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문제 정의
- 이 연구는 고강도 콘크리트 기둥의 내화성능을 향상시키기 위하여 폭렬저감재(Fiber-Cocktail)의 혼입에 의해 구조물의 단면 내 고온 열 특성 및 거동 특성이 얼마나 효과적으로 개선되는지 살펴보고, 온도증가 하에 고강도 콘크리트 기둥 내 철근의 온도 변화 및 축 변형에 대한 수치해석을 통하여 고강도 콘크리트 기둥의 전열 특성 및 화재 거동에 대하여 분석하고자 한다. 수치해석을 위한 입력 데이터로 기존 문헌조사와 이 연구에서 실제 수행한 재료 실험 결과를 활용하였으며, 고강도 콘크리트 기둥의 수치해석 결과를 실험 결과와 비교하였다.
- 이 연구에서 해석적 연구는 현재 국내 콘크리트 기둥의 내화 기준 만족여부를 고찰하기 위한 것으로 콘크리트 기둥의 내부 철근 온도와 기둥의 축 변형량 예측에 국한하여 수행하였다. 콘크리트 기둥의 국내 내화기준을 Table 11에 정리하였다.
가설 설정
- · 철근콘크리트의 접합 조건은 완전 접합이므로, 이 접합부에서의 열전달 및 열 유량의 변화는 없는 것으로 가정한다.
- · 고강도 콘크리트 기둥의 종방향 단면은 표준화재조건에 균일하게 노출되며, Z축 방향으로의 열전달은 없는 것으로 가정하며, 기둥의 직접적 화재 노출 부위인 콘크리트 표면은 균일하게 평활한 것으로 가정한다.
제안 방법
- 수치해석을 위한 입력 데이터로 기존 문헌조사와 이 연구에서 실제 수행한 재료 실험 결과를 활용하였으며, 고강도 콘크리트 기둥의 수치해석 결과를 실험 결과와 비교하였다. 부가적으로 이 연구에서 제시한 해석기법을 적용하여 높은 하중비로 인해 화재 실험이 불가능한 고강도 콘크리트 기둥부재의 화재 거동에 관한 수치해석을 수행하였다.
- 강도에 따른 고강도 콘크리트 기둥의 화재 거동 특성을 분석하기 위해 40~60 MPa 강도의 실험체에 대해 화재 거동 실험과 해석을 동시에 수행하였으며, 실험 결과와의 비교를 통해 해석기법의 신뢰성을 검증하였다. 80~100 MPa의 고강도 콘크리트 기둥에 대해서는 실험값과의 비교를 통해 확립한 해석기법을 적용하여 화재 거동을 예측하였다.
- 강도에 따른 고강도 콘크리트 기둥의 화재 거동 특성을 분석하기 위해 40~60 MPa 강도의 실험체에 대해 화재 거동 실험과 해석을 동시에 수행하였으며, 실험 결과와의 비교를 통해 해석기법의 신뢰성을 검증하였다. 80~100 MPa의 고강도 콘크리트 기둥에 대해서는 실험값과의 비교를 통해 확립한 해석기법을 적용하여 화재 거동을 예측하였다.
- 5 kg/m3 이상, 길이 10~20 mm, 직경 50~200 µm)의 첨가방안16)을 선정하고자 하였으나, 재료 실험 결과 고강도의 경우 강도 저하 현상이 발생하였다. 이에 PP섬유를 통한 폭렬 제어와 강 섬유를 통한 균열 및 탈락 방지가 가능한 폭렬저감재를 적용하여 재료실험을 수행21-23)하였으며, Table 1의 시험체 배합설계를 적용하여 고강도 콘크리트 기둥에 대한 실험 및 수치해석을 위한 시험체 계획을 수립하였다. Table 2는 시험체 계획을 요약한 것이다.
- 해석을 위한 고온 영역 온도에 따른 재료 물성을 도출하기 위하여 콘크리트 공시체를 통한 사전재하 가력 조건하에 온도별로 가열하여 재료 실험을 수행하였다. 시험 배합표는 Table 1과 같고, 시험체 형상 및 가열로는 Fig 1과 같다.
- Table 4는 고강도 콘크리트의 비열계수22)이며, 탄성계수 저감계수23)특성은 Table 5, 콘크리트 온도별 열전도계수는 Table 6에 정리하였다. 각각의 표에 정리된 결과들은 폭렬저감재 혼입유무에 따른 입력 데이터로 사용되었으며, 온도별로 측정되지 않은 재료 데이터는 선형으로 계산된 값을 대체하여 해석을 수행하였다.
- 계산된 하중조건하에 고강도 콘크리트 구조부재의 폭렬·피부두께별 온도 · 기둥수축 변형량 등을 측정하여 콘크리트 기둥 부재의 내화 성능을 분석하였다.
- 계산된 하중조건하에 고강도 콘크리트 구조부재의 폭렬·피부두께별 온도 · 기둥수축 변형량 등을 측정하여 콘크리트 기둥 부재의 내화 성능을 분석하였다.25) 폭렬 깊이는 최대 깊이와 주변 5개소를 버니어 캘리퍼스를 사용하여 측정하였으며, 평균온도는 Fig 2와 같이 KS F2257-1에 의거하여 측정하였다.
- 고강도 콘크리트(80~90 MPa) 기둥부재의 해석 수행을 위하여 선행 재료 시험을 통해 얻어진 온도에 따른 재료실험값을 해석 입력 데이터로 사용하였으며, KS기준에 따라 온도와 기둥 수축량을 예측하고자 이 시험체와 동일한 배합비의 재료 실험을 통해 도출된 비열 · 열전도율 · 열팽창율을 사용하여 해석하였다.
- Model-I의 경우 180분간 실험이 진행되었으나, Model-III과 Model-V의 경우 각각 130분 · 105분에 실험이 중단되었으므로, 해석은 각각의 실험시간과 동일한 시간까지 수행하였다.
- 비교대상은 Fig. 2의 화재 가열 면으로부터 콘크리트에 30 mm · 40 mm · 50 mm으로 매립된 열전대의 실험 결과와 비교하였다.
- 고강도 콘크리트의 전열해석에 의한 열응력 해석값을 적용하고, 고온 재료 물성의 열팽창률과 탄성계수 실험값을 해석 데이터로 입력하여 기둥 변형량을 해석하였다. Fig.
- 14와 같이 전반적인 기둥 변형량에 대한 해석 결과와 실험값이 서로 유사한 것으로 나타났다. 화재실험의 기준 (KS F1157-1)에 따라 H/100 이상의 변형이 생길경우 실험을 중단하므로, 최대 180분까지 수치해석을 수행하여 실험에서 확보할 수 없는 기둥의 고온화재 변형 특성을 예측하였다.
- 이 연구에서는 실험을 통하여 폭렬저감재의 혼입 유 · 무에 따른 고강도 콘크리트 기둥의 폭렬 효과를 고찰하였으며, 국내 기준에 따른 콘크리트 기둥의 내화 성능을 예측하기 위한 수치해석을 수행하여 그 결과를 실험 결과와 비교·분석하였다.
- 24) 따라서 이 연구에서는 폭렬저감재 혼입유무에 따른 고강도 콘크리트 구조 부재의 고온시의 폭렬 등에 따른 역학적 특성 파악 및 부재의 하중 조건에 따른 폭렬 성능 평가를 위한 재하 조건으로 고강도 콘크리트 기둥의 허용응력설계법을 통해 실험 하중을 Table 2와 같이 계산하여 기둥 축력비로 적용하였다. 계산된 하중조건하에 고강도 콘크리트 구조부재의 폭렬·피부두께별 온도 · 기둥수축 변형량 등을 측정하여 콘크리트 기둥 부재의 내화 성능을 분석하였다.
대상 데이터
- 고강도 콘크리트 실물 화재실험 수행을 위한 실험체는 270 × 270 × 3,000 mm (B × D × L)로 제작였으며, 철근은 SD 400을 원재료로 하여 주근은 D22, 늑근은 D10으로 Fig. 2와 같이 배근하였고, 총 5개의 열전대를 설치하였다.
데이터처리
- 이 연구는 고강도 콘크리트 기둥의 내화성능을 향상시키기 위하여 폭렬저감재(Fiber-Cocktail)의 혼입에 의해 구조물의 단면 내 고온 열 특성 및 거동 특성이 얼마나 효과적으로 개선되는지 살펴보고, 온도증가 하에 고강도 콘크리트 기둥 내 철근의 온도 변화 및 축 변형에 대한 수치해석을 통하여 고강도 콘크리트 기둥의 전열 특성 및 화재 거동에 대하여 분석하고자 한다. 수치해석을 위한 입력 데이터로 기존 문헌조사와 이 연구에서 실제 수행한 재료 실험 결과를 활용하였으며, 고강도 콘크리트 기둥의 수치해석 결과를 실험 결과와 비교하였다. 부가적으로 이 연구에서 제시한 해석기법을 적용하여 높은 하중비로 인해 화재 실험이 불가능한 고강도 콘크리트 기둥부재의 화재 거동에 관한 수치해석을 수행하였다.
- 이 실험 및 해석에 적용된 화재 시나리오는 빌딩표준 화재조건인 ISO 834으로 “cellulose fire”를 기반으로 한 화재 곡선으로 전형적인 온도상승 특성은 식 (1)과 같다. 해석을 위해 상용프로그램으로 ABAQUS를 사용하였으며, 건축 구조물의 최대 내화 요구 시간인 3시간을 기준으로 해석을 수행하였다.
- 고강도 콘크리트의 전열 및 거동 특성을 예측하기 위한 해석 기법을 검증하기 위해 Model-I~VI의 실험값과 해석값을 비교 · 분석하였다.
이론/모형
- 해석을 위한 전열 해석식17,18)은 식 (2)와 같으며, 해석에 사용된 요소 모델은 3CD8I을 사용하였다.
성능/효과
- 그러나 시험체에서 발생한 폭렬 최대 깊이는 15 mm, 평균 폭렬 깊이는 6 mm 정도로 나타났다. 시험체가 가열이 종료된 180분에서의 콘크리트 평균온도는 516℃, 최고 온도는633℃로 180분 내화 성능을 만족하였다.
- 그러나 폭렬저감재가 혼입된 콘크리트의 폭렬은 시험체 중앙부근을 중심으로 발생하였으며, 폭렬보다는 콘크리트 탈락이 더 많이 발생하였다. 가열된 콘크리트 기둥은 열팽창과 하중부담 증가 등으로 인하여 기둥 중앙부 콘크리트 표면의 일부가 크게 탈락되었으며, 폭렬 최대 깊이는 60 mm, 평균 폭렬 깊이는 20~30 mm로 나타났다. 폭렬저감재를 혼입하지 않은 콘크리트에 비해 폭렬 최대 깊이 및 평균 폭렬 깊이는 약 30 mm 정도 낮게 나타났으며, 특히 평균 폭렬 깊이는 철근 피복두께인 50 mm에 도달되지 않았다.
- 가열된 콘크리트 기둥은 열팽창과 하중부담 증가 등으로 인하여 기둥 중앙부 콘크리트 표면의 일부가 크게 탈락되었으며, 폭렬 최대 깊이는 60 mm, 평균 폭렬 깊이는 20~30 mm로 나타났다. 폭렬저감재를 혼입하지 않은 콘크리트에 비해 폭렬 최대 깊이 및 평균 폭렬 깊이는 약 30 mm 정도 낮게 나타났으며, 특히 평균 폭렬 깊이는 철근 피복두께인 50 mm에 도달되지 않았다.
- 6과 같이 진행되었으며, 콘크리트 기둥의 모든 면에서 발생하였다. 폭렬 최대 깊이는 73.47 mm이며, 평균 폭렬 깊이는 59.95 mm로 분석되었다.
- 폭렬의 범위는 시험체 중앙 부근에서만 발생되었으며, 폭렬 최대 깊이는 60 mm, 평균 폭렬 깊이는 철근 피복 두께인 50 mm 보다 상당히 낮은 20 mm로 미 혼입 콘크리트에 비해 약 40 mm 정도 적었으며, 섬유용융으로 인한 미세공극의 발생으로 수증기의 이동으로 인한 공극압력과 수증기의 효과적인 방출을 통해 폭렬 및 온도 상승 제어가 가능한 것으로 판단되었다.
- 고강도 콘크리트의 폭렬은 국내 표준시방서에서 고강도 콘크리트로 간주하고 있는 압축강도 40 MPa 콘크리트 기둥에서도 발생되었지만, 구조부재의 화재안전성을 손상시킬 정도의 수준이 아닌 것으로 분석된다. 폭렬저감재를 혼입한 50, 60 MPa 콘크리트 기둥의 경우에는 미혼입 콘크리트와 동일하게 가열시작 5분 만에 골재의 파열을 시작으로 폭렬이 발생되기 시작하였으나, 평균 20~40 mm의 폭렬 저감 효과가 있는 것으로 나타났다. 강도별로는 50 MPa 보다 60 MPa의 경우 폭렬저감재에 의한 폭렬 저감 효과가 큰 것으로 나타났다.
- 폭렬저감재를 혼입한 50, 60 MPa 콘크리트 기둥의 경우에는 미혼입 콘크리트와 동일하게 가열시작 5분 만에 골재의 파열을 시작으로 폭렬이 발생되기 시작하였으나, 평균 20~40 mm의 폭렬 저감 효과가 있는 것으로 나타났다. 강도별로는 50 MPa 보다 60 MPa의 경우 폭렬저감재에 의한 폭렬 저감 효과가 큰 것으로 나타났다. Fig.
- 시험 결과, 폭렬저감재를 혼입하지 않은 40 MPa 콘크리트 기둥은 구조적 붕괴를 유발하는 변형에 도달되지 않아 법에서 정하는 180분의 화재안전성을 확보하고 있는 것으로 판단되었다. 그러나 50, 60 MPa의 경우, 가열시작 초기에 열에 의한 콘크리트의 팽창 및 하중 부담 등으로 인하여 기둥 상부에서 콘크리트 탈락과 폭렬이 동시에 발생되면서 철근에 급격한 변형이 발생하여 각각 130분, 103분의 내화 성능 시간을 보였으며, 법에서 정하는 내화 성능 시간에 대하여 각각 50분과 77분 부족하였다.
- 무 혼입 콘크리트의 강도에 따른 기둥 수축량을 분석한 결과 강도 증가에 따라 처짐이 조기에 발생하는 것으로 나타났다. 이는 강도 상승에 따른 온도영향과 고강도 기둥일 수록 높은 축력비의 하중조건에 의해 고온 노출시 강성저하가 크게 유발되기 때문이다.
- 해석 결과와 실험 결과의 비교로부터 콘크리트 기둥의 전열 특성과 무 혼입 콘크리트의 기둥의 축 변형량을 예측하기 위한 해석 기법은 신뢰성을 확보한 것으로 판단되며, 50 MPa 이하의 혼입 콘크리트의 경우에도 해석 결과는 실험 결과와 거의 유사한 경향을 나타냈다. 그러나 Table 13에서 보이는 바와 같이 폭렬저감재를 혼입한 Model-VI의 경우, 내화 성능을 예측하는데 있어 해석 결과는 실험 결과와 약 42분 정도의 차이를 보였다.
- 1) 콘크리트 폭렬 저감을 위해 폭렬저감재(PP-0.5 kg/m3, 강섬유 0.5%/VOL)을 혼합할 경우 50, 60 MPa의 고강도 기둥의 폭렬을 평균 20~40 mm까지 제어할 수 있다.
- 2) 폭렬저감재를 혼입한 콘크리트의 경우 무 혼입 콘크리트에 비해 표준화재조건에서 약 25~55% 정도의 기둥 변형량이 제어되어 내화성능이 향상되었다.
- 3) 폭렬저감재의 사용으로 인한 내화성능의 향상은 PP섬유의 녹는점이 낮은 특성으로 인해 고온가열시 열기류 및 수증기가 빠져나갈 수 있는 미세균열을 발생시키기 때문이며, 이와 동시에 강섬유의 적정한 혼입은 미세균열을 제어함과 동시에 폭발성 폭렬로 인한 파단응력을 상쇄하여 단면결손을 미연에 방지하는 효과에 기인한 것이다.
- 4) 비재하조건 온도에 따른 내화 성능을 추정하는 기준은 부재 내부의 온도가 한계기준(649oC)을 초과하지 않아야 하며, 이 기준에 의해 해석 모델에 따른 내화 성능을 분석한 결과 MODEL-V, VII, IX는 180분 기준의 경우 한계온도를 초과하였다.
- 5) 해석 결과 Model-V, VI과 Model-VII, VIII의 화재거동 경향은 표준화재노출시간 140분까지 유사하게 나타났으나, 그 이후에는 MODEL-VII의 기둥 변형량이 증가하여 최대 96.8 mm까지 기둥의 축변형이 발생하는 것으로 예측되었다.
후속연구
- 1에서 수행한 전열 해석에서 약 120oC 정도의 온도차에 의한 열응력 및 열팽창에 기인한 것으로 판단된다. 그러나 이는 폭렬저감재를 혼입한 고강도 콘크리트의 경우 강성 저하가 발생할 수 있으므로, 180분 내화성능을 확보하기 위해 이에 대한 문제를 해결 할 수 있는 배합설계의 개발이 필요할 것으로 판단된다.
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