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문제 정의
- 본 연구는 화재에 노출된 각형 CFT기둥에서 화재의 진행에 따른 온도분포의 변화와 상태파악을 목적으로, 기존의 연구결과와 실험을 수행하여 기둥 단면의 각 위치별 온도분포 자료를 제시하고자 한다. 실험은 하중이 재하된 상태에서 내화피복에 따른 CFT기둥 단면의 온도분포와 변화 상태를 알아보기 위하여 내화피복의 종류와 두께, 강관의 두께 및 가열시간 등을 변수로 하여 시험체를 제작하고 재하가열실험을 실시한다.
- 본 연구에서는 내화 피복된 CFT기둥 단면 내부의 온도분포 상태를 알아보기 위하여 내화피복의 종류와 피복두께 및 강관의 두께를 변화시키고, 가열시간에 따른 기둥의 온도변화에 대한 재하가열실험을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 실험은 하중이 재하된 상태에서 내화피복에 따른 CFT기둥 단면의 온도분포와 변화 상태를 알아보기 위하여 내화피복의 종류와 두께, 강관의 두께 및 가열시간 등을 변수로 하여 시험체를 제작하고 재하가열실험을 실시한다. 실험을 통하여 가열시간 및 가열로의 온도변화에 따른 콘크리트중앙부, 강관 내부 및 외부 표면 위치의 온도분포와 내화피복의 종류와 두께에 따라 변화되는 온도분포를 제시하고자 한다. 아울러 시험체의 열팽창과 수축에 따른 축변위를 측정함으로써 강관의 두께에 따른 부재의 내력을 평가하고자 한다.
- 실험을 통하여 가열시간 및 가열로의 온도변화에 따른 콘크리트중앙부, 강관 내부 및 외부 표면 위치의 온도분포와 내화피복의 종류와 두께에 따라 변화되는 온도분포를 제시하고자 한다. 아울러 시험체의 열팽창과 수축에 따른 축변위를 측정함으로써 강관의 두께에 따른 부재의 내력을 평가하고자 한다.
제안 방법
- 시험체의 가열 조건은 소요 재하하중이 가력된 상태에서 표준시간-가열온도 곡선(KSF 2257-1)에 준하여 가열하였다. 가열 중 시험체의 온도 및 변위데이타는 단면의 각 위치에 설치된 열전대와 변위계를 통하여 30초 간격으로 데이터로거(TDS-302)로 측정하 였다.
- 그림 4는 가력장치와 가열장치 및 온도 측정장치를 나타낸 것이고, 시험체의 설치는 그림 5와 같이 시험체의 상·하 단부 에 힌지를 설치하여 가력 시 편심하중이 발생하지 않도록 하였다. 또한 재하하중의 계속적인 유지와 열전달을 차단하기 위해 가열로와 UTM 사이에 세라믹보드로 제작된 단열판을 설치하였다.
- 가열은 각 시험체 별로 정해진 재하 하중에 도달하면 하중을 고정시키고 가열을 시작하였다. 목표 내화시간 1시간 시험체는 90분, 2시간 시험체는 150분, 3시간 시험체는 210분을 가열하고, 목표로 하는 기준시간보다 30분을 더 가열하여 시험체의 상태를 관찰하였다. 시험체의 가열 조건은 소요 재하하중이 가력된 상태에서 표준시간-가열온도 곡선(KSF 2257-1)에 준하여 가열하였다.
- 시험체 단면의 각 부분에서 온도측정을 위하여 콘크리트 중앙부(CH1), 강관 내부표면(CH2), 강관 외부표면(CH3) 및 전기로 내부(CH4)에 열전대(thermocouple)를 부착하였다. 사용된 열전대는 측정 온도범위 -250℃～1,260℃인 K형이 고, 길이는 절연재 300mm를 포함하여 3.
- 그림 3은 시험체의 가력방법에 대한 개념도를 나타낸 것이다. 시험체의 열팽창 및 수축에 의한 변위량은 외부에 설치된 변위계(LVDT, 50mm)로 시험체의 수직변위를 측정하였다. 건축부재의 내화시험 방법(2005, 2006, KS F 2257-1, 7)에 따라 시험체의 축방향 수축량 C=h/100mm 이상 도달하거나, 변형률 dC/dt = 30C/min에 도달한 경우 시험체의 내력이 상실된 것으로 하여 실험을 종료하였다.
- 본 연구는 화재에 노출된 각형 CFT기둥에서 화재의 진행에 따른 온도분포의 변화와 상태파악을 목적으로, 기존의 연구결과와 실험을 수행하여 기둥 단면의 각 위치별 온도분포 자료를 제시하고자 한다. 실험은 하중이 재하된 상태에서 내화피복에 따른 CFT기둥 단면의 온도분포와 변화 상태를 알아보기 위하여 내화피복의 종류와 두께, 강관의 두께 및 가열시간 등을 변수로 하여 시험체를 제작하고 재하가열실험을 실시한다. 실험을 통하여 가열시간 및 가열로의 온도변화에 따른 콘크리트중앙부, 강관 내부 및 외부 표면 위치의 온도분포와 내화피복의 종류와 두께에 따라 변화되는 온도분포를 제시하고자 한다.
- 재하가열실험은 축하중이 재하된 상태에서 시험체가 화재로 인한 고열에 노출된 조건을 가정하여 최대 가력능력 2,000kN 의 만능시험기(UTM)로 실험을 수행하였다. 시험체에 대한 가력은 식(2)에 따라 산정된 각 시험체별 재하하중을 가열 15분 전에 재하를 완료하고, 재하속도는 UTM내부의 로드셀에 의한 하중제어 방식으로 하였다.
대상 데이터
- 가열시간 및 전기로 내부 온도변화에 따른 내화뿜칠 피복두께 30mm, 내화페인트 피복두께 3.35mm 시험체를 대상으로 콘크리트 중앙부, 강재 내부 및 외부표면에 대한 위치별 온도 분포는 각각 그림 6과 그림 7과 같다. 시험체의 전반적인 온도분포는 콘크리트 중앙부, 강관 내부표면, 강관 외부표면의 순으로 온도가 높게 나타났다.
- 내화 페인트 타입은 목표내화시간인 1∼2시간 내화성능을 만족할 수 있도록 피복두께 0.85mm, 3.35mm의 2종류를 선정하였다.
- 내화뿜칠 타입은 목표내화시간인 1∼3시간 내화성능을 만족할 수 있도록 피복 두께를 20mm, 30mm, 40mm의 3종류를 선정하였다.
- 내화실험에 사용된 강재는 SPSR400재질로 시험편은 KS B 0801에 준하여 제작하였고, 강관내부에 충전한 콘크리트는 설계기준강도 24MPa로 배합설계를 하였다. 강재의 인장강도시험은 KS B 0802, 콘크리트의 압축강도시험은 KS F 2405에 준하여 수행하였고, 각 재료의 재료특성에 관한 시험결과는 3개의 평균값으로 하여 표 2와 표 3에 나타내었다.
- 내화피복재는 내화구조의 성능기준(2008)에서 내화성능을 인정받은 K사, S사의 제품으로 선정하였다. 내화뿜칠 타입은 목표내화시간인 1∼3시간 내화성능을 만족할 수 있도록 피복 두께를 20mm, 30mm, 40mm의 3종류를 선정하였다.
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4.4 내화피복종류의 내화성능
내화피복종류에 따라 내화뿜칠된 시험체별로 뿜칠두께 20mm이상(1시간 내화)은 S1시험체, 30mm이상(2시간 내화)은 S2시험체, 40mm이상(3시간 내화)은 S3시험체로 하고 마찬가지로 내화페인트의 피복도막두께 0.85 mm이상(1시간 내화)은 P1시험체, 도막두께 3.35mm이상(2시간 내화)은 P2시험체로 하였다. 내화성능의 평가방법은 내화피복의 두께와 종류에 따라 목표내화시간인 1시간, 2시간, 3시간일 때 시 험체 단면(콘크리트 중앙부, 강재 내부표면 및 외부표면)에서 의 온도분포를 비교하여 온도상승이 적게 발생한 시험체의 내 화성능이 우수한 것으로 평가한다.
- 시험체 단면의 각 부분에서 온도측정을 위하여 콘크리트 중앙부(CH1), 강관 내부표면(CH2), 강관 외부표면(CH3) 및 전기로 내부(CH4)에 열전대(thermocouple)를 부착하였다. 사용된 열전대는 측정 온도범위 -250℃～1,260℃인 K형이 고, 길이는 절연재 300mm를 포함하여 3.5m이다. 그림 2(a)는 시험체의 길이와 단면형상을 나타낸 것이고, 그림 2(b)는 열전대의 부착위치를 나타낸 것이다.
- 그림 1은 콘크리트가 충전된 각형강관 시험체의 제작 모습을 보여준다. 시험체는 내화피복의 종류와 피복두께, 강관 두께 및 가열시간을 변수로 하여 내화뿜칠피복 시험체 9개와 내화페인트피복 시험체 6개를 제작하였으며, 시험체 일람표는 표 1과 같다.
- 콘크리트의 설계기준강도(fok)는 24 MPa로 하였으며, 강재는 SPSR400재질이다. 시험체의 길이는 축소모형 시험체의 축척과 좌굴에 대한 영향을 감안하여 세장비(KL/r)를 15로 고정하여 750mm로 하고, 직접 가열되는 유효가열길이는 시험체 양단에서 150mm를 제외한 450mm로 하였다. 그림 1은 콘크리트가 충전된 각형강관 시험체의 제작 모습을 보여준다.
- 제작된 시험체는 화재로 고열을 받는 경우로 가정하고, 가력장치의 최대높이와 폭 및 가열로의 크기를 감안하여 단면적을 기준으로 실물크기 CFT기둥의 1/4축척의 각형강관으로 선정하였다. 시험체의 단면은 강관의 두께에 따라 ☐-125×125×3.
- 0의 3종류이다. 콘크리트의 설계기준강도(fok)는 24 MPa로 하였으며, 강재는 SPSR400재질이다. 시험체의 길이는 축소모형 시험체의 축척과 좌굴에 대한 영향을 감안하여 세장비(KL/r)를 15로 고정하여 750mm로 하고, 직접 가열되는 유효가열길이는 시험체 양단에서 150mm를 제외한 450mm로 하였다.
이론/모형
- 내화실험에 사용된 강재는 SPSR400재질로 시험편은 KS B 0801에 준하여 제작하였고, 강관내부에 충전한 콘크리트는 설계기준강도 24MPa로 배합설계를 하였다. 강재의 인장강도시험은 KS B 0802, 콘크리트의 압축강도시험은 KS F 2405에 준하여 수행하였고, 각 재료의 재료특성에 관한 시험결과는 3개의 평균값으로 하여 표 2와 표 3에 나타내었다.
- 시험체의 열팽창 및 수축에 의한 변위량은 외부에 설치된 변위계(LVDT, 50mm)로 시험체의 수직변위를 측정하였다. 건축부재의 내화시험 방법(2005, 2006, KS F 2257-1, 7)에 따라 시험체의 축방향 수축량 C=h/100mm 이상 도달하거나, 변형률 dC/dt = 30C/min에 도달한 경우 시험체의 내력이 상실된 것으로 하여 실험을 종료하였다.
- 목표 내화시간 1시간 시험체는 90분, 2시간 시험체는 150분, 3시간 시험체는 210분을 가열하고, 목표로 하는 기준시간보다 30분을 더 가열하여 시험체의 상태를 관찰하였다. 시험체의 가열 조건은 소요 재하하중이 가력된 상태에서 표준시간-가열온도 곡선(KSF 2257-1)에 준하여 가열하였다. 가열 중 시험체의 온도 및 변위데이타는 단면의 각 위치에 설치된 열전대와 변위계를 통하여 30초 간격으로 데이터로거(TDS-302)로 측정하 였다.
성능/효과
- (1) 내화뿜칠 피복두께 30mm, 내화페인트 피복두께 3.35mm 시험체를 대상으로 가열시간 120분인 경우의 위치별 온도분포는 내화뿜칠 시험체의 경우 콘크리트 중앙부와 강 관 내부표면의 온도차는 1.0～23.5℃, 강관내부 표면과 외부표면의 온도차는 21.5～52.3℃로 나타나 강관의 내 부표면과 외부표면의 온도차가 콘크리트 중앙부와 강관 내부표면의 온도차에 비해 약 2.23배 큰 것으로 나타났다. 내화페인트 시험체의 경우 각각 132.
- (2) 내화피복 두께변화에 따른 온도분포는 가열시간 60분을 기준으로 하여 내화뿜칠 두께가 두꺼울수록 무내화시험 체에 비해 콘크리트중앙부에서는 각각 2.69배, 3.07배, 4.07배, 강관외부는 각각 5.30배, 5.72배, 6.30배의 온도저항능력을 보였으며, 내화페인트 두께에 따라 콘크리트중앙부에서는 각각 1.33, 3.32배, 강관외부는 각각 1.22, 1.53배의 온도저항능력이 있는 것으로 나타났다.
- (3) 내화피복에 따른 축변위는 내화뿜칠두께와 관계없이 비슷한 거동을 보였으며, 강관의 두께가 얇을수록 축변위는 작게 나타났다. 이는 콘크리트 단면이 작을수록 열전달이 작게 이루어지기 때문이다.
- (4) 내화피복부분의 내화성능은 전기로 내부 평균온도기준 으로 내화뿜칠인 경우 약 66～93%, 내화페인트의 경우 약 23～52%범위의 성능을 보였으며, 내화뿜칠된 시험 체가 내화페인트된 시험체에 비해 가열 1시간, 가열 2시간 기준으로 각각 2.51배, 3.52배 정도의 내화피복 성능이 우수하게 나타났다.
- 35mm인 경우 53. 1℃로 나타나 내화페인트피복이 무내화피복에 비해 온도저항 능력이 피복두께 0.85mm인 경우는 1.33배, 3.35mm인 경 우는 3.32배정도 높은 것으로 나타났다. 강관 외부표면은 가 열시간 60분 기준으로 무내화 시험체인 경우는 479.
- 가열시간 60분인 전기로 온도 635.8℃까지 3개의 시험체 모두 강관 내부와 외부표면에서 온도차이가 거의 없으나, 전기로 온도가 803.8℃에 도달한 90분 이후부터 가열 종료시까지 는 강관 내부와 외부표면의 온도차가 크게 나타났다. 이것은 내화피복재의 함수량과 콘크리트 내부의 자유수와 수화반응에 의해 발생된 수분의 영향으로 강재온도의 상승이 지연되는 효과에 의한 것으로 보인다.
- 내화뿜칠된 시험체가 내화페인트된 시험체에 비해 가열시간 60분, 120분 기준으로 각각 2.51배, 3.52배 정도의 내화피복 성능이 우수하게 나타났다. 또한, 내화피복부분의 내화성능은 전기로 내부 평균온도기준으로 내화뿜칠인 경우 약 66～ 93%, 내화페인트의 경우 약 23～52%범위의 성능을 보였다.
- 0℃에 도달한 110분까지 콘크리트 중앙부, 강관의 내부표면 및 외부표면의 온도차는 거의 없음을 알 수 있고, 이 후 종료까지는 뚜렷한 온도차이를 보였다. 따라서 내화뿜칠은 가열 초기에 내화피복의 효과를 보이고 연소가 된 후에는 내화능력이 감소됨을 알 수 있었다.
- 내화도료의 발포시점이 가열 후 35 ∼43분경에 발생하였으며, 이때의 전기로의 온도가 380∼ 456℃범위에서 발포가 시작된 것으로 볼 수 있다. 따라서 내화페인트 시험체의 경우 초기에는 얇은 피복으로 인하여 온도 상승이 급한 반면 내화도료의 발포로 팽창이 일어난 시점부터는 내화성능을 발휘하는 것으로 나타났다.
- 52배 정도의 내화피복 성능이 우수하게 나타났다. 또한, 내화피복부분의 내화성능은 전기로 내부 평균온도기준으로 내화뿜칠인 경우 약 66～ 93%, 내화페인트의 경우 약 23～52%범위의 성능을 보였다.
- 35mm 시험체를 대상으로 콘크리트 중앙부, 강재 내부 및 외부표면에 대한 위치별 온도 분포는 각각 그림 6과 그림 7과 같다. 시험체의 전반적인 온도분포는 콘크리트 중앙부, 강관 내부표면, 강관 외부표면의 순으로 온도가 높게 나타났다.
- 표 15의 내화피복부분의 온도변화 효과는 시험체 모두 내화 피복두께가 두꺼울수록 내화피복부분의 내화성능이 우수함을보였으며, 최대 온도효과는 내화뿜칠인 경우 가열시간 120분 전후일 때, 그리고 내화페인트의 경우 P1, P2시험체는 각각 60분, 90분일 때 나타났다. 특히 가열시간 60분을 기준으로 내화뿜칠인 경우 S1시험체는 평균 547.
후속연구
- 향후 CFT기둥의 내화성능에 영향을 미치는 재료들의 열전도률, 비열 등을 고려한 열응력 해석과정을 통해 내화피복를 고려한 CFT기둥의 온도분포특성과 내화구조성능을 파악하는 연구가 더 필요할 것으로 사료된다.
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