본 연구는 3시간 내화성능을 만족할 수 있는 고성능 무내화피복 CFT 기둥 개발을 위한 연구로서, 고로슬래그 미분말 치환율에 따른 성능평가를 실시한 결과 고로슬래그 미분말 치환율이 증가함에 따라 내화성능이 개선되는 것을 확인 할 수 있었으며, 내화성능을 고려한 CFT 기둥용 100MPa 충전콘크리트의 고로슬래그 미분말 적정 사용량은 40%로 나타났다. 이에 따라 고로슬래그 미분말 40% 혼입 100MPa 충전콘크리트를 적용한 CFT 실물 시험체를 대상으로 재하하중별 내화시험을 실시한 결과 재하하중이 증가함에 따라 내화성능 발현시간이 감소하는 것으로 나타났으며, 재하하중 2,000kN에서는 240분 이상의 내화성능을 나타내었고, 3,000kN에서는 184분, 4,000kN에서는 120분의 내화성능을 나타내었다.
본 연구는 3시간 내화성능을 만족할 수 있는 고성능 무내화피복 CFT 기둥 개발을 위한 연구로서, 고로슬래그 미분말 치환율에 따른 성능평가를 실시한 결과 고로슬래그 미분말 치환율이 증가함에 따라 내화성능이 개선되는 것을 확인 할 수 있었으며, 내화성능을 고려한 CFT 기둥용 100MPa 충전콘크리트의 고로슬래그 미분말 적정 사용량은 40%로 나타났다. 이에 따라 고로슬래그 미분말 40% 혼입 100MPa 충전콘크리트를 적용한 CFT 실물 시험체를 대상으로 재하하중별 내화시험을 실시한 결과 재하하중이 증가함에 따라 내화성능 발현시간이 감소하는 것으로 나타났으며, 재하하중 2,000kN에서는 240분 이상의 내화성능을 나타내었고, 3,000kN에서는 184분, 4,000kN에서는 120분의 내화성능을 나타내었다.
In this study, tests were carried out to find out a method to ensure the fire resistance performance of high-performance non-refractory coating CFT columns. For the high performance concrete fabrication with 100MPa, blast furnace slag(BS) and steel and nylon fibers were used. It was found that the p...
In this study, tests were carried out to find out a method to ensure the fire resistance performance of high-performance non-refractory coating CFT columns. For the high performance concrete fabrication with 100MPa, blast furnace slag(BS) and steel and nylon fibers were used. It was found that the partial replacement with BS improved the fire resistance performance of the concrete. Based on the results of lab tests, the large fire test was conducted. For this test, the CFTs with the size of ${\phi}500{\times}4,200mm$ and the reinforcement of SS 400 steel were prepared and they were subjected to a loading condition. It was found that as the level of load increased, the level of fire resistance decreased. For example, In with the loading condition of 2000kN the CFT could resist the fire for over 240 minutes, whereas, with the loading condition of 3,000kN and 4000kN applying to equivalent CFTs, the resisting time against fire were 184 minutes, and 120 minutes, respectively.
In this study, tests were carried out to find out a method to ensure the fire resistance performance of high-performance non-refractory coating CFT columns. For the high performance concrete fabrication with 100MPa, blast furnace slag(BS) and steel and nylon fibers were used. It was found that the partial replacement with BS improved the fire resistance performance of the concrete. Based on the results of lab tests, the large fire test was conducted. For this test, the CFTs with the size of ${\phi}500{\times}4,200mm$ and the reinforcement of SS 400 steel were prepared and they were subjected to a loading condition. It was found that as the level of load increased, the level of fire resistance decreased. For example, In with the loading condition of 2000kN the CFT could resist the fire for over 240 minutes, whereas, with the loading condition of 3,000kN and 4000kN applying to equivalent CFTs, the resisting time against fire were 184 minutes, and 120 minutes, respectively.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 3시간 내화성능을 만족할 수 있는 고성능 무내화피복 CFT 기둥 개발의 일환으로서, 100MPa 고강도 충전콘크리트의 내화성능을 극대화 할수 있는 배합을 도출하고, 그에 대한 검증을 위한 CFT 실물 시험체의 내화시험을 통해 실제 무내화피복 CFT 구조의 적용성 여부를 검토하고자 하였다.
이를 해결하기 위해 용접부위 파단을 최소화하기 위해서 CFT 강관을 원형으로 변경하여 용접부위를 최소화 하였으며, 내화성능을 더욱 극대화 할 수 있는 방안을 도출하고자 문헌조사를 실시한 결과 Wang[6] 및 Poon[7] 등의 연구 결과에 의하면 고로슬래그 미분말을 혼입한 콘크리트 에서 폭렬 혹은 박락현상은 일어나지 않았으며, 내화성능을 개선할 수 있다고 보고되고 있다. 이러한 내용을 바탕으로 충전콘크리트의 내화성능을 극대화하기 위한 방안으로 고로슬래그 미분말을 다량 치환한 100MPa급 충전 콘크리트 배합개발을 실시하고자 하였다.
제안 방법
따라서 본 실험에서는 기존 연구결과를 바탕으로 축력비 약 0.2∼0.5의 범위에 있는 2,000kN, 3,000kN, 4,000kN 3가지 수준으로 구분하여 축력비를 설정하였다. 또한, CFT 기둥의 내화성능 판단은 KS F 2257-1에서 제시하고 있는 수축량과 변형률 규정을 적용하여 축방향 수축량이 유효가열길이 4,200mm의 1/100 인 42mm 이상일 경우나 분당 변형량이 12.
또한, 경화 콘크리트 성상에서의 재령 3, 7, 28, 56일에 압축강도 측정을 실시하였으며, 간이내화시험의 경우 콘크리트 공시체를 배합당 각각 6개 (Φ 100X200mm)를 제작하여 ISO 표준 화재곡선(KS F 2257)에 따라 3시간 동안 가열한 후 폭렬발생 여부 및 잔존 압축강도를 평가하였다(Figure 3 참조).
CFT 구조에 적합한 결합재 종류를 선정하기 위한 실험 인자 및 수준은 Table 1과 같다. 먼저, 콘크리트 규격은 13-100-700으로 설정하였으며, 물-결합재 비는 17.0% 로 설정하였고, 고로슬래그 미분말 치환율은 (0, 20, 30, 40)% 4수준으로 설정하여 실험을 실시하였다. 또한, 섬유 혼입 량은 사전에 실시한 “최적 섬유 종류(조합) 및 혼입량 선정시험”을 통해 선정된 나일론 섬유 1.
대상 데이터
Table 3 및 4는 고로슬래그 미분말을 다량 치환한 100MPa 고강도 콘크리트 배합개발을 위한 사용재료의 물리적 특성을 나타낸 것으로서, 시멘트의 경우 H사에서 제조한 보통포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 고로슬래그 미분말의 경우 P사에서 제조한 고로슬래그 미분말(3종)을 사용하였다. 또한 잔골재의 경우 인천지역에 위치하고 있는 B사에서 채취한 세척사를 사용하였으며, 굵은골재는 Y 사에서 채취한 최대치수 13mm 부순골재를 사용하였다.
Table 3 및 4는 고로슬래그 미분말을 다량 치환한 100MPa 고강도 콘크리트 배합개발을 위한 사용재료의 물리적 특성을 나타낸 것으로서, 시멘트의 경우 H사에서 제조한 보통포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 고로슬래그 미분말의 경우 P사에서 제조한 고로슬래그 미분말(3종)을 사용하였다. 또한 잔골재의 경우 인천지역에 위치하고 있는 B사에서 채취한 세척사를 사용하였으며, 굵은골재는 Y 사에서 채취한 최대치수 13mm 부순골재를 사용하였다. 또한 폭렬방지를 위한 유기 섬유는 길이 13mm, 밀도 1.
이론/모형
가열에 따른 콘크리트의 온도는 콘크리트 단면의 중앙부에서 측정하였으며, 내화시험은 KS F 2257에 근거하여 한국건설기술연구원에서 재하내화시험을 수행하였다.
본 실험에서 실시한 콘크리트의 시험항목 및 방법은 Table 5와 같이 굳지않은 상태에서의 슬럼프 플로 및 500mm 도달시간, 공기량의 KS 기준에 따라 실험을 실시하였고, O-lot 시험은 JSCE-F 512, L-Flow 시험은 JSCE-F 514에 따라 실험을 실시하였다.
성능/효과
1) CFT 충전용 콘크리트의 내화성능 개선을 위해 고로 슬래그 미분말 치환율별 성능평가를 실시한 결과 고로슬래그 미분말 치환율이 증가함에 따라 유동성 및 점성, 충전성이 개선되었으며, 압축강도 측정결과 고로슬래그 미분말을 혼입함에 따라 혼입률에 관계없이 재령 28일에 설계기준강도인 100MPa를 모두 상회하는 것으로 나타났다.
2) 간이내화시험 결과 고로슬래그 미분말 치환율이 증가함에 따라 플레인 배합에 비해 잔존강도 20% 내외로 개선되는 것으로 나타나, 유동성, 충전성, 점성, 내화성능 등을 고려할 때 고로슬래그 미분말 40%를 혼입한 배합이 CFT 기둥 충전콘크리트에 가장 적합한 것으로 판단된다.
3) 재하하중에 따른 CFT 시험체의 온도이력 특성으로서 재하하중이 증가할수록 온도상승은 비교적 완만해지는 것으로 나타났고, 재하하중 조건에 관계없이 180분 이내에서는 중심부 온도가 300℃이하를 보이고 있어 고열노출로 인한 고강도 콘크리트의 폭렬현상은 발생되지 않을 것으로 판단된다.
4) 재하하중에 따른 CFT 실물 시험체의 내화시험 결과 재하하중이 증가함에 따라 내화성능 확보 한계 치인 수축량 한계 42mm 도달시간이 짧아지는 것으로 나타났는데, 2,000kN에서는 240분, 3,000kN에서는 184분, 4,000kN에서는 120분 정도로 나타남을 확인 할 수 있었다.
본 연구는 3시간 내화성능을 만족할 수 있는 고성능 무내화피복 CFT 기둥 개발을 위한 연구로서, 고로슬래그 미분말 치환율에 따른 성능평가를 실시한 결과 고로슬래그 미분말 치환율이 증가함에 따라 내화성능이 개선되는 것을 확인 할 수 있었으며, 내화성능을 고려한 CFT 기둥용 100MPa 충전콘크리트의 고로슬래그 미분말 적정 사용량은 40%로 나타났다. 이에 따라 고로슬래그 미분말 40% 혼입 100MPa 충전콘크리트를 적용한 CFT 실물 시험체를 대상으로 재하하중별 내화시험을 실시한 결과 재하하중이 증가함에 따라 내화성능 발현시간이 감소하는 것으로 나타났으며, 재하하중 2,000kN에서는 240분 이상의 내화성능을 나타내었고, 3,000kN에서는 184분, 4,000kN에서는 120분의 내화성능을 나타내었다.
이상을 토대로 살펴보면 전반적으로 재하하중 3,000kN 이하에서는 온도이력 및 수축량이 3시간 내화성을 확보할 수 있을 것으로 판단되어졌고 4,000kN이하의 조건에서는 2시간 내화성능을 확보할 수 있을 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
무내화피복 CFT 기둥은 어떤 효과가 있는 구조인가?
무내화피복 CFT 기둥의 경우 공간의 효율적 사용이라는 측면과 내화피복 공정의 생략으로 원가절감 및 공기단축 등의 효과까지 기대할 수 있는 구조이다. 화재가열을 받은 무내화피복 CFT 기둥의 거동을 살펴보면 Figure 1에 나타낸 바와 같이 가열 이후 초기에 강관이 팽창함에 따라 축력을 강관이 지지하게 된다.
CFT 구조의 특성은?
CFT 기둥의 경우 그 내력 및 변형 능력의 우수함은 입증되었으나, 콘크리트 충전성에 대한 불안과 내력평가 방식의 미비로 인하여 일반적인 구조형식으로 크게 발달하지 못하였지만, 최근에 콘크리트용 혼화제 및 혼합재 등의 성능 개선, 고유동 콘크리트의 개발 등으로 인해 선진국의 경우 많은 실험 및 연구가 수행되고 있는 실정이다. 이러 한 CFT 구조는 강관과 콘크리트 재료적 장점을 극대화시켜 구조적 성능, 내진성능, 시공성 및 경제성이 뛰어난 특성을 가진다. 특히, CFT 구조는 충전 콘크리트의 열용량이 크기 때문에 기둥 자체만으로 일정한 내화성능을 가지고 있다. 이에 따라 현재 일본을 비롯한 미국, 유럽 등지에서는 내화구조로서 상용되고 있지만 국내에서는 철골조와 같은 내화피복 방법을 적용해왔기 때문에 RC조나 SRC조에 비해 적용사례는 많지 않은 실정이다[1,2].
3시간 내화성능을 만족할 수 있는 고성능 무내화피복 CFT 기둥 개발을 위한 실험적 연구로서, 100MPa급 고강도콘크리트의 최적배합도출 및 이를 토대로한 CFT 실물 시험체 실험 중 CFT 충전용 콘크리트의 내화성능 개선을 위해 고로 슬래그 미분말 치환율별 성능평가를 실시한 결과는?
1) CFT 충전용 콘크리트의 내화성능 개선을 위해 고로 슬래그 미분말 치환율별 성능평가를 실시한 결과 고로슬래그 미분말 치환율이 증가함에 따라 유동성 및 점성, 충전성이 개선되었으며, 압축강도 측정결과 고로슬래그 미분말을 혼입함에 따라 혼입률에 관계없이 재령 28일에 설계기준강도인 100MPa를 모두 상회하는 것으로 나타났다.
참고문헌 (11)
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