화재시 고강도콘크리트의 폭렬현상을 막고 내부철근 온도의 상승을 억제하기 위하여 폴리프로필렌섬유와 강 섬유를 동시에 사용하는 섬유혼입공법을 제안하였다. 섬유혼입공법을 40~100 MPa 고강도콘크리트 배합에 적용하여 가 열재하방법으로 열적특성을 평가한 후 내화성능을 평가하기 위하여 구조부재에 내화시험을 실시하였다. 2기의 기둥시 험체를 제작하여 ISO 834 표준내화곡선에 따라 180분 비재하 내화시험을 실시하였다. 폭렬은 발생하지 않았으며, 표면 부의 색은 분홍색을 띤 회색으로 변했다. 깊이 60 mm부터 내부 콘크리트의 온도가 급감하였으며, 60분 가열 후 온도구 배는 보통콘크리트보다 5배 적은 2.2oC/mm로 측정되었다. 180분 내화시험 후의 최종온도는 모서리철근이 488.0oC, 중앙 철근이 350.9oC이며, 철근의 총 평균온도는 419.5oC이다. 모서리철근과 중앙철근의 평균온도차는 137.1oC였다. 가열 후 100~150oC부근에서 콘크리트와 철근의 온도상승추세가 변하는데 이는 강섬유와 폴리프로필렌섬유를 혼입한 콘크리트의 온도구배가 낮고, 철근으로의 수분이동과 내부 수분의 막힘현상, 그리고 수분의 기화열 때문이다.
화재시 고강도콘크리트의 폭렬현상을 막고 내부철근 온도의 상승을 억제하기 위하여 폴리프로필렌섬유와 강 섬유를 동시에 사용하는 섬유혼입공법을 제안하였다. 섬유혼입공법을 40~100 MPa 고강도콘크리트 배합에 적용하여 가 열재하방법으로 열적특성을 평가한 후 내화성능을 평가하기 위하여 구조부재에 내화시험을 실시하였다. 2기의 기둥시 험체를 제작하여 ISO 834 표준내화곡선에 따라 180분 비재하 내화시험을 실시하였다. 폭렬은 발생하지 않았으며, 표면 부의 색은 분홍색을 띤 회색으로 변했다. 깊이 60 mm부터 내부 콘크리트의 온도가 급감하였으며, 60분 가열 후 온도구 배는 보통콘크리트보다 5배 적은 2.2oC/mm로 측정되었다. 180분 내화시험 후의 최종온도는 모서리철근이 488.0oC, 중앙 철근이 350.9oC이며, 철근의 총 평균온도는 419.5oC이다. 모서리철근과 중앙철근의 평균온도차는 137.1oC였다. 가열 후 100~150oC부근에서 콘크리트와 철근의 온도상승추세가 변하는데 이는 강섬유와 폴리프로필렌섬유를 혼입한 콘크리트의 온도구배가 낮고, 철근으로의 수분이동과 내부 수분의 막힘현상, 그리고 수분의 기화열 때문이다.
To prevent the explosive spalling of the high strength concrete and control the rise of temperature in the steel rebar during fire, a fiber cocktail method has been proposed simultaneously with the use of polypropylene and steel fiber. After applying the fiber cocktail (polypropylene and steel fiber...
To prevent the explosive spalling of the high strength concrete and control the rise of temperature in the steel rebar during fire, a fiber cocktail method has been proposed simultaneously with the use of polypropylene and steel fiber. After applying the fiber cocktail (polypropylene and steel fibers) into the mixture of high strength concrete with a compressive strength of between 40 and 100 MPa and evaluating the thermal properties at elevated temperatures, the fire test was carried out on structural members in order to evaluate the fire resistance performance. Two column specimens were exposed to the fire without loading for 180 minutes based on the standard curve of ISO-834. No explosive spalling has been observed and the original color of specimen surface was changed to light pinkish grey. The inner temperature of concrete dropped rapidly starting from 60mm deep. After 60 minutes of exposure to the fire, the temperature gradient of fiber cocktail reinforced high strength concrete was measured as 2.2oC/mm, which is approximately 5 times less than that of normal concrete. The final temperatures of steel rebar after 180 minutes of fire test resulted in 488.0oC for corner rebar, 350.9oC for center rebar, and 419.5oC for total mean of steel rebar. The difference of mean temperature between corner and center rebar was 137.1oC The tendency of temperature rise in concrete and steel rebar changed between 100oC and 150oC The cause of decrease in temperature rise was due to the water vaporization in concrete, the lower temperature gradient of the concrete with steel and polypropylene fiber cocktails, the moisture movement toward steel rebars and the moisture clogging.
To prevent the explosive spalling of the high strength concrete and control the rise of temperature in the steel rebar during fire, a fiber cocktail method has been proposed simultaneously with the use of polypropylene and steel fiber. After applying the fiber cocktail (polypropylene and steel fibers) into the mixture of high strength concrete with a compressive strength of between 40 and 100 MPa and evaluating the thermal properties at elevated temperatures, the fire test was carried out on structural members in order to evaluate the fire resistance performance. Two column specimens were exposed to the fire without loading for 180 minutes based on the standard curve of ISO-834. No explosive spalling has been observed and the original color of specimen surface was changed to light pinkish grey. The inner temperature of concrete dropped rapidly starting from 60mm deep. After 60 minutes of exposure to the fire, the temperature gradient of fiber cocktail reinforced high strength concrete was measured as 2.2oC/mm, which is approximately 5 times less than that of normal concrete. The final temperatures of steel rebar after 180 minutes of fire test resulted in 488.0oC for corner rebar, 350.9oC for center rebar, and 419.5oC for total mean of steel rebar. The difference of mean temperature between corner and center rebar was 137.1oC The tendency of temperature rise in concrete and steel rebar changed between 100oC and 150oC The cause of decrease in temperature rise was due to the water vaporization in concrete, the lower temperature gradient of the concrete with steel and polypropylene fiber cocktails, the moisture movement toward steel rebars and the moisture clogging.
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문제 정의
본 연구에서는 폴리프로필렌 섬유와 강섬유를 혼입한 고강도 콘크리트 기등의 내화성능을 검증하기 위하여 2 기의 동일한 기둥 시험체를 제작하여 ISO 834 표준 내화 곡선에 따라 180분 비재하 내화시험을 실시하였다.
이 연구는 섬유 혼입 공법을 사용한 설계 강도 80 MPa의 고강도 콘크리트로 제작한 기 등에 대한 비재하 내화실험을 실시하여 내화성능을 평가하기 위한 것으로, 콘크리트 내의 온도구배 (temperature gradient)와 온도분포, 종방향 철근 중심부의 온도분포 등을 측정하였다.
이에 대한 후속 연구인 본 연구에서는 섬유 혼입 공법을 적용한 고강도콘크리트 기 등에 대한 비재하 내화시험을 실시하여 콘크리트내의 온도구배 (temperature gradient) 와 온도분포, 종방향철근 중심부의 온도분포, 그리고 폭렬발생여부 등의 내화성능을 평가하고자 한다.
가설 설정
이러한 수분의 이동과 막힘현상으로 철근의 온도가 일시적으로 상승하지 못하는 현상이 일어나게 된다.16) 폴리프로필렌섬유가 녹은 통로로 수증기가 빠져나가지 못하게 되면 내부 공극압에 의해 폭렬이 발생해서 철근의 온도가 수분 막힘현상과 기화열에도 불구하고 급격히 상승하게 된다.
1) 50 MPa 이상의 고강도콘크리트 사용이 빈번한 국내의 경우도 이에 대한 대책이 필요하게 되어 고강도 콘크리트의 내부 종 방향 철근에 대하여 온도로 내화성능을 평가하는 관리기준을 신설하게 되었다.2) 이 기준을 만족하기 위해서는 고강도 콘크리트의 폭렬억제 뿐만 아니라 내부 철근 온도의 상승을 억제해야 한다. 이러한 고강도콘크리트의 화재 시 폭렬을 막기 위하여 다양한 연구가 진행되고 있으며, 폴리프로필렌(polypropylene) 섬유3, 4) 또는 강섬유5-7)를 사용한 많은 연구가 수행되어 폭렬제어성능을 입증하였다.
제안 방법
실시하였다. ISO-834 표준화재 가열곡선을 적용하였으며, 180분간 비재하 내화시험을 실시하였다. 28일 압축강도는 55 MPa이 며 , 91일 강도는 84 MPa이다.
고강도 콘크리트의 폭렬을 방지하기 위해 폴리프로필렌 섬유와 강섬유를 배합 강도, 시공성 그리고 경제성을 고려하여 최적의 양을 혼입하였다. 사용된 각각의 섬유 특성을 Table 1에 정리하였다.
기둥 시험체의 상단, 중단 그리고 하단에 설치한 열전대의 깊이별 콘크리트 온도를 측정하였다. Fig.
선행연구에서 폭렬억제와 철근의 온도상승을 막기 위하여 폴리프로필렌섬유와 강섬유를 동시에 사용하는 섬유 혼입 공법을 제안하였고, 이 공법을 구조부재에 적용하기 위한 사전단계로써, 40~100MPa의 다양한 고강도 콘크리트 배합에 적용한 시험체를 제작하여 가열재 하방법으로 압축강도, 탄성계수, 비열 등의 열적 특성을 평가. 분석하였다.
섬유 혼입 콘크리트의 온도구배 (temperature gradient)를 보통강도의 콘크리트 온도구배와 비교하였다. 보통강도 콘크리트 부재를 ISO 834 표준화재 곡선으로 내화시험 실시 후 1시간이 경과했을 때 표면에서 깊이 16 mm와 42 mm 간의 온도구배는 11.
대상 데이터
배합하였다. 결합재료는 D사의 1종 보통 포틀랜드시멘트 및 실리카퓸과 플라이애쉬를 사용하였다. 잔골재는 비중 2.
보통강도 콘크리트 부재를 ISO 834 표준화재 곡선으로 내화시험 실시 후 1시간이 경과했을 때 표면에서 깊이 16 mm와 42 mm 간의 온도구배는 11.5oC/mm이다.14) 이 연구에서 예측한 1시간 가열 후 깊이 30 mm와 50 mm간의 온도구배는 2.
비재하 내화시험을 실시하기 위하여 제작한 시험체의 길이는 3, 000 mm, 한 면의 길이가 350 mm인 정사각형 단면으로 2기의 동일한 기둥시험체를 콘크리트 구조 설계기준(2003)에 따라 제작하였다.12) 직경 22 mm인 8개의 종방향 철근 (longitudinal reinforcement) 과 직경 10 mm인 띠철근(tie bar)을 100mm 간격으로 배근하였으며, 사용된 철근의 항복강도는 420 MPa이다.
시험체 제작에 사용된 섬유 혼입 고강도콘크리트는 E 레미콘사 공장에서 생산하였으며, 60분 경과 후 슬럼프 플로우는 590 mm, 공기량은 1.7%로 측정되었다.
1은 실험체 단면의 정면도와 열전대(thermocouple)의 설치 위치이다. 열전대는 기등의 중앙 단면과 중앙 단면에서 각각 상하로 900 mm 떨어진 부분에 설치하였다. Fig.
결합재료는 D사의 1종 보통 포틀랜드시멘트 및 실리카퓸과 플라이애쉬를 사용하였다. 잔골재는 비중 2.59, 조립률 2.8의 세척사를 사용하였으며, 최대치수는 20 mm, 비중은 2.65의 굵은 골재를 사용하였다.
이론/모형
섬유 혼입 공법을 적용한 80 MPa의 고강도콘크리트의 비재 하 내 화시험 을 표준화재 조건에 노출 시 킨 내 화시험 방법 (KS F 2257-1)에 따라 한국건설기술연구원 방내화 실험동에서 실시하였다. ISO-834 표준화재 가열곡선을 적용하였으며, 180분간 비재하 내화시험을 실시하였다.
성능/효과
1) 내화시험 후각 시험체에 폭렬은 발생하지 않았으며, 1, 100oC 까지 가열된 콘크리트 표면 부의 색은 연한 분홍색을 띤 회색으로 변하였다. 400oC 이상까지 가열된 표면에서 50 mm의 피 복부 분은 점 점 연한 분홍색이 사라지고 회색이 짙어졌으며, 50~60 mm 부근을 경계로 170oC 이하로 가열된 내부 콘크리트는 본래의 회갈색에서 변하지 않았다.
5oC/mm이다.14) 이 연구에서 예측한 1시간 가열 후 깊이 30 mm와 50 mm간의 온도구배는 2.2oC/mm로, 5.2배가량 온도전달이 낮게 됨을 확인하였다. 2시간 가열 후에는 3.
8은 열전대 설치위치에서 깊이별 콘크리트의 평균온도이다. 180 분간 진행된 내화시험에서 콘크리트 표면에서 30 mm 깊이의 평균온도는 484.9oC이며, 깊이 50 mm에서는 421.3oC로 큰 차이가 없지만, 깊이 60mm에서는 340.8oC로 80oC 정도 급감하였으며, 콘크리트 단면중심부(175 mm)의 온도는 163.4oC로 측정되었다. 따라서, 깊이 50~60 mm 부근까지 변색이 진행되고 내부 콘크리트는 본래의 회갈색을 띄었으며, 콘크리트의 온도가 200oC 이하까지 상승하였기 때문에 콘크리트의 역학적 강도를 발현하는 CSH 겔의 탈수가 일어나지 않았다.
180분의 내화시험 후 외관 조사를 통해 시험체에 폭렬이 발생하지 않았음을 확인하였다. 따라서, 고강도 콘크리트의 폭렬 억제는 폴리프로필렌 섬유의 혼입여부가 중요한 요인으로 기존 연구 결과 3, 4)와 일치하였다.
2) 콘크리트 내부에 설치한 열전대에서 측정한 온도 분포에서, 깊이 60 mm부터 온도가 급감하였다. 또한, 깊이 50~60 mm 부근까지 변색이 진행되고 내부 콘크리트는 본래의 회갈색을 띄고 있으며, 콘크리트의 온도가 200oC 이하까지 상승하였기 때문에 콘크리트의 역학적 강도를 발현하는 CSH 겔의 탈수가 일어나지 않았다).
3) 60분 가열 후 섬유 혼입 콘크리트의 온도구배는 보통강도 콘크리트 온도구배 (11.5oC/mm)보다 5배 적은 2.2oC/mm로 측정되었다. 120분 이후의 온도 구배는 3.
4) 180분 내화시험 후의 최종온도는 모서리철근이 488.0oC, 중앙철근이 350.9oC이며, 철근의 총 평균온도는 419.5oC 이다. 모서리철근과 중앙철근의 평균온도차는 137.
5) 가열 후 100~150oC부근에서 콘크리트와 철근의 온도 상승추세가 변하는데 이는 강섬유와 폴리프로필렌 섬유를 혼입한 콘크리트의 온도구배가 낮고, 콘크리트 내부수분의 기화열, 그리고 철근으로의 수분 이동과 막힘현상으로 철근의 온도가 일시적으로 상승하지 못하는 때문이폴리프로필렌 섬유가섬유가 녹은 통로로 수증기가 빠져나가지 못하게 되면 내부 공극압에 의해 폭렬이 발생해서 철근의 온도가 수분 막힘 현상과 기화열에도 불구하고 급격히 상승하게 된다.
참고문헌 (16)
Ali, F., “Is High Strength Concrete More Susceptible to Explosive Spalling than Normal Strength Concrete in Fire?,” Fire and Materials, Vol. 26, 2002, pp. 127-130
국토해양부 고시, 고강도콘크리트 기둥·보의 내화성능 관리기준, 제2008-334호, 2008, pp. 1-8
Nishida, A., Ymazaki, N., Inoue, H., Schneider, U., and Diederichs, U., “Study on the Properties of High-Strength Concrete with Short Polypropylene Fibre for Spalling Resistance,” Proceedings of International Conference on Concrete under Severe Conditions. CONSEC'95, Vol.2, Sapporo, Japan, 1995, pp. 1141-50
Atkinson, T., “Polypropylene Fibers Control Explosive Spalling in High-Performance Concrete,” Concrete, Vol. 38, No. 10, 2004, pp. 69-70
Purkiss, J. A., “Steel Fibre Reinforced Concrete at Elevated Temperatures,” International Journal of Cement Composites and Lightweight Concrete, Vol. 6, No. 3, 1984, pp. 179-184
Lie, T. T. and Kodur, V. K. R., “Thermal and Mechanical Properties of Steel-Fibre-Reinforced Concrete at Elevated Temperatures,” Canadian Journal of Civil Engineering, Vol. 23, 1996, pp. 511-517
Suhaendi, S.L. and Horiguchi, T., “Effect of Short Fibers on Residual Permeability and Mechanical Properties of Hybrid Fibre Reinforced High Strength Concrete after Heat Eposition,” Cement and Concrete Research, Vol 36, 2006, pp. 1672-1678
김흥열, 채한식, 전현규, 염광수, “Fiber Cocktail을 혼입한 고강도콘크리트의 고온시 압축강도 특성 및 모델 제시에 관한 실험적 연구,” 한국콘크리트학회 학술발표논문집, 19권, 2호, 2007, pp. 605-608
김흥열, 채한식, 전현규, 염광수, “Fiber Cocktail을 혼입한 고강도콘크리트의 고온시 탄성계수 특성 및 모델 제시에 관한 실험적 연구,” 한국콘크리트학회 학술발표논문집, 19권, 2호, 2007, pp. 609-612
김흥열, 채한식, 전현규, 염광수, “Fiber Cocktail을 혼입한 고강도콘크리트의 고온시 변형특성 및 모델 제시에 관한 실험적 연구,” 한국콘크리트학회 학술발표논문집, 19권, 2호, 2007, pp. 877-880
Poon, C. S., Shui. Z. H., and Lam., L., “Compressive Behavior of Fiber Reinforced High-Performance Concrete Subjected to Elevated Temperatures,” Cement and Concrete Research, Vol. 34, No. 12, 2004, pp. 2215-2222
한국콘크리트학회, “콘크리트구조설계 기준,” 한국콘크리트학회, 2003, pp. 121-122
Yuzer, N., Akoza, F., and Ozturkb, L., “Compressive Strength-Color Change Relation in Mortars at High Temperature,” Cement and Concrete Research, Vol. 34, No. 10, 2004, pp. 1803-1807
Chung, J. H. and Consolazio, G. R, “Numerical Modeling of Transport Phenomena in Reinforced Concrete Exposed to Elevated Temperatures,” Cement and Concrete Research, Vol. 35, 2005, pp. 597-608
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