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문제 정의
- 이에, 내화피복 없이 내화성능을 만족할 수 있고, 효율적으로 내력을 확보 할 수 있는 CFT 시스템이 요구되고 있다. 따라서 본 연구에서는 축력에 강한 곡선형 강재 리브(Corrugate rib)보강재를 적용하여 구조적 압축 및 좌굴저항능력을 향상시킨 무내화피복 CFT공법을 개발하고자 한다.
- 본 연구에서는 축력에 강한 곡선형 강재리브(Corrugate rib)구조형상 개발을 통한 강관 보강재 성능향상과 이에 대한 검증을 CFT 기둥 재하 내화시험을 통해 성능을 확인함으로써 무내화피복 CFT 공법을 개발하고자 하였는데, 그 내용을 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- 1) 강재 리브의 형상을 EN 1993-1-5와 DIN 18800 T1-3의 유럽 규준으로 설계하고, 이를 강관 내면에 부착한 CFT 기둥을 개발하였다. 강관 내부에 부착되는 Corrugated-rib는 자동 기계용접을 통해 steel-tube 내부 부착의 일체형 공장제작으로 설계하였다.
- CFT 기둥 시험체의 제작을 위한 실험계획으로 Table 2와 같이 40 MPa급 콘크리트를 배합 설계하여 타설하였다. 실험측정사항으로는 굳지 않은 콘크리트에서는 슬럼프, 공기량 및 콘크리트 온도를 측정하는 것으로 계획하였고, 경화 콘크리트에서는 재하 내화시험에 대한 기둥부재의 온도이력을 측정하는 것으로 계획하였다.
- 내화로의 가력기(Actuator)의 최대 재하하중은 2 940 kN이지만, 장비의 안전관리를 위해 2 500 kN이하로 재하하중을 제한하였고, 고정압축하중을 재하한 상태에서 ISO-834 표준화재 가열곡선에 따라 180분간 내화시험을 진행하였다. 가열시간에 따른 시험체의 온도는 CFT강관외부(Ch1, 7, 15), 보강리브면(ch8~12)과 표면부 콘크리트(ch2~6, ch16~19) 코어부 콘크리트(ch13, 14)에 각각 K-Type 1 mm 열전대(이하 Thermocouple)를 설치하였고, 열전대는 기둥 중앙부로 길이방향으로 하부 끝단에서 1.5 m 지점의 단면에 설치하였다. 또한, 강관 외부와 깊이 방향으로 20 mm 간격으로 설치하여 콘크리트와 보강 리브의 깊이에 따른 온도변화를 확인하였다.
- 1) 강재 리브의 형상을 EN 1993-1-5와 DIN 18800 T1-3의 유럽 규준으로 설계하고, 이를 강관 내면에 부착한 CFT 기둥을 개발하였다. 강관 내부에 부착되는 Corrugated-rib는 자동 기계용접을 통해 steel-tube 내부 부착의 일체형 공장제작으로 설계하였다.
- 1 %/Vol의 NY 섬유를 적용하였다. 내화로의 가력기(Actuator)의 최대 재하하중은 2 940 kN이지만, 장비의 안전관리를 위해 2 500 kN이하로 재하하중을 제한하였고, 고정압축하중을 재하한 상태에서 ISO-834 표준화재 가열곡선에 따라 180분간 내화시험을 진행하였다. 가열시간에 따른 시험체의 온도는 CFT강관외부(Ch1, 7, 15), 보강리브면(ch8~12)과 표면부 콘크리트(ch2~6, ch16~19) 코어부 콘크리트(ch13, 14)에 각각 K-Type 1 mm 열전대(이하 Thermocouple)를 설치하였고, 열전대는 기둥 중앙부로 길이방향으로 하부 끝단에서 1.
- 5 m 지점의 단면에 설치하였다. 또한, 강관 외부와 깊이 방향으로 20 mm 간격으로 설치하여 콘크리트와 보강 리브의 깊이에 따른 온도변화를 확인하였다.
- 화재성능실험은 시험체를 무피복 상태로 KS F 2257-1(건축 부재의 내화시험방법 일반요구사항)에서 제시하는 표준시간-가열온도곡선과 재하를 동시에 실시하여 변형량 및 변형률을 측정하여 내화성능을 검토하였다. 실험방법은 재하가열시험(초기 재하하중을 종료 시까지 유지하면서 가열함)으로 하였으며 재하하중은 CFT 기둥 시험체 공칭강도의 15%인 1,800 kN으로 하였다. 기둥 시험체의 가열은 KS F 2257-1에서 규정하고 있는 가열곡선에 따라 가열하였으며, 가열로는 KS F 2257-1에서 규정한 기둥가열로를 사용하였다.
- CFT 기둥 시험체의 제작을 위한 실험계획으로 Table 2와 같이 40 MPa급 콘크리트를 배합 설계하여 타설하였다. 실험측정사항으로는 굳지 않은 콘크리트에서는 슬럼프, 공기량 및 콘크리트 온도를 측정하는 것으로 계획하였고, 경화 콘크리트에서는 재하 내화시험에 대한 기둥부재의 온도이력을 측정하는 것으로 계획하였다. Fig.
- 해석 대상은 400×400 mm의 CFT 단주 시험체로 대칭성을 고려하여 상, 하부를 분할하였다. 요소는 3D Solid 요소를 적용하였으며, 온도 하중은 *amplitude 명령어로 해석에 이용된 온도이력은 가열, 재하실험과 동일하게 설정하였으며, 초기 온도조건은 실험조건인 20℃로 설정하였다.
- 표면부(CH1)에서는 모서리부(CH15)에 비해 낮은 온도이력을 나타난 반면, rib 설치면(CH7)에서는 표면부에 비해 높은 온도분포를 나타내었는데, 이는 열전도율이 높은 강재의 rib가 콘크리트를 넓은 면적에서 접촉하고 있으므로 국부적인 온도상승이 있기 때문으로 판단된다. 화재성능실험은 시험체를 무피복 상태로 KS F 2257-1(건축 부재의 내화시험방법 일반요구사항)에서 제시하는 표준시간-가열온도곡선과 재하를 동시에 실시하여 변형량 및 변형률을 측정하여 내화성능을 검토하였다. 실험방법은 재하가열시험(초기 재하하중을 종료 시까지 유지하면서 가열함)으로 하였으며 재하하중은 CFT 기둥 시험체 공칭강도의 15%인 1,800 kN으로 하였다.
대상 데이터
- 해석 대상은 400×400 mm의 CFT 단주 시험체로 대칭성을 고려하여 상, 하부를 분할하였다.
이론/모형
- 실험방법은 재하가열시험(초기 재하하중을 종료 시까지 유지하면서 가열함)으로 하였으며 재하하중은 CFT 기둥 시험체 공칭강도의 15%인 1,800 kN으로 하였다. 기둥 시험체의 가열은 KS F 2257-1에서 규정하고 있는 가열곡선에 따라 가열하였으며, 가열로는 KS F 2257-1에서 규정한 기둥가열로를 사용하였다. Fig.
- 6은 내화시험 모습을 나타낸 것이다. 기둥 시험체의 내화시험은 표준화재조건에 노출시킨 내화시험방법(KS F 2257)에 따라 한국건설기술연구원 내화 실험동에서 실시하였으며, 고성능 콘크리트의 내화성능을 만족하기 위한 설계로써, 0.1 %/Vol의 NY 섬유를 적용하였다. 내화로의 가력기(Actuator)의 최대 재하하중은 2 940 kN이지만, 장비의 안전관리를 위해 2 500 kN이하로 재하하중을 제한하였고, 고정압축하중을 재하한 상태에서 ISO-834 표준화재 가열곡선에 따라 180분간 내화시험을 진행하였다.
- 온도분포해석(Nonlinear transient heat flow analysis)을 위해 사용된 프로그램은 범용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 이용하였다. 열전달해석 시 도입되는 열 q(t)는 식 아래식과 같이 나타낼 수 있다.
성능/효과
- 2) 시험체 제작을 위한 충전 콘크리트의 특성으로 먼저, 본 배합의 경우 560 mm의 슬럼프플로 결과치와 4.5 %의 공기량 측정치를 나타내어, 모두 목표 범위를 만족하는 것으로 나타났다. 재령 별 압축강도의 경우는 전반적으로 재령이 증가할수록 강도 값이 증가하는 경향을 나타내었고, 재령 28일에서 목표 설계기준강도 범위를 상회하는 결과치를 나타내었다.
- 3) CFT 기둥 시험체를 내화피복재를 사용하지 않고 재하-화재실험을 수행하여 변위, 변위속도를 측정한 결과, 3시간 내화성능을 확인하였다.
- 4) 내화시험 후 시험체의 내화특성으로 파괴에 이르는 변형 또는 변형속도를 보이지 않는 양호한 허용변위값을 나타난 것을 확인하였다. 이는 CFT강관 내부에 Corrugate-rib형의 보강재를 설치함에 따라 강관의 내력상승에 의해 내화시 재하하중에도 변형 없이 강관내 리브의 성능이 확보됨에 기인한 것으로 사료된다.
- 5) 화재실험에서 획득한 시험체 단면의 온도 데이터 분석 및 범용 구조해석 프로그램으로 열분포 해석을 수행한 결과 CFT 강관 내 콘크리트의 온도가 약 400℃ 이하로 유지되는 동안 리브의 성능이 확보되었음을 추정하였다.
- 12∼14은 CFT 기둥의 화재에 의한 온도이력분포를 예측한 결과로서, ISO-834 표준화재곡선에 따라 가열 해석하였다. CFT 기둥 시험체에 대한 온도분포 해석을 실시한 결과 콘크리트 중심부 온도는 가열 시작 후 120분 경과시점에서 약 100℃까지 증가하는 것으로 나타났으며, 표면부 온도는 약 1000℃까지 증가하는 것으로 나타나 중심부와 표면부 사이 온도차는 약 900℃로 예측되었다.
- 이상을 종합하면, 강관 내면 부착 리브의 적용으로 내화시 CFT 기둥의 내력상승에 의한 좌굴방지를 확인하였고, 내화성능기준 또한 만족하였다. 따라서 본 연구를 통해 개발된 강재리브(Corrugate rib)구조 보강재를 활용한 CFT의 공법은 내화피복 없이 구조 및 내화성능을 만족시키는 것으로 판단된다. 향후 rib의 다양한 형태를 변수로 하는 연구와 공장생산에서 공정을 효율화 시키고, 경제성 있는 시스템으로 활용할 수 있도록 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- Table 3은 CFT 콘크리트의 시험결과를 나타낸 것이다. 먼저, 본 배합의 경우 560 mm의 슬럼프플로 결과치와 4.5 %의 공기량 측정치를 나타내어, 모두 목표 범위를 만족하는 것으로 나타났다. 재령별 압축강도의 경우는 전반적으로 재령이 증가할수록 강도값이 증가하는 경향을 나타내었고, 재령 28일에서 목표 설계기준강도 범위를 상회하는 결과치를 나타내었다.
- 즉, 표면부의 강관에 비해 콘크리트 중심부는 낮은 온도를 보이고 있으며, 이는 콘크리트의 내부 단열효과로 인해 중심부에 열전달이 되지 않았음을 나타낸다. 이상과 같이 표준 화재곡선에 노출된 CFT 기둥 시험체를 대상으로 화재실험에서 구한 온도 데이터와 유한요소 해석에서 예측한 단면 온도분포가 매우 근사한 것을 알 수 있었다. 이는 재료의 열적 물성치의 정밀한 값을 적용하면 더욱 근접할 것으로 판단된다.
- 이상을 종합하면, 강관 내면 부착 리브의 적용으로 내화시 CFT 기둥의 내력상승에 의한 좌굴방지를 확인하였고, 내화성능기준 또한 만족하였다. 따라서 본 연구를 통해 개발된 강재리브(Corrugate rib)구조 보강재를 활용한 CFT의 공법은 내화피복 없이 구조 및 내화성능을 만족시키는 것으로 판단된다.
- 5 %의 공기량 측정치를 나타내어, 모두 목표 범위를 만족하는 것으로 나타났다. 재령별 압축강도의 경우는 전반적으로 재령이 증가할수록 강도값이 증가하는 경향을 나타내었고, 재령 28일에서 목표 설계기준강도 범위를 상회하는 결과치를 나타내었다.
- 5 %의 공기량 측정치를 나타내어, 모두 목표 범위를 만족하는 것으로 나타났다. 재령별 압축강도의 경우는 전반적으로 재령이 증가할수록 강도값이 증가하는 경향을 나타내었고, 재령 28일에서 목표 설계기준강도 범위를 상회하는 결과치를 나타내었다.
- 해석 모델의 단면에 대하여 단면 중심에서 최외단까지 각 절점에서의 History Output을 나타낸 표로서 각각의 단면점에서 중심부는 일정한 비율로 온도가 증가하나, 외단부는 상대적으로 초기 온도가 높은 것으로 나타났다. 즉, 표면부의 강관에 비해 콘크리트 중심부는 낮은 온도를 보이고 있으며, 이는 콘크리트의 내부 단열효과로 인해 중심부에 열전달이 되지 않았음을 나타낸다.
후속연구
- 이는 재료의 열적 물성치의 정밀한 값을 적용하면 더욱 근접할 것으로 판단된다. 본 해석 방법을 적용하면 향후 보강 리브의 형상 연구 및 내화성능 설계 연구를 진전 시킬 수 있을 것으로 사료된다.
- 본 연구의 Corrugate rib을 활용한 CFT공법은 곡선형 강재 리브를 제작하고 부착하기 위해 조립공법으로 공장 제작 해야 하며, 용접에 의한 접착도 추가공정에 포함되어 제작비 상승 및 경제성 부분에 단점도 발생한다. 이를 극복하기 위해서는 Fig. 1과 같이 건설로봇을 통한 자동화 생산 및 용접에 대한 추가 연구와 내화성능향상 연구를 지속적으로 발전시켜 단점이 되는 경제성 부분을 극복해야 한다.
- 따라서 본 연구를 통해 개발된 강재리브(Corrugate rib)구조 보강재를 활용한 CFT의 공법은 내화피복 없이 구조 및 내화성능을 만족시키는 것으로 판단된다. 향후 rib의 다양한 형태를 변수로 하는 연구와 공장생산에서 공정을 효율화 시키고, 경제성 있는 시스템으로 활용할 수 있도록 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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