A Study on the Fire Stress Ratio Reduction of RC Beam under Load Condition in Fire

규재 황; 인환 여

doi:10.9798/KOSHAM.2017.17.1.169

Abstract

This study, to evaluate the technology of the fire resistance design of Reinforced Concrete beams based on fire resistance performance design, was suppose to use as basic data for performance design through a measure of temperature using heat transfer analysis of the Reinforced Concrete beams as parameter is the fire stress ratio. The temperature load were imposed on beams. As a result of this study, 0.6 and 0.9 of fire stress ratio can be ensured that the fire resistance performance was considered satisfactory.

Keywords: RC Beam, Fire Load Test, Fire Stress Ratio, Standard Section

요지

본 연구의 목적은 성능적 내화설계를 기반으로 한 철근콘크리트 보부재의 내화성능 평가를 최종 목표로 철근콘크리트 보부재를 대상으로 한 재하가열실험을 통한 내화성능평가로 적정 화재응력비를 도출하여 성능설계를 위한 기초 자료로 활용하고자 하는데 있다. 재하가열실험 결과, 200단면의 경우 0.6미만, 250단면의 경우 0.9의 화재응력비를 확보하여야 안정적인 내화성능을 확보할 수 있다고 판단하였다.

1. 서론

구조부재의 내화성능평가시 부재의 구성, 재료적 특성, 형태 및 구조설계방법에 따른 계수하중의 설정이 반영되지 않는다면 화염에 노출된 구조부재의 강도저감과 하중지지능력의 저하에 따른 합리적인 내화성능설계가 불가능할 것이다.

이에 본 연구에서는 철근콘크리트 보부재를 대상으로 화재시 계수하중의 근거가 될 수 있는 화재응력비 개념에 따른 구조적 내화성능을 평가하기 위하여 재하가열실험을 수행하였다.

재하가열실험결과를 통해 단면크기, 폭두께비 및 재하하중의 설정을 위한 화재응력비의 변화에 따라 화재에 노출된 보부재의 강도저감 및 온도변화를 평가하고, 이를 토대로 국내 실정에 적합한 콘크리트 구조부재의 합리적 내화설계와 평가기준 수립의 일환으로써 보부재의 적정 화재응력비 도출과 내화성능평가시 안정적인 성능확보가 가능한 최소단면인 표준단면 제시를 그 목적으로 하였다.

2. 국내외 내화성능설계

국내의 내화구조 성능기준은 KS 표준시간-가열온도곡선에서 가열시험에 의한 강재의 평균온도는 538 °C이하, 최고온도는 649 °C이하를 판정기준으로 정하고 있다. 반면에 EC3(Eurocode 3)^1),2)기준은 하중비를 고려하여 한계온도를 산정하며, 일반적인 경우는 하중비를 0.7로 하며, 이 때 한계온도를 538 °C로 한다. 내화구조체로 인정하기 위한 내화성능 평가항목은 국내의 경우 온도검증 뿐이지만, EC3에서는 온도검증과 강도검증으로 구분하여 평가한다.

국내 내화구조의 성능기준인 온도검증은 가열시험방법에 따른 강재 시험체의 평균온도는 538 °C이하, 강재의 최고온도는 649 °C이하를 판정기준으로 하여 강재의 상승온도가 한계온도를 넘지 않도록 규정하고 있으며, 이를 실험결과에 의존하고 있다.

3. 철근콘크리트 보의 내화성능설계

3.1 단근보의 설계강도

단근보³⁾의 인장철근은 최대 철근비와 최소 철근비의 범위에서 설계되어야 한다. 철근비를 철근의 단면적As를bd로 나눈 값, 즉 ρ = A_s/bd 로 나타내면, 이 제한은 식 (1)과 같이 된다.

(1)

14fy ≤ρ≤0.75ρb

이러한 제한을 만족시키는 보의 휨파괴는 철근의 응력이f_y에 도달했을 때 생기며, 이러한 상태에서의 변형도와 응력은 Fig. 1에 표시된 것과 같다. 콘크리트의 압축응력의 합력C와 철근의 인장력 T는 평형을 이루어야 하므로 C = T 의 등식으로부터 식 (2)와 같이 된다.

Fig. 1

Single Reinforcement Beam

(2)

a= Asfy0.85fc'b

철근비가 평형철근비보다 작은 경우에는 보의 설계강도는 식 (3)으로 나타낼 수 있으며, 식 (3)에 식 (2)의 값을 대입하면 단근보의 설계 휨모멘트는 다음의 식 (4)와 같이 된다.

(3)

φMn=φAsfy(jd)=φAsfy(d− a2 )

(4)

φMn=φρfybd2(1−0.59 ρfyfc' )

3.2 휨부재 설계의 제한사항

3.2.1 깊은보

깊은보⁴⁾는 한쪽 면이 하중을 받고 반대쪽 면이 지지되어 하중과 받침부 사이에 압축대가 형성대는 구조요소로서, 다음의 사항에 해당되는 부재이다. 깊은보는 비선형 변형률 분포를 고려하여 설계해야하며, 횡좌굴을 고려하여야 한다.

- 순경간ln이 부재 깊이의 4배 이하인 부재
- 받침부 내면에서 부재 깊이의 2개 이하인 위치에 집중하중이 작용하는 경우는 집중하중과 받침부 사이의 구간

3.2.2 표피철근

보나 장선의 깊이h가 900 mm를 초과하면, 종방향 표피철근⁵⁾을 인장연단부터h/2지점까지 부재 양쪽 측면을 따라 균일하게 배치하여야 한다. 이때 표피철근의 간격s는 다음 식 (5)에 의한 값 중에서 작은 값에 따라 결정되며, 여기서cc는 표피철근의 표면에서 부재측면까지 최단 거리이다.

(5)

s=375( κcrfs )−2.5ccs=300( κcrfs )

3.2.3 내화성능 평가기준

재하조건에서 내화성능의 평가기준은 KS F 2257-1 「건축 부재의 내화 시험 방법-일반 요구 사항」⁶⁾에 따라 재하 부재의 경우에는 변형량과 변형률에 의해 판정하며, 변형량(6)과 변형률(7)의 기준을 모두 초과하였을 때, 내화성능 확보에 부적합한 것으로 간주한다.

여기에서,l은 시험체의 길이(mm)이며,d의 값은 구조 단면의 최대 압축력을 받도록 설계된 부분

(6)

D= l2400d mm

(7)

dDdt = l29000d mm/min

에서 최대 인장력을 받도록 설계된 부분까지의 거리를 의미한다.

4. 철근콘크리트 보부재의 내화성능평가

4.1 재하가열실험 개요

본 연구에서는 철근콘크리트 보부재에 작용하는 휨모멘트의 주요 영향인자인 단면크기, 폭두께비와 내화성능평가시 재하하중의 설정을 위한 화재응력비에 따른 RC보의 내화성능을 검증하기 위한 재하가열실험을 Fig. 2와 같이 지그를 활용한 4지점 가력으로 재하하중을 가력하였다. 각 부재형상에 맞는 단순보의 최대휨모멘트를 산정하고, 4지점 재하하중에 적합한 하중을 고려하였다.

Fig. 2

The Shape of Fire Test Furnace

4.2 실험체 제작

4.2.1 사용재료

RC 보부재의 Table 1과 같이 여러 변수로 구분하여 내화성능의 차이를 분석하였다. 실험체 제작에 사용된 콘크리트 강도는 21MPa를 적용하였다.

Table 1

Plan of the Specimen

List	Section Size (mm)	Rebar Size	Reinforcement ratio	Rebar Type
SB-200-2.0	200×400	D19	0.008	Single Beam
SB-200-2.5	200×500		0.006
SB-250-1.5	250×375		0.011
SB-250-2.0	250×500		0.008
SB-250-2.5	250×625		0.006
SB-300-1.7	300×600	D22	0.011

강재의 경우, SS400을 적용하여 실험체를 제작하였다. Table 2는 콘크리트 배합표이다.

Table 2

Mixing Ratio of Concrete Lining

Strength (MPa)	w/c (%)	s/a (%)	C (kg/m³)	W (kg/m³)	S (kg/m³)	G (kg/m³)	AD (kg/m³)
24	48.6	48.6	318	175	857	913	2.47

4.2.2 실험체 상세

실험체는 Fig. 3과 같은 상세도에 따라 제작되었으며, 내부에는 철근 및 콘크리트 내부 온도이력을 측정하기 위한 열전대(Thermocouple)를 설치하였다. 열전대는 Ø1.0mm의 K-Type 와이어를 사용하였다. 콘크리트 보부재의 내부온도변화를 측정하고 이를 분석하기 위하여 콘크리트 표면으로부터 깊이별로 설치하였다.

Fig. 3

Shape of Model

4.3 재하가열실험 조건

단면크기, 폭두께비 및 화재응력비에 따른 철근콘크리트 보부재의 표준화재 재하조건에서의 내화실험은 KS F 2257-6 「건축 부재의 내화 시험 방법-기둥의 성능 조건」⁷⁾을 따랐으며, Fig. 2와 같이 재하조건에서의 내화실험을 수행하였다. 온도조건은 보부재의 내화구조 성능기준에서 최대시간을 기준으로 180분 동안 가열하였으며, 온도이력은 Fig. 5와 같은 KS F 2257-1 표준화재곡선7)으로 적용하였다. Table 3은 극한강도 설계조건에서 각 실험체의 재하하중으로, 온도조건과 동일한 내화시간동안 일정한 하중을 재하하였다.

Fig. 4

Manufacture of Test Specimen

Fig. 5

Fire Scenario of Analysis

Table 3

Models of Fire Test Specimen

List	Section Size (mm)	Moment (kNm)	Load (ton)	Fire stress ratio
SB-200-2.0	200×400	71.2	11.5	0.40
SB-200-2.0	200×400	70.6	11.2	0.32
SB-200-2.5	200×500	94.1	15.7	0.60
SB-200-2.5	200×500	93.5	14.8	0.38
SB-250-1.5	250×375	95.4	15.45	0.80
SB-250-1.5	250×375	98	15.5	0.32
SB-250-2.0	250×500	139.2	22.5	0.80
SB-250-2.0	250×500	139.2	22.5	0.90
SB-250-2.5	250×625	182.3	29.5	0.80
SB-300-1.7	300×600	246	39.8	0.70

4.4 재하가열실험 결과

단면크기, 폭두께비 및 화재응력비에 따른 내화성능을 검증하기 위해 Table 3과 같이 총 10개의 철근콘크리트 보 실험체에 대하여 내화실험을 진행하여 Table 4와 5와 같은 결과를 얻었으며, 이를 Figs. 6과 7과 같이 나타내었다.

Table 4

Results of Fire Test(Deformation)

List	Fire stress ratio	Test Time (min)	deformation (mm)		Strain (mm/min)
List	Fire stress ratio	Test Time (min)	Standard	Test	Standard	Test
SB-200-2.0	0.40	180	129.5	63.6	5.76	1.7
SB-200-2.0	0.32	180	129.5	93.0	5.76	1.1
SB-200-2.5	0.60	60	100.1	371.5	4.45	268.6
SB-200-2.5	0.38	160	100.1	108.3	4.45	21.0
SB-250-1.5	0.80	141	140.3	143.8	6.27	15.7
SB-250-1.5	0.32	180	140.3	98.3	6.27	1.5
SB-250-2.0	0.80	178	100.2	108.3	4.45	8.5
SB-250-2.0	0.90	180	100.2	71.9	4.45	1.9
SB-250-2.5	0.80	180	77.9	42.3	3.46	1.3
SB-300-1.7	0.70	180	98.2	33.7	4.36	0.3

Table 5

Results of Fire Test(Temperature)

List	Fire stress ratio	Test Time (min)	Steel (mm)		Concrete (mm/min)
List	Fire stress ratio	Test Time (min)	Avg	Max	Avg	Max
SB-200-2.0	0.40	180	572.4	610.9	338.1	559.0
SB-200-2.0	0.32	180	504.7	645.0	504.3	710.6
SB-200-2.5	0.60	60	775.5	1370.0	181.6	240.5
SB-200-2.5	0.38	160	554.0	608.8	439.3	646.2
SB-250-1.5	0.80	141	538.5	908.8	304.1	586.0
SB-250-1.5	0.32	180	534.1	610.0	427.9	733.6
SB-250-2.0	0.80	178	522.7	628.9	229.9	420.6
SB-250-2.0	0.90	180	505.9	644.0	425.2	798.1
SB-250-2.5	0.80	180	598.1	650.3	434.4	785.8
SB-300-1.7	0.70	180	568.8	614.8	287.9	594.4

Table 6

The Shape of Specimen After Test

Before	After

SB-200-2.0(0.32)

SB-200-2.0(0.40)

SB-200-2.5(0.38)

SB-200-2.5(0.60)

SB-250-1.5(0.32)

SB-250-1.5(0.80)

SB-250-2.0(0.80)

SB-250-2.0(0.90)

SB-250-2.5(0.80)

SB-300-1.7(0.70)

Table 7

Results of Fire Test(Cross Section)

List	Fire test (min)	Fire Stress Ratio	Cross Section (mm²)	deformation (mm)
SB-200-2.0	180	0.32	80,000	63.6
SB-200-2.0	180	0.40	80,000	93.0
SB-200-2.5	60	0.38	100,000	371.5
SB-200-2.5	160	0.60	100,000	108.3
SB-250-1.5	141	0.32	93,750	143.8
SB-250-1.5	180	0.80	93,750	98.3
SB-250-2.0	178	0.90	125,000	108.3
SB-250-2.0	180	0.80	125,000	71.9
SB-250-2.5	180	0.80	156,250	42.3
SB-300-1.7	180	0.70	153,000	33.7

Fig. 6

Steel Temperature(Section 200)

Fig. 7

Steel Temperature(Section 250)

4.4.1 단면크기에 따른 내화성능

본 연구에서는 철근콘크리트 보부재의 전단파괴가 아닌 휨파괴를 유도하기 위하여 단면크기에 따른 최소철근비와 최대 철근비를 고려하여 배근을 하였으며, 각각의 단면형태에 따른 내화실험을 실시한 결과 Fig. 8과 같은 결과를 얻었다.

Fig. 8

Deformation According to Section

200단면의 경우, 250단면, 300단면과 비교하여 낮은 화재응력비에 의한 재하하중에도 주근의 평균 및 최고온도가 강재 허용 온도기준인 538°C(평균), 649°C(최대)를 초과하였으며, 변형기준 또한 기준에 미치지 못하여 180분 내화성능을 확보하지 못하는 것으로 나타났다.

몇 가지 인자들의 관계분포도를 통해 표준단면 제시를 위한 기준을 확보하고자 각 실험체의 단면적 변화에 대한 변수들의 분포도를 Fig. 9에 나타내었다.

Fig. 9

Results of Fire Resistance Performance(Cross Section)

단면적을 기준으로 정한 이유는 강재와 달리 내화성능을 가진 콘크리트 재료 특성상 보의 단면크기에 따른 축열용량이 휨부재 단면형상 중 중요한 특성인 폭두께비 보다 고온에서 더 중요한 인자로 판단하였으며, 또한 동일한 축열면적을 가진 부재에 대하여 단면형상에 따라 다른 결과를 보이므로 표준단면 제시를 위한 성능기준으로 단면적을 활용하였다.

우선, 단면적의 변화에 따른 내화성능 확보시간을 보면 단면적 100,000 mm³를 기준으로 그 이상의 단면적을 확보하여야만 180분 내화성능시간의 확보가 안정적이라고 볼 수 있었으며, 단면적의 변화에 따른 처짐량의 관계에서는 단면적 120,000 mm³를 기준으로 그 이상의 단면적이 확보되었을 때, KS 변형량 기준에 부합하는 것으로 나타났다.

4.4.2 화재응력비에 따른 내화성능

화재응력비의 변화에 따른 부재의 내화성능을 Table 8과 Fig. 10으로 나타내었다.

Table 8

Results of Deformation

List	Fire test (min)	Fire Stress Ratio	Test-deformation (mm)	Standard-deformation (mm)	Test/Standard
SB-200-2.0	180	0.32	63.6	129.5	0.49
SB-200-2.0	180	0.40	93.0	129.5	0.72
SB-200-2.5	60	0.38	371.5	100.1	3.71
SB-200-2.5	160	0.60	108.3	100.1	1.08
SB-250-1.5	141	0.32	143.8	140.3	1.02
SB-250-1.5	180	0.80	98.3	140.3	0.70
SB-250-2.0	178	0.90	108.3	100.2	1.08
SB-250-2.0	180	0.80	71.9	100.2	0.72
SB-250-2.5	180	0.80	42.3	77.9	0.54
SB-300-1.7	180	0.70	33.7	98.2	0.34

Fig. 10

Deformation According to Fire Stress Ratio

재하가열실험 결과, 200단면의 경우에 화재응력비 0.60에서 내화시간 160분에 급격한 변형으로 휨파괴가 발생하였다. 그리고 250단면의 경우는 안정적인 성능확보에 부합되지 않는 폭두께비 1.5를 제외하고는 화재응력비 0.90의 경우, 내화시간 178분에 변형률 8.5 mm/min로 기준변형률 4.45를 상회하는 것으로 나타났다.

이를 통해 250단면을 기준으로 화재응력비를 구분할 필요성이 있다고 판단되었다. 200단면의 경우, 화재응력비 0.40~0.60에서 안정적인 하중저항능력을 보이고 있는 것으로 판단되며, 250단면의 경우는 화재응력비 0.80~0.90의 범위에서 180분 내화성능시간을 확보하였다.

5. 결론

본 연구에서는 철근콘크리트 보부재의 적정 화재응력비 도출과 표준단면을 제시하기 위하여 여러가지 실험인자를 변수로 한 재하가열실험을 수행한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1) 휨부재인 보의 적정 화재응력비를 예측하기 위하여 단면크기, 폭두께비에 따른 다양한 변수에 대하여 온도 및 거동을 고찰하였으며, 강재와는 다르게 내화성능을 가진 콘크리트 재료 특성상 보의 단면크기에 따른 축열용량이 휨부재 단면형상 중 중요한 특성인 폭두께비 보다도 고온에서는 보다 더 중요한 인자로 사료된다. 또한, 동일한 축열면적을 가진 부재에 대하여 단면형상에 따라 다른 결과를 보이고 있어, 축열용량과 관계된 단면크기를 기준으로 성능평가에 적정한 단면크기를 산정하고, 표준화재 재하조건에서 내화성능 평가는 단면별로 구분된 화재응력비를 적용하는 것이 타당할 것으로 판단된다.
(2) 보 부재의 다양한 단면형상과 크기 등 화재응력비에 영향을 주는 인자를 고려한 결과, 내화성능 평가를 위한 표준단면은 250×500단면으로 제시하고자 한다. 250×500단면 이하의 경우, 작은 단면이 주는 불안정성이 높아 성능평가용 표준단면으로는 적합하지 않으며, 250의 폭에 폭두께비 2.0인 250×500 단면 이상부터 화재응력비에 따른 일정한 경향을 보이는 것으로 나타나, 최소 단면이면서 가장 경제적인 단면으로 성능평가용 표준단면에 적합할 것으로 사료된다.
(3) 아울러 철근콘크리트 보부재의 적정 화재응력비는 단면의 크기에 따라 200단면의 경우 0.60미만, 250단면의 경우 0.90미만이 적합한 것으로 사료된다.