The Study on the Fire Resistance Performance of the CFT (Concrete filled Tube) Column According to the Concrete Compressive Strength and Load Ratio

(1)

콘크리트 압축강도 및 하중비에 따른 CFT 기둥의 내화성능에 관한 연구

The Study on the Fire Resistance Performance of the CFT (Concrete filled Tube) Column According to the Concrete Compressive Strength and Load Ratio

조경숙·김흥열·김형준·권인규*

^†

Kyung-Suk Cho · Heung-Youl Kim · Hyung-Jun Kim · In-Kyu Kwon

^*^†

한국건설기술연구원

, *

강원대학교

(2009. 12. 2.

접수

/2010. 4. 9.

채택

)

요 약

본연구의목적은성능적내화설계를기반으로한

CFT

구조의내화성능설계기술개발을최종목표로

CFT

^구조의^실증적^실험을^통한^{내화성능을}^도출하고^내부^콘크리트^{압축강도와}^하중비를^변수로^하여

수축량과시험체내부온도를측정하여내화성능을도출하여성능설계를위한기초자료로활용하고자하 는데있다

. KS F 2257-1

과

7

의기준에 따라

CFT

각형기둥에

24MPa, 40MPa,

하중비

0.9, 0.6, 0.2

를재하하여내화성능기준에따른 결과하중비변화는

24MPa

의경우하중비가

0.3

감소시약

73

분의 내화성능향상효과가있는것으로나타났다

. 40MPa

은하중비

0.6, 0.2

의경우내화성능시간은

31

분

, 180

분으로나타났다

.

^시험체^내부^콘크리트^강도^변화에^따른^{내화성능평가}^결과^강도가^{증가할수록}^내화성

능은감소하는것으로나타났다

.

ABSTRACT

This study, to develop the technology of the fire resistance design of CFT structure based on fire resistance performance design, was suppose to use as basic data for performance design through a measure of temperature and deformation of the CFT specimen as parameter is the concrete compressive strength and load ratio. In accordance with KS F 2257-1 and 7, 24 MPa and 40 MPa and the load ratio of 0.9, 0.6 and 0.2 were imposed on a square column and as a result of evaluating in accordance with the fire resistance criteria, in case of 24 MPa, the fire resistance performance was improved by 73 minutes when the load ratio was reduced by 0.3. And when it comes to 40 MPa, the fire resistance was 31 minutes and 180 minutes when a load ratio was 0.6 and 0.2, respectively. As a result of evaluating fire resistant performance depending on variation of internal concrete strength, it proved that the higher the strength the lower the fire resistance.

Key words :

Concrete filled tube column, Fire resistance, Load ratio

1. 서 론

한정된국토와기술의발달인간의하늘과가까워지 기를 바라는 심리적인 이유 등으로 건축물은 하늘로 하늘로 올라가고 그에 따라 초고층 건축물들이 속속 등장하고있다

.

또한 이에 발맞추어 고층화를 위한 재료의 수반이 이루어지고 있으며 그 일환으로

CFT(Concrete Filled

Tube)

구조가등장하게되었다

.

CFT

^는^일반적인

RC

^구조와는 ^달리^{휨모멘트를} ^부

담하는 강관이 외측에 있고

,

축력을 부담하는콘크리 트가 내측에 있어 강관이 내부 콘크리트를 구속하는 한편콘크리트가 강관의 국부좌굴을막아주는효과로 인하여강도와에너지흡수능력이다른구조시스템에 비해우수하다

.

또한강관이거푸집 역할을하며종래 의시공방법을거의변경할필요가없다는점등시공 적으로유리한 부재라고볼수있다

.

⁵⁾

이러한

CFT

^구조의 ^우수한^구조적 ^특성^및^시공성

†

E-mail: [email protected]

(2)

본연구는

CFT

동일단면각형기둥의콘크리트강도 및 축력비에 따른 변형량

(

수축량

)

과 내부온도를 측정

하여

CFT

기둥의붕괴온도를산정하고온도분포를분

석하여 성능적 내화설계를위한 기초자료를획득하는 데그목적이있다

.

2.1연구의배경

CFT

구조의내화성능에관한연구는유럽에서는

1970

년대전반부터

1980

년대걸쳐합성구조연구의일환으

로시작되었으며

,

일본을비롯한선진각국에서많은연 구가진행되어왔다

.

²⁾

국내의

CFT

구조에 관한시공실적은 삼성연구소동

(2005),

타워베르빌

(2004),

타워펠리스스포츠동

(2003),

현대자동차 사옥

(2006)

등일부 고층건물에까지 적용 이되고있으나 새로운 구조시스템의현장 적용시발 생 할 수있는 문제점으로 인해 현장 적용이 미진한 상태이다

.

주로기둥이나접합부의구조성능에편중되 어있고내화성능에대한연구는미진하여선진외국에 비해양적인 측면이나다양성에서 부족하다

.

⁵⁾

CFT

구조의내화성능

,

시공성

,

경제성등의장점에도

불구하고

CFT

관련내화성능시험방법및성능기준등 이불분명하고

2006

년내화구조성능검증기준의개 정이전까지는내화부재로써현장에적용되지못하였다

.

그러나 건축물의피난·방화구조등의 기준에관한 규칙 제

3

조내화구조의개정이후

“

한국건설기술연구 원장이인정한성능설계에따라내화구조의성능을검 증한구조로된것

”

을추가함으로써기존내화관련인 증제도에서수용할 수없었던구조에 대한내화성능 확보방안이 제시되었다

.

2.2연구의목적

본연구는성능적내화설계를기반으로한

CFT

구조 의 내화성능설계기술개발을 최종목표로

CFT

구조의 실증적 실험을 통한내화성능 분석을위해 화재시부 재 온도와 한계수축량을 측정 분석하고자 한다

.

^이에

합은다음

Table 1

과같다

. KS F 2405

에따라공시체

Table 1.

Mixture Proportion of Concrete Compression

Strength

(MPa) w/c s/a C1 C2 W S G AD

24 47.1 46.9 325 36 145 866 916 1.81 40 34.1 44.8 416 74 144 774 989 3.92

Table 2.

Results of Compressive Strength

Concrete 1 2 3 Result

24 MPa 23.9 25.0 23.7 24.20

40 MPa 40.2 38.1 38.4 38.90

Figure 1.

CFT specimen.

(3)

의

28

일압축강도측정결과는

Table 2

와같다

.

시험체는콘크리트강도및하중비조건에따라

5

개 를제작하였으며

360 × 360 × 2600

의각형관

9mm

로양

끝단은

End Plate

^를^제작하여^{용접하였으며}^상부에^콘

크리트 타설양생후표면을그라인딩한후상부

End Plate

^를^{용접하였다}

.

은시험체를나타낸것이고

Figure 2

는 강재및콘크리트의온도측정을하기위하여열전대를 설치한 위치이다

.

강재및콘크리트내부온도측정을 위하여 총

12

부위를 측정하였으며

,

강재는

1~4

부위를 측정하여평균온도를산정하였으며

,

콘크리트온도측

정을위하여

11, 12

번은모서리부위에서양방향 가열

,

5~8

은일방향 가열특성을비교하였고

9

는강재와콘 크리트 경계면의온도를 측정하였다

.

3.2실험계획및방법

3.2.1

가열및구속조건

시험체 가열은

KS F 2257-1

의표준가열곡선을이

용하여

180

분동안가열하였으며

,

기둥의수축량이최 대변형량을 넘을 경우 가열을 종료하였다

.

또한 시험 체의경계조건을동일하게하기위하여가열로와연동 되는재하용 지그를제작하여설치하였다

.

(1)

가열로연동지그제작

경계조건은모두고정단이며이후경계조건을달리 하여경계조건에따른내화성능을살펴볼예정이다

.

^은^가열로에^장착된^지그를^나타낸^것

이며

Figure 4

는가열로와시험체에장착된모습이다

.

3.2.2

실험변수

실험변수로강재내부 콘크리트의강도조건에 따른 변수와

,

재하시의하중비에따른

CFT

의내화성능을도 출하고자 한다

.

^따라서 ^강재내부^콘크리트^{압축강도는}

현장에서 많이 적용되는

24MPa

과 고강도 영역에서

40MPa

^을^{사용하였으며} ^하중비는 ^각각

0.2, 0.6, 0.9

^를

Figure 2.

Location of thermocouples.

Figure 3.

Jig for boundary conditon.

Figure 4.

Jig installation with specimen and furnace.

Table 3.

Factor of Model for CFT Column Model Size

(mm)

Concrete Strength (MPa)

Load Ratio (%)

Boundary Condition Load

(ton) 24-0.9

360 × 360 (9t)

24 0.9

Fix

24-0.6 0.6 258 172

24-0.2 0.2 57

40-0.6 40 0.6 286

40-0.2 0.2 95

(4)

살펴보기위하여각각의변수를채택하였다

.

은하중비에따른재하하중을나타낸 것이다

.

3.2.3

^실험방법

CFT

기둥의 내화성능 평가를 위한실험은 한국건설

기술연구원의 기둥 가열로에서 실시하였으며

KS F

2257-1

의표준화재곡선을사용하여

180

분가열하였고

실험 중 시험체가 한계수축량

(

변형량

)

을초과하는 경 우실험을종료하였다

.

본연구의 내화성능에대한기준은

KS F 2257-1

의 성능기준을채택하였으며건축부재의내화성능은부 재가 성능기준에적합한 시간을 측정하는것으로하 중지지력에의하여 판단되며 시험하중에 대한지지

능력은 변형량 및변형률에 의해 결정된다

. CFT

기둥

과같은축방향 재하부재의 경우의 수축량과변형률 은다음식에따라산정한다

.

수축량 또는

변형률

여기에서

h =

^시험체의^초기^높이

(mm)

KS F 2257-1

의내화성능 기준에따라 한계수축량

(

변형량

)

과변형률을산정한결과

Table 4

와같이변형

량은

26mm,

변형률은

7.8mm/min

으로산정되었다

.

4. 결과 및 고찰

4.1표준화재곡선에의한 CFT기둥의표면상태 가열 실험후 시험체의 표면 상태를 관찰한 결과

Figure 5

의

24-0.6

과같이최대변형량이상으로변형이

발생한 경우하중에 의해수축이 많이발생하여기둥 의 중심과 상부쪽에강재의 변형이 주로 발생하였다

.

가열

180

분동안수축이발생하지않은시험체의경우 가열로인한강재표면의들뜸및박리현상과상부단

부부위의균열이발생되었다

.

4.2 CFT기둥의수축량(변형량)분석

CFT

기둥의내화성능에영향을주는주요인자중하 나인하중비 및콘크리트압축강도변화에따른 내화 성능을측정하였으며

KS F 2257-1

의변형량

(

수축량

)

에 따른내화성능

(

^시간

)

^은^다음

Table 5

^와^같다

.

4.2.1

^하중비에^따른^수축량

(

^변형량

)

^분석

콘크리트압축강도

24MPa

의경우 하중비

0.9, 0.6,

0.2

^를^변수로^하여^재하^하였으며^{최대수축량}

26mm

를

C = h 100 ---mm dC dt

--- = 3h 1000 ---mm/min

Figure 5.

Appearance of the specimens before and after test.

Table 5.

Axial Deformation Results by Considering Load Ratio

Model Max Axial Deformation (mm) Fire Resistance Time (min)

24-0.9

−

16.2 033

24-0.6

⁻

10.5 106

24-0.2 0.2 180

40-0.6

−

0.5 031

40-0.2

⁻

1.5 180

(5)

초과한 각각의 내화성능시간은

33

^분

, 106

^분

, 180

^분으

로 나타났다

.

따라서 하중비가

0.3

감소시 약

73

분의

내화성능 향상효과가 있는 것으로 나타났다

.

^초기 ^강

재의 열팽창으로 인한팽창량은 약

10~12mm

로비슷 하게 나타났으나하중비가클수록 정체구간은 줄어드 는것으로나타났다

.

또한강재는 하중비가작은경우

(0.2, 0.6)

^열팽창^이후 ^{일정시간의}^{감소정체구간이}^발

생되었다

.

Figure 7

의콘크리트압축강도

40MPa

의경우 하중

비를

0.6, 0.2

를변수로 하여 재하하였으며 시험결과

각각의 내화성능시간은

31

^분

, 180

^분으로^나타났다

.

4.2.2

^압축강도 ^변화에^따른^수축량

(

^변형량

)

^분석

콘크리트압축강도 변화에 따른내화성능시험결과 동일한하중비에서는강도가증가

(24MPa -> 40MPa)

할 수록내화성능은감소하는 것으로 나타났다

.

Figure 8

과 같이 하중비

0.6

의 경우

24MPa

에서

40MPa

로증가시약

75

분이감소하였고

Figure 9

의하

중비

0.2

^의 ^경우 ^모두

180

^분의 ^{내화성능을} ^만족하는

것으로나타났으나 변형량을살펴보면

24MPa

에비해

,

40MPa

^의^변형량이^큰^것으로^{나타났으며}

, 24MPa

^은^점

진적축소

, 40MPa

은급격한축소에의한파괴양상이

나타났다

.

^이는^고강도 ^{콘크리트가}^일반강도 ^콘크리트

에비해화재시내부온도상승으로인해수증기압의 증가되어 발생되는폭렬현상과 내부수분함유량의 감 소로인해온도상승효과가 큰원인으로볼수있다

.

전체적인변형특성을살펴보면초기단계는기둥이 팽창하다가일정시간의 변형량 감소구간이 나타나고 급격한변형과 함께파괴에도달하였다

.

이상과같은변형은하중

,

열팽창

,

콘크리트내의수 증기압과 크리프등과 같은 많은 요인에 의한 결과에 의한 것이다

.

⁸⁾ 콘크리트내의 수증기압과 열팽창은 초 기단계의부재의팽창의원인이며

,

하중과크리프는그 다음단계의 원인으로볼수있으며팽창과 수축이후 정체단계는강재내부의 콘크리트의강도에 의한 영향 으로볼수있다

.

Figure 6.

Axial deformation by considering load ratio (24 MPa).

Figure 7.

Axial deformation by considering load ratio (40 MPa).

Figure 8.

Axial deformation by considering compressive strength (load ratio-0.6).

Figure 9.

Axial deformation by considering compressive

strength (load ratio-0.2).

(6)

경우 큰 온도차이를보이나

30(C-12, C-7)

의경우 비 슷한양상을 보였다

.

일반적으로 가열조건의 콘크리트는 내부온도가 약

300

^o

C

를초과하면서강도감소가 일어나는것으로보 고되었다

.

⁹⁾

24-0.9

는

C-11

을제외한콘크리트내부온 도는

300

^o

C

를초과하기이전에붕괴가발생되었다

.

따 라서 온도상승에의한 재료의변형에 따른붕괴보다 는

0.9

의극한상태의하중비로인한붕괴로판단된다

.

Figure 10.

Temperature range of 24-0.9 specimen for heating (34 minutes).

Figure 12.

Temperature range of 24-0.2 specimen for heating (180 minutes).

Figure 11.

Temperature range of 24-0.6 specimen for heating (107 minutes).

을나타내고있으며

,

약

30

분경과시

30mm

는온도차

이가크게발생하는것으로나타났다

.

콘크리트와강재의경계면콘크리트온도

(C-9)

는강

재온도

(S-1~4)

에 비해 온도상승이 늦은것으로 나타

났다

.

이는콘크리트내부에묻혀있고일방향가열로 직접화염에 닿는강재에 비해상승속도가낮은 것으 로판단된다

.

콘크리트 내부

600

^o

C

를 초과하면 구조적인 능력을

상실하는 온도로써 콘크리트표면에서

40mm

부분

(C-

12)

은가열시간

60

분을 초과하면서

600

^o

C

를초과하여

단면적의

30%

이상이구조적인역할을담당하지못하

고

100

분이 경과하여 콘크리트 내부 전체의 온도가

300

^o

C

를초과하면서붕괴되었다

.

시험체

24-0.2

의온도측정결과수축량측정에서시

험체의 초기 열팽창으로 인한 수축량 증가 최대치의 강재온도는대략

350~450

^o

C

로나타났으며

,

외부 강재

의온도와 콘크리트

10mm

위치

(

양방향 가열

-C-11)

의

온도 상승이 비슷한 양상을 보이는 것으로 나타났다

.

또한콘크리트의 일방향및양방향 가열의특성을 살

펴본결과양방향 가열

(C-11, C-12)

^과^일방향^가열

(C-

8, C-7)

에서피복

10mm

의경우큰온도차이를보이나

(7)

30mm

의경우 초기 약

20

분까지는 비슷한 양상을 보 이나 이후온도차이가 나타나며

,

약

140

분경과후 시 험체의열평형이이루어져비슷한수준의온도분포를 나타내었다

.

콘크리트와강재의경계면콘크리트온도

(C-9)

는강

재온도

(S-1~4)

^에^비해^온도^상승이^더딘^것으로^나타났다

.

24-0.2

는앞서의

24-0.6

과달리약

130

분이경과하여 콘크리트내부전체의온도가

600

^o

C

를초과하여도붕 괴되지 않는것으로 나타났다

.

이는 하중비의 차이에

서오는것으로하중비의변화가

CFT

기둥의내화성

능에큰요인이볼수있다

.

시험체

40-0.6

은

32

분에 한계수축량을 초과하여시

험을 종료하였으며

,

온도측정 결과 수축량 측정에서 시험체의초기열팽창으로인한수축량증가최대치의

강재온도는 약

350~600

^o

C

범위로나타나

,

다른시험

체에비해 온도범위가큰편이나 약

20

여분이내로비 슷한시간대를 나타내고있다

.

또한외부강재의온도

와콘크리트

10mm(C-11)

^의^{온도상승이}^비슷한^분포를

보이고있고

,

전체적으로

24-0.9

시험체와비슷한온도 분포를보이고 있다

.

시험체

40-0.2

의온도측정결과수축량측정에서시

험체의 초기 열팽창으로 인한 수축량 증가 최대치의

강재온도는 약

560~750

^o

C

범위로 나타나

,

다른 시험

체에비해 온도범위가크고시험체의최대팽창 시간 도

33

분으로 다른시험체에 비해긴것으로나타났다

.

그러나 다른부분의온도 분포는앞서의 다른시험체 와비슷한 양상을 나타내고있으며

,

약

130

분이 경과 한이후콘크리트의열평형이이루어지는것으로나타 났다

.

이상과같이

CFT

기둥의내화성능에영향을주는주 요인자 중콘크리트강도와하중비를 변수로한

CFT

기둥의내화실험 결과는다음

Table 6

과같다

.

5. 결 론

(1) CFT

기둥의내화성능실험결과가열로인해기

둥의중심에서상부쪽으로수축으로인한강재변형이 발생되었으며

,

내화성능시간이

180

분인시험체의경우 가열로인한강재표면의들뜸및박리현상과상부단 부부위의균열이발생되었다

.

(2)

하중비 변화에 따른 내화성능평가 결과 콘크리

트 압축강도

24MPa

의 경우 하중비를

0.9, 0.6, 0.2

를

변수로 하여재하하였으며 시험결과각각의 내화성능 시간은

33

분

, 106

분

, 180

분으로나타났다

.

따라서하중

비가

0.3

감소시약

73

분의내화성능향상효과가있는

것으로 나타났다

. 40MPa

의 경우 하중비를

0.6, 0.2

의

경우내화성능시간은

31

분

, 180

분으로 나타났다

.

(3)

시험체 내부 콘크리트 강도 변화에 따른 내화

성능평가 결과 강도가 증가

(24MPa -> 40 MPa)

할수

록내화성능은감소하는것으로나타났다

.

하중비

0.6

의경우

24MPa

^에서

40MPa

^로^증가시 ^약

75

^분이 ^감

Figure 13.

Temperature range of 40-0.6 specimen for heating (32 minutes).

Figure 14.

Temperature range of 40-0.2 specimen for heating (180 minutes).

Table 6.

Fracture Temperature of Steel & Concrete Model Steel

Temperature (

^o

C)

Concrete Temperature

(

^o

C)

Fire Resistance Time (min)

24-0.9 641.1 630.9 33

24-0.6 1012 1077.5 106

24-0.2 1038.1 1050.7 180

40-0.6 732.7 602.4 31

40-0.2 1061.7 1075.7 180

(8)

우 초기

20~30

분까지는 비슷한 온도분포를 나타내나

그이후

10mm

와비슷한온도차이를나타내고약

130~

140

분에비슷한온도에 도달한다

.

이상과같이

CFT

기둥의내화성능에영향을주는주 요인자중콘크리트강도와하중비를변수로하여

CFT

기둥의내화시간및부재내부의온도분포를산정하였 으며 차후경계조건및단면형상과크기에 따른내화 성능에 대한연구가진행되어야할것이다

.

감사의 글

이논문은 국가

R&D

로수행하고있는 한국건설기

술연구원의

“CFT

구조의 내화성능평가및표준화 추 진기술개발

(3

차년도

)”

과제와 관련한 연구에 의해 수 행되었으며

,

이에감사드립니다

.

리트를충전한

CFT

기둥의내화성능평가에관한실

험적 연구

”,

대한건축학회논문집

(

구조계

), Vol.24, No.8, pp.147-154(2008).

4.

박수희

,

류재용

,

정경수

,

최성모

, “

일정축력을받는 콘크리트충전각형강관기둥의내화성능평가

”,

한국 강구조학회논문집

, Vol.19, No.6, pp.703-714(2007).

5.

^{서울시립대학교}

,

^콘크리트^충전강관

(CFT)

^구조의^내

화성능설계기술개발

,

건설기술혁신사업

(2009).

6.

최성모

,

최영환

,

정경수

, CFT

구조기술개발및적용 사례

,

대한건축학회지

, Vol.50, No.12, pp.28-33 (2006).

7.

일본 신도시하우징협회

, CFT

구조의 내화설계지침

(2004).

8. V.K.R. Kodur, Achieving fire resistance through steel-concrete composite consruction, ASCE(2005).

9. Gabriel Alexander Khoury, Effect of fire on concrete

and concrete structure, Imperial College, London,

UK(2000).