TSC 합성보의내화성능에관한연구 Study on the Fire Resistance Performance of the TSC Beam 김성배 1) 최승관 2)t 이창남 3) 김상섭 4) Kim, Sung Bae Choi, Seng Kwan Lee, Chang Nam Kim, Sang Seup 요약복합구조시스템은강재와콘크리트의합성으로내화성능이우수할것으로판단된다그러나복합구조의내회정능에대한연구 는아직초기단계로기퉁과보등의부재에대한내화실험결과가일부발표되었으나합성보에대한자료는거의없다이에본연구에서는 TSC 합성보의내회정능평가를위해내화실험과수학적및수치해석적인방법을통해평가하였다내화실험은형상의종류와가력하중, 내 화피복재보강방법등을변수로실험을실시하였다또한수치해석중강재와콘크리트의재료특성은 Eurocode 에준하였으며온도의변화는 열전도 FE 해석과수학적인방볍을사용하였다, ABSTRACT : The purpose of this paper is to evaluate the fire resistance of the TSC beam, a composite beam composed of a concrete beam enclosed by steel plates. Since a discrepancy was observed between the structural mechanisms of TSC and typical composite beams, the fire performances of the two beams are likewise believed to be partially dissimilar. In this experiment, small and medium-sized TSC beams were tested under 밍 ven conditions in the laboratory, with/without one of the most widely used spray-on fire protections in Korea. Furthermore, based on the steel and concrete properties under elevated temperatures that were obtained from Eurocode, temperature development across the section was suggested, using mathematical methods and the results of heat- transfer FE analyses. To determine the capacity of a modified plastic section. the fire performance of the model was also examined. 핵심용어 : T8C 보, 합성보, 내화성능, 열전도해석, 내화피복재 KEYWORD8 : T8C Beam, Composite Beam, Fire Resistance, Heat Transfer Analyses, 8pray-on Fire Protection 1. 서론 국내의내화성능평가방법은 1999년 180 834를기준으로개정된한국산업규격 KS F 2257(999) 의 건축구조부재의내화시험방볍 에준한다. 반면내화성능은내화피복재등의제품사양에의한사양적내화구조기준을적용하고있으나, 실내가연물의종류와양, 화재실의규모, 화재하중등을고려한건축물의내화성능평가의필요성을요구하고았다 ( 민병렬 2001: Andrew H. Buchanan 2001). 현재피난시간확보를위해뿜칠또는부착하는내화피복재의경우내화성능평가는구조부재에부착후비재하상태에 서평가되고있다. 그러나구조부재의성능평가는재하시험으로진행되고있으며, 모든건축물은상시하중을받고있는상태이므로비재하에의한내화피복재의성능평가방법은실조건과상이한문제점을안고있다국내에서개발되어적용되고있는복합구조시스템은 TSC 보 ( 이지운등 2004) 와 itech( 천성철등 2002), H1-Beam( 김욱종등 2001), Slim floor( 문재대등 2003) 등이있으며강재와콘크리트의합성으로내회정능이우수할것으로판단된다. 그러나복합구조의내화성능에대한연구는아직초기단계로기둥및보등의단위부재에대한내화실험결과가일부발표되었다 ( 권인규등 2002). 1) 정회원, I 주 ) 센구조연구소연구개발팀장, 공학박사 ITel: 02-2629-3190, E-Mail : ksb2020@senkuzo.co.krl 2) 교선저자정회원, 한국건설기술연구원, 선임연구원, 공학박사 ITel : 031-9100-308. Fax: 031-9100-38 1. E-Mail : sengkwanchoi (ÍI 에 c t. re.krl 3) 정회원, I 주 ) 센구조연구소대표이사 1 구조기술사 I thesen@kornet.net) 4) 정회원, 한국기술교육대학교건축공학과교수, 공학박사 Ikimss@ku t. ac.kr) 본논문에대한토의를 2006 년 8 월 30 일까지학회로보내주시변토의회답을 게재하겠습니다 한국강구조학회논문집제 18 권 1 호 ( 통권 80 호 ) 2006 년 2 월 113
김성배 최승관 이장남 김상섭 그림 2 의 TSC 합성보의내회정능평가를위해본연구에 서는내화실험과수치해석을수행하였다. 내화실험은형상의 종류와가력하중, 내화피복재보강방법등을변수로실험을 실시하였다. 또한수치해석중강재와콘크리트의재료특성은 Eurocode로부터고려하였으며온도의변화는열전도 FE 해석과수학적인방법으로산정하였다. 본연구의목적은합성보의내화성능평 7} 를위한기초자료를제시하파한다. 2 실험계획 2.1 실험체계획 표 1은실험체일람표이다. 실험체는크기에따라소형과중형으로구분하였다. 소형실험체는춤이 250(mm). 판두 께 4.4(mm) 이며중형실험체는춤 300(mm), 판두께 6.0(mm) 이다 내회뿜칠의두께는내화시간을기준으로 0, 15, 25mm 로 하였다. 내화피복재는공인기관으로부터 1시간 15mm, 2시간 25mm, 3시간 35mm의내화인증을취득한제품이다. 내화피복재의선정은현재국내에서사용되는피복재중시장점유율이가장높은 A사제품으로임의선정하였고, 사용된내화피복재의중량배합비는표 2와같다. 내화피복재의주성분 그림 1 내화피복재의시공상황 실험체는슬래브 120(mm) 이고보춤은 250, 300(mm), 상부슬래브폭은 600(mm), 실험체총길이는 4,900 (mm), 지점간간격은 4,400 (mm) 이다실험체형상은쏟험 실조건을기준으로하였다. c m e 빠은퍼라이트와석고, 시멘트등으로구성되어있으며뿜칠시 두께를측정하여시공오차가 0~3mm 이하가되도록관리하 였다. 그밖의내화피복재의시공관리는제품의특기시방에 준하였다. 그림 l 은내화피복재의뿜칠과정과두께측정등 Rt-bar... 의시공과정을나타낸사진이다. 그림 3는실험체의단면형상과온도측정을위한열전대의셜치위치이다. 열전대는실험체내 외부의온도측정을위해설치하였다내부에설치하는열전대는철근을이용하여위치를고정시켰고, 실험체중앙부의축방향으로등간격이되도 TSCBtlIItI 그림 2. TSC 합성보형상 600 록하였다또한 TB-M-25 설험체는내부의길이방향온도분포를명확히파악하기위해 600(mm) 등간격으로추가설치하였다. 외부에설치한열전대는탈락이발생하지않도록실험체에고정시켰다. 열전대 (Thermo couple) 는 ASTM에제시된 K 타입을적용하였으며온도측정범위는 -250~ 1260 0 C 구간이다. 온도측정오차는 O~ 1250 0 C 구간에서 g :t 2HC 이다. (a) 소형실험체 114 한국강구조학회논문집제 18 권 1 호 ( 통권 80 호 ) 2006 년 2 월
펴씨[!9 냐[ 냉TSC 합성보의내호 } 성능에관한연구 표 4. 강재의인장강도시험결과 (b) 중형실험체 플레이트 시힘편 항복강도 인장강도 연신율 (N/mm 2 ) (N/mm 2 ) (%) PL-4.4 305.0 359.9 37.94 PL-6.0 316.7 433.4 25.95 DlO 493.2 593.3 13.19 ip}=ll Dl3 410.9 597 2 24.74 D22 508.9 612.9 24.66 표 5. 콘크리트배합비및압축강도 (28 일 ) 시험결과 TC30 1(31 C3: I I (c) TB-M-25 실험체의열전대설치위치 그림 3 실험체형상및열전대위치 2.2 가력및측정방법 실험체명 구분 표 1. 실험체일람표 실험체플레이트피복두께비고 크기 (mm) 두께 (mm) (mm) ( 내화시간 ) TB-S- N λ- 혀 250x270x4. 4 4.4 None TB-S-15 실험체 250x270x4.4 4.4 15 1 시간 TB-Ìv1-15 τ 7-7엉 4 300x270x6.0 6.0 15 1 시간 TB-M-25 설험체 구분 300x270x6.0 6.0 25 2 시간 표 2. 내화피복재중량배합비 혼화재 중량비 (%) 4 표 3. 하중지지력판정기준및열전대번호 허용허용변형 L 부재 실험체명변형량속도 30 내력비 (mm) (mrrνmin) (mm) (%) 열전대 번호 TB-S-N 130 TC1 ~TC12 131 5.8 TB-S-15 70 TC1 ~TC12 146 7 TB-M-15 100 TC1 ~TC14 115 5.1 TB-M-25 100 TC1 ~TC32 실험체의가력은그림 4 과같다. 가력은두개의오일잭을 이용하여 4 점가력하였고, 처짐은변위계를이용하여중앙에 서측정하였다. 가력은한국산업규격의 KS F 2257-1 (1 999) 에의해부재내력을기준으로하였다 재하는가력하중이내화시간에미치는영향을평가하기위 해부재내력을기준으로 70, 100, 130(%) 로하였다. 사진 2 는실험체셋팅과가력상황이다. 실험시히중지지력판정기준은 180 834-1 (1 999) 와 KS F 2257-1 에의해허용변형량 ( D=L 2 /400φ 과허용변형속 도 ( dd/ dt= L 2 /9000ψ 를모두초과시구조적붕괴로판 정하며, L/ 30 을초과하지않아야한다. 단, 내화피복을실시 한경우측정한강재의평균온도가 538 'C (1, OOOOF), 측정된 어느곳에서도최대온도 649 'C (1, 200 0 F) 를넘어서는안된 다. 표 3 은이러한하중지지력판정기준과각실험체별열전 대설치번호이다. 소형과중형실험체로구분하여허용변형 량과허용변형속도등을나타내었다. 2.3 소재시험 실험체에사용된이형철근의인장시험편은 K8 B 0801( 금 속재료인장시험편규정 ) 에따라 10 호시험편으로제작하였 고, 강판 (88400) 은 K8 B 0801 에따라 5 호시험편으로제 작하여인장시험을설시하였으며, 결과는표 4 와같다. 콘크리트의압축강도시험용공시체는 K8F 2404 에따라 직경 100mm, 높이 200mm 의실린더형몰드를사용하여제 한국강구조학회논문집제 18 권 1 호 ( 통권 80 호 ) 2006 년 2 월 115
김성배 초 승관 이창남 김상섭 작하였으며, 공시체는본실험체와동일한조건하에서양생 킨후본실험과동시에압축강도시험을실시하였다. 캐핑 (Capping) 후실시한콘크리트압축강도는 3 개공시체의평 균값으로하였으며, 결과는표 5 와같다. 그림 4. 실험체설치도 저감하였다. 실험시초기설정시간 (1 20분 ) 을경과하여도구조적붕괴에도달하지않아 1시간추가가력하였다. 변형률측정은 2시간가력후 1시간재가력으로전체 3시간에내한변형률측정이불가히여측정치를제외하였다 TB-M-15는중형실험체이며, 내화피복재를 15(mm) 뿜칠하였고, 가력하중은부재내력의 100% 로하였다. 실험결과내화성능은하중지지력보다실험체온도상승으로종료되였고내화성능은 51분이다 TB-M-25는내화피복재를 2시간에해당하는 25(mm) 뿜칠을하였고, 가력하중은부재내력의 100% 이다실험결과내화성능은 TB-M-15 실험체와동일하게실험체온도상승 ι로종료되었고, 내화성능은 70분이다. 실험결과내화성능은하중지지력에의한변형또는변형률보다실험체의온도상승에의해내화성능이결정되었다또한피복재의두께에의한영향보다작용하는가력하중의영향이더큰것으로나타났다 3.2 파괴 S 쌍 3. 실험결과 3.1 실험결과 그림 5 실험체가력상황 모든실험체는하중을재하하는동안노와실험체에부 ; 삭된온도센서로온도변화측정을하였고, 가열로상부에설치된오일잭과변위계로변형과승륨을측정하였다. 실험특성상육안관측은불가능하며, 각실험체의실험및파괴양상운다음과같다. 각실험체는약 1O ~40여분이경과후외부에노출된단면의콘크리트슬래브와강재보가만나는경계면에서수증기와함께다량의물이발생하였다. 그림 7. 8는실첸체가력전후의형상이다. 그림 6는표준시간가열온도와노내부에부착된열전대를통해측정한온도곡선이다. 가열로내부의온도는한국산업규격 KS F 2257에서규정한가열온도곡선의백분율편차내에있음을확인할수있다. 내화성능실험결과는표 6과같다. 표에는성능평가기준인하중지지력과온도에대해정리하였다. 하중지지력은변형과변형률로구분하였고부재에서측정된온도는평균온도와최고온도로나누어측정시간과그때의측정값을정리하였다 TB-S-N는무피복실험체이며가력하중은부재내력의 130% 이다. 실험결과하중지지력은 28분, 실험체의측정온도는 16분으로나타났으나, 내화피복을실시하지않은경우내화성능은하중지지력으로만평가되므로 27분이되었다. TB - S-15는소형실험체이며내화피복재를 1시간에해당하는 15(mm) 뿜칠하였고, 가력하중은부재내력의 70% 로 표 6 실험체의내화성능하중지지력옹도 (OCl 내화성능실험체명변형률변형 (mm ) ( 분 ) 평균온도최고온도 (mm/min) TB-S- N TB -S-15 TB-M- 15 TB-M-25 225.9/ 775/ 543/ 666/ 28 분 28 분 16 분 17 분 97.0/ 484*1/ 537/ 1 20+60 분 120+57 분 12 0+60 분 211. 9/ 53.9/ 425*2/ 659/ 67 분 67 분 66 분 52 분 215.6/ 32.8/ 689/ 906/ 78 분 77 분 71 분 7 1 분 27 120+6(1 51 70 1. 4번열전대측정후 157분에서탈락. 2. 1 번열전대초기 탈락 116 한국강구조학회논문집제 18 권 1 호 ( 통권 80 호 ) 2006 년 2 월
TSC 합성보의내화성능에관한연구 7 간 '. :.51;,; 빼히빼배 e CIIW I..,~ ι j.. ;... 1.... @ 바!- lilcuo1 løiiiiløi1i\re CIIW I j... --t --_... ~... :... 1...!...... i... t 2Q) H-...!....!,-----_ - o Ti 흉 ( 삐 w ro ~ ~ ~ ~ sl 10 그림 6. 표준시 ζμ 가얼온도와실제온도곡선 내력의 70% 로저감하였다. 실험종료시까지일부내화피복재가부착된상태에서실험이진행되었으며, 내화성능도초기예상치를훨씬초과하여계획한 2시간가력후 1시간추가하였다. 각실험체의파괴양상을정리하면, 내화성능은내화피복재로내화시간을확보하는경우내화피복재의탈락에의한내력저하와작용하중에의한영향이큰것으로판단된다 3.3 중성화측정실험종료후콘크리트슬래브에대해중성화검사를하였다. 콘크리트는 sx)~æ:joc의온도가되면식 (1) 에의한화학반응이발생한다 g 않 d 삐 O 100 그림 7. 가력전협상 31 쩌 <<l <<l 100 131 111> II1l 때 그림 9. 각싫험채의처집량 그림 8 가력후실험체형상 실험체에부착된내화피복재는지속되는재하로보부재로사용된강재의변형량과피복재의변형량이상이하여탈락하였고. 내화피복재의탈락은강재가노출되는결과가되었다. 이때노출된강재는표면온도가급상승때강재의내력이저하하여실험이종료되었다그림 9는각실험체의처짐량그래프이다. 3시간내화성능을보인실험체 ( TB-S-15 ) 를제외하고일정시간이후급격한변형량증가로실험이종료되었음을보이고있다. 그림 10는이러한문제점을확인하기위해 30X30X 3(mm) 앵글을실험체 3개소에등간격으로설치하여슬래브에서철선으로고정시킨후실험하였고, 가력하중도부재 그림 10. 가력후내화피복탈락방지용앵글설치형상이러한화학반응은콘크리트중에분산된수산화칼습 (Ca (OH) 2) 이주성분인생석회 ( 산화짤숨. CaO ) 와물 (H 20) 로분해되는과정이다 ( 일본건축학회. 1999). 설험중발생한다량의물은화학반응과정에서발생한것이다. Ca(OH)2 CaO + H20 (1) 중성화검시는파쇄면에페놀프탈레인 ( 농도 1 %) 과에틸알 한국강구조학회논문집제 18 권 1 호 ( 통권 80 호 ) 2006 년 2 월 117
? -카? 김성배 초 승관 이창남 김상섭 콜을혼합한액을분무하여알칼리성의정도를파믿 L 하며, 때알칼리성은적색, 중성은무색으로나타난다. 측정개소는 슬래브단부에구멍을일부천공하여확인한것이그림 12 의 (a) 이고 (b) 는일부파쇄된측면에대해측정하였다. 측정결 과중성화는나타나지않았다 3.4 실험체의온도특성 각섣혐체는그럼 3 와표 3 에정리한바와같이열전대를 부착하여실험중온도변화를측정하였다. 열전대는와이어형 K-type 으로데이터로그를이용하여온도변화를측정하였다. 그림 11 은 TB-M-25 실험체표면과실험제외부로부터 1/4 지점 ( 약 60mm) 떨어진곳에설치한열전대의온도변화 그래프이다. 외부에부착한 1 ~ 4 번열전대는거의동일한온 도변화를보이고있으며. 70 분전후를기점으로급격한온도 상승을보여주고있다. 1400 1<00 000 8JO 8JO 400 <00 o o 뼈 = ) : 겐 ~ % -버 벼 번 번 번낸번 낸버 벼μ- -- ι-팎llc젠뺑뼈웹짧뺀뺑흘흐차필/-~ --씨- ;그림 11. 시 ll- 온도그래프 (TB- M-25 실험체 ) 11 j1;ι., - --,, : +; 1111 1?., :: : i @11 1 1 1,,十-- 뼈/ 1 i % 빼% - - 100 이 <00 1 TempQ-c) 18J ~...1η 100 - -----1-------'[------",. '.---r- ----'---, -- ---- 기 1싸 -.Ll휴 닫-잭피L팍 l ; 1.- ν υ 120 ι....... - 1-22번열견대 - -, 24번열전따,. 100 1-18번열현대... 20번열정대 t..--- -- -.-.. :... ~ 8J I - ~ 뻔열견대. -. 16번열전대 ~..... L... Li, 1-26번열견대 28 번열전대! -...,...... : ; -하 ι- 1-10 번얼견대 12 번열견대... :...!.'i ---- ~ l-30 번멸천대 --32 번열전대샤 i, 때 ~ - : ; - ; 꾀 ; 싫꽉꽉? 섣칩 F1. t----' 20 o o nmè(rni1) 20 II 때 W 00 10 8J 9J 그림 13 우 치별온도변화그래표 (TB-M-25 실험체 ) ι % òl 여기서,.. 10 GpJJ &d 그림 14. 온도특성에의한강재의응력변형도곡선 1.2 ~ 0.8 - = 0. 6 ; u 융 0.4 α 0.2 I!I θ 11'. t p.o E.II θ E, θ é /l.() : 항복강도 비례한도 Slrain : 항복강도시변형율 적 j - 항복변형율 ( 변형율 2%) 직 o : 항복강도시최대변형율 ( 변형율 15%) : 최대변형율 ( 변형율 20%) 100 (a) 슬래 E 단부의중성화검사 (b) 보측면의중성화검사 그림 12 실험종료후중성화측정 100 2 때 300 400 500 600 Temperature 7( 애 8 때 900 이러한현상은외부에부착된내화피복재의탈락에의한급격한온도상승의영향이다, 또한내부에설치한 5~8번열전 대의경우 100 0 C 이하의낮은온도분포를보이고있어내부 콘크리트의경우온도상승이거의없음을확인할수있다. 그림 15 온도별강재의잔류강도및강성그림 13은 TB-M-25 실험체의내부중앙에길이방향으후설치한열전대의온도분포이다. 각열절대의번호와설치위치는그림 3의 (c) 와같다. 측정결과는내화성능시간인 70윤- 118 한국강구조학회 논문집제 18 권 1 호 ( 통권 80 호 )2α% 년 2 월
TSC 합성보의내화성능에관한연구 까지거의모든열전대가위치에관계없이 50 0 C 이하의낮은온도분포를보이고있다또한 70분의내화성능을경과하면서실험체하부에위치한열전대에서온묘카일부상승하고있으나약 100 0 C 정도의온도상승을보인후실험이종료되었다. 그러므로내화뿜칠을하는경우내부의콘크리트온도는크게상승하지않는것으로확인되었으며, 3.3절에서실시한콘크리트의중성화가확인되지않은것도보내부의옹도가낮아중성화가발생할수있는온도까지상승하지않았기때문이다 4 수치해석 4.1 고온재료특성본장에서는 T8C 보의내화성능평가를위해수학적및수치해석적인방법을통해내화거동을예측및분석하였다. 분석모델및조건은 KS F 2257 (1 999) 의 건축구조부재 의내화시험방법 및건설교통부고시저112000-93호에따라그림 3(a) 의소형 T8C보를 60분간 180 표준화재조건에의해 3면노출상태로온도분포거동을분석하였다. 강재와콘크리트의재료특성은 Eurocode로부터고려하였으며온도의변화는열전도 FE 해석과수학적인방법으로산정하였고, 이것을기본으로모델의내회정능을분석하였다. 고온에서건설용재료는화학적구성과원자의구조에따라서관련특성인강도, 강성, 비열, 전도율, 열팽창률등이온도와함께연동되어비선형적으로변화한다. 이는화재발생시구조물에복합적인거동을발생시키는한원인이된다. 본연구에서는열전도해석을위하여강재와콘크리트재료의고온특성을 Eurocode 3 & 4 Part 1. 2 (Eurocode 3, 1993와 Eurocode 4, 1994) 를기본으로설정하였다. 4. 1.1 강재고온에서강재의응력변형률곡선은그림 14과같다. 고온에서강재의응력-변형특성은선형적인초기변형을지나서, 타원방정식을사용히여항복응력에접근함으로수치해석연구를수행함에안정적인수렴조건을제공한다또한필요에따라변형도경화 (strain hardening) 영향을포함할수있으며, 한계변형률을 20% 까지허용한다. 강도 (2% 변형한계조건 ) 는약 300 0 C부터열의영향으로그값이감소하여 800 0 C가념으면잔류강도가상온의 10% 까지감소하며, 강성역시강도가변하는것과유사한방식으로감소한다. 그림 15는온도변화에의한강재의 0.5% 와 2.0% 변형한계조건의잔류강도및강성의변화그래프이다. 강재의비열및열전도율은온도변화와연동때변화하는 특성을갖고있다또한약 750 0 C 부터일정기간동안지속되 는재료의결정구조의상변위현상을고려하여비선형적으로 표현되는것으로발표되었고, 본논문에서는이러한강재의온 도특성은생략하였다밀도 (p" =7, 850kg/m 3 ) 는온도변화에 큰영향을받지않는것으로알려져있으므로상온값으로적 용했다 4.1.2 엘반콘크라트 콘크리트는재료의비균칠성및재령의영향등으로온도변 화에따른열역학적특성분석이다른건설재료에비해상대적 으로복잡하고, 실험방법에의한영향도커서정의에어려움 이있다. 이러한열역학적특성분석이어려운것은부피의주 류를이루는골재의영향력이지배적이기때문이다. 또한고온 조건에서강도와탄성비산정은골재 / 시멘트비율과골재의종 류및크기가중요한변수로인식이되어있다. Eurocode 4 Part 1.2 에정의되어있는일반콘크리트의고온에서압축 영역의응력 - 변형률곡선은다음식 (2) 도율은식 (3) 과같다. 표 7. 온도별큰크리트의잔류응력및변형율 및표 7 과같고, 열전 온도 (OC) f~ θ';f~2oc εc 1 θ /10<J 20 1.0 2.5 100 0.95 3.5 200 0.90 4.5 300 0.85 6.0 400 0.75 7.5 500 0.60 9.5 600 0.45 12.5 700 0 30 14.0 800 0.15 14.5 900 0.08 15.0 1000 0 04 15.0 Ic = Ic.8 ( 휴소 ) 옵 C c1.8 2 + ( 隱 )3 여기서 J, H 콘크리트의설계기준강도 (N/rnm 2 ) Eclθ 콘크리트설계기준강도의변형율 C, = 2-0.24 x ((),ν;1 20) + 0.012 X ((}j'í20)2 20 0 C< 8,. 츠 1,200 0 C Ç. = 900 + 80 X ((}fi20) - 4 X ((}fi20)2 (2) (3) 한국강구조학회논문집제 18 권 1 호 ( 통권 80 호 ) 2006 년 2 월 119
김성배 최승관 이창남 김상섭 20 0 C< B, 츠 1, 200 0 C (4) 여기서 C c 열전도율 (W/mK) C;:, 비열 (J/kgK) 고려하였을경우무피복상태에서고려된모텔은 10 여분정 도의표준화재조건에서구조적안전성이확보됨을확인할 수있다 나, 온도와함께비선형적증가를보이는비열은식 4 와같으 본연구에서는콘크리트중량대비 4% 함수량을고려하여 100~2000C 구간에서부분적인피크 (Cr' = 2750J/kgK,) 를 포함하였다. 밀도 (p, =2300kg/m 3 ) 는온도의변화와는독립 적으로고정된값을사용하였다 4.2 내화성능분석 TSC 합성보에서소성휩저항력은강재가인장응력을, 콘 크리트슬래브가압축응력을부담하도록되어있다. 이에각각 의응력블록에서화재조건의영호 t 을고려하면전체적인변화 에대한고찰이가능하다. 표준화재조건의가열로에서강재 의온도변화는많은연구결과를통해기본적인화재실험기 간동안부재의온도산정에대한결과가제시되어있다. 본연구에서는무피복및피복상태의 TSC 보온도변화 에대한열역학적분석을수행하였다. 또한 60 분간내화성능 기준을 KS F 2257 에서제시한강재의평균온도 538 0 C. 국부적인최대온도 649 0 C 를념지않는조건을만족시키도록 온도변화를고려한단면의소성모벤트관점에서단면력의변 화를고찰하였다 4.2.1 무피복조건 가열로에서무피복강재의온도산정은 Fourier Heat diffusion 공식을무치원으로적용하여식 5 와같다 (Eurocode 4. 1994). 식의가정은가열노내부고온가스에서강재구조물로열 전달의역학적조건은가스를통한대류와가열로벽면에의 한복사를고려하며, 강재의온도변화는두께에따라변화하 지않는조건은가정하고있다. 그리고단면형상에따른온 도변화의영향을고려하기위해단면계수 (A/v, section factod 를포함하여사용된강재의단면적과화재에노출된 비율을고려하여온도의발달정도를산정할수있게정의하 였다 TSC 보에서강재부는콘크리트와접촉조건을고려히여 3 면노출조건으로식 5 에적용하면온도변화는그림 16 과 같다. 이는표준화재조건에서약 12 분과 16 분이지나면, 강재의온도가 600 0 C 와 700 0 C 에도달하게된다. 이러한온 도특성은그림 15 를참조하면 2.0% 변형한계에서잔류강도 는약 47% 와 23% 정도가된다. 이는일반적인사용하중을 c+ α A Ll8 二 ---- - - - (6 A ) 4t (5) CaPa V \Vf 여기서, α 대류열전달계수 G, φ 복사열전달계수 [ φl5 67rIO ε )ι = <1> 1 ~, V,,^'v v", It(θ, +273)"-(θ +273)' ) B, -B 형상함수. 종결방사율 C;:, 강재의비열 (J새 gk) μ : 강재의밀도 (kg/m 3 ) A 단위길이당강재의노출면적 (m 2 /m) v 단위길이당강재의체적 (m 3 /m) B, 시간 (.ð t) 변화에의한평균가스온도 (OC) κ.ðt. 종료시강재온도 (OC) 시간차 (s) 표준화재조건에서일반콘크리트를사용시 TSC 보의압 축블록을포함한콘크리트의온도변화를고찰하였다. 열전도 해석은 TSC 보대칭단면의절반을 FE 소프트워애인 FPRCBC-T 를시용히여수행히였다 (Huang, 림 Z., 1996). 그 17 은표준화재조건에서일반콘크리트를사용한 TSC 보의시간별온도분포변화이다. 본해석에서는일반적으료 검증된열역학적인관련계수를사용하였으며 (Andrew H. Buchanan 2001), 4% 의수분함량조건에서수행되었다 고려된모델의소성중립축의위치가슬라브의윗부분으로부더 30cm 이내에존재함을고려하였을때, 60 분간의표준화새 조건에서온도의변화는 200 0 C 이내이다. 이는삭 2 와표 7 을참고하변화재내구기간내소성중립축의윗부분에서강 도의저감은무시할수있음을인식할수있다. 무피복상태에서 TSC 보의온도변화를고찰하면압축 응력블록의강도감소는미미하다. 그러나인장응력부분익 감소는 10 분정도가경과하면급격히진행되어화재상태의샤 용하중에대한 60 분간의내구성을확보하는것에는어려움이 있으며, 인장응력블럭보강을위한피복이필요힘이확인파 었다이러한해석결과는식 5 가보수적인관점에서정의펀 결과이며, 그밖의복합구조의경우도거의유사한결과를갖 는것으로확인되고있다또한한국산업규격 KS F 2257 에 의하면하중지지력은내화피복을실시한경우측정온도에 의해구조적붕괴로판정할수있으나, 무피복은평균온도파 최대온도가아니고히중지지력으로판정된다. 이러한판정 기준에대한영향과보수적인관점에서정의된식등으로해 / 녁 치가실험결과및설구조불과약간의차이가있을수있다. 120 한국강구조학회논문집제 18 권 1 호 ( 통권 80 호 ) 2006 년 2 월
보 a 빼% 또고 % 서 챈따보TSC 합성보의내호 } 성능에관한연구 1000 용 8 때 g.. -. " 600 3 훌 m E " 200 ~ -........ 서 4.2.2 피복조건 피복된강재의온도변화고찰은피복물질의열전도특성을 고려히여부재에옹도전도를산정하는방법이일반적으로사 용되고있다. 함하면식 6 과같다. 이는식 5 를기본으로피복물질의열특성을포 t1 o" = ~ 씌!... A... 上 -;;-. (0, -0,,) t1t - [(e' 끼 0-1 )e,l C"p" V 1 +';/.3 \V, 口} (h i애0 ] 펴여기서, λ : 단열재의열전도율 (W/mK) d j 단열재두께 (m) : M.;= c;d; p,aj - C 씨 "V (6) Cj 단열재의비열 (J/kgK) A 강재의단위길이당단열재면적 (m 2 /m) μ : 단열재의빌도 (kg/m 3 ) t1o, 시간 (t1t) 변화에의한온도상승 o 50 100 150 200 250 100 l6o..ao (a) 15분경과 (b) 30분경과 (c) 45분경과 (d) 60분경과 그림 17. TSC 보의시 ζ 때 따른온도분포변화 수치해석에시용된단열재는무기섬유뿜칠용재료 ( 단위질량 : 300kg/m2, 전도율 : 0.12W/rnK, 비열 : 1200/kgK) 이며두께 10mm 와 15mm, 20mm 를 TSC 보의강재에적 용하였을경우, 표준화재조건에서강재의온도변화는식 6 을이용하여산정하였다 그림 12 는표준화재조건에서내화피복재를시용한경우의 TSC 보의강재부분온도변화이다. 피복두께가 15mm 와 20mm 경우부재의온도가각 600 0 C 와 500 0 C 까지 60 분간 의화재에서증가히는것을고려하면, KS F 2257 에서제시 한조건을만족시키기위하여약 17.5mm 정도의내화피복재 가필요함을확인할수있다. 이러한결과는요구된온도에서 강의약 60% 잔류응력을고려하면사용협에대해적절한 대응능력이주어진다고판단된다. 5. 결론 000 훌 $t jr 각 :: : : 훌 200 0 0 30 45 80 5 Time [min] 그림 18 피복재사용시 TSC 보의강재온도변화 본연구에서는복합구조인합성보의내화성능을실험과수치해석을통해평가하였다. 한정된실험체수로충분하게성능을평가할수없으나합성구조의내화성능에대한기초자료로제시하였다본연구를통해얻은결론은다음과같다. (1) 합성보의내회정능은작용히는부재내력크기와내화피복재의부착여부가가장큰영향을마치는것으로판단된다. 그러므로철골및합성부재에사용하는내화피복재는구조부재가상시하중을받고있으므로변형을흡수할수있는재료특성의확보와이를기초한시험방 한국강구조학회논문집제 18 권 1 호 ( 통권 80 호 ) 2006 년 2 월 121
김성배 최승관 이장남 김상섭 법의검토가필요하다 (2) TSC 합성보의내화성능은 60분간의표준화재조건에서열전도해석을기본으로분석한결과무피복조건에서는강재 ( 인장블록 ) 온도의급격한증가로인해적절한피복이요구되며, 콘크리트슬래브의압축블록은온도의영향이거의없음이확인되었다. 또한피복재의열특성을고려한내화시간산정은프로그램을이용한해석으로합성보부재의온도변화를검증할수있다 (3) 외부에내화피복을하는경우내부콘크리트는내화시간까지실험체전체에걸쳐온도변화가거의없는것으로나타났다본연구에서는 TSC 합성보의실험과해석으로복합구조의내화성능을검증하였다실험결과내화성능은내화피복재의부착과재하력이큰영호탤미치며해석으로내화성능의평가가능성을확인하였다그러나실험실여건으로실험체규모가제한되어부재크기에의한축열의영향등을평가하기어렵고내화실험시재하력의영호탤통한내회성능평가등이검토되야할것으로판단된다 10호, pp, 45~52 천성철, 주영규, 정광량, 김상대 (2002) 비대칭유공합성보 itech beam의휩성능평가, 대한건축학회논문집, 18 권 4호 pp, 67~74 문재대, 곽명근, 허병욱, 배규웅, 문태섭 (2003) 층고절감형합성보의휩성능에관한실험적연구학술발표회논문강, 한국강구조학회, pp, 485~492 이지운, 김도훈, 김성배, 이창남, 김상섭, 김규석 (2004) TEC 합성보의제작방법에따른구조적거동에관한실험적연구대한건축학회학술발표논문집, 24권 1 호, pp, 59~ 62 IS0 834-1 (1999), Fire Resistance Tests - Elements of Building Construction and Materials. Andrew H. Buchanan(2001) "Structural Design for Fi:'e Safety", John Wiley & Son, LTD European Committee for Standardization, ENV 199:l 1 2: Eurocode 3(1 993): Design of Steel Structures. Part 1. 2: Gene1'al Rules: Structural Design for Fi1'e, B1'ussels, BE European Committee fo1' Standa1'dization, ENV 1994-: 2: Eurocode 4 (1 994): Design of Composite Stel~l 참고문헌 KS F 2257 (1 999), 건축구조부재의내화시험방법 한국 산업규격. 건설교통부고시 (2000) 제 2000-93호 민병렬 (200 1) 국내내화법규및제도 대한건축학회국제세미 나, 내화기술발전방향 김옥종, 문정호, 이리형 (2001) 단부 RC조와중앙부철골조로 이루어진 RS 보의 전단내력에관한연구, 대한건축학회 논문집, 17권 6 호, pp, 27~34 권인규, 지남용, 이세현 (2002) 철골기둥및보부재의허용온 도에관한실험적연구 대한건축학회논문집구조계, 18권 l and Concrete Structures. Pa1't 1. 2: Gener:::ìl Rule~;: Structural Fire Design, Brussels, BE, 1994. Huang, Z., Platten, A and Robe1'ts, J. (1996) NOfl linea1' finite element model to p1'edict tempe1'atm e histo1'ies within 1'einforced concrete in fi 1'es Building and Envi 1'onment, 31(2)", pp. 109-118 A1SC(2003), "Steel Design Guide 19, Fire Resistance of Structural Steel F1'aming 日本建葉學會 (1 999), 鋼藏師 r 火設해닮f 日本建第學會 (2004), 建 tbß(7) 火짜5짧 ir 及 ln뼈찢 補彈方 l 去 ( 접수일자 2005.10.15/ 심사일 2005. 11. 1 / 심사완료일 2005. 12. 12) 122 한국강구조학회논문집저 118 권 1 호 ( 통권 80 호 ) 2006 년 2 월