고온을 받은 횡방향 철근 구속 콘크리트의 역학적 특성 연구
Effect of High Temperature on Mechanical Properties of Confined Concrete with Lateral Reinforcement
최 광 호1)* 이 중 원2)
Choi, Kwang Ho Lee, Joong Won
Abstract
The lateral reinforcements of concrete such as hoops and spiral bars are known to confine concrete to compensate the strength loss due to fire by reducing explosive spalling and improving the capacity of ductility. In this context, a study was conducted to investigate the residual mechanical properties of confined and unconfined concrete(
=60MPa) after a single thermal cycle at 300, 600, 800℃. The main parameters required to establish the stress-strain relationship are the peak stress, the elastic modulus, and the strain at peak stress. The knowledge of the residual mechanical properties of concrete is necessary whenever the thermally damaged structure is required to bear a significant share of the loads, even after a severe thermal accident. Based on the results obtained in this study, the residual stress of confined concrete under thermal damage is higher according to the level of confinement and the larger strain made it to have better ductility. The decreasing ratio of elastic modulus from the relationship of stress and strain was also smaller than that of unconfined concrete.
Keywords : Confined concrete, Lateral reinforcement, Residual mechanical property, Temperature rise
1) 정회원, 남서울대학교 건축공학과 교수, 교신저자 2) 정회원, 신안산대학교 건축과 부교수
* Corresponding author : [email protected] 041-580-2182
• 본 논문에 대한 토의를 2012년 2월 29일까지 학회로 보내주시면 2012년 5월호에 토론결과를 게재하겠습니다.
1. 서 론
고층 건축물에서 쾌적한 주거 공간 확보 및 부재 크기 를 줄이기 위해 고강도 콘크리트 사용이 증가하고 있으 나, 고강도 콘크리트는 조직이 치밀하여 화재 시 폭렬되 기 쉽고, 이에 따른 내력저하의 발생 위험성이 매우 큰 단 점이 있다. 콘크리트 부재에서 폭렬현상은 콘크리트 내부 공극의 수증기압이 상승하여 콘크리트의 인장강도보다 커져 고온 노출면 부근에서 순간적인 폭음과 함께 박리 박락하는 현상으로, 부재의 내력 저하를 초래하여 건축물 의 붕괴원인이 된다.
폭렬을 방지하기 위한 다양한 기법들이 연구 개발되어 왔으며, 이 중 하나로 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 섬유와 같은 고인성 섬유를 콘크리트에 혼입하여 온도 상 승 시 섬유의 용융으로 생긴 내부 공극을 수분 이동의 통 로로써 활용하는 기법이다. 이 기법은 현재 보편화 되어 현장에 적용되고 있으나, 콘크리트 제조 시 추가의 섬유
배합작업이 있어야 하고, 섬유별 물성차이가 있고, 균일 한 분산도를 갖도록 하는 품질관리 등이 필요하다.
콘크리트 기둥에 사용되는 횡방향 철근은 압축콘크리트 의 파괴시 횡방향 벌어짐을 구속하여 폭렬을 줄일 수 있고 콘크리트의 연성을 증가시키는 데에 유효하며 강도손실 보상효과가 있기 때문에 내화 구조설계 시 이를 반영하면 고인성 섬유 량을 줄일 수 있고, 화재 피해 중 부재의 붕괴 를 막을 수 있을 것으로 예상된다. 횡철근의 구속효과 (confined effect of lateral reinforcement)를 반영하지 않은 비구속 콘크리트에 대해서는 일반강도와 고강도 모 두에 대해 고온 수열 후 잔존 역학적 특성에 대한 많은 연 구가 이루어져 왔으며, 다수 실험데이터를 근간으로 해석 모델이 제안되어 왔으나, 고온을 받은 횡방향 철근 구속 콘 크리트(confined concrete with lateral reinforcement)의 잔존 역학적 특성에 대한 연구는 많지 않으며, 설계에 반 영할 수 있는 해석모델이 없는 상태이다.
이 연구에서는 고온을 받은 콘크리트에서 횡방향 철근
confined concrete hoop
confined concrete
(a) confinement of hoop
spiralbar
(b) confinement of spiral bar Fig. 1 Confinement of concrete by lateral reinforcement
stress column w/t
spiral bar column w/t
hoop
strain
의 구속 및 손실강도를 보상하는 효과를 정량적으로 규명 하고자 하며, 이를 위해 띠철근의 간격과 나선철근을 변 수로 한 내화성능 실험을 수행하고, 실험체에 대한 일축 압축실험으로 얻어진 응력-변형률 곡선과 탄성계수 및 잔존 강도 등을 횡방향 철근이 없는 실험체의 실험결과와 아울러서 비교분석한다.
2. 횡방향 철근의 콘크리트 구속효과
기둥부재의 폭렬에 의한 단면 결손 시 횡방향 철근의 강도손실 보상효과는 Fig. 1과 같이 철근이 콘크리트를 구속하기 때문에 발생한다. Fig. 2는 압축력을 받는 띠철 근과 나선철근의 하중-압축변형의 실험결과를 나타낸 것 인데, 나선철근 기둥은 최고 하중에 이르렀을 때 나선철 근 외부의 콘크리트가 탈락되고, 이에 따라 단면적의 감 소로 하중이 일시 떨어지나, 나선철근의 구속력으로 나선 철근이 파괴될 때까지 큰 변형을 하는 양상을 보이고 있 다. Fig. 1(b)와 같은 수평력의 평형 상태에서 나선철근 에 생기는 인장응력을 , 나선철근의 구속에 의하여 콘 크리트에 발생하는 압축응력을 로 나타내면, 평형조건
은 식 (1)과 같다. 기둥심부에 대한 나선철근 체적비
와 식 (1)로부터 식 (2)가 된다.
식 (2)에서 나선철근의 구속으로 인한 강도 증가는 극한 하중 상태에서 가 나선철근의 설계기준 항복강도
에 도달했을 때 대략 2임을 알 수 있다. 그러나 이러한 구속력이 발생하는 것은 기둥 심부 외부의 피복이 탈락한 후이며, 이 부분에 의한 강도 손실은
로 계산되며, 나선철근에 의한 강도 증가가 피복 탈락에 의한 강도 손실을 보상하는 조건은 식 (3)이 된다.
이로부터 나선철근의 체적비는 식 (4)로 유도되는데 설계기준에서는 공식의 사용 편이성을 고려하여 식 (5) 로 규정되어 있다.
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
여기서, = 나선철근 체적비, = 나선철근의 단 면적, = 기둥 심부 단면적, = 나선철근의 피치,
= 나선철근의 구속에 의하여 콘크리트에 발생하는 압축 응력, = 나선철근에 생기는 인장응력이다.
3. 콘크리트 기둥의 내화성능 실험
3.1 실험체 설계
고강도 콘크리트 기둥의 횡방향 철근 구속효과를 규명 하기 위하여 설계기준강도를 60 MPa로 하였으며, 띠철근 보강 실험체는 단면이 150mm×150mm, 길이가 480mm 로, 나선철근 보강 실험체는 직경 170mm, 길이 440mm 로 제작하였다. 실험체 종류는 4가지로 결정하여 Group
Fig. 3 Geometry of test specimens (unit : mm)
Table 1 The concrete mixture proportions Components, kg/m3
, MPa Water-
cement ratio
Cement Fine agg.. + coarse agg.
Silica fume
High-range water reducing admixture 0.29 620 625 + 935 40.5
(6.5%C)
8.06
(1.3%C) 60
(a) hoop bar (b) spiral bar Photo 1 Prefabricated reinforcements for specimens
(a) Form for hoop bar (b) Form for spiral bar Photo 1 Formwork for test specimens
A, B, C, D로 구분하였는데, 횡철근이 보강되지 않은 무 근 실험체를 Group A로, 띠철근의 스터럽 개수가 5개인 실험체를 Group B로, 9개인 실험체를 Group C로 하였 고, 나선철근을 사용한 원형기둥 실험체를 Group D로 구 분하였으며, 실험체 형상은 Fig. 3과 같다.
실험체 설계 내력은 60MPa의 설계강도로부터 15 KN 이 되는 것으로 계산되었으며, 주근은 HD 10mm 철근을, 띠근과 나선근은 Φ 6mm 철선을 사용하였고 횡방향 철 근비 ρ는, 띠철근 5개인 B그룹은 0.75%, C그룹은 1.5%
로 하였고, 나선철근이 배근된 D그룹은 B그룹의 0.9배인 0.67%가 되었다.
3.2 콘크리트 배합 및 실험체 제작
콘크리트 강도를 60MPa로 하기위한 재료 배합은 Table 1과 같다. 시멘트는 1종 포틀랜드 시멘트를 사용하였고 잔골재는 부순 모래로 조립률 2.92를, 굵은 골재는 최대 골재크기 25mm 쇄석이 잘 분산되도록 배합하였으며 W/C는 29%가 되도록 하였다. 실험체 제작은 Photo 1과 같은 띠 철근과 나선 철근을 선 조립한 후, 이를 미리 설 치된 Photo 2의 형틀에 설치하고 여기에 콘크리트를 타 설하는 순서로 진행하였다. 또한, 모든 실험체는 실험체 를 제작한 실내에서 4주 대기양생을 하였다.
3.3 실험기법
고온을 받은 콘크리트의 횡철근 구속여부에 따라 발생 하는 역학적 특성변화를 규명하기 위하여 전기로에서의 가열실험과 냉각 후 2 - 3주 경과하여 일축 압축실험을 수행하였으며 그 개요는 다음과 같다.
3.3.1 가열실험
실험체는 가로×세로×길이가 87cm×80cm×150cm 인 전기로에 넣은 후에 가열하였다. 전기로의 내부 목표 온도를 300℃, 600℃ 및 800℃로 설정하고, 13.33℃/
분의 속도로 가열하여 23분, 45분과 60분만에 목표 온도 에 도달되도록 하였으며, 가열 후 2시간동안 그 온도를 유지시킨 후 자연냉각이 되도록 제어하였다. 가열실험에 적용한 온도곡선은 Fig. 4와 같다. Photo 3은 전기로 및 실험전경을 보여주고 있으며, Photo 4는 배합강도 60 MPa Group A, B, C, D 실험체의 가열을 위한 전기로 내 부 설치상황을 나타내고 있다.
3.3.2 역학적 특성 규명 실험
실험체에 대해 목표온도(300, 600 및 800℃)로 가열 후 냉각하여 한 달을 상온에 노출시킨 후 일축압축강도 실험을 수행하였다. 이 때 가력은 1 mm/분 속도의 변위
temperature
target temp.
13.3℃/mim. 2 hours natural cooling time
Fig. 4 Temperature Cycle
Photo 3 The furnace and test setup
Photo 4 Inner side of furnace
Table 2 Core test results to find the compressive strength of specimen
design strength (MPa)
height (mm)
(height)/
(diameter) h/d
conversion factor measured strength
(MPa)
factored strength
(MPa) value h/d factor
60 147 1.46 0.95
2.00 1.00
71.36 67.79 1.75 0.98
1.50 0.96 1.25 0.93 1.00 0.89
제어로 하였으며 실험결과인 응력-변형률 곡선으로부터 탄성계수, 잔존 내력 및 변형률 등의 잔존 역학적 특성을 분석하였다.
3.4 실험결과 분석
3.4.1 공시체 배합강도
공시체 압축강도를 확인하기 위하여 실험체에서 코아 공시체를 채취한 후 압축강도 실험을 수행하였으며 그 결 과는 Table 2와 같다. 이 때 채취한 코어의 h/d의 비가 1.46으로 계산되어 강도환산계수 0.95를 곱하였으며, 계 산 결과는 67.79MPa를 나타내었다.
3.4.2 온도
실험체 가열 중 온도 데이터 취득장비(UCAM-500A) 를 이용하여 전기로 제어용 온도, 전기로 내부 온도(전기 로 측면 및 중앙) 및 실험체 내부의 온도(Group B 실험 체 외측 및 중앙)를 함께 측정하였으며 그 결과를 Fig. 5 에 나타내었다. 여기서, a), b), c)는 각각 60MPa 실험체 의 300℃, 600℃ 및 800℃ 온도곡선을 나타낸다. 전기 로 제어용 온도의 궤적은 Fig. 5의 가열 온도곡선을 잘 추종하지만, 실제 전기로 내부의 최대 온도는 제어 온도 보다 50℃에서 100℃정도 높게 측정되었다. 또한, 실험 체 내부의 온도는 열이 먼저 접촉하는 실험체 외측의 온 도가 먼저 상승하고 중앙이 이보다 늦게 온도가 상승하지 만, 목표온도 지속이 끝나는 4시간 경과 후부터는 같아지 는 것을 확인하였다.
3.4.3 일축압축 실험결과
고온을 받은 콘크리트의 횡철근 구속 유무에 따른 잔존 역학적 특성을 규명하기 위하여 목표온도(300℃, 600℃
및 800℃)로 가열 냉각 후 일축압축 강도 실험을 수행하 였다. 먼저, 파괴양상은 Photo 5에 나타나 있는데, 여기 서 비구속 실험체인 A그룹의 300℃ 후의 파괴는 단면결 손이 크게 나타나는 취성파괴 양상이었고, 띠철근 구속 실험체인 B, C그룹과 나선근 실험체인 D그룹은 횡방향
(a) 300℃(60MPa)
(b) 600℃(60MPa)
(c) 800℃(60MPa)
Fig. 5 Temperature history during the thermal cycle
60MPa A B C D
300℃
600℃
800℃
Photo 5 Typical failures in compression
Table 3 Test results on prisms
type* No. of stirrup
fck(t) (MPa)
ε0(t) (με)
Ec(t) (×10^3)
GA-60-0 0 39.98 8215 3.92
GB-60-0 5 49.3 8996 4.78
GC-60-0 9 46.99 8469 5.11
GD-60-0 6(spiral bar) 42.41 9999 3.76
GA-60-300 0 50.9 14250 3.01
GB-60-300 5 45.9 21426 1.47
GC-60-300 9 54.6 20206 1.97
GD-60-300 6(spiral bar) 46.7 16536 2.34
GA-60-600 0 17.2 20403 0.62
GB-60-600 5 22.5 22580 0.75
GC-60-600 9 23.2 21126 0.83
GD-60-600 6(spiral bar) 25 17496 1.11
GA-60-800 0 5.8 33540 0.13
GB-60-800 5 9.1 26107 0.33
GC-60-800 9 11.1 29610 0.36
GD-60-800 6(spiral bar) 11.2 22430 0.45
* GA-60-800 : type of group - - heating temperature
철근의 콘크리트 구속정도 비율에 따른 내력의 차이를 나 타내면서 부재 심부가 그대로 유지되는 연성파괴를 보여 주었다. Table 3은 60MPa 실험체에 대한 압축강도 실험 결과로서 그룹 A, B, C, D의 극한 강도와 변형률 및 최대 응력의 50%에서의 계산한 할선탄성계수를 정리하였다.
잔존 역학적 특성을 비교하기 위하여 고온을 받지 않은 상온 실험체의 압축실험 결과도 함께 나타내었다. 실험체 명은 그룹명 - - 수열온도 순서로 표기하였는데, 예 로 GA-60-800은 A그룹의 가 60MPa로서 수열온 도가 800℃인 실험체명이다.
Fig. 6 Plots of peak stress versus norminal temperature
Table 4 Percent residual peak stress after a thermal cycle
Temperature ℃ 20 300 600 800
GA-60 100.00% 127.31% 43.02% 14.51%
GB-60 100.00% 93.10% 45.64% 18.46%
GC-60 100.00% 116.19% 49.37% 23.62%
GD-60 100.00% 110.12% 58.95% 26.41%
Table 5 Percent residual peak stress with favorable effects of confinements
Temperature ℃ 20 300 600 800
GA-60 100.00% 100.00% 100.00% 100.00%
GB-60 123.31% 90.18% 130.81% 156.90%
GC-60 117.53% 107.27% 134.88% 191.38%
GD-60 106.08% 91.75% 145.35% 193.10%
Fig. 7 Plots of peak strain versus norminal temperature
Table 6 Increase in peak strain resulting from a thermal cycle
Temperature ℃ 20 300 600 800
GA-60 100.00% 173.46% 248.36% 408.28%
GB-60 100.00% 238.17% 251.00% 290.21%
GC-60 100.00% 238.59% 249.45% 349.63%
GD-60 100.00% 165.38% 174.98% 224.32%
Table 7 Increase in percent strain due to confinement of transverse ties
Temperature ℃ 20 300 600 800
GA-60 100.00% 100.00% 100.00% 100.00%
GB-60 109.51% 150.36% 110.67% 77.84%
GC-60 103.09% 141.80% 103.54% 88.28%
GD-60 121.72% 116.04% 85.75% 66.88%
1) 최대 응력
Fig. 6은 고온을 받은 횡방향 철근 구속과 비구속 실험 체의 잔존 최대응력 변화를 나타낸다. 그림에서 각각의 점들은 20℃ 상온에서 실험한 비구속 실험체인 A그룹을 기준으로 비교한 값들이다. 또한, 그룹별 고온/상온의 잔 존 최대응력 손실률과 온도별 구속/비구속 실험체의 잔존 최대응력 증가율은 Table 4, 5와 같다.
Fig. 6과 Table 4에 의하면, 300℃에서는 콘크리트의 잔존 최대응력의 증가됨을 보이고, 600℃에서는 상온 시 와 비교하여 A그룹은 43.02%, 나선근 구속 실험체인 D 그룹은 58.59%의 잔존 최대응력을 갖는 것으로 나타났 다. 또한 800℃에서는 강도 손실이 더욱 커져 A그룹은 14.51%, D그룹은 26.41%의 잔존강도를 나타내고 있다.
이로부터 띠철근의 개수가 많을수록 온도증가에 따른 잔존응력의 감소가 줄어듬을 알 수 있고, 특히 나선철근 이 배근된 D그룹의 최대응력 잔존율이 가장 크게 나타남 을 알 수 있었다.
한편, Table 5는 온도별 횡방향 철근 구속정도에 따른 잔존강도를 보여준다. 일례로 600℃온도를 받은 경우 실 험체인 비구속 A그룹값과 비교할 때, 띠철근 9개인 C그 룹의 강도는 35%, 나선철근이 6개인 D그룹의 강도는 45% 큰 강도를 나타내었다. 이렇게 횡방향 철근비가 높 을수록 잔존 최대응력이 커지는 이유는 횡방향 철근이 콘 크리트를 구속하여 다축 응력 상태가 되기 때문이었으며, 이로부터 고온을 받은 기둥부재의 횡방향 철근에 의한 강 도손실 보상효과를 확인할 수 있었다.
2) 최대 변형률
Fig. 7은 실험체의 최대 수열온도마다 최대 응력에 대 응되는 변형률을 보여주고 있다. 그림에서 각각의 점들은 20℃ 상온에서 실험한 비구속 실험체인 A그룹의 최대 변형률과 비교한 값들이다. Table 3의 전체 실험체에 대 한 압축강도 실험결과로부터 온도증가에 따른 최대 변형 률의 증가와 횡방향 철근 구속으로 늘어난 최대 변형률을 계산할 수 있으며 Table 6, 7에 나타나 있다.
Fig. 8 Plots of elastic modulus versus norminal temperature
Table 8 Remaining elastic modulus resulting from a thermal cycle
Temperature ℃ 20 300 600 800
GA-60 100% 77% 16% 3%
GB-60 100% 31% 16% 7%
GC-60 100% 38% 16% 7%
GD-60 100% 62% 30% 12%
Table 9 Variation in elastic modulus due to confinement of transverse ties
Temperature ℃ 20 300 600 800
GA-60 100% 100% 100% 100%
GB-60 122% 49% 121% 252%
GC-60 130% 65% 134% 278%
GD-60 96% 78% 180% 349%
Fig. 7과 Table 6에서 구속과 비구속 실험체의 잔존 최대 변형률은 고온으로 갈수록 증가하는 경향을 보였다.
구속과 비구속 실험체의 최대 변형률 모두 100℃ - 30 0℃ 온도범위에서는 큰 변화가 없었으나, 600℃ 이상의 온도에서는 비구속인 A 그룹 변형률이 가장 큰 변화를 보였고 나선근 구속인 D 그룹의 변형률이 가장 작은 변화 를 나타내었다. Table 7은 최대온도별 구속/비구속의 최 대 변형률의 비로서, 300℃까지는 B, C, D실험체의 변형 률이 A와 비교하여 크게 나타났으나, 600℃부터는 오히 려 같거나 작어졌는데, 이로부터 횡방향 철근의 콘크리트 구속효과로 인해 더욱 큰 내력 및 변형을 발휘할 수 있는 여유가 있는 것을 확인할 수 있었다.
3) 탄성계수
각각의 그룹마다 온도증가에 따른 탄성계수변화를 Fig.
8과 Table 8에, 각각의 온도마다 횡구속도에 따른 탄성 계수 변화를 Table 9에 나타내었다. 먼저, Fig. 8과 Table 8을 살펴보면 300℃에서는 A그룹과 D그룹의 탄 성계수의 변화가 상대적으로 크지 않았고, 600℃ - 80 0℃사이에서는 나선철근 구속 실험체인 D그룹의 탄성계 수의 감소율이 띠철근 그룹인 B, C그룹보다 작게 나타났 다. 한편, Table 9를 살펴보면 상온에서는 구속도가 클수 록 탄성계수가 커지지만 300℃에서는 오히려 무근 콘크 리트의 탄성계수가 가장 크게 나타났다. 그러나 600℃이 후에서는 다시 횡방향 구속도 순서인 D, C, B그룹 순으로 탄성계수 감소율이 작았는데, 이를 통해 실험체의 횡구속 효과로 인하여 고온에 의한 잔존 탄성계수의 감소율을 줄 일 수 있는 것으로 분석되었다. 이 연구에서 사용한 탄성 계수는 최대 응력의 50%을 기준으로 하는 할선탄성계수 를 사용하였는데, 그 이유는 이 수준에서 콘크리트 팽창 이 제한되고 횡방향 철근의 구속영향이 작은 범위이기 때 문이었다
4) 응력-변형률 곡선
실험체의 일축압축실험 시 엑츄에이터의 하중 - 스트 로크 값으로부터 실험체의 응력 - 변형률 곡선을 만들었 으며, Fig 9, 10과 같다. 비구속 실험체의 일부가 가력 중 간에 취성파괴를 일으켜 곡선의 하향 부분을 측정하기가 어려웠지만 구속 실험체는 상대적으로 연성거동이 나타
나서 최대응력 후의 과정도 추척할 수 있었다. Fig. 9에서 비구속과 구속 실험체 모두 300℃에서는 상온 곡선과 유 사하며, 600℃ 및 800℃ 가열 실험체의 경우 압축강도 는 현저히 저하되지만, 고열로 가열할수록 연성은 증가됨 을 알 수 있다. 한편 Group A(무근)의 경우 800℃ 가열 실험체의 압축강도는 현저히 저하되어 가열시키지 않은 실험체의 약 5%가 되지만, 횡방향 철근이 배근되어 있는 실험체는 구속효과로 인하여 가열 후 압축강도가 상온 실 험체의 23%로 나타나, 상대적으로 감소비율이 작아짐을 알 수 있다. Fig. 10을 살펴보면 300℃에서는 구속여부 에 상관없이 유사한 응력-변형률 곡선을 보여주는데, 600℃이후부터는 구속도에 따라 D, C, B, A순으로 응력 - 변형률 곡선이 크게 나타나고 있어, 이는 횡방향 구속 효과에 기인한 것으로 판단되었다.
Fig. 9 Stress - strain curves with the different temperature levels
Fig. 10 The comparison of stress - strain curves at the different temperature level
요 지
콘크리트 기둥에 사용되는 횡방향 철근은 압축콘크리트 파괴 시 횡방향 벌어짐을 구속하여 폭렬을 줄일 수 있고 콘크리트의 연성을 증가시키는 데에 유효하며 강도손실 보상효과가 있다. 이를 규명하기 위하여, 띠철근의 간격과 나선철근을 변수로 한 실험 체를 제작하여 가열실험을 수행하였다. 이 때 전기로 온도를 300℃, 600℃ 및 800℃로 설정하여 13.33℃/분의 속도로 가열하고 2시간동안 그 온도를 유지시켰다. 냉각된 실험체에 대해 응력-변형률 곡선을 구하기 위한 압축실험을 수행하고, 이로부터 탄성계 수, 잔존 내력 및 변형률 등의 잔존 역학적 특성을 분석하였다. 실험결과 횡방향 철근비가 높을수록 철근이 콘크리트를 구속하여 다축 응력 상태가 되기 때문에 고온을 받은 콘크리트의 잔존 최대응력이 커지고 더욱 큰 변형을 발휘할 수 있는 있는 것을 확인 하였다. 이울러, 콘크리트의 잔존 탄성계수의 감소율은 횡방향 철근의 구속효과로 작아지는 것으로 분석되었다.
핵심 용어 : 구속 콘크리트, 횡방향 철근, 잔존 역학적 특성, 온도상승
4. 결 론
이 연구에서는 고온을 받은 콘크리트에서 횡방향 철근 의 구속 및 손실강도를 보상하는 효과를 정량적으로 규명 하기 위하여 띠철근의 간격과 나선철근을 변수로 한 내화 성능 실험과 일축 압축실험을 수행하였으며, 그 연구결과 는 다음과 같다.
(1) 온도가 증가함에 따라 횡방향 철근비가 높을수록 최대응력의 잔존율이 커지며, 특히 나설천근으로 배근된 D그룹의 잔존율이 가장 크게 나타났다. 이 에 따라 고온에 노출된 실험체에 배근된 띠철근과 나선철근으로 인한 콘크리트의 구속이 실험체의 잔존강도를 증가시킴을 알 수 있었다.
(2) 600℃ 이상의 온도에서 같은 응력수준에서의 변 형률을 비교할 때 비구속인 A그룹이 가장 크고 나 선근 구속인 D그룹이 가장 작게 나타났다. 이로부 터 횡방향 철근의 구속효과로 인해 콘크리트는 더 욱 큰 내력 및 변형을 발휘할 수 있는 있는 것을 확인하였다.
(3) 600℃ 이상의 탄성계수 감소율은 횡방향 구속도 가 큰 순서인 D, C, B그룹 순으로 작아졌는데, 이 를 통해 고온을 받은 콘크리트의 잔존 탄성계수의 감소율은 횡방향 철근의 구속효과로 작아지는 것 으로 분석되었다.
(4) 이 연구는 최고 온도를 800℃로 하여 전기 가열
로에서 실험을 수행하였으며, 향 후 KS F 2257에 따라 실물 크기의 부재에 대한 실증실험을 실시하 여 그 효과를 입증할 계획이다.
감사의 글
이 논문은 2008년도 정부재원(교육인적자원부 학술연 구조성사업비)으로 한국학술진흥재단의 지원을 받아 연 구되었음 (KRF - 2008 - 521 - D00502).
참고문헌
1. 김상식, 철근콘크리트 구조설계, 문운당, 2008.2.
2. 박찬규, 이승훈, “띠철근 간격에 따른 고강도 콘크리트 기둥의 내화성능”, 한국콘크리트학회 춘계학술발표회 논문집, 2008. 4.
3. 신성우 외 9인, 고강도콘크리트 구조내화설계, 대한건축학회, 2008.2.
4. Bo Wu, Xiao-ping Su, Hui Li and Jie Yuan, “Effect of High Temperature on Residual Mechanical Properties of Confined and Unconfined High-Strength Concrete”, ACI Material Journal, July-August, 2002.
5. L.T. Phan, “Fire Performance of High-Strength Concrete:
A Report of the State-of-the-Art”, Building and Fire Research Laboratory, NISTIR 5934, Gaithersburg, Maryland 20899.
