의 강도는 저하되나 내부 콘크리트의 높은 열용량 효과로 내화성능을 확보할 수 있는 구조이다. 본 연구에서는 강관내부의 충전된 콘크리트의 압축강도 및 축력비 변화에 따른 CFT기둥의 내화성능을 평가하였다. 내화성능의 평가는 KS F 2257-1 및 KS F 2257-7에 따라 수행되었으며, 적용 부재 단면은 $280{\times}280{\times}6$, 콘크리트 압축강도 24MPa, 40MPa 및 축력비 0.9, 0.6, 0.2를 실험변수로 설정하였다. 재하가열시험을 통한 내화성능평가 결과, 콘크리트 압축강도 24Mpa의 경우 축력비 0.9, 0.6, 0.2에서는 각각 27분, 113분, 3시간 이상으로 나타나 축력비 변화에 따른 내화성능이 크게 변화하는 것으로 나타났다. 콘크리트 압축강도 40MPa의 경우, 축력비 0.9, 0.6에서는 각각 19분, 28분으로 나타났다. 40MPa는 24MPa에 비해서 축력비 변화에 따른 내화성능 향상 효과는 크지 않은 것으로 나타났다. 이는 고강도의 경우 가열시 발생되는 내부 압력의 상승로 성능저하가 크게 발생되는 것으로 판단되었다.
The strength of steel in a concrete filled steel tube (CFT) is reduced in a fire, but the concrete filled structurally ensures the fire resistance due to its high thermal capacity. This research analyzed the fire resistance performance due to the variances of concrete strength filled inside of steel...
The strength of steel in a concrete filled steel tube (CFT) is reduced in a fire, but the concrete filled structurally ensures the fire resistance due to its high thermal capacity. This research analyzed the fire resistance performance due to the variances of concrete strength filled inside of steel tube and the load ratios, which can influence on the fire resistance of CFT. As $280{\times}280{\times}6$ CFT columns with the concrete strengths of 24 MPa and 40 MPa and the axial load ratios of 0.9, 0.6, and 0.2 in accordance with KS F 2257-1 and 7 were heated with loading to examine the fire resistance performance, the fire resistance used to 24 MPa concrete showed 27, 113, and 180 minutes according to the axial load ratios, 0.9, 0.6, and 0.2 respectively. In case of 40 MPa concrete, the fire resistance were turned out to be 19 and 28 minutes for the axial load ratios, 0.9 and 0.6 respectively. The results of fire resistance with 40 MPa concrete showed the much lower fire resistance performance than those of 24 MPa concrete. In case of 40 MPa, the fire resistance performance was not increased significantly according to the axial load ratio than that of 24 MPa. The main reason why the higher concrete strength showed lower fire resistance than that of lower guessed the internal stress had the concrete strength weak.
The strength of steel in a concrete filled steel tube (CFT) is reduced in a fire, but the concrete filled structurally ensures the fire resistance due to its high thermal capacity. This research analyzed the fire resistance performance due to the variances of concrete strength filled inside of steel tube and the load ratios, which can influence on the fire resistance of CFT. As $280{\times}280{\times}6$ CFT columns with the concrete strengths of 24 MPa and 40 MPa and the axial load ratios of 0.9, 0.6, and 0.2 in accordance with KS F 2257-1 and 7 were heated with loading to examine the fire resistance performance, the fire resistance used to 24 MPa concrete showed 27, 113, and 180 minutes according to the axial load ratios, 0.9, 0.6, and 0.2 respectively. In case of 40 MPa concrete, the fire resistance were turned out to be 19 and 28 minutes for the axial load ratios, 0.9 and 0.6 respectively. The results of fire resistance with 40 MPa concrete showed the much lower fire resistance performance than those of 24 MPa concrete. In case of 40 MPa, the fire resistance performance was not increased significantly according to the axial load ratio than that of 24 MPa. The main reason why the higher concrete strength showed lower fire resistance than that of lower guessed the internal stress had the concrete strength weak.
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문제 정의
12) 이에 Kodur가 열거한 CFT 내화성능에 영향을 줄 수 있는 몇 가지 요소 중 단면의 크기, 내부 콘크리트 압축강도와 하중비를 변수로 하여 붕괴온도 산정과 내부온도 분석을 통해 성능설계를 위한 기초 자료로 활용하는데 연구의 목적이 있다.
본 연구는 CFT 각형기둥의 강관크기, 강관 내부에 충전되는 콘크리트의 압축강도 및 축력비의 변화에 따른 변형량(수축량)과 내부온도를 측정하여 CFT 기둥의 붕괴온도를 산정하고 온도분포를 분석하여 성능적 내화설계를 위한 기초자료를 획득하는데 그 목적이 있다.
10) 그러나 본 연구에서는 강재내부 콘크리트 압축 강도는 현장에서 많이 적용되는 24MPa과 고강도 영역에서 40MPa을 사용하였다. 이는 강도증가로 인한 CFT 기둥의 내화성능변화를 살펴보기 위함으로 55MPa 이상의 고강도 콘크리트는 차후 연구를 통하여 진행하고자 하였다.
이상과 같이 CFT 기둥의 내화성능에 영향을 주는 주요인자 중 콘크리트 강도와 하중비를 변수로 하여 CFT 기둥의 내화시간 및 부재 내부의 온도분포를 측정 분석하였으며, 차후 본 실험데이타를 토대로 성능 설계를 위한 수치해석을 실시하여 내화성능 평가를 위한 기법을 다양화하고자 한다.
제안 방법
10) HSS는 1970년대 초반 캐나다에서 구조 프레임으로 처음 사용되어졌고 2000년대에는 미국에서 대중적으로 받아들여졌다.12) 일례로 Washington주 Seattle의 Museum of Flight에 이 구조가 적용되었으며 무피복의 60분 내화로 설계 시공되었으며, Ontario의 Hamilton의 St. Thomas Elementary School의 기둥에 1시간 내화로 설계 시공되었다.12) 국내의 CFT 구조에 관한 시공실적은 삼성 연구소동(2005), 타워베르빌(2004), 타워펠리스 스포츠동(2003), 현대자동차 사옥(2006) 등 일부 고층건물에까지 적용이 되고 있으나 명확한 내화성능평가에 관한 기술적 기준마련이 되어 있지 못한 상태이며, 관련 기술개발은 지속적으로 이루어져야 한다고 판단된다.
77로 적용하였다.14) Kodur는 0.2~0.5의 범위에서 하중비 변화를 통하여 HSS의 내화성능을 평가하였다.10,14)
Figure 1은 시험체를 나타낸 것이고 Figure 2는 강재 및 콘크리트의 온도측정을 하기 위하여 열전대를 설치한 위치이다. 강재 및 콘크리트 내부 온도 측정을 위하여 총 12부위를 측정하였으며, 강재는 4부위를 측정하였고, 콘크리트 온도 측정을 위하여 11, 12번은 모서 리부위에서 양방향 가열, 5~8번은 일방향 가열 특성을 비교하였고 9번은 강재와 콘크리트 경계면의 온도를 측정하였다.
내화성능평가를 위한 하중비의 기준은 현재 정해져있지 않으며, 본 실험에서 하중비 0.2는 CFT 기둥의 3시간 내화성능을 도출하기 위하여 선정하였으며, 0.6은 일반적인 기둥 설계 시 안전율을 0.4~0.6을 적용하여 이를 근거로 0.6을 채택하였으며, 0.9는 Han(2003)의 실험보다 좀 더 극한상태의 내화성능을 살펴보기 위하여 각각의 변수를 채택하였다. 다음 Table 3은 하중비에 따른 재하하중을 나타낸 것이다.
시험체는 콘크리트 강도 및 하중비 조건에 따라 5개를 제작하였으며 280 × 280 × 2600의 각형 강관 6 로 양 끝단은 End Plate를 제작하여 용접하였으며 상부에 콘크리트 타설 양생 후 표면을 그라인딩한 후 상부 End Plate를 용접하였다.
실험변수로 강관의 크기, 강재 내부 콘크리트의 강도조건에 따른 변수와, 재하시의 하중비에 따른 CFT의 내화성능을 도출하고자 한다.
대상 데이터
CFT 기둥의 내화성능 실험을 위한 강재는 SS400, fy = 235MPa을 사용하였으며 강재 내부의 콘크리트 배합은 다음 Table 1과 같다. KS F 2405에 따라 공시체의 28일 압축강도 측정결과는 Table 2와 같다.
데이터처리
강관의 크기에 따른 변화는 선행연구결과와 비교 분석하였다.8)
이론/모형
CFT기둥의 내화성능 평가를 위한 실험은 한국건설기술연구원의 기둥 가열로에서 실시하였으며 KS F 2257-1의 표준화재 곡선을 사용하여 180분 가열하였고 실험 중 시험체가 한계수축량(변형량)을 초과하는 경우 실험을 종료하였다.
CFT 기둥과 같은 축방향 재하 부재의 경우의 수축량과 변형률은 다음 식에 따라 산정한다. 본 연구의 내화성능 기준은 KS F 2257-1에서 제시하고 있는 수축량과 변형률로 하였으며, 본 실험에 사용된 CFT 기둥의 수축량과 변형률은 다음과 같다.
본 연구의 내화성능에 대한 기준은 KS F 2257-1의성능 기준을 채택하였으며 건축 부재의 내화성능은 부재가 성능 기준에 적합한 시간을 측정하는 것으로 하중 지지력에 의하여 판단되며 시험 하중에 대한 지지 능력은 변형량 및 변형률에 의해 결정된다. CFT 기둥과 같은 축방향 재하 부재의 경우의 수축량과 변형률은 다음 식에 따라 산정한다.
시험체 가열은 KS F 2257-1의 표준 가열곡선을 이용하여 180분 동안 가열하였고, 기둥의 수축량이 최대 변형량을 넘을 경우 가열을 종료하였다. 경계조건은 모두 고정단으로 하였다.
성능/효과
(1) CFT 기둥의 내화성능 실험결과, 기둥의 중심에서 상부쪽으로 수축으로 인한 강재 변형이 발생되었으며, 내화성능시간이 180분인 시험체의 경우, 강재의 열팽창으로 인한 표면 들뜸 및 박리현상과 균열이 발생되었다.
(2) 콘크리트 압축강도 24MPa의 경우 하중비 0.9, 0.6, 0.2를 변수로 재하하였으며 시험결과 각각의 내화 성능시간은 28분, 113분, 180분으로 나타났다. 하중비가 0.
(3) 시험체 내부 콘크리트 강도 변화에 따른 내화성 능평가 결과, 강도가 증가할수록 내화성능은 감소하는 것으로 나타났으며, 이는 내부 채움재인 콘크리트가 고강도인 경우 일반강도에 비해 열전도율이 큼으로 인해 내부 온도상승이 빨라지고 일반콘크리트에 비해 고강도 콘크리트가 하중재하로 인한 압축강도의 감소가 빠르게 나타나 내화성능이 저하하는 것으로 판단된다.
(4) 강관크기에 따른 내화성능은 초기가열시기에는 강관이 커짐에 따라 내화성능도 커지는 것으로 나타났으나 전열효과로 인해 내부로의 열이동이 완료되는 시점에서는 내화성능의 차이는 없는 것으로 나타났다.
10) 콘크리트내의 수증기압과 열팽창은 초기단계의 부재 팽창의 원인이며, 하중과 크리프는 그 다음 단계의 원인으로 볼 수 있으며 팽창과 수축이후 정체단계는 강재내부의 콘크리트의 강도에 의한 영향으로 볼 수 있고, 이러한 정체구간은 하중비가 작을수록, 내부 콘크리트는 일반강도일 때 더 길게 측정되었다.
6를 변수로 하여 재하하였다. 내화시험의 결과 각각의 내화성능시간은 19분, 28분으로 나타났으며, 24MPa의 내화성능과 비교할 경우, 다소 저하되는 결과를 나타내었다.
2를 변수로 하여 재하 하였으며 최대수축량 26mm를 초과한 각각의 내화성능시간은 28분, 113분, 180분으로 나타났다. 따라서 하중비가 0.3 감소시 약 85분의 내화성능 향상효과가 있는 것으로 나타났다. 초기 강재의 열팽창으로 인한 팽창량은 약 4.
비교결과 단면크기에 따른 내화성능의 차이는 초기 가열시기에는 단면크기가 작을수록 내화성능은 저하하였으나, 가열 시간이 길어지는 경우는 강관크기가 작은 시험체의 내화성능이 증가하는 것으로 나타났다. 그러나 전체적인 내화성능 시간을 놓고 볼 때 큰 차이는 아닌 것으로 보여진다.
3 감소시 약 85분의 내화성능 향상효과가 있는 것으로 나타났다. 초기 강재의 열팽창으로 인한 팽창량은 약 4.5~16.1mm로 하중비가 증가할수록 팽창량은 감소하였으며 정체구간 또한 줄어드는 것으로 나타났다.
콘크리트 압축강도 변화에 따른 내화성능 시험결과 동일 하중비에서는 강도가 증가할수록 내화성능은 감소하는 것으로 나타났다.
후속연구
또한 다양한 구조 형태와 재료, 새로운 디자인의 수용을 위하여 기존의 사양적 설계에서 성능기반설계로의 전환이 이루어 지고 있다. 이러한 구조부재의 성능기반설계를 위해 부재의 실증적 실험을 통한 다양한 데이터가 축적되고 이를 기반으로 수학적 모델을 구축함으로써 내화성능 평가에 있어 과대한 비용과 시간의 소모를 줄일 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
CFT기둥은 무엇인가?
CFT기둥은 강관내부에 콘크리트를 채워 넣은 구조로서, 화재 시 강관의 강도는 저하되나 내부 콘크리트의 높은 열용량 효과로 내화성능을 확보할 수 있는 구조이다. 본 연구에서는 강관내부의 충전된 콘크리트의 압축강도 및 축력비 변화에 따른 CFT기둥의 내화성능을 평가하였다.
참고문헌 (15)
김흥열, 서치호, 신현준, "고온 영역에서 강도영역별 콘크리트의 역학적 특성에 관한 실험적 연구", 대한 건축학회 논문집(구조계), Vol.21, No.7, pp.55-66(2005).
서울시립대학교, 콘크리트 충전강관(CFT)구조의 내화성능 설계기술 개발, 건설기술혁신사업(2009).
최성모, 최영한, 정경수, "CFT 구조기술 개발 및 적용사례", 대한건축학회지, Vol.50 No.12, pp.28-33 (2006).
김흥열, 고온 영역에서 고강도 콘크리트의 역학적 특성에 관한 실험적 연구, 건국대학교(2002).
조경숙, 김흥열, 김형준, 권인규, "콘크리트 압축강도 및 하중비에 따른 CFT 기둥의 내화성능에 관한 연구", 한국화재소방학회 논문지, Vol.24, No.2, pp.44-51 (2010).
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V.K.R. Kodur, Achieving fire resistance through steel-concrete composite consruction, ASCE(2005).
Gabriel Alexander Khoury, Effect of fire on concrete and concrete structure, Imperial College, London, UK(2000).
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V.K.R. Kodur, Performance-based fire resistance design of concret-filled steel columns, Journal of constructional steel research(1998).
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International Tunneling Association, Guidelines for structural fire resistance for road tunnels(2004).
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