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화재 피해 후 보수한 철근 콘크리트 보의 구조 거동에 관한 해석적 연구

Title
화재 피해 후 보수한 철근 콘크리트 보의 구조 거동에 관한 해석적 연구
Other Titles
An Analytical Study on Structural Behaviors of Fire-Damaged Reinforced Concrete Beams Retrofitted with Polymer mortar
Authors
강지연
Issue Date
2005
Department/Major
과학기술대학원 건축학과
Publisher
이화여자대학교 과학기술대학원
Degree
Master
Advisors
신영수
Abstract
The number of fires in the last decade(1990-2000) has been increasing by more than 10%, costing not only human lives and property but also inflicting a significant degree of loss on the nation as a whole. It turns out that more than half of the fire breakouts have taken place within the architectural structures. In most of the cases, the fire occurred in residential facilities or factories. In particular, in accordance with the tendency of building architectural structures more higher, more larger and more diverse in form, the fire-triggering factors are increasing day by day and it is becoming increasingly important to take care of the damaged structures. The reinforced concrete structure, a generally-used material in Korea, has been rated among the highest in terms of practicality, fire-resistance and durability. Since the degree of the damage on concrete used in major parts of the building such as the beam, the slab, and the wall has a considerable effect on the durability, the assessment of the concrete becomes an important source in examining whether the damaged structure may be re-used or not, or in studying the methods of reparation and strengthening. Many reinforced concrete buildings in Korea were constructed using reinforced concrete. However, there has been little study done on the evaluation of the reparation or strengthening of the structures in case a fire breaks out. This research is focused on the structural behavior of the fire-damaged reinforced concrete beams retrofitted with polymer mortar. The exclusive program for the finite element method(FEM), the DIANA was used to analysis it and was compared with the result of the experiment. Using it, the parameters influencing the structural behavior of the fire-damaged reinforced concrete beams retrofitted is investigated. The conclusions in regard to such research can be seen as follows. In a case of the fire-damaged reinforced concrete beams, the analysis was executed about the compressive strength of concrete-24MPa, 35MPa and Size of beam-300×600㎜, 300×800㎜, 400×600㎜, 400×800㎜. Within the range of no spalling, when the maximum load capacity of the original beam was compared with the beams that were heated one and two hours, the latter was found to have suffered an inner strength loss of some 2~3%. the analysis of two parameters differ little from make little difference. Because the steel was not damaged below 120 minutes. But the initial member stiffness of beam was damaged 20~30% than original beam. Therefore, it can be concluded that in case the temperature of the steel within the covering depth is estimated below 500℃, the maximum load capacity loss of fire-damaged beams below 120 minutes is little and the member stiffness loss of fire-damaged beams is 20~30%. In a case of the fire-damaged reinforced concrete beams retrofitted, When the maximum load value of the original beam was compared with the retrofitted beam, the latter is almost the reparative effect of the former. And the retrofitted beam recovered the initial member stiffness of over 90%. Therefore the reparative effect of fire-damaged beam is governed by mending material. The change of the compressive and tensile strength of mending material was observed for the reparative effect of fire-damaged beam. As the tensile strength of mending material is larger, the reparative effect is noticeable very finely. The maximum load value of the retrofitted beam are increased about 1~4% of that of the fire-damaged beam. According to the increased load occurred initial crack, constant the initial member stiffness until load of initial crack. But in the case of lesser tensile strength of contrete, the maximum load and initial crack load value are not large enough for the original beam. Because fire-damaged concrete division remain in inner cover, although cover division changed mending material. As the nonlinear finite element analysis, load-deflection curve of retrofitted beam is similar to that of the original beam. As the tensile strength of mending material is larger, the initial crack load point increase and the drop width from the initial crack load is larger. In addition to quick progress of crack, crack of beam become worse in the maximum load value.;최근 10년여간(1990년~2000년) 화재건수는 매년 10%이상 증가하고 있으며, 화재발생은 인명 및 재산피해는 물론 막대한 국가적 손실을 초래하고 있다. 전체 화재건수의 절반 이상은 건축물에서 발생하며 건축물 화재 중에서도 대부분의 화재는 주거시설 및 공장에서 발생하는 것으로 나타나고 있다. 특히 각종 건축구조물의 고층화, 다양화, 대형화되어가는 추세에 따라 화재 발생요인은 날로 증대하고 있으며, 손상된 건물의 처리가 중요한 문제로 대두되고 있다. 우리나라에서 보편화되어있는 철근콘크리트 구조는 가장 실용적이며 내화적인 동시에 내구적인 것으로 평가되어져 왔다. 건물의 보, 슬래브 및 벽체 등 주요부재에 쓰이는 콘크리트는 손상정도에 따라 내구성에 큰 영향을 주기 때문에 이를 평가하는 것은 화재건물의 재사용 여부 및 보수, 보강방법을 검토하는데 중요한 자료가 된다. 한편, 기존의 많은 국내 철근콘크리트 건물들이 철근 콘크리트를 사용하여 시공되었으나 이들 건물에 화재가 난 경우 화재 피해를 입은 건물에 대한 평가와 추후 보수 · 보강에 대하여는 거의 연구가 되어 있지 않은 상태이다. 본 연구에서는 화재 피해를 입은 일반강도 및 고강도 콘크리트 보를 단면복구방법으로 보수했을 때의 거동을 분석하고자 한다. 유한요소 해석 프로그램인 DI-ANA(Displacement Analyzer)를 이용하여 화재 피해를 입은 철근 콘크리트 보의 내력저하와 보수 후 거동을 실험과 비교 후 변수 분석을 수행하였다. 이를 바탕으로 콘크리트의 압축강도와 보의 단면크기에 따른 철근 콘크리트 보의 내력저하와 보수 성능을 해석하였다. 또한 보수재료의 압축강도 및 인장강도에 따른 보수효과, 부재 강성의 변화, 균열발생 및 파괴양상 등을 분석하여 향후 보수 · 보강 방법의 개발의 기본적인 자료를 제공하는데 본 연구의 목적이 있다. 철근 콘크리트를 사용한 철근 콘크리트 구조물에서 화재 진압 후 보수했을 때 구조적인 안전성 평가 시, 먼저 화재 시 고온에 노출된 철근 콘크리트 보의 잔여강도를 평가하는 것이다. 이를 위하여 실험에서 측정된 단면의 내부온도분포를 통해 각 온도에 따른 콘크리트의 역학적 성질을, 잔여 압축강도에 대한 유일한 기준인 CEB를 적용시켰다. 그러나 철근은 안전한계온도인 500℃를 넘지 않았으므로 손상을 입지 않았다고 판단하였다. 또한 고강도 콘크리트의 경우 폭렬로 인한 단면손실을 20%로 고려하여 해석하였다. 실험값과 비교한 결과, 일반강도는 잘 맞았으나, 다소 제한된 일반강도 콘크리트의 내화실험결과를 근거로 하고 있는 CEB기준을 적용시켰으므로 고강도 콘크리트의 경우 다소 오차가 존재하였다. 또한 폴리머 시멘트 모르타르로 단면 복구된 실험체를 해석한 결과, 초기강성에서 오차가 존재하지만 전체적인 경향은 매우 유사하게 나타났으므로 변수해석을 하기에는 무리가 없다고 판단하였다. 화재와 같이 고온에 노출된 부재의 내화성능 저감에 대한 해석 시 콘크리트 강도, 보의 단면크기를 변수로 하여 해석하였다. 폭렬이 일어나지 않는 범위의 일반강도 콘크리트 24, 35MPa를 단면크기에 따라 해석한 결과, 원 시험체보다 약 2~3% 정도의 내력손실을 입는 것으로 나타났다. 변수인 압축강도와 단면크기에 따라서 거의 차이가 없는데, 이는 보의 휨강도의 대부분을 지지하는 철근이 가열 120분이하일 경우 손상을 입지 않기 때문이다. 그러나 부재의 초기 강성은 원 시험체보다 20~30%의 손실을 입었다. 압축강도에 따른 영향은 약 2% 내외로 거의 없었지만, 같은 단면의 폭에서 춤이 200㎜이 늘어남에 따라 부재의 강성이 약 5%정도 덜 감소된다. 그러므로 화재 피해를 입은 휨 부재의 경우 화재 시 철근의 안전한계온도인 500℃를 넘지 않았다면, 최대강도는 거의 저감되지 않으나 강성은 20~30%의 저감이 있다. 위의 결과를 본다면, 최대강도의 손실 측면에서만 본다면 보수할 필요가 없다. 그러나 고온에 노출되어 피복 부분의 중성화와 급격한 온도상승에 의한 균열, 또한 부분적으로 파열되어 박락된 경우가 실제 발생하므로 피복 콘크리트 부분까지 타설하는 정도의 보수가 요구된다. 화재 피해를 입은 철근 콘크리트 보를 폴리머 시멘트 모르타르로 보수한 시험체를 해석해보면, 화재로 인한 강도손실이 거의 없었기 때문에 내력은 거의 회복되었다. 초기 강성의 경우, 원 시험체의 약 90%정도로 나타났는데, 이는 보수재료의 탄성계수가 일반강도 콘크리트보다 더 작았기 때문에 원 시험체만큼 회복되지 않은 것이다. 또한 콘크리트의 압축강도 24MPa가 35MPa보다 보수했을 때 초기강성이 약 7%정도 더 효과가 있었다. 화재 후 보수한 철근 콘크리트 보의 보수효과를 알아보기 위하여 보수재료의 압축강도와 인장강도를 변화시켜 해석하였다. 보수한 가열 1시간 시험체를 해석한 결과 전체적으로 가열 1시간 시험체의 강도저하가 거의 없었기 때문에, 보수재료에 따른 강도 상승 역시 약 1~4%로 미세하게 나타났다. 보수재료의 인장강도가 커질수록, 가열 1시간 시험체에 비해 보수 시험체는 초기균열 발생하중과 최대 하중이 상승되었다. 그러나 인장강도가 3MPa보다 작은 경우, 초기균열하중과 최대하중은 원 시험체보다 크지 않았다. 피복부분은 단면복구의 방법으로 보수를 했으나, 피복 내부의 손상된 콘크리트 부분이 남아있기 때문이다. 이는 보수재료를 선택할 때, 원 시험체의 콘크리트의 인장강도 이상이 요구되어진다. 동일한 보수재료의 인장강도일 때, 보수재료의 압축강도의 변화에 따른 보수효과는 보의 인장부분을 보수했기 때문에 거의 없었다. 하중-처짐 곡선을 살펴보면, 모든 보수 시험체가 거의 원 시험체와 유사하게 나타난다. 그러나 보수재료의 압축강도와는 상관없이, 인장강도가 커질수록 초기 균열이 발생하면서 하중이 떨어지는 지점이 증가하며, 하중이 떨어졌다 커지는 폭도 커지는 것을 알 수 있다. 이 지점에서 균열이 빠르게 진전되어 최대하중에 도달할 때, 균열의 정도가 심해진다. 그러므로 인장강도에 따른 보수효과를 고려했을 때, 원 시험체의 콘크리트 인장강도와 유사한 크기가 권장된다. 폭렬이 일어나지 않는다는 제한된 조건 안에서 화재 피해 후 보수한 철근 콘크리트 보의 거동을 해석했다. 그러나 고강도 콘크리트가 많은 건축물에 적용되고 있는 현시점에서 고강도 콘크리트의 내열특성이 추후 연구 과제로 남는다.
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