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문제 정의
- 그러므로, 본 연구에서는 고성능 콘크리트로 제조된 RC 기둥부재, 내화피복, 석재붙임 등 마감재 변수 및 RC기둥 내부에 폴리프로필렌 섬유(이하 PP 섬유)를 혼입한 부재에 대한 내화실험을 실시하여 폭열성상 및 잔존 압축강도 등 내화특성을 검토하고자 한다.
제안 방법
- 즉, 실험요인으로 W/B는 호칭강도 40MPa 의 실무시공조건을 고려하여 플라이애쉬를 15% 치환한 34%의 1수준에 대하여 RC 기둥부재로 상정한 300x300x6001皿의 부재를 제작한 후 마감을 하지 않은 플레인과 기존연구에서 효율성이 입증된 PP 섬유를 0.1% 혼입한 경우 및 마감재 변화로 내화도료, 내화뿜칠, 석고보드, 대리석 및 내화 PC판의 7수준을 제작하였다. 이 때, 플레인, PP섬유를 0.
- 1% 혼입한 경우 및 마감재 변화로 내화도료, 내화뿜칠, 석고보드, 대리석 및 내화 PC판의 7수준을 제작하였다. 이 때, 플레인, PP섬유를 0.1% 혼입한 경우, 내화 PC판에 대하여는 300x300x3, 000 1의 실기둥 부재를 제작하여 재하가열시험을 병행하였다.
- 이때, 플레인은 목표 슬럼프플로우를 고유동 콘크리트의 범위인 600±100mm, 목표 공기량 4.5±1.5%를 만족하도록 배합설계 하였고, PP섬유 혼입에 따라서도 동일하게 적용하였다. 굳지않은 콘크리트 및 경화 콘크리트의 실험사항은 Table 1과 같고, 콘크리트의 배합사항은 Table 2와 같다.
- 본 연구의 실험방법으로 콘크리트의 혼합은 강제식 팬 타입 믹서를 사용하여 혼합하였다. 굳지않은 콘크리트의 실험으로 슬럼프는 KS F 2402 규정에 의거 실시하였고, 슬럼프플로우는 슬럼프 측정이 끝난 후 최대직경과 이에 직교하는 직경의 평균치로 하였으며, 공기량 및 단위용적질량은 KS F 2421 및 2409의 규정에 따라 실시하였다.
- RC 기둥부재는 Fig. 2와 같이 철근조립 후 거푸집을 제작한 다음 콘크리트를 부어넣고 양생을 실시한 후 실험계획 된 마감재 종류별에 따라 PhGtB 1과 같이 제조하였다.
- 경화 콘크리트의 실험으로 압축강도는 KS F 2405 에 의거 실시하였고, 내화시험은 20±3℃에서 14일 살수 양생한 후 기중 건조한 다음 마감재 종류에 따라 실무환경으로 시공한 RC 기둥부재 (300x300x600) 를 Photo 2와 같이 한국건설기술연구원의 바닥용 가열로 내에 수직으로 배치하였고, 재하가열시험을 위한 기둥 부재(300x300x3, 000)는 Photo 3과 같이 기둥 가열로 내에 수직으로 배치한 후 최대설계 축하중의 50%(952.8 kN)를 재하한 후 Fig. 3과 같이 KS F2257-1에서 규정한 표준가열곡선으로 3시간 가열을 실시하는 것으로 하였다 이때, 플레인 및 PP섬유를 0.1% 혼입한 재하가열 기둥부재는 중심과 단부에 K 타입 열전대를 매설하여 데이터로거로 온도이력을 측정하였다 내화시험 후 마감재 변화에 따른 RC 기둥 부재의 폭열여부는 육안으로 관찰하여 조사하였고, 잔존 압축강도는 RC 기둥부재를 코어채취하여 24시간이 지난 후 KS F 2405에 의거 측정하였으며, 중량감소율은 내화시험 전후 각 시험체의 중량을 측정하여 백분율로 구하였다.
- 또한 폭열깊이는 RC 기둥부재의 4면 및 모서리에 대한 최대 폭열깊이의 평균치로 구하였고, 폭열발생 면적율은 폭열면적을 RC 기둥부재의 전체면적으로 나눈 백분율로 구하였으며, 중성화 깊이는 1% 페놀프탈레인 알콜용액을 시험체 절단면에 분무하여 무색 부분을 중성화로 간주하여 평균적인 중성화 깊이를 구하였다.
- 본 연구는 고성능 콘크리트로 시공된 건축물의 플레인, PP섬유를 0.1% 혼입한 경우 및 마감재 변화에 따른 RC 기둥부재에 대하여 내화시험을 실시한 후 폭열 및 내화특성과 잔존 압축강도 등을 분석한 것으로, 그 실험결과를 요약하면 다음과 같다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용한 시멘트는 국내산 보통 포틀랜드시멘트를 사용하였고, 골재로써 잔골재는 경남 창녕군현창산 강모래, 굵은골재는 경남 진해시 용원산 25 mm 부순 굵은골재를 사용하였다. 혼화재료로 고성능 감수제는 국내산 B사의 폴리칼본산계, 플라이 애쉬는 보령 화력산을 사용하였는데, 각 재료의 물리적 성질은 Table 3~6과 같다.
- 부순 굵은골재를 사용하였다. 혼화재료로 고성능 감수제는 국내산 B사의 폴리칼본산계, 플라이 애쉬는 보령 화력산을 사용하였는데, 각 재료의 물리적 성질은 Table 3~6과 같다. 또한 PP섬유를 혼입한 기둥의 경우 PP섬유의 물리적 성질은 Table 7과 같고, 마감재로 내화도료(두께 11, 밀도 1.
- 혼화재료로 고성능 감수제는 국내산 B사의 폴리칼본산계, 플라이 애쉬는 보령 화력산을 사용하였는데, 각 재료의 물리적 성질은 Table 3~6과 같다. 또한 PP섬유를 혼입한 기둥의 경우 PP섬유의 물리적 성질은 Table 7과 같고, 마감재로 내화도료(두께 11, 밀도 1.26g/E, 흰색, 고형분 70%), 내화뿜칠(두께 201, 밀도 0.35, 부착 강도 67 MPa)은 건설기술 연구원에서 내화구조 인정서를 획득한 제품을 사용하였다. 석고보드(두께 9.
- 35, 부착 강도 67 MPa)은 건설기술 연구원에서 내화구조 인정서를 획득한 제품을 사용하였다. 석고보드(두께 9.5 1, 함수율0.5%, 열저항 0.072 m'kW, 난연 2급) 및 대리석(아프리칸 레드)은 국내에서 시판되는 일반적인 것을 사용하였으며, 내화 PC판(두께 301)은 PP섬유를 혼입한 모르터 배합 1:2에 유리 섬유망을 보강하여 제작한 것을 사용하였다.
이론/모형
- 믹서를 사용하여 혼합하였다. 굳지않은 콘크리트의 실험으로 슬럼프는 KS F 2402 규정에 의거 실시하였고, 슬럼프플로우는 슬럼프 측정이 끝난 후 최대직경과 이에 직교하는 직경의 평균치로 하였으며, 공기량 및 단위용적질량은 KS F 2421 및 2409의 규정에 따라 실시하였다.
성능/효과
- 먼저, 플레인 및 PP섬유를 혼입한 콘크리트는 목표 슬럼프 플로우 600±100rn 및 목표 공기량 4.5±1.5% 의 범위를 만족하였고, PP섬유를 0.1% 혼입한 경우는 섬유의 엉킴현상으로 유동성이 다소 저하하였지만, 공기량 및 단위용적질량은 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.
- 노출되었다. 마감재 변화에 따른 폭열특성으로 먼저, 내화도료 마감은 모서리를 중심으로 파괴폭열이 발생하였으나, 화재 시 내화도료의 발포작용으로 고온을 차단하여 일부 건전한 면도 존재하는 것으로 나타나, 기타 마감재보다 폭열방지 효과가 양호함을 알 수 있었다. 내화뿜칠 마감은 철근이 노출되는 심한 파괴폭열로 큰 효과가 없었는데, 특히, 습식공법인 뿜칠재에 포함되어 있는 수분이 RC 기둥부재의 내부 수증기압을 증가시키는 요인으로 작용하여 플레인보다 더욱 심한 파괴 폭열이 발생한 것으로 분석된다.
- 내화뿜칠 마감은 철근이 노출되는 심한 파괴폭열로 큰 효과가 없었는데, 특히, 습식공법인 뿜칠재에 포함되어 있는 수분이 RC 기둥부재의 내부 수증기압을 증가시키는 요인으로 작용하여 플레인보다 더욱 심한 파괴 폭열이 발생한 것으로 분석된다. 또한, 석고보드, 대리석 및 내화 PC판으로 마감한 경우는 마감재 시공시 사용한 접착본드 및 철재 결합재(Fastener)가 고온에 의해 기능이 상실 되므로써, 마감재가 탈락하여 콘크리트 표면이 고온에 노출되어 폭열방지에 큰 효과가 없는 것으로 나타났다.
- 먼저, 플레인은 심한 파괴폭열로 철근이 노출되었고, 이후 철근이 고온을 받으므로써 구조내력이 저하하여 재하가열시험 2시간만에 Photo 6과 같이 주근이 좌굴되어 붕괴되었으며, 내화 PC판은 플레인과 유사한 경향으로 파괴폭열이 발생하였으나, 재하가열시험 1시간 40분으로 플레인보다 오히려 빠른 시간에 붕괴되었다. 이는 내화 PC판이 재하가열시험 초기 내화 PC판에 의해 고온이 차단되었으나, 계속적인 고온에 의해 고정철물이 기능을 상실하여 내화 PC 판이 탈락하므로써 갑작스런 고온이 콘크리트 표면에 접하면서 더욱 심한 파괴폭열과 함께 철근이 노출되어 플레인 보다 다소 빠른시간에 붕괴된 것으로 사료된다.
- 이는 내화 PC판이 재하가열시험 초기 내화 PC판에 의해 고온이 차단되었으나, 계속적인 고온에 의해 고정철물이 기능을 상실하여 내화 PC 판이 탈락하므로써 갑작스런 고온이 콘크리트 표면에 접하면서 더욱 심한 파괴폭열과 함께 철근이 노출되어 플레인 보다 다소 빠른시간에 붕괴된 것으로 사료된다. 한편, PP섬유를 0.1% 혼입한 RC기등은 효과적으로 폭열이 방지되어 기둥부재의 형상을 그대로 유지하고, 하중지지력이 축방향 수축한계를 초과하지 않으면서 3 시간 내화시험을 만족하는 것으로 나타났다.
- 먼저, 기둥 가열로 내부온도는 표준가열곡선을 만족하는 온도이력으로 나타났고, 마감이 없는 플레인 기둥의 온도이력은 피복두께 401皿의 띠철근 위치에 매설한 단부의 경우 가열시간 30분 이후, 중앙부분은 90분 이후부터 온도가 급격히 상승하였는데, 이는 폭열에 의해 피복 콘크리트가 탈락한 것에 기인하여 단부 및 중앙부의 온도가 급격히 상승한 것으로 판단된다 또한, 플레인은 계속적인 폭열발생으로 Photo 5 와 같이 철근이 노출되어 가열시간 60분 이후부터 강재의 허용온도인 500℃를 초과하였고, 이후 계속적인 온도상승으로 구조내력이 상실되어 120분만에 플레인 기둥부재가 붕괴되었다.
- 한편, PP섬유를 0.1% 혼입한 RC 기둥은 PP 섬유에 의한 폭열방지 효과로 단부 및 중앙부 모두 가열로내 온도상승에 따라 비례적으로 증가하였고, 단부의 경우 가열시간 150분부터 강재의 허용온도를 초과하였으나, 3시간 내화는 만족하였다. 이때, 3시간 내화시험 후의 단부 최고온도는 590℃, 중앙부 최고온도는 220C 로 나타났다.
- RC 기둥부재의 중량감소율은 마감재 변화에 따른 폭열과 관련하여 내화도료가 가장 작게 나타났고, 다음으로 플레인, 석고보드, 내화뿜칠, 내화 PC판, 대리석 마감 순이었다. 단 내화 PC판 및 대리석 마감은 내화뿜칠보다 폭열발생이 적었으나, 마감재의 탈락에 의해 상대적으로 중량감소율이 크게 발생한 것으로 분석된다.
- 먼저, RC 기둥부재의 폭열깊이는 전반적으로 표면보다 모서리에서 깊게 발생하는 것으로 나타났는데, 이는 모서리인 경우 2면 가열에 의한 급격한 온도상승 및 내부 수증기압의 영향으로 폭열이 더 심하게 발생한 것으로 사료된다. 또한, 폭열발생 면적율은 내화도료가 전체 가열면의 20% 정도로 가장 적게 발생하였고, 내화뿜칠은 85% 정도로 가장 심하게 발생하였다.
- 것으로 사료된다. 또한, 폭열발생 면적율은 내화도료가 전체 가열면의 20% 정도로 가장 적게 발생하였고, 내화뿜칠은 85% 정도로 가장 심하게 발생하였다. 기타 마감재는 50~60% 정도였다.
- 코어채취가 불가능하였다. 이때, 잔존 압축 강도율은 플레인과 대리석 마감의 경우 22%, 석고보드는 30%, 내화도료 및 내화 PC판은 35% 전후로 나타났으며, PP섬유를 0.1% 혼입한 경우는 42%로 가장 양호하였다.
- 따라서, 본 실험조건과 같은 기존 건축물의 마감 재변화는 고성능 RC 기둥부재의 화재시 폭열방지에 큰 효과가 없으며, 내화성능도 잔존 압축강도율이 35% 이하로 크지 않아, 별도의 폭열방지 및 내화성능을 향상시킬 수 있는 방안이 요구되었다.
- 1) 고성능 RC 기둥부재의 폭열 특성으로, 마감이 없는 플레인은 심한 파괴폭열과 함께 철근이 노출되었고, PP섬유를 0.1% 콘크리트에 혼입한 경우는 양호한 폭열방지성능을 발휘하였다. 또한, 마감재 변화에 따라서는 내화도료 마감이 기타 마감 재료보다 폭열방지에 효과적이었고, 습식공법인 내화뿜칠은 플레인보다 심한 파괴폭열이 발생하였으며, 석고보드, 대리석 및 내화 PC판은 마감재 시공시 사용한 접착본드 및 고정철물이 고온에 의해 기능이 상실되므로써, 마감재가 탈락하여 폭열방지에 큰 효과가 없는 것으로 나타났다.
- 1% 콘크리트에 혼입한 경우는 양호한 폭열방지성능을 발휘하였다. 또한, 마감재 변화에 따라서는 내화도료 마감이 기타 마감 재료보다 폭열방지에 효과적이었고, 습식공법인 내화뿜칠은 플레인보다 심한 파괴폭열이 발생하였으며, 석고보드, 대리석 및 내화 PC판은 마감재 시공시 사용한 접착본드 및 고정철물이 고온에 의해 기능이 상실되므로써, 마감재가 탈락하여 폭열방지에 큰 효과가 없는 것으로 나타났다.
- 2) 실기둥부재를 대상으로 재하가열시험을 실시한 플레인 및 내화 PC판은 심한 파괴폭열로 철근이 노출되어 고온을 받으므로써 구조내력이 저하하여 2 시간 및 1시간 40분만에 주근이 좌굴되어 붕괴되었으나, PP섬유를 0.1% 혼입한 RC기둥은 효과적인 폭열 방지로 붕괴되지 않고 하중지지력이 수 방향 수축한계를 초과하지 않으면서 3시간 내화시험을 만족하였다.
- 3) 마감재 변화에 따른 내화시험 후 중량감소율은 폭열과 관련하여 내화도료가 가장 작게 나타났고, 다음으로 플레인, 석고보드, 내화뿜칠 내화 PC판, 대리석 마감 순이었으며, PP섬유를 0.1% 혼입한 경우는 가열건조의 영향으로 7% 전후로 나타났다. 또한 폭열깊이는 전반적으로 표면보다 모서리에서 깊게 나타났고, 폭열발생면적율은 내화뿜칠이 전체 가열면의 85% 정도, 내화도료가 20% 정도, 기타 마감재는 50~60% 정도였으며, 중성화 깊이는 마감재 변화 및 PP섬유 혼입에 관계없이 6~8mm 정도로 유사한 경향이었다.
- 1% 혼입한 경우는 가열건조의 영향으로 7% 전후로 나타났다. 또한 폭열깊이는 전반적으로 표면보다 모서리에서 깊게 나타났고, 폭열발생면적율은 내화뿜칠이 전체 가열면의 85% 정도, 내화도료가 20% 정도, 기타 마감재는 50~60% 정도였으며, 중성화 깊이는 마감재 변화 및 PP섬유 혼입에 관계없이 6~8mm 정도로 유사한 경향이었다.
- 4) 마감재 변화에 따른 RC 기둥부재의 잔존 압축강도는 폭열 및 팽창압에 의한 내부 균열로 크게 저하하였는데, 이때, 잔존 압축강도율은 플레인과 대리석 마감의 경우 22%, 석고보드는 30%, 내화도료 및 내화 PC판은 35% 전후로 나타났으며, PP 섬유를 0.1% 혼입한 경우는 42%로 가장 양호하였다.
- 이상을 종합하면, 고성능 콘크리트를 사용한 RC 기둥은 화재시 심한 파괴폭열이 발생하였으나, PP 섬유를 혼입한 경우는 폭열방지 뿐만 아니라 3시간 재하가열시험도 만족하였고, 마감재 변화에 따른 기존 건축물의 고성능 RC 기둥은 화재시 폭열방지 및 내화성능에 큰 효과가 없는 것으로 밝혀져, 별도의 폭열방지 및 내화성능을 향상시킬 수 있는 방안이 요구되었다.
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