화재피해를 입은 일반 강도 철근 콘크리트 휨부재의 구조성능에 관한 연구

Abstract

산업화·도시화에 따른 건축물의 밀집과 고층화의 환경에서 화재 재해 발생은 인명 피해 및 재산 피해에 치명적인 결과를 가져올 수 있다. 따라서 화재 발생을 사전에 억제하는 구조물의 방화·내화구조 및 피난 계획, 소화설비, 소화활동 설비 등에 대한 방재 연구와 더불어 화재 발생 후 화재의 원인조사와 구조물의 재사용 여부, 자산 평가의 과학적인 근거를 위해 신뢰성 있는 안전성 평가에 대한 연구가 필요하다. 국내 연구의 경우, 재료 차원에서 실험 및 이론 연구가 일부 진행되었으나 하중을 받는 철근 콘크리트 휨 부재에 대한 국내 연구는 전무한 상태이다. 또한 재료의 온도분포 및 고온 조건으로 발생한 재료의 강도 및 강성 변화에 초점이 주어지고 있다. 그러나 거시적으로 재료의 특성을 고려한 부재의 강성 및 강도변화와 이를 확장하여 구조시스템과의 영향 및 붕괴에 대한 연구가 미약한 편이다. 본 연구에서는 화재 피해를 입은 일반 강도 철근 콘크리트 휨 부재의 구조 거동을 파악하고자 한다. 이를 위해 일반 강도 콘크리트 보 부재를 피복두께와 화재 노출 시간을 다르게 하여 이에 따른 거동, 잔여 강도에 대해 실험적으로 연구를 수행하여 이를 분석하고자 한다. 또한 유한요소 해석 프로그램인 DIANA를 이용하여 해석적으로 연구를 함으로써 거동을 분석하는데 본 연구의 목적이 있다. 실험적 고찰을 위해 기준 시험체 2개와 가열하는 시험체 10개 총 12개의 시험체를 제작하였다. 주요 실험 변수는 화재 발생 시 구조체의 거동에 가장 영향을 많이 미치는 것으로 밝혀진 피복두께와 가열시간으로 하였다. 피복두께는 4㎝, 5㎝로 하였고 가열시간은 1시간, 2시간 그리고 파괴 시까지로 하였다. 또한 가열 실험 후에 잔존 강도 추정을 위하여 가력실험을 수행하였다. 또한 유한 요소 프로그램인 DIANA를 이용하여 재료적 비선형 유한 요소 해석을 수행하고 실험과 비교하였다. 화재 피해를 입은 일반 강도 철근 큰크리트 휨 부재의 구조 거동을 실험적, 해석적으로 고찰한 본 연구의 결과는 다음과 같다. 시험체를 파괴가 발생할 때까지 가열한 결과 피복 4㎝ 시험체의 경우는 151분, 피복5㎝ 시험체의 경우 225분이 소요되었다. 또한 피복 4㎝ 시험체와 피복 5㎝ 시험체를 비교했을 때 전체적인 경향을 비슷하나 동일한 가열 온도에 대하여 피복 4㎝ 시험체의 내부 온도가 더 높게 나타났다. 따라서 피복 5㎝ 시험체가 피복 4㎝ 시험체보다 고온에 노출되었을 때 손상이 적음을 알 수 있다. 피복 4㎝ 시험체의 경우 약 75분부터, 피복 5㎝ 시험체의 경우 약 100분부터 처짐의 증가율이 급격히 커지면서 그 이상 고온에 노출될 경우 구조물로서의 역할을 할 수 없다고 볼 수 있다. 가열하지 않은 시험체와 가열한 시험체를 비교한 결과 최대 내력 면에서는 20tonf 근처로 비슷하나 가열한 시험체가 처짐율의 경우 최대 53% 증가함을 보였고 곡률 반경의 경우도 최대 59.4% 감소함을 보였다. 따라서 가열한 시험체가 고온에 의하여 강성이 감소하였음을 알 수 있다. 피복 4㎝ 시험체와 피복 5㎝ 시험체를 비교한 결과 피복이 4㎝ 시험체가 피복 5㎝ 시험체보다 최대 내력이 더 컸으며, 처짐율도 더 작게 측정되었으나 그 차이는 크지 않았고 전반적으로 하중-처짐 곡선의 형태는 유사한 경향을 보였다. 따라서 가열 후 실험에서 볼 때 피복 두께가 미치는 영향은 크지 않음을 알 수 있다. 유한요소해석 결과 가열 후 3개월 동안 점차적으로 강도와 강성이 회복되어 실제 가력 실험시에는 실제 시험체의 손상 깊이가 약 1㎝ 정도로 추정되었고 콘크리트 온도가 600~700℃ 정도가 되면 회복될 수 없는 상태로 변한다고 판단된다.;Industrialization and urbanization has brought many people into the cities, leading to the concentration and high-rise of buildings. Naturally the frequency of fire has increased a great deal, causing tremendous losses in both people's lives and property. This has raised the necessity of research on the cause of the fire, if the building can be used again and a reliable evaluation of the building's safety. Domestically, some research has been done based on the material of the structure but none on the reinforced concrete flexural member. Also, the prior research has been focused on the change of strength and stiffness according to the temperature distribution or in the condition of high temperature. But this has not yet been linked with the effect on the total building structure nor structural failure. This research is focused on the structural behavior of the fire-damaged reinforced concrete beam with normal strength concrete. The behavior and remaining strength of the concrete beam has been experimented in many conditions with various thickness of the cover and different lengths of time exposed to fire. The DIANA program was used to analyze the finite element. For the experiment, 2 typical specimen and 10 heating specimen were fabricated. The main variables were the thickness of the cover and time exposed to fire, which are the two elements that have the most influence on the behavior of fire-damaged reinforced concrete beam. The cover was given 4cm and 5cm, exposure time 1 hour, 2 hours and the time until it reaches failure. In order to investigate the remaining strength, a loading experiment was conducted. DIANA was used to analyze the nonlinear finite element and it was compared with the outcome of the experiment. The results are as follows ; The specimen with 4cm cover lasted 151 minutes until failure whereas the specimen with 5cm cover lasted 225 minutes. The two specimens showed similar reactions to heat, though the internal temperature of specimen with 4cm cover was higher. As shown, the specimen with thicker cover had less damage. The deflection rate increased greatly after the first 75 minutes for the 4cm-cover specimen and 100 minutes for the 5cm-cover specimen. After this time, the specimen could not perform fully as a structural member. Maximum proof stress did not show great difference between heated specimen and non-heated specimen but the deflection rate increased a maximum 53% and radius of curvature decreased a maximum 59.4% for the heated specimen. This means that the stiffness has decreased. The 4cm-cover specimen showed larger proof stress and smaller deflection rate but the difference was not great. The general load-deflection curve showed the same shape. In result, the thickness of the cover does not have much effect after heating.