고온하에서의 고강도 철근 콘크리트 기둥의 구조 거동에 관한 연구

Abstract

최근 건축 구조물이 고강도 콘크리트를 이용하여 보다 대형화, 고층화, 다양화 되어가고 있는 시점에서 이와 같이 화재건수의 증가는 화재시 고강도 콘크리트 구조물의 거동에 대한 연구가 보다 폭넓게 확대되어야 함을 보여주고 있다. 따라서 본 연구에서는 고온하에서의 고강도 철근 콘크리트 기둥의 구조거동에 대하여 알아보았다. 폴리프로필렌 섬유의 혼입 유무, 하중의 종류를 주요 변수로 하여 고강도 철근콘크리트 기둥 실험체를 제작하여 주요 변수에 따라 온도분포, 고온하에서의 부재의 거동, 변형 특성을 연구하였다. 또한 고온하에서의 고강도 철근콘크리트 기둥의 구조 거동에 영향을 미치는 주요 변수를 파악하기 위해 단면치수, 편심을 받는 위치, 철근비를 변수로 비선형 구조 해석 프로그램인 DIANA (Displacement Analyzer)로 해석을 수행하였다. 폴리프로필렌 섬유의 혼입 유무, 하중의 종류를 주요 변수로 하는 실험체를 ISO 834 표준가열곡선으로 가열하면서 열전대로 시간에 따른 내부 온도 변화와 변위를 측정하였다. 화재 피해를 입은 고강도 콘크리트 합성 기둥의 구조 거동을 실험적, 해석적으로 고찰한 결과는 다음과 같다. 피복 두께 안쪽의 실험체는 온도가 100℃에 이르면 증가세를 멈추고 온도를 유지하는 지연구간이 나타나게 되는데 이는 외부의 열에 의해 부재 안으로 밀려 들어온 수분이 수증기로 변환되고 있는 구간이기 때문이다. 그리고 부재의 내부 온도는 단면 중앙에서 단면 외부에 이르면서 단면 깊이에 따라 증가하는 것을 볼 수 있다. 온도 증가율은 중앙부에서 보다 외부에서 훨씬 큰 것을 볼 수 있는데 이는 폭렬 발생에 의한 단면 결손으로 열원에 더욱 가까이 접근하기 때문이다. 비선형 유한 요소 해석 프로그램인 DIANA(Displacement Analysis)를 이용하여 구조 거동에 영향을 미칠 수 있는 단면크기, 편심하중의 위치, 철근비를 변수로 하여 각 변수가 미치는 영향을 해석을 통해 고찰한 결론은 다음과 같다. 철근비가 1.26%로 고정된 상태에서 단면치수가 350㎜×350㎜, 450㎜×450㎜로 증가할수록 고온하에서 Failure까지의 시간이 증가하였고, 변형률은 감소하였다. 이는 단면의 치수가 증가함에 따라 단면 내부의 화재 피해를 입지 않은 콘크리트의 양이 증가하였기 때문으로 동일한 철근비를 가지는 부재에서 단면을 증가시키는 것이 화재시 효과적인 것으로 나타났다. 단면크기를 350㎜×350㎜, 450㎜×450㎜로, 철근비를 1.26%로 고정시킨 상태 편심하중을 받는 위치를 중심에서 10%, 20%로 증가시킬수록 고온하에서 Failure까지의 시간이 감소하였고, 변형률은 증가하였다. 동일한 조건하에서 편심하중을 받는 위치가 중심에서 가깝게 설계하는 것이 화재시 효과적인 것으로 나타났다. 단면크기를 350㎜×350㎜, 450㎜×450㎜로 고정시킨 상태에서 철근비를 1.26%, 2.10% 증가할수록 고온하에서 Failure까지의 시간이 증가하였고, 변형률은 감소하였다. 이는 철근비가 증가한 면적만큼 부재의 콘크리트 면적이 철근으로 바뀌어 강도와 탄성계수가 증가되었기 때문으로 동일한 단면을 가지는 부재에서 철근비를 증가시키는 것이 화재시 효과적인 것으로 나타났다. 현재 많은 건축물에 고강도 콘크리트가 사용되고 있는 시점에서 내화 특성에 대한 연구를 위해서는 세밀한 내부 온도 자료와 재료 물성의 변화에 의한 정확한 이해와 데이터가 필요하며 이에 관한 사항은 추구 연구 사항으로 남는다.;As recent construction buildings are getting larger, high-rising and diversifying by using high strength concrete, the increasing of fire shows that the study on action of high strength concrete structure on firing has to be expand. So I look into the structural action of high strength reinforced concrete column under high temperature in this study. I made the column experimental subject of high strength reinforced concrete with polypropylene fiber mixing and kinds of load as major variables to study temperature range, the action of the subject under high temperature and deformation characteristics in line with major variables. Also I executed the analysis section measurement, eccentric location and steel ration as variables by DIANA (Displacement Analyzer), non-linear structure analysis to grasp major influencing variables to the structural action of high strength reinforced concrete column under high temperature. I measured inner temperature changes and displacements by the time by thermocouple heating the subjects with polypropylene fiber mixing and kinds of load as major variables on the ISO 834 standard heating curve. The experimental and analytical result which was investigated the structural action of high strength concrete compound column put fire damage is as follows; There would be the delay section which stops increasing to maintain the temperature if the inside experimental subject of covering depth reaches to 100℃ and the reason is that this is the section that the moisture coming into the subject by outdoor heat goes to steam. And it can be seen that inside temperature of the subjects is getting to increase by the section depth reaching from the section center to the section outside. The reason of much higher increasing ratio of the temperature in the center than outside is that it is approached to heat source with the section damage by scorching heat. The conclusion investigated through the analysis influencing to each variable with the section size, eccentric load location and steel ration as variables by using DIANA(Displacement Analysis), non linear finite element analysis program is as follows; The more increasing to 350㎜×350㎜, 450㎜×450㎜ he section measurement, the more increasing the time to failure and the more decreased the deformation ratio under high temperature on the condition of 1.26% of fixed steel ratio. This is because the more increased the section measurement, the more increased the quantity of concrete not damaged by fire in the section inside. So to increase its section in the subject with same steel ratio is more effective on the fire. The more increased 10% and 20% from the center the eccentric load, the more decreased the time to failure and the more increased the deformation ratio under high temperature on the condition of 350㎜×350㎜, 450㎜×450㎜ of its section size and 1.26% steel ratio. To design the eccentric load location near the center is more effective on the fire under the same condition. The more increased to 1.26% and 2.10% the steel ration, the more increased the time to failure and the more decreased the deformation ratio under high temperature with fixed 350㎜×350㎜, 450㎜×450㎜ of its section size. Because The concrete area of the subject the same the steel ratio as it is increased has changed to steel to increase the strength and elastic modulus, to increase the steel ratio is more effective on the fire in the subject with same section. As recently many structure buildings are used high strength concrete, the exact understanding and data by detailed inside temperature data and the change of material character for the study of fireproof characteristic are needed remaining them for further studying.