일반적으로, 철근콘크리트 슬래브는 재료의 열적특성에 의해 높은 수준의 화재 저항 성능을 보유하고 있다. 그러나, 중공슬래브의 경우 일반 철근콘크리트 슬래브와는 다른 온도분포 및 화재 저항 성능을 보유하고 있을 것으로 예상된다. 중공슬래브는 콘크리트의 축열 효과를 발생시키는 공기층을 만들어내는 중공을 보유하고 있기 때문이다. 이에 연구에서는 중공슬래브의 화재 저항 성능을 평가하는 방법을 Wickstorm이 제안한 방법을 사용하여 제안하였다. 이 연구에서는 본 연구의 연구자가 제안한 도넛형 중공을 보유한 중공슬래브의 화재저항성능에 대한 단순화된 평가 방안을 제시하였다. 또한, 제안된 방법은 중공슬래브에 대한 화재실험을 통해 검증하였다. 이 연구의 결과를 통해 제안된 방법은 화재 발생 이후 중공슬래브의 잔존강도 추정이 가능함을 확인하였으며, 슬래브에 분포되는 온도의 특성을 정확하게 파악할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
일반적으로, 철근콘크리트 슬래브는 재료의 열적특성에 의해 높은 수준의 화재 저항 성능을 보유하고 있다. 그러나, 중공슬래브의 경우 일반 철근콘크리트 슬래브와는 다른 온도분포 및 화재 저항 성능을 보유하고 있을 것으로 예상된다. 중공슬래브는 콘크리트의 축열 효과를 발생시키는 공기층을 만들어내는 중공을 보유하고 있기 때문이다. 이에 연구에서는 중공슬래브의 화재 저항 성능을 평가하는 방법을 Wickstorm이 제안한 방법을 사용하여 제안하였다. 이 연구에서는 본 연구의 연구자가 제안한 도넛형 중공을 보유한 중공슬래브의 화재저항성능에 대한 단순화된 평가 방안을 제시하였다. 또한, 제안된 방법은 중공슬래브에 대한 화재실험을 통해 검증하였다. 이 연구의 결과를 통해 제안된 방법은 화재 발생 이후 중공슬래브의 잔존강도 추정이 가능함을 확인하였으며, 슬래브에 분포되는 온도의 특성을 정확하게 파악할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
Generally, the reinforced concrete slab has great fire resistance performance because concrete has excellent thermal material properties under fire. But, in the case of hollow slab, it will be expected that hollow slabs have different temperature distribution and fire endurance performance compare t...
Generally, the reinforced concrete slab has great fire resistance performance because concrete has excellent thermal material properties under fire. But, in the case of hollow slab, it will be expected that hollow slabs have different temperature distribution and fire endurance performance compare to reinforced concrete slab. Because hollow slab has internal void space that occurs decreasing regenerative effect of concrete and formation of internal air layer. Evaluation method for fire resistance performance of hollow slabs was proposed using $wickstr{\ddot{o}}m^{\prime}s$ method. For the casual use of evaluation, simplified method was proposed which was limited to solid slab and donut type hollow slab which was developed by authors of this research paper. Also, verification on proposed method was performed by comparing results of fire experiment for hollow slab and evaluation results. Proposed method of the results of this study was possible to predict the residual strength and temperature distribution of slabs under fire.
Generally, the reinforced concrete slab has great fire resistance performance because concrete has excellent thermal material properties under fire. But, in the case of hollow slab, it will be expected that hollow slabs have different temperature distribution and fire endurance performance compare to reinforced concrete slab. Because hollow slab has internal void space that occurs decreasing regenerative effect of concrete and formation of internal air layer. Evaluation method for fire resistance performance of hollow slabs was proposed using $wickstr{\ddot{o}}m^{\prime}s$ method. For the casual use of evaluation, simplified method was proposed which was limited to solid slab and donut type hollow slab which was developed by authors of this research paper. Also, verification on proposed method was performed by comparing results of fire experiment for hollow slab and evaluation results. Proposed method of the results of this study was possible to predict the residual strength and temperature distribution of slabs under fire.
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문제 정의
본 연구에서는 중공슬래브의 내화성능 평가 실험을 바탕으로 중공슬래브의 열적변화 특성을 기반으로 휨강도 및 처짐과 같은 구조적 특성을 추정하는 방법을 제안하고자 하였다. 이를 위해 기존 RC 슬래브와는 다른 중공 슬래브의 내부온도분포와 철근의 온도분포 특성을 분석하였으며, 이를 이용하여 Eurocode에서 제안하고 있는 재료의 강도저감계수를 이용하여 화재 시 중공슬래브의 강도 및 처짐을 예측하고자 하였다.
가설 설정
각 산정식을 살펴보면, 재하하중에 의한 처짐(νM,me)의 경우 k = M/EI의 기본적인 이론에서 접근하여 적분을 통해 처짐을 산정하였고, 열 하중에 의한 처짐의 경우, 두 가지의 가정 사항을 통해 산정하였다.
두 경우를 고려하여, 정방향 확산 함수는 nx,βottom으로, 역방향 확산 함수는 nx,τop으로 가정하였다.
(T)는 열 하중에 의한 변형률, h는 측정된 온도변화의 깊이를 나타낸다. 두 번째는 열 하중에 의한 처짐이 단부에 축력에 의해 발생한 것으로 가정한 것이다. 열 하중에 의한 부재 전체에 의한 처짐이 아닌 주철근의 변형증가에 따른 처짐으로 추정하고 축력에 따른 처짐식을 산정하였다.
11과 같이 인장 철근이 위치하는 정모멘트가 발생하는 표면부이다. 부재의 압축영역이 고온에 노출되지 않고 인장영역이 고온에 노출되었다고 가정 한다면, 화재 시 인장철근에 의해 부재의 강도저감이 발생한다. 이때 부재의 내화설계방법은 다음과 같다.
이에 중공슬래브 공기층 형성에 의한 단열현상을 내화 성능평가에 적용하기 위하여 재료의 열확산 특성 반영을 Fig. 7과 같이 가정하였다. 공기층을 가지고 있지 않는 일반 슬래브의 경우 Fig.
)의 경우 k = M/EI의 기본적인 이론에서 접근하여 적분을 통해 처짐을 산정하였고, 열 하중에 의한 처짐의 경우, 두 가지의 가정 사항을 통해 산정하였다. 첫 번째는 열 하중에 의한 처짐이 단부에 모멘트 의해 발생한 것으로 가정한 것이다. 단순 부재에 휨이 발생했을 경우로 일반적인 곡률유도 과정에 따라 식을 산정하였다.
제안 방법
압축강도의 변화는 화재로 인한 온도가 냉각된 이후에 대한 것으로 화재로 인해 발생하는 최대온도에 따라 압축강도를 추정할 수 있다. Fig. 1(a)는 규산질 골재를 사용한 콘크리트의 압축강도 변화로서 내화시험 중 압축강도비에 따른 하중 재하의 영항을 평가하였으며, 대기 상태로 냉각시킨 후 압축강도를 초기 압축강도의 변동 특성을 규정하였다.
이와 같이 내부피복두께 12 mm를 확보한 도넛형 이방향 중공슬래브 GB210-100 실험체와 GB250-140 실험체의 경우 내화실험 수행결과 변형량과 이면상승온도의 기준치를 초과하지 않으며 수평부재의 내화성능인 120분의 내화성능을 만족하였다. 반면에 내부피복이 없이 철근과 중공면이 맞닿아있는 GB210-120 실험체의 경우 실험이 수행되는 동안 각각의 기준치를 초과하지는 않았지만 수평 부재의 필요 내화성능인 120분의 내화성능을 만족하지 못하고 36분에 콘크리트 하부면의 폭렬현상 발생으로 추가적인 가열 없이 실험을 종료하였다.6)
화재 노출 시 휨 부재의 처짐 발생의 원인으로는 크게 재하하중에 의한 처짐(νM,me)과 열하중에 의한 처짐(νΦ,th)으로 나누어진다. 본 연구에서는 Fig. 14와 같이 각각의 처짐을 단일요소로 가정하여 재하하중에 의한 처짐과 열 하중에 의한 처짐을 산정 후 합하는 형태로 처짐 평가 방법을 산정하였다.
본 연구에서는 배합강도 30 MPa의 콘크리트와 플라스틱(PP)재질의 도넛형 중공형성체를 적용하여 중공슬래브의 두께(210 mm, 250 mm) 및 중공형성체와 하부철근 사이의 피복두께(0 mm, 12 mm)를 실험변수로 하여 Table 1과 같이 내화실험체를 계획하였다. 내화실험이 수행된 도넛형 이방향 중공슬래브 실험체 형상은 Fig.
상기 해석을 바탕으로 실험 시 설치된 열전대 값과 비교하여 중공슬래브 하부면에서 상부면으로 향하는 높이에 따른 회귀분석을 통해 산출하였다. 슬래브의 하부면에서 상부면으로 향하는 높이에 따라 내부온도분포를 통하여 산출하였다. 앞서 nx,τop 함수와nx,βottom 함수를 통해 산정된 콘크리트 및 공기의 열확산을 모두 고려하기 위하여 제시한 두 함수를 합성한 함수 nx,sum를 통하여 중공슬래브 내부온도분포를 구체적으로 산출할 수 있도록 하였다.
중공슬래브에 대한 내화실험을 수행한 결과를 Table 2에 나타내었다. 실험체 모두 L/30=140 mm의 기준을 초과하지 않았기 때문에 변형률을 제외한 변형량에 대해서만 내화성능을 평가하였다.
앞서 nx,τop 함수와nx,βottom 함수를 통해 산정된 콘크리트 및 공기의 열확산을 모두 고려하기 위하여 제시한 두 함수를 합성한 함수 nx,sum를 통하여 중공슬래브 내부온도분포를 구체적으로 산출할 수 있도록 하였다.
두 번째는 열 하중에 의한 처짐이 단부에 축력에 의해 발생한 것으로 가정한 것이다. 열 하중에 의한 부재 전체에 의한 처짐이 아닌 주철근의 변형증가에 따른 처짐으로 추정하고 축력에 따른 처짐식을 산정하였다. 열 변형률의 경우 Eurocode1,2)에 제시되어 있는 철근의 열 변형률을 적용하였으며, 크리프에 의한 변형률에 경우 선행연구 제안식9)을 적용하였다.
이러한 가정 사항을 기반으로 중공슬래브의 온도 분포 추정방법은 Fig. 8와 같이 nx,βottom함수의 경우, 일반 철근콘크리트 슬래브와 같다고 가정하여, Wickström 제안식을 따라 산출하였으며, nx,τop 함수는 중공슬래브 단위 모델을 대상으로 범용 유한요소 해석프로그램인 Ansys를 사용하여 열전달해석을 수행하였다.
본 연구에서는 중공슬래브의 내화성능 평가 실험을 바탕으로 중공슬래브의 열적변화 특성을 기반으로 휨강도 및 처짐과 같은 구조적 특성을 추정하는 방법을 제안하고자 하였다. 이를 위해 기존 RC 슬래브와는 다른 중공 슬래브의 내부온도분포와 철근의 온도분포 특성을 분석하였으며, 이를 이용하여 Eurocode에서 제안하고 있는 재료의 강도저감계수를 이용하여 화재 시 중공슬래브의 강도 및 처짐을 예측하고자 하였다.
이는 Wickström’s Method가 중공의 영향을 고려하지 못하고 콘크리트 재료에 대한 영향만을 고려하였기 때문인 것으로 판단된다. 이에 중공부의 단열효과를 고려한 온도 추정식을 제안하였으며, 중공슬래브를 제안된 온도 추정식을 바탕으로 강도평가 방법에 따라 수행하였다.
제안된 방법을 적용하여 도넛형 이방향 중공슬래브의 처짐 평가를 수행하기 위해 실험체 GB210-100의 하부철근 온도를 이용하였다. 이는 이방향 중공 슬래브의 처짐에 대해 보수적인 평가를 하기위해 하부철근의 최대 온도값을 이용하였다.
제안된 온도추정식을 이용하여 Eurocode에 명시되어 있는 고온 시 콘크리트 압축강도 감소계수와 철근의 인장강도 감소계수를 적용하여 휨강도를 산정하였다. 콘크리트의 경우 내화 설계 시 압축영역 상부의 압축강도를 이용하여 설계하지만 보수적인 평가를 위해 중앙부 콘크리트의 온도를 기준으로 Fig.
제안된 중공슬래브의 온도분포 추정방법을 적용하기 위하여 중공슬래브 단위모델을 대상으로 열전달해석5)과 수치해석을 수행하였다. 이를 통해 확산 함수 nx,βottom,nx,τop,nx,sum을 산출하였으며, 구체적인 결과는 Fig.
화재 시 중공슬래브의 사용성 평가에 대한 정량적인 평가를 위해 기존의 역학적 처짐법과 중첩법을 이용하여 처짐 평가 방법을 제안하였다. 화재 노출 시 휨 부재의 처짐 발생의 원인으로는 크게 재하하중에 의한 처짐(νM,me)과 열하중에 의한 처짐(νΦ,th)으로 나누어진다.
대상 데이터
내화실험이 수행된 도넛형 이방향 중공슬래브 실험체 형상은 Fig. 3 및 Table 1과 같이 양쪽 각각 250 mm의 지지대 부분을 포함하여 4700 mm×3000 mm 크기의 직사각형 형태로 제작되었다.
수행된 내화실험 대상 실험체6)는 단순 지지된 중공 슬래브로서 단면 내에 상부철근과 하부 철근이 배근된 복 철근 단면이다. 화재로 인한 온도하중의 영향을 받은 위치는 Fig.
데이터처리
Fig. 10은 Wickstrom’s method8)와 제안된 방법을 대상으로 화재 노출 시 하부철근의 내부 온도변화를 산출하였으며, 중공슬래브의 내화 실험결과와 비교하였다.
산출된 함수인 식 (5), (6)를 적용하여 제안된 방법의 신뢰성을 확보하기 위해 도넛형 이방향 중공슬래브의 내화실험결과와 제안된 온도추정방법을 비교하였다. Fig.
8와 같이 nx,βottom함수의 경우, 일반 철근콘크리트 슬래브와 같다고 가정하여, Wickström 제안식을 따라 산출하였으며, nx,τop 함수는 중공슬래브 단위 모델을 대상으로 범용 유한요소 해석프로그램인 Ansys를 사용하여 열전달해석을 수행하였다. 상기 해석을 바탕으로 실험 시 설치된 열전대 값과 비교하여 중공슬래브 하부면에서 상부면으로 향하는 높이에 따른 회귀분석을 통해 산출하였다. 슬래브의 하부면에서 상부면으로 향하는 높이에 따라 내부온도분포를 통하여 산출하였다.
완전하게 시험이 종료된 두 실험체를 대상으로 Fig. 6에 Wickström 제안식을 적용하여 도넛형 중공슬래브의 하부철근 온도분포를 비교하여 나타내었다.
이론/모형
3 및 Table 1과 같이 양쪽 각각 250 mm의 지지대 부분을 포함하여 4700 mm×3000 mm 크기의 직사각형 형태로 제작되었다. 내화실험은 KS F 2257-5 건축부재의 내화시험 방법에 규정된 조건에 따라 수행하였다. 가열 온도의 경우 ISO 834 표준시간-가열온도곡선에 따라 슬래브 하부면을 120분 동안 가열하였다.
열 하중에 의한 부재 전체에 의한 처짐이 아닌 주철근의 변형증가에 따른 처짐으로 추정하고 축력에 따른 처짐식을 산정하였다. 열 변형률의 경우 Eurocode1,2)에 제시되어 있는 철근의 열 변형률을 적용하였으며, 크리프에 의한 변형률에 경우 선행연구 제안식9)을 적용하였다.
성능/효과
가열 시간 2시간일 때 중공슬래브의 내화 실험결과와 Wickström 제안식과 비교 시 16%의 오차가 발생하였으며, 실험결과에 비해 낮은 온도분포를 예측하는 것으로 나타났다.
공기층을 고려하여 제안된 온도추정방법의 결과와 Wickstrom’s method8)의 결과 비교 시 평균 10% 오차율을 나타냈다.
그 결과 2시간일 때의 콘크리트 강도 저감율은 Wickström’s Method의 경우와 제안된 방법, 각 실험체의 실측값을 비교하였을 경우 약 2%내외의 오차율로 비교적 정확히 예측할 수 있는 것으로 나타났다.
그 결과 상온에서보다 40%의 강도 저감이 발생하였으며, 제안된 방법과 실험결과와 비교 시 2.7% 오차로 제안된 방법을 통해 신뢰성 있는 강도평가가 가능한 것으로 판단된다. 또한 제안된 처짐 평가방법에 따라 수행한 결과, 제안된 처짐 평가방법과 실험결과와 비교 시 4.
내화 실험이 수행된 2시간동안 Wickström’s Method의 경우 30%까지 강도가 저감되었으며, GB210-100 실험체의 경우 42%, GB250-140 실험체의 경우 39%, 제안된 방법의 경우 40%의 강도 저감을 나타내고 있다.
따라서 제안된 방법을 이용하여 화재 시 도넛형 이방향 중공 슬래브의 휨강도평가를 수행할 경우(Fig. 13) Wickström’s Method보다 정확한 휨강도평가가 가능한 것으로 판단된다.
의 결과 비교 시 평균 10% 오차율을 나타냈다. 또한 제안된 방법의 결과와 내화 실험결과 비교 시 평균 0.84% 오차율을 나타내는 것으로 확인할 수 있었다. 따라서 화재 시 중공부의 공기층을 고려한 중공 슬래브 의 내부 온도 추정식에 대한 신뢰성을 확보하였다고 판단된다.
7% 오차로 제안된 방법을 통해 신뢰성 있는 강도평가가 가능한 것으로 판단된다. 또한 제안된 처짐 평가방법에 따라 수행한 결과, 제안된 처짐 평가방법과 실험결과와 비교 시 4.0%의 오차율이 발생하였으며, 축력에 의한 처짐 평가방법이더 적합한 것으로 판단된다.
제안된 평가방법과 Wickström’s Method의 결과 비교 시 평균 11%의 오차율을 나타내었다. 또한 제안된 평가방법과 중공슬래브의 내화실험 결과 비교 시 평균 2.7% 오차율을 나타내고 있다. 따라서 제안된 방법을 이용하여 화재 시 도넛형 이방향 중공 슬래브의 휨강도평가를 수행할 경우(Fig.
13) Wickström’s Method보다 정확한 휨강도평가가 가능한 것으로 판단된다. 또한, 콘크리트와 철근의 강도 저감율로 미루어 보아 화재시 콘크리트의 압축강도보다 철근의 인장강도에 의해 부재의 강도감소에 더 큰 영향을 미치는 것으로 사료된다.
0%의 오차율을 보였다. 반면 2시간동안의 제안된 평가방법과 내화실험결과에 따른 처짐 산정결과 비교 시 휨모멘트에 의한 처짐 산정의 경우 선형분포의 결과를 나타내었으며, 축력에 의한 처짐 산정의 경우 내화실험과 유사한 온도분포를 나타내고 있다. 이에 따라 중공슬래브의 처짐 평가 시 제안한 처짐 평가 방법이 더 적합한 것으로 판단된다.
반면 2시간동안의 제안된 평가방법과 내화실험결과에 따른 처짐 산정결과 비교 시 휨모멘트에 의한 처짐 산정의 경우 선형분포의 결과를 나타내었으며, 축력에 의한 처짐 산정의 경우 내화실험과 유사한 온도분포를 나타내고 있다. 이에 따라 중공슬래브의 처짐 평가 시 제안한 처짐 평가 방법이 더 적합한 것으로 판단된다.
제안된 평가방법과 Wickström’s Method의 결과 비교 시 평균 11%의 오차율을 나타내었다.
15와 같이 나타났다. 제안된 평가방법과 내화실험에 따른 결과 비교 시 온도하중을 모멘트나 축력으로 변화시키는 것에 관계없이 2시간일 때 평균 4.0%의 오차율을 보였다. 반면 2시간동안의 제안된 평가방법과 내화실험결과에 따른 처짐 산정결과 비교 시 휨모멘트에 의한 처짐 산정의 경우 선형분포의 결과를 나타내었으며, 축력에 의한 처짐 산정의 경우 내화실험과 유사한 온도분포를 나타내고 있다.
중공슬래브를 Wickström’s Method에 적용하여 온도추정을 수행해 본 결과, 중공슬래브의 내화성능에 대해 과대평가하는 경향을 보이고 있었다.
후속연구
다만, 중공슬래브의 중공형성에 있어 공기층이 형성되지 않을 경우, 중공부변화(중공체형상, 중공부의 크기, 위치 등)에 대한 적용을 위해서는 추가적 연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
건축물의 내화설계법은 어떻게 나눌 수 있는가?
건축물의 내화설계법은 일정 기준을 만족하도록 의무화된 사양적 내화설계법과, 점차 발전되고 있는 건설 기술을 포괄할 수 있도록 유연도를 갖춘 성능적 내화설계법으로 나눌 수 있으며, 건축물의 공간조건, 가연물, 환기조건, 발화원인 등을 판단하여 효과적인 내화설계 방법을 채택하는 것이 일반적이다. 국내 내화구조는 법정내화구조(사양적구조)와 인정내화구조로 규정하고 있으며, 화재 상황에서 철근콘크리트 구조부재의 내화성능 특성은 철근콘크리트 구조부재의 표준-화재실험(Standard Fire Test)을 통해 표준화재 온도-시간 곡선에 따라 공기를 가열하여 구조 부재의 거동을 평가하고 있다.
화재 상황에서 철근콘크리트 구조부재의 내화성능 특성은 어떻게 평가할 수 있는가?
건축물의 내화설계법은 일정 기준을 만족하도록 의무화된 사양적 내화설계법과, 점차 발전되고 있는 건설 기술을 포괄할 수 있도록 유연도를 갖춘 성능적 내화설계법으로 나눌 수 있으며, 건축물의 공간조건, 가연물, 환기조건, 발화원인 등을 판단하여 효과적인 내화설계 방법을 채택하는 것이 일반적이다. 국내 내화구조는 법정내화구조(사양적구조)와 인정내화구조로 규정하고 있으며, 화재 상황에서 철근콘크리트 구조부재의 내화성능 특성은 철근콘크리트 구조부재의 표준-화재실험(Standard Fire Test)을 통해 표준화재 온도-시간 곡선에 따라 공기를 가열하여 구조 부재의 거동을 평가하고 있다. 그러나 이러한 사양적 내화설계 기준으로는 고온 시 단면 내의 열응력을 고려한 구조물의 거동, 강도 저하 정도, 재하하중의 영향을 정확히 파악하기 어렵다.
Wickström’s Method에 적용하여 온도추정을 수행해 본 결과 중공슬래브의 내화성능에 대해 과대평가하는 경향을 보인 이유는?
중공슬래브를 Wickström’s Method에 적용하여 온도추정을 수행해 본 결과, 중공슬래브의 내화성능에 대해 과대평가하는 경향을 보이고 있었다. 이는 Wickström’s Method가 중공의 영향을 고려하지 못하고 콘크리트 재료에 대한 영향만을 고려하였기 때문인 것으로 판단된다. 이에 중공부의 단열효과를 고려한 온도 추정식을 제안하였으며, 중공슬래브를 제안된 온도 추정식을 바탕으로 강도평가 방법에 따라 수행하였다.
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