콘크리트충전 강관기둥(CFT 기둥)은 구조용 강관에 콘크리트가 채워진 합성기둥으로 강도와 내화성능이 우수하여 다양한 건설현장에서 적용되고 있다. 유럽을 비롯한 미국, 일본, 호주 등의 내화 선진국에서는 20여 년 전부터 성능기반 내화구조설계가 제정되어 CFT 기둥 자체의 내화성능에 따라 내화피복 두께를 절감하거나 무피복으로 설계하는 등 경제적인 방안을 제시하고 있다. 반면 국내에서는 사양적 내화구조설계로 KS F 2257-7 (2019) 기준에 따르면 각 단면에서 측정한 강재의 평균온도는 538℃, 온도가 측정된 어느 단면에서도 한계온도 649℃를 넘지 않도록 규정하고 있으며 '건축물의 피난·방화구조 등의 기준에 관한 규칙' 에는 건축물의 용도에 따라 층수와 최고높이를 기준으로 주요구조부 종류에 의해 일괄적으로 동일한 내화구조 성능기준을 제시하고 있어 부재의 성능과는 상관없이 뿜칠과 내화페인트로 내화성능을 확보하고 있다.
우수한 내화성능을 가지는 CFT 기둥도 무피복 상태에서 화재가 발생한 경우 고온의 영향으로 기둥이 손상을 입게 되어 3시간의 내화성능을 만족하지 못한다. 따라서 고층 건물에 무피복 CFT 기둥을 적용하기 위해 기둥 내부 콘크리트에 철근을 추가하여 화재로 인한 부족한 내력을 보강하도록 하고 있다.
본 연구는 무피복 상태에서 내화성능을 만족하는 방안으로 CFT 기둥 내부에 철근을 보강하고 단면크기, 철근비, 철근 배근형상, 콘크리트 피복두께를 변수로 표준화재 노출시간에 따른 CFT 기둥 단면의 온도 분포를 파악하고자 범용 유한요소해석 프로그램인 Abaqus를 사용하여 열전달해석을 수행하였다. 열전달해석을 통해 구한 CFT 기둥 단면의 온도분포 결과를 바탕으로 철근 배근형상에 따른 콘크리트 피복두께를 제안하고 화재 발생 후 시간 경과에 따른 CFT 기둥의 압축과 휨 성능을 확인하여 단면크기, 철근비, 강재비에 따른 CFT 기둥의 내화성능을 평가하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.
1) 열전달해석 결과 무피복 상태에서 표준화재 1시간 노출 시 강관 표면의 온도는 800℃, 표준화재 2시간 노출 시 900℃, 표준화재 3시간 노출 시 1,000℃ 이상을 나타내어 강관의 급격한 내력 저하가 나타났고, 각형 CFT 기둥 모서리에 철근이 위치하면 양방향으로 열에 영향을 받기 때문에 중앙부보다 온도가 높은 것을 확인하였다.
2) 표준화재 3시간 노출 시 철근 배근형상을 각형으로 했을 경우 콘크리트 피복두께 60mm에서 철근은 임계온도인 538℃ 이하로 낮아지고, 90mm 이상에서 항복강도의 저감이 없는 400℃ 이하로 유지됐다. 철근 배근형상을 원형으로 했을 경우 콘크리트 피복두께 40mm에서 철근은 임계온도인 538℃ 이하로 낮아지고, 60mm 이상에서 400℃ 이하로 유지됐다.
3) 상온에서 철근비가 같은 500, 800, 1,000mm CFT 기둥에 철근을 콘크리트 피복두께 90mm로 배근한 경우 콘크리트 피복두께가 없는 경우와 압축강도는 유사하고 휨강도는 18, 13, 12% 각 감소하였다. 반면에 표준화재 3시간 노출 시 압축강도는 193, 182, 171% 각 증가하였고 휨강도는 812, 1,108, 1,278% 각 증가하였다. 화재에 노출되면 온도 상승으로 인한 철근의 강도 저감으로 동일한 화재시간에서 콘크리트 피복두께가 증가할수록 압축강도와 휨강도가 증가하는 것을 확인하였다.
4) 500, 800, 1,000mm CFT 기둥에 대해 단면크기가 커질수록 콘크리트 피복두께와 상관없이 잔존성능이 향상되었으나 콘크리트 피복두께가 없는 경우 철근보강에 대한 효율성이 떨어져 최대 35%의 잔존 압축성능과 4%의 잔존휨성능을 나타낸 반면 콘크리트 피복두께를 90mm로 하면 잔존압축성능과 잔존휨성능이 최대 64%와 41%까지 증가하여 철근비가 증가할수록 잔존성능에 유리하게 작용됐다.
5) CFT 기둥의 강관두께가 9mm, 철근비 3%일 경우 500mm 단면은 1시간, 600mm 단면은 2시간의 내화성능을 만족하였다. 700mm 단면은 강관두께 12mm, 800mm 단면은 강관두께 16mm일 때 철근비가 2%일 경우 2시간, 3%까지 철근보강 시 3시간의 내화성능을 만족하였다. 900, 1000mm 기둥은 강관두께가 28mm 이하일 때 1% 철근보강만으로 3시간의 내화성능을 확보하였다.
6) CFT 기둥의 강재비가 감소할수록, 단면크기와 철근비는 증가할수록 내화성능이 향상되어 무피복 상태에서도 3시간의 내화성능을 만족하는 것을 확인하였다. 화재로 인한 내력 저하로 내화성능을 만족하지 못하였다 하더라도 설계 시 부족한 내력만큼 추가로 철근을 배근하여 보강하면 내화성능을 만족할 수 있기 때문에 CFT 기둥에 콘크리트 피복두께를 두고 철근을 보강하는 것이 앞으로 고층건물의 무피복 상태로 내화성능을 확보하는 방안으로써 고려되어질 수 있을 것으로 판단된다.