[국내논문]고온화재조건 콘크리트 라이닝의 하중비에 따른 폭렬영향성 및 화재손상특성에 관한 실험적 연구 An Experimental Study on the Thermal Property of Concrete under the Load Ratio Condition in Fire원문보기
터널의 화재는 초동진압에 실패할 경우 터널의 내부는 상당한 화재하중이 존재하고, 제연설비의 영향으로 화재전파속도가 빨라 단시간 내에 화재의 확산과 함께 고온으로 발전하여 터널 구조체 및 인명에 대한 피해를 증대시킨다. 이에 본 연구에서는 초기 가장 급격한 온도상승이 발생하는 시나리오인 MHC(Modified Hydrocarbon) 화재곡선을 대상으로 하중비를 0, 20, 40, 60, 70%를 조정한 화재실험을 수행하여 하중재하에 의한 콘크리트 폭렬영향성 및 화재손상범위에 대한 열적특성을 규명하고자 하였다. 실험체는 EFNARC에서 규정한 소규모 실물실험체 형상조건을 준용하였으며, 배합강도는 일반강도인 24MPa로 실험제반조건을 선정하였다. 실험수행결과 비재하조건의 라이닝의 경우 16mm의 폭렬이 발생하였으나 하중비 20%와 40%에서는 폭렬이 발생하지 않았다. 재하 하중비를 증가시킨 60%의 경우 24mm의 폭렬이 발생하였으며, 70% 재하조건의 경우 가열시작 10분 이후에 파괴되었다.
터널의 화재는 초동진압에 실패할 경우 터널의 내부는 상당한 화재하중이 존재하고, 제연설비의 영향으로 화재전파속도가 빨라 단시간 내에 화재의 확산과 함께 고온으로 발전하여 터널 구조체 및 인명에 대한 피해를 증대시킨다. 이에 본 연구에서는 초기 가장 급격한 온도상승이 발생하는 시나리오인 MHC(Modified Hydrocarbon) 화재곡선을 대상으로 하중비를 0, 20, 40, 60, 70%를 조정한 화재실험을 수행하여 하중재하에 의한 콘크리트 폭렬영향성 및 화재손상범위에 대한 열적특성을 규명하고자 하였다. 실험체는 EFNARC에서 규정한 소규모 실물실험체 형상조건을 준용하였으며, 배합강도는 일반강도인 24MPa로 실험제반조건을 선정하였다. 실험수행결과 비재하조건의 라이닝의 경우 16mm의 폭렬이 발생하였으나 하중비 20%와 40%에서는 폭렬이 발생하지 않았다. 재하 하중비를 증가시킨 60%의 경우 24mm의 폭렬이 발생하였으며, 70% 재하조건의 경우 가열시작 10분 이후에 파괴되었다.
The fire in tunnel, when failed to extinguish at early stage, tends to easily develop to high temperature and spread to entire area of the tunnel because of considerable level of fire load and smoke control facility within the tunnel, resulting in severe damage to the people and tunnel structure. Th...
The fire in tunnel, when failed to extinguish at early stage, tends to easily develop to high temperature and spread to entire area of the tunnel because of considerable level of fire load and smoke control facility within the tunnel, resulting in severe damage to the people and tunnel structure. This study was intended to carry out the fire test with MHC fire curve, a scenario, which has the most rapid fire rise, on assumption of load ratio of 1, 20, 40, 60 and 70%, so as to identify the thermal characteristics of the concrete against spalling and the range of fire damage. The specimen was small scale sample as defined by EFNARC and the mixing ratio was based on 24 MPa, which is considered to be the normal strength. As a result of test, 16mm spalling was occurred on the lining under the non-load condition, while no spalling was occurred with 20% and 40% of load ratio. In case of 60% of load ratio, 24 mm of spalling was occurred and it failed in 10 minutes after heating in case of 70% load condition.
The fire in tunnel, when failed to extinguish at early stage, tends to easily develop to high temperature and spread to entire area of the tunnel because of considerable level of fire load and smoke control facility within the tunnel, resulting in severe damage to the people and tunnel structure. This study was intended to carry out the fire test with MHC fire curve, a scenario, which has the most rapid fire rise, on assumption of load ratio of 1, 20, 40, 60 and 70%, so as to identify the thermal characteristics of the concrete against spalling and the range of fire damage. The specimen was small scale sample as defined by EFNARC and the mixing ratio was based on 24 MPa, which is considered to be the normal strength. As a result of test, 16mm spalling was occurred on the lining under the non-load condition, while no spalling was occurred with 20% and 40% of load ratio. In case of 60% of load ratio, 24 mm of spalling was occurred and it failed in 10 minutes after heating in case of 70% load condition.
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문제 정의
터널화재 조건에서 콘크리트 구조체의 강도저하에의해 발생할 수 있는 극한 하중조건에서의 콘크리트라이닝의 온도변화 및 폭렬특성에 관한 연관성을 분석하기 위하여 실증실험을 수행하였다.
이에 본 연구에서는 다양한 하중재하 비를 적용하여 터널 화재 조건에서의 콘크리트의 화재손상에 관한 연구를 진행하였다.
본 실험의 목적은 터널화재 시나리오중 가장 급격한화재하중조건에서 하중에 의한 콘크리트 폭렬과 화재손상과의 영향성을 분석하고자 하는 것이다. 또한 이와 병행하여 화재로 인한 콘크리트 라이닝의 강도 저하가 파괴에 도달할때의 하중재하비를 도줄하고자 한다.
영향성을 분석하고자 하는 것이다. 또한 이와 병행하여 화재로 인한 콘크리트 라이닝의 강도 저하가 파괴에 도달할때의 하중재하비를 도줄하고자 한다. 이를 위해서는 하중재하와 동시에 가열을 할 수 있는 Figure 3과 같은 터널화재구현 재하연동 가열로 실험을 수행하였다.
콘크리트 라이닝 24MPa 강도조건에서의 다양한 하중 비를 부여하여 하중에 의한 폭렬영향성을 고찰하고, 콘크리트 라이닝이 화재에 의한 강도저하에 의해 파괴되는 극한 하중비를 도줄하고자 다음과 같이 화재실험을 진행하였다.
본 연구에서는 단면강도에 따른 하중재하 비율에 조정하여 온도상승 영향성 및 폭렬 영향에 대해 실험을진행하였다. 향후에는 이러한 콘크리트 라이닝의 폭렬및 화재손상범위에 대한 대응방안으로서 내화피복에대한 실험을 진행하여 최적 내화설계방안을 도출할 계획이 다.
제안 방법
이에, 터널라이닝의 압축강도변화에따른 하중재하 터널화재조건에서의 콘크리트의 폭렬및 화재손상에 관한 연구인 "화재시 하중재하에 따른콘크리트의 열적특성에 관한 실험적 연구"가 수행되었다. 그러나 상기의 논문에서는 하중비를 최대 40% 까지만 부여하여 터널라이닝의 폭렬 및 화재손상 정도를 실험을 통해 분석하였다.
그러므로 이러한 터널화재의 위험도를 감안하여 급격한 온도상승 및 확산을 고려한 터널화재 시나리오(MHC)를 대상으로 콘크리트 터널라이닝의 폭렬영향성 및 화재손상 범위에 대한 검토를 수행하였다.
외력조건은 KS F 2257-l(TSO 834-1)에 의거한 교정실험을 통해 가열로 화염조건의 신뢰성을 확보하였으며, 가열과 동시에 사전 재하조건을 부여하고자 하 중재 하교 정을 수행한 UTMQOOTon)으로 실험외력 조건을 부여하였다.7)
필요성이 제기되었다. 이에 직접적인 가열부위 면적 (400 x400mm)에서 하중 재하부에의 열전도를제어하기 위해 4면에서 100mm 정도의 콘크리트 열전달 완충간격을 부여하였다. 가열부위 형상조건은 EFNARC9)에서 규정한 소규모 실물실험의 형상규격과동일하게 적용하였으며, 내화자재를 적용하지 않은 시편크기로 Figure 1과 같이 제작하여 실험을 수행하였다.
이에 직접적인 가열부위 면적 (400 x400mm)에서 하중 재하부에의 열전도를제어하기 위해 4면에서 100mm 정도의 콘크리트 열전달 완충간격을 부여하였다. 가열부위 형상조건은 EFNARC9)에서 규정한 소규모 실물실험의 형상규격과동일하게 적용하였으며, 내화자재를 적용하지 않은 시편크기로 Figure 1과 같이 제작하여 실험을 수행하였다.
MHC 화재강도에 따른 콘크리트 내부의 온도 분포특성을 측정하기 위해서 좌 우측 10, 30, 40, 50, 75mm 깊이에 K-Type의 열전대를 Figure 2와 같이 설치하여 좌측과 우측의 평균값을 측정하여 가열면의 깊이에 따른 전열특성을 분석하였다. 열전대의 측정깊이를 정확하게 고정 하기 위하여 45 X45 X 200mm의 직육면체 의열전대 설치 시편을 동일한 배합비로 제작한 후 드릴링하여 정확한 위치에 정착하였으며, 이를 실험체 몰드에 고정하여 콘크리트 라이닝 실험체를 제작하였다.
전열특성을 분석하였다. 열전대의 측정깊이를 정확하게 고정 하기 위하여 45 X45 X 200mm의 직육면체 의열전대 설치 시편을 동일한 배합비로 제작한 후 드릴링하여 정확한 위치에 정착하였으며, 이를 실험체 몰드에 고정하여 콘크리트 라이닝 실험체를 제작하였다.
콘크리트 라이닝의 공시체를 사전제작하여 압축강도에 대한 재료실험을 선행하였으며, 그 결과 24.1MPa의 실험 강도가 측정되었다. 그러므로 동일한 배치에서 제작된 콘크리트 라이닝의 압축강도를 24.
1MPa의 실험 강도가 측정되었다. 그러므로 동일한 배치에서 제작된 콘크리트 라이닝의 압축강도를 24.1 MPa로 계산하여 UTM의 최대용량(2,000kN)과 축 하중비에 따른 재하하중으로 화재실험에 수행하였다. 그러므로 일정하중비 사전재하 조건에서 Table 3과 같이 실험변수를 선정하였으며, 시간에 따른 가열을 수행하여 콘크리트라이닝의 폭렬 및 화재손상에 대한 영향성을 계측하면서 실험을 진행하였다.
1 MPa로 계산하여 UTM의 최대용량(2,000kN)과 축 하중비에 따른 재하하중으로 화재실험에 수행하였다. 그러므로 일정하중비 사전재하 조건에서 Table 3과 같이 실험변수를 선정하였으며, 시간에 따른 가열을 수행하여 콘크리트라이닝의 폭렬 및 화재손상에 대한 영향성을 계측하면서 실험을 진행하였다.
또한 이와 병행하여 화재로 인한 콘크리트 라이닝의 강도 저하가 파괴에 도달할때의 하중재하비를 도줄하고자 한다. 이를 위해서는 하중재하와 동시에 가열을 할 수 있는 Figure 3과 같은 터널화재구현 재하연동 가열로 실험을 수행하였다.
동안 하중을 일정하게 유지하였다. 화재강도는 Modified Hydrocarbon Fire 조건을 120분 동안 적용하였으;겨, 콘크리트 라이닝에 1방향 가열조건(가열면적: 400 x400mm)을 적용하여 실험을 수* 행하였다. 5)
대상 데이터
사용된 시멘트는 KS L 520110) 포틀랜드 시멘트 규정 에 적합한 국내산 조강 포틀랜드 시멘트 3종을 사용하였으며, 콘크리트용 잔골재 및 굵은 골재는 Table 1 과 같은 물성의 경기도 여주산 강모래와 쇄석을 사용하였다.
성능/효과
2) 하중이 증가함에 따라 온도상승이 유발되며, 콘크리트 라이닝 단면강도의 70% 이상의 하중을 재하 할경우 급격한 파괴로 진행 될 수 있다.
3) 일정하중비 조건 이상(60%)일 경우, 적절한 하중재하시의 미세균열이 점차적으로 진행하게 된다. 이러한 진행된 균열은 가열로내에서 열기류의 통로로서의역할을 하기 때문에 콘크리트 라이닝의 온도상승과 화재손상이 진행되는 것으로 판단된다.
4) 콘크리트 라이닝 150mm 두께에서는 비재하 조건에서 75mm까지 화재손상범위가 나타나고, 하중비 20%~ 60%까지는 50mm, 하중비 70%에서는 파괴가 발생하였다.
후속연구
그러므로 터널화재조건에서 콘크리트의 강도 저하에의해 발생할 수 있는 극한 하중재하 조건에서의 콘크리트의 폭렬 및 화재손상에 관한 분석을 통해 터널 구조체 붕괴에 대응할 수 있는 기술을 확보할 수 있는연구가 필요한 시점이다.
향후에는 이러한 콘크리트 라이닝의 폭렬및 화재손상범위에 대한 대응방안으로서 내화피복에대한 실험을 진행하여 최적 내화설계방안을 도출할 계획이 다.
김흥열, 김형준, 조경숙, 이재승, 권기혁, "터널화재시 콘크리트 라이닝의 폭렬 및 화재손상에 관한 실험적 연구", 한국화재소방학회 논문지, Vol.23, No.3, p.112 (2009).
김형준, 김흥열, 박경훈, 정재영, 권기혁, "화재시 하중재하에 따른 콘크리트의 열적특성에 관한 실험적 연구", 한국화재소방학회 논문지, Vol.23, No.6, pp.66-74(2009).
한국표준협회, "건축 구조부재의 내화시험 방법 - 일반요구사항(KS F 2257-1)", 한국산업규격, pp.3-13 (1999).
EFNARC, Specificationa and Guidelines for Testing of Passive Fire Protection for concrete Tunnels Linings, pp.15-27(2006).
한국표준협회, "포틀랜드 시멘트(KS L 5201)", 한국산업규격, pp.1-8(2006).
L.T. Phan and N.J. Carino, "Effects of Test Conditions and Mixture Proportion on Behaviour of High-strength Concrete Exposed to High Temperatures", ACI Material Journal(2002).
F. Arita, K. Harada, and K. Miyamoto, "Thermal Spalling of High-performance Concrete During Fire", 2nd International Work shop on Structures in Fire, Christchurch, March(2002).
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