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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.13 No.1 pp.37-43
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2022.13.1.037

Numerical Study on Fire Resistance Performance Evaluation of Circular Reinforced Concrete Piers Confined by Steel Jacket

Kim Na Jung 1, Park Jong-Sup2
1Graduate, Department of Civil Engineering, Sangmyung University, Cheonan-si, Chungnam 31066, Republic of Korea
2Professor, Department of Civil Engineering, Sangmyung University, Cheonan-si, Chungnam 31066, Republic of Korea

ㆍ 본 논문에 대한 토의를 2022년 03월 31일까지 학회로 보내주시면 2022년 04월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Park, Jong-Sup Department of Civil Engineering, Sangmyung University, Cheonan-si, Chungnam 31066, Republic of Korea. Tel: +82-41-550-5314, Fax: +82-41-558-1201 E-mail: jonpark@smu.ac.kr
December 9, 2021 January 5, 2022 January 11, 2022

Abstract


This study quantitatively evaluates the fire resistance performance of circular reinforced concrete piers confined by steel plates in a fire situation. A finite element program, ABAQUS, was used to analyze the behavior of the piers by applying the standard fire curve of ISO 834-1. The analytical parameters included the ratios of the steel-cover thickness to the pier diameter and the axial force ratios. The pier’s upper and lower parts of the pier were used hinged-hinged boundary conditions, the bottom hinge was fixed, and the top hinge was connected to a vertically movable support. The entire outside of the pier was subjected to a heat load and an axial load without eccentricity. The specific heat, thermal conductivity, and elastic modulus of concrete and steel were used to assess the pier’s fire resistance. The fire resistance time improved by up to 3 min under an axial force ratio of 0.7. Further, the thicker the steel plate, the better the load-carrying capacity. The use of steel plate reinforcement improved fire resistance. It was found that the thicker the steel plate, the larger the displacement and load-carrying capacity. This study shows improvements in the reinforced concrete piers in terms of fire resistance performance.



강판으로 보강된 원형철근 콘크리트교각의 내화성능 평가에 관한 해석적 연구

김나정1, 박종섭2
1상명대학교 건설시스템공학과 석사과정
2상명대학교 건설시스템공학과 교수

초록


교각의 내구성 증진 및 내진 보강을 위하여 원형철근 콘크리트 교각 외부에 강판을 보강한 경우, 교각 외부에서 발 생하는 화재에 대해 보강된 교각의 내화성능을 정량적으로 평가하였다. 범용유한요소해석프로그램 ABAQUS를 이용하였으며 ISO 834-1의 표준화재곡선을 적용하여 교각의 거동을 해석하였다. 해석 변수로는 강판보강두께와 원형교각 지름의 비, 교각에 수직으로 작용하는 축력비를 적용하였다. 교각의 상부와 하부는 힌지-롤러 경계조건을 고려하여 상부는 수직으로 변위가 발생하 도록 하였으며, 교각 외부 전체에 열하중을 가하였고 편심 없는 순수 축하중을 교각 중앙에 가력하였다. 온도에 따른 콘크리트, 철근 및 강재의 비열, 열전도율, 탄성계수 등을 고려하여 보강에 따른 교각의 내화 성능 향상도를 평가하였다.



강판으로 보강한 원형철근 콘크리트 교각은 콘크리트의 중심부일수록 강판 두께의 영향을 받지 않으며 강판 두께별 축력을 주 었을 때 내화시간은 축력비 0.7에서 최대 약 3분 향상되었다. 또한, 보강두께가 두꺼울수록 내하력이 향상하며 60분 이후에 모 두 내하력비가 1.0 이하로 감소하기 시작하는 것을 알 수 있었다. 강판보강공법은 내화성능을 향상시킬 수 있으며 강판 보강 두 께와 보강 지름의 비가 클수록 화재에 대해 축방향에 대한 변위와 내하력이 증가하는 것으로 나타났다. 본 연구결과를 토대로 원형철근 콘크리트 교각의 외부 강판 보강을 통하여 교각의 내화 성능을 향상시킬 수 있음을 정량적으로 판단할 수 있었다.



    1. 서 론

    교각의 강판보강공법은 노후화된 교각의 내구성 및 내진성능향상을 위하여 최근 많이 사용되고 있다. 원형철근 콘크리트 교각의 외부 강판보강에 따른 기 존 교각의 내진보강 향상도는 많은 연구가 진행된 바 있다(Catuira et al., 2021;Kim et al., 2003; Korea Infrastructure Safety and Technology Corporation, 2015). 그러나 보강된 강재로 인하여 철근콘크리트 교각의 정량적인 내화성능 변화를 추정한 연구는 진 행된 바 없으며, 강판 보강교각의 온도변화에 따른 영향을 기준에 제시하고 있지 않다(Lee, 2021).

    본 연구는 ISO 834-1 (1999) 표준 화재곡선을 적 용하고 유한요소해석 프로그램 ABAQUS(Dassault System, 2020)를 이용하여 보강판 두께변화에 따른 열전달 해석을 수행하였다. 또한, 교각에 작용하는 축력 변화에 따른 발생 변위와 내하력을 평가하였 고, 고온에 대한 교각의 거동특성을 분석하였다. 강 판 보강된 원형철근콘크리트교각의 내화성능을 정량 적으로 평가하고 온도변화에 따른 교각의 안전성을 판단할 수 있는 기초 자료를 제시하고 있다.

    2. 유사연구 및 배경 이론

    2.1 국내외 유사연구

    Min (2021)은 폭 700mm 이상의 대형합성기둥의 내 화실험을 수행하여 단면의 온도분포를 확인하였고 잔존내력값을 구체적으로 제시하였다. Hwang et al. (2014)는 철근콘크리트 기둥에 하중 작용 여부, 축력 비 등을 변화시켜 철근콘크리트 기둥부재의 적정 축 력비 도출에 기여하였다. Koo et al. (2013)는 열응력 과 축력을 받고 있는 무피복 콘크리트 충전 강관 기 둥의 단면크기와 강관두께의 영향에 대해 분석하고 기둥의 온도구배에 대한 강도 예측식을 제안하였다. Song et al. (2018)은 원형 콘크리트 충전강관 기둥에 표준화재 및 축력을 적용하고 내화도료 미사용 및 사용된 내화도료의 종류와 두께를 변수로 하여 내화 성능 평가 실험연구를 수행하였으며 해석모델을 제 안하였다. Zhou et al. (2019)은 원형 H형강 매입형 합성콘크리트 기둥의 콘크리트 단면적, 강판의 두께, 콘크리트 강도 변화 시 기둥의 내화성능에 관한 실 험적 연구를 진행하여 거동특성을 분석하였다. 본 연구에서는 Song et al. (2018)의 실험연구 결과를 토 대로 ABAQUS(Dassault System, 2020)의 해석모델을 검증하고 강판을 콘크리트 교각 외부에 보강하였을 때, 강판의 두께 및 축력비의 변화에 따른 내화성능 향상을 수치적으로 분석하였다.

    2.2 재료의 열적특성

    강판으로 보강된 철근콘크리트교각의 내화성능 평가 를 위하여 Eurocode 2 (2004)Eurocode 3 (2005)에 서 제시한 재료의 비열, 열전도율, 밀도 등의 식을 적용하였으며, 온도상승에 따른 콘크리트와 강재의 열적 특성은 Fig. 12와 같다. 본 연구에서 콘크리 트는 완전 건조 상태인 0%의 비열을 적용하였으며, 열전도율에서 상한값은 하한값보다 열전달이 높아 부재가 온도의 영향을 더 받는 것을 가정하여 상한 값을 적용하였다(Seo et al., 2014).

    3. 유한요소해석 모델링

    3.1 해석모델의 제원 및 해석변수

    철근콘크리트 교각의 재료특성 값과 제원은 기존 시 설물(교량) 내진성능 평가요령·해설 및 예제집 (KISTEC, 2015)을 참고하였다. 20℃ 상온에서의 콘크 리트 밀도는 2,400kg/m3, 탄성계수는 26,986MPa, 푸 아송비는 0.243, 압축강도는 24MPa이며 교각 외부에 보강한 강판의 강종은 SM355로 밀도 7,850kg/m3, 탄 성계수는 210GPa, 항복응력 및 극한응력은 각각 355MPa과 490MPa이다.

    교각의 제원 또한 기존 시설물(교량) 내진성능 평가요령·해설 및 예제집(KISTEC, 2015)의 대표교각 을 참고하였으며, 높이 6.654m, 직경 1.5m, 횡철근은 D13(지름 12.7mm)로 300mm마다 배근하였으며 철근 비는 0.0013%이고, 주철근은 D29(지름 28.6mm)로 1 단으로 콘크리트 단면에 40개 배근하였으며 철근비 는 0.015%이다. 외부 보강한 강재의 두께에 따른 거 동특성을 분석하기 위해 강판두께를 해석변수로 적 용하였다. 강판은 교각 전체에 보강하였으며 강판의 두께와 교각지름 비(TD)는 0, 0.4, 1.0, 1.6%까지 증 가시켜 검토하였다. Fig. 3은 콘크리트의 단면의 지 름과 보강된 강판 두께의 비를 나타낸 것이다.

    3.2 해석요소 및 온도 하중

    교각을 구성하고 있는 열해석을 위해 콘크리트와 외 부에 보강된 강판은 솔리드요소 DC3D8을 적용하였 고 내부에 배근한 철근은 솔리드요소 DC1D2를 적용 하였다. 강판과 콘크리트 교각은 Tie Option을 적용 하여 완전합성거동을 가정하였고, 시간-온도 변화식 (Eq.(1 ), Fig. 4)은 ISO 834-1 (1999)의 기준에 따르며 교각 외부 강재 전체에 적용하였다(Song et al., 2018). 교각 외부의 방사율은 0.7, 대류 계수는 25 W/m2⋅℃ 를 사용하였으며, 상온 온도는 20℃이다(Eurocode 3, 2005).

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

    여기서, T는 시간 t에 따른 온도(℃), t는 시간 (분), T0는 초기 온도(℃)이며, T0는 20℃이다.

    3.3 구조 해석 모델

    Fig. 5는 해석모델의 메쉬(Mesh), 경계조건 및 하중 을 나타내고 있다. 구조해석을 위해 교각 상하단부 의 가력판, 콘크리트 그리고 보강 강판은 C3D8R 솔 리드(Solid)요소를 적용하고 철근은 트러스요소를 적 용하였다. 콘크리트 내부 철근은 일체화 옵션 (Embedded Region Option)을 적용하고, 콘크리트 외 부에 보강한 강판과의 마찰계수(Friction Coefficient) 는 0.6을 적용하였다(Song et al., 2018).

    적용된 요소수를 살펴보면, 가력판은 400개, 콘크 리트 교각은 4,800개, 종철근은 10개, 횡철근은 22개, 강판 보강재는 TD0.4 기준 1,984개의 요소수를 적용 하였다. 해석시 교각 자중을 고려하였으며, 가력판과 기준점을 일체거동(Continuum Distributing Coupling) 조건을 적용하였다. 교각의 중앙 도심에 수직하중을 교각 강도에 일정비율(축력비)로 재하하였다(Song et al., 2018). Eurocode 4 (2005)에서 제시한 고온소성압 축강도를 기준강도로 하였으며, 고온소성압축강도 50,121kN에 대해 0.1∼1.0 비율로 0.1 단위 크기로 하 중을 작용시켰다. Table 1은 1.0, 0.7, 0.4, 0.2 의 축력 비(Load Ratio, LR)에 따른 수직력을 나타내고 있다.

    3.4 해석모델의 적절성 검토

    Song et al. (2018)의 원형콘크리트충전강관에 내화도 료를 적용하지 않은 무피복 상태의 실험 결과와 본 연구의 유한요소해석 결과를 비교하여 해석모델링의 적절성을 검토하였다. Fig. 6Song et al. (2018)의 실험 결과와 유한요소해석 결과의 시간에 따른 수직 변위변화를 나타내고 있다.

    실험 결과와 해석 결과를 비교하였을 때 시간에 따른 온도 분포에서 60분을 기준으로 약 3.5%의 온 도차가 나타났으나 이러한 차이는 화재에 대한 방사 율, 콘크리트의 소성요소, 밀도차 등에 대한 실험 자 료의 차이로 인해 발생하였다고 판단된다. 또한, Fig. 6에서 내화시간 60분을 기점으로 축변위값의 차이는 4%로 나타났다. 교각의 중간 부분에서 가장 큰 변형 률을 보이며 좌굴 현상이 일어났으며, 실험값의 최 대 변형률은 0.031, 해석을 통해 파악된 최대 변형률 은 0.0302로 나타났다. 미소한 변형률 차이(1%) 비교 를 통하여 열전달 해석 이후 구조해석에 적용한 요 소, 요소 개수, 하중 및 경계조건 등 해석 방법의 적 용이 합리적인 것으로 판단되었다.

    4. 유한요소 해석 결과

    강재 보강에 따른 철근콘크리트교각의 내화성능 평 가를 위해 구조물의 시간에 따른 온도 분포 곡선, 시간에 따른 축변위 곡선, 상온(20℃)에서의 고온소 성압축강도와 시간에 따른 고온소성압축강도의 비를 나타내는 최대 내하력비에 대한 곡선을 비교 및 분 석하였다.

    4.1 강판 두께에 따른 내화성능

    Fig. 7은 교각 단면의 온도측정 지점을 4개로 구분하 여 강판 두께별 시간-온도 그래프를 나타낸 것이다. A는 교각 지름의 1/2지점(교각 중심), B는 1/6지점, C는 1/8지점, D는 1/10지점을 나타낸다. Eurocode 2 (2004)의 500℃ 등온선법에 따라 콘크리트의 온도가 500℃를 넘으면 강도를 발휘하지 못한다(Yeo, 2012).

    비보강 교각인 경우 A점에서 20분에 500℃를 넘 어 강도를 100% 상실하였으며, TD1.6과 비교하였을 때 7분의 차이가 발생하였다. 콘크리트 단면의 중심 부로 갈수록 고려한 강판두께변화에 따른 교각 단면 의 온도차는 미미했으며, 교각의 표면부분인 A점에 서 비보강 교각과 TD1.6을 비교하였을 때 최대 120℃ 의 차이를 나타낸 것으로 보아 교각단면의 외부로 갈수록 온도의 영향을 많이 받는 것을 알 수 있다.

    4.2 축력비에 따른 내화성능

    Fig. 8는 축력비(LR) 0.4와 0.7의 강판의 두께와 교각 지름 비(TD)에 따른 교각의 온도-변위 곡선을 나타 내고 있다. 각 두께별로 강판보강을 한 철근콘크리 트 교각에 편심이 없는 순수 축력을 가하였을 때 초 기에는 팽창하다가 재료의 팽창과 열화가 균형을 이 뤄 최대팽창변위점에 도달한 이후에는 감소하는 형 태의 곡선을 나타내었다. 해석변수 TD 비율 증가에 따라 최대팽창변위 및 최대변위와 내화시간이 증가 하는 것을 알 수 있다. 축력비(LR) 0.1과 0.2에서는 큰 축방향 수축 없이 180분 내화성능을 만족시켰으 며, 축력비(LR) 0.4인 경우(Fig. 8(a))에서 TD1.0과 TD1.6의 경우, 30분까지 선형적 팽창을 보이다가 30 분에서 100분까지 일정한 변위를 보이고, 100분이후 수축으로 전환되어 급격한 축방향 수축과 파괴 직전 해석이 종료되었다. 축력비(LR)가 증가할수록 TD에 따라 비보강 교각과 비교하였을 때 최대팽창변위가 각각 평균 9.22mm, 7.91mm, 6.95mm, 5.63mm 향상되 었다. 강판두께의 증가에 따라 최대팽창변위가 증가 하지만 축력비가 증가할수록 강판두께에 따른 증가 량이 38.9% 감소하였다.

    비보강 교각과 TD1.6을 비교하였을 때 축력비 0.7(Fig. 8(b))에서는 내화시간이 최대 3.27분 향상되 었으며, 축력비 1.0에서는 최대 2.09분 향상되었다. 축력비가 증가할수록 강판 두께에 따른 내화성능시 간이 감소하므로 적정 축력비 산정이 내화성능시간 평가에 필요한 것으로 판단된다.

    4.3 강판 두께별 내하력 비교

    Fig. 9는 시간에 따라 온도하중 재하시 강판 비보강 및 보강된 교각의 내하력(Load Carrying Capacity, LCC)를 나타내고 있다. 그림에서 내하력비 1은 상온 상태(20℃)에서 비보강 교각의 고온소성압축강도를 나타낸다. Fig. 9와 Table 2의 정량적 값을 비교하면, 보강 두께가 두꺼울수록 초기 내하력은 증가한다. 60분 경과 후 모두 비율이 1.0 이하로 감소하였으며, 120분 경과 후에는 내하력의 비가 0.7로 수렴되었다. 또한, 보강 두께가 두꺼울수록 내하력이 향상되었지 만 그래프의 기울기가 급해지는 것으로 나타났다.

    5. 결 론

    본 연구는 강판으로 보강된 원형철근콘크리트 교각 의 보강효과 및 정량적인 내화성능 평가를 분석하였 다. 강판 보강 두께 비(TD)와 축력비(LR)를 해석변수 로 하여 다음의 결론을 도출하였다.

    • 1) 해석변수 강판의 두께와 교각 지름의 비(TD) 를 고려한 결과 비교를 통하여 비보강 교각을 기준으로 TD1.6에서 콘크리트 표면에서 콘크 리트 강도를 발휘하지 못할 때까지의 시간은 최대 7분이 더 소요되었고, 비보강 교각과 TD1.6의 온도차를 비교해 보았을 때 화재가 발생한 지 12분에 최대 16.5%의 차이를 보였 다. 또한, 교각의 내부로 갈수록 강판 두께의 효과는 미미한 것을 알 수 있었다.

    • 2) 온도하중 재하 3시간 경과 후 축력비(LR) 0.2 인 경우, 변위증가(팽창)단계만 발생하였으며, 축력비 0.4 이상부터 변위의 연화구간이 발생 하였다. 내화시간은 축력비 0.7에서 최대 3.27 분이 향상되었고 축력비 1.0에서 2.09분 향상 되었다.

    • 3) 강판 두께비가 증가함에 따라 최대 팽창변위 는 증가하였지만, 축력비가 증가할수록 강판 두께 증가에 따른 최대 팽창변위의 증가량은 38.9% 감소하였다.

    • 4)비보강 교각의 상온 온도 시 내하력을 기준으 로 60분 경과 후 비보강 교각은 20% 감소하 였고 강판으로 보강된 교각의 경우, 내하력이 TD0.4, TD1.0, TD1.6에서 각각 30%, 39%, 45% 감소하였다. 보강 두께가 증가할수록 시간-내 하력비 그래프의 기울기가 급해지는 것으로 나타났다.

    • 5) 화재가 시작된 지 120분 이후에 비보강 교각, TD0.4, TD1.0 TD1.6의 강판으로 보강된 교각 의 내하력비가 0.7로 수렴하였다.

    ACKNOWLEDGMENT

    This numerical study had been conducted under the financial support provided by Sangmyung University. The support is appreciated.

    Figure

    KOSACS-13-1-37_F1.gif
    Concrete Properties(Eurocode 2, 2004)
    KOSACS-13-1-37_F2.gif
    Steel Properties(Eurocode 3, 2005)
    KOSACS-13-1-37_F3.gif
    Thickness-to-Diameter(TD) Ratio
    KOSACS-13-1-37_F4.gif
    ISO 834-1 (1999) Standard Fire Curve
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    Boundary and Loading Conditions
    KOSACS-13-1-37_F6.gif
    Comparison of Song et al. (2018) and FEA Result
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    Time-Temperature Curve According to TD Ratios
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    Time-Displacement Curve According to LR
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    Time-Load Carrying Capacity Ratios

    Table

    Axial Compression Force and Load Ratio under Fire Analysis
    LCC Ratios According to TD Ratios

    Reference

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