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문제 정의
- 본 연구에서는 폭렬 저감을 계획한 고강도 RC 기둥의 화해 후 현상에 대해 연구하기 위해 350mm×350mm×1500mm의 실제 크기의 기둥을 제작하여 실제와 유사한 상태의 화재실험을 수행하였다.
제안 방법
- 특히 압축부재의 경우 고층으로 갈수록 도심이 일치하지 않기 때문에 하중과 함께 편심에 의한 모멘트를 고려한 P-M 상관곡선을 사용하여 설계하므로 화해를 입은 상태의 현상 파악이 중요하다. 이에 본 연구는 실제 크기의 시험체를 사용한 화재 실험을 통해 실측 데이터를 얻고, 이를 바탕으로 여러 가지 변수에 대해 비선형 해석 프로그램인 DIANA(Displacement Analyzer)를 사용하여, 화해를 입은 고강도 RC 압축 부재의 잔존 성능을 파악하고 실제 설계에 반영될 수 있는 P-M 상관곡선을 도출하였다.
- 과 같다. 화재 실험은 실제와 유사한 거동을 나타내기 위해 표준 화재 곡선인 ISO 834 표준 가열 곡선으로 가열하였고, 시험체 내부에 열전대를 매설하여 화재에 노출된 시간에 따른 내부 온도분포를 측정하였다. 각 열전대의 측정 위치는 그림 1과 같이 콘크리트 온도 5개소, 철근온도 1개소에서 측정하여 내부에서 외부로의 온도 변화를 측정하였다.
- 화재 실험은 실제와 유사한 거동을 나타내기 위해 표준 화재 곡선인 ISO 834 표준 가열 곡선으로 가열하였고, 시험체 내부에 열전대를 매설하여 화재에 노출된 시간에 따른 내부 온도분포를 측정하였다. 각 열전대의 측정 위치는 그림 1과 같이 콘크리트 온도 5개소, 철근온도 1개소에서 측정하여 내부에서 외부로의 온도 변화를 측정하였다.
- 화해를 입은 고강도 RC 기둥의 해석에 의한 P-M 상관곡선 도출을 위해 범용 유한요소해석 프로그램인 DIANA(Displacement Analyzer)를 사용하였다. 재료별 특징으로는 콘크리트의 온도별 물성치 변화를 적용하였다. 온도에 따른 압축강도와 탄성계수는 Hammer(1995)의 실험에 의한 저감계수와 정혜원(2007)의 강도회복 계수 1.
- 높이는 1000mm를 10개의 element로 구성하여 해석 모델은 총 4000개의 element로 구성하였다. 적용 변수는 화재 시간(60분, 90분, 120분), 강도(50MPa, 60MPa), 단면 치수(350mm, 550mm)를 적용하여 해석하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 폭렬 저감을 계획한 고강도 RC 기둥의 화해 후 현상에 대해 연구하기 위해 350mm×350mm×1500mm의 실제 크기의 기둥을 제작하여 실제와 유사한 상태의 화재실험을 수행하였다. 콘크리트 강도는 50MPa이고 폭렬 저감을 위해 PP 섬유를 혼입하여 제작하였다. 시험체의 배합비와 혼입한 PP 섬유의 물성치는 표 1.
- 지지 조건은 XYZ 세 방향에 대하여 변형이 발생하지 않는 힌지(Hinge)단으로 설정하였다. mesh는 단면은 X 방향으로 20 element, Y 방향으로 20 element로 한 단면은 400개의 element로 구성했다. 높이는 1000mm를 10개의 element로 구성하여 해석 모델은 총 4000개의 element로 구성하였다.
- mesh는 단면은 X 방향으로 20 element, Y 방향으로 20 element로 한 단면은 400개의 element로 구성했다. 높이는 1000mm를 10개의 element로 구성하여 해석 모델은 총 4000개의 element로 구성하였다. 적용 변수는 화재 시간(60분, 90분, 120분), 강도(50MPa, 60MPa), 단면 치수(350mm, 550mm)를 적용하여 해석하였다.
데이터처리
- 화해를 입은 고강도 RC 기둥의 해석에 의한 P-M 상관곡선 도출을 위해 범용 유한요소해석 프로그램인 DIANA(Displacement Analyzer)를 사용하였다. 재료별 특징으로는 콘크리트의 온도별 물성치 변화를 적용하였다.
이론/모형
- 재료별 특징으로는 콘크리트의 온도별 물성치 변화를 적용하였다. 온도에 따른 압축강도와 탄성계수는 Hammer(1995)의 실험에 의한 저감계수와 정혜원(2007)의 강도회복 계수 1.3을 적용하였다. 각각의 변수에 따라 온도 분포가 다르기 때문에 온도 모델은 그림 5.
- 으로 이상화시켜 적용하였다. 철근은 Bilinear 형태를 적용하였고, 항복조건은 Von Mises를 적용하였는데, 항복 후 모델로는 일 경화 모델(Work Hardening)을 적용하였다. 그리고 Eurocode 2에 의하면 철근의 온도별 물성치 변화의 경계는 350℃인데, 해석에 사용한 단면 온도 분포에서 철근은 300℃~400℃로 측정되어 고온에 노출되지 않은 철근과 동일하게 적용하였다.
성능/효과
- 로 나타낼 수 있다. 스트레인 게이지(Strain Gage) 데이터로 분석 한 결과 잔존 내력과 강성이 크게 저하됨을 알 수 있다.
- 에 따르면 60분간 화재 피해를 입은 기둥은 피해를 입지 않은 75%의 잔존 성능을 보이고, 90분간 화재시 64%, 120분간 화재시 52%의 잔존 성능을 나타냈다. 균형 상태에서의 성능 저하는 60분 화재시 82%, 90분 화재시 70%, 120분 화재시 59%로 나타났다. 그림 8.
- 에 따르면 콘크리트 압축강도 50MPa 기둥은 90분간 화재 피해를 입으면서 64%의 잔존 성능을 보이고, 60MPa 기둥은 75%의 잔존 성능을 보였다. 균형 상태에서의 성능 저하는 콘크리트 압축강도 50MPa 기둥은 70%로 나타났고, 60MPa 기둥은 72%로 나타났다. 그림 9.
- 에 따르면 화재 피해를 입지 않은 단면 550mm의 기둥은 90분간 화재 피해를 입은 후 68%의 잔존 성능을 보였고, 단면 350mm의 기둥은 64%의 잔존 성능을 보였다. 균형상태에서의 성능 저하는 단면 350mm기둥이 72%, 단면 550mm 기둥이 76%로 나타났다.
- 1) 변수별 시험체의 잔존 성능은 120분 화재 피해 기둥이 제일 낮았고 90분 화재 기둥, 60분 화재 기둥, 단면 550mm 기둥, 콘크리트 압축강도 60MPa 기둥의 순으로 성능이 높아졌다. 이 결과로 인해 화재 피해에 있어서 단면의 크기와 콘크리트의 압축강도가 기둥의 잔존 성능에 좋은 영향을 주는 것으로 나타났지만 단면의 크기와 강도로 제어하는 것은 경제성과 관련이 높기 때문에 적용에 주의가 필요하다.
- 3) 축하중과 휨모멘트를 동시에 받는 기둥 부재는 P-M 상관곡선을 이용하여 설계와 성능평가가 이뤄지는데, 화재 피해를 입은 기둥은 성능이 크게 떨어지므로 성능평가에 기존의 P-M 상관곡선은 적합하지 않다. 본 연구를 통해 도출된 화재 피해를 입은 기둥 부재의 다양한 P-M 상관도는 화재 피해에 의한 기둥의 잔존 성능 확보를 위해 그 효과와 설계 상황에 맞는 방법 선택의 기반이 될 수 있는 것이 기대된다.
후속연구
- 3) 축하중과 휨모멘트를 동시에 받는 기둥 부재는 P-M 상관곡선을 이용하여 설계와 성능평가가 이뤄지는데, 화재 피해를 입은 기둥은 성능이 크게 떨어지므로 성능평가에 기존의 P-M 상관곡선은 적합하지 않다. 본 연구를 통해 도출된 화재 피해를 입은 기둥 부재의 다양한 P-M 상관도는 화재 피해에 의한 기둥의 잔존 성능 확보를 위해 그 효과와 설계 상황에 맞는 방법 선택의 기반이 될 수 있는 것이 기대된다.
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