[논문]PP섬유 혼입 고강도 SRC 기둥의 화재 후 거동

최은규; 정혜원; 신영수; 이차돈; 권영진

[국내논문] PP섬유 혼입 고강도 SRC 기둥의 화재 후 거동
The Behavior of Fire Damaged High Strength SRC Columns with Polypropylene Fiber 원문보기

최은규 (이화여자대학교 건축학과) , 정혜원 (이화여자대학교 건축학과) , 신영수 (이화여자대학교 건축학과) , 이차돈 (중앙대학교 건축공학과) , 권영진 (호서대학교 소방학과)

The purpose of this paper is to investigate the structural behavior of fire damaged high-strength SRC columns with polypropylene fiber. When high-strength concrete is exposed to high temperature, spalling is occurred then it leads to decrease the capacity of members. Polypropylene fiber is used to reduce the spalling of the specimens and the distinction in the behavior after fire is observed. High-strength concrete specimens were exposed to high temperatures by the ISO 834 curve. Main experimental parameters were the ratio of the contained polypropylene fiver, heating time and type of loading. Reduction rate in residual strength and stiffness is observed for the mixing of PP fiber, the heating time and eccentricity of loading.

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문제 정의

콘크리트는 일반적으로 내화재료로 알려져 있지만 고강도 콘크리트의 경우 낮은 물-시멘트 비, 내부 공극압의 상승으로 화재 초기에 발생하는 폭렬에 의한 박리 등으로 인하여 일반 콘크리트와 달리 급격한 성능 저하를 가져올 수 있다. 따라서 본 연구에서는 고강도 콘크리트의 폭렬을 저감하고자 폴리프로펠렌 섬유 (이하 PP섬유)를 혼입하고 이 경우 철골-철근 콘크리트(SRC)기둥의 화재피해 후 잔존강도를 평가하는 실험을 실시하였으며 PP섬유를 혼입하지 않은 경우와 비교하여 PP섬유의 혼입이 화재 시 구조물의 잔존강도에 미치는 영향을 파악하고자 하였다. 본 연구를 위하여 보통 화재 시간이 1시간 내외라는 통계를 바탕으로 각 실험체에 30분, 60분, 90분 동안 가열 실험을 한 후, 화재시간에 따른 피해정도와 하중의 유형에 따른 부재의 거동을 살펴보았다.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 고강도 콘크리트의 폭렬을 저감하고자 폴리프로펠렌 섬유 (이하 PP섬유)를 혼입하고 이 경우 철골-철근 콘크리트(SRC)기둥의 화재피해 후 잔존강도를 평가하는 실험을 실시하였으며 PP섬유를 혼입하지 않은 경우와 비교하여 PP섬유의 혼입이 화재 시 구조물의 잔존강도에 미치는 영향을 파악하고자 하였다. 본 연구를 위하여 보통 화재 시간이 1시간 내외라는 통계를 바탕으로 각 실험체에 30분, 60분, 90분 동안 가열 실험을 한 후, 화재시간에 따른 피해정도와 하중의 유형에 따른 부재의 거동을 살펴보았다.
50MPa인 실험체를 350mm×350㎜×l500㎜의 크기로 9개 제작하였다. 이 중 3개의 실험체는 가열을 하지 않았고, 나머지 6개의 실험체는 가력실험을 위한 단부 보강 부위(기둥 상하부 250mm씩)를 제외한 중앙 1m 구간을 ISO 834 표준 가열곡선을 따라 각 실험체별로 30분, 60분, 90분씩 가열하였다. 각 실험체 명과 상세 설명은 표 1에 실험체의 상세 도면은 그림 1에 각각 나타내었다.
본 연구에서는 화재 피해를 입은 PP섬유 혼입 고강도 SRC 압축부재의 거동을 파악하기 위하여 가열 시간, 하중의 형태, PP섬유의 혼입 유무에 대하여 최대내력, 최대 하중에서의 축 방향 변위, 최대 변형률 그리고 하중-변형률 기울기(강성) 값을 측정하였다. 표 2는 실험체별로 측정된 실험 결과 값을 나타낸다.

대상 데이터

화해를 입은 PP섬유 혼입 고강도 SRC 기둥의 거동을 파악하기 위해 150mm×l50㎜의 H형강이 포함된 압축강도 50MPa인 실험체를 350mm×350㎜×l500㎜의 크기로 9개 제작하였다. 이 중 3개의 실험체는 가열을 하지 않았고, 나머지 6개의 실험체는 가력실험을 위한 단부 보강 부위(기둥 상하부 250mm씩)를 제외한 중앙 1m 구간을 ISO 834 표준 가열곡선을 따라 각 실험체별로 30분, 60분, 90분씩 가열하였다.

성능/효과

폭렬 저감을 위해 PP섬유를 혼입한 경우와 혼입하지 않은 경우의 화재시간에 따른 실험체 최대내력의 상대적 잔존율을 비교해보면 전자의 경우 30분 가열하였을 경우 화해를 입지 않은 실험체 최대내력(6842kN)의 84%(5726kN), 90분 가열했을 경우 65%(4427kN)의 최대 내력을 발휘하였다. 또한 후자의 경우 화해를 입지 않은 실험체의 최대내력(7965kN)에 대해 30분 가열했을 경우 43%(3419kN), 60분 가열했을 경우 53%(4251kN)의 최대내력을 보여 PP섬유를 혼입하였을 경우보다 급격한 내력의 저하를 보였다.
(1) PP 섬유를 혼입한 경우 화재피해를 입은 SRC 기둥 실험체의 최대내력은 기준 실험체의 65%~ 84%의 잔존 내력을, PP 섬유를 혼입하지 않은 경우는 43%~53%의 잔존내력을 보였다.
(2) 하중-변형률 상대 기울기비율은 PP 섬유를 혼입한 경우 기준 실험체의 34~51%, 혼입하지 않은 경우 53%~63%로 나타났다.
(3) 편심하중을 가한 경우 최대내력은 기준 실험체의 84%~89%, 하중-변형률 상대 기울기비율은 52%~81%로 나타났다.

후속연구

특히 고층 구조물과 같이 다중이용시설에 화재가 발생할 경우 경제적, 인명적 피해가 막심하기 때문에 화재에 대한 내화대책 마련이 필요하며, 더불어 화재 발생 후 구조물의 거동을 파악하여 구조물의 재사용성 여부를 합리적으로 평가하는 기법에 대한 연구가 필요하다. 콘크리트는 일반적으로 내화재료로 알려져 있지만 고강도 콘크리트의 경우 낮은 물-시멘트 비, 내부 공극압의 상승으로 화재 초기에 발생하는 폭렬에 의한 박리 등으로 인하여 일반 콘크리트와 달리 급격한 성능 저하를 가져올 수 있다.

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