[논문]일반강도 철근콘크리트 기둥의 내화성능에 관한 실험적 연구

조경숙; 여인환; 조범연; 박경훈; 민병렬

일반강도 철근콘크리트 기둥의 내화성능에 관한 실험적 연구
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조경숙 (한국건설기술연구원) , 여인환 (한국건설기술연구원) , 조범연 (한국건설기술연구원) , 박경훈 (한국건설기술연구원) , 민병렬 (한국건설기술연구원)

일반콘크리트 기둥을 대상으로 콘크리트 피복두께와 단면크기를 변수로 하여 내화성능을 평가하였다. 피복두께가 늘어남에 따라 내화성능시간도 다소 늘어 피복두께와 내화성능은 비례적 관계에 있는 것으로 나타났다. 단면크기가 커짐에 따라 실험체의 열용량이 증가하여 내화성능이 좋아질 것으로 예상하였으나 폭렬의 영향으로 인하여 단면크기에 따른 내화성능의 변화는 큰 의미가 없는 것으로 나타났다. 따라서 콘크리트 기둥의 내화성능은 폭렬 여부에 의해 크게 지배되는 것으로 판단된다.

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문제 정의

이에 사양적 내화구조의 종류와 세부적인 내용을 구분하여 명시하고 다양화하여 현장에서 선택할 수 있는 대안을 넓힐 필요가 있다. 본 연구에서는 일반강도 콘크리트를 대상으로 구조부재의 내화성능에 영향을 미칠 수 있는 피복두께, 단면의 크기를 변수로 하여 내화성능을 평가함으로써 사양내화구조의 다변화를 위한 기초자료를 확보하는데 그 목적이 있다.

제안 방법

실험체 가열은 KS F 2257-1의 표준 가열곡선을 이용하여 180분 동안 가열하면서 내부온도를 측정하였다. 실험변수는 단면크기 3수준과 피복두께 3수준이다.
일반콘크리트 기둥을 대상으로 콘크리트 피복두께와 단면크기를 변수로 하여 내화성능을 평가하였다. 피복두께가 늘어남에 따라 내화성능시간도 다소 늘어 피복두께와 내화성능은 비례적 관계에 있는 것으로 나타났다.

대상 데이터

실험체는 21MPa, 30MPa, 40MPa을 계획하여 콘크리트 강도변화에 따른 내화성능 평가가 진행중이며, 본 연구에서는 우선 21MPa을 대상으로 시험 및 분석을 수행하였다. 기둥은 1m 높이의 단주로 제작하였으며, 부재내부 온도 변화를 살펴보기 위하여 주철근 3개소와 콘크리트 표면으로부터 20㎜간격으로 콘크리트 내부 4개소를 설치하여 총7개소를 측정하였다. 실험체 제작과 열전대 위치는 그림 1 및 그림 2와 같고, 실험체 콘크리트 배합, 공시체 28일 압축강도 및 함수율 시험결과는 표 1과 같다.
2. 실험체 제작 및 실험방법

실험체는 21MPa, 30MPa, 40MPa을 계획하여 콘크리트 강도변화에 따른 내화성능 평가가 진행중이며, 본 연구에서는 우선 21MPa을 대상으로 시험 및 분석을 수행하였다. 기둥은 1m 높이의 단주로 제작하였으며, 부재내부 온도 변화를 살펴보기 위하여 주철근 3개소와 콘크리트 표면으로부터 20㎜간격으로 콘크리트 내부 4개소를 설치하여 총7개소를 측정하였다.

이론/모형

실험체 제작과 열전대 위치는 그림 1 및 그림 2와 같고, 실험체 콘크리트 배합, 공시체 28일 압축강도 및 함수율 시험결과는 표 1과 같다. 실험체 가열은 KS F 2257-1의 표준 가열곡선을 이용하여 180분 동안 가열하면서 내부온도를 측정하였다. 실험변수는 단면크기 3수준과 피복두께 3수준이다.

성능/효과

피복두께가 늘어남에 따라 내화성능시간도 다소 늘어 피복두께와 내화성능은 비례적 관계에 있는 것으로 나타났다. 단면크기가 커짐에 따라 실험체의 열용량이 증가하여 내화성능이 좋아질 것으로 예상하였으나 폭렬의 영향으로 인하여 단면크기에 따른 내화성능의 변화는 큰 의미가 없는 것으로 나타났다. 따라서 콘크리트 기둥의 내화성능은 폭렬 여부에 의해 크게 지배되는 것으로 판단된다.
철근콘크리트 기둥 단면의 크기에 따른 내화성능을 살펴본 결과 동일 피복두께의 경우 단면크기 400㎜의 내화성능이 우수한 것으로 나타났다. 이는 단면크기가 큰 600㎜ 시험체는 폭렬로 인해 단면이 감소함으로 철근까지의 피복두께가 상대적으로 줄어듬으로 인해 열전달이 빠르고 폭렬과 함께 균열이 발생되어 균열을 통한 열전달 효과가 상승함으로 인한 결과로 판단된다.
폭렬이 발생한 실험체는 단면크기와 피복두께에 상관없이 내화성능이 현저히 저하되었다. 폭렬이 발생하지 않은 400㎜ 단면 실험체의 내부 철근온도상승은 피복두께 40㎜와 50㎜에서는 별다른 차이가 없으나 60㎜는 허용 평균온도와 최고온도 도달에 17～18분 정도가 지연되어 내화성능이 비교적 양호한 것으로 나타났다.
실험결과 9개 실험체중 4개 실험체에서 폭렬이 발생하였는데, 이중 3개가 600㎜단면 실험체에서 나타났다. 폭렬이 발생한 실험체는 단면크기와 피복두께에 상관없이 내화성능이 현저히 저하되었다. 폭렬이 발생하지 않은 400㎜ 단면 실험체의 내부 철근온도상승은 피복두께 40㎜와 50㎜에서는 별다른 차이가 없으나 60㎜는 허용 평균온도와 최고온도 도달에 17～18분 정도가 지연되어 내화성능이 비교적 양호한 것으로 나타났다.
일반콘크리트 기둥을 대상으로 콘크리트 피복두께와 단면크기를 변수로 하여 내화성능을 평가하였다. 피복두께가 늘어남에 따라 내화성능시간도 다소 늘어 피복두께와 내화성능은 비례적 관계에 있는 것으로 나타났다. 단면크기가 커짐에 따라 실험체의 열용량이 증가하여 내화성능이 좋아질 것으로 예상하였으나 폭렬의 영향으로 인하여 단면크기에 따른 내화성능의 변화는 큰 의미가 없는 것으로 나타났다.
피복두께에 따른 내화성능을 살펴본 결과 폭렬이 발생하지 않은 단면크기 400㎜의 경우 피복두께 60㎜의 내화성능 시간이 40㎜와 50㎜에 비해 우수한 것으로 나타났으나, 250㎜ 실험체의 경우 폭렬이 발생한 피복두께 60㎜ 실험체가 온도상승이 빠르게 나타나 표 4에 나타난 폭렬에 의한 중량 감소율과 비교하여 상대적으로 감소율이 큰 60㎜의 온도 상승이 빠르게 나타나 콘크리트 내화 성능은 폭렬 여부에 큰 지배를 받는 것으로 판단된다.

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