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학위논문
저자정보

김형준 (서울시립대학교, 서울시립대학교 일반대학원)

지도교수
권기혁
발행연도
2014
저작권
서울시립대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

초록· 키워드

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고강도 콘크리트는 재료적 특성상 고온 화재시 콘크리트 폭렬이 발생하게 되며, 급격한 하중지지력 저하로 인한 취성파괴가 발생하게 되므로 이를 대비할 수 있는 폭렬제어방안의 필요성이 증대되고 있다.
본 논문의 목적은 고강도 철근콘크리트기둥의 내화성능 확보를 위한 폭렬제어 및 폭렬발생 보강 방안을 제안하고, 이를 실증실험을 통해 검증하는데 있다. 이러한 철근 콘크리트 기둥의 내화성능을 확보하기 위해 본 연구에서는 크게 콘크리트의 폭렬방지방안과 철근배근방법을 개선한 기둥의 하중지지력 향상을 통한 폭렬발생시 보강방안에 대해서 연구를 수행하였다.
이를 위해서는 우선 고강도 철근콘크리트 기둥의 단면결손을 유발시키는 폭렬 현상에 대한 원인을 규명하고, 폭렬 유발 인자의 상관성을 도출하여야 한다. 이러한 선행연구를 기반으로 폭렬을 제어할 수 있는 방안을 확보하여 실질적인 효용성을 실물실험 및 수치해석을 통해 규명하였다. 또한 폭렬제어방안과 병행하여 고강도 철근 콘크리트 기둥의 하중지지력 향상을 위해 와이어로프 나선형 배근을 통한 횡구속력을 향상시킴으로써 폭렬로 인한 철근의 강성저하를 보완할 수 있는 방안을 제시함으로써 건축물에 사용할 수 있는 기둥의 최대내화성능(180분) 확보하고자 한다.
본 논문의 1장에서는 연구의 배경 및 범위를 기술하였으며, 2장에서는 고온화재조건에서의 콘크리트의 연구동향 및 기술현황을 분석하였다. 3장에서는 콘크리트의 폭렬에 대한 실증실험을 통해 적정한 하중설계조건을 도출하였으며, 4장에서는 고강도 콘크리트 기둥의 폭렬제어를 위한 방안에 대한 실험을 수행하였다. 5장에서는 본 논문에서 수행한 실험결과 및 분석을 통한 종합적인 결론을 기술하였다. 본 연구의 결과를 종합 정리하면 다음과 같다.

1) 일정 하중을 재하(단면공칭강도 기준: 20 %∼40 %)할 경우, 고강도 콘크리트 내부에 미세한 균열을 발생시켜서 공극압력을 저하시키므로 폭렬을 감소시킬 수 있다.

2) 철근 콘크리트 기둥에 폭렬저감을 위해 하이브리드 섬유(PP섬유 & 강섬유)를 혼입할 경우, 무 혼입콘크리트에 비해 표준화재조건에서 약 25∼55 %정도의 기둥 변형량이 제어되어 내화성능 확보가 가능하다. 이는 PP섬유의 녹는점이 낮은 특성으로 인해 고온가열시 열기류 및 수증기가 빠져나갈 수 있는 미세균열을 발생시키기 때문이며, 이와 동시에 강섬유의 적정한 혼입은 미세균열을 제어함과 동시에 폭발성 폭렬로 인한 파단응력을 상쇄하여 단면결손을 미연에 방지하는 효과에 기인한 것으로 판단된다.

3) 철근콘크리트 기둥의 단면크기가 커질수록 콘크리트의 체적이 증가하여 기둥부재의 온도상승이 제어되기 때문에 내화성능이 향상된다. 반면 단면크기가 커질수록 폭렬의 깊이는 증가한다. 이는 고강도 콘크리트의 경우 단면크기 상승에 따른 열용량이 커짐에 따라 내화성능은 향상되나, 반면에 수분함유량이 높기 때문에 폭렬이 더 많이 발생하기 때문이다.

4) 비재하 조건에서 철근의 온도변화에 따른 내화성능을 평가한 결과, 100MPa 급 고강도 콘크리트 기둥에서 PP섬유 1.5㎏/㎥(0.02%)와 강섬유 40㎏/㎥(0.5%)를 배합한 Fiber Cocktail이 최적배합비로 나타났으며, 600 mm×600 mm 단면보다 클 경우 3시간 이상의 내화성능을 확보할 수 있는 것으로 판단된다.

5) 고온 재하조건(kbc 기둥 축하중 설계강도기준: 70%)에서 고강도 철근콘크리트 기둥의 내화성능을 확보하기 위한 방안으로 폭렬저감을 위한 하이브리드 섬유와 와이어로프 나선형 배근방안을 병행하여야 한다. 100MPa급 이상의 고강도 철근콘크리트 기둥(단면크기: 500 mm×500 mm이상) 외부에 별도의 내화처리 없이 180분이상의 내화성능 확보를 위해서는, 폭렬을 저감시킬 수 있는 하이브리드 섬유혼입공법[pp: 1.5kg/㎥(0.02%), 강섬유: 40kg/㎥(0.5%)]과 폭렬 발생시 주철근의 횡구속력 보강을 위한 와이어로프 나선형 배근방안(직경: 6mm, 간격: 43mm, 횡구속 지수: 0.014)을 동시에 적용하여야 한다.

□ 키워드: 고강도 콘크리트, 폭렬, 와이어로프, 내화성능 화재

목차

국문초록
제1장 서론 1
제 1절 연구 배경 및 목적 1
제 2절 연구 범위 및 방법 4
1. 콘크리트 재료의 폭렬영향분석 5
2. 고강도 콘크리트 폭렬제어방안 10
제2장 국내·외 내화관련 연구동향 15
제 1절 콘크리트 폭렬현상 연구동향 15
1. 폭렬발생 이론고찰 15
2. 폭렬발생 원인에 따른 열적특성 분석 20
3. 고온영역 콘크리트의 재료·화학적 변화 29
4. 콘크리트 폭렬제어방법 31
5. 콘크리트 폭렬발생 원인별 영향성 분석 32
제 2절 콘크리트 폭렬발생 메카니즘 이론분석 34
1. 폭렬발생예측 프로세스 분석 34
2. 폭렬발생관련 이론식 분석 36
제 3절 구조물 화재분야 수치해석관련 연구동향 40
1. 국외 주요 화재수치해석 연구동향 40
2. 화재관련 수치해석 프로그램 특성분석 42
제3장 콘크리트 재료의 폭렬영향 분석 47
제 1절 화재강도에 따른 폭렬실험 48
1. 실험계획 48
2. 실험장비 신뢰성 검증 54
3. 실험결과 57
제 2절 압축강도 및 하중재하에 따른 폭렬실험 62
1. 실험계획 62
2. 실험결과 67
제 3절 하중비에 따른 폭렬실험 69
1. 실험계획 69
2. 실험결과 72
제 4절 분석 및 고찰 74
1. 화재강도에 따른 영향성 분석 74
2. 압축강도 및 하중재하에 따른 영향성 분석 78
3. 하중비에 따른 영향성 분석 81
제 5절 소결 85
제4장 고강도 콘크리트 기둥의 폭렬제어방안 제시 88
제 1절 압축강도에 따른 내화실험 및 화재해석 88
1. 실험계획 89
2. 실험결과 94
3. 화재해석 결과 98
제 2절 단면크기 및 섬유혼입비에 따른 내화실험 107
1. 실험계획 107
2. 실험결과[단면크기 & 섬유혼입비율] 109
제 3절 와이어로프 배근 및 섬유혼입에 따른 내화실험 116
1. 실험계획 117
3. 실험결과 120
제 4절 분석 및 고찰 128
1. 압축강도에 따른 폭렬영향성 분석 128
2. 단면크기 및 섬유혼입비에 따른 영향성 분석 130
3. 와이어로프 배근 및 섬유혼입에 따른 영향성 분석 131
제 5절 소결 134
제5장 결론 137
참고문헌 140
부록 146
부록 A. 고강도 콘크리트 기둥 화재수치해석결과 146
부록 B. 고강도 콘크리트 기둥 내화공법 실험데이타 176
ABSTRACT 182

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