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J. Korean Soc. Hazard Mitig. > Volume 16(4); 2016 > Article
표준화재에 노출된 철근콘크리트 단근보의 하중비 산정에 관한 실험적 연구

Abstract

The absence of the load ratio should be given higher priority as it makes a pivotal impact on the fire resistant capacity assessment. Unfortunately, there has been a near absence of studies on setting the load ratio to determine the structural safety and the fire resistant capacity for local building structures. Against this backdrop, this study has identified the load ratios in line with change in width-todepth ratios of the single reinforcement beam of reinforced concrete as the structural member for the fire resistant capacity assessment. I have come up with reasonable load ratios through experiments with the width-to-depth ratios of single reinforcement beam of reinforced concrete exposed to standard fire test used as variables under the standard fire conditions.

요지

건축 구조물이 대형화, 초고층화가 되어가면서 안전한 구조물의 성능에 대해 많은 관심이 생겨나고 있다. 여러 재해중 화재로 인한 피해는 대형 참사로 이어지므로 세계 각국에서도 건축물 구조와 건축물의 부위별로 합리적인 내화성능을 규정하여 운영 중에 있다. 국내외적으로 내화설계에 대해 차이가 있지만 국외의 경우 구조물의 내화설계에 하중비의 개념을 적용하여 화재시 상온시에 설계하중의 50% 내외의 하중부여가 합리적인 것으로 제시하고 있다. 하중비는 부재의 내화성능평가에 대해 지배적인 영향을 미치는 요소이므로 중요시하게 다루어져야 한다. 국내의 경우 아직 구조물의 안전성과 내화성능에 대한 판단을 위한 하중비 설정에 관한 연구는 찾아보기 어려운 실정이다. 본 논문에서는 내화성능 평가를 위한 구조부재로써 철근콘크리트 단근보의 폭-춤비 변화에 따른 하중비를 도출하여 보았다.

1. 서론

1.1 연구의 목적

건축 구조물이 대형화, 초고층화가 되어가면서 안전한 구조물의 성능에 대해 많은 관심이 생겨나고 있다. 여러 재해중 화재로 인한 피해는 대형 참사로 이어지므로 세계 각국에서도 건축물 구조와 건축물의 부위별로 합리적인 내화성능을 규정하여 운영중에 있다. 각국에서는 이러한 내화설계에 대해서 구조물에 화재가 발생 했을시 인명대피시간과 화재확산의 방지 및 구조물 붕괴를 방지하기 위해 주요부재와 구조부에 대한 내화설계 규정을 적용하고 있다.
국내의 경우에도 최근 2006년 내화구조성능설계에 관한 근거 규정이 신설되어 종래의 규정으로는 해결하기 어려웠던 구조물에 대해 공학적 절차를 바탕으로 설계가 가능하게 되었지만, 아직 공학적 절차에 관해 세부적인 절차와 방법들이 미흡한 실정이다.
철근콘크리트 구조는 내화성능면에서 다른 구조재료들보다 매우 유리한 구조시스템으로 인식되어 왔다. 그러나 화재시와 같은 특수한 상황의 높은 고열에선 콘크리트 표면의 균열과 박리, 폭렬등 부재의 변형과 파괴가 일반적인 상온상태의 콘크리트의 변형 형태와 다르게 발생할 수 있으므로 이러한 조건을 고려한 설계가 반드시 필요하다.
국내외적으로 내화설계에 대해 차이가 있지만 국외의 경우구조물의 내화설계에 하중비의 개념을 적용하여 화재시 상온시에 설계하중의 50% 내외의 하중부여가 합리적인 것으로 제시하고 있다. 부재의 내화성능평가에 대해서 구조부재는 고온에 노출되면 하중 지지력을 상실하게 되는데, 어느 정도의 하중지지력이 상실되게 되는지에 대해 수치적인 기준을 알아야 구조계산, 또는 구조설계시에 고온에 노출된 구조부재의 성능에 대해서 명확하게 제시 할 수 있게 된다. 이러한 지배적인 영향을 미치는 하중비는 매우 중요한 요소로 중요하게 다루어져야 하지만, 국내의 경우 아직 구조물의 안전성과 내화성능에 대한 판단을 위한 하중비 설정에 관한 연구는 미비한 실정이다.
본 논문에서는 내화성능 평가를 위한 구조부재로서 철근콘크리트 단근보의 폭-춤 비 변화에 따른 하중비를 고찰하는데 그 목적이 있다.
일반적인 조건의 화재조건을 적용하여 표준화재에 노출된 철근콘크리트 단근보의 하중비를 도출하여 보고자 한다.

1.2 연구의 방법 및 범위

본 논문의 내화시험은 ISO 834-1에서 규정하고 있으며 국내의 KS F 2257-1에서도 동일하게 규정되어있는 표준화재-온도곡선에 기준하여 시험하였다.
콘크리트 시험체 제작에는 다양한 변수가 존재할 수 있는데, 실험체 제작에 사용된 철근 콘크리트 단근보의 주근의 경우D16~D22를 늑근은 D10을 적용하였으며, 콘크리트의 경우설계강도 21MPa를 적용하여 시험하였다.
고온에 노출된 철근콘크리트 단근보 하중비를 고찰하기 위하여 일반강도 콘크리트를 대상으로 하였으며, 이는 고강도콘크리트의 경우 강도 저감의 중요 요인인 폭렬의 영향이 크지만 폭렬의 영향을 고려하지 않고 하중비를 고찰하기 위하여 일반강도를 대상으로 하였다.

2. 화재시 구조재 하중비에 관한 기술동향

2.1 국내 연구 동향 고찰

국내에서는 최근 10여년 전부터 내화구조와 관련한 연구가활성화 되었다. 2000년대에 중후반에 들어서면서 화재피해를 입은 콘크리트의 보의 성능평가, 화재시의 콘크리트의 특성, 화재에 노출된 철근콘크리트 기둥에 대한 해석과 같이 화재에 노출된 구조부재에 관한 연구들과, 강구조 부재의 하중비에 따른 내화성능, 콘크리트 압축강도 및 하중비에 따른 CFT기둥의 내화성능, 콘크리트 보강 강구조부재의 하중비에 따른 내화성능과 같은 하중비 평가들이 주를 이루고 있다.
이러한 연구에서 내화성능의 평가와 하중비에 대한 평가, 구조부재의 화재시 거동 등을 중요한 요인으로 간주하고 있음을 알 수 있다. 하지만, 이러한 선행연구에도 불구하고 아직 국내에서는 현재까지 구조설계와 관련된 화재시의 계수하중이 정립이 되어 있지 않다.
대부분의 연구들은 하중비를 여러 단계로 했을 시에 부재의 내화성능이 어떻게 달라지는지를 해석적, 실험적 방법으로 설명한 것들이 대부분이며, 실험적인 방법을 통해서 국내 규준에 맞는 하중비를 제안하거나 정립한 경우는 거의 없는 것으로 파악되었다.
향후 국내건축구조기준(KBC코드)에 화재시의 설계하중이 도입 된다면 구조부재나 구조시스템의 사양적 또는 성능적 내화설계방법의 합리적인 신뢰성이 확보될 수 있을 것으로 판단된다.

2.2 Eurocode (EN 1992-1-2)

Eurocode 2: Design of concrete structures-Part 1-2: General rules- Structural fire design는 콘크리트구조의 내화설계와 관련한 코드로서 콘크리트 구조 일반을 정하는 Part 1-1:General rules for buildings와 연동하며, Eurocode 시리즈의 다른 코드와 마찬가지로 Eurocode 0: Basis of Structural Design 및 Eurocode 1: Actions on Structures와 관련한다. 이 코드에서는 콘크리트 부재의 화재안전설계와 그에 관련된 건축적 해결방법에 대해서만 규정하고 있다.
Eurocode 2에서는 3가지 방법의 설계절차를 설명하고 있다.
첫째는 표(table)에 의한 설계법, 둘째는 간편화(simplified)화된 설계법, 셋째는 고급계산법이다. 첫 번째 방법은 경험적 데이터에 의해서 미리 주어진 테이블에 의해 설계하는 방법으로 화재조건, 하중, 부재강도 등에 대한 고려 없이 보편적인 경우에 적용할 수 있는 방법이다. 이 경우에는 표준화재조건만을 가정한다.
두 번째 방법 역시 표준화재의 조건을 가정하지만, 이 경우에는 부재의 강도저감을 고려하게 된다. 화재에 노출되어진 부재의 유효단면을 산정하고 유효단면 내의 가정적 강도저감도 고려할 수 있다. 간편계산법은 대부분 개별부재의 설계에만 활용된다.
간편화된 설계법은 수계산이 가능하며, 단일 부재일 때 유용하다.
세 번째 방법은 부재의 열특성과 역학적 거동을 실제와 가장 근접하게 계산할 수 있으며, 부재의 연결과 상호작용을 고려할 수 있어 모든 종류의 분석이 가능하고 구조물 전체의 해석도 가능하게 된다.
Eurocode에서 사용되어지고 있는 500°C 등온선법은 콘크리트 온도가 500°C 이하인 경우에는 상온시의 강도를 그대로 유지하지만, 500°C를 넘으면 강도를 100% 상실하는 것으로 가정하여 콘크리트의 유효단면을 산정하고, 콘크리트 유효단면 및 온도정보에 따라 계수 조정된 철근의 강도로부터 상온시 콘크리트 부재의 강도에 대한 화재강도를 산정하여 계수하중과 비교해서 설계의 적정성 여부를 판단하게 된다. Fig. 1은 Eurocode에서 제시하고 있는 500°C 등온선법에 따라 재하가열시험시 감소된 유효단면을 나타낸 것이다. 존모델법은 화재에 노출된 면에서 평행하도록 3개 이상으로 나누어진 동일한 두께의 콘크리트 단면의 중심이 단면 내 평균 온도를 갖는 것으로 가정하여 부재 강도의 저감을 구하는 방법이다. 이 방법은 작은 단면의 부재나 세장한 기둥에 적합한 방법이며, 오직 표준화재조건으로만 적용이 가능하다. 간편계산법에서 사용하는 부재의 전열특성은 일반콘크리트와 고강도콘크리트의 차이를 두지 않고 있다.
Fig. 1
Three surfaces exposed to the fire
KOSHAM_16_04_143_fig_1.gif

3. 철근콘크리트 단근보 내화시험

3.1 내화성능 평가 개요

내화시험은 KS F 2257-1, 6에 따라 수행하였으며, 가열온도 조건은 Fig 2와 같이 KS F 2257-1에서 제시하는 표준 시간-온도 곡선에 따라 내화시험을 수행하였다.
Fig. 2
Standard time-temperature curve
KOSHAM_16_04_143_fig_2.gif

3.2 내화성능 시험체 개요

본 연구에서는 철근콘크리트 단근보의 단면크기에 따른 내화성능을 검증하기 위하여 Table 1과 같이 다양한 폭-춤비에 대하여 실험체 제작을 하였으며, 하중비를 고려하여 내화실험을 진행하였다. 시험체는 모두 단근으로 배근하였으며, 길이는 4.7 m로 제작하여 내화시험을 수행하였다.
Table 1
Fire resistance specimen list
Name Section size (mm) Bottom rebar Load (kN)
Type & number of reinforcement
SB-160-1.9 160×300 D16 - 2 33.026
SB-200-2.0 200×400 D16 - 2 69.188
SB-250-1.5 250×375 D19 - 3 95.840
SB-250-2.0 250×500 D19 - 3 137.98
SB-300-2.0 300×600 D22 - 4 300.00
시험체 제작에 사용된 콘크리트는 설계강도 21 MPa로 제작하였으나, 28일 양생후 콘크리트 압축강도를 측정한 결과27 MPa로 나타났다. 보 시험체 모멘트 및 재하하중 산정시 설계강도가 아닌 28일 압축강도인 27 MPa로 적용하여 시험하였다.
강재의 경우, Fig. 3과 같이 주근은 D16~D22, 늑근은 D10을 적용하여 실험체를 제작하였으며, 본 연구에서는 전단파괴가 아닌 휨파괴를 유도하기 위해 단면크기에 따른 최소 철근비로 철근을 배근하였다.
Fig. 3
Specimen Details of SB-250-1.5
KOSHAM_16_04_143_fig_3.gif
시험체 내부에는 주철근과 콘크리트 내부 온도이력을 측정하기 위한 열전대를 설치하였다.
열전대 위치는 전체길이의 중앙부위와 1/4지점에 설치하였다. 온도측정 열전대는 주근과 늑근에 설치하고 콘크리트 내부온도 측정 열전대는 콘크리트 표면으로부터 깊이별로 설치하였다.

3.3 내화성능평가 조건

철근콘크리트 단근보의 단면크기와 하중비에 따른 철근콘크리트 보 부재의 표준화재 재하조건에서의 내화시험은 KSF 2257-1 ‘건축 부재의 내화 시험 방법-일반 요구 사항’에 명시되어 있는 표준화재-온도곡선과 KS F 2257-6 ‘건축부재의 내화 시험 방법-보의 성능 조건’을 따라 수행하였다.
Table 2는 극한강도 설계조건에서 시험체의 설계하중 및 재하하중 조건이다.
Table 2
Load conditions of fire resistance test
Name Design Load (kN) Test Load (kN) Load ratio
SB-160-1.9 33.026 16.500 0.5
SB-200-2.0 69.188 34.500
SB-250-1.5 95.840 47.920
SB-250-2.0 137.980 68.990
SB-300-2.0 300.000 150.000
재하하중 조건의 경우 하중비의 개념을 이미 사용 중인 여러 국가들이 사용하는 계수하중 0.4, 0.45, 0.5, 0.6 중 가장 많은 사용률을 보이는 0.5를 이번 시험에 대입하여 재하하중의 조건을 주었다.
내화시험은 보 부재에 대하여 0.5 하중비 조건에 따른 재하가열 시험을 수행하였다. 재하조건에서 내화성능의 평가기준은 KS F 2257-1「건축 부재의 내화 시험 방법-일반 요구 사항」에 따라 휨부재의 경우 변형량과 변형률에 의해 판정하며, 변형량과 변형률 2가지 기준을 모두 초과하였을 때 부적합한 것으로 간주하였다. Fig. 4Fig. 5는 보 부재의 내화시험 수행후 모습이며, 시험결과는 Table 3에 정리하였다.
Fig. 4
After the fire test (SB-160-1.9)
KOSHAM_16_04_143_fig_4.gif
Fig. 5
After the fire test (SB-250-1.5)
KOSHAM_16_04_143_fig_5.gif
Table 3
Fire resistance test result
Name Fire resistance time (min) Temperature (rebar) (°C) Temperature (Concrete) (°C) Deflection (mm) Rate of deflection (mm/min)
Average Maximum Average Maximum Test result Performance criteria Test result Performance criteria
SB-160-1.9 110 593.1 851.6 404.5 585.5 191.9 183.4 9.4 8.15
SB-200-2.0 180 572.4 610.9 338.1 559.0 63.6 129.5 1.7 5.76
SB-250-1.5 141 538.5 908.8 304.1 586.0 143.8 140.3 15.7 6.2
SB-250-2.0 180 559.8 605.4 415.5 757.2 35.6 129.0 1.9 5.76
SB-300-2.0 180 520.1 603.4 326.7 696.7 25.4 100.2 1.8 4.45

4. 내화시험결과 고찰

4.1 온도 고찰

KS F 2257-1(건축부재의 내화실험방법 일반요구사항)에서 제시하는 강재 허용 평균온도인 538°C와 허용 최고온도인 649°C에 대하여 SB-300-2.0 시험체를 제외한 모든 시험체에서 가열시간(180분)내에 철근은 강재 허용 평균 온도인 538°C를 초과하는 결과를 나타냈으며, 허용 최고온도에 대하여는 SB-160-1.9 시험체와 SB-200-1.5 시험체만 가열시간(180분)에 도달하기 전에 이미 강재 허용 최고온도를 넘어섰다.
SB-200-2.0, SB-250-2.0, SB-300-2.0 실험체는 가열시간(180분)까지 강재 허용 최고 온도 649°C에 근접하지만, 최고온도를 초과하지는 않았다.
Fig. 6Fig. 7은 철근의 평균온도와 최고온도 변화를 나타낸 것이며, Fig. 8부터 Fig 12까지는 각 시험체 별로 콘크리트깊이별 온도변화를 나타낸 것이다.
Fig. 6
Average temperature behavior of rebar
KOSHAM_16_04_143_fig_6.gif
Fig. 7
Maximum temperature behavior of rebar
KOSHAM_16_04_143_fig_7.gif
Fig. 8
Temperature behavior of concrete(SB-160-1.9)
KOSHAM_16_04_143_fig_8.gif
Fig. 9
Temperature behavior of concrete(SB-200-2.0)
KOSHAM_16_04_143_fig_9.gif
Fig. 10
Temperature behavior of concrete(SB-250-1.5)
KOSHAM_16_04_143_fig_10.gif
Fig. 11
Temperature behavior of concrete(SB-250-2.0)
KOSHAM_16_04_143_fig_11.gif
Fig. 12
Temperature behavior of concrete(SB-300-2.0)
KOSHAM_16_04_143_fig_12.gif
콘크리트의 온도변화에 따른 콘크리트 내부의 최대 온도와, 평균온도에 대하여 평가해 보았다. 각각 시험체의 깊이별로 20 mm의 간격으로 열전대를 설치하여 콘크리트 내부 온도를 측정하였다. SB-160-1.9 시험체의 경우 내화성능 요구시간(180분)에 못 미치는 110분 지점에서 휨파괴가 발생하여, 깊이별 온도 측정을 중단하였으며, SB-250-1.5 시험체 또한 내화성능 요구조건인(180분)에 미치지 못하는 141분 지점에서 휨파괴가 일어나, 온도 측정을 중단하였다.
위의 두 시험체를 제외한 SB-200-2.0, SB-250-2.0, SB-300-2.0 시험체에서는 깊이가 깊어지고, 보 내부로 들어갈수록 측정온도는 더 낮게 측정 되었으며, 가장 폭-춤비가 큰SB-300-2.0 시험체의 경우 가장 외부지점(20 mm)에서 측정된 온도와, 가장 내부지점(140 mm)에서의 온도가 약 430°C정도 차이가 발생하는 것을 볼 수 있었다.

4.2 변형 고찰

SB-160-1.9 시험체의 경우 내화성능 요구조건인 180분보다 훨씬 전인 110분에서 휨 파괴 되었으며, SB-250-1.5 시험체도 180분에 못 미치는 141분에서 휨 파괴 되었다. 폭-춤비가 2.0인 SB-200-2.0, SB-250-2.0, SB-300-2.0에서는 변형량과 변형률이 성능기준 보다 적게 발생되는 것으로 나타났다.
폭-춤비가 2.0 이상이 되는 보 부재의 경우 내화성능 평가시 하중비 0.5가 적정한 것으로 사료된다. Fig. 13부터 Fig.17까지는 시험체별로 변형을 나타낸 것이다.
Fig. 13
Deflection behavior of concrete(SB-160-1.9)
KOSHAM_16_04_143_fig_13.gif
Fig. 14
Deflection behavior of concrete(SB-200-2.0)
KOSHAM_16_04_143_fig_14.gif
Fig. 15
Deflection behavior of concrete(SB-250-1.5)
KOSHAM_16_04_143_fig_15.gif
Fig. 16
Deflection behavior of concrete(SB-250-2.0)
KOSHAM_16_04_143_fig_16.gif
Fig. 17
Deflection behavior of concrete(SB-300-2.0)
KOSHAM_16_04_143_fig_17.gif

6. 결론

본 논문에서는 ISO 표준화재-온도곡선(KS F 2257-1)화재에 노출된 철근콘크리트 단근보의 폭-춤 비의 변화에 따른 적정 하중비 도출을 위하여 내화시험을 수행한 실험적 연구를 통해 고찰 해 보았다.
1. 폭-춤 비가 2.0 보다 이하인 단근보 SB-160-1.9, SB-250-1.5는 0.5 이하의 하중비를 보이는 것으로 나타났다. 이를 통해서 폭-춤 비가 2.0 이하인 단근보는 하중비를 0.5 이하로 낮추어야 내화성능요구시간에 맞는 180분의 조건에 만족할 수 있을 것으로 판단된다.
2. 폭-춤 비가 2.0인 단근보 SB-200-2.0, SB-250-2.0, SB-300-2.0은 180분의 내화실험에서 0.5의 하중비가 적정한 것으로 실험결과 확인되었다.
3. 위의 실험결과를 통해 일반강도의 철근콘크리트 단근보의 내화성능평가를 위한 하중비는 폭-춤 비가 2.0을 기준으로 0.5의 하중비를 적용 하는 것이 타당할 것으로 사료된다.
4. 향후 고온에 노출된 철근콘크리트 보의 하중 감소비에 따른 성능적 내화설계를 수행하기 위해서는 좀 더 다양한 폭-춤 비의 변수와 피복두께, 철근의 배근방식 본 연구에서 다루지 못한 다양한 변수를 이용하여서 추가적인 연구가 이루어져야 할 것이며, 이를 통해 신뢰성이 있는 하중비를 찾아야 할 것으로 판단된다.

감사의 글

본 연구는 국토교통부(국토교통과학기술진흥원) 2014년 건설기술연구사업의 ‘대심도 복층터널 설계 및 시공 기술개발(14SCIP-B088624-01)’ 연구단을 통해 수행되었습니다. 연구지원에 감사드립니다.

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