플라이 애시 혼입에 따른 철근콘크리트 보의 고온 거동에 관한 연구

Abstract

최근 들어 화재 피해 사례가 급증하고, 건물의 고층화 및 복잡화로 인해 건물들 간의 상호의존성이 높아져 그 피해 또한 대형화되고 있다. 이에 따라 화재 시 건축물과 그에 따른 피해를 최소화하기 위한 다양한 연구가 필요한 실정이며, 특히 화재 시 건축물의 안전성 예측을 위해 화재 시 구조물의 거동에 대한 연구는 필수적이다. 국내 건축물의 경우 철강 산업의 발전과 화력발전소 의존도가 높고 그에 따라 배출되는 산업부산물인 석탄회의 효율적인 활용을 위해 플라이 애시와 고로슬래그 등과 같은 혼화재를 콘크리트에 혼입하여 사용한다. 이에 혼화재를 활용한 콘크리트에 대한 연구가 수행되고 있으나 국내는 혼화재를 혼입한 건설 부재와 그 활용 분야에 대한 연구가 미비하여 다양한 연구가 필요한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 화재 시 국내에서 주로 사용하는 혼화재인 플라이 애시의 혼입에 따른 일반강도 철근콘크리트 부재의 열적 및 구조적 거동 변화를 파악하였다. 또한 가열 실험 시 초기하중에 적용한 하중비에도 차이를 두어 이에 따른 열적 및 구조적 거동 변화를 분석하였다. 이를 위해 일반강도 철근콘크리트 보 실험체를 제작하여 화재실험과 화재 후 구조거동 실험을 수행하여 플라이 애시의 혼입을 비롯한 다양한 변수에 따른 고온 거동의 차이를 확인하였다. 또한, 유한요소 해석 프로그램인 ABAQUS 6.10-3을 통해 해석연구를 수행하여 그 결과를 실험결과와 비교하여 분석하였다. 연구 결과, 화재실험에서는 플라이 애시를 혼입한 실험체들의 온도분포가 플라이 애시를 혼입한 실험체들의 온도분포보다 낮게 나타났고, 시간에 따른 처짐에서도 플라이 애시의 혼입이 처짐을 적게 발생시켰다. 해석연구 수행 결과, 실험에서 나타난 플라이 애시의 혼입 여부에 대해 동일한 경향성을 확인할 수 있었다. 초기하중비가 클수록 온도분포가 높아지는 경향성은 실험보다 해석모델에서 더 뚜렷하게 나타났으나, 화재에 따른 처짐에서는 그 차이가 10% 이하로 경향성 뿐 아니라 값에서도 매우 유사한 결과를 보였다. 다음으로 화재 후 구조 거동은 실험 결과를 바탕으로 플라이 애시의 혼입에 따른 항복 시 하중, 강성, 최대 하중을 비교하였는데 그 차이가 매우 작아 경향성이 있다고 보기는 어려웠으며, 해석에서도 동일한 결과를 확인할 수 있었다. 마찬가지로 초기하중비에 따른 화재 후 구조 거동을 항복 시 하중과 강성, 최대 하중을 바탕으로 분석한 결과 초기하중비가 클수록 즉, 화재실험에서 발생한 처짐이 클수록 더 큰 하중을 받는 경향성을 확인할 수 있었고, 해석결과에서도 유사한 결과를 보였다. 또한, 가열한 실험체가 화재 후 잔존강도의 회복을 하여도 가열하지 않은 실험체보다는 낮은 최대 하중을 받았다. 이러한 연구결과를 통해 향후 국내에서 아직 연구가 미비한 혼화재를 혼입한 건설 부재의 열적 거동에 관한 연구나 혼화재를 혼입한 건설 부재의 활용 분야를 연구하는데 있어 기초자료로 활용할 수 있다. ;Damages due to fire accidents have been increasing with an increase of high rise buildings and complex of skyscrapers. As the number of fire accidents is gradually increasing, many experimental and analytical studies on fire performance of concrete have been reported. Meanwhile, on account of the vitalization of the steel industry and high dependence on thermoelectric power plants, there has been a huge emission of fly ash in Korea. As an industrial waste, mixing it into concrete saves a large amount of cement and reduces environmental pollution. Therefore, it is worth verifying the effects of fly ash on the fire performance of reinforced concrete members under fire. With these considerations, this paper aims at evaluating the effects of fly ash for the thermal and structural behaviors of reinforced concrete beam under fire. Toward that goal, RC beams are fabricated with ordinary Portland cement only and fly ash concrete with 15% of fly ash replacement, respectively. After curing, specimens are heated on three surfaces for 2 hours according to ISO-834 standard time-temperature curve. Before the fire tests, all beams are subjected to 4-point loading systems and loaded with 3 different load levels. The temperature distributions during the fire test are measured using thermocouples inside the specimens and time-deflection curves during the fire test are obtained using concrete gauges. Also, residual compressive strength tests are performed on the specimens after fire tests. To investigate the validity of the experiment results, ABAQUS 6.10-3 is used to perform coupled temperature-displacement analyses and structural analyses on FE(finite element) models. The experimental results indicate that the specimens with fly ash concrete showed lower temperature distributions and less deflections than those of the specimens with OPC only during the fire tests. Same tendency and similar values are discovered in the analytical results, as well. However, for the residual strength tests, the effects of fly ash are hardly noticed according to both experimental data and analytical data. Also, for the residual strength test considering the loading level, as the loading level increases, beams take higher maximum loads in both experiments and analyses.