비대칭 H형강 합성보의 단면형상변화에 따른 온도특성 및 화재거동에 관한 실험적 연구 An Experimental Study on the Fire Resistance behaviour of Asymmetric Slimfloor Beam According to Cross Section Shape Variation원문보기
비대칭 H형강이 콘크리트에 매립되어 화재에 노출되는 일반 합성보에 비하여 내화성능이 높은 슬림플로어 공법에 대한 화재거동특성을 분석하고, 이를 기반으로 내화성능을 향상시킬 수 있는 최적 단면형상 조건을 도출하고자 연구를 수행하였다. 단면형상은 휨 성능을 증진시킬 수 있는 웨브 보강과 화재에 직접 노출되는 하부플랜지의 보강 방안에 대하여 화재실험을 진행하였으며, 무 보강조건과 형상변화시에 발생하는 합성플로어의 처짐을 비교 분석하여 효과적인 단면형상 설계조건을 도출하고자 하였다. 실험결과 웨브 보강방안에 비해 하부플랜지 보강시 내화성능 향상효율이 더 높은 것으로 나타났으며, 이는 화재에 직접적으로 노출되는 하부플랜지 부분에 보강을 하는 것이 급격한 온도상승으로 인한 강도저하로 인해 발생하는 변형을 보다 효율적으로 제어하기 때문으로 판단된다.
비대칭 H형강이 콘크리트에 매립되어 화재에 노출되는 일반 합성보에 비하여 내화성능이 높은 슬림플로어 공법에 대한 화재거동특성을 분석하고, 이를 기반으로 내화성능을 향상시킬 수 있는 최적 단면형상 조건을 도출하고자 연구를 수행하였다. 단면형상은 휨 성능을 증진시킬 수 있는 웨브 보강과 화재에 직접 노출되는 하부플랜지의 보강 방안에 대하여 화재실험을 진행하였으며, 무 보강조건과 형상변화시에 발생하는 합성플로어의 처짐을 비교 분석하여 효과적인 단면형상 설계조건을 도출하고자 하였다. 실험결과 웨브 보강방안에 비해 하부플랜지 보강시 내화성능 향상효율이 더 높은 것으로 나타났으며, 이는 화재에 직접적으로 노출되는 하부플랜지 부분에 보강을 하는 것이 급격한 온도상승으로 인한 강도저하로 인해 발생하는 변형을 보다 효율적으로 제어하기 때문으로 판단된다.
The temperature development of a structural element is dependent on section factor, which is estimated as a ratio of the fire-exposed perimeter to the cross-section area. Hence, with the higher section factor, the faster temperature development of the section os observed. Composite beam member, part...
The temperature development of a structural element is dependent on section factor, which is estimated as a ratio of the fire-exposed perimeter to the cross-section area. Hence, with the higher section factor, the faster temperature development of the section os observed. Composite beam member, partially embedded asymmetry H beam, has a good fire resistance to the cross-section. The study was intended to conduct with change with section factor. The experimental result of section type which the Slim Beam Floor is bottom flange reinforced method.
The temperature development of a structural element is dependent on section factor, which is estimated as a ratio of the fire-exposed perimeter to the cross-section area. Hence, with the higher section factor, the faster temperature development of the section os observed. Composite beam member, partially embedded asymmetry H beam, has a good fire resistance to the cross-section. The study was intended to conduct with change with section factor. The experimental result of section type which the Slim Beam Floor is bottom flange reinforced method.
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문제 정의
이러한 형상비를 고려한 비대칭 H형강을 활용한 슬림플로어 보의 경우, 상대적으로 열전달 속도가 낮은 콘크리트에 강재가 매립된 형상으로 설계되어 화재조건에서 강재의 강성저하를 최소화 할 수 있는 형상으로 설계되었다. 다만 비대칭 H형강의 하부플랜지는 화재에 직접적으로 노출되므로, 이 부분에 대한 강성을 확보하기 위해 플랜지의 두께를 조정하는 방안과 보 부재의 휨 성능을 향상시키기 위한 웨브 부분의 두께를 조정하여 가장 효율적인 내화성능 향상방안을 도출하고자 하였다.
비대칭 H형강의 부위별 온도변화를 실험체 변수별로 측정하였으며, 온도에 의한 부위별 영향성을 분석하고자 하였다.
비대칭 H형강의 부위에 따른 온도변화를 분석하고자 하였으며, 이에 따른 단면형상 변화에 따른 중앙부처짐 변화를 통해 내화성능을 평가하고자 실험을 수행하였다.
기준을 기반으로 단면형상을 조정하여, 합성플로어 시스템의 내화성능 평가를 KS F 2257-1에 의해 수행하였다. 이를 기반으로 합성보의 법정 요구내화시간에 따른 효과적인 내화성능 확보가 가능한 단면형상조건을 마련하고자 하였다.
이에 본 연구에서는 비대칭 H형강의 단면형상 변화를 위해 웨브 2배 보강과 하부플랜지 2배 보강에 대한 변수를 토대로 내화성능의 변화를 분석하고자 하였다.
또한 고층에 적용할수록 슬림플로어 공법의 층고절감 효과를 극대화 할 수 있다. 이에 본 연구에서는 비대칭 H형강의 단면형상을 변화시킴으로써, 비대칭 H형강을 적용한 슬림플로어 보의 화재거동 및 온도특성을 분석하여 KS F 2257-11)에 의거한 내화성능을 분석하고자 하였다.
제안 방법
고온 화재시 하중을 받는 비대칭 H형강 합성보의 단면형상조건을 변화시켜서, KS F 2257-1에 의거한 내화성능을 평가하고자 다음과 같이 합성보의 실험체 제작 및 실험변수로 내화실험을 수행하였다.
합성보의 온도는 KS F 2257-6의 평가기준에서는 비재하조건에서의 강재보의 온도로 평가하므로 콘크리트의 깊이별 온도변화가 내화성능평가에서는 중요하지 않다. 그러나 본 연구에서는 향후 수행할 수치해석에 대한 기초 데이터를 확보하고자 단면 형상이 변화된 실험체를 기준으로 콘크리트 깊이별 온도변화를 측정하였다. 측정결과 하부플랜지 보강 실험체가 웨브보강 실험체에 비해 약간 낮은정도로 나타나는 경향으로 Table 8과 같이 나타났다.
내화피복된 비대칭 H형강을 적용한 슬림플로어 보의 재하가열조건 화재거동에 관한 실험적 연구”에서는 동일 하중비 조건에서의 피복에 의한 영향성을 분석하였다.
단면형상을 조정한 슬림플로어 공법의 내화성능을 검증하기 위하여, 일반 형상의 실험체인 S-1과 일반실험체 대비 웨브 두께를 14 mm에서 28 mm로 증가시킨 S-2와 플랜지 두께를 22 mm에서 45 mm로 보강한 S-3의 내화실험을 수행하였다. 실험체 길이는 4.
콘크리트의 재료강도는 Table 1과 같은 배합비로 압축강도 24MPa를 적용하였으며, 강재는 Table 2와 같은 SS400강재로 압연 비대칭 H형강을 사용하였다. 또한 콘크리트 슬래브는 Deep-deck를 활용하여 보 춤을 낮추는 효과를 반영한 슬림플로어 형태로 실험체를 제작하였다.
강재에의 열전대 설치는 KS F 2257-1의 설치방법에 의거하여 드릴링을 통한 사전에 정착깊이를 확보한 이후에 K-Type 1 mm 열전대를 설치하였다. 또한 콘크리트의 깊이별 온도변화를 측정하기 위하여 S-2와 S-3에 열전대를 설치하여 온도를 측정하였다.
비대칭 H형강의 상부플랜지에는 총 3개를 설치하였으며, 웨브 부분에는 4개를 설치하여 열전달 특성을 분석하고자 하였다. 또한 하부플랜지에 4개를 설치하여 실 변수별로 평균온도를 비교할 수 있게 Figure 4와 같이 설치하였다.
콘크리트에 매립되어 있으며, 가열면으로부터 가장 이격되어 있는 상부플랜지의 온도를 측정하기 위해 TC 1~3을 설치하였다. 온도측정 오차를 줄이기 위해 3개의 열전대의 평균으로 상부플랜지의 온도를 분석한 결과, 가열 후 85분에 최대 134 ℃로 안정적인 온도가 측정되었다.
대상 데이터
S-3 실험체에 비해 S-2 실험체의 하중이 더 높은 조건으로 내화실험을 수행하였는데, 이는 기본실험체의 웨브와 플랜지 두께의 차이 때문에 발생하게 된다. 기본실험체의 경우 웨브부분이 하부 플랜지 두께의 약 절반으로 설계되었다. 그러나 S-2 실험체의 경우 웨브를 2배로 증가시켜서 플랜지 두께와 거의 유사한 두께로 보강하였기 때문에 단면소성모멘트가 S-3보다 크게 계산되었다.
실험체 단면형상변화에 따른 국부좌굴의 영향을 고려한 판폭 두께비를 계산한 결과는 Table 4와 같으며, 계산결과 모든 부재가 판폭두께비 이내로 만족하였다. 대상실험체는 비구속판 요소로서 KBC 2009의 표 0702.4.1를 준용한 제한값인 콤팩트 단면조건으로 제작하여 내화실험을 진행하였다.
대상연구의 실험체는 현재 건설현장에 적용되는 재료물성을 적용하여 제작하였다. 콘크리트의 재료강도는 Table 1과 같은 배합비로 압축강도 24MPa를 적용하였으며, 강재는 Table 2와 같은 SS400강재로 압연 비대칭 H형강을 사용하였다.
본 연구는 비대칭 H형강이 부분적으로 콘크리트 슬래브에 매립됨으로써 구조형상 측면에서 화재에 대한 내화성능을 확보할 수 있는 깊은 춤 슬래브와 연동된 구조공법을 대상으로 한다. 또한 고층에 적용할수록 슬림플로어 공법의 층고절감 효과를 극대화 할 수 있다.
본 연구대상의 구조공법인 Figure 1(c)의 경우는 압연형강 형태로 공장에서 제작되고 있으므로, 공기단축 및 대량생산으로 인한 수급이 가능 할 것으로 판단된다. 본 연구대상 공법은 비대칭 H형강과 Deep Steel Deck를 활용하여 구성하는 합성구조 시스템으로, 상부플랜지 보다 하부 플랜지가 110 mm 정도 넓은 비대칭 H형강을 적용한 층고 절감을 위한 슬림플로어 형태의 바닥보 전용 공법이다.
2M로 KS F 2257-1에 의거하여 제작하였다. 실험 하중은 단면형상에 따른 단면소성모멘트를 계산하고 설계모멘트를 선정하여, 설계모멘트 하중의 40 %를 4지점으로 재하하였다. S-3 실험체에 비해 S-2 실험체의 하중이 더 높은 조건으로 내화실험을 수행하였는데, 이는 기본실험체의 웨브와 플랜지 두께의 차이 때문에 발생하게 된다.
단면형상을 조정한 슬림플로어 공법의 내화성능을 검증하기 위하여, 일반 형상의 실험체인 S-1과 일반실험체 대비 웨브 두께를 14 mm에서 28 mm로 증가시킨 S-2와 플랜지 두께를 22 mm에서 45 mm로 보강한 S-3의 내화실험을 수행하였다. 실험체 길이는 4.5M로 제작하였으며, 가열면 길이는 4M, 지점길이는 4.2M로 KS F 2257-1에 의거하여 제작하였다. 실험 하중은 단면형상에 따른 단면소성모멘트를 계산하고 설계모멘트를 선정하여, 설계모멘트 하중의 40 %를 4지점으로 재하하였다.
대상연구의 실험체는 현재 건설현장에 적용되는 재료물성을 적용하여 제작하였다. 콘크리트의 재료강도는 Table 1과 같은 배합비로 압축강도 24MPa를 적용하였으며, 강재는 Table 2와 같은 SS400강재로 압연 비대칭 H형강을 사용하였다. 또한 콘크리트 슬래브는 Deep-deck를 활용하여 보 춤을 낮추는 효과를 반영한 슬림플로어 형태로 실험체를 제작하였다.
이론/모형
또한 하부플랜지에 4개를 설치하여 실 변수별로 평균온도를 비교할 수 있게 Figure 4와 같이 설치하였다. 강재에의 열전대 설치는 KS F 2257-1의 설치방법에 의거하여 드릴링을 통한 사전에 정착깊이를 확보한 이후에 K-Type 1 mm 열전대를 설치하였다. 또한 콘크리트의 깊이별 온도변화를 측정하기 위하여 S-2와 S-3에 열전대를 설치하여 온도를 측정하였다.
이를 통해 2006년부터 허용되고 있는 단면형상설계 개념인 KS F 28482) 기준을 기반으로 단면형상을 조정하여, 합성플로어 시스템의 내화성능 평가를 KS F 2257-1에 의해 수행하였다. 이를 기반으로 합성보의 법정 요구내화시간에 따른 효과적인 내화성능 확보가 가능한 단면형상조건을 마련하고자 하였다.
성능/효과
1) 콘크리트에 매립되어 있는 상부플랜지의 경우, 가열 후 150분까지의 최대 상승온도는 241 ℃ 이내로 화재에 의한 강성저하 영향성은 없는 것으로 나타났다.
2) 화재에 직접적으로 노출되는 하부플랜지의 경우, 가열 60분에는 600 ℃가 나타났으며, 가열후 120분경에는 800 oC 내외로 강재의 강성이 화재로 인해 거의 상실되는 온도까지 상승하는 것으로 분석된다.
3) 웨브 하부 1/4지점의 경우 가열 시작 후 약 90분 이후에 급격한 온도상승이 발생하게 되며, 120분 이후에는 하부플랜지와 유사한 온도로 상승하여 강성저하가 급격히 발생하게된다.
4) 기본실험체와 비교할 때 단면의 웨브 2배 보강 실험체는 126분의 내화성능으로 최대처짐은 208.6 mm가 측정되었으며, 단면 하부플랜지 2배 보강 실험체의 내화성능은 157분으로 최대 처짐 280.2 mm로 도출되었다.
5) 웨브 보강 실험체에 비해 하부 플랜지를 2배 보강한 실험체는 분당 변형율이 상대적으로 안정적으로 측정되었다. 이러한 실험결과를 토대로 합성보의 단면 보강에 따른 내화성능을 판단한 결과, 웨브보강 플랜지보다 하부보강플랜지가 화재에서 내화성능이 더 확보되는 것으로 판단된다.
단면변화에 따른 상부플랜지의 온도(TC 1~3)변화를 비교한 결과, 가열 후 30분까지는 유사한 온도분포가 발생하게 되나 가열 후 60분에는 기본실험체만 약 10 ℃정도 더 높게 나타났다. 이는 콘크리트에 매립되어 화염에 노출되는 하부플랜지에서부터의 열전달에 의한 온도상승이 발생하게 되는 상부플랜지의 특성으로 인한 것으로 판단된다.
단면변화에 따른 웨브부분의 중앙부 하단(TC 4~7)의 온도변화를 비교한 결과, 가열 후 30분까지는 무보강 실험체가 보강실험체에 비해 약 100 ℃ 정도 상승하는 것으로 나타났다.
이는 콘크리트에 매립되어 화염에 노출되는 하부플랜지에서부터의 열전달에 의한 온도상승이 발생하게 되는 상부플랜지의 특성으로 인한 것으로 판단된다. 또한 가열 후 85분경에는 화염에 직접적으로 노출되는 하부플랜지 2배 실험체에 비해 콘크리트에 둘러싼 웨브2배 보강실험체의 웨브부분에서 약간의 온도상승제어효과로 인해 상부플랜지의 온도가 하부플랜지 2배 보강 실험체에 비해 낮게 나타나는 것으로 분석된다.
또한 직접적으로 노출되는 하부플랜지의 온도는 TC 8~11이었으며, 이에 대한 평균온도로 분석한 결과 실험 시작 후 85분에 최대 888 ℃까지 상승하였다.
내화피복된 비대칭 H형강을 적용한 슬림플로어 보의 재하가열조건 화재거동에 관한 실험적 연구”에서는 동일 하중비 조건에서의 피복에 의한 영향성을 분석하였다. 분석결과 하부플랜지에 90분 내화뿜칠재를 도포할 경우 180분의 내화성능이 도출되었고, 90분 내화도료를 도포할 경우 도료의 부착강도가 지속되지 못하여 157분의 내화성능이 나오는 것으로 결론을 도출하였다.8)
콘크리트에 매립되어 있으며, 가열면으로부터 가장 이격되어 있는 상부플랜지의 온도를 측정하기 위해 TC 1~3을 설치하였다. 온도측정 오차를 줄이기 위해 3개의 열전대의 평균으로 상부플랜지의 온도를 분석한 결과, 가열 후 85분에 최대 134 ℃로 안정적인 온도가 측정되었다. 웨브의 중앙부와 하부플랜지와 10 mm~30 mm 이격된 웨브의 온도인 TC 4~7을 평균한 결과, 최대온도는 466 ℃로 가열후 약 66분 이후에 400 ℃를 넘는 것으로 Figure 5와 같이 나타났다.
웨브 보강 실험체에 비해 하부플랜지의 보강시 내화성능이 약 31분 증가하는 것으로 나타났다. 이는 비대칭 H형강 부위별 온도의 시간에 따른 상승경향성과 120분 전후까지의 처짐변화가 유사하였기 때문에 단면 형상 조정에 따른 처짐의 제어효과로는 판단하기 어렵다.
“비대칭 H형강 슬림플로어 보의 내화성능에 관한 실험적 연구” 논문에서는 무피복 조건에서 하중비에 의한 내화성능에 관한 연구가 진행되었다. 이 연구에서는 하중비에 의한 영향성을 분석하였으며, 공칭모멘트 대비 하중비 0.4에서 가장 경제적인 내화성능이 나오는 것으로 연구결론을 도출하였다.7)
5) 웨브 보강 실험체에 비해 하부 플랜지를 2배 보강한 실험체는 분당 변형율이 상대적으로 안정적으로 측정되었다. 이러한 실험결과를 토대로 합성보의 단면 보강에 따른 내화성능을 판단한 결과, 웨브보강 플랜지보다 하부보강플랜지가 화재에서 내화성능이 더 확보되는 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
슬림플로어 공법에 대한 화재거동특성을 분석하고, 이를 기반으로 내화성능을 향상시킬 수 있는 최적 단면형상 조건을 도출하고자 연구를 수행한 결과는?
단면형상은 휨 성능을 증진시킬 수 있는 웨브 보강과 화재에 직접 노출되는 하부플랜지의 보강 방안에 대하여 화재실험을 진행하였으며, 무 보강조건과 형상변화시에 발생하는 합성플로어의 처짐을 비교 분석하여 효과적인 단면형상 설계조건을 도출하고자 하였다. 실험결과 웨브 보강방안에 비해 하부플랜지 보강시 내화성능 향상효율이 더 높은 것으로 나타났으며, 이는 화재에 직접적으로 노출되는 하부플랜지 부분에 보강을 하는 것이 급격한 온도상승으로 인한 강도저하로 인해 발생하는 변형을 보다 효율적으로 제어하기 때문으로 판단된다.
슬림플로어 공법의 특징은?
비대칭 H형강이 콘크리트에 매립되어 화재에 노출되는 일반 합성보에 비하여 내화성능이 높은 슬림플로어 공법에 대한 화재거동특성을 분석하고, 이를 기반으로 내화성능을 향상시킬 수 있는 최적 단면형상 조건을 도출하고자 연구를 수행하였다. 단면형상은 휨 성능을 증진시킬 수 있는 웨브 보강과 화재에 직접 노출되는 하부플랜지의 보강 방안에 대하여 화재실험을 진행하였으며, 무 보강조건과 형상변화시에 발생하는 합성플로어의 처짐을 비교 분석하여 효과적인 단면형상 설계조건을 도출하고자 하였다.
참고문헌 (8)
한국기술표준원, "건축부재의 내화시험방법-일반요구사항", KS F 2257-1, 한국표준협회(2005).
한국기술표준원, "단면형상계수에 따른 구조용 강재의 내화피복두께 산정방법", KS F 2848, 한국표준협회(2010).
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