화재피해를 입은 고 강도 철근 콘크리트 휨 부재의 구조성능에 관한 연구

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 importance of the concrete with high strength get influential. but the researches on structural behaviors of high strength concrete under high temperature are rarely studied. This study executed fire test of high strength RC beams and loading test for evaluating residual strength of beams after heating. Based on test, it considered structural behavior of RC beams under high temperature and residual strength of beams after heating. The heat transfer equation is formed into F.D.M. based on the theory of heat transfer. And then, the temperature change of concrete, as increasing of furnace temperature, is analyzed by numerical method using Basic language. For this purpose, fourteen beam specimens are fabricated and experimented. Twelve specimens are exposed to the fire for 60 and 90 minutes and to the failure. The main variables of the test is concrete cover and exposure time to fire. In fire test, the furnace temperature is controled by ISO 834 standard heating curve. After being cooled in room temperature, the specimens are loaded to the failure. And, The experiment data of normal strength concrete refer to the previous test executed under same condition. The conclusions in regard to such research can be seen as follows. In case of high strength concrete, the low water-cement ratio induce the spalling. (The spalling didn't occur in case of normal one.) So, the section of concrete sustain loss and then the increasing of inner temperature is larger. Therefore, the high strength concrete is weaker than normal one. Comparing with the time of reaching failure, in case of normal strength, the specimens with 4cm cover lasted 151 minutes until failure, 5cm ones has 225 minutes. whereas 4cm ones have 144 minutes and 5cm ones have 161 minutes in case of high strength. The reason of this result is induced by spalling and section loss in accordance with spalling, too. The deflection rate increased greatly after the first 75 minutes for 4cm-cover specimens and 100 minutes for the 5cm ones, in case of normal strength. But, in case of high one, 4cm-cover specimens have 55 minutes and 5cm ones have 65 minutes. This result know it for us that the high strength concrete is weak, too. When the deflection reach 150㎜, accumulative temperature is 22000℃ for normal strength, whereas it is 15000℃ for high one. Therefore, in durability, high strength concrete is more disadvantageous the normal one, too. Besides, in case of high strength concrete, the cover thickness is not important variable because the structural behavior of specimen is not enough of a difference by cover thickness, contrary to normal one. In the initial elastic domain, the maximum stiffness decreasing rate is 37% for normal strength concrete, 70% for high one between heated specimens and non-heated specimen. And, comparing with the load value when deflection reach limit for use, the normal strength concrete has the maximum 33% decreasing rate and the high one has 49%. These results prove that high strength concrete is larger damage than normal one as exposing heat. According to the heat transfer analysis by using F.D.M., an error is 8∼10% for the lower part of beam. It doesn't has accuracy because it get out of bounds of 5% error. But the result of analysis is similar tendency to the result of experiment To attain higher accuracy of the heat transfer analysis using the numerical method, the amount and the functional relation of the moisture contained in the concrete and the correlation with the property matter of the material should be taken into account in further research. ;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 고강도 콘크리트의 중요성이 대두되고 있지만 고온 하에서 고강도 콘크리트에 대한 연구는 거의되어 있지 않은 상태이다. 본 연구에서는 고강도 철근콘크리트 보의 가열 실험과 가열실험 후 잔존 내력을 평가하기 위해 가력 실험을 실시하였고, 실험결과를 바탕으로 철근 콘크리트 보의 화재 중 휨 거동과 화재 후 잔존 강도에 관하여 고찰하였다. 열전달 이론에 의한 식을 유한 차분법으로 정식화하고 Basic Language로 수치 해석하여 콘크리트 내부온도를 열전달 해석하였다. 실험적 고찰을 위해 기준 실험체 2개와 가열 실험체 12개 총 14개의 실험체를 제작하였다. 화재노출시간과 피복깊이를 주요변수로 하여 ISO 834기준의 표준가열곡선에 의해 가열로에서 가열 실험하였고, 그 후 대기 중에서 냉각하여 고온에 노출된 실험체에 대해 잔존강도 실험을 수행하였다. 그리고 일반 강도에 대한 비교는 전년도에 같은 조건에서 실시한 데이터를 참고하였다. 화재 피해를 입은 고강도 철근 콘크리트 휨 부재의 구조 거동을 실험적, 해석적으로 고찰해 본 연구의 결과는 다음과 같다. 고강도 콘크리트 보의 경우 낮은 물-시멘트비로 인해 일반 강도 콘크리트 보에서는 발생하지 않았던 폭렬 현상이 발생한다. 이로 인해 단면이 손실되고 이로 인해 내부 온도 증가도 커져 일반 강도 콘크리트 보에 비해 화재에 취약한 것으로 나타났다. 실험체의 파괴 시간을 비교하면 일반 강도 콘크리트의 보의 경우 피복 4㎝ 실험체의 경우는 151분, 피복 5㎝의 경우는 225분이었으나 고강도 콘크리트 보의 경우는 피복 4㎝ 실험체의 경우 144분, 피복 5㎝ 실험체의 경우 161분이었다. 이는 고강도 콘크리트가 폭렬 현상으로 인해 단면이 손실됨으로서 고온 시 파괴 시간이 짧아진 것이다. 실험체의 처짐 증가율이 급격히 커지는 시간의 경우도 마찬가지로 일반 강도 피복 4㎝ 실험체의 경우 75분, 피복 5㎝ 실험체의 경우 100분 정도였으나 고강도의 경우 피복 4㎝ 실험체의 경우 55분, 피복 5㎝의 경우는 65분으로 고강도 콘크리트 보가 화재에 취약한 것을 알 수 있으며, 누적온도-처짐 관계에서도 두 강도를 비교하면 150㎜의 처짐이 발생 시 일반 강도 보의 경우 누적온도는 약 22000℃, 고강도의 경우 약 15000℃이다. 내구성 측면에서도 역시 고강도 콘크리트가 화재 노출시 더 위험한 것을 알 수 있다. 그리고 고강도 콘크리트 보의 경우 고온 하에서 피복 4㎝인 실험체와 피복 5cm인 실험체의 거동이 크게 차이가 나지 않는 것으로 보아 일반 강도 콘크리트와 달리 1㎝정도의 피복두께는 화재 시 큰 영향을 주는 변수로 작용하지 않는다. 가열하지 않은 실험체와 가열한 실험체의 초기 탄성 구간 기울기를 비교해 보면 최대 기울기의 감소율이 일반 강도 콘크리트 보의 경우 37%, 고강도 콘크리트의 경우 70%정도로 화재 시의 폭렬 현상으로 인해 화재 시 고강도 콘크리트 보의 피해가 큰 것으로 나타났다. 그리고 사용성 측면에서도 사용 한계 처짐에 다다르는 하중값이 가열 전보다 가열 후에 일반 강도의 경우 최대 33%, 고강도의 경우 49% 감소된 모습을 보였다. 이는 고강도 콘크리트 보가 화재에 의해 내구성 저하가 큰 것을 잘 보여주고 있다. 고온 하에서 실험체 내부 온도를 유한 차분법을 통한 수치 해석을 하여 해석한 결과 오차가 최종 시간 온도에서 보 하부 열전대인 con-1의 경우 약 8∼10%정도로 오차 5%안에 들 정도로 정확하진 않으나 실험 결과와 해석 결과가 어느 정도 유사한 경향을 보인다는 것을 알 수 있다. 보다 정확한 온도 해석프로그램을 사용한 열전달해석을 위해서는 콘크리트에 내포된 수분 및 함수율과 재료물성과의 상관관계에 관한 정확한 데이터가 필요하며 이와 관련된 사항은 추후 연구사항으로 남는다.