纖維를 活用한 高强度 RC기둥의 高溫狀態 爆裂 低減方案에 관한 實驗 및 解析 Experiment and Numerical Analysis for Spalling Reduction Methods of High-Strength Reinforced Concrete Columns Using Fibers under High Temperature원문보기
最近의 建築物은 超高層化, 超大型化의 趨勢로 인하여 高强度콘크리트(High Strength Concrete : HSC) 使用이 漸次 增加하고 있으며, 國內에서는 最近 60層 程度 規模의 高級住居施設을 비롯한 超高層 鐵筋콘크리트 建築物에 活潑히 使用되고 있다. 이러한 高强度콘크리트는 構造的 長點 뿐만 아니라 耐久性 및 使用性이 優秀하여 建築 및 土木 構造物에서의 活用이 增大되고 있다. 그러나 HSC는 高强度化에 따른 剖材의 脆性擧動 以外에도 火災 時 爆裂現象이 發生되는 短點을 지니고 있다. 콘크리트의 爆裂現象은 火災 被害에 露出된 콘크리트 構造物이 100℃以上에서 剖材 內部의 水分 蒸發로 인하여 發生한 水蒸氣가 水密한 콘크리트에 갇혀있게 되고 그로 인하여 水蒸氣 壓力이 높아짐으로써 發生한다. 高强度콘크리트는 普通强度콘크리트에 비하여 透氣性이 낮은데 이와 같이 透氣性이 낮을수록 爆裂現象이 심하게 나타난다. 따라서 HSC의 爆裂發生 力學을 觀察하여 이에 影向을 미치는 要因을 糾明하고 材料的, 構造的 代案을 講究하기 위한 硏究와 技術開發이 必要하다.
最近들어 國內에서도 建築物의 超高層化에 의한 高强度콘크리트의 使用이 增加되고 超高層 建築物의 火災 安全性에 대한 關心이 高潮되고 있으며, 이에 대한 硏究와 開發이 活潑히 進行되면서 이를 現場에 適用하고 制度的 體系를 갖추기 위한 論議가 進行中이다.
지금까지 콘크리트의 爆裂을 制御할 수 있는 方法으로는 첫째로, 콘크리트 表面에 耐火被覆 및 耐火塗料 等을 使用하여 火災 時 剖材의 溫度 上昇을 抑制하는 方法 둘째로, 콘크리트 타설 時 纖維를 混入함으로써 火災 時 170℃內外에서 纖維가 녹아 차지하고 있던 자리에 空氣구멍이 만들어져 그곳으로 水蒸氣壓이 빠져나가게 되고 그로 인하여 水蒸氣壓을 낮추어 爆裂을 制御하는 方法, 셋째로, 鋼板, 纖維시트 및 메탈라스 等을 剖材 表面에 施工하여 콘크리트의 飛散을 抑制하는 方法 그리고 넷째로, 被覆部分을 爆裂이 發生하지 않는 同一 强度級의 爆裂抑制型 材料로 置換함으로써 콘크리트의 溫度를 制御하고 爆裂을 防止하는 方法 等이 있다.
本 硏究에서는 製造過程, 施工性 그리고 國內 適用 效率性能 等을 考慮하여 爆裂을 制御할 수 있는 方法 중 둘째方法인 纖維 混入 方法을 採擇하였다. 그러나 PP纖維를 高强度콘크리트에 混入할 境遇 高强度콘크리트 製造를 위한 낮은 물시멘트比(W/C)에 따른 作業性能 低下가 考慮되어야 하기 때문에 最近 一部 先進國에서는 PP纖維 대신 폴리비닐알콜(PVA)나 PP纖維粉末을 使用하여 作業性能과 耐火性能을 同時에 確保하는 方法이 提案되고 있으나 技術料 等을 支拂해야 하는 問題點이 있어, 國內에서도 國內 實情에 適合한 새로운 方法에 관한 硏究가 必要하다.
더욱이 最近에 高强度 發現에 必須的인 실리카흄의 量이 急增할 境遇 실리카흄의 높은 粉末性 等을 考慮한 爆裂現象에 관한 硏究도 必要하다. 더욱이 이러한 硏究와 關聯하여 지금까지 國內·外 關聯硏究가 大部分 供試體 水準의 硏究로써 一部 試驗體 境遇를 除外하면 大部分 高溫에 露出된 實構造物에서와 같이 콘크리트 斷面缺損에 의한 構造的 性能低下 等을 考慮하여 最適의 纖維을 選定하기 위한 剖材 水準에서의 硏究는 매우 不足한 實情이다. 따라서, 本 硏究 實驗에서는 短柱 기둥크기를 對象으로 爆裂과 熱的 性狀을 分析하기 위한 實驗과 解析을 遂行 하였다.
一般的으로 高溫을 받는 鐵筋콘크리트 構造物의 解析은 크게 熱應力解析, 水分移動解析 및 爆裂解析으로 區分할 수 있다. 熱應力解析은 熱力學 方程式을 土臺로 外氣溫度條件 下에서 溫度分布를 구한 後 熱膨脹 係數를 利用하여 剖材 內의 應力을 算出하는 方法으로써 高溫에서 鐵筋콘크리트 剖材의 擧動을 糾明할 수 있다. 水分移動 解析은 高溫에 露出된 콘크리트內部 水分의 氣化에의해 發生한 壓力을 算出함으로써 爆裂 可能性을 間接的으로 評價할 수 있으나, 아직 壓力算出 水準으로 爆裂解析도 聯關性이 定立되지 않고 나아가, 提案된 數式 檢證을 위한 實驗 資料가 不足한 短點이 있다.
本 硏究에서는 그동안의 硏究結果 等 事例 調査를 하여 高强度콘크리트 構造物의 爆裂을 低減할 수 있는 方案을 마련하기 위하여 纖維의 種類(PP纖維, PP粉末 및 ...
最近의 建築物은 超高層化, 超大型化의 趨勢로 인하여 高强度콘크리트(High Strength Concrete : HSC) 使用이 漸次 增加하고 있으며, 國內에서는 最近 60層 程度 規模의 高級住居施設을 비롯한 超高層 鐵筋콘크리트 建築物에 活潑히 使用되고 있다. 이러한 高强度콘크리트는 構造的 長點 뿐만 아니라 耐久性 및 使用性이 優秀하여 建築 및 土木 構造物에서의 活用이 增大되고 있다. 그러나 HSC는 高强度化에 따른 剖材의 脆性擧動 以外에도 火災 時 爆裂現象이 發生되는 短點을 지니고 있다. 콘크리트의 爆裂現象은 火災 被害에 露出된 콘크리트 構造物이 100℃以上에서 剖材 內部의 水分 蒸發로 인하여 發生한 水蒸氣가 水密한 콘크리트에 갇혀있게 되고 그로 인하여 水蒸氣 壓力이 높아짐으로써 發生한다. 高强度콘크리트는 普通强度콘크리트에 비하여 透氣性이 낮은데 이와 같이 透氣性이 낮을수록 爆裂現象이 심하게 나타난다. 따라서 HSC의 爆裂發生 力學을 觀察하여 이에 影向을 미치는 要因을 糾明하고 材料的, 構造的 代案을 講究하기 위한 硏究와 技術開發이 必要하다.
最近들어 國內에서도 建築物의 超高層化에 의한 高强度콘크리트의 使用이 增加되고 超高層 建築物의 火災 安全性에 대한 關心이 高潮되고 있으며, 이에 대한 硏究와 開發이 活潑히 進行되면서 이를 現場에 適用하고 制度的 體系를 갖추기 위한 論議가 進行中이다.
지금까지 콘크리트의 爆裂을 制御할 수 있는 方法으로는 첫째로, 콘크리트 表面에 耐火被覆 및 耐火塗料 等을 使用하여 火災 時 剖材의 溫度 上昇을 抑制하는 方法 둘째로, 콘크리트 타설 時 纖維를 混入함으로써 火災 時 170℃內外에서 纖維가 녹아 차지하고 있던 자리에 空氣구멍이 만들어져 그곳으로 水蒸氣壓이 빠져나가게 되고 그로 인하여 水蒸氣壓을 낮추어 爆裂을 制御하는 方法, 셋째로, 鋼板, 纖維시트 및 메탈라스 等을 剖材 表面에 施工하여 콘크리트의 飛散을 抑制하는 方法 그리고 넷째로, 被覆部分을 爆裂이 發生하지 않는 同一 强度級의 爆裂抑制型 材料로 置換함으로써 콘크리트의 溫度를 制御하고 爆裂을 防止하는 方法 等이 있다.
本 硏究에서는 製造過程, 施工性 그리고 國內 適用 效率性能 等을 考慮하여 爆裂을 制御할 수 있는 方法 중 둘째方法인 纖維 混入 方法을 採擇하였다. 그러나 PP纖維를 高强度콘크리트에 混入할 境遇 高强度콘크리트 製造를 위한 낮은 물시멘트比(W/C)에 따른 作業性能 低下가 考慮되어야 하기 때문에 最近 一部 先進國에서는 PP纖維 대신 폴리비닐알콜(PVA)나 PP纖維粉末을 使用하여 作業性能과 耐火性能을 同時에 確保하는 方法이 提案되고 있으나 技術料 等을 支拂해야 하는 問題點이 있어, 國內에서도 國內 實情에 適合한 새로운 方法에 관한 硏究가 必要하다.
더욱이 最近에 高强度 發現에 必須的인 실리카흄의 量이 急增할 境遇 실리카흄의 높은 粉末性 等을 考慮한 爆裂現象에 관한 硏究도 必要하다. 더욱이 이러한 硏究와 關聯하여 지금까지 國內·外 關聯硏究가 大部分 供試體 水準의 硏究로써 一部 試驗體 境遇를 除外하면 大部分 高溫에 露出된 實構造物에서와 같이 콘크리트 斷面缺損에 의한 構造的 性能低下 等을 考慮하여 最適의 纖維을 選定하기 위한 剖材 水準에서의 硏究는 매우 不足한 實情이다. 따라서, 本 硏究 實驗에서는 短柱 기둥크기를 對象으로 爆裂과 熱的 性狀을 分析하기 위한 實驗과 解析을 遂行 하였다.
一般的으로 高溫을 받는 鐵筋콘크리트 構造物의 解析은 크게 熱應力解析, 水分移動解析 및 爆裂解析으로 區分할 수 있다. 熱應力解析은 熱力學 方程式을 土臺로 外氣溫度條件 下에서 溫度分布를 구한 後 熱膨脹 係數를 利用하여 剖材 內의 應力을 算出하는 方法으로써 高溫에서 鐵筋콘크리트 剖材의 擧動을 糾明할 수 있다. 水分移動 解析은 高溫에 露出된 콘크리트內部 水分의 氣化에의해 發生한 壓力을 算出함으로써 爆裂 可能性을 間接的으로 評價할 수 있으나, 아직 壓力算出 水準으로 爆裂解析도 聯關性이 定立되지 않고 나아가, 提案된 數式 檢證을 위한 實驗 資料가 不足한 短點이 있다.
本 硏究에서는 그동안의 硏究結果 等 事例 調査를 하여 高强度콘크리트 構造物의 爆裂을 低減할 수 있는 方案을 마련하기 위하여 纖維의 種類(PP纖維, PP粉末 및 PVA), 실리카흄 置換率(7%, 14% 및 21%) 및 PP纖維 含有量(0%, 0.1%, 0.2% 및 0.3%)을 變數로 하는 超高强度콘크리트 기둥 實驗體에 대한 耐火實驗과 殘存耐力實驗을 遂行하여 爆裂에 影向을 미치는 各 因子들의 效果를 分析하였으며,
또한, 實用的인 爆裂解析을 위하여 旣存硏究 結果를 土臺로 高溫 時 콘크리트 內部에 發生한 水蒸氣 壓力을 適合條件을 利用하여 熱膨脹係數로 置換한 後 解析 汎用프로그램인 ANSYS을 活用하여 過渡非線形解析 爆裂解析 技法을 構築하고 檢證하였다.
이러한 目的을 위하여 本 論文은 總 6章으로 構成되어 있으며, 1章 序論, 2章 高溫에서의 鐵筋콘크리트 特性, 3章 實驗, 4章 實驗結果 및 分析 5章 高溫을 받는 高强度콘크리트 數値解析, 6章 結論으로 構成되었다.
以上과 같은 콘크리트 實驗, 耐火實驗, 殘存耐力實驗 및 解析을 통하여 다음과 같은 結論을 얻었다.
1. 콘크리트實驗 結果
가. 配合强度 60MPa 實驗體에서 PP纖維를 0.2% 混入한 境遇 適正한 作業性(Workability)을 確保하였으나, 配合强度 120MPa 實驗體에서 PP纖維를 混入한 實驗體의 境遇 슬럼프 低下가 나타났고, PP纖維 대신 PP粉末과 PVA를 混入한 境遇는 콘크리트 슬럼프 값이 15~24㎝로 改善되었다.
나 콘크리트 供試體의 28日 壓軸强度 試驗結果, 60MPa實驗體의 7日 平均값은 72MPa이고, 28日 平均값은 73MPa로 測定되었으며, 120MPa 實驗體의 7日 平均값은 78MPa이고, 28日 壓軸强度는 100MPa로 測定되었다.
2. 耐火實驗 및 殘存耐力 實驗 結果
가. 실리카흄의 含有量에 따른 爆裂發生은 外形的으로 差異가 나지 않았으나, 殘存耐力 實驗結果 실리카흄을 7%, 14% 및 21%로 增加시킬수록 殘存耐力 比는 낮게 나타났다. 그러나 14%에서 21%로 增加할 境遇 殘存耐力比의 減少率은 실리카흄을 7%에서 14%로 增加시킨 境遇보다 적게 나타났다.
나. PP纖維 含有量을 0%에서 0.2%까지 增加시킬 境遇 기둥剖材의 殘存 軸强度比는 68%에서 85%까지 增加하였으나, 0.3%까지 增加시킬 境遇 殘存耐力比의 差異는 거의 나타나지 않았다. 따라서 最適의 PP纖維 含有量은 0.2%가 適切한 것으로 나타났다.
다. 纖維 0.2%의 境遇 殘存强度比는 PP纖維(76%) > PVA纖維(71%) > PP粉末(63%)順으로 殘存强度比를 나타내고 있으나, 슬럼프 測定값은 PVA纖維(24cm) > PP粉末(22.5cm) > PP纖維(0cm) 順으로 나타나고 있어 耐火實驗結果 및 굳지 않은 콘크리트에서의 作業性(Workability)까지 綜合的으로 考慮할 境遇 超高强度콘크리트에서는 PVA가 가장 現場 適用性이 큰 耐火纖維인 것으로 判斷된다.
3. 爆裂解析 結果
가. 콘크리트의 初期爆裂 發生時點 比較에서는 30MPa가 660秒~900秒의 사이에서, 100MPa는 420~480秒의 사이에서 初期爆裂이 發生하여, 高强度콘크리트 일수록 爆裂 發生 時間이 빠르게 나타나고 있음을 알 수 있다. 이는 콘크리트 强度가 增加할수록 낮은 물시멘트比에 따른 水密性의 增加로 壓力 增加 速度가 더욱 빠르게 進行된 것으로 判斷되며, 이러한 結果는 爆裂實驗에서도 類似한 傾向으로 確認 되었다.
나. 同一한 加熱時點의 爆裂發生程度 比較에서는 30MPa에서 보다 100MPa에서 爆裂量이 많이 發生하였다. 이는 旣存의 耐火實驗 結果와 同一한 爆裂樣相으로서 高强度콘크리트에서 爆裂程度가 普通强度콘크리트 보다 많이 나타났다.
다. 高溫 時 콘크리트 內部에 發生한 水蒸氣 壓力을 適合條件을 利用하여 熱膨脹係數로 置換하여 解析을 遂行한 새로운 爆裂解析 技法은 旣存 耐火實驗 結果와 類似한 傾向을 나타내어 向後, 高强度콘크리트 耐火設計를 위한 實用的인 爆裂解析 技法으로서 活用될 것으로 判斷된다.
라. 本 硏究에서 提示된 爆裂解析 技法은 水分移動解析 대신 實測된 水蒸氣 壓力을 利用하고 있어 實驗結果와 比較를 통한 檢證에 限界가 있다. 向後, 高溫 時 콘크리트內部 水蒸氣 壓力의 測定資料를 確保하고 이를 標準化하여 解析技法을 改善할 必要가 있을 것으로 思料된다.
最近의 建築物은 超高層化, 超大型化의 趨勢로 인하여 高强度콘크리트(High Strength Concrete : HSC) 使用이 漸次 增加하고 있으며, 國內에서는 最近 60層 程度 規模의 高級住居施設을 비롯한 超高層 鐵筋콘크리트 建築物에 活潑히 使用되고 있다. 이러한 高强度콘크리트는 構造的 長點 뿐만 아니라 耐久性 및 使用性이 優秀하여 建築 및 土木 構造物에서의 活用이 增大되고 있다. 그러나 HSC는 高强度化에 따른 剖材의 脆性擧動 以外에도 火災 時 爆裂現象이 發生되는 短點을 지니고 있다. 콘크리트의 爆裂現象은 火災 被害에 露出된 콘크리트 構造物이 100℃以上에서 剖材 內部의 水分 蒸發로 인하여 發生한 水蒸氣가 水密한 콘크리트에 갇혀있게 되고 그로 인하여 水蒸氣 壓力이 높아짐으로써 發生한다. 高强度콘크리트는 普通强度콘크리트에 비하여 透氣性이 낮은데 이와 같이 透氣性이 낮을수록 爆裂現象이 심하게 나타난다. 따라서 HSC의 爆裂發生 力學을 觀察하여 이에 影向을 미치는 要因을 糾明하고 材料的, 構造的 代案을 講究하기 위한 硏究와 技術開發이 必要하다.
最近들어 國內에서도 建築物의 超高層化에 의한 高强度콘크리트의 使用이 增加되고 超高層 建築物의 火災 安全性에 대한 關心이 高潮되고 있으며, 이에 대한 硏究와 開發이 活潑히 進行되면서 이를 現場에 適用하고 制度的 體系를 갖추기 위한 論議가 進行中이다.
지금까지 콘크리트의 爆裂을 制御할 수 있는 方法으로는 첫째로, 콘크리트 表面에 耐火被覆 및 耐火塗料 等을 使用하여 火災 時 剖材의 溫度 上昇을 抑制하는 方法 둘째로, 콘크리트 타설 時 纖維를 混入함으로써 火災 時 170℃內外에서 纖維가 녹아 차지하고 있던 자리에 空氣구멍이 만들어져 그곳으로 水蒸氣壓이 빠져나가게 되고 그로 인하여 水蒸氣壓을 낮추어 爆裂을 制御하는 方法, 셋째로, 鋼板, 纖維시트 및 메탈라스 等을 剖材 表面에 施工하여 콘크리트의 飛散을 抑制하는 方法 그리고 넷째로, 被覆部分을 爆裂이 發生하지 않는 同一 强度級의 爆裂抑制型 材料로 置換함으로써 콘크리트의 溫度를 制御하고 爆裂을 防止하는 方法 等이 있다.
本 硏究에서는 製造過程, 施工性 그리고 國內 適用 效率性能 等을 考慮하여 爆裂을 制御할 수 있는 方法 중 둘째方法인 纖維 混入 方法을 採擇하였다. 그러나 PP纖維를 高强度콘크리트에 混入할 境遇 高强度콘크리트 製造를 위한 낮은 물시멘트比(W/C)에 따른 作業性能 低下가 考慮되어야 하기 때문에 最近 一部 先進國에서는 PP纖維 대신 폴리비닐알콜(PVA)나 PP纖維粉末을 使用하여 作業性能과 耐火性能을 同時에 確保하는 方法이 提案되고 있으나 技術料 等을 支拂해야 하는 問題點이 있어, 國內에서도 國內 實情에 適合한 새로운 方法에 관한 硏究가 必要하다.
더욱이 最近에 高强度 發現에 必須的인 실리카흄의 量이 急增할 境遇 실리카흄의 높은 粉末性 等을 考慮한 爆裂現象에 관한 硏究도 必要하다. 더욱이 이러한 硏究와 關聯하여 지금까지 國內·外 關聯硏究가 大部分 供試體 水準의 硏究로써 一部 試驗體 境遇를 除外하면 大部分 高溫에 露出된 實構造物에서와 같이 콘크리트 斷面缺損에 의한 構造的 性能低下 等을 考慮하여 最適의 纖維을 選定하기 위한 剖材 水準에서의 硏究는 매우 不足한 實情이다. 따라서, 本 硏究 實驗에서는 短柱 기둥크기를 對象으로 爆裂과 熱的 性狀을 分析하기 위한 實驗과 解析을 遂行 하였다.
一般的으로 高溫을 받는 鐵筋콘크리트 構造物의 解析은 크게 熱應力解析, 水分移動解析 및 爆裂解析으로 區分할 수 있다. 熱應力解析은 熱力學 方程式을 土臺로 外氣溫度條件 下에서 溫度分布를 구한 後 熱膨脹 係數를 利用하여 剖材 內의 應力을 算出하는 方法으로써 高溫에서 鐵筋콘크리트 剖材의 擧動을 糾明할 수 있다. 水分移動 解析은 高溫에 露出된 콘크리트內部 水分의 氣化에의해 發生한 壓力을 算出함으로써 爆裂 可能性을 間接的으로 評價할 수 있으나, 아직 壓力算出 水準으로 爆裂解析도 聯關性이 定立되지 않고 나아가, 提案된 數式 檢證을 위한 實驗 資料가 不足한 短點이 있다.
本 硏究에서는 그동안의 硏究結果 等 事例 調査를 하여 高强度콘크리트 構造物의 爆裂을 低減할 수 있는 方案을 마련하기 위하여 纖維의 種類(PP纖維, PP粉末 및 PVA), 실리카흄 置換率(7%, 14% 및 21%) 및 PP纖維 含有量(0%, 0.1%, 0.2% 및 0.3%)을 變數로 하는 超高强度콘크리트 기둥 實驗體에 대한 耐火實驗과 殘存耐力實驗을 遂行하여 爆裂에 影向을 미치는 各 因子들의 效果를 分析하였으며,
또한, 實用的인 爆裂解析을 위하여 旣存硏究 結果를 土臺로 高溫 時 콘크리트 內部에 發生한 水蒸氣 壓力을 適合條件을 利用하여 熱膨脹係數로 置換한 後 解析 汎用프로그램인 ANSYS을 活用하여 過渡非線形解析 爆裂解析 技法을 構築하고 檢證하였다.
이러한 目的을 위하여 本 論文은 總 6章으로 構成되어 있으며, 1章 序論, 2章 高溫에서의 鐵筋콘크리트 特性, 3章 實驗, 4章 實驗結果 및 分析 5章 高溫을 받는 高强度콘크리트 數値解析, 6章 結論으로 構成되었다.
以上과 같은 콘크리트 實驗, 耐火實驗, 殘存耐力實驗 및 解析을 통하여 다음과 같은 結論을 얻었다.
1. 콘크리트實驗 結果
가. 配合强度 60MPa 實驗體에서 PP纖維를 0.2% 混入한 境遇 適正한 作業性(Workability)을 確保하였으나, 配合强度 120MPa 實驗體에서 PP纖維를 混入한 實驗體의 境遇 슬럼프 低下가 나타났고, PP纖維 대신 PP粉末과 PVA를 混入한 境遇는 콘크리트 슬럼프 값이 15~24㎝로 改善되었다.
나 콘크리트 供試體의 28日 壓軸强度 試驗結果, 60MPa實驗體의 7日 平均값은 72MPa이고, 28日 平均값은 73MPa로 測定되었으며, 120MPa 實驗體의 7日 平均값은 78MPa이고, 28日 壓軸强度는 100MPa로 測定되었다.
2. 耐火實驗 및 殘存耐力 實驗 結果
가. 실리카흄의 含有量에 따른 爆裂發生은 外形的으로 差異가 나지 않았으나, 殘存耐力 實驗結果 실리카흄을 7%, 14% 및 21%로 增加시킬수록 殘存耐力 比는 낮게 나타났다. 그러나 14%에서 21%로 增加할 境遇 殘存耐力比의 減少率은 실리카흄을 7%에서 14%로 增加시킨 境遇보다 적게 나타났다.
나. PP纖維 含有量을 0%에서 0.2%까지 增加시킬 境遇 기둥剖材의 殘存 軸强度比는 68%에서 85%까지 增加하였으나, 0.3%까지 增加시킬 境遇 殘存耐力比의 差異는 거의 나타나지 않았다. 따라서 最適의 PP纖維 含有量은 0.2%가 適切한 것으로 나타났다.
다. 纖維 0.2%의 境遇 殘存强度比는 PP纖維(76%) > PVA纖維(71%) > PP粉末(63%)順으로 殘存强度比를 나타내고 있으나, 슬럼프 測定값은 PVA纖維(24cm) > PP粉末(22.5cm) > PP纖維(0cm) 順으로 나타나고 있어 耐火實驗結果 및 굳지 않은 콘크리트에서의 作業性(Workability)까지 綜合的으로 考慮할 境遇 超高强度콘크리트에서는 PVA가 가장 現場 適用性이 큰 耐火纖維인 것으로 判斷된다.
3. 爆裂解析 結果
가. 콘크리트의 初期爆裂 發生時點 比較에서는 30MPa가 660秒~900秒의 사이에서, 100MPa는 420~480秒의 사이에서 初期爆裂이 發生하여, 高强度콘크리트 일수록 爆裂 發生 時間이 빠르게 나타나고 있음을 알 수 있다. 이는 콘크리트 强度가 增加할수록 낮은 물시멘트比에 따른 水密性의 增加로 壓力 增加 速度가 더욱 빠르게 進行된 것으로 判斷되며, 이러한 結果는 爆裂實驗에서도 類似한 傾向으로 確認 되었다.
나. 同一한 加熱時點의 爆裂發生程度 比較에서는 30MPa에서 보다 100MPa에서 爆裂量이 많이 發生하였다. 이는 旣存의 耐火實驗 結果와 同一한 爆裂樣相으로서 高强度콘크리트에서 爆裂程度가 普通强度콘크리트 보다 많이 나타났다.
다. 高溫 時 콘크리트 內部에 發生한 水蒸氣 壓力을 適合條件을 利用하여 熱膨脹係數로 置換하여 解析을 遂行한 새로운 爆裂解析 技法은 旣存 耐火實驗 結果와 類似한 傾向을 나타내어 向後, 高强度콘크리트 耐火設計를 위한 實用的인 爆裂解析 技法으로서 活用될 것으로 判斷된다.
라. 本 硏究에서 提示된 爆裂解析 技法은 水分移動解析 대신 實測된 水蒸氣 壓力을 利用하고 있어 實驗結果와 比較를 통한 檢證에 限界가 있다. 向後, 高溫 時 콘크리트內部 水蒸氣 壓力의 測定資料를 確保하고 이를 標準化하여 解析技法을 改善할 必要가 있을 것으로 思料된다.
Recently, buildings are getting higher and larger so use of high strength concrete (HSC) is getting increased. In the nation, HSC is being actively used for about 60-storied luxurious houses and high-storied reinforced concrete buildings. This HSC has not only structural advantages, but also excelle...
Recently, buildings are getting higher and larger so use of high strength concrete (HSC) is getting increased. In the nation, HSC is being actively used for about 60-storied luxurious houses and high-storied reinforced concrete buildings. This HSC has not only structural advantages, but also excellent durability and applicability so its use in construction and civil engineering is increasing. However, HSC has some disadvantages, such as brittleness of concretes caused by ultra-strength and occurrence of explosive spalling in fire. Explosive spalling of concrete occurs when concrete structures are exposed to a fire, When a concrete structure is exposed to a fire, that is, when it is under the temperature of over 100℃, moisture in the concrete becomes evaporated and makes steam. At this time, this steam gets confined by the water-densed concrete, the pressure of steam goes up, and the phenomenon of explosive spalling occurs. HSC has lower air permeability than normal strength concrete. Low air permeability causes more serous explosive spalling. Therefore, it is necessary to research and develop technologies to observe HSC's mechanism of explosive spalling, to clarify the factors influencing it, and to find out materialistic and structural countermeasures.
Recently in Korea, use of HSC for high-storied buildings is increasing so people's interest in ultrahigh-storied buildings' safety against a fire is going up too. Research and development of it are actively progressed, and to have a system for application of it is being seriously argued.
The existing ways to control explosive spalling of concrete are: to use a fireproof coat or a fireproof paint to control the temperature of concrete from going up in fire; to insert fibers when pouring concrete (in fire, around 170℃, fibers are melted and pores are made in the space where there are fibers. Through the pores, steam pressure goes out and accordingly, the steam pressure goes down and explosive spalling is controlled); to coat the surface of a material with fiber sheets and metal lath to control concrete from scattering; and to replace the coated part with an explosion-suppressive material of the same strength to control the temperature of concrete and prevent explosion spalling of concrete.
In consideration of the manufacturing process, constructability, and efficiency in its application in the domestic market, this paper employed the second method of inserting fibers as a way to control explosive spalling. However, in the event that PP fiber is inserted into HSC, working performance can go down because of a low rate of water vs. cement for manufacture of HSC so some advanced countries use polyvinyl alcohol fiber or polypropylene powder instead of polypropylene fiber. A way to get both good working performance and a fire-resistant property is being proposed, but a technical fee is too high so it is necessary to research a new method suitable for local circumstances.
In addition, these days, use of silica fume, which is essentially needed for revelation of high strength, is rapidly being increased so a study of explosive spalling should consider a high powder property of silica fume. Most of the existing domestic and overseas studies of it were carried out with a specimen only. There is a lack of the studies carried out with actual materials to choose the best optimum PP content in consideration of a drop in structural performance caused by ineffective concrete sections which can happen in real structures exposed to high temperature. Therefore, this paper tested and interpreted thermal appearance of explosive spalling, using a pillar-sized specimen.
In general, the numerical analysis of reinforced concrete structures, which are exposed to high temperature, can be divided into thermal stress numerical analysis, mass movement numerical analysis, and explosive spalling numerical analysis. Thermal stress numerical analysis is to get temperature distribution under external air temperature on the basis of the equation of thermodynamics, and then, to calculate stress in concrete by use of coefficient of thermal expansion of concrete. It can clarify movements of reinforced concrete at high temperature. Moisture movement numerical analysis is to calculate the pressure coming from evaporation of moisture in concrete exposed to high temperature and then, to indirectly evaluate a possibility of explosive spalling. However, it still remains at the level of pressure calculation. It has not clarified a connection with numerical numerical analysis of explosive spalling and it is short of test materials for verification of proposed formulae.
This paper studied the existing research cases and in order to find out a way to reduce explosive spalling of high strength concrete structures, it performed a fireproof test and a residual strength test with ultra-high strength concrete pillar specimens, having variables of the kinds of fiber (PP fiber, PP powder, and PVA), the replacement ratio of silica fume (7%, 14%, 21%), and the content of PP fiber (0%, 0.1%, 0.2%, 0.3%). Through the tests, it analyzed the effects of each variable on explosive spalling.
In addition, for practical numerical analysis of explosive spalling, this paper, on the basis of the existing research results, replaced the steam pressure, which occurs inside of concrete at high temperature, into coefficient of thermal expansion by use of suitability condition, constructed a unsteady non-line type explosive spalling numerical analysis technique, and verified, using ANSYS, which is a universal numerical analysis program.
Through the tests and the numerical analysis of concrete, fireproof, and residual strength, the following conclusions could be made:
1. Results of the concrete test
a. In the case of inserting PP fiber, 0.2%, into a specimen whose required average strength is 60MPa, proper workability was obtained, but in the case of inserting PP fiber into a specimen whose required average strength is 120MPa, slump drop was found. In the event of inserting PP powder and PVA instead of PP fiber, the value of concrete slump was improved to 15~24cm.
b. As a result of testing 28-day compression strength of a specimen, the specimen with 70MPa showed an average value of 72MPa on the 7th day and 73MPa on the 28th day. The specimen with 120MPa showed an average value of 78MPa on the 7th day and 100MPa on the 28th day.
2. Results of fireproof test and residual strength test
a. There was no external difference in explosive spalling, depending on the content of silica fume, but as a result of the residual strength test, as the content of silica fume increased to 7%, 14%, and 21%, the residual strength went lower. However, in the event that it increased to 21% from 14%, a reduction of residual strength was smaller than that of the case it increased from 7% to 14%.
b. In the event that the content of PP fiber increased to 0.2% from 0%, the residual axial strength ratio of a concrete pillar increased to 85% from 68%, but when the content increased to 0.3%, there was no difference in the residual strength ratio, which means that max. 0.2% of PP fiber content is suitable.
c. In the event that the content of fiber is 0.2%, the residual strength ratio was 76% for PP fiber, 71% for PVA, and 63% for PP powder, but the slump measurement was 24cm for PVA fiber, 22.5cm for PP powder, and 0cm for PP fiber. In the case of generally considering the fireproof test results and the workability of not-hardened concrete, it is judged that PVA is a fireproof fiber that has the greatest jobsite applicability for ultra-high strength concrete.
4. Results of explosive spalling numerical analysis
a. In the comparison of the time when explosive spalling of concrete occurs first, 30MPa had it between 660~900 seconds and 100MPa had it between 420~480 seconds. The stronger concrete was, the faster explosive spalling occurred. It means that as the strength of concrete increases, water density increases because of a low rate of water vs. cement, which promotes pressure increases fast. This result was found too in the test of explosive spalling.
b. In the comparison of the extent of explosive spalling at the same heating time, 100MPa had more explosive spalling than 30MPa, which is same as the result of the fireproof test. The stronger concrete was, the more serious explosive spalling was.
c. The new explosive spalling numerical analysis technique - replacing the pressure of steam, which is made in concrete under high temperature, into coefficient of thermal expansion of concrete by use of suitability condition - showed similar results with those of the existing fireproof test so the numerical analysis technique is judged to be used as a practical explosive spalling numerical analysis technique for fireproof design of high strength concrete.
d. The explosive spalling numerical analysis technique proposed by this paper uses the steam pressure that is actually measured, instead of the mass movement analysis so its test results have some limitations in the verification through comparison. It will be necessary to improve the analysis technique by obtaining measuring information on the steam pressure inside concrete at high temperature and by standardizing it.
Recently, buildings are getting higher and larger so use of high strength concrete (HSC) is getting increased. In the nation, HSC is being actively used for about 60-storied luxurious houses and high-storied reinforced concrete buildings. This HSC has not only structural advantages, but also excellent durability and applicability so its use in construction and civil engineering is increasing. However, HSC has some disadvantages, such as brittleness of concretes caused by ultra-strength and occurrence of explosive spalling in fire. Explosive spalling of concrete occurs when concrete structures are exposed to a fire, When a concrete structure is exposed to a fire, that is, when it is under the temperature of over 100℃, moisture in the concrete becomes evaporated and makes steam. At this time, this steam gets confined by the water-densed concrete, the pressure of steam goes up, and the phenomenon of explosive spalling occurs. HSC has lower air permeability than normal strength concrete. Low air permeability causes more serous explosive spalling. Therefore, it is necessary to research and develop technologies to observe HSC's mechanism of explosive spalling, to clarify the factors influencing it, and to find out materialistic and structural countermeasures.
Recently in Korea, use of HSC for high-storied buildings is increasing so people's interest in ultrahigh-storied buildings' safety against a fire is going up too. Research and development of it are actively progressed, and to have a system for application of it is being seriously argued.
The existing ways to control explosive spalling of concrete are: to use a fireproof coat or a fireproof paint to control the temperature of concrete from going up in fire; to insert fibers when pouring concrete (in fire, around 170℃, fibers are melted and pores are made in the space where there are fibers. Through the pores, steam pressure goes out and accordingly, the steam pressure goes down and explosive spalling is controlled); to coat the surface of a material with fiber sheets and metal lath to control concrete from scattering; and to replace the coated part with an explosion-suppressive material of the same strength to control the temperature of concrete and prevent explosion spalling of concrete.
In consideration of the manufacturing process, constructability, and efficiency in its application in the domestic market, this paper employed the second method of inserting fibers as a way to control explosive spalling. However, in the event that PP fiber is inserted into HSC, working performance can go down because of a low rate of water vs. cement for manufacture of HSC so some advanced countries use polyvinyl alcohol fiber or polypropylene powder instead of polypropylene fiber. A way to get both good working performance and a fire-resistant property is being proposed, but a technical fee is too high so it is necessary to research a new method suitable for local circumstances.
In addition, these days, use of silica fume, which is essentially needed for revelation of high strength, is rapidly being increased so a study of explosive spalling should consider a high powder property of silica fume. Most of the existing domestic and overseas studies of it were carried out with a specimen only. There is a lack of the studies carried out with actual materials to choose the best optimum PP content in consideration of a drop in structural performance caused by ineffective concrete sections which can happen in real structures exposed to high temperature. Therefore, this paper tested and interpreted thermal appearance of explosive spalling, using a pillar-sized specimen.
In general, the numerical analysis of reinforced concrete structures, which are exposed to high temperature, can be divided into thermal stress numerical analysis, mass movement numerical analysis, and explosive spalling numerical analysis. Thermal stress numerical analysis is to get temperature distribution under external air temperature on the basis of the equation of thermodynamics, and then, to calculate stress in concrete by use of coefficient of thermal expansion of concrete. It can clarify movements of reinforced concrete at high temperature. Moisture movement numerical analysis is to calculate the pressure coming from evaporation of moisture in concrete exposed to high temperature and then, to indirectly evaluate a possibility of explosive spalling. However, it still remains at the level of pressure calculation. It has not clarified a connection with numerical numerical analysis of explosive spalling and it is short of test materials for verification of proposed formulae.
This paper studied the existing research cases and in order to find out a way to reduce explosive spalling of high strength concrete structures, it performed a fireproof test and a residual strength test with ultra-high strength concrete pillar specimens, having variables of the kinds of fiber (PP fiber, PP powder, and PVA), the replacement ratio of silica fume (7%, 14%, 21%), and the content of PP fiber (0%, 0.1%, 0.2%, 0.3%). Through the tests, it analyzed the effects of each variable on explosive spalling.
In addition, for practical numerical analysis of explosive spalling, this paper, on the basis of the existing research results, replaced the steam pressure, which occurs inside of concrete at high temperature, into coefficient of thermal expansion by use of suitability condition, constructed a unsteady non-line type explosive spalling numerical analysis technique, and verified, using ANSYS, which is a universal numerical analysis program.
Through the tests and the numerical analysis of concrete, fireproof, and residual strength, the following conclusions could be made:
1. Results of the concrete test
a. In the case of inserting PP fiber, 0.2%, into a specimen whose required average strength is 60MPa, proper workability was obtained, but in the case of inserting PP fiber into a specimen whose required average strength is 120MPa, slump drop was found. In the event of inserting PP powder and PVA instead of PP fiber, the value of concrete slump was improved to 15~24cm.
b. As a result of testing 28-day compression strength of a specimen, the specimen with 70MPa showed an average value of 72MPa on the 7th day and 73MPa on the 28th day. The specimen with 120MPa showed an average value of 78MPa on the 7th day and 100MPa on the 28th day.
2. Results of fireproof test and residual strength test
a. There was no external difference in explosive spalling, depending on the content of silica fume, but as a result of the residual strength test, as the content of silica fume increased to 7%, 14%, and 21%, the residual strength went lower. However, in the event that it increased to 21% from 14%, a reduction of residual strength was smaller than that of the case it increased from 7% to 14%.
b. In the event that the content of PP fiber increased to 0.2% from 0%, the residual axial strength ratio of a concrete pillar increased to 85% from 68%, but when the content increased to 0.3%, there was no difference in the residual strength ratio, which means that max. 0.2% of PP fiber content is suitable.
c. In the event that the content of fiber is 0.2%, the residual strength ratio was 76% for PP fiber, 71% for PVA, and 63% for PP powder, but the slump measurement was 24cm for PVA fiber, 22.5cm for PP powder, and 0cm for PP fiber. In the case of generally considering the fireproof test results and the workability of not-hardened concrete, it is judged that PVA is a fireproof fiber that has the greatest jobsite applicability for ultra-high strength concrete.
4. Results of explosive spalling numerical analysis
a. In the comparison of the time when explosive spalling of concrete occurs first, 30MPa had it between 660~900 seconds and 100MPa had it between 420~480 seconds. The stronger concrete was, the faster explosive spalling occurred. It means that as the strength of concrete increases, water density increases because of a low rate of water vs. cement, which promotes pressure increases fast. This result was found too in the test of explosive spalling.
b. In the comparison of the extent of explosive spalling at the same heating time, 100MPa had more explosive spalling than 30MPa, which is same as the result of the fireproof test. The stronger concrete was, the more serious explosive spalling was.
c. The new explosive spalling numerical analysis technique - replacing the pressure of steam, which is made in concrete under high temperature, into coefficient of thermal expansion of concrete by use of suitability condition - showed similar results with those of the existing fireproof test so the numerical analysis technique is judged to be used as a practical explosive spalling numerical analysis technique for fireproof design of high strength concrete.
d. The explosive spalling numerical analysis technique proposed by this paper uses the steam pressure that is actually measured, instead of the mass movement analysis so its test results have some limitations in the verification through comparison. It will be necessary to improve the analysis technique by obtaining measuring information on the steam pressure inside concrete at high temperature and by standardizing it.
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