Performance Assessment of High Strength Concrete Members subjected to Fire

Abstract

콘크리트는 오랜 기간 동안 구조물에 폭넓게 사용되어 왔으며, 일반적으로 내화성능이 좋은 재료로 여겨져 왔다. 화재가 발생하였을 경우 콘크리트는 고온에 의하여 재료 물성 및 역학적인 손상을 입게 되며, 이는 결국 구조물의 구조적 성능을 저하시키고 변형을 증가시키는 결과를 초래한다. 지금까지의 연구결과에 의하면 고강도 콘크리트는 일반강도보다 화재에 취약한 경향을 보인다. 이는 고온에서 고강도 콘크리트의 폭렬현상에서 기인한 것으로 실재 화재시 고강도 콘크리트 구조물의 성능을 파악하기 위해서는 이러한 현상을 고려한 일반강도 콘크리트와 다른 평가방법이 필요하다. 본 연구에서는 화재시 콘크리트 강도, 피복두께, 하중상태 및 화재시간이 부재 내부의 열적 분포 및 구조적 거동에 미치는 영향을 파악하기 위하여, 일반강도 및 고강도 콘크리트 보 및 기둥 시험체를 제작하여 각 변수에 따라 ISO 834 표준가열곡선으로 가열실험 및 가력실험을 실시하였으며, 고온에서 콘크리트의 재료 및 구조모델을 제안하고 이를 이용하여 해석을 실시하였다. 일반강도 콘크리트 보의 피복두께는 보 내부의 온도분포 및 구조적 거동에 영향을 미쳤으나, 고강도 콘크리트의 경우에는 영향을 미치지 못하였으며, 오히려 피복 두께가 두꺼운 경우 더 깊은 폭렬이 발생하여 구조적 손상이 심하였다. 따라서 고강도 콘크리트 보의 피복두께에 대한 재검토가 필요하다고 판다된다. 또한 모든 폭렬로 인하여 고강도 콘크리트의 온도분포가 일반강도에 비하여 높게 나타났다. 화재피해를 입은 보의 잔존내력에 있어서, 일반강도의 경우 10% 이하의 감소율을 보이는 반면 고강도 콘크리트의 경우 더욱 큰 감소율을 보였다. 이 또한 폭렬에 의한 단면이차 모멘트의 감소 및 열에 의한 재료적 손상도가 높아 발생한 결과이므로, 고강도 콘크리트 보의 폭렬에 대한 저감 방안이 필요하다. 고온하에서 고강도 콘크리트 기둥은 하중을 받지 않는 경우보다 하중을 받고 있을 경우 폭렬이 더욱 심하게 발생 하였으며, 특히 편심을 받을 경우 압축력이 크게 발생하는 부위의 폭렬이 가장 심하게 나타났다. 폴리프로필렌 섬유를 혼입한 경우 중심축하중 및 편심하중을 가한경우 모두 폭렬이 발생하지 않았다. 폭렬이 발생하지 않은 경우 하중 재하의 유무는 부재 내부의 온도분포에 영향을 미치지 않았으나, 폭렬이 발생하는 경우는 하중 재하 상태에 따라 폭렬 정도가 달라 내부 온도 분포에도 영향을 미치는 것으로 나타났다. 폭렬이 발생한 경우 화재후 기둥의 내력은 화해를 입지 않은 기둥 내력의 30% 정도 밖에 나타내지 못하였으며, 폭렬이 발생하지 않은 경우는 50%의 내력 저하를 보였다. 이러한 결과를 바탕으로 각 경우에 대한 잔존강도를 평가하는 식을 제안하였으며, 화해 입은 기둥의 P-M상관도를 제시하여 화재시 기둥의 성능 평가를 할 수 있는 자료를 제시하였다. 또한, 실험결과를 바탕으로 고온에서 콘크리트의 재료 및 구조 모델을 제시하고 이를 이용한 해석 결과와 실험 결과를 비료 분석 하였다. 콘크리트의 재료모델은 강도에 상관없이 적용이 가능하며, 고강도 콘크리트 보의 경우 폭렬의 발생 부위를 감안하여 단면 모델을 형상화 하였다. 그러나 고강도 콘크리트 기둥의 경우 폭렬 발생의 위치가 불규칙하여 형상화하기가 불가능 하므로, 본 해석에서는 제외하였다. 제안한 재료 및 구조 모델에 의한 해석 결과는 실험 결과와 6% 이내의 오차를 보여 잘 일치하였으므로, 본 모델을 이용하여 향후 화재시 보 및 기둥의 내화 성능을 평가하는 데 적합할 것으로 판단된다.;Structures have to be able to maintain their stability and strength for a sufficient time to limit human casualties and property damages from fire. Concrete has been a most widely used structural material for many century. Generally, concrete has been known to have good fire resisting properties. High temperatures induce severe micro-structural changes and internal thermal stresses that alter the mechanical properties of Portland cement concrete, which result in a decrease in load capacity and an increase in the deformation of concrete members. However, from previous researches, high strength concrete (HSC) is known to have less fire resisting capacity than normal strength concrete (NSC). HSC, especially, has been found to be susceptible to spalling under high temperature. Therefore, the investigation of the thermal and structural behavior of HSC members when exposed to fire needs to apply the actual fire case in separate way with NSC members. To investigate the effects of concrete compressive strength and cover thickness on the temperature distribution and structural behavior of RC beams, NSC and HSC beams were tested under the ISO 834 standard fire curve. The cover thickness had an effect on the failure time of NSC beams, but had no effect on HSC beams. This might be because of spalling. So, the cover thickness in HSC is needs to be reconsidered separately from NSC. In all cases of comparison regarding the strength of concrete, the temperatures of HSC are higher than NSC beams. Also, the displacement may be independent of the cover thickness in the HSC and dependent on the grade of spalling. The load capacity is reduced by fire damaging, in case of NSC beams, the degree of reduction is smaller than 10%, but it is bigger in case of HSC, especially the HSC beam with deep cover thickness is more severely damaged by fire. It may be also induced from the deeper spalling. This tendency is same in stiffness and serviceability reduction. Therefore, the cover thickness for fire resistance is reconsidered in HSC beam. To investigate the effect of the test parameters on the temperature distribution and structural behavior of HSC columns, thirty one columns were fabricated. These test parameters are mixture of polypropylene fiber, loading state and fire test time. The structural behavior of column at elevated under loading was different with that of unloaded specimen. The plain loaded concrete columns were more explosively spalled than unloaded column when subjected to fire. Especially the eccentrically loaded columns were severly spalled. The columns are mixed polypropylene fiber were not spalled in both cases of being loaded and unloaded. The temperature of concrete is not related to the loading state in case of non spalling, but when the concrete was spalled the loading state affect on the temperature because the compressive zone was more spalled when column was eccentrically loaded. The reduction of load capacity of fire damaged column with the time of exposure to fire were investigated. The spalled columns are reduced to 30% of original load capacity and non spalled columns are reduced to 50% of original load capacity. The equation for estimating the residual load capacity of fire damaged column is proposed and the interaction diagrams are presented. The accurate material property models are need to be input for reasonable analysis results, but it is also need to develop the practical models for applying to various parameters commonly and simply. Therefore, in this study, the thermal properties are unified between NSC and HSC and only section model has different shape in analysis process of beam and the analysis results by this method is verified. The geometric modeling is needed in case of spalling, but the spalling in columns does not have regularity unlike beams. So, the modelling of spalled section in geometry is very complicated and not adequate. In this study, the analysis for column is limited in the non spalled section. The proposed stress-strain equation was modified to consider the limited stress corresponding to temperature at descending part. Proposed ascending part is not quitely different but the stiffness was modified by high temperature. The proposed thermal and material models were verified by analysis.