논 문]
강관의 크기, 축력비 및 콘크리트 압축강도 변화에 따른 CFT 기둥부재의 내화성능에 관한 실험적 연구
Experimental Study on Fire Resistance Performance of CFT (Concrete filled Tube) Column according to Cross Section of Steel,
Concrete Compressive Strengths and Load Ratios
조경숙·김흥열·김형준·민병렬·권인규*†
Kyung-Suk Cho · Heung-Youl Kim · Hyung-Jun Kim · Byung-Yeol Min · In-Kyu Kwon*† 한국건설기술연구원, *강원대학교
(2010. 9. 28. 접수/2010. 12. 10. 채택)
요 약
CFT기둥은 강관내부에 콘크리트를 채워 넣은 구조로서, 화재 시 강관의 강도는 저하되나 내부 콘크리트 의 높은 열용량 효과로 내화성능을 확보할 수 있는 구조이다. 본 연구에서는 강관내부의 충전된 콘크리트 의 압축강도 및 축력비 변화에 따른 CFT기둥의 내화성능을 평가하였다. 내화성능의 평가는 KS F 2257- 1 및 KS F 2257-7에 따라 수행되었으며, 적용 부재 단면은 280 × 280 × 6, 콘크리트 압축강도 24MPa, 40MPa 및 축력비 0.9, 0.6, 0.2를 실험변수로 설정하였다. 재하가열시험을 통한 내화성능평가 결과, 콘크 리트 압축강도 24Mpa의 경우 축력비 0.9, 0.6, 0.2에서는 각각 27분, 113분, 3시간 이상으로 나타나 축 력비 변화에 따른 내화성능이 크게 변화하는 것으로 나타났다. 콘크리트 압축강도 40MPa의 경우, 축력비 0.9, 0.6에서는 각각 19분, 28분으로 나타났다. 40MPa는 24MPa에 비해서 축력비 변화에 따른 내화성능 향상 효과는 크지 않은 것으로 나타났다. 이는 고강도의 경우 가열시 발생되는 내부 압력의 상승로 성능 저하가 크게 발생되는 것으로 판단되었다.
ABSTRACT
The strength of steel in a concrete filled steel tube (CFT) is reduced in a fire, but the concrete filled structurally ensures the fire resistance due to its high thermal capacity. This research analyzed the fire resistance performance due to the variances of concrete strength filled inside of steel tube and the load ratios, which can influence on the fire resistance of CFT. As 280 × 280 × 6 CFT columns with the concrete strengths of 24 MPa and 40 MPa and the axial load ratios of 0.9, 0.6, and 0.2 in accor- dance with KS F 2257-1 and 7 were heated with loading to examine the fire resistance performance, the fire resistance used to 24 MPa concrete showed 27, 113, and 180 minutes according to the axial load ratios, 0.9, 0.6, and 0.2 respectively. In case of 40 MPa concrete, the fire resistance were turned out to be 19 and 28 minutes for the axial load ratios, 0.9 and 0.6 respectively. The results of fire resistance with 40 MPa concrete showed the much lower fire resistance performance than those of 24 MPa concrete. In case of 40 MPa, the fire resistance performance was not increased significantly according to the axial load ratio than that of 24 MPa. The main reason why the higher concrete strength showed lower fire resistance than that of lower guessed the internal stress had the concrete strength weak.
Key words : Concrete Filled Tube column, Fire resistance, Load ratio
†E-mail: [email protected]
1. 서 론
국토의 효율적 이용과 융복합적인 기술개발의 집적 화는 건축물의 초고층화를 추구하는 원동력이 되고 있 으며, 이에 관한 기술개발이 단계별로 진행되고 있다.
또한 이에 발맞추어 고층화를 위한 재료의 수반이 이 루어지고 있으며 그 일환으로 CFT(Concrete Filled Tube) 구조가 등장하게 되었다.
CFT는 강재와 콘크리트가 이상적으로 결합된 복합 구조의 형태로 HSS(Steel Hollow Structural Section)로 도 불리운다. 강관의 형태에 따라 원형과 각형이 있고, 강관이 이중구조로 되어 있는 DSCFT(Double-skined concrete filled steel tubular)의 형태도 있으며, 내부에 채워지는 콘크리트는 그 성질에 따라 일반 콘크리트와 프리캐스트 콘크리트, Fiber Concrete 등으로 구분되기 도 한다. 이는 두 개의 구성부재(강재와 콘크리트)가 이상적으로 결합되어 강관은 콘크리트 압축력을 측면 에서 구속하고 반면에 콘크리트는 강관의 국부좌굴 저 항력을 향상시켜준다.10) HSS는 1970년대 초반 캐나다 에서 구조 프레임으로 처음 사용되어졌고 2000년대에 는 미국에서 대중적으로 받아들여졌다.12) 일례로 Washington주 Seattle의 Museum of Flight에 이 구조가 적용되었으며 무피복의 60분 내화로 설계 시공되었으며, Ontario의 Hamilton의 St. Thomas Elementary School의 기둥에 1시간 내화로 설계 시공되었다.12) 국내의 CFT 구조에 관한 시공실적은 삼성 연구소동(2005), 타워베 르빌(2004), 타워펠리스 스포츠동(2003), 현대자동차 사 옥(2006) 등 일부 고층건물에까지 적용이 되고 있으나 명확한 내화성능평가에 관한 기술적 기준마련이 되어 있지 못한 상태이며, 관련 기술개발은 지속적으로 이 루어져야 한다고 판단된다.5)
2. 연구의 배경 및 목적
본 연구는 CFT 각형기둥의 강관크기, 강관 내부에 충전되는 콘크리트의 압축강도 및 축력비의 변화에 따 른 변형량(수축량)과 내부온도를 측정하여 CFT 기둥의 붕괴온도를 산정하고 온도분포를 분석하여 성능적 내 화설계를 위한 기초자료를 획득하는데 그 목적이 있다.
2.1 연구의 배경
건축구조 부재의 내화성능평가는 주로 실증실험을 통하여 평가되었으나 이는 비용이나 시간이 많이 소요 되게 된다. 따라서 최근에는 내화성능 평가를 위해 수 학적인 계산의 사용이 확대되고 있다. 또한 다양한 구
조 형태와 재료, 새로운 디자인의 수용을 위하여 기존 의 사양적 설계에서 성능기반설계로의 전환이 이루어 지고 있다. 이러한 구조부재의 성능기반설계를 위해 부 재의 실증적 실험을 통한 다양한 데이터가 축적되고 이를 기반으로 수학적 모델을 구축함으로써 내화성능 평가에 있어 과대한 비용과 시간의 소모를 줄일 수 있 을 것이다.
2.2 연구의 목적
Kodur(1998)는 HSS의 성능기반설계를 위해 연구한 변수를 정의하는데 있어 하중, 단면크기, 내부콘크리트 형태, 콘크리트 강도, 골재종류 등을 요소로 제시하였 다.12)이에 Kodur가 열거한 CFT 내화성능에 영향을 줄 수 있는 몇 가지 요소 중 단면의 크기, 내부 콘크리트 압축강도와 하중비를 변수로 하여 붕괴온도 산정과 내 부온도 분석을 통해 성능설계를 위한 기초 자료로 활 용하는데 연구의 목적이 있다.
3. 시험체 제작 및 실험방법
3.1 시험체 제작
CFT 기둥의 내화성능 실험을 위한 강재는 SS400, fy = 235MPa을 사용하였으며 강재 내부의 콘크리트 배 합은 다음 Table 1과 같다. KS F 2405에 따라 공시체 의 28일 압축강도 측정결과는 Table 2와 같다.
시험체는 콘크리트 강도 및 하중비 조건에 따라 5개 를 제작하였으며 280 × 280 × 2600의 각형 강관 6 로 양 끝단은 End Plate를 제작하여 용접하였으며 상부에 콘크리트 타설 양생 후 표면을 그라인딩한 후 상부 End Plate를 용접하였다.
Figure 1은 시험체를 나타낸 것이고 Figure 2는 강재 및 콘크리트의 온도측정을 하기 위하여 열전대를 설치
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
한 위치이다. 강재 및 콘크리트 내부 온도 측정을 위 하여 총 12부위를 측정하였으며, 강재는 4부위를 측정 하였고, 콘크리트 온도 측정을 위하여 11, 12번은 모서 리부위에서 양방향 가열, 5~8번은 일방향 가열 특성을 비교하였고 9번은 강재와 콘크리트 경계면의 온도를 측정하였다.
3.2 실험 계획 및 방법 3.2.1 가열 및 구속 조건
시험체 가열은 KS F 2257-1의 표준 가열곡선을 이 용하여 180분 동안 가열하였고, 기둥의 수축량이 최대 변형량을 넘을 경우 가열을 종료하였다. 경계조건은 모 두 고정단으로 하였다.
3.2.2 실험변수
실험변수로 강관의 크기, 강재 내부 콘크리트의 강 도조건에 따른 변수와, 재하시의 하중비에 따른 CFT 의 내화성능을 도출하고자 한다.
강관의 크기에 따른 변화는 선행연구결과와 비교 분 석하였다.8)
압축강도의 경우 기존문헌에서 24MPa에서 고강도의 90MPa까지 다양하게 연구되어지고 있으며,10,12,13) Kodur 는 55MPa을 기준으로 일반강도와 고강도를 구분하였 다.10) 그러나 본 연구에서는 강재내부 콘크리트 압축 강도는 현장에서 많이 적용되는 24MPa과 고강도 영역 에서 40MPa을 사용하였다. 이는 강도증가로 인한 CFT 기둥의 내화성능변화를 살펴보기 위함으로 55MPa 이 상의 고강도 콘크리트는 차후 연구를 통하여 진행하고 자 하였다.
하중비는 각각 0.2, 0.6, 0.9로 하였으며, 기존 연구 의 경우 Han(2003)은 건물의 화재는 드문 사례이므로 이를 정의할 때 “사고”로 정의하였으며, 이러한 경우 하중비는 0.77로 적용하였다.14) Kodur는 0.2~0.5의 범 위에서 하중비 변화를 통하여 HSS의 내화성능을 평가
하였다.10,14)
내화성능평가를 위한 하중비의 기준은 현재 정해져 있지 않으며, 본 실험에서 하중비 0.2는 CFT 기둥의 3 시간 내화성능을 도출하기 위하여 선정하였으며, 0.6은 일반적인 기둥 설계시 안전율을 0.4~0.6을 적용하여 이 를 근거로 0.6을 채택하였으며, 0.9는 Han(2003)의 실 험보다 좀 더 극한상태의 내화성능을 살펴보기 위하여 Figure 1. CFT specimen.
Figure 2. Location of thermocouples.
Tabel 3. Factor of Model for CFT Column
Model Size (mm)
Concrete Strength (MPa)
Load Ratio (%)
Boundary Condition
Load (ton) 24-0.9
280
× 280 (6t)
24
0.9
Fix
158
24-0.6 0.6 105
24-0.2 0.2 035
40-0.9
40 0.9 264
40-0.6 0.6 176
각각의 변수를 채택하였다. 다음 Table 3은 하중비에 따른 재하하중을 나타낸 것이다.
3.2.3 실험방법
CFT기둥의 내화성능 평가를 위한 실험은 한국건설 기술연구원의 기둥 가열로에서 실시하였으며 KS F 2257-1의 표준화재 곡선을 사용하여 180분 가열하였고 실험 중 시험체가 한계수축량(변형량)을 초과하는 경 우 실험을 종료하였다.
본 연구의 내화성능에 대한 기준은 KS F 2257-1의 성능 기준을 채택하였으며 건축 부재의 내화성능은 부 재가 성능 기준에 적합한 시간을 측정하는 것으로 하 중 지지력에 의하여 판단되며 시험 하중에 대한 지지 능력은 변형량 및 변형률에 의해 결정된다. CFT 기둥 과 같은 축방향 재하 부재의 경우의 수축량과 변형률 은 다음 식에 따라 산정한다. 본 연구의 내화성능 기 준은 KS F 2257-1에서 제시하고 있는 수축량과 변형 률로 하였으며, 본 실험에 사용된 CFT 기둥의 수축량 과 변형률은 다음과 같다.
수축량 또한
변형률
여기에서 h = 시험체의 초기 높이(mm) KS F 2257-1의 내화 성능 기준에 따라 한계수축량과 변형률을 산정한 결과 Table 4와 같이 수축량은 26mm, 변형률은 7.8mm/min으로 산정되었다.
4. 결과 및 고찰
4.1 표준화재 곡선에 의한 CFT 기둥의 표면 상태 가열 실험 후 시험체의 표면 상태를 관찰한 결과 Figure 3의 24-0.6과 같이 최대수축량 이상으로 변 형이 발생한 경우 기둥의 중심과 상부쪽에 강재의 변형이 주로 발생하였다. 가열 180분 동안 수축이 발생하지 않은 시험체의 경우 강재의 열팽창으로 인 해 강재 표면의 들뜸 및 박리현상과 균열이 발생되 었다.
4.2 CFT 기둥의 수축량(변형량) 분석
CFT 기둥의 내화성능에 영향을 주는 주요인자 중 하나인 하중비 및 콘크리트 압축강도 변화에 따른 내 화성능을 측정하였으며 KS F 2257-1의 수축량에 따른 내화성능 시간은 다음 Table 5와 같다.
4.2.1 하중비에 따른 수축량 분석
콘크리트 압축강도 24MPa의 경우 하중비 0.9, 0.6, 0.2를 변수로 하여 재하 하였으며 최대수축량 26mm를 초과한 각각의 내화성능시간은 28분, 113분, 180분으 로 나타났다. 따라서 하중비가 0.3 감소시 약 85분의 C = h
100---mm dC
--- = dt 3h
1000---mm/min
Table 4. Criteria of Load Bearing Capacity of CFT
Specimen
Axial Deformation
(mm)
Axial Deformation Rate (mm/min) 280 × 280 × 2600(6) 26 7.8
Figure 3. Appearance of the specimens before and after fire test.
Table 5. Axial Deformation Results by Considering Load Ratio
Model Max Axial Deformation (mm)
Fire Resistance Time (min)
24-0.9 0−1.2 028
24-0.6 0−6.8 113
24-0.2 0+3.0 180
40-0.9 −19.8 019
40-0.6 −24.2 028
내화성능 향상효과가 있는 것으로 나타났다. 초기 강 재의 열팽창으로 인한 팽창량은 약 4.5~16.1mm로 하 중비가 증가할수록 팽창량은 감소하였으며 정체구간 또한 줄어드는 것으로 나타났다.
Figure 5의 콘크리트 압축강도 40MPa의 경우, 하중 비를 0.9, 0.6를 변수로 하여 재하하였다. 내화시험의 결과 각각의 내화성능시간은 19분, 28분으로 나타났으 며, 24MPa의 내화성능과 비교할 경우, 다소 저하되는 결과를 나타내었다.
4.2.2 압축강도 변화에 따른 수축량 분석
콘크리트 압축강도 변화에 따른 내화성능 시험결과 동일 하중비에서는 강도가 증가할수록 내화성능은 감 소하는 것으로 나타났다.
Figure 6과 같이 동일 하중비 0.6의 경우 24MPa에서 40 MPa로 증가시 약 85분의 내화성능이 감소하였고, Figure 7은 동일하중비 0.9의 경우 24MPa에서 40MPa
로 증가시 약 9분의 내화성능저하가 발생되어 강도 증 가로 인해 내화성능은 저하하는 것으로 나타났으며, 24MPa은 점진적 축소, 40MPa은 급격한 축소에 의한 파괴 양상이 나타났다. 이는 고강도 콘크리트가 일반 강도 콘크리트에 비해 낮은 물시멘트비로 내부 수분함 유량의 감소로 인한 콘크리트의 온도 상승이 큰 원인 으로 판단된다. 고강도 콘크리트의 경우 보통강도 콘 크리트에 비해 400oC 이후 급격히 압축강도가 감소7) 하는 것으로 하중비 0.6의 경우 24MPa은 콘크리트 표 면으로부터 10mm 위치는 21분에 400oC에 도달하고 40MPa은 18분에 400oC 도달하여 보통강도에 비해 고 강도 콘크리트의 압축강도 저하가 빠르게 발생되어 내 화성능이 저하하는 것으로 판단된다.
전체적인 변형 특성을 살펴보면 초기 단계는 기둥이 팽창하다가 일정시간의 변형량 감소 구간이 나타나고 급격한 변형과 함께 파괴에 도달하였다.
이상과 같은 변형은 하중, 열팽창, 콘크리트 내의 수 Figure 4. Axial deformation according to load ratios
(24 MPa).
Figure 6. Axial deformation according to compressive strength (load ratio-0.6).
Figure 7. Axial deformation according to compressive strengths (load ratio-0.9).
Figure 5. Axial deformation according to load ratios load ratios (40 MPa).
증기압과 크리프 등과 같은 많은 요인에 의한 것이다.10) 콘크리트내의 수증기압과 열팽창은 초기단계의 부재 팽창의 원인이며, 하중과 크리프는 그 다음 단계의 원 인으로 볼 수 있으며 팽창과 수축이후 정체단계는 강 재내부의 콘크리트의 강도에 의한 영향으로 볼 수 있 고, 이러한 정체구간은 하중비가 작을수록, 내부 콘크 리트는 일반강도일 때 더 길게 측정되었다.
4.3 CFT 기둥의 온도특성 분석
시험체의 내부 온도 측정결과는 다음 Figure 8~12와 같다. 내부 온도 측정결과 초기 강재의 열팽창으로 인 한 최대 온도는 380~570oC로 나타났다. 문헌에 따르면 가열조건의 콘크리트는 내부온도가 약 300oC를 초과하 면서 강도 감소가 일어나는 것으로 보고되었다.9)또한 안전율 1.7을 적용한 부재의 경우 강도감소가 100/1.7 로 약 59%가 되는 경우 더 이상 안전한 콘크리트가 아니며, 이때의 콘크리트와 철근의 온도를 450oC로 규 정한13) 것과 같이 비슷한 온도에서 강재가 항복한 것 으로 볼 수 있다. 그러나 동일 시간대의 콘크리트 온 도는 100oC 이하이거나 표면 온도만 100oC를 상회하 는 것으로 나타났다.
동일 하중비의 경우 가열 10분 경과 후 콘크리트 내 부의 온도를 살펴본 결과 24-0.6의 경우 양면가열부위 11번 열전대의 온도가 186oC, 40-0.6의 경우 247oC로 측정되어 온도 차이는 약 60oC로 측정되었다. 따라서 고강도일수록 온도상승 속도가 빠른 것으로 나타나 김 흥열(2002)의 연구에서 일반강도(30MPa)에 비해 고강 도(50MPa)의 열전도율이 더 큰 것으로 나타난 것과 비 슷한 양상을 보인다. 이러한 빠른 열전도율로 인해 고 강도 콘크리트의 내부 온도 상승이 빨라짐으로 인해 일 반콘크리트에 비해 내화성능이 저하하는 것으로 판단된다.
4.4 강관크기에 따른 내화성능 비교
강관의 크기에 따른 내화성능은 다음 Table 6과 같다.
Figure 9. Temperature history in case of 24 MPa (0.6) specimen during 113 minutes.
Table 6. Comparison between 360 and 280 Size8) Model 280*280*6
(min)
360*360*9 (min)
Difference (min)
24-0.9 028 033 −5
24-0.6 113 106 +7
24-0.2 180 180 00
40-0.9 019 -
40-0.6 025 031 -6
40-0.2 180 -
Figure 8. Temperature history in case of 24 MPa (0.9) specimen during 28 minutes.
Figure 10. Temperature history in case of 24 MPa (0.2) specimen during 180 minutes.
비교결과 단면크기에 따른 내화성능의 차이는 초기 가열시기에는 단면크기가 작을수록 내화성능은 저하 하였으나, 가열 시간이 길어지는 경우는 강관크기가 작 은 시험체의 내화성능이 증가하는 것으로 나타났다. 그
러나 전체적인 내화성능 시간을 놓고 볼 때 큰 차이는 아닌 것으로 보여진다. 이는 초기 가열의 경우 외부에 서 내부로의 전열효과가 강관의 크기가 작아짐으로 인 해 빠르게 나타난 결과로 보이며, 24MPa의 하중비 0.6 시험체의 경우 일정시간 가열이후는 전열효과로 이미 중심부로 진행되어 강관크기에 따른 차이는 없는 것으 로 판단된다.
5. 결 론
(1) CFT 기둥의 내화성능 실험결과, 기둥의 중심에 서 상부쪽으로 수축으로 인한 강재 변형이 발생되었으 며, 내화성능시간이 180분인 시험체의 경우, 강재의 열 팽창으로 인한 표면 들뜸 및 박리현상과 균열이 발생 되었다.
(2) 콘크리트 압축강도 24MPa의 경우 하중비 0.9, 0.6, 0.2를 변수로 재하하였으며 시험결과 각각의 내화 성능시간은 28분, 113분, 180분으로 나타났다. 하중비
가 0.3 감소시 약 85분의 내화성능 향상효과가 있는 것 으로 나타났다. 40MPa 및 하중비 0.9, 0.6를 재하한 경 우, 내화성능시간은 19분, 28분으로 나타났다.
(3) 시험체 내부 콘크리트 강도 변화에 따른 내화성 능평가 결과, 강도가 증가할수록 내화성능은 감소하는 것으로 나타났으며, 이는 내부 채움재인 콘크리트가 고 강도인 경우 일반강도에 비해 열전도율이 큼으로 인해 내부 온도상승이 빨라지고 일반콘크리트에 비해 고강 도 콘크리트가 하중재하로 인한 압축강도의 감소가 빠 르게 나타나 내화성능이 저하하는 것으로 판단된다.
(4) 강관크기에 따른 내화성능은 초기가열시기에는 강관이 커짐에 따라 내화성능도 커지는 것으로 나타났 으나 전열효과로 인해 내부로의 열이동이 완료되는 시 점에서는 내화성능의 차이는 없는 것으로 나타났다.
이상과 같이 CFT 기둥의 내화성능에 영향을 주는 주요인자 중 콘크리트 강도와 하중비를 변수로 하여 CFT 기둥의 내화시간 및 부재 내부의 온도분포를 측 정 분석하였으며, 차후 본 실험데이타를 토대로 성능 설계를 위한 수치해석을 실시하여 내화성능 평가를 위 한 기법을 다양화하고자 한다.
감사의 글
이 논문은 지식경제부에서 지원하는 한국건설 기술 연구원이 주요사업의 “(10주요) 구조물 성능기반 화재 거동해석 및 설계 기술 연구” 과제와 관련한 연구에 의해 수행되었으며, 이에 감사드립니다.
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Figure 11. Temperature history in case of 40 MPa (0.9) specimen during 19 minutes.
Figure 12. Temperature history in case of 40 MPa (0.6) specimen during 28 minutes.
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