콘크리트 압축강도에 따른 강관기둥부재의 내화성능에 관한 실험적 연구 Experimental Study on the Fire Resistance of Concrete Filled Steel Tubes according to Concrete Compressive Strengths원문보기
콘크리트 충전강관기둥부재는 내력 및 내화적 효과가 우수한 것으로 인식되고 있으며, 이에 관련된 연구가 지속되는 추세이다. 콘크리트는 강관내부에 충전, 구속되므로 구조적 성능이 유지되면서 열용량의 효과가 발휘되어야 일정 시간이상의 내화성능이 발현될 것으로 판단된다. 따라서 본 논문의 목적은 21 MPa의 일반 콘크리트와 40 MPa의 고강도 콘크리트의 내화성능에 기여하는 정도를 파악하고, 향후 공학적 내화설계의 기반자료 제공을 위하여 축력비 100%, 80%, 60% 및 50%를 재하하는 내화시험을 수행하여, 강재의 표면온도, 콘크리트의 온도를 측정하였다. 콘크리트가 충전된 강관기둥부재는 30분이상의 내화성능 되지 못하였으며, 이는 콘크리트의 조기 균열에 의한 내력적 성능저하로 판단되었다. 따라서 일정시간 이상의 내화성능 확보는 작용 하중비를 50 %이하로 설정하는 것이 권장되었다.
콘크리트 충전강관기둥부재는 내력 및 내화적 효과가 우수한 것으로 인식되고 있으며, 이에 관련된 연구가 지속되는 추세이다. 콘크리트는 강관내부에 충전, 구속되므로 구조적 성능이 유지되면서 열용량의 효과가 발휘되어야 일정 시간이상의 내화성능이 발현될 것으로 판단된다. 따라서 본 논문의 목적은 21 MPa의 일반 콘크리트와 40 MPa의 고강도 콘크리트의 내화성능에 기여하는 정도를 파악하고, 향후 공학적 내화설계의 기반자료 제공을 위하여 축력비 100%, 80%, 60% 및 50%를 재하하는 내화시험을 수행하여, 강재의 표면온도, 콘크리트의 온도를 측정하였다. 콘크리트가 충전된 강관기둥부재는 30분이상의 내화성능 되지 못하였으며, 이는 콘크리트의 조기 균열에 의한 내력적 성능저하로 판단되었다. 따라서 일정시간 이상의 내화성능 확보는 작용 하중비를 50 %이하로 설정하는 것이 권장되었다.
Concrete filled steel tubes(CFST) is considered as a column having better structural stability and better performance of fire resistance than that made with H-section and hollow section in itself. To get the fire resistance of the CFST, two kinds of concrete strength were used, 21 MPa, 40 MPa and 4 ...
Concrete filled steel tubes(CFST) is considered as a column having better structural stability and better performance of fire resistance than that made with H-section and hollow section in itself. To get the fire resistance of the CFST, two kinds of concrete strength were used, 21 MPa, 40 MPa and 4 sorts of the applied loads were calculated and used to the specimens such as 3.5 m long, round and rectangular section. After various fire tests under 4 sorts of load ratios, the fire resistance of the CFST is not possible to get over 1 hour because of the rapid decrease of concrete strength. The below 50% of the applied load is recommended to obtain over 1 hour fire resistance of the CFST.
Concrete filled steel tubes(CFST) is considered as a column having better structural stability and better performance of fire resistance than that made with H-section and hollow section in itself. To get the fire resistance of the CFST, two kinds of concrete strength were used, 21 MPa, 40 MPa and 4 sorts of the applied loads were calculated and used to the specimens such as 3.5 m long, round and rectangular section. After various fire tests under 4 sorts of load ratios, the fire resistance of the CFST is not possible to get over 1 hour because of the rapid decrease of concrete strength. The below 50% of the applied load is recommended to obtain over 1 hour fire resistance of the CFST.
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문제 정의
강구조의 내화성능은 구조부재에 작용되는 하중비에 따라 큰 차이를 보이고 있으나(권인규 2009, 2010), 최근 합성에 의한 구조부재의 개발 및 응용이 활발히 일어나고 있으므로 콘크리트에 대한 관심이 상당히 높아지고 있다. 따라서 본 논문에서는 강관내부에 충전되는 콘크리트의 압축강도 차이에 따른 충전강관기둥 부재의 내화성능을 검증하여 향후 공학적 내화설계의 기반자료로 활용함을 목적으로 한다.
콘크리트는 일정 시간동안 높은 온도에 노출됨으로 콘크리트 자체 물성에 따라 내화성능에는 큰 차이를 보일 수 있다. 따라서 본 논문에서는 콘크리트 압축강도 차이에 따라 콘크리트 충전 강관기둥부재의 내화성능에 미치는 영향을 조사하기로 하였다.
제안 방법
최대하중은 강재와 콘크리트에 의한 합성항복강도와 합성탄성계수를 적용한 장기허용압축응력도에 기둥부재의 단면적을 곱하여 계산되었다. 각 시험체에 적용된 하중량은 본 최대하중을 100으로 설정하고, 최대하중의 80%, 60% 및 50%로 계산하였다.
강관 내부에 충전되는 콘크리트 압축강도의 차이에 따른 충전강관 기둥부재 내화성능을 검증하여 향후 내화공학설계의 기반자료로 활용하기 위하여 내화시험을 수행하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
강관 내부에 충전된 콘크리트의 압축강도에 따른 내화성능 차이를 평가하기 위하여 압축강도 21 MPa, 40 MPa 두 가지 타입의 콘크리트 및 원형강관 4개, 각형강관 4개를 포함하는 내화시험계획을 설정하였다(표 1). 원형강관 및 각형강관의 구조형태는 그림 1과 같다.
강관 기둥부재 내부에 충전된 콘크리트의 시간변화에 따른 온도변화 측정을 위하여 CA(Chromel-Alumel)열전대를 상부, 하부 및 중앙부 3군데 각각 3개소씩 모두 9개소에 설치하였다. 강관기둥내부의 열전대 설치는 그림 3에 제시된 바와 같이 용접봉에 3개 열전대가 일체화되도록 작업을 한 이후, 강관내부의 일정 높이까지 콘크리트를 타설한 이후에 일체화된 열전대를 선 시공된 구멍으로 삽입, 설치하였다. 이후 동일한 방식으로 중앙부와 상부의 열전대를 설치하였다.
시험하중은 가열시험 15분전에 부가하고, 내화시험 수행시에는 기둥부재의 축변형량, 축변형율 및 기둥부재 표면온도와 기둥부재 내부에 충전된 콘크리트의 온도를 측정한다. 기둥부재의 온도측정 위치는 그림 2와 같다.
콘크리트 타설은 펌프 카를 이용하여 기둥부재 상부로부터 자유투하방식으로 진행하였다. 투하 시에는 재료분리를 방지하기 위해서 바이브레이타 및 손진동을 실시하였다.
콘크리트 타설은 펌프 카를 이용하여 기둥부재 상부로부터 자유투하방식으로 진행하였다. 투하 시에는 재료분리를 방지하기 위해서 바이브레이타 및 손진동을 실시하였다. 콘크리트 타설 후 1주일간 초기 양생기간 동안은 충전기둥부재를 선자세로 유지시켰으며 이후에는 눕힌 상태로 기건양생하였다.
대상 데이터
강관 기둥부재 내부에 충전된 콘크리트의 시간변화에 따른 온도변화 측정을 위하여 CA(Chromel-Alumel)열전대를 상부, 하부 및 중앙부 3군데 각각 3개소씩 모두 9개소에 설치하였다. 강관기둥내부의 열전대 설치는 그림 3에 제시된 바와 같이 용접봉에 3개 열전대가 일체화되도록 작업을 한 이후, 강관내부의 일정 높이까지 콘크리트를 타설한 이후에 일체화된 열전대를 선 시공된 구멍으로 삽입, 설치하였다.
성능/효과
1) 콘크리트 압축강도에 따른 내화성능 및 강재의 허용온도는 뚜렷한 차이를 나타내지 못하였다. 이는 내화시험에 적용된 축력비에 대해서 콘크리트가 충분한 역할을 하지 못한 결과라고 판단되었다.
100%, 80%, 60% 및 50%에서는 30분이하의 내화성능을 보였으며, 재하가열시험에 의한 콘크리트 조기 균열이 하중지지능력의 급속한 감소원인으로 판단되었다.
4) 축력비 50%~100% 범위내에서 콘크리트가 충전된 강관 부재의 한계온도 평가는 강관내부 콘크리트와 강관 경계 부분에서의 상호 유기적 온도 및 구조적 작용이 일어나므로 강재 온도만으로 정의하는 것이 불합리하다고 판단되었다.
본 내화시험 결과는 강관부재에 적용된 재하하중이 기둥부재 내화성능을 확보하기 위한 하중비 측면에서 과한 것으로 판단되었으며, 강관 내부 콘크리트가 충분히 내력을 부담할 것으로 판단하였으나, 가열시험에 의한 내부 균열이 조기에 발생되어 하중지지능력이 급속히 감소된 점이 중요한 원인으로 판단되었다. 따라서 강관부재내 콘크리트의 내부 균열방지를 위한 조치가 내화성능확보에 중요한 요소로 사료되었고, 하중비 50% 이상 범위에서는 내화구조의 성능 확보는 어려운 것으로 판단되었다. 따라서 향후 콘크리트 충전강관 기둥부재의 내화성능 확보를 위해서는 축력비가 30~50%가 적합할 것으로 판단되었다.
따라서 강관부재내 콘크리트의 내부 균열방지를 위한 조치가 내화성능확보에 중요한 요소로 사료되었고, 하중비 50% 이상 범위에서는 내화구조의 성능 확보는 어려운 것으로 판단되었다. 따라서 향후 콘크리트 충전강관 기둥부재의 내화성능 확보를 위해서는 축력비가 30~50%가 적합할 것으로 판단되었다.
또한 하중비와 각 단면에 따른 내화성능은 일부 단면을 제외하고 30분 이상을 초과하지 못하였다. 본 내화시험 결과는 강관부재에 적용된 재하하중이 기둥부재 내화성능을 확보하기 위한 하중비 측면에서 과한 것으로 판단되었으며, 강관 내부 콘크리트가 충분히 내력을 부담할 것으로 판단하였으나, 가열시험에 의한 내부 균열이 조기에 발생되어 하중지지능력이 급속히 감소된 점이 중요한 원인으로 판단되었다. 따라서 강관부재내 콘크리트의 내부 균열방지를 위한 조치가 내화성능확보에 중요한 요소로 사료되었고, 하중비 50% 이상 범위에서는 내화구조의 성능 확보는 어려운 것으로 판단되었다.
강재 표면온도값은 각 시험체의 내화성능 유지시점 즉 변형량 및 변형율 기준을 동시에 초과하는 시간(18분, 20분, 27분, 29분, 20분, 19분, 26분, 88분, 21분, 19분, 18분, 23분, 18분, 15분, 20분, 17분)까지의 최고값이다. 본 시험결과, 축력비 50%~100%범위 내에서 강관기둥부재 붕괴 시의 강재 온도인 한계온도 산정은 강관내부 콘크리트와 강관과의 상호 유기적 온도 및 구조적 작용이 일어나므로 강재의 온도만으로 정의하는 것이 불합리하다고 판단된다.
원형충전 기둥부재 및 각형충전 기둥부재는 콘크리트 강도와는 무관하게 일률적으로 국부좌굴에 의한 붕괴현상을 보였다. 또한 하중비와 각 단면에 따른 내화성능은 일부 단면을 제외하고 30분 이상을 초과하지 못하였다.
즉 콘크리트의 높은 열용량 특징이 거의 발현되지 않았음을 확인할 수 있었다. 즉 내화성능확보를 위한 콘크리트의 특징은 거의 기여되지 않았음을 알 수 있었다.
시험체 8번의 콘크리트 강도 40 MPa 그리고 축력비가 50%인 경우가 가장 높은 온도를 보이고 있으며, 나머지 시험체의 경우, 콘크리트 중심부의 평균온도가 거의 변화되지 않은 온도수준을 보이고 있으며, 외측으로부터 약 1/4길이 정도에서도 콘크리트 내부 수분이 증발할 수 있는 온도인 100 ℃ 이상 초과하는 경우가 거의 없었다. 즉 콘크리트의 높은 열용량 특징이 거의 발현되지 않았음을 확인할 수 있었다. 즉 내화성능확보를 위한 콘크리트의 특징은 거의 기여되지 않았음을 알 수 있었다.
후속연구
3) 향후 콘크리트 충전강관 기둥부재의 내화성능 확보를 위해서는 축력비가 30~50% 또는 강관내부의 콘크리트와의 결합 및 내력증진이 기대되는 철근보강이 필요하다고 판단되었다.
콘크리트는 상온에서 고온으로 진전함에 따라 내력을 점차 적으로 감소하는 특성을 보이며, 약 500 ℃부근에서는 내력을 전달하지 못하는 것으로 간주하고 있다. 따라서 콘크리트 압축강도 차이에 따른 콘크리트 충전강관 기둥부재의 내화성능 평가는 향후 건축물의 화재 안전성 확보에도 크게 기여할 것으로 판단된다.
특히 하중비 50%인 시험체(8번)의 경우 콘크리트가 초기에 하중을 지지해주었기 때문에 88분의 내화성능을 보였다고 판단되었다. 따라서 향후 콘크리트가 충전된 강관기둥부재를 대상으로 1시간이상의 내화 성능을 확보하기 위해서는 50%이하의 하중비가 요구될 것으로 사료되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
최근의 구조부재는 어떤 방향으로 기술이 개발되어가고 있는가?
건축물은 고층화, 대형화 및 복합화 추세로 발전되어가고 있으며, 점차적으로 구조부재에 대한 요구성능 또한 다양화, 전문화되어갈 것으로 예상되고 있다. 최근 구조부재는 구조 및 내진성능 또한 내화성능을 동시에 충족시킬 수 있는 방향으로 기술이 개발되어가고 있으며, 콘크리트를 활용한 합성부 재가 이의 대안으로 부각되고 있다. 대표적인 구조부재로서는 콘크리트를 강관내부에 충전한 콘크리트 충전강관기둥부재 그리고 일정한 모양의 조립 강관 보에 콘크리트를 충전시킨 TSC보 등이다(최성관 등, 2008).
콘크리트를 활용한 합성부 재의 대표적인 예로는 무엇이 있는가?
최근 구조부재는 구조 및 내진성능 또한 내화성능을 동시에 충족시킬 수 있는 방향으로 기술이 개발되어가고 있으며, 콘크리트를 활용한 합성부 재가 이의 대안으로 부각되고 있다. 대표적인 구조부재로서는 콘크리트를 강관내부에 충전한 콘크리트 충전강관기둥부재 그리고 일정한 모양의 조립 강관 보에 콘크리트를 충전시킨 TSC보 등이다(최성관 등, 2008).
콘크리트 충전강관 기둥의 내화성능에 대한 과거부터 최근까지의 연구 동향은 어떠한가?
콘크리트 충전강관 기둥에 대한 구조성능 향상 및 설계지 침에 관한 기술개발은 많이 이루어져오고 있으나, 내화성능에 관한 연구는 1980년대 유럽(ECCS, 1988)과 1990년대 캐나다(Kodur V.K.R, 1998; Kodur, V.K.R. et al., 1998; Lie T.T., 1994) 등에서 내화설계식 유도에 집중된 것으로 조사되었으며, 국내에서는 내화구조로서는 내화성능확보에 관한 연구가 있었고(한국강구조학회, 1999), 최근에는 고강도콘크리트 적용 및 내화설계식 유도에 관한 연구가 일부 진행되었다(김규용 등, 2008; 박수희 등, 2007).
참고문헌 (12)
권인규 (2009) 강구조 부재의 한계온도 평가에 관한 연구, 대한건축학회연합논문집, 제11권, 제4호, pp. 249-256.
ECCS (1988) Calculation of the Fire Resistance of Centrally Loaded Composite Steel-Concrete Columns Exposed to the Standard Fire.
Kodur V.K.R (1998) Design equations for evaluating the fire resistance of SFRC filled steel columns, Journal of Structural Engineering. ASCE 1998:124(6), 671-7.
Kodur, V.K.R. MacKinnon, D.H. (1998) Simplified Design of Concrete- Filled Hollow Structural Steel Columns for Fire Endurance, Journal of Constructional Steel Research, Vol.46, Nos.1-3, pp.298, paper number 171.
Lie T.T (1994) Fire resistance of circular steel columns filled with bar-reinforced concrete, Journal of Structural Engineering. ASCE 1994:120(5), 1489-1509.
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