철골 철근콘크리트 보 및 철골철망 모르타르조 보의 전열특성 및 화재거동에 관한 실험적 연구 An Experimental Study on The Fire Resistance Performance of Steel Encased Reinforcement Concrete and Steel Framed Mortar Beam with Loading Condition원문보기
본 연구에서는 건축물의 피난 및 방화에 관한 규칙 제3조에 명시된 법정내화구조 중 보의 내화성능을 평가하고, 국내외 규정과 비교 및 분석을 하였다. 현행 규칙에 따르면 국내의 법정내화구조는 피난 및 방화구조에 관한 규칙의 시방기준을 만족하면 최대 3시간의 내화성능을 갖는 것으로 본다. 법정내화구조로서 보는 총 5개의 구조가 있으나, 본 연구에서는 우선 철근콘크리조를 대상으로 피복두께에 따른 내화성능을 평가하였다. 실험결과 하중비 0.5와 피복두께 40 mm를 확보할 경우, 최대 법정요구내화시간인 3시간을 만족하는 것으로 나타났다. 철골철망 모르타르조 보의 경우, 피복두께 60 mm 하중비 0.4에서 3시간 내화성능을 확보할 수 있다.
본 연구에서는 건축물의 피난 및 방화에 관한 규칙 제3조에 명시된 법정내화구조 중 보의 내화성능을 평가하고, 국내외 규정과 비교 및 분석을 하였다. 현행 규칙에 따르면 국내의 법정내화구조는 피난 및 방화구조에 관한 규칙의 시방기준을 만족하면 최대 3시간의 내화성능을 갖는 것으로 본다. 법정내화구조로서 보는 총 5개의 구조가 있으나, 본 연구에서는 우선 철근콘크리조를 대상으로 피복두께에 따른 내화성능을 평가하였다. 실험결과 하중비 0.5와 피복두께 40 mm를 확보할 경우, 최대 법정요구내화시간인 3시간을 만족하는 것으로 나타났다. 철골철망 모르타르조 보의 경우, 피복두께 60 mm 하중비 0.4에서 3시간 내화성능을 확보할 수 있다.
This study evaluates the fire resisting capacity of the beam of the legal fire resistance construction, which establishes the Article 3 of the Regulations on Escape and Fire Resistance of Buildings. There are a total of five structures that we consider as legal fire resistance constructions, however...
This study evaluates the fire resisting capacity of the beam of the legal fire resistance construction, which establishes the Article 3 of the Regulations on Escape and Fire Resistance of Buildings. There are a total of five structures that we consider as legal fire resistance constructions, however, this study has a primary target of the reinforced concrete beam, and tests the fire-resistant performance depend on the covering depth of reinforce concrete. The results showed that it meets the three hours, the maximum statutory fire resistance time, if it was a load ratio of 0.5 and covering depth of 40 cm. Steel framed mortar beam is legal fire resistance structure that it was possessed three hours fire resistance performance, if it was a load ratio of 0.4 and covering depth of 60 mm.
This study evaluates the fire resisting capacity of the beam of the legal fire resistance construction, which establishes the Article 3 of the Regulations on Escape and Fire Resistance of Buildings. There are a total of five structures that we consider as legal fire resistance constructions, however, this study has a primary target of the reinforced concrete beam, and tests the fire-resistant performance depend on the covering depth of reinforce concrete. The results showed that it meets the three hours, the maximum statutory fire resistance time, if it was a load ratio of 0.5 and covering depth of 40 cm. Steel framed mortar beam is legal fire resistance structure that it was possessed three hours fire resistance performance, if it was a load ratio of 0.4 and covering depth of 60 mm.
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문제 정의
신제품에 의한 인정은 현재의 성능평가제도로서 성능기준을 판단하기 어려울 경우, 새로운 성능기준을 적용하고 시험에 의해서 성능을 판단하는 인증제도이다. 또한 성능설계 인증제도의 경우, 시험이 불가능한 구조부재를 대상으로 화재공학적 이론을 토대로 폭넓은 내화구조로서 인증을 해주는 제도이다. 상기 기준에 대한 상세내용은 한국건설기술연구원의 주요사업으로 연구5)가 수행되고 있으며, 2012년에 제시하고자 한다.
현행 규칙에 따르면 국내의 법정내화구조는 피난 및 방화구조에 관한 규칙의 설계기준을 만족하면 최대 3시간의 내화성능을 갖는 것으로 본다. 법정내화구조로서 보는 총 5개의 구조가 있으나, 본 연구에서는 우선 철근콘크리트 보와 철골철망 모르타르조 보를 대상으로 피복 두께 및 하중변화에 따른 내화성능을 평가하였다.
본 연구에서는 건축물의 피난 및 방화에 관한 규칙 제3조에 명시된 법정내화구조 중 보의 내화성능을 평가하고, 국내외 규정과 비교 및 분석을 하였다. 현행 규칙에 따르면 국내의 법정내화구조는 피난 및 방화구조에 관한 규칙의 설계기준을 만족하면 최대 3시간의 내화성능을 갖는 것으로 본다.
본 연구에서는 법정내화구조 중 매립형 합성보를 대상으로 내화실험을 수행하여 성능을 검증하고, 이에 대한 상세 설계조건을 확립하고자한다.
본 연구에서는 법정내화구조에서 매립형 철골합성보인 철골철근콘크리트 보와 철골철망 모르타르조 보의 피복두께 및 하중비에 따른 내화성능을 평가하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
본 연구에서는 법정내화구조에서 수평구조부재인 철근콘크리트 및 철골철망 모르타르조 보를 대상으로 실험을 수행하였으며, KBC(2009)의 피복설계기준을 준용한 법정내화구조의 표준설계 조건을 제시하고자 다음과 같이 내화실험을 수행하였다.
그러나 60 %이상으로 하중 비를 높일 경우, 내화성능이 급격히 감소할 수 있기 때문에 내화성능에 직접적으로 영향을 주는 피복두께를 상향하여 내화성능을 평가해야 할 필요성이 제기된다. 이에 법정내화구조 기준이상인 피복 두께를 70 mm 이상으로 상향시킨 실험체도 연구대상 범위에 포함시켜 내화성능 평가를 수행함으로써 다양한 조건에서의 철골철망모르타르조 보의 내화성능을 제시하고자 하였다.
또한, ‘건축물 피난 · 방화구조 등의 기준에 관한 규칙 제3조1)’에서는 내화구조를 법으로서 규정한 시방규정 위주로 구성되어 있다. 이에 본 연구에서는 건축법에서 규정하고 있는 법정내화구조와 관련한 내화성능을 검증하기 위해, 하중비 개념을 도입한 내화실험을 수행하였다.
제안 방법
이는 철골의 하중지지 유지구간이 B-5의 경우 낮은 하중조건으로 약 90분간 유지된것에 비해, B-6의 경우 약 30분간 유지되었기 때문에 이러한 경향이 나타난 것으로 분석된다. 동일 하중비 조건인 0.4에서 피복깊이에 따른 영향성을 분석하기 위하여, 60 mm 피복두께인 B-6과 70 mm 피복두께인 B-7을 비교하였다. 약 10 mm 정도의 피복효과가 있는 B-7이 B-6에 비해 약 10 mm 정도의 처짐제어 효과가 있는 것으로 분석된다.
일정 목표하중 사전재하를 선행한 후, ISO 표준가열곡선 조건에서 내화실험을 수행하였다. 또한 내화성능 평가는 KS조건에 의거하여 변형 및 변형률로 평가하였다.
매립형 철골철근 콘크리트 합성보와 철골철망 모르타르 조 보의 화재거동을 보의 중앙부 처짐을 기준으로 분석하였다.
법정 법정내화구조는 기둥, 보 및 벽 등 층수와 적용부위에 따라 내화성능을 1시간에서 3시간까지 규정하고 있으며, 가열상태가 지속될수록 구성재료의 강도 및 탄성계수의 감소가 부재의 구조적 안정성을 저감시키므로, 본 시험에서는 법정 법정내화구조의 최대 내화시간인 3시간 또는 파괴가 발생할 시점까지를 가열 시간으로 설정하였다. 가열온도곡선은 ISO 834 표준화재곡선으로 KS F2257-16)에서 규정한 실험조건에 따라 3시간 가열을 실시하였다.
재하하중 계산은 보 부재의 중앙부 단면소성모멘트를 구하고, 그에 따른 KBC에 명기된 공칭하중을 계산하였다. 설계하중을 산정하기 위해 0.85를 공칭하중에 부여하여 계산하고, 설계하중을 기준으로 하중비를 0.4~0.6으로 적용하여 고온재하조건에서의 내화실험을 수행하였다.
실험체 크기가 변화함에 따라 하중조건이 달라지기 때문에 이에 대한 동일한 조건을 구현하기 위하여 하중비 개념을 도입하였다. 이에 철골 철망 모르타르조 보의 하중조건에 따른 내화성능을 분석하기 위하여 Table 5와 같은 하중비 및 하중조건으로 내화실험을 수행하였다.
대상 실험체인 보 구조부재의 하중재하조건은 KS-F2257-1에 의거하여, Figure 2와 같이 4점재하로 진행하였다. 일정 목표하중 사전재하를 선행한 후, ISO 표준가열곡선 조건에서 내화실험을 수행하였다. 또한 내화성능 평가는 KS조건에 의거하여 변형 및 변형률로 평가하였다.
재하하중 계산은 보 부재의 중앙부 단면소성모멘트를 구하고, 그에 따른 KBC에 명기된 공칭하중을 계산하였다. 설계하중을 산정하기 위해 0.
철골을 피복하는 모르타르의 두께의 변화에 따른 구조 보의 내화성능을 분석하고자 B-3~B-8과 같이 실험체의 피복두께 변화를 부여하여 실험체를 제작하였으며, 피복두께에 의해 전체 실험체의 크기를 변화하여 제작하였다.
법정내화구조의 주요구조부의 하나인 보의 내화성능을 평가하기 위하여, Table 4와 같은 실험변수를 선정하였다. 철골이 매립된 합성 보의 피복두께에 따른 내화성능을 판단하고자 하였으며, 고온재하 하중조건에서의 변형 및 철골의 온도변화를 분석하였다.
철골이 매립된 합성구조인 보를 대상으로 내화실험을 수행하였으며, 피복두께에 따른 전열특성과 하중재하에 따른 처짐변화를 분석하였다.
대상 데이터
대상 실험체인 보 구조부재의 하중재하조건은 KS-F2257-1에 의거하여, Figure 2와 같이 4점재하로 진행하였다. 일정 목표하중 사전재하를 선행한 후, ISO 표준가열곡선 조건에서 내화실험을 수행하였다.
본 연구에서는 법정내화구조중 보 부재를 대상으로 하였으며, 그 중 매립형 합성부재인 철골철근콘크리트 보와 철골철망 모르타르조 보와 관련한 내화실험을 수행하였다.
이론/모형
법정 법정내화구조는 기둥, 보 및 벽 등 층수와 적용부위에 따라 내화성능을 1시간에서 3시간까지 규정하고 있으며, 가열상태가 지속될수록 구성재료의 강도 및 탄성계수의 감소가 부재의 구조적 안정성을 저감시키므로, 본 시험에서는 법정 법정내화구조의 최대 내화시간인 3시간 또는 파괴가 발생할 시점까지를 가열 시간으로 설정하였다. 가열온도곡선은 ISO 834 표준화재곡선으로 KS F2257-16)에서 규정한 실험조건에 따라 3시간 가열을 실시하였다.
성능/효과
1) 철골철근콘크리트 보의 경우, 하중비 0.5 이하까지는 하중에 의한 처짐변화가 크지 않으나 피복깊이 60 mm 이하의 철골철망 모르타르조 보의 경우 하중비를 증가할 수로 처짐에 의한 영향이 발생하게 된다.
2) 단면형상측면 및 하중지지성능을 고려할 경우, 철골철망 모르타르조 보에 비해 철골철근콘크리트가 내화성능확보에 유리하다.
3) 철골철근콘크리트 보의 경우, 피복 깊이 40 mm와 단면설계 모멘트대비 0.5 이하의 하중조건에서는 180분 내화성능을 확보할 수 있다.
4) 철골철망 모르타르조 보의 경우, 피복깊이 50 mm와 단면설계모멘트대비 0.3 이하의 하중조건에서는 180분 내화성능을 확보할 수 있다.
5) 피복깊이 60 mm가 확보된 철골철망 모르타르조 보의 경우, 단면설계모멘트 대비 0.4 이하의 하중조건에서 180분 내화성능을 확보할 수 있다.
6) 피복깊이 70 mm가 확보된 철골철망 모르타르조 보의 경우, 단면설계모멘트 대비 0.6 이하의 하중조건에서는 180분 내화성능을 확보할 수 있다.
동일 하중비 0.3 조건에서 피복깊이 40 mm를 확보한 철골철근콘크리트 보[B-1]와 철골철망 모르타르조 보[B-4]를 비교한 결과, 약 5 mm 정도의 근소한 처짐 차이로 거의 유사한 경향성을 나타내었다. 이는 철골철망 모르타르조 보에 비해 피복깊이를 10 mm 낮게 확보한 것을 감안할 경우, 철골 철근콘크리트 보가 철골철망 모르타르조 보에 비해 내화성능을 보다 효과적으로 확보할 수 있다고 판단된다.
철골철망 모르타르조 보의 피복두께에 따른 온도의 영향성을 분석한 결과, 피복두께를 60 mm 이상 확보할 경우 180분 시점에서 평균온도는 303.4 ℃, 최대온도는 490 ℃ 이내로 철골부재의 온도가 안정적으로 나타났다. 하중변화에 따른 온도상승의 경향성은 하중비 0.
철골철망모르타르조 보의 피복두께에 따른 온도변화를 비교한 결과, 피복두께가 가장 깊은 70 mm인 경우에는 평균온도는 258.8 ℃이고, 최대온도는 337.4 ℃로서 피복두께가 작은 실험체에 비해 철골에의 온도전달을 모르타르가 효과적으로 제어하는 것으로 나타났다. 하중변화에 따른 온도상승의 경향성은 하중비 0.
B-1 실험체의 내화시험결과 가열시작 약 10분경과 후 보 모서리 부위에서 폭렬이 발생하였으며, 폭렬로 인해 하부 철근이 일부 노출되었다. 철근[피복: 40 mm]의 온도와 철골[피복 80 mm]의 온도를 비교한 결과 콘크리트 40 mm의 피복효과로 인해 철근온도가 철골온도의 약 1.5배 정도 높게 나왔다. 철근의 온도가 상승하였으나, 하중지지가 가능한 철골의 온도는 250 ℃ 내외로 안정적으로 나타났다.
5배 정도 높게 나왔다. 철근의 온도가 상승하였으나, 하중지지가 가능한 철골의 온도는 250 ℃ 내외로 안정적으로 나타났다. 이로 인해 부재 자체의 하중지지성능을 철골이 유지하여 법적내화 최대성능시간인 3시간을 확보하는 것으로 분석된다.
B-3 실험체의 내화시험결과 가열시작 약 8분경과 후보 모서리 부위에서 폭렬이 발생하였으며, 폭렬로 인해 하부 와이어매쉬가 일부 노출되었다. 피복두께 50 mm가 확보된 B-3과 B-4 실험체의 철골의 온도[평균 280 ℃이내, 최대온도 480 ℃ 이하]는 KS F2257-67)에서 규정하는 온도한계[평균 538 ℃, 최대 649 ℃] 이하로 철골의 하중지지성능을 보유할 수 있는 것으로 나타났다. 철골철근콘크리트의 경우 하중비가 0.
후속연구
6으로 계산된다. 그러므로 본 연구에서는 설계하중대비 0.4~0.6의 하중비를 대상으로 실험을 수행하였으며, 향후 설계하중대비 0.6이상의 하중비 조건에서의 내화실험을 수행하여 법정 내화구조의 적정한 하중비를 도출할 수 있는 연구를 추가로 진행할 계획이다.
참고문헌 (7)
국토해양부, "건축물의 피난.방화구조 등의 기준에 관한 규칙", 국토해양부령 제 320호(2010).
한국건설기술연구원, 건축물 법정내화구조 정비 및 제도개선방안[1차년도 보고서](2011).
국토해양부, "건축구조기준(KBC 2009)", 국토해양부 고시 제 2009-1245호(2009).
한국건설기술연구원, "내화구조 표준보급 및 화재안전기준 선진화", 한국건설기술연구원(2010).
한국건설기술연구원, "구조물 성능기반 화재안전해석 및 설계기술개발 - 4차년도 보고서", 한국건설기술연구원(2010).
한국기술표준원, "건축부재의 내화시험방법-일반요구사항", KS F 2257-1, 한국표준협회(2005).
한국기술표준원, "건축부재의 내화시험방법-보의 성능조건", KS F 2257-6, 한국표준협회(2006).
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