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화재 피해를 입은 고강도 콘크리트 합성기둥의 구조 성능에 관한 연구

Title
화재 피해를 입은 고강도 콘크리트 합성기둥의 구조 성능에 관한 연구
Other Titles
Structural Behaviors of Fire-Damaged Composite Columns with High Strength Concrete
Authors
서지민
Issue Date
2005
Department/Major
과학기술대학원 건축학과
Publisher
이화여자대학교 과학기술대학원
Degree
Master
Abstract
현대 사회의 도시 집중화 현상으로 구조물이 초고층화, 대형화, 특수화 되어가는 추세에 있다. 초고층 건물을 건설하기 위해서는 구조, 시공 기술의 향상이 요구되는데 유효한 해결책으로 재료 성능을 향상시킨 고강도 콘크리트의 사용과 콘크리트와 철골의 장점을 혼합하여 성능을 향상시킨 합성 부재의 사용이 제시되고 있다. 최근 매년 10% 이상 증가하는 화재의 절반 이상은 건축물에서 발생하여 국가적 손실을 초래하고 있다. 하지만 고강도 콘크리트 합성 부재의 사용 증가에도 불구하고 고온 하에서의 부재에 관한 연구는 거의 되어있지 않은 상태이다. 본 연구에서는 고강도 콘크리트 합성 기둥을 실물 크기로 제작하여 사전 비재하 가열 실험을 통해 화재 피해 시 가열 시간에 따른 부재의 내부 온도 변화를 파악하였고, 냉각 후 가력 실험의 축하중과 변위, 변형률을 바탕으로 고강도 콘크리트 합성 기둥의 화재 후 잔존 내력과 거동에 관하여 고찰하였다. 가열 부재의 냉각에 따른 강도 변화를 고찰하기기 위하여 비파괴 검사의 일종인 슈미트 해머 테스트를 가열 직후와 가열 20일 후에 수행하였다. 기존 건물의 내화 성능을 향상시킬 수 있는 방안을 제시하기 위해 내화보드를 부착한 실험체도 동일한 방법으로 검토하였다. 그 후 비선형 유한 요소 해석 프로그램인 DIANA(Displacement Analyzer)로 해석한 값과 실험값의 비교를 통해 모델링 기법을 검증한 후 강재비, 단면 치수, 철근비를 변수로 하는 고강도 콘크리트 합성 기둥을 모델링하여 화재 피해를 입지 않은 부재와 화재 피해를 입은 부재의 강도와 강성을 비교하여 각각의 변수들이 화재 후 잔존 내력에 미치는 영향을 검토하였다. 화재 노출 시간, 하중 형태, 내화보드 부착 유무를 주요변수로 하는 7개 실험체를 ISO 834 표준가열곡선으로 30분, 60분 가열하면서 열전대로 시간에 따른 내부 온도 변화를 측정하였다. 그 후 자연대기 상태에서 냉각하여 1개월간 양생시킨 화재 피해를 입은 부재의 가력 실험과 비파괴 검사를 통해 잔존 내력을 측정하였다. 화재 피해를 입은 고강도 콘크리트 합성 기둥의 구조 거동을 실험적, 해석적으로 고찰한 결과는 다음과 같다. 고강도 콘크리트 기둥은 외부에서 열이 가해지면 폭렬 현상이 발생하여 피복층의 단면 결손으로 내부 온도 증가 속도가 빨라지고 단면 이차 모멘트의 감소로 부재가 견딜 수 있는 하중이 적어져 일반 강도 콘크리트 기둥에 비해 화재에 취약한 것으로 나타났다. 60분 가열 내에서 약 15분에 발생한 폭렬로 인하여 10% 정도의 단면 손실을 보였다. 폭렬 부위는 일정하지 않았으며 1차 폭렬만 발생하여 30분과 60분 가열 실험이 유사한 손실률을 나타내었다. 내부 온도는 단면 깊이에 따라 증가하는데 외부로 갈수록 증가율이 훨씬 크다. 폭렬이 발생하는 경우 피복 의 콘크리트가 박리되어 내부가 열원에 더욱 가까워져 온도 증가율이 커지게 된다. 실험체의 피복두께 온도는 60분 가열시 400℃에서 800℃에 이르지만 내부 온도는 100℃ 정도이다. 고강도 콘크리트는 부재 표면이 열을 받으면 피복층의 수분이 내부로 밀려들어가는데 온도가 100℃에 이르면 물이 수증기 변환하기 위해 에너지를 소모하므로 부재 내부에서는 온도 증가가 지연되는 현상이 나타난다. 가열하지 않은 실험체와 가열 실험체의 하중-변위, 응력-변형률 곡선의 기울기를 검토하면 내력 저하가 30분 가열은 46%, 60분 가열은 58%로 가열 시간에 비례하여 강도와 강성이 저하되는 것을 볼 수 있다. 이는 폭렬로 인한 단면 손실과 주근 노출, 고온에 노출된 재료의 성능 저하 때문이다. 슈미트 해머 테스트를 이용하여 추정한 강도 저하를 부재 단면의 위치에 따라 구분해 보면 모서리 부분 강도가 1면에서 열을 흡수하는 입면 중앙 부분 강도의 65%에서 75% 정도이다. 냉각 시간에 따른 강도 회복을 슈미트 해머 테스트를 이용한 추정 강도를 통해 확인 한 결과 화재 피해를 입은 부재의 저하된 강도는 냉각 시간이 증가함에 따라 회복이 되는데 부재의 내력 감소가 클수록 회복율이 더 큰 것을 볼 수 있다. 사전 비재하 상태로 ISO 834곡선에 의해 60분간 가열한 부재는 표면 콘크리트 온도가 950℃에 이르지만 피복 50㎜의 온도는 300℃정도로 내부 온도가 수열온도 한계지점인 500℃에 이르지 않아 피복 두께 정도까지의 손상된 콘크리트를 제거하고 보수하여 재사용하면 된다. 철골과 철근 또한 안전 한계온도인 500℃에 이르지 않으므로 손상이 발생하지 않아 재사용이 가능하다. 내화보드를 부착하고 가열한 실험체는 실험 결과가 모두 화재 피해를 입지 않은 실험체와 거의 동일하게 나타나 기존 건물에 내화보드를 부착하는 것이 화재로 인한 부재 내력 손실 방지에 효과적인 것을 알 수 있다. DIANA를 이용하여 강재비, 단면 크기, 철골비의 변화가 화재에 노출된 고강도 콘크리트 합성 기둥의 잔존 내력에 미치는 영향을 검토한 결론은 다음과 같다. 나머지 조건이 제한된 상태에서 강재비가 증가하거나, 단면 크기가 증가하거나, 철골비가 증가하게 되면 잔존 내력 비율(하중)이나 잔존 강성 비율(하중-변위 기울기)이 증가하여 화재에 유리한 부재를 만들게 된다. 이는 강재비나 철골비가 증 증가된 면적만큼 콘크리트가 철골이나 철근으로 바뀌어 강도와 탄성계수가 변화되기 때문이다. 화재 발생 시 내부 온도가 500℃ 정도까지 증가할 경우 콘크리트 탄성계수는 50% 수준으로 감소하는 반면 강재의 탄성계수는 85% 수준에 머물러 강재가 고온에 의한 피해를 더 적게 받는다. 또한 단면 치수가 증가하면 단면 내부의 화재 피해를 입지 않은 콘크리트의 양이 증가하여 동일한 강재비를 가지는 부재에서 단면을 증가시키는 것이 화재 피해를 방지에 효과적인 것으로 나타난다. 화재 노출된 시간이 60분일 때 형강이나 철근의 온도는 500℃에 못 미쳐 성능 감소가 발생하지 않아 철근비나 강재비의 증가에 따라 잔존 내력이 증가하게 된다. 하지만 노출 시간이 90분으로 증가하게 되면 피복 두께가 50㎜인 350㎜×350㎜단면의 철근은 540℃로 온도가 증가하여 강도와 탄성계수가 50%에서 70% 정도로 저하된다. 철근의 온도가 증가하는 경우 감소된 역학적 특성은 부재 전체의 내력 감소에 영향을 미쳐 철근비가 증가할수록 잔존 내력이 큰 폭으로 감소하게 된다. 따라서 철근비나 강재비의 증가는 철근이나 철골 지점의 부재 내부 온도가 500℃에 이르지 않는 경우에는 화재 후 내력 저하를 방지하는 방안이 되지만 500℃를 넘는 경우에는 더 큰 내력 손실을 발생시킬 수 있으므로 적절한 화재 시간과 내부 온도 분포를 고려하여 가장 이상적인 철근과 철골의 치수를 결정하여야 한다. 현재 많은 건축물에 고강도 콘크리트가 사용되고 있고, 부재 성능을 향상 시킬 수 있는 합성 부재의 사용도 증가되고 있는 시점에서 내화 특성에 대한 연구를 위해서는 세밀한 내부 온도 자료와 재료 물성의 변화에 의한 잔존 내력의 감소에 대한 정확한 데이터가 필요하며 이에 관련된 사항은 추구 연구 사항으로 남는다.;Structures tend to become high-rise, large and specialized due to the urban concentration. Technology related to the structure and construction is required to improve, for which the use of high strength concrete(HSC) with better material property, and composite member with the combined advantage of both concrete and steel for better performance, is suggested. Over a half of fires, which increase by over 10% every year recently, come from the architectural structure, causing a loss at national level. However, little study has been conducted on the member at high temperature despite the increase in the use of HSC composite member. In this study, we designed the composite column with HSC in life size to figure out the change in the temperature of inner section of member through the prior unstressed heating test, depending on the heating hour, and considered the residual strength and behavior in the wake of fire of composite column with HSC on the basis of the axial load and displacement test of actuation experiment following the cooling. The Schmidt Hammer test, a sort of non-destructive test was conducted right after the cooling and 20 days after the cooling to observe the change in the strength, depending on the cooling of heated member. The fire proof board attaching specimen was also conducted to provide the measure for improving the fire resistance of existing building. Following that, we set up an model of composite column with HSC that sets steel ratio, section size, ratio of reinforcement as parameters after verifying the modelling technique through the comparison between the value interpreted by DIANA(Displacement Analyzer), a nonlinear finite element method, and the experimental value, in order to compare the strength and the stiffness of member which is not damaged by fire and the fire-damaged member with a view to reviewing the effect of each parameter on the residual strength in the wake of the fires. We measured the change in the temperature of inner section through the thermocouple, depending on the time, while applying the heat for 30 minutes and 60 minutes based on the ISO 834 standard heating curve for the 7 specimens which are mainly related to heating time, type of loading, the existence of attached fire resistant board. We measured the residual strength through the non-destructive test and actuation experiment of fire-damaged member that went through the curing of concrete for one month via the cooling in the natural stand-by state. As a result of considering the structural behavior of fire-damaged composite column with HSC, we drew the following conclusion. If the HSC column is applied with the heat from outside, the phenomenon of spalling sets in, causing the temperature of inner section to rise fast toward the section loss of cover layer, and the subsequent reduction of the geometrical moment of inertia curtails the load capacity that the member can endure, making it more vulnerable to fire than the general strength column with normal strength concrete. Around 10% of section loss resulted by the spalled which happened at 15th minute out of the 60-minute-long heating time. The spalling area was not regular. The rate of loss was found similar in the 30-minute-long heating time and 60 minute-long heating time as only the first spalling occurred. The temperature of inner section increases in proportion to the depth of section, and the rate of increase soars in the outside. If the spalling happens, the concrete of cover gets exfoliated, which puts the inside more closer to the source of heat as a result, making the rate of increase even greater. The temperature of cover thickness of specimen ranges somewhere between 400℃ and 800℃ when the heating is applied for 60 minutes, but the temperature of inner section reaches around 100℃. The moisture in cover layer of HSC gets into the inside if the surface of member is heated. If the temperature reaches 100℃, the water consumes the energy to convert into vapor, making the temperature rise inside the member gets delayed. If the slope of the curve for load capacity-displacement and strain-strain of specimen which is not heated and the specimen which is reviewed, both the strength and stiffness can be found to be degraded in proportion to the heating time because 30 minutes of heating reduces the residual strength by 46% and 30 minutes of heating reduces the residual strength by 58%. This is because the loss of section, reinforcement exposure and degradation of exposed material's performance due to the spalling. If the degradation of strength estimated through the Schmidt Hammer test is classified, depending on the location of member's section, it is found that the strength of edge is approximately 65% to 75% of the elevation center strength which absorbs the heat on the first side. The degraded strength of fire-damaged member recovered as the cooling time passed by and rate of revery was greater in proportion to the decline in the residual strength of member, which was found in the verification of the recovery of compressive strength based on the strength estimated by the Schmidt Hammer test, depending on the cooling time. The surface concrete temperature of member, which is heated for 60 minutes based on the ISO 834 curve in the prior unstressed state, reaches 950℃. But the temperature of cover 50mm is around 300℃, and temperature of inner section does not reach 500℃, which is the limit of water heat temperature. Therefore, the concrete damaged up to the cover thickness can be removed, repaired and reused. No damage is inflicted to steel and reinforced steel because they do not reach the limit temperature of 500℃, making it possible for them to be reused. The specimen which is attached with fire resistant board was found to have almost same performance as the specimen which were not damaged by th fire at all, implying that attaching the fire resistant board to existing structure would be the effective way of preventing the member residual strength loss that comes from the fire. By using DIANA to review the effect of change in the steel ratio, section size and the steel ratio on the residual strength of composite column with HSC which is exposed to the fire, the conclusion we drew is like this: As the steel ratio or the section size or steel ratio increases with all the other conditions limited, the residual strength ratio(load capacity) or remaining stiffness ratio(load capacity-displacement slope) increases, making it possible to make a member with excellent fire resistance. This is because the concrete area converts into the steel or reinforcement by the increased area of steel ratio or steel, changing the strength and modulus of elasticity. If the temperature of inner section increases to around 500℃ in case of fire, the concrete modulus of elasticity reduces by 50%, while the steel modulus of elasticity remains at 85%, putting the steel less vulnerable to the damage from the high temperature. Moreover, if the section size increases, the concrete mass whose inner section is not damaged by fire increases, implying that increasing the section for the member which has same steel ratio would be effective to prevent the damage from the fire. If it is exposed to the fire for 60 minutes, the temperature of steel or reinforcement does not reach 500℃, which result in no degradation of performance. So, the residual strength increases as the ratio of reinforcement or steel ratio increases. But if the time of exposure increases to 90 minutes, the strength and reinforcement modulus of elasticity of the section(350㎜×350㎜) with the cover thickness of 50㎜ are degraded by as much as 50% to 70% because the temperature reaches 540℃. The reduced mechanic property of reinforcement affects the overall residual strength of the member in case of the temperature increase, making the residual strength to be degraded greatly in proportion to the increase in the reinforcement ratio. Therefore, though the increase in the reinforcement ratio or the steel ratio can be a measure to prevent the degradation of residual strength in the wake of fire if the member temperature of inner section at the reinforcement or steel point does not reach 500℃, much greater residual strength loss can result from the temperature which exceeds 500℃. So, the most ideal dimension of reinforcement and steel must be determined by considering the appropriate fire time and the distribution of temperature of inner section. As the HSC is being applied to a lot of architectural structures and composite members which can improve the performance of member is being used more and more, the study on the fire resistance requires detailed data related to the temperature of inner section and more accurate data about the reduction of the residual strength caused by the change in the property of material. And furthermore, what is related to this has to be studied additionally in the future.
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