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

When high-strength concrete is exposed to high temperatures in a fire, concrete spalling occurs. In addition, the rapid deterioration in load carrying capacity results in brittle fracture. Therefore, securing fire resistance performance requires controlling concrete spalling.
The purpose of this study is to suggest how to restrain concrete spalling and improve support in order for high-strength ferroconcrete columns to have required fire resistance performance and to verify the suggested method through test. The focus in this study is given to controlling spalling by using hybrid fibers and improving load carrying capacity by using wire ropes.
The causes of spalling leading to cross-sectional defection and the interrelation between the spalling-causing factors are defined through a preliminary study. Then, the method to control spalling is suggested and full-scale test and numerical analysis are carried out to verify its reliability. Along with spalling control, the method to improve the load carrying capacity of the column is suggested in order to secure fire resistance requirement of 180 minutes. The suggested method is reinforcing the column with wire ropes so that the improved lateral confinement of the concrete can compensate for the deterioration in the stiffness of steel bars caused by concrete spalling.
Chapter 1 describes the background and scope of this study and Chapter 2 covers the researches and technologies made on the high-strength concrete columns in a fire. Chapter 3 and 4 deal with the test to find the appropriate load design condition and that to find the method to control the spalling of high-strength concrete columns, respectively. Chapter 5 summarizes the conclusion obtained from the test and analysis. The findings of this study are as follows.

1) Appropriate loading condition (20~40% of nominal section strength) generates micro channels inside concrete to lower pore pressure and thus restrain spalling.

2) When hybrid fibers (PP fibers & steel fibers) are mixed in the concrete, the deformation of the ferroconcrete columns is lowered by 25~55% when compared with those without the fibers. Because the melting point of polypropylene fibers is low, micro channels are generated when the columns are exposed to high temperatures through which thermal current and water vapor are released. In addition, the steel fibers prevent cross-sectional defection because they control cracking and compensate for rupture stress caused by explosive spalling.

3) While larger section size improves fire resistance performance because larger volume is effective in restraining temperature rise, it results in the increase in spalling depth. Although the fire resistance performance of high-strength concrete column having larger section size is improved thanks to the increase in heat capacity, higher moisture content accelerates concrete spalling.
4) The optimum mixing ratio for the fiber cocktail to improve the fire resistance performance of 100MPa high-strength concrete column under unloaded condition is 1.5㎏/㎥(0.02%) polypropylene plus 40㎏/㎥(0.5%) steel fiber. If the section size is larger than 600mm x 600mm, fire resistance performance for more than 3 hours can be secured.

5) Reinforcement with fiber cocktail and wire ropes is suggested to secure the fire resistance of the high-strength ferroconcrete column under loaded heating condition (load ratio 0.7 based on KBC’s column design strength). Hybrid cocktail [pp: 1.5kg/㎥(0.02%), Steel fiber: 40kg/㎥(0.5%)] and wire ropes (Diameter: 6mm, Distance: 43mm, Lateral support index: 0.014) should be used simultaneously in order for the 100MPa high-strength ferroconcrete column (Section size: larger than 500mm x 500mm) to resist fire for more than 180 minutes without additional fireproofing outside the column since the former mixed in the concrete restrains spalling and the latter placed spirally around the column improves the lateral confinement of main bars when spalling occurs.

□ Key Word: High strength concrete, Spalling, Wire rope, Fire resistance, FIRE