[국내논문]표준화재 재하조건하에서 Fiber Cocktail을 혼입한 고강도 콘크리트 보의 폭렬특성 및 내화성능에 관한 연구 A Study on Fire Resistance and Spalling of HPC Beam with Fiber-Cocktail in ISO Fire under Loading Condition원문보기
본 연구는 고강도 콘크리트의 폭렬 발생을 제어하기 위하여 폭렬 저감재를 혼입함에 따른 폭렬 저감효과를 살펴보고 콘크리트 보 부재의 고온 가열시의 열적 특성을 평가하기 위하여 실시하였다. 이에 고강도 콘크리트 40~60MPa를 폭렬 저감재를 혼입하여 부재를 제작하였으며, KS F 2257의 ISO 표준화재 재하조건에서의 내화성능을 살펴보았다. 실험결과 폭렬 저감재를 혼입하지 않은 40MPa은 180분, 50MPa 174분, 60MPa 152분으로 50, 60MPa보는 기준에서 정하는 3시간 내화성능에 6~28분 부족한 것으로 나타났다. 그러나 폭렬 저감재를 혼입한 50, 60MPa 보는 모두 법에서 정하는 내화 성능 시간인 180분을 만족하였다. 폭렬 저감재를 혼입하지 않은 50, 60MPa의 콘크리트 보는 화재에 노출된 모든 면에서 폭렬이 발생되었으나 폭렬 저감재를 혼입한 50, 60MPa 보에서는 표면탈락 및 폭렬은 거의 발생되지 않았다. 따라서 콘크리트의 폭렬 방지를 위해 혼입한 PP섬유는 폭렬 방지 효과를 나타내고 있으나 60MPa 표면이 일부 탈락 된 것으로 보아 표면 탈락 방지를 위해 혼입한 강섬유는 60MPa 이상의 강도에서는 크게 효과가 나타나지 않았다.
본 연구는 고강도 콘크리트의 폭렬 발생을 제어하기 위하여 폭렬 저감재를 혼입함에 따른 폭렬 저감효과를 살펴보고 콘크리트 보 부재의 고온 가열시의 열적 특성을 평가하기 위하여 실시하였다. 이에 고강도 콘크리트 40~60MPa를 폭렬 저감재를 혼입하여 부재를 제작하였으며, KS F 2257의 ISO 표준화재 재하조건에서의 내화성능을 살펴보았다. 실험결과 폭렬 저감재를 혼입하지 않은 40MPa은 180분, 50MPa 174분, 60MPa 152분으로 50, 60MPa보는 기준에서 정하는 3시간 내화성능에 6~28분 부족한 것으로 나타났다. 그러나 폭렬 저감재를 혼입한 50, 60MPa 보는 모두 법에서 정하는 내화 성능 시간인 180분을 만족하였다. 폭렬 저감재를 혼입하지 않은 50, 60MPa의 콘크리트 보는 화재에 노출된 모든 면에서 폭렬이 발생되었으나 폭렬 저감재를 혼입한 50, 60MPa 보에서는 표면탈락 및 폭렬은 거의 발생되지 않았다. 따라서 콘크리트의 폭렬 방지를 위해 혼입한 PP섬유는 폭렬 방지 효과를 나타내고 있으나 60MPa 표면이 일부 탈락 된 것으로 보아 표면 탈락 방지를 위해 혼입한 강섬유는 60MPa 이상의 강도에서는 크게 효과가 나타나지 않았다.
In an attempt to control the spalling in high strength concrete, spalling reducer was mixed to identify the effect and thermal characteristics of concrete beam member at high temperature. The member was manufactured in such as way of adding 40~60MPa of high strength concrete into spalling reducer, a...
In an attempt to control the spalling in high strength concrete, spalling reducer was mixed to identify the effect and thermal characteristics of concrete beam member at high temperature. The member was manufactured in such as way of adding 40~60MPa of high strength concrete into spalling reducer, and then fire resistance performance were monitored under the ISO standard fire load condition in accordance with KS F 2257. As a result of test, fore rate performance of 40MPa beam without spalling reducer was 180minutes, 50MPa was 174minutes and 60MPa was 152minutes, indicating that 50MPa and 60MPa beam appeared 6~28minutes short to become a 3-hour rate. However, 50 and 60MPa beam mixed with spalling reducer appeared to have satisfied the requirements for 180minutes. A spalling was occurred in surface of 50 and 60MPa beam mixed without spalling reducer, while no spalling or surface failure was occurred with 50 and 60MPa beam mixed with spalling reducer. Thus polypropylene fiber mixed with the concrete proved to be effective, but viewing that the surface of 60MPa was peeled off partially, the steel fiber mixed appeared not to be effective for the beam more than 60MPa.
In an attempt to control the spalling in high strength concrete, spalling reducer was mixed to identify the effect and thermal characteristics of concrete beam member at high temperature. The member was manufactured in such as way of adding 40~60MPa of high strength concrete into spalling reducer, and then fire resistance performance were monitored under the ISO standard fire load condition in accordance with KS F 2257. As a result of test, fore rate performance of 40MPa beam without spalling reducer was 180minutes, 50MPa was 174minutes and 60MPa was 152minutes, indicating that 50MPa and 60MPa beam appeared 6~28minutes short to become a 3-hour rate. However, 50 and 60MPa beam mixed with spalling reducer appeared to have satisfied the requirements for 180minutes. A spalling was occurred in surface of 50 and 60MPa beam mixed without spalling reducer, while no spalling or surface failure was occurred with 50 and 60MPa beam mixed with spalling reducer. Thus polypropylene fiber mixed with the concrete proved to be effective, but viewing that the surface of 60MPa was peeled off partially, the steel fiber mixed appeared not to be effective for the beam more than 60MPa.
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문제 정의
본 연구는 화재 시 고강도 콘크리트의 취약점인 폭렬을 제어하기 위해 폭렬 제어 방법 중 하나인 폭렬 저감재(Fiber-Cocktail)를 혼입함으로 그에 따른 폭렬 저감 효과를 살펴보기 위하여 40, 50, 60MPa의 고강도 콘크리트의 온도별 콘크리트 재료의 역학적 특성을 도출하였으며, KS F 2257-1, 6의 표준화재 재하조건하에서 콘크리트 보부재의 고온 가열시의 폭렬 성상과 변위 측정을 통하여 폭렬 저감재의 혼입에 의한 구조물의 내화성능이 얼마나 효과적으로 개선되는지를 살펴보고자 한다.
본 연구에서는 콘크리트 재료 및 부재 실험을 통하여 폭렬 저감재의 혼입 유·무에 따른 콘크리트 보의 폭렬효과를 고찰하였으며, 국내 기준에 따른 콘크리트 보의 내화성능을 살펴보았으며 본 연구를 통해 도출된 결과는 다음과 같다.
제안 방법
그러므로 고강도 콘크리트의 폭렬영향성을 분석하기 위하여 기존 선진국의 폭렬관련 실험논문11-15)과 폭렬영향요인 및 제어방안에 대한 Case Study20)를 선행연구로 진행하였으며, 이를 통해 폭렬저감 방안을 선정하였다. 이에 PP섬유를 통한 폭렬제어와 강섬유를 통한 균열 및 탈락방지가 가능한 폭렬 저감재를 적용하여 재료 및 부재시험을 실시하였다.
고강도 콘크리트를 대상으로 고온 시 콘크리트의 열적 특성 분석을 위해 40~60MPa대의 상온 압축강도를 발현할 수 있도록 예비실험을 통하여 배합계획을 수립하였다. 다음 [Table 1]은 본 연구의 배합인자 및 수준을 나타낸 것이며, [Table 2]는 배합표를 나타낸 것이다.
콘크리트의 고온 가열시 열적 특성을 살펴보기 위하여 압축강도 저감계수, 탄성계수 저감계수 및 변형을 살펴보았다.
고강도 콘크리트 실물 화재실험 수행을 위하여 KSF 2257-1, 6에 따라 보에 대한 고온 시 고강도 콘크리트 구조부재의 열적 특성 파악을 위하여 단면치수 260 × 480mm, 철근에 대한 피복두께 40mm인 폭렬 저감재를 혼입하지 않은 압축강도 40, 50, 60MPa 구조부재와 폴리프로필렌섬유를 체적대비 0.5kg/cm2, 강섬유를 0.5vol% 를 혼입한 압축강도 50, 60MPa 구조부재를 대상으로 시험을 실시하였다.
14분에는 측면에서 콘크리트 탈락, 골재의 파열을 동반한 폭렬 등이 발생되었으며, 이러한 현상은 28분까지 지속되어 측면의 철근이 거의 모두 노출되었다. 또한 폭렬 현상은 굉음과 더불어 40, 50MPa 콘크리트 보에서 볼 수 없었던 심각한 수준으로 진행되었다. 폭렬은 콘크리트 좌우 측면 및 하부면 모두에서 발생되었으며, 폭렬의 범위는 시험체 전 범위에 걸쳐 모두 발생되었다.
대상 데이터
4,5) 따라서 고강도 콘크리트 구조부재를 활용하기 위해서는 화재 시 폭렬을 제어할 수 있는 내화설계기술의 개발이 요구된다. 그러므로 고강도 콘크리트의 폭렬영향성을 분석하기 위하여 기존 선진국의 폭렬관련 실험논문11-15)과 폭렬영향요인 및 제어방안에 대한 Case Study20)를 선행연구로 진행하였으며, 이를 통해 폭렬저감 방안을 선정하였다. 이에 PP섬유를 통한 폭렬제어와 강섬유를 통한 균열 및 탈락방지가 가능한 폭렬 저감재를 적용하여 재료 및 부재시험을 실시하였다.
다음 [Table 1]은 본 연구의 배합인자 및 수준을 나타낸 것이며, [Table 2]는 배합표를 나타낸 것이다. 시험체는 폭렬 저감재를 혼입하지 않은 I, II, IV 시험체와, 폭렬 저감재를 혼입한 III, V을 각각 40, 50, 60MPa로 제작하여 시험을 실시하였다.
본 실험에 사용된 시멘트는 KS L 5201에 규정된 H사 영월산 제품인 보통 포틀랜드시멘트 1급중 고강도 용으로서 물리적 성질은 다음 [Table 3]과 같다.
고강도 콘크리트 제조를 위해 사용된 혼화제중 고성능 감수제는 폴리카본산계로서 국내 S사의 제품을 사용하였으며, 비중이 1.06의 제품을 사용하였다. 골재는 화재 시 콘크리트의 열적 특성에 영향을 미치는 중요한 인자이다.
골재는 화재 시 콘크리트의 열적 특성에 영향을 미치는 중요한 인자이다. 본 실험에서 사용된 쇄석골재는 일반적인 레드믹스트 콘크리트에서 사용되고 있는 화강암을 사용하였다. 잔골재는 인천산 세척 해사를 사용하였으며 물리적인 성질은 [Table 4]와 같다.
본 실험에서 사용된 쇄석골재는 일반적인 레드믹스트 콘크리트에서 사용되고 있는 화강암을 사용하였다. 잔골재는 인천산 세척 해사를 사용하였으며 물리적인 성질은 [Table 4]와 같다.
이론/모형
내화성능평가는 KS F 2257-1, 6의 재하 실험에서의 재하성능평가를 통하여 평가하였으며 다음 Table 8은 보의 내화성능 평가 기준을 나타낸 것이다.
성능/효과
이는 100℃까지는 골재와 시멘트의 천이대에 존재하는 미세 균열로 인해 초기 강도는 저하하나 이후 콘크리트 구성인자의 열팽창으로 미세공극을 채움으로 인해 강도가 다소 상승하고 안정국면을 보이는 것으로 판단된다. 또한 폭렬 저감재를 혼입한 경우 혼입하지 않은 시험체에 비하여 압축강도 저감 계수가 작은 것으로 나타났다. 따라서 폭렬 저감재를 혼입함으로 인한 폭렬 저감 및 탈락 방지 효과를 기대할 것으로 판단된다.
탄성계수 저감계수는 압축강도와 동일한 양상을 타나내고 있어 상온에서 100℃까지는 급격히 떨어지나 200℃에서는 다시 상승하여 400℃까지 안정화되며 400℃ 이후로는 탄성계수가 계속적으로 감소하는 것으로 나타났다. 또한 폭렬 저감재를 혼입한 경우, 하지 않은 시험체에 비하여 탄성계수 저감 계수가 작은 것으로 나타났다.
이는 고온으로 인한 콘크리트 구성부재의 열팽창에 의해 변형이 다소 감쇄된 것으로 판단된다. 또한 폭렬 저감재를 혼입한 시험체의 경우 혼입하지 않은 시험체에 비하여 다소 큰 것으로 나타났다.
변형량은 시험이 종료된 180분에 61.7mm로 나타났으며, 변형률 또한 시험이 종료된 180분에 1.2mm/min을 나타내 내화성능 3시간을 만족하는 것으로 나타났다. 시험체가 가열이 종료된 180분에서의 콘크리트 평균 온도는 302℃를 나타냈으며, 최고온도는 699℃를 나타내고 있다.
1mm/min을 초과하는 것으로 나타났다. 허용 변형량과 허용 변형률 모두를 초과하는 시점이 175분으로서 50MPa 콘크리트 보 시험체의 내화성능 시간은 174분으로 나타났다. 국토부 고시 2008-334호의 “고강도 콘크리트 기둥·보의 내화성능 관리기준” 및 국토부 고시 2008-154 “내화구조의 인정 및 관리 기준” 제3조 성능 기준 별표 1)에 따르면 설계기준강도 50MPa 이상의 콘크리트는 12층, 55m 이상의 건축물에 적용할 경우 3시간의 내화성능을 확보하도록 규정하고 있다.
1mm/min를 초과하는 것으로 나타났다. 허용 변형량과 허용 변형률 모두를 초과하는 시점이 152분으로서 60MPa 콘크리트 보 시험체의 내화성능 시간은 152분으로 나타났다. 그러나 12층, 55m 이상의 건축물에 적용시 3시간의 내화성능을 확보하여야 하나, 60MPa 콘크리트 보 시험체는 기준에서 요구하는 내화성능 시간을 만족하지 못하는 것은 물론 40, 50MPa 콘크리트 보 시험체와 비교하여 가장 낮은 내화성능을 나타내고 있다.
폭렬 저감재를 혼입한 50MPa 콘크리트는 시험중 폭렬 현상은 발생되지 않았으며, 표면탈락 또한 발생되지 않았으나 시험체의 상부에 균열이 발생되었다.변형량은 180분에 48.5mm을 나타내 허용 변형량 115mm를 만족하였으며, 변형률은 180분에 0.7mm/min를 나타내 허용 변형률 5.1mm/min을 만족하는 것으로 나타났다. 180분까지 허용 변형량과 허용 변형률 모두를 만족하고 있어 폭렬 저감재를 혼입한 50MPa 보의 내화성능 시간은 180분으로 나타났다.
1mm/min을 만족하는 것으로 나타났다. 180분까지 허용 변형량과 허용 변형률 모두를 만족하고 있어 폭렬 저감재를 혼입한 50MPa 보의 내화성능 시간은 180분으로 나타났다. 또한 요구하는 내화성능 시간을 만족하는 것으로 나타났다.
180분까지 허용 변형량과 허용 변형률 모두를 만족하고 있어 폭렬 저감재를 혼입한 50MPa 보의 내화성능 시간은 180분으로 나타났다. 또한 요구하는 내화성능 시간을 만족하는 것으로 나타났다.
폭렬 저감재를 혼입한 60MPa 콘크리트 보 시험체는 내화 성능 기준에서 요구하는 내화성능 시간을 만족하는 것으로 나타났다.
본 연구에서 관찰된 폭렬 저감재 미혼입 고강도 콘크리트의 폭렬은 국내 표준시방서에서 고강도 콘크리트로 간주하고 있는 압축강도 40MPa 콘크리트 보에서도 발생되었지만 구조부재의 화재안전성을 손상시킬 정도의 수준이 아니며, 고강도 콘크리트의 화재 시 구조적 안전성에 심각한 영향을 줄 수 있는 폭렬은 50MPa 콘크리트 보에서부터 나타나고 있다. 50, 60MPa 콘크리트 보는 화재에 노출된 모든 면에서 폭렬이 발생되고 있으며, 폭렬은 콘크리트 탈락 및 골재의 파열을 동반하여 동시에 발생되고 있다.
95mm로서 콘크리트 피복두께 40mm를 초과함으로서 거의 모든 철근이 노출될 정도로 심각한 영향을 미치고 있으며, 철근의 노출은 궁극적으로 철근이 부담하는 인장력의 저하를 초래함으로서 구조부재의 붕괴로 이어질 수 있다. 또한 모든 부재에서 폭렬은 초기 5~25분 동안 콘크리트 표면에서 집중적으로 발생하고 있는 것으로 나타났다. 그러나 폭렬 저감재를 혼입한 50, 60MPa 보에서는 표면탈락은 발생되지 않고 폭렬 또한 거의 발생되지 않고 하중재하에 따른 균열만이 시험체 상부와 하부에 나타나고 있으며, 60MPa 에서 20mm 정도의 미비한 폭렬현상이 나타나고 있다.
따라서 폭렬 저감재의 혼입유무에 따라 폭렬현상의 차이가 크게 나타나고 있다. 특히 폭렬 저감재 중 강섬유는 콘크리트의 표면탈락 방지에 많은 효과가 있는 것으로 보이며, 폴리프로필렌섬유는 폭렬 방지에 효과가 큰 것으로 나타났다.
시험결과, 폭렬 저감재를 혼입하지 않은 40MPa 콘크리트 보는 구조적 붕괴가 발생되는 변형에 도달되지 않아 기준에서 정하는 180분의 화재안전성을 확보하고 있으며, 50MPa 콘크리트 또한 174분에 도달해 법적 내화성능을 만족하지 못하는 것으로 나타났다.
또한 60MPa의 경우에는 변형이 급격히 증가하여 153분부터는 화재 시 구조적 붕괴가 발생되는 변형에 도달함으로서 30여분 정도 법에서 정하는 내화성능 시간을 확보하지 못하는 것으로 나타났다. 그러나 폭렬 저감재를 혼입한 50, 60MPa 콘크리트 보는 모두 법에서 정하는 내화성능 시간인 180분을 만족하는 것으로 나타났다.
또한 60MPa의 경우에는 변형이 급격히 증가하여 153분부터는 화재 시 구조적 붕괴가 발생되는 변형에 도달함으로서 30여분 정도 법에서 정하는 내화성능 시간을 확보하지 못하는 것으로 나타났다. 그러나 폭렬 저감재를 혼입한 50, 60MPa 콘크리트 보는 모두 법에서 정하는 내화성능 시간인 180분을 만족하는 것으로 나타났다.
(1) 폭렬 저감재를 혼입하지 않은 50, 60MPa의 콘크리트 보는 화재에 노출된 모든 면에서 폭렬이 발생되었으나 폭렬 저감재를 혼입한 50, 60MPa 보에서는 표면탈락 및 폭렬은 거의 발생되지 않았다.
(2) 폭렬 저감재를 혼입하지 않은 40MPa 보는 180분, 50MPa은 174분, 60MPa은 153분으로 50, 60MPa 보는 법에서 정하는 3시간 내화성능에 6~27분 부족한 것으로 나타났다. 그러나 폭렬 저감재를 혼입한 50, 60MPa 보는 모두 기준에서 정하는 내화 성능 시간인 180분을 만족하는 것으로 나타났다.
(2) 폭렬 저감재를 혼입하지 않은 40MPa 보는 180분, 50MPa은 174분, 60MPa은 153분으로 50, 60MPa 보는 법에서 정하는 3시간 내화성능에 6~27분 부족한 것으로 나타났다. 그러나 폭렬 저감재를 혼입한 50, 60MPa 보는 모두 기준에서 정하는 내화 성능 시간인 180분을 만족하는 것으로 나타났다.
(3) 폭렬 저감재의 사용으로 폭렬이 주로 발생되는 200℃ 이하에서 용융점(160℃)이 낮은 폴리프로필렌 섬유로의 용융으로 인해 발생된 미세 공극으로 수증기가 외부로 방출되어 공극압력이 저하되고, 동시에 강섬유의 혼입은 물질간의 부착응력이 증대되어 폭렬로 인한 단면 손실을 방지하는 효과가 나타난 것으로 판단된다.
후속연구
4,5) 따라서 고강도 콘크리트 구조부재를 활용하기 위해서는 화재 시 폭렬을 제어할 수 있는 내화설계기술의 개발이 요구된다. 그러므로 고강도 콘크리트의 폭렬영향성을 분석하기 위하여 기존 선진국의 폭렬관련 실험논문11-15)과 폭렬영향요인 및 제어방안에 대한 Case Study20)를 선행연구로 진행하였으며, 이를 통해 폭렬저감 방안을 선정하였다.
또한 폭렬 저감재를 혼입한 경우 혼입하지 않은 시험체에 비하여 압축강도 저감 계수가 작은 것으로 나타났다. 따라서 폭렬 저감재를 혼입함으로 인한 폭렬 저감 및 탈락 방지 효과를 기대할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전 세계적으로 건설 중인 초고층 구조물 중 100층 이상이 약 몇개인가?
21세기 들어 건축은 초고층 열풍에 휩싸였다. 현재 전 세계적으로 건설 중인 초고층 구조물은 100층 이상이 약 20여 곳에 이른다. 국내의 경우도 151층의 인천 타워와 123층의 롯데슈퍼타워를 시작으로 초고층 구조물의 대열에 들어서고 있다.
초고층 건축물의 출현으로 무엇이 필수적이게 되었는가?
국내의 경우도 151층의 인천 타워와 123층의 롯데슈퍼타워를 시작으로 초고층 구조물의 대열에 들어서고 있다. 이러한 초고층 건축물의 출현으로 이를 구조적으로 해결하기 위해 압축강도 100MPa 이상의 고강도 콘크리트의 개발은 필연적이며 이에 따라 고강도 콘크리트의 화재로 인한 구조물의 안전성능을 예측·평가할 수 있는 기술 개발이 필요한 실정이다. 고강도 콘크리트의 경우, 낮은 물시멘트비, 단면크기의 감소에 따른 콘크리트 내부의 공극압 상승 및 박리에 의한 철근 노출 등으로 인해 화재 시 보통강도 콘크리트에 비해 콘크리트 구조체의 급격한 성능저하를 발생시킬 수 있는 가능성이 더 큰 것으로 알려져 있다.
초고층 건축물에 씌이는 고강도 콘크리트의 문제점은 무엇인가?
이러한 초고층 건축물의 출현으로 이를 구조적으로 해결하기 위해 압축강도 100MPa 이상의 고강도 콘크리트의 개발은 필연적이며 이에 따라 고강도 콘크리트의 화재로 인한 구조물의 안전성능을 예측·평가할 수 있는 기술 개발이 필요한 실정이다. 고강도 콘크리트의 경우, 낮은 물시멘트비, 단면크기의 감소에 따른 콘크리트 내부의 공극압 상승 및 박리에 의한 철근 노출 등으로 인해 화재 시 보통강도 콘크리트에 비해 콘크리트 구조체의 급격한 성능저하를 발생시킬 수 있는 가능성이 더 큰 것으로 알려져 있다.
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