[논문]횡방향 철근으로 구속된 철근콘크리트 기둥의 화재 노출조건에 따른 내화성능

최광호

doi:10.14190/jrcr.2018.6.4.311

[국내논문] 횡방향 철근으로 구속된 철근콘크리트 기둥의 화재 노출조건에 따른 내화성능
The Fire Resistant Performance of RC Column with Confined Lateral Reinforcement According to Fire Exposure Condition 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.6 no.4, 2018년, pp.311 - 318

최광호 (남서울대학교 건축공학과)

초록
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이 연구에서는, 기둥 횡방향 철근의 화재 후 잔존 역학적 특성 규명 연구의 일환으로, 횡철근비와 기둥의 고온 노출면 수 차이에 따른 횡방향 철근의 손실강도 보상효과를 잔존 압축강도, 변형률 및 탄성계수와 하중-변위 곡선의 상대적 비교분석을 통해 규명하였다. 실험변수로 띠철근의 간격과 고온 노출면 수를 변수로 한 실험체를 제작하여 가열실험을 수행하였다. 이때 전기로 온도를 $400^{\circ}C$, $600^{\circ}C$ 및 $800^{\circ}C$로 설정하여 $13.33^{\circ}C$/분의 속도로 가열하고 2시간동안 그 온도를 유지시켰다. 냉각된 실험체에 대해 응력-변형률 곡선을 구하기 위한 압축실험을 수행하고, 이로부터 탄성계수, 잔존 내력 및 변형률 등의 잔존 역학적 특성을 분석하였다. 실험결과, 고온 노출 면이 많은 기둥이 수열온도 증가에 따라 탄성계수 감소율이 크게 나타나고, 횡철근비가 크면 수열온도 증가에 따라 탄성계수 감소율이 작게 나타났는데, 이로부터 기둥위치와 횡철근비 등이 내화설계나 화재 안전진단 시 고려되어 합리적인 내화성능 평가가 이루어져야 할 것으로 여겨진다.

Abstract ▼ AI-Helper

When reinforced concrete structures are exposed to fire, their mechanical properties such as compressive strength, elasticity coefficient and rebar yield strength, are degraded. Therefore, the structure's damage assessment is essential in determining whether to dismantle or augment the structure after a fire. In this study, the confinement effect of lateral reinforcement of RC column according to the numbers of fire exposure face and stirrup was verified by fire resistant test with the heating temperatures of $400^{\circ}C$, $600^{\circ}C$ and $800^{\circ}C$. The test results showed that the peak stress decreases and peak strain increases as the temperature is getting higher, also transverse ties are helpful in improving the compressive resistance of concrete subjected to high temperature. Based on the results of this study, the residual stress of confined concrete under thermal damage is higher at the condition of more lateral reinforcement ratio and less fire exposure faces. The decreasing ratio of elastic modulus of more confined and less exposure faces from the relationship of load and displacement was also smaller than that of opposite conditions.

주제어

표/그림 (24)

그림 Fig. 1. Confinement of concrete by lateral reinforcement
그림 Fig. 2. Behavior of column with lateral reinforcement
그림 Fig. 3. Geometry of test specimens(unit : mm)
그림 Fig. 4. Temperature Cycle
그림 Fig. 5. The furnace and test setup
그림 Fig. 6. Compression test
그림 Fig. 7. Temperatures of specimen at 800℃
표 Table 1. The concrete mixture proportions
표 Table 2. Test results on specimens
표 Table 3. Percent residual peak stress after thermal cycle
표 Table 4. Difference of residual stresses between ST9 and ST5 type(%)
그림 Fig. 8. Normalized peak stress versus temperature(ST5 type)
그림 Fig. 9. Normalized peak stress versus temperature(ST9 type)
그림 Fig. 10. Comparison of residual stress between ST5 and ST9 type specimen
그림 Fig. 11. Comparison of strains between ST5 and ST9 type specimen
표 Table 5. Strains by difference of heating faces and stirrups at 10MPa of stress
그림 Fig. 12. Elastic modulus of high temperatures compared with E of 20℃(ST 5 TYPE)
그림 Fig. 13. Elastic modulus of high temperatures compared with E of20℃(ST 9 TYPE)
그림 Fig. 14. Elastic modulus due to heating faces(ST5)
그림 Fig. 15. Elastic modulus due to heating faces(ST9)
표 Table 6. Remaining elastic modulus resulting from a thermal cycle
표 Table 7. Variation in elastic modulus due to heating faces
그림 Fig. 16. Load-displacement curves depending on different heating faces with ST5 type specimen
그림 Fig. 17. Load-displacement curves depending on different heating faces with ST9 type specimen

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구에서는, 기둥의 화재 후 잔존 역학적 특성 규명 연구의 일환으로, 화재 시 기둥 위치에 따라 고온 노출면 수가 다른 점을 반영하여, 기둥의 노출면 수 차이에 따른 횡방향 철근의 손실강도 보상효과를 잔존 압축강도, 변형률 및 탄성계수와 하중-변위 곡선의 상대적 비교분석을 통해 규명하여 화재 구조물의 내구성 향상 및 지속가능성을 높이고자 한다.

제안 방법

일반 강도의 기둥에 대한 실험을 위하여 실험체의 설계 강도는 30MPa로 하였으며, 배합설계 시 굵은 골재 최대치수 25mm, 슬럼프 80mm 및 물/시멘트비 45%가 되도록 하였으며 배합표는 Table 1과 같다. 또한 실험체 내부의 온도변화를 측정하기 위하여 주근과 실험체 중앙에 K-type의 열전대를 설치하였다.
철근 콘크리트 기둥이 화재 시 횡방향 철근 수와 고온 노출 면수의 변화에 따라 달라지는 역학적 특성변화를 규명하기 위하여 전기로에서의 가열실험과 냉각 후 2 - 3주 경과하여 일축 압축실험을 수행하였으며 그 개요는 다음과 같다.
6의 셋업으로 일축압축강도 실험을 수행하였다. 이때 가력은 1mm/분 속도의 변위제어로 하였으며 실험결과인 하중-변위, 하중-변형률곡선으로부터 탄성계수, 잔존 내력 및 변형률 등의 잔존 역학적 특성을 분석하였다.
횡방향 철근으로 구속된 철근콘크리트 기둥 실험체의 고온 수열 후 잔존 역학적 특성을 규명하기 위하여, 가열속도를 13.3℃/분으로 하여 400℃, 600℃ 및 800℃의 목표온도에 도달 후 2시간 유지하는 것으로 가열실험을 수행한 후 자연 냉각시켰다. 가열 실험 후 3주 지나서 압축실험을 실시하였는데, 실험변수인 횡방향 철근 수와 고온 노출면 수에 대해 극한 강도와 변형률 및 하중 –변위 그래프의 직선 구간에서 계산한 탄성계수를 정리하였으며 Table 2와 같다.
이 연구에서는 고온을 받은 콘크리트에서 횡방향 철근의 구속 및 손실강도 보상 효과를 정량적으로 규명하기 위하여 띠철근의 간격과 가열면 수를 변수로 한 내화성능 실험과 일축 압축실험을 수행하였으며, 그 연구결과는 다음과 같다.

대상 데이터

3과 같은 실험체를 제작하였다. 철근배근으로 주근은 SD400 등급의 HD 10mm 철근을, 띠철근은 Φ 6mm 철선을 사용하였고 횡방향 철근비 ρ는 0.75%, 1.5%로 하여 5대와 9대를 배근하였다.

성능/효과

또한 실험체 내부의 온도변화를 측정하기 위하여 주근과 실험체 중앙에 K-type의 열전대를 설치하였다. 모든 실험체는 1주의 증기양생과 3주 대기양생을 하였으며 4주 양생 후 압축강도 실험을 수행한 결과 횡철근 5개 배근된 실험체는 33.5MPa, 9개 배근된 실험체는 31.9MPa의 압축강도를 나타내었다
여기서, 잔존 역학적 특성을 비교하기 위하여 상온 실험체의 압축실험 결과도 함께 나타내었고, 실험체 명은 띠철근 수 – 가열온도 – 고온 노출면 수의 순으로 표기하였는데, 예로 ST5-600-3은 횡철근 5개, 가열 온도 600℃ 및 3면 고온 노출의 실험체를 의미한다. 실험결과는 예상했던 대로 온도가 증가할수록 모든 실험체의 최대 응력이 감소하면서 변형률은 증가하는 경향을 보였다. 특히 가열면 수가 많고 횡방향 철근이 작을수록 최대 응력은 낮게, 변형률은 크게 나타났다.
압축실험으로부터 받은 변형률 데이터를 통하여 실험체의 변형과정 추적과 탄성계수 등을 파악할 수 있는데, 이 연구 실험체에 부착된 스트레인게이지는 최대 응력 도달 전까지는 압축 변형률을 나타내다가 최대 응력 즈음 실험체의 편심발생으로 인장 변형률이 나타났다. 모든 실험체 변형률을 비교하기 위해 최대 응력 도달 전의 탄성상태 변형률에 대해 분석하였다.
2) 기둥 실험체의 가열면 수가 많아질수록 변형률은 커졌는데, 띠철근 5개 4면 가열인 ST5-4는 1면 가열인 ST5-1 보다 600℃와 800℃ 가열실험 모두에서 약 3배의 변형률을 보였고, 띠철근 9개 4면 가열인 ST9-4 실험체는 ST9-1보다 약 2배의 변형률이 나타났다.
온도별 실험체 탄성계수를 비교해보면, 고온 노출면이 많은 기둥이 수열온도 증가에 따라 탄성계수 감소율이 크게 나타나고, 횡 철근비가 크면 수열온도 증가에 따라 탄성계수 감소율이 작게 나타난다. 이로부터 기둥위치와 횡철근비 등이 내화설계나 화재 안전진단 시 고려되어 합리적인 내화성능 평가가 이루어져야 할 것으로 여겨진다.
3) 온도별 실험체 탄성계수를 비교해보면, 고온 노출 면 수가 많은 기둥이 수열온도 증가에 따라 탄성계수 감소율이 크게 나타나고, 횡철근비가 크면 수열온도 증가에 따라 탄성계수 감소율이 작게 나타났다. 이로부터 기둥 위치와 횡철근비 등이 내화설계나 화재 안전진단 시 고려되어 합리적인 내화성능 평가가 이루어져야 할 것으로 여겨진다.
1) 기둥 실험체의 가열면 수가 클수록 잔존강도 감소비가 커졌다. 예로 600℃ 가열 시를 살펴보면 ST5계열의 1면 노출의 ST5-1의 잔존강도는 60%인데 4면 노출인 ST5-4는 40%가 된다.

후속연구

온도별 실험체 탄성계수를 비교해보면, 고온 노출면이 많은 기둥이 수열온도 증가에 따라 탄성계수 감소율이 크게 나타나고, 횡 철근비가 크면 수열온도 증가에 따라 탄성계수 감소율이 작게 나타난다. 이로부터 기둥위치와 횡철근비 등이 내화설계나 화재 안전진단 시 고려되어 합리적인 내화성능 평가가 이루어져야 할 것으로 여겨진다.
온도별 실험체 탄성계수를 비교해보면, 고온 노출면이 많은 기둥이 수열온도 증가에 따라 탄성계수 감소율이 크게 나타나고, 횡 철근비가 크면 수열온도 증가에 따라 탄성계수 감소율이 작게 나타난다. 이로부터 기둥위치와 횡철근비 등이 내화설계나 화재 안전진단 시 고려되어 합리적인 내화성능 평가가 이루어져야 할 것으로 여겨진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	철근콘크리트 구조물의 특징은?	철근콘크리트 구조물은 화재 등과 같이 고온에 노출되었을 때 내화구조로 저항할 수 있어 예기치 않은 건물의 붕괴나 손상 등으로 부터 인명 피해나 재산 손실을 피할 수 있다. 화재에 의한 철근콘크리트 구조물의 손상도 평가는 재료강도의 내력저하와 부재 강성변화에 의한 사용성 저하, 균열이나 중성화 등에 의한 내구성 저하의 관점에서 평가할 수 있는데, 이 중 내력저하는 구조물의 안전과 직접적인 관련이 있는 가장 중요한 평가 항목이기 때문에 강도저하 정도의 파악은 화재 후의 재사용 여부와 그 보수․보강법의 검토에 대한 중요한 판단 자료가 된다(Choi et al.
	내력저하 항목이 중요한 판단 자료가 되는 이유는 무엇인가?	철근콘크리트 구조물은 화재 등과 같이 고온에 노출되었을 때 내화구조로 저항할 수 있어 예기치 않은 건물의 붕괴나 손상 등으로 부터 인명 피해나 재산 손실을 피할 수 있다. 화재에 의한 철근콘크리트 구조물의 손상도 평가는 재료강도의 내력저하와 부재 강성변화에 의한 사용성 저하, 균열이나 중성화 등에 의한 내구성 저하의 관점에서 평가할 수 있는데, 이 중 내력저하는 구조물의 안전과 직접적인 관련이 있는 가장 중요한 평가 항목이기 때문에 강도저하 정도의 파악은 화재 후의 재사용 여부와 그 보수․보강법의 검토에 대한 중요한 판단 자료가 된다(Choi et al. 2011).
	내화설계나 화재 안전진단시 기둥 위치와 횡철근비 등이 고려되어야 하는 이유를 본 논문의 결과에서 어떻게 보여주는가?	3) 온도별 실험체 탄성계수를 비교해보면, 고온 노출 면 수가 많은 기둥이 수열온도 증가에 따라 탄성계수 감소율이 크게 나타나고, 횡철근비가 크면 수열온도 증가에 따라 탄성계수 감소율이 작게 나타났다. 이로부터 기둥 위치와 횡철근비 등이 내화설계나 화재 안전진단 시 고려되어 합리적인 내화성능 평가가 이루어져야 할 것으로 여겨진다.

참고문헌 (6)

Arioz, O. (2007). Effect of elevated temperatures on properties of concrete, Fire Safety Journal, 42(8), 516-522.

상세보기
Choi, K.H., Lee, J.W. (2011). Effect of high temperature on mechanical properties of confined concrete with lateral reinforcement, Journal of the Korean Institute of Structural Maintanence and Inspection, 16(1), 213-220 [in Korean].
Dos Santos, J.R., Branco, F.A., Brito, J. (2002). Assessment of concrete structures subjected to fire, Magazine of Concrete Research, 54(3), 203-208.

상세보기
Kim, S.S. (2018). Structural Design of Reinforced Concrete, Munundang, 307-312 [in Korean].
Khoury, G.A. (1992). Compressive strength of concrete at high temperatures: a reassessment, Magazine of Concrete Research, 44(161), 291-309.

상세보기
Wu, B., Su, X., Li, H., Yuan, J. (2002). Effect of high temperature on residual mechanical properties of confined and unconfined high-strength concrete, ACI Material Journal, 99(4), 399-407.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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