2008년 7월 21일 고시한 국토해양부의 고강도 콘크리트 내화성능 관리기준에 따라 50MPa 이상의 고강도 콘크리트는 내화성능을 확인하여 건축물에 적용 가능하게 되었다. 이에 본 연구는 60, 80, 100MPa의 고강도 콘크리트를 대상으로 섬유종류, 섬유길이, 혼입량에 따른 콘크리트의 역학적 특성을 파악하고 아울러 피복두께에 따른 내화성능을 검토하여 국토해양부 관리기준에 만족하는지 파악하고, 초고층 건축물에 있어서 고강도 콘크리트를 적용하기 위한 내화성능 확보방안을 마련하고자 하였다.
2008년 7월 21일 고시한 국토해양부의 고강도 콘크리트 내화성능 관리기준에 따라 50MPa 이상의 고강도 콘크리트는 내화성능을 확인하여 건축물에 적용 가능하게 되었다. 이에 본 연구는 60, 80, 100MPa의 고강도 콘크리트를 대상으로 섬유종류, 섬유길이, 혼입량에 따른 콘크리트의 역학적 특성을 파악하고 아울러 피복두께에 따른 내화성능을 검토하여 국토해양부 관리기준에 만족하는지 파악하고, 초고층 건축물에 있어서 고강도 콘크리트를 적용하기 위한 내화성능 확보방안을 마련하고자 하였다.
The purpose of this research is to secure fundamental data on the application of fibre as a fire resistance method for more than 60 MPa high-strength concrete through an examination of mechanical properties and fire resistance performance. The results are as follows: 1) When there are less than 0.5~...
The purpose of this research is to secure fundamental data on the application of fibre as a fire resistance method for more than 60 MPa high-strength concrete through an examination of mechanical properties and fire resistance performance. The results are as follows: 1) When there are less than 0.5~1.0kg/$m^3$ contents of PP and NY fibre for 60MPa and less high strength concrete, 1.0kg/$m^3$ contents of PP and NY fibre for less than 80MPa high strength concrete and 1.5kg/$m^3$ contents of NY fibre for more than 80MPa high strength concrete, the effect of fibre contents on workability and strength development is not significant. 2) Based on the result of a 3-hour fire resistance test for mock-up column, it is necessary to secure 50 mm of covering depth for the regulation of fire resistance performance of high strength concrete to the standards of The Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs. 3) It is necessary to secure more than 400mm of column size for stable fire resistance performance.
The purpose of this research is to secure fundamental data on the application of fibre as a fire resistance method for more than 60 MPa high-strength concrete through an examination of mechanical properties and fire resistance performance. The results are as follows: 1) When there are less than 0.5~1.0kg/$m^3$ contents of PP and NY fibre for 60MPa and less high strength concrete, 1.0kg/$m^3$ contents of PP and NY fibre for less than 80MPa high strength concrete and 1.5kg/$m^3$ contents of NY fibre for more than 80MPa high strength concrete, the effect of fibre contents on workability and strength development is not significant. 2) Based on the result of a 3-hour fire resistance test for mock-up column, it is necessary to secure 50 mm of covering depth for the regulation of fire resistance performance of high strength concrete to the standards of The Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs. 3) It is necessary to secure more than 400mm of column size for stable fire resistance performance.
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문제 정의
이에 본 연구에서는 섬유혼입 고강도 콘크리트의 물성 및 내화 특성을 검토함으로써 60MPa 이상의 고강도 콘크리트가 적용되는 건설현장에서의 내화성능 확보방안으로서 섬유혼입 공법을 적용하기 위한 기초자료를 확보하고자 하였다.
제안 방법
현장 적용을 위한 섬유혼입 고강도 콘크리트의 내화성능 검토를 위한 실험계획은 Table 1에서 보는 바와 같이 시리즈Ⅰ에서는 설계기준강도 60MPa의 고강도콘크리트에 대하여 섬유 종류, 섬유 길이 및 혼입량에 따른 섬유혼입 콘크리트의 기초 물성을 검토하고자 하였으며, 시리즈Ⅱ에서는 시리즈Ⅰ에서 검토된 물성을 기초로 하여 설정된 섬유혼입 고강도 콘크리트의 내화특성을 평가하고자 하였다. 또한 시리즈Ⅲ에서는 설계기준강도 80MPa의 고강도콘크리트에 대하여 섬유 종류, 혼입량 및 피복두께에 따른 섬유혼입 콘크리트의 기초 물성 및 내화성능을 평가하고자 하였으며 시리즈Ⅳ에서는 시리즈Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ에서 검토된 내화성능을 기초로 하여 설정된 섬유혼입량에 대하여 설계기준강도 100MPa의 고강도콘크리트의 내화성능을 평가하고자 하였다.
또한, 내화성능 검토를 위한 내화시험은 KS F 2257-1 건축부재의 내화시험방법에서 제시한 표준가열곡선에 의해 3시간 내화시험을 실시하였다.
현장 적용을 위한 섬유혼입 고강도 콘크리트의 내화성능 검토를 위한 실험계획은 Table 1에서 보는 바와 같이 시리즈Ⅰ에서는 설계기준강도 60MPa의 고강도콘크리트에 대하여 섬유 종류, 섬유 길이 및 혼입량에 따른 섬유혼입 콘크리트의 기초 물성을 검토하고자 하였으며, 시리즈Ⅱ에서는 시리즈Ⅰ에서 검토된 물성을 기초로 하여 설정된 섬유혼입 고강도 콘크리트의 내화특성을 평가하고자 하였다. 또한 시리즈Ⅲ에서는 설계기준강도 80MPa의 고강도콘크리트에 대하여 섬유 종류, 혼입량 및 피복두께에 따른 섬유혼입 콘크리트의 기초 물성 및 내화성능을 평가하고자 하였으며 시리즈Ⅳ에서는 시리즈Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ에서 검토된 내화성능을 기초로 하여 설정된 섬유혼입량에 대하여 설계기준강도 100MPa의 고강도콘크리트의 내화성능을 평가하고자 하였다.
대상 데이터
시리즈Ⅱ의 내화시험을 위한 시험체는 Figure 2에서 보는 바와 같이 사전 검토를 위하여 PP 섬유혼입량에 따른 내화성능을 평가하기 위해 200×200×400mm 크기의 시험체를 제작하였으며, 실재 부재를 대상으로 한 내화성능 평가를 위한 모의부재는 900×900×1500mm 크기로 제작하였다.
이론/모형
섬유혼입 고강도콘크리트의 성능 검토를 위한 실험방법으로서 콘크리트의 기초 물성 평가는 각 평가항목별 KS에 준하여 평가하였다.
성능/효과
1) 설계기준강도 60MPa 이하의 고강도 콘크리트의 경우 PP섬유 및 NY섬유 혼입량 0.5~1.0kg/㎥ 이하, 60MPa 초과 80MPa 이하의 고강도 콘크리트의 경우 PP섬유 및 NY섬유 혼입량 1.0kg/㎥, 80MPa 초과하는 고강도콘크리트의 경우 NY섬유 1.5kg/㎥ 범위에서는 섬유혼입이 고강도콘크리트의 시공성 및 강도발현에 미치는 영향은 크지 않은 것을 확인하였다.
2) 실제 부재크기를 대상으로 한 시험체의 3시간 내화시험 결과 피복두께 50mm를 확보해야 국토해양부 관리기준을 만족하는 것으로 나타나 섬유혼입에 의한 내화성능 확보 기술의 적용성을 확인할 수 있었다.
PP 섬유 혼입량에 따른 슬럼프플로우는 비빔직후의 경우 혼입량 1.5kg/㎥에서 슬럼프플로우가 다소 낮게 나타났으나, 경시60분에서는 혼입량에 따른 큰 차이가 보이지 않고 있어본 연구에서 검토된 PP 섬유 혼입량 1.5kg/㎥ 이하에서는 고강도콘크리트의 슬럼프플로우에 미치는 영향이 크지 않은 것으로 나타났다.
그러나 섬유 혼입량에 따른 압축강도 시험 결과 재령18시간의 초기 재령에서는 큰 차이가 보이지 않았으나, 재령이 경과함에 따라 섬유 혼입량이 증가할수록 고강도콘크리트의 압축 강도는 저하하는 경향이 나타났다.
따라서 국토해양부 고시 내화성능 관리기준을 만족하기 위한 조건으로는 콘크리트의 피복두께를 최소한 50mm 이상 확보해야 가능할 것으로 판단되었다.
또한 NY섬유 1.5kg/㎥ 혼입한 콘크리트의 경우를 제외한 모든 시험체가 내화성능 관리기준의 평균온도 기준인 538℃를 초과하여 관리기준을 만족하지 못하였으며 혼입량이 증가할수록 내부 온도는 증가하는 경향을 나타냈다.
Figure 6 및 Figure 7은 시리즈Ⅲ의 섬유종류별 혼입량에 따른 섬유혼입 고강도콘크리트의 슬럼프플로우 및 공기량을 나타낸 것으로 슬럼프플로우는 섬유를 혼입하지 않은 플레인에서 목표 슬럼프플로우인 650mm를 만족하였으며, 혼입량이 1kg/㎥ 증가함에 따라 슬럼프플로우가 약 8% 감소하여 유동성 저하의 경향이 나타났다. 또한 공기량의 경우 PP섬유와 나일론(NY)섬유의 혼입량과는 별개로 뚜렷한 경향 없이 1.4~2.6%의 범위에서 나타남을 알 수 있었다.
5kg/㎥으로 설정하였으며, PP섬유를 혼입한 경우 유동 감소가 상당히 나타나는 것을 확인할 수 있었으며, NY섬유의 경우 친수성 섬유로 유동성에는 문제가 없음을 확인할 수 있었다. 또한 압축강도 확인결과 28일에 설계기준강도인 100MPa보다 7~12% 상회하는 값을 나타내어 압축강도에도 문제가 없음을 확인하였다.
또한, 섬유 길이, 혼입량 및 종류에 따른 공기량의 경우 본 연구의 실험요인 내에서는 유의할만한 경향은 보이지 않았다
또한, 피복두께 40mm 위치에서의 온도는 섬유혼입량에 관계없이 가열개시 120분 경과시 국토해양부 관리기준인 평균 538℃를 초과하는 것으로 나타났다.
한편, 시리즈Ⅳ의 섬유종류별 고강도콘크리트 기초물성 평가 결과를 Table 4에 나타내었다. 설계기준강도 100MPa 고강도콘크리트를 대상으로 하여 시리즈Ⅲ의 시험결과를 바탕으로 PP섬유와 NY섬유의 혼입량을 1.5kg/㎥으로 설정하였으며, PP섬유를 혼입한 경우 유동 감소가 상당히 나타나는 것을 확인할 수 있었으며, NY섬유의 경우 친수성 섬유로 유동성에는 문제가 없음을 확인할 수 있었다. 또한 압축강도 확인결과 28일에 설계기준강도인 100MPa보다 7~12% 상회하는 값을 나타내어 압축강도에도 문제가 없음을 확인하였다.
Figure 15 및 Figure 16은 시리즈Ⅲ에서 각각 섬유 혼입량 변화에 따른 콘크리트 내부온도 및 내화시험 종료 후 섬유혼입량 변화에 따른 내부온도 그래프이다. 섬유 종류에 상관없이 섬유 혼입량이 증가함에 따라 콘크리트 내부온도가 증가하는 경향을 나타내었으며 이는 일정량 이상의 섬유를 혼입할 경우 유기섬유가 용융하여 생긴 공극이 콘크리트 내부 수증기압 저하의 영향보다 콘크리트 내부로의 열침투 경로생성의 영향이 더 커져 내부 온도 증가의 결과로 나타난 것으로 판단된다.
섬유를 혼입하지 않은 일반 고강도 콘크리트의 경우 피복두께 40mm에서 평균온도 538℃를 90분 이내에 초과하였으며, PP섬유를 1.5kg/㎥ 혼입한 경우라 하더라도 피복두께 30mm와 40mm에서 3시간 전에 모두 평균온도 기준을 초과함으로써 기준에 만족하지 못하는 것으로 나타났다.
Figure 13 및 Figure 14는 시리즈Ⅲ에서 피복두께 변화에 따른 콘크리트 내부온도를 나타낸 그래프와 내화시험 종료 후 피복두께 변화에 따른 내부온도 그래프이다. 피복두께 10mm 증가 시 내화시험 3시간 종료 후 최종 온도결과를 비교한 결과 약 11%씩 내부온도가 감소하는 경향을 나타냈다.
한편, 섬유 종류에 따른 슬럼프플로우 측정 결과 섬유혼입량 1.0kg/㎥ 수준에서는 PP 섬유에 비해 셀룰로오스 섬유가 다소 유동성이 저하되는 것으로 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
본 연구에서 고강도 콘크리트를 대상으로 무엇에 따른 콘크리트의 역학적 특성을 파악하였는가?
2008년 7월 21일 고시한 국토해양부의 고강도 콘크리트 내화성능 관리기준에 따라 50MPa 이상의 고강도 콘크리트는 내화성능을 확인하여 건축물에 적용 가능하게 되었다. 이에 본 연구는 60, 80, 100MPa의 고강도 콘크리트를 대상으로 섬유종류, 섬유길이, 혼입량에 따른 콘크리트의 역학적 특성을 파악하고 아울러 피복두께에 따른 내화성능을 검토하여 국토해양부 관리기준에 만족하는지 파악하고, 초고층 건축물에 있어서 고강도 콘크리트를 적용하기 위한 내화성능 확보방안을 마련하고자 하였다.
고강도 콘크리트의 내화성능을 확보하기 위한 기술 중 가장 경제적인 방법은?
한편, 기존 자료에 따르면 고강도 콘크리트의 내화성능을 확보하기 위한 기술 중 현재까지는 콘크리트 내부에 합성섬유를 혼입하여 화재 발생시 콘크리트 내부 수증기압을 저감시켜 폭렬을 제어하고자 하는 방안이 가장 경제적이며, 현장 적용이 용이한 것으로 파악되고 있다[4,5].
참고문헌 (5)
Kim YR, Song YC, Jung YH, Kim OJ, Lee DB. An
Song YC, Kim YR, Kim OJ, Lee DB. Evaluation of fire
Song YC, Kim YR, Oh JK, Kim OJ, Lee DB, Ko CH.
Han CG. Concrete with spalling resistance, Korea
Pierre K, Gregoire C, Christophe G. High temperature
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