화재 피해를 입은 고강도 RC 기둥의 P-M 상관곡선에 관한 연구

Abstract

현대 사회는 산업혁명이후 산업구조의 변화로 인해 도시를 중심으로 인구와 산업이 모여드는 도시 집중화 현상을 겪게 된다. 그 후 사회는 도심지역의 지가상승과 가속되는 인구집중을 해결하기 위해 초고층화, 대형화, 특수화 경향을 가진 건축물을 선호하기 시작했다. 이러한 초고층 건물을 건설하기 위해서는 구조시스템, 시공기술, 재료성능 등의 발전이 필수적이다. 재료적인 관점에서는 성능을 향상시킨 고강도 콘크리트의 사용이 대두되고 있다. 고강도 콘크리트는 일반강도 콘크리트에 비해 단면의 감소를 가능하게 하여 유효 사용 면적이 증가되는 장점이 있고, 부재의 무게와 비용을 저감시킬 수 있다. 그런데 최근 10년 여간(1997년～2006년) 국내에서만 총 328,198건의 화재가 발생, 매년 약 2.3% 증가 추세에 있어서 막대한 국가적인 손실을 초래하였다. 특히 건축물에 발생하는 화재는 전체의 약 81%로 집계되고 있다. 날로 증가하는 건축물의 화재 피해는 손상된 건물의 거취 여부에 대한 문제를 대두시킨다. 일반적으로 콘크리트는 내화성이 강한 재료로 알려져 있지만, 고강도 콘크리트는 고온에 노출될 경우 내부 수증기압이 폭발하여 콘크리트의 박리현상, 즉 폭렬현상이 발생한다. 최근 연구에 의하면, 내화성에 큰 영향을 미치는 것으로 알려진 고강도 콘크리트의 화재 시 폭렬현상을 저감시키는데 폴리프로필렌 섬유의 혼입에 의한 성능이 밝혀지고 있다. 이러한 건축물들은 화재 후 폭렬현상이 저감되어 주요 부재의 외관이 손상되지 않지만, 잔존 성능에 대한 안전성평가가 이뤄진 후 경제적, 시간적 피해를 최소화하기 위해 재사용 여부 또는 보수· 보강법을 선택하여야 한다. 따라서 본 연구에서는, 폴리프로필렌 섬유를 혼입한 고강도 콘크리트 기둥의 화재 피해 후의 잔존 성능의 P-M 상관도 도출하고자 한다. 화재 피해 후 폭렬이 저감된 기둥의 성능 평가는 단면 손실이 없어 외관상 평가가 힘들기 때문에 잔존 내력을 추정하고 설계 단계에서 화해에 의한 성능 저하를 고려할 수 있는 기반을 만드는 것이 중요하다. 이에 따라 실험을 통해 얻은 성능 변화 데이터를 비선형 구조 해석에 사용하여, 다양한 변수에 의한 P-M 상관도를 도출하여 기둥의 설계와 성능평가의 지표로 사용할 수 있도록 할 것이다. 화재 피해를 입은 시간을 변수로 하여 고강도 콘크리트의 폭렬, 내부 온도 분포, 잔존강도 추정, 편심가력 시 부재의 거동 등을 연구하였다. 이를 위해 실제 화재 상황과 유사한 가열 실험을 실시하였고, 자연 대기 상태에서 한달 간 냉각 시킨 시험체는 재하 실험을 잔존 내력을 측정하였다. 실험값은 변수에 따라 화재 피해를 입지 않은 기둥과 폴리프로필렌 섬유를 혼입한 기둥을 비교하고 분석하였고, 화재 실험 결과 나타난 화재 시 내부 온도 분포에 근거하여 화재 피해에 따른 재료적 성질 변화를 반영하여 화재 피해를 입은 부재를 해석하여 변수별 P-M 상관곡선을 도출하고 분석하였다. 그 결과는 다음과 같다. 60분간 화재 피해를 입은 기둥은 피해를 입지 않은 75%의 잔존 성능을 보이고, 90분간 화재 피해를 입은 기둥은 64%, 120분간 화재 피해를 입은 기둥은 52%의 잔존 성능을 보이는 것으로 나타났다. 콘크리트 압축강도 50㎫ 기둥은 90분간 화재 피해를 입으면서 64%의 잔존 성능을 보이고, 콘크리트 압축강도 60㎫ 기둥은 90분간 화재 피해 후 75%의 잔존 성능을 보였다. 화재 피해를 입지 않은 단면 550㎜의 기둥은 90분간 화재 피해를 입은 후 68%의 잔존 성능을 보였고, 단면 350㎜의 기둥은 90분간 화재 피해를 입고 64%의 잔존 성능을 보였다. 시험체의 잔존 성능은 120분 화재 피해 기둥이 제일 낮았고 90분 화재 피해 기둥, 60분 화재 피해 기둥, 단면 550㎜ 화재 피해 기둥, 콘크리트 압축강도 60㎫ 기둥의 순으로 성능이 높아졌다. 이 결과로 인해 화재 피해에 있어서 단면의 크기와 콘크리트의 압축강도가 기둥의 성능에 좋은 영향을 주는 것으로 나타났다. 하지만 단면의 크기와 콘크리트 압축강도로 제어하는 것은 경제성과 관련성이 높기 때문에 적용에 주의가 필요하다. 그리고 콘크리트 압축강도는 고강도 콘크리트의 사용시 폴리프로필렌 섬유를 혼입하여 폭렬을 저감하는 것을 가정으로 하였기 때문에 폭렬이 발생하지 않도록 적정량의 유기 섬유를 혼입하여야 한다. 본 연구를 통해 화재 피해를 입은 고강도 RC 기둥은 성능이 크게 떨어짐을 알 수 있었다. 축하중과 휨모멘트를 동시에 받는 기둥 부재는 P-M 상관곡선을 이용하여 설계와 성능평가가 이뤄지는데, 화재 피해를 입은 기둥의 성능평가에 기존의 P-M 상관곡선은 적합하지 않다. 본 연구를 통해 도출된 화재 피해를 입은 기둥 부재의 다양한 단면의 P-M 상관도는 화재 피해를 대비하는 고강도 RC 기둥의 설계와 화해를 입은 기둥의 성능 평가에 적합하게 사용될 수 있다고 판단된다. 그리고 화재 피해에 의한 기둥의 잔존 성능 확보를 위해 효과와 설계 상황에 맞는 방법 선택의 기반이 될 수 있는 것이 기대된다.;To solve increasing land prices and concentrating gravitation of the population at the inner city, modern society starts to prefer tall building. Structural system, technique of construction and capacity of materials are essential to build a tall building. Using of a advanced high strength concrete is formed from material view. High strength concrete(HSC) is more effective at increasing effective using area from decreasing section area than normal strength concrete(NSC). And it is able to decrease weight and price of structural members. During 10 years, fire of 328,198 of in the only interior cause a huge loss at national level. Specially, 81% of fires come from the architectural structure. Increasing fire-damage occur problems that is judgement about re-using or destruction of damaged buildings. 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 reductions 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 NSC. According to recent studies, if concrete mix with polypropylene fiber, spalling at concrete surface is reduce. Fire-damaged structural members with polypropylene fiber don't occur section area loss, but after estimate of residual capacity we choose re-using or repair of architectural structure. So this study will make P-M interaction diagram of residual capacity at fire-damaged High strength concrete column with polypropylene fiber. Evaluating capacity of column decreasing spalling with P-M interaction diagram is important. because high strength concrete column with polypropylene fiber isn't section area loss. P-M interaction diagram that is made to analyze according to a various parameters is useful index for design and evaluating capacity of columns. In this study, spalling, temperature distribution of interior column, residual strength and movement of column in eccentric loading are studied with expose time of high temperature. For study fire test that is similar real act, and after cooling in normal condition residual strength of specimen is estimated. And this study use DIANA(Displacement Analyzer) for analyzing nonlinear analysis. with experiment temperature and strength data. parameters are expose times of a fire that are 60 minute, 90 minute and 120 minute, concrete compression strengths that are 50㎫ and 60㎫ and section sizes that are 350㎜ and 550㎜. There are Results that fire-damaged column with 60 minute is 75% of residual capacity as compared to non-fire-damaged column, fire-damaged column with 90 minute is 64% of residual capacity as compared to non-fire-damaged column and fire-damaged column with 120 minute is 52% of residual capacity as compared to non-fire-damaged column. Column of concrete compassion strength 50㎫ is 64% of residual capacity after 90 minute fire-damage and Column of concrete compassion strength 60㎫ is 75% of residual capacity after 90 minute fire-damage. Residual capacity of 550㎜ column section with 90 minute fire-damage is 68% and Residual capacity of 350㎜ column section with 90 minute fire-damage is 64%. 120 minute fire-damaged column is the lowest residual capacity and following 90 minute fire-damaged column, 60 minute fire-damaged column, fire-damaged 550㎜ section column, fire-damaged concrete compression strength 60㎫. According to these results, section size and concrete compression strength is known to be good at fireproof capacity. But Because of controlling these parameters are closely concerned with economical aspect. pertinent control is needed. And this study is assumed that concrete is mixed with polypropylene fiber, so pertinent mixing organic fiber is essential. In this study, capacity of fire-damaged high strength concrete column is seriously decrease. For design and evaluating capacity of fire-damaged column, existing P-M interaction diagram isn't suitable. P-M interaction diagram that is made by this study for various column section and fire state is useful for fireproof design and evaluating capacity.