[논문]초고강도 콘크리트의 고온 변형 특성을 고려한 변형모델 상수 검토

황의철; 김규용; 최경철; 윤민호; 이보경

doi:10.11112/jksmi.2016.20.6.091

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초고강도 콘크리트를 이용한 부재의 내화 성능을 검토하기 위해서는 실제부재 단위의 시험에 의한 평가가 요구되고 있다. 그러나 실제부재 실험을 하기 위해서는 재하 능력이 큰 시험 장비가 필요하기 때문에, 재료 모델을 이용한 해석적 연구를 통해 내화 성능을 평가하고 있다. 본 연구에서는 80, 130 및 180 MPa의 초고강도 콘크리트를 대상으로 고온 가열시의 변형 특성을 실험적으로 평가하고 초고강도 콘크리트에 대한 기존 변형 모델의 적용을 검토했다. 그 후, 최소 제곱법에 의해 실험 값과 기존의 변형 모델을 적용한 계산 값의 누적 오차가 가장 작은 상수 값을 도출하고 초고강도 콘크리트에 적용 할 수 있는 변형 모델을 제시했다.

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Evaluation on the test of actual concrete member to confirm the fire resistance of the concrete member using ultra-high strength concrete is required. However, test equipment which has large loading capacity is needed to the actual member experiment. So, many researchers evaluated the fire performan...

Evaluation on the test of actual concrete member to confirm the fire resistance of the concrete member using ultra-high strength concrete is required. However, test equipment which has large loading capacity is needed to the actual member experiment. So, many researchers evaluated the fire performance through analytical studies using the material models. This study experimentally evaluated strain properties on ultra-high-strength concrete of 80, 130 and 180 MPa with heating and examined to apply the existing strain model about ultra-high-strength concrete. As a results, constants are drawn by method of least squares applying experimental values and calculated values by the existing strain model, it proposed strain model that can be applied to ultra-high-strength concrete.

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 압축 강도 80, 130 및 180 MPa의 초 고강도 콘크리트에 대하여 Anderberg의 모델(Anderberg et al., 1976)에서 사용하는 네 가지 변형 특성을 실험적으로 평가했다. 또한 이 실험 값을 이용하여 각각의 변형 모델에 적용할 수 있는 상수를 검토하고, 초고강도 콘크리트를 이용한 구조 부재의 변형 분석에 사용할 수 있는 기초 자료를 제시하는 것을 목적으로 했다.
, 1976)에서 사용하는 네 가지 변형 특성을 실험적으로 평가했다. 또한 이 실험 값을 이용하여 각각의 변형 모델에 적용할 수 있는 상수를 검토하고, 초고강도 콘크리트를 이용한 구조 부재의 변형 분석에 사용할 수 있는 기초 자료를 제시하는 것을 목적으로 했다.

대상 데이터

고온 변형 특성을 평가한 시험체는「KS F 2403 콘크리트의 강도 시험용 시험체 제작 방법」에 준하여 ∅100 × 200 mm의 원주형 시험체로 제작했다. 시험체의 양생은 콘크리트 재령 24시간에서 탈형하고 28일 표준 수중 양생을 실시한 후, 온도 20 ± 2°C, 상대 습도60 ± 5%의 항온 항습실에서 재령 300일까지 기건 양생을 실시했다.
본 연구의 실험 계획을 Table 1에, 사용 재료의 물리적 특성을 Table 2에, 콘크리트의 배합을 Table 3에 나타냈다. 실험은 W/B 20.0, 14.5, 12.5%의 초고강도 콘크리트를 사용하였고, 가열 시의 하중 재하 조건은 비 재하 및 콘크리트의 최대 압축응력의 0.25배(0.25 fcu) 및 최대 압축 응력의 0.40배(0.40 fcu)의 3가지로 설정했다. 목표 가열 온도는 20, 100, 200, 300, 500, 700°C로 설정했다.

이론/모형

반면에, 본 실험의 범위에서 검토 한 초고강도 콘크리트는 300℃까지 탄성 재료 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 본 실험에서 사용한 초고강도 콘크리트의 응력-변형 곡선의 모델은 Eurocode에서도 채용되고 있는 Popovics의 식 (3)을 적용하여(Koji et al., 2010) 응력-변형 곡선에서의 최대 응력 값을 압축 강도로 하여, 상온에 대한 고온 압축 강도 비 및 압축 강도 실험시의 변형 값을 사용하여 계산했다. 실험값과 계산 값의 누적 오차가 가장 작아지도록 n 값을 도출하여 Table 6에 나타냈다.
초고강도 콘크리트의 크리프 변형 모델은 본 실험에서 얻어진 크리프 변형 값과 시간에 의한 경화 법칙을 적용하여 Anderberg가 제시한 식 (4)를 이용 하였다. 상수 a, b의 값은 Table 7에 나타내었다.

성능/효과

1) 고온을 받은 초고강도 콘크리트의 열팽창 변형, 응력-변형, 크리프 변형 및 과도 변형을 평가 한 결과, 보통 강도 콘크리트와 다른 변형 특성이 나타나는 것을 확인했다.
3) 초고강도 콘크리트의 변형 값과 기존의 변형 모델에서 제안 된 값을 비교하여 누적 오차가 가장 작은 상수 값을 도출하여 초고강도 콘크리트를 이용한 부재의 변형 해석에 필요한 고온 변형 특성 모델의 상수 값을 제시했다.
반면에, 본 실험의 범위에서 검토 한 초고강도 콘크리트는 300℃까지 탄성 재료 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 본 실험에서 사용한 초고강도 콘크리트의 응력-변형 곡선의 모델은 Eurocode에서도 채용되고 있는 Popovics의 식 (3)을 적용하여(Koji et al.
본 실험의 범위에서 검토한 초고강도 콘크리트는 일반강도 및 고강도 콘크리트에 비해 비교적 낮은 온도인 300℃이상에서도 수축 파괴 현상이 보였다. 이것은 굵은 골재의 최대 치수가 작고, 결합재량이 많은 초고강도 콘크리트가 재하 하중과 고온을 동시에 받는 경우, 콘크리트 매트릭스의 결속력이 약해져 수축 변형이 갑자기 증가하기 때문인 것으로 생각된다.
6에 나타냈다. 초고강도 콘크리트의 크리프 변형은 압축강도에 관계없이 가열온도가 높아질수록 증가하는 경향을 보였다.
4에 초고강도 콘크리트의 열팽창 변형을 나타냈다. 콘크리트의 압축 강도에 관계없이 650℃까지 가열 온도가 높아질수록 열팽창 변형이 증가하는 경향이 나타났다. 가열 온도 650℃이상에서 팽창 변형하는 경향이 작아졌으며, 700°C에서 열팽창 변형은 0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	일반강도 콘크리트와 비교했을 때 초고강도 콘크리트의 특징은?	초고강도 콘크리트는 일반강도 콘크리트에 비해 결합재 양이 매우 많고, 콘크리트 내부조직구조가 치밀하며, 화재 시 폭렬 및 급격한 내력 저하가 발생할 가능성이 높다. 따라서, 초 고강도 콘크리트를 이용한 콘크리트 부재는 실제부재 실험을 실시하여 내화 성능을 확인할 필요가 있다(Kalifa et al.
	초고강도 콘크리트를 이용한 부재 실험 연구가 매우 적은 이유는?	그러나 초고강도 콘크리트를 이용한 부재 실험에는 재하능력이 큰 실험 장비가 필요하기 때문에 이에 관한 연구보고가 매우 적은 실정이다. 이에 선행 연구들은 축소 모형에 의한 실험 결과를 이용하여 초고강도 콘크리트의 내화 성능을 해석 적으로 평가하고 있다.
	실험 결과 초고강도 콘크리트의 열팽창 변형은 어떤 경향을 보였는가?	4에 초고강도 콘크리트의 열팽창 변형을 나타냈다. 콘크리트의 압축 강도에 관계없이 650°C까지 가열 온도가 높아질수록 열팽창 변형이 증가하는 경향이 나타났다. 가열 온도 650°C이상에서 팽창 변형하는 경향이 작아졌으며, 700°C에서 열팽창 변형은 0.0097을 나타냈다.

참고문헌 (11)

Anderberg, Y., and Thelandersson, S. (1976), Stress and Deformation Characteristics of Concrete, 2-Experimental Investigation and Material Behavior Model, Bulletin 54, University of Lund, Sweden.
Castillo, C., and Durrani, A. J. (1990), Effect of Transient High Temperature on High-strength Concrete, ACI Materials Journal, 81(1), 47-53.
ECCS-Technical Committee 3 (2001), Model Code on Fire Engineering, European Convention for Constructional Steel Work, First Edition, 47.
Eurocode2 (2004), Design of Concrete Structures, Part 1-2, General rules-structural fire design, The European Standard EN1992-1-2.
Hideki, K., Yuji, I., Atsushi, K., and Hiroto, T. (2007), Seismic Behavior of 200 MPa Ultra High Strength Steel Fiber Reinforced Concrete Columns under Varying Axial Load. Journal of advanced concrete technology, 5(2), 193-200.

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Kalifa, P., Menneteau, F. D., and Quenard, D. (2000), Spalling and Pore Pressure in HPC at High Temperatures. Cement and Concrete Research, 30, 1915-1927.

상세보기
Koji, T., Heisuke, Y., Masatoshi, T., Takeo, H., and Hideki, U. (2010), Experimental Study on Transient Strain of 100 N/ $mm^2$ High Strength Concrete exposed to Fire.
Lin, T. D., Ellingwood, B., and Piet, O. (1988), Flexural and Shear Behavior of Reinforced Concrete Beams during Fire Tests, PCA R&D Serial No. 1879.
RILEM TC 129-MHT (1995), Part 3-Compressive Strength for Service and Accident Conditions. Material and structures, 28, 410-414.

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Tao, J., Liu, X., Yuan, Y., and Taerwe, L. (2013), Transient Strain of Self-compacting Concrete Loaded in Compression Heated to $700^{\circ}C$ , Materials and Structures, 191-201.
Yamamoto, K., Watanabe, T. S., and Shimizu, Y. (2011), High-rise Building Operations using Ultra High Strength Concrete with a Design Strength of 200 MPa. Concrete Journal, 49(8), 37-42.

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