논 문]
일정축력을 받는 콘크리트 충전 각형기둥의 경계조건 변화에 따른 화재거동특성에 관한 실험적 연구
An Experimental Study on the Fire Behavior of CFT Column under the Constant Axial Loading Condition in Fire
김형준·김흥열·민병렬·권인규*†·권기혁**
Hyung-Jun Kim · Heung-Youl Kim · Byung-Youl Min · In-Kyu Kwon*
†· Ki-Hyuk Kwon**
한국건설기술연구원, *강원대학교, **서울시립대학교 (2010. 8. 27. 접수/2010. 12. 10. 채택)
요 약
콘크리트가 충전된 각형강관 기둥(CFT)은 외부에 강재가 노출된 형상으로 외측의 강관은 화재시 급격 한 온도상승으로 인해 강도가 저하되나, 내부의 콘크리트는 열용량이 큰 재료로써 내화성능을 확보할 수 있는 구조로 구성되어 있다. CFT 기둥을 내화구조로서 적용하기 위해서는 구조적 성능에 영향을 미치는 인자에 대한 연구가 필요하며, 이에 대한 조건별 영향성에 관한 연구가 필요하다. 내화성능에 영향을 주는 주요인자는 콘크리트 압축강도·단면크기·축력비·경계조건이며, 그 중 기둥과 보의 경계조건은 구조 적 측면에서 하중지지능력에 영향을 미치므로 내화성능을 지배하는 주요 인자 중에 하나이다. 실험결과 360단면에서는 양단 고정조건에서는 106분의 내화성능이 확보되나 양단 힌지 조건에서는 89분의 내화성 능을 확보하는 것으로 나타났다. 280단면에서는 양단 고정조건에서는 113분의 내화성능이 확보되나 양단 힌지 조건에서는 78분의 내화성능을 확보하였다.
ABSTRACT
A concrete filled square steel tube (CFT) is composed of the external steel material, which its strength is reduced in fire due to sudden temperature increase, and the internal concrete with high thermal capacity that can ensure the fire resistance performance of the structure. Therefore, research about the influence factors of the structural performance of CFT column is required in order to apply CFT column to a fire resisting structure, and additional research about influence for each condition is also necessary. Among the influence factors, the boundary condition between column and beam is important structurally, and it is one of the major factors that determine overall fire resisting perfor- mance. This study performed a fire experiment under loading in order to analyse the influences of CFT column to the boundary condition. As the results of the experiment, fire resistance time of 106 minutes was ensured for the clamped-end condition but 89 minutes for the hinge-end condition in case of the 360 cross section. And, fire resistance time of 113 minutes was ensured for the clamped-end condition but 78 minutes for the hinge-end condition in case of the 280 cross section.
Key words : CFT, Column, Boundary condition, Fire resistance, Structure
1. 서 론
콘크리트가 충전된 각형강관 기둥(CFT)은 외부에 강 재가 노출된 형상으로 외측의 강관은 화재 시 급격한
온도상승으로 인해 강도가 저하되나, 내부의 콘크리트 는 열용량이 큰 재료로써 내화성능을 확보할 수 있는 구조로 구성되어 있다. 그러므로 CFT구조가 일정한 내 화설계조건을 만족시키면 내화피복이 없는 구조로 사 용이 가능하며, 유럽에서는 비교적 짧은 요구내화성능 시간에 확인신청의 절차만으로 무내화 피복 CFT 구조
†E-mail: [email protected]
의 사용을 인정하고 있다. 이러한 내화성능의 확보가 가능한 구조적 장점으로 인해 국내에서는 구미 삼성전 자 제2공장 주차장에 국내 기준에 적합하게 1시간 내 화시간을 만족시키는 무내화 CFT 기둥이 현장에 적용 되었으며, 외국의 경우엔 중국의 SEG Plaza와 Ruifeng Shangye Building에 3시간 요구내화시간을 확보하기 위 하여 성능설계에 의한 피복절감형으로 현장에 적용되 었다.1)그러므로 본 연구에서는 고정단 조건과 힌지 조 건에서 하중축력비에 대한 CFT 각형기둥의 변형특성 을 분석하고 이에 따른 내화성능의 영향성을 분석하여 경계조건에 따른 CFT 기둥의 내화성능 변화를 제시하 고자 본 연구를 수행하였다.
2. 연구범위 및 수행방법
CFT 각형기둥의 내화성능에의 영향인자 중 실제 구 조물에 적용된 부재의 경계조건을 고려하여 화재시 발 생할 수 있는 내화성능 변화의 영향성을 분석하고자 내화실험을 수행하였다.
2.1 연구범위
표준화재(ISO Standard Fire)조건에서 화재실험을 수 행하였으며, 실험체의 온도와 변형을 측정하여 KS F 2257-1의 기준에 의해 내화성능을 평가하였다. CFT기 둥의 내화성능에 영향을 주는 인자는 콘크리트 압축강 도·단면크기·축력비·경계조건이 있으며, 기존 연 구에서 압축강도·축력비·단면크기의 영향에 대한 실 험적 연구가 진행2)되었다. 이러한 내화성능 영향인자 중 경계조건에 따라서 화재시 CFT 기둥의 좌굴 및 내 화성능의 변화가 큰 영향을 준다.3,4)이에 본 연구에서 는 기둥부재가 하중을 받을 때의 실질적 상황조건인 경계조건을 고온조건에서 구현함으로써 경계조건 변화 에 따른 내화성능의 영향성에 대해서 분석하고자 실험 을 수행하였다.
2.2 고온재하 실험체 경계조건 구현
CFT 기둥은 실제 구조물에 적용될 경우의 경계조건 은 크게 양단 힌지, 양단고정, 일단힌지·일단고정5)의 3가지 형태로 구분된다. 그러나 현재의 가열로의 경우 경계조건을 명확하게 구현할 수 없는 형태로 장비가 구성되어 있었기 때문에 본 연구에서는 이에 대한 구 조기둥의 경계조건을 명확히 구현할 수 있는 재하지그 의 필요성이 제기되었다.
그러므로 본 실험에서는 Figure 1과 같은 경계조건 변동이 가능한 재하지그를 가열로에 설치하여 실제
CFT 기둥의 경계조건을 구현하여 재하가열 실험을 수 행하고자 하였다. 기존의 재하지그는 고정단과 힌지단 이 별개로 존재하여 실험체의 경계조건에 따라 고온재 하 실험이후에 탈·부착을 해야 하지만, 본 실험에 사 용된 재하치구의 경우 간단한 고정핀(ㄷ 형강)의 탈·
부착을 통해 고정단과 힌지단의 동시구현이 가능하게 제작하였다. 하중가압시 가압판과 상부지그 상판과 볼 트로 고정하였으며, 상부 지그 하판과 실험체의 엔드 플레이트도 볼트로 고정하였다. 하부의 경우 마찬가지 로 하부지그 상판과 실험체 엔드플레이트는 볼트로 고 정하였으며, 하부지그 하판과 가력판의 경우 볼트로 고 정하였다. 경계조건 구현시 상부지그의 상판과 하판의 고정여부를 고정친(ㄷ 형강)으로 바꿈으로써 경계조건 을 고정단과 힌지로 구분할 수 있게 실험조건을 부여 하였다.
3. 실험계획
3.1 실험 변수
CFT 기둥을 내화구조로서 적용하기 위해서는 구조 적 성능에 영향을 미치는 인자에 대한 연구가 필요6)하 Figure 1. The furnace installation of loading jig.
Figure 2. The type of boundary condition according to loading jig.
며, 이에 대한 조건별 영향성에 관한 연구가 필요하다.
내화성능에 영향을 주는 주요인자는 콘크리트 압축강 도·단면크기·축력비·경계조건이며, 그 중 기둥과 보의 경계조건은 구조적 측면에서 하중지지능력에 영 향7)을 미치므로 내화성능을 지배하는 주요 인자8)중에 하나이다. 특히 기존의 국내에서는 CFT 기둥의 실제 경계조건인 고정단 또는 힌지조건에서의 실험이 수행 되지 않았으므로, 이에 대한 영향성에 대한 분석이 미 비하였다. 이에 본 연구에서는 고정단과 힌지조건을 구 현하여 경계조건에 따른 CFT 기둥의 내화성능에 대한 영향성을 분석하고자 Table 1과 같은 실험변수로 재하 가열실험을 수행하였다.
Table 1. Boundary Condition Variable of CFT Column in Fire Test
Specimen Strength (MPa) Loading Ratio (%) Size (mm) B × H × L × t Boundary Condition Model-I
24 60
360 × 360 × 3000 × 9
Model-II 280 × 280 × 3000 × 6 Fix
Model-III 360 × 360 × 3000 × 9
Hinge
Model-IV 280 × 280 × 3000 × 6
Table 2. The Plan of Thermo Couple Installation Size
(mm)
Thermo Couple Tube Concrete
Group-1
Concrete Group-2 360 × 360 × 3000 × 9
4개소 (1~4번)
(5~10번) 0, 10, 20,
30, 50, Center (140
or 180)
(11~12번) 10 mm 30 mm 280 × 280 × 3000 × 6
Figure 3. Detail installation of thermo-couple. Figure 4. Design of CFT specimen (Model-II, IV).
3.2 실험체 형상조건 및 열전대 설치
화재실험을 통한 CFT 기둥의 강재 및 콘크리트의 온도와 변형을 측정하고자 하였으며, 열전대는 K-Type 열전대를 사용하여 강재부위에 4개소를 KS F 2257-1 의 규정에 따라 철근내부에 드릴링하여 설치하였다. 콘 크리트는 내부의 온도를 계측하고자 일방향으로 5개를 10mm 간격과 중앙부에 설치하였으며, 이방향 코너부 의 온도와의 영향을 분석하고자 2개의 열전대를 추가 적으로 Table 2와 같이 계획하여 Figure 3과 같이 설
치하였다. 기둥의 화염원 위치에 따른 온도의 변화를 고려하여 기둥실험체 1개당 수직방향으로 센터부분과 상·하부로 1111mm 이격된 총 3개소에 설치하였으며, 실험체 1개당 총 39개의 열전대를 설치하였다.
CFT 기둥의 콘크리트의 압축강도는 24MPa로 계획 하여 제작하였으며, 규산질 골재를 사용하였다. 강관은 SS400재질의 강재를 사용하였으며, CFT 기둥의 지그 와의 연결을 위한 엔드플레이트는 400 × 400 × 40을 설 치하였다. CFT 기둥내부의 압력분출 및 열전대 노출 을 위한 Vent Hole은 3set로 총 6개를 가공하여 Figure 4과 같이 실험체를 제작하였다.
3.3 CFT 기둥의 콘크리트 재료실험
화재시 CFT 기둥의 대부분의 내력을 지지하는 부분 은 콘크리트이며, 이러한 콘크리트의 압축강도가 하중 축력비에 큰 영향을 주기 때문에 배합강도와 실제강도 를 확인하기 위한 재료실험이 반드시 선행되어야 한다.
이에 콘크리트 압축강도 실험을 위한 공시체 제작은 KS F 2403에 의거하였고, 압축강도 실험은 KS F 2405에 의 거하여 공시체 3개를 Figure 5와 같이 실험을 수행하였다.
콘크리트 압축강도 실험결과, 계획된 설계강도와 유 사하게 Table 3과 같이 측정되었다.
4. 실험결과
동일한 실험변수에서 경계조건의 변화에 따른 CFT
기둥의 내화성능에의 영향성을 비교·분석하기 위하여, 고정단과 힌지조건의 변화를 부여하여 다음과 같이 화 재실험을 수행하였다.
4.1 CFT 기둥 화재노출 위치별 단면온도특성 CFT 기둥의 표준화재(ISO Standard Fire)조건에서 화 재에 노출된 강재의 위치별 온도변화를 기둥의 중앙부 에서 Model-III을 대상으로 분석하였다. 각형강관의 모 서리부분인 S-1, 3에서 가장 높은 온도가 나타났으며, 약 70분 경에는 강재의 온도가 가열로내 온도와 거의 유사한 온도까지 Figure 6과 같이 상승하였다. CFT 기 둥의 수축이 시작되는 시점은 가열 후 약 30분경이며, 최대온도는 가열로의 노내 온도가 1006oC 일때, 강재 의 온도가 990.7oC까지 상승하는 것으로 나타났다.
콘크리트의 화재노출 깊이에 따른 온도변화를 분석 하기 위해 가열면으로 부터의 깊이에 따른 콘크리트 Figure 5. Test of concrete compression strength.
Table 3. Material Test of Concrete Strength Plan Strength
(MPa)
Compressive strength of Test (MPa)
1 2 3 Average
24 24.8 24.4 24.9 24.7
Figure 6. Steel temperature of CFT column depend on location (Model-III).
Figure 7. Concrete temperature of CFT column depend on location (Model-III).
내부의 온도(Table 2: 열전대 5~10번위치)를 Model-III 을 기준으로 분석하였다. 기둥의 수직방향으로 센터에 서 1,111mm 상부에서 가장 높은 온도가 계측된 부분 을 분석하였다. 가열시작 후 약 50분까지는 최대 498oC 내외로 유지되며, 70분 이후에는 강재의 열차단 성능 의 저하로 인해 노내 온도가 콘크리트 내부에 전달되 기 시작하여 콘크리트의 온도가 점차 상승하여 최대 829.4oC까지 상승하였다. CFT 기둥의 콘크리트 내부의 온도는 0~50mm까지는 노내온도에 직접적으로 영향을 받는 구간으로 분석되나, 가장 중앙부인 180mm에서는 콘크리트의 낮은 열전도율로 인해 최대 온도는 121oC 이내로 제어되는 것으로 Figure 7과 같이 분석되었다.
4.2 CFT 기둥의 경계조건에 따른 온도특성 경계조건에 따른 CFT 기둥의 온도변화를 분석하기 위해 실험모델별 기둥의 중앙부에서의 강재 평균온도 (Table 2: 열전대 1~4번위치)를 비교한 결과, 경계조건 자체는 CFT 기둥의 강재 부분의 온도에 영향을 미치 지는 않았다.
Model-I의 경우 약 70분 경에 강재의 온도가 순간적 으로 올라갔다가 내려가는 구간이 발생하는 것으로 Figure 8과 같이 나타났다. 강재표면의 온도는 노내 온 도와 거의 유사하게 상승하고 있으며, 강재의 내화성 능저하가 시작되는 시점인 400oC를 초과하는 시점은 대략 가열 후 20분경에 발생하는 것으로 나타났다.
경계조건에 따른 CFT 기둥의 콘크리트 내부온도변 화를 분석하기 위해 실험모델별 콘크리트의 이방향 열 전달조건에서 가열표면의 강재로부터 10mm 이격된 부 위(Table 2: 열전대 11번 위치)에서의 모델별 온도를 분 석하였다. 분석 결과 CFT 강관의 온도와 동일하게 경
계조건에 의한 온도변화의 영향은 없는 것으로 판단되 며, 단면크기가 큰 Model-I, III(360단면)이 상대적으로 단면 크기가 작은 Model-II, IB에 비해 열용량이 커서 낮은 온도상승의 영향이 나타나는 것으로 Figure 9와 같이 분석되었다.
4.3 CFT 기둥의 경계조건에 따른 변형특성 화재시 대부분의 내력을 콘크리트에서 분담하는 CFT 의 특성을 고려하여 양단 힌지조건의 실험체(Model-III) 를 분석하였다. 가열 후 약 50분 이후에서 Figure 7에 서와 같이 온도의 급격한 상승이 발생하는데, 이때에 강재의 고온 팽창으로 인한 CFT 기둥의 팽창구간이 끝나며, 실제로 콘크리트에 의해 내력을 지지하게 되 는 기둥의 수축구간이 발생하게 되는 것으로 판단되었다.
360 × 360 단면의 24MPa에서 축력비 0.6 조건으로 내화성능 영향인자의 조건을 동일하게 유지시키고 내 화성능을 평가한 결과, 양단 고정조건에서는 106분의 내화성능이 확보되나 양단 힌지 조건에서는 89분의 내 화성능을 확보하는 것으로 나타났으며, 이는 경계조건 에 따라 약 17분의 내화성능의 차이가 나타나는 것으 로 Figure 10과 같이 분석되었다. 이는 양단 고정효과 로 인해 기둥 수축에 기여하게 되는 하중이 CFT기둥 양단 단부부위로 모멘트가 발생하여 초기 재하하중이 분산되기 때문으로 판단된다.
280 × 280 단면의 24MPa에서 축력비 0.6 조건으로 내화성능 영향인자의 조건을 동일하게 유지시키고 내 화성능을 평가한 결과, 양단 고정조건에서는 113분의 내화성능이 확보되나 양단 힌지 조건에서는 78분의 내 화성능을 확보하였다. 경계조건 변화에 따라 약 35분 의 내화성능의 차이가 나타났으며, 이러한 영향은 단 Figure 9. Concrete temperature of CFT column depend on boundary condition.
Figure 8. Steel temperature of CFT column depend on boundary condition.
면크기가 줄어들수록 경계조건에 의한 효과가 더 크게 파생되는 경향성이 Figure 11과 같이 도출된다.
단면의 크기가 줄어들기 때문에 강재의 팽창으로 인 한 CFT 기둥의 초기 팽창크기가 줄어드는 것으로 판 단되며, 힌지조건의 실험체(Model-)의 경우 강재온도 약 600 에서 팽창구간이 수축구간으로 전환되어 강재 로 인한 CFT기둥의 내력지지구간이 종료되는 것으로
판단된다.
5. 결 론
CFT 기둥의 경계조건 변화에 따른 내화성능 영향성 을 분석한 결과, 단면크기별로 다음과 같은 결과가 도 출되었다.
1) 경계조건변화에 따라 CFT 기둥의 내화성능을 평 가한 결과, 양단고정이 양단힌지에 비해 내화성능이 확 Figure 10. Deformation of CFT column depend on boundary
condition (24 MPa, 360 × 360 mm).
Figure 12. The test result of CFT column.
Figure 11. Deformation of CFT column depend on boundary condition (24 MPa, 280 × 280 mm).
보될 수 있는 것으로 나타났다.
2) 360단면의 24MPa에서 축력비 0.6 조건으로 경계 조건의 내화성능 영향성을 분석한 결과, 양단고정 조 건이 적용될 경우 17분의 내화성능을 양단 힌지 조건 에 비해 더 확보할 수 있는 것으로 나타났다.
3) 280 × 280 단면의 24MPa에서 축력비 0.6 조건에 서는 양단 고정 조건이 양단 힌지조건에 비해 약 35분 의 내화성능을 추가적으로 확보하는 것으로 나타났다.
4) 단면크기가 커질수록 CFT 기둥의 열용량의 상승 으로 인해 보다 안정적인 거동과 온도분포가 나타나며, 화재시 경계조건의 영향에 의해 내화성능의 변화가 발 생하는 것으로 판단된다.
본 연구에서는 CFT기둥의 경계조건 변화에 따른 내 화성능에의 영향성을 분석하였으며, 향후 이러한 CFT 기둥의 내화성능에 관한 실험결과를 토대로 내화성능 을 예측할 수 있는 해석기법 확보와 내화설계식 도출 에 관한 연구가 추진이 필요할 것으로 판단된다.
감사의 글
본 연구는 지식경제부에서 지원하는 한국건설기술연 구원의 기관고유사업인 “(10기본) 구조물 성능기반 화 재거동해석 및 설계기술연구” 과제와 관련한 연구에 의해 수행되었으며, 이에 감사드립니다.
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