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ISSN : 1598-4095(Print)
ISSN : 2287-7401(Online)
Journal of The korean Association For Spatial Structures Vol.16 No.4 pp.133-140
DOI : https://doi.org/10.9712/KASS.2016.16.4.133

Fire Performance Analysis of SLIM AU Composite Beam

*Dept. of Architectural Engineering, Mokpo National University
**Dept. of Architectural Engineering, Mokpo National University
***Samcheok Real-scale Fire Testing & Research Center, Korea Conformity Laboratories
033-802-8304033-802-8309jkm927@kcl.re.kr
December 2, 2016 December 12, 2016 December 14, 2016

Abstract

SLIM AU(A plus U-shaped) composite beam had been developed for not only reducing the story height in residential and commercial building, but also saving the cost of floor construction. The structural performance and economic feasibility was sufficiently approved by means of structural experiments and analytical studies. Even though fire resistance of the SLIM AU composite beam was evaluated throughout furnace fire test, the fire performance of the composite beam using finite element analysis is not analysed yet. Therefore the predictions of fire resistance simulations with loading as well as temperature distribution of the composite beam are summarized in this paper.


슬림 AU 합성보의 내화해석

김 명 한* , 오 명 호** , 민 정 기***
*정회원, 국립목포대학교 건축공학과 부교수
**정회원, 국립목포대학교 건축공학과 부교수
***교신저자, 정회원, 한국건설생활환경시험연구원 삼척 실화재시험연구센터 선임연구원

초록


    Ministry of Land, Infrastructure and Transport
    16AUDP-B100343-02

    1.서론

    도시 인구 집중화로 인한 고층 건물에 대한 관심 은 증가하고 있으며, 그에 따라 경제성을 향상시키 기 위한 공법들이 경쟁적으로 개발되고 있다. CFT, 합성보, 슬림플로어 등의 합성 구조부재들이 계속적 으로 연구되었으며, 이 중 건물의 부지활용을 극대 화하기 위해 다양한 층고 절감형 합성보들이 2000 년대에 들어 개발되었다. 하부와 측판을 용접, 성형 제작한 U형 강판을 사용하여 휨 강성을 향상시킨 TSC(The Sen steel Concrete Beam) 합성보1)는 2000년대 초중반에 개발되어 최근 CRC(Centrifugal Reinforced Concrete Column)2), PSRC(Prefabricated Steel Reinforced Concrete)3) 기둥과의 접합부 연구 가 진행 중이다. 강재 H형강 보를 허니컴보 절단법 으로 제작한 후 하부플랜지를 제외한 강재 단면을 콘크리트로 매립한 iTECH(Innovative, Technical, Economical & Convenient Hybrid) 합성보4)는 2000년대 중반에 개발되었으며, 측판과 하부 강판을 고력볼트로 접합한 후 콘크리트를 충진한 HyFo Beam5), 바닥판을 강재보 춤내에 시공한 반슬림플로 어6)가 개발되었다.

    <Fig. 1>과 같이 Deep deck plate, 콘크리트와 강 재 사이의 합성 연결재 역할을 하는 A형 강재 캡, 휨 인장에 저항하는 U형 강판으로 이루어진 슬림 AU 합성보7),8)가 개발되었다. 슬림 AU 합성보의 A 형 강재 캡은 휨압축에 저항할 뿐 아니라, 시공 과 정에서 거치대 역할을 하여 다른 합성보와 다르게 골조 공사 시, 시공성 향상에 기여한다. 현재 슬림 AU 합성보는 구조 실험과 해석에 의해 구조성능에 대한 규명이 진행되고 있는 상태이다.

    이외에도 많은 합성보들이 개발되었으며, 현재 실 무 적용을 위한 내화성능에 대한 규명이 활발히 진 행되고 있다. 새로이 개발된 합성보의 경우, 구조물 에 적용되기 위해서는 현행 기준에 따른 내화구조 인증이 필요하기 때문에, 한국산업표준 KS(Korean Standards)9),10)에 의한 내화시험 방법에 의거한 내 화성능을 평가해야한다. 위에서 언급한 TSC 합성 보, iTECH 합성보, HyFo Beam, 반슬림플로어는 모 두 내화성능에 대한 연구가 진행되었으며, 내화시험 은 시간과 비용에 대한 한계로 해석에 의한 예측도 많이 진행되고 있는 추세이다. 슬림 AU 합성보도 실무에 사용되기 위해선 다른 합성보들과 마찬가지 로 내화성능에 대한 예측이 필요하여 그에 대한 내 화시험이 수행되었다. 그러나 내화시험은 한 번 수 행에 많이 비용이 수반되고 피복두께와 형상이 달 라질 때마다 내화시험을 수행해야 하는 단점이 있 다. 따라서 본 논문에서는 슬림 AU 합성보에 대한 내화성능을 내화해석 프로그램을 이용해 수행하여, 내화시험결과와 비교하였다.

    2.내화시험

    본 연구에서는 기수행된 슬림 AU 합성보에 대한 내화시험 결과를 기초로 해석 모델을 개발하였으며, 이 절에서는 해석 모델의 검증을 위해 사용된 내화 시험에 대해 설명한다.

    <Fig. 2>는 내화시험에 사용된 단면과 세부사항 을 나타낸다. 내화시험에 사용된 강판 및 콘크리트 의 강도시험 결과, 강판(SS400)의 항복강도는 312MPa로 나타났으며, 콘크리트는 26.7MPa로 설 정된 설계압축강도 24MPa을 약간 상회하였다.

    내화시험은 동일한 단면(AU-450×300)에 대하여 피복두께의 차이와 재하, 비재하를 구분하여 2개의 시험체에 대하여 내화시험을 수행하였으며, 전체적 인 개요는 다음 <Table 1>과 같다.

    내화시험체 강재부분의 온도측정을 위한 내부 열 전대 설치 위치(A, B, C, D)는 다음 <Fig. 3>과 같 다.

    내화시험에서 적용된 경계조건 및 하중 배치는 <Fig. 4>와 같으며, 재하하중의 크기(4지점 집중하 중의 합)는 430kN로 각 지점에서 107.5kN로 가력 되었다.

    3.열전달 해석

    3.1.열전달 해석의 개요

    유한요소해석 프로그램인 SAFIR11)를 이용하여 열전달 해석을 수행하였다. 열전달은 열의 이동으로 전도, 대류, 복사의 형태로 전달되고, 물체 내부의 온도는 위치와 시간에 따라서 변하게 되므로 온도 분포를 위치와 시간에 따른 함수로 해석을 수행한 다.

    슬림 AU 충전합성보는 부재 전 구간에 동일한 크기의 화재가 작용한다고 가정하여 2차원 해석으 로 단순화하였고, 열전달 해석의 열 방정식은 식 (1) 과 같다.

    k 2 T ( x , y , t ) + Q ( x , y , t ) = ρ c p T ( x , y , t ) t
    (1)

    여기서 k, T , Q , ρ, cpt는 각각 열전도율, 온 도, 내부 발생열, 밀도, 비열 및 시간이다.

    3.2.재료의 열적 특성

    슬림 AU 충전합성보의 열전달 해석에 사용된 재 료의 열적 특성을 나타내는 비열과 열전도율은 온 도에 따른 함수로써 비선형 해석을 위해 사용된다. 본 연구에서 강재와 콘크리트의 열적 특성은 Eurocode 3 & 4 Part 1.212),13)를 기본으로 설정하였 다. 여기서 각 함수의 θ는 강재와 콘크리트의 온도 이다.

    강재의 열전도율(λa , W/mK)은 열전달 해석에서 열적 특성을 나타내는 값으로 재료의 열전달 능력 을 나타내는 척도이다. 강재의 열전도율은 콘크리트 보다 크기 때문에 동일한 화재에서 열전도율이 높 은 강재가 먼저 내력을 잃게 된다.(2a)(2b)

    λ a = 54 3.33 × 10 2 θ   for  20 C      θ        800 C
    (2a)

    λ a = 27.3   for  800 C      θ        1200 C
    (2b)

    강재의 비열(ca , J/kgK)은 물질 1g의 온도를 1℃ 올리는데 필요한 열량을 말한다. 강재의 비열은 콘 크리트 비열보다 작고, 비열이 작은 강재의 온도 상 승률이 콘크리트보다 더 크다.(3a)(3b)

    c a = 425 + 7.73 × 10 1 θ 1.69 × 10 3 θ 2    + 2.22 × 10 6 θ   for  20 C      θ        600 C
    (3a)

    c a = 666 13302 / ( θ 738 )   for  600 C   <    θ        735 C
    (3b)

    c a = 545 + 17820 / ( θ 731 )   for  735 C   <    θ        900 C
    (3c)

    c a = 650   for  900 C   <    θ        1200 C
    (3d)

    콘크리트의 열적 특성은 혼합형태에 따른 콘크리 트의 종류와 콘크리트에 함유된 수분량에 따라 다 르다. 본 연구에서는 보통 콘크리트를 이용한다. 식 (4)는 열전도율(W/mK), 식 (5)는 비열(J/kgK)을 나 타낸다.

    λ c = 2 0.24 ( θ / 120 ) + 0.012 ( θ / 120 ) 2   for  20 C      θ        1200 C
    (4)

    C c = 900 + 80 ( θ / 120 ) 4 ( θ / 120 ) 2   for  20 C     θ        1200 C
    (5)

    고온에서 열전달 값은 화재에 노출된 면과 노출 되지 않은 면의 대류열전달계수는 각각 25 W/m2K 와 10 W/m2K를 적용하며, 복사 경계조건으로 강재 의 방사율(ε)은 0.7, 콘크리트의 방사율(ε)은 0.8, 스테판-볼츠만 상수(σ)는 5.67×10-8W/m2K4로 적용 한다. 슬림 AU 합성보의 열해석에 사용할 열특성 계수들은 아래 <Table 2>에 요약하였다.

    3.3.열전달 해석 모델링

    슬림 AU 합성보의 열전달 해석은 특수목적 유한 요소해석 프로그램인 SAFIR를 이용하여 KS F 2257-1 표준화재 곡선에 대해 수행하였다. 열전달 해석은 2차원 해석을 가정하여, 삼각형의 요소를 이 용해 메쉬를 생성하였으며, 합성보의 3면이 화재에 노출되어 있는 것으로 가정하였다. <Fig. 5>는 무피 복단면과 피복단면에 대한 유한요소해석 모델을 나 타낸다.

    3.4.무피복 단면의 열전달 해석 결과

    국내에서는 가열로 내에서 내화성능을 평가하기 위해 KS F 2257-1 화재곡선을 이용한다<Fig. 6>. 이 곡선은 ISO 834 표준화재곡선과 동일하며, 그에 대 한 식은 다음 식 (6)과 같다. 여기서 t는 시간(분)이 고, T0 는 초기 온도(℃)이다.

    T = 345 log 10 ( 8 t + 1 ) + T 0
    (6)

    <Fig. 7>은 무피복 상태에서 각각 60분, 120분, 180분에서 슬림 AU 합성보 단면의 온도분포를 나 타낸다. 무피복 단면의 경우, 시간 증가에 따라 화 재에 직접적으로 노출된 강재를 따라 온도가 상승 하며, 3시간 후에는 외부에 노출된 모든 강재 단면 이 1000℃ 이상 상승하는 것을 확인할 수 있었다. 반면에 콘크리트로 채워진 부분은 시간이 증가함에 따라 300℃ 미만의 온도를 나타내는 파란색 부분의 면적이 점차 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.

    4.내화성능 평가

    4.1.피복 재료의 특성

    앞서 살펴본 무피복 슬림 AU 합성보와 달리 피 복된 슬림 AU 합성보에 대한 수치해석적인 예측을 위해서는 고온에서 피복재료에 대한 정확한 물성이 필요하다. 그러나 국내에서 현재 사용되고 있는 내 화뿜칠 재료에 대한 고온특성은 알려져 있지 않으 므로, 내화 피복된 슬림 AU 합성보의 내화성능을 평가하기 위해서 해외에서 참고 가능한 내화뿜칠 재료 데이터를 참고하여 내화해석을 수행하였다. <Table 3>은 고온에서 내화뿜칠 재료의 특성값을 나타낸다.

    4.2.실험결과와 해석결과의 온도 비교

    슬림 AU 합성보의 내화시험 온도를 내화피복 데 이터를 바탕으로 수행한 열해석 결과와 함께 서로 다른 피복 두께에 대해서 <Fig. 8>에서 비교하였다.

    <Fig. 8>에서 내화시험 결과는 3개의 단면의 온 도 측정값에 대한 평균이며, 열해석 결과는 1개의 단면에 대해 <Fig. 3>과 같은 위치에서 측정한 결과 의 평균값이다.

    비교 결과, 3시간 후에 열해석 결과로 얻은 온도 결과는 내화시험보다 30~40℃ 정도의 차이를 나타 내어 비교적 잘 일치하는 것을 확인할 수 있었다.

    4.3.하중 가력

    재하 가열시험에서 가력방법은 <Fig. 4>에서 볼 수 있는 것처럼 유압 실린더를 이용하여 4지점 집 중하중을 적용하였으며, 재하지점은 시험체 스팬 (4,200mm)의 1/8, 3/8, 5/8 및 7/8에 위치하도록 하였다. 해석에 있어서 고정하중은 계산을 통해 등 분포로 작용하는 것으로 재하하였으며, 4지점의 집 중하중은 내화시험과 동일하게 가력하였다. 내화시 험과 마찬가지로 내화해석의 단부조건은 단순지지 로 모델링하였다.

    4.4.실험결과와 해석결과의 구조성능 비교

    앞서 수행된 열해석을 바탕으로 내화피복된 슬림 AU 합성보의 화재 노출 시 구조성능을 평가하였다. 화재에 노출된 합성보의 구조해석은 2가지 경우에 대해 수행되었다. 먼저 하중 가력 계획에 따른 재하 의 경우와 최근 정립된 KBC 2016 건축 구조 기준15) 에서 돌발하중에 대한 하중조합을 사용한 경우에 대해 구조해석이 수행되었다.

    <Table 4>는 각국의 화재에 대한 하중조합의 비 교를 나타낸 표로, KBC 2016의 경우 미국 기준에 따라 정립된 것을 확인할 수 있다. 미국을 제외한 다른 국가의 화재하중 조합은 고정하중에 대한 계 수를 고려하지 않고, 활하중에 대해서 화재 시에 가 연물의 연소로 인해 저감하는 것을 특징으로 하고 있다.

    <Fig. 9>는 내화시험 결과와 함께 실제 하중 가력 에 대한 수치해석, KBC 2016에 따른 하중조합 하중 을 고려했을 때 비교한 결과를 나타낸다. 비교결과 내화시험에서는 180분 후 최대처짐이 33.5mm를 나 타내었으나, 화재실험의 하중조합을 적용한 경우에 는 최대처짐이 34.3mm로 4.2절의 온도비교 결과 차 이가 크지 않아 합성보의 최대처짐도 잘 일치하는 것을 확인할 수 있었다.

    또한, KBC 2016의 하중조합을 적용한 수치해석 결과는 30.88mm로 화재시험 결과보다 적은 처짐을 나타냈으며, 현재 내화시험에서 설계 휨모멘트강도 (ϕMn)의 100%에 해당하는 부재력이 발생한다고 가정하는 것보다 KBC 2016의 하중조합을 고려하는 경우 화재시 구조성능에 유리한 것을 확인할 수 있 었다.

    5.결론

    이 연구에서는 슬림 AU 합성보에 대해서 수행 된 내화시험의 결과를 바탕으로 유한요소해석 모델 을 통해 온도분포와 구조 거동을 해석하여 비교하 였다. 이 연구를 통해서 얻어진 결론은 다음과 같다.

    • 1) 내화시험에서는 수행하지 못한 무피복 단면에 대한 내화해석 결과, 3시간 이후에 외곽에 위치한 강재를 따라 1000℃까지 상승하고, 콘크리트 단면의 고온 노출 정도를 단면의 온도분포를 통해 확인하 였다. 이를 통해 단면의 열전달 특성을 파악할 수 있어, 향후 단면의 개선이 이루어질 경우 참고할 수 있을 것으로 예상된다.

    • 2) 각각 15mm와 20mm의 내화피복이 적용된 가 열시험체에 대한 해석 결과는 단면의 내화시험 평 균온도와 비교하였으며, 내화시험의 평균온도보다 30~40℃ 차이를 나타내며, 온도분포를 잘 예측하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 해외 문헌에서 사용 가능한 고온 물성 데이터(밀도, 비열, 열전도율)는 뿜칠 피복재의 온도 분포를 예측하는데 사용될 수 있음을 알 수 있었고, 이를 통해 내화뿜칠 피복재를 적용한 크기가 다른 단면에 대해서도 온도 분포를 사전에 확인하는데 유리할 것으로 판단된다.

    • 3) 재하된 실험체에 대한 내화성능의 경우, 내화 실험결과(33.5mm)와 수치해석 결과(34.3mm) 사이 에 큰 차이를 나타내지 않았으며, 이는 온도분포의 차이가 크지 않아 비교적 유사한 결과를 나타낸 것 으로 판단된다. 또한, 내화시험에서는 적용하기 어 려운 KBC 2016 하중조합에 대해서 내화해석을 통 해 적용하고 확인할 수 있어 내화해석을 통한 연구 가 더욱 필요할 것으로 판단된다.

    감사의 글

    본 연구는 국토교통부 도시건축연구사업의 연구비지원 (16AUDP-B100343-02)에 의해 수행되었습니다.

    Figure

    KASS-16-133_F1.gif

    SLIM A plus U-shaped composite beam

    KASS-16-133_F2.gif

    Cross section and details of test specimens

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    Temperature measurement points of section

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    Load arrangement and boundary condition

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    Cross section model of SLIM AU composite beam

    KASS-16-133_F6.gif

    Standard time-temperature curve

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    Temperature distribution of SLIM AU composite beam with no fire protection

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    Temperature comparison

    KASS-16-133_F9.gif

    Comparison of structural behavior at elevated temperatures

    Table

    List of test specimens

    Thermal properties for numerical simulation

    Thermal properties of SFRM14)

    Load combination for fire16)

    *Permanent live load : Storage occupancy Other live load : All live load except for storage occupancy

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