[국내논문]Fiber-Cocktail 섬유를 혼입한 100 MPa 고강도 콘크리트의 단면크기에 따른 폭렬 및 내화성능에 관한 실험적 연구 An Experimental Study on The Fire Resistance Performance and Spalling of 100 MPa HSC Column Mixed Fiber-Cocktail원문보기
최근 고강도 콘크리트의 내화성능이 사회적 이슈로 부각되고 국토해양부에서 고강도 콘크리트의 내화성능 관리기준이 고시되면서 국내에서도 고강도 콘크리트의 내화성능을 향상시키기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 유기질 섬유인 폴리프로필렌 섬유(PP섬유)와 강섬유를 하이브리드한 Fiber Cocktail를 혼입한 고강도 내화콘크리트 개발을 위한 연구를 수행하였다. 100 MPa 고강도 콘크리트의 내화실험을 실시하여 최적단면 조건을 도출하기 위해 철근온도를 분석한 결과, 단면이 커질수록 철근온도는 점차 낮아지는 경향이 나타났으며 $600{\times}600mm$, $800{\times}800mm$ 단면에서 내화성능을 확보할 수 있는 것으로 나타났으며, 이중 경제성을 고려할 경우 $600{\times}600mm$ 단면이 최적단면으로 도출되었다. 또한 도출된 $600{\times}600mm$ 단면에 대해서 철근의 온도를 분석한 결과 PP섬유 $1.5kg/m^3$와 강섬유 $40kg/m^3$를 배합비의 실험체가 내화성능이 더 확보되었다.
최근 고강도 콘크리트의 내화성능이 사회적 이슈로 부각되고 국토해양부에서 고강도 콘크리트의 내화성능 관리기준이 고시되면서 국내에서도 고강도 콘크리트의 내화성능을 향상시키기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 유기질 섬유인 폴리프로필렌 섬유(PP섬유)와 강섬유를 하이브리드한 Fiber Cocktail를 혼입한 고강도 내화콘크리트 개발을 위한 연구를 수행하였다. 100 MPa 고강도 콘크리트의 내화실험을 실시하여 최적단면 조건을 도출하기 위해 철근온도를 분석한 결과, 단면이 커질수록 철근온도는 점차 낮아지는 경향이 나타났으며 $600{\times}600mm$, $800{\times}800mm$ 단면에서 내화성능을 확보할 수 있는 것으로 나타났으며, 이중 경제성을 고려할 경우 $600{\times}600mm$ 단면이 최적단면으로 도출되었다. 또한 도출된 $600{\times}600mm$ 단면에 대해서 철근의 온도를 분석한 결과 PP섬유 $1.5kg/m^3$와 강섬유 $40kg/m^3$를 배합비의 실험체가 내화성능이 더 확보되었다.
Along the fire resisting capacity of high strength concrete has been brought up as a social issue, and the Ministry of Land also had notified the control standard about it, the researches for improving the fire resisting capacity have been considerably activated these days. In this study, we perform...
Along the fire resisting capacity of high strength concrete has been brought up as a social issue, and the Ministry of Land also had notified the control standard about it, the researches for improving the fire resisting capacity have been considerably activated these days. In this study, we performed a research for developing a high strength concrete, contains the fiber cocktail, which is a hybrid of polypropylene fiber as organic matter, and steel fiber. As we analyzed the temperature of the steel part during the fire test with 100 MPa high strength concrete, there was a tendency that the lower temperature comes out with the larger cross section, and the $600{\times}600mm$, $800{\times}800mm$ cross sectioned can secure the fire resistance capability, so the $600{\times}600mm$ is deducted as the optimal size if we consider the double economic feasibility. As well, among them the best qualified $600{\times}600mm$ shapes, the fiber cocktail hybrid of $1.5kg/m^3$ PP fiber and $40kg/m^3$ of steel, comes out the best ratio.
Along the fire resisting capacity of high strength concrete has been brought up as a social issue, and the Ministry of Land also had notified the control standard about it, the researches for improving the fire resisting capacity have been considerably activated these days. In this study, we performed a research for developing a high strength concrete, contains the fiber cocktail, which is a hybrid of polypropylene fiber as organic matter, and steel fiber. As we analyzed the temperature of the steel part during the fire test with 100 MPa high strength concrete, there was a tendency that the lower temperature comes out with the larger cross section, and the $600{\times}600mm$, $800{\times}800mm$ cross sectioned can secure the fire resistance capability, so the $600{\times}600mm$ is deducted as the optimal size if we consider the double economic feasibility. As well, among them the best qualified $600{\times}600mm$ shapes, the fiber cocktail hybrid of $1.5kg/m^3$ PP fiber and $40kg/m^3$ of steel, comes out the best ratio.
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문제 정의
현재 초고층 및 공법의 기술향상으로, 고강도 콘크리트의 내화성능에 관한 관심이 고조되어 이에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이에 본 연구에서는 비 재하 조건에서의 고강도 콘크리트 내화성능 확보방안에 대한 연구를 수행하고자 한다.
이에 본 연구에서는 비재하 조건에서의 유기질 섬유인 폴리프로필렌 섬유(PP섬유)와 강섬유를 하이브리드한 Fiber Cocktail를 혼입한 100 MPa급 고강도 콘크리트의 내화성능 확보를 위한 연구를 수행하였다. 이를 토대로 100 MPa급의 고강도 콘크리트의 경제성을 고려한 최적 단면크기 및 Fiber-Cocktail의 내화성능이 우수한 혼입비율을 도출하여 내화성능 향상방안을 확보하고자 내화실험을 수행하였다.
이에 본 연구에서는 비재하 조건에서의 유기질 섬유인 폴리프로필렌 섬유(PP섬유)와 강섬유를 하이브리드한 Fiber Cocktail를 혼입한 100 MPa급 고강도 콘크리트의 내화성능 확보를 위한 연구를 수행하였다. 이를 토대로 100 MPa급의 고강도 콘크리트의 경제성을 고려한 최적 단면크기 및 Fiber-Cocktail의 내화성능이 우수한 혼입비율을 도출하여 내화성능 향상방안을 확보하고자 내화실험을 수행하였다.
본 연구에서는 하이브리드 섬유를 혼입한 100 MPa 급 고강도 콘크리트의 내화성능 확보를 위한 최적단면및 최적배합 조건을 도출하기 위하여 Fiber Cocktail 혼입량과 단면 크기별로 내화실험을 실시하였다.
그러나 경제성 측면에서는 내화성능 확보를 위해 콘크리트 단면을 향상시키는 것은 한계가 있기 때문에 최적의 단면크기 조건을 산정하는 것이 중요하다. 그러므로 본 연구에서는 동일한 조건에서 100 MPa 하이브리드 섬유를 혼입한 고강도 콘크리트 기둥의 최대의 내화성능을 갖는 단면조건을 도출하고자 한다.
제안 방법
최적 내화성능을 확보 할 수 있는 단면크기 조건 도출을 위해 최소 400 × 400 mm, 최대 800 × 800 mm의 4가지 변수로 설정하였다.
이러한 단면 크기는 현재 대형 시공사에서 시공중인 고강도 기둥의 단면크기를 고려하였다. 또한 400 mm~600 mm 단면의 경우, 향후 재하실험과의 비교를 할 계획이므로, 고강도 기둥의 특성을 감안하여 실험장비 조건인 1000 Ton 기둥가열로의 최대 하중재하용량을 고려하여 선정하였다.
최적배합 조건 도출을 위해 Fiber Cocktail 혼입량은 최적배합 도출을 위해 선행연구12)의 결과를 바탕으로 PP섬유 적정 혼입량인 1.5 kg/m3과 강섬유의 혼입량을 30 kg/m3과 40 kg/m3로 설정하여 배합설계를 실시하였다. Table 1은 하이브리드 섬유를 혼입한 100 MPa급 고강도 콘크리트의 배합표로서, 섬유혼입에 의한 영향 성을 분석하기 위하여 실험체를 제작하였다.
Table 2는 하이브리드 섬유를 혼입한 100 MPa급 고강도 콘크리트 기둥 실험체 실험변수 및 계획으로, 동일한 100 MPa 고강도 콘크리트 강도로 콘크리트 피복 두께는 40 mm로 선정하여 내화실험을 수행하였다.
하이브리드 섬유를 혼입한 100 MPa급 고강도 콘크리트의 내화성능 확보를 위한 최적단면 및 최적배합 조건을 도출하기 위하여 Fiber Cocktail을 혼합한 100 MPa급 고강도 콘크리트에 대하여 비재하 조건에서 3시간 내화 실험을 수행하였다. 내화실험은 ISO 834 화재곡선에 따라 부재를 가열하여 철근의 온도를 측정하여 분석하였다.
하이브리드 섬유를 혼입한 100 MPa급 고강도 콘크리트의 내화성능 확보를 위한 최적단면 및 최적배합 조건을 도출하기 위하여 Fiber Cocktail을 혼합한 100 MPa급 고강도 콘크리트에 대하여 비재하 조건에서 3시간 내화 실험을 수행하였다. 내화실험은 ISO 834 화재곡선에 따라 부재를 가열하여 철근의 온도를 측정하여 분석하였다.
동일한 PP와 화재로 인한 균열제어성능 향상을 위하여 강섬유를 10 kg/m3 더 혼입한 조건에서의 기둥 부재의 내화성능을 평가하였다. 400 mm 단면조건인 S3의 경우 118분의 내화성능이 나타났으며.
하이브리드 섬유 혼입 비율이 높아질수록 내화성능을 확보할 수 있으나, 시공 유동성 및 경제성이 낮아지므로 최적의 배합조건을 도출하여야 하며 이를 위해 고강도 콘크리트 기둥의 내화실험을 수행하였다.
100 MPa 고강도 콘크리트의 경우, 높은 밀도로 인해 폭렬이 증가하게 되는데 기존의 연구에서는 40 MPa 콘크리트의 경우 약 10 mm 정도의 폭렬이 발생13)한데에 비해 본 연구에서는 100 MPa 강도에서 147 mm의 폭렬이 발생하여 고강도 콘크리트의 폭렬위험성을 확인 하였다. 또한 단면크기가 커질수록 폭렬의 깊이는 증가하는데, 이는 고강도 콘크리트의 경우 단면크기 상승에 따른 열용량으로 초반의 온도가 제어 될 수 있으나 수분함유량이 높기 때문에 폭렬은 더 많이 발생하는 것으로 판단된다.
100 MPa 강도의 고강도 콘크리트 기둥의 내화성능을 단면크기와 섬유혼입비율에 따라 비교한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
대상 데이터
하이브리드 섬유를 혼입한 100 MPa급 고강도 콘크리트의 내화실험을 위한 기둥 실험체는 단면크기 최소 400 mm × 400 mm~최대 800 mm× 800 mm로 4개의 단면으로 제작하고, 높이는 1500 mm로 제작하였다.
5 kg/m3과 강섬유의 혼입량을 30 kg/m3과 40 kg/m3로 설정하여 배합설계를 실시하였다. Table 1은 하이브리드 섬유를 혼입한 100 MPa급 고강도 콘크리트의 배합표로서, 섬유혼입에 의한 영향 성을 분석하기 위하여 실험체를 제작하였다.
하이브리드 섬유를 혼입한 100 MPa급 고강도 콘크리트의 내화실험을 위한 기둥 실험체는 단면크기 최소 400 mm × 400 mm~최대 800 mm× 800 mm로 4개의 단면으로 제작하고, 높이는 1500 mm로 제작하였다. 철근은 SS400을 원재료로 하여 주근 D22로 4개를 배근하였으며, 늑근 D10으로 300 mm 간격으로 Figure 1과 같이 배근하였다. 열전대는 K-Type 1 mm 직경을 사용하여, 고강도 콘크리트 내화성능 관리기준에 의거하여 설치하였으며, 기둥의 중앙부 주근에 총 4개소를 설치하였다.
철근은 SS400을 원재료로 하여 주근 D22로 4개를 배근하였으며, 늑근 D10으로 300 mm 간격으로 Figure 1과 같이 배근하였다. 열전대는 K-Type 1 mm 직경을 사용하여, 고강도 콘크리트 내화성능 관리기준에 의거하여 설치하였으며, 기둥의 중앙부 주근에 총 4개소를 설치하였다.
성능/효과
5) 60 MPa 콘크리트 보 부재의 경우 Fiber Cocktail 혼입에 따른 폭렬 및 표면 탈락이 저감되었으며, 내화성능이 철근콘크리트 내화성능은 180분을 확보한 것으로 연구결과가 도출되었다.
고강도 철근 콘크리트 기둥의 경우, 콘크리트 폭렬 저감을 위해 폭렬저감재(PP - 0.5 kg/m3 , 강섬유 0.5 %/ VOL)을 혼합하여 50 MPa와 60 MPa의 고강도 기둥의 폭렬을 평균 20 mm~40 mm까지 제어할 수 있으며, 폭렬저감재를 혼입한 콘크리트의 경우 무 혼입콘크리트에 비해 표준화재조건에서 약 25 %~55 % 정도의 기둥 변형량이 제어되어 내화성능이 향상되었다는 결론을 도출하였다.6)
무 혼입 조건에서는 400 mm 이하의 단면에서는 열용량이 낮으므로 전반적인 수증기에 의한 폭렬이 발생하였으며, 500 mm 이상의 단면크기에서는 수증기 및 양생조건에 따라 한쪽에서의 폭렬이 발생하게 되어 평균온도보다 한계온도가 급격하게 상승함으로써 내화성능이 저하되는 것으로 나타났다.
무혼입 조건에서는 일부분의 폭렬로 인해 한계온도가 초과하는 현상이 발생하였으며, 섬유 혼입을 한 경우에는 단면크기가 확보될 경우 내화성능도 상승하는 안정적인 경향성을 나타내었다.
강 섬유를 약 10 kg/m3 정도 추가할 경우에는 전반적으로 폭렬깊이가 줄어 들 수 있는 것으로 나타나는데, 이는 강섬유의 인장력이 역할을 하는 것으로 판단된다. 또한 섬유에 의한 폭렬저감 효과는 단면이 적을수록 그 효율이 높아지는 경향을 나타내었다.
4) 최적단면설계조건을 판단하기 위해 철근온도를 분석한 결과, 단면이 커질수록 철근온도는 점차 낮아지는 경향이 나타났으며 도출된 최적섬유 비율인 PP섬유 1.5 kg/m3와 강섬유 40 kg/m3를 하이브리드한 섬유를 혼입한 경우 600 mm × 600 mm, 800 mm × 800 mm 단면에서 내화성능을 확보할 수 있다.
5) PP섬유 1.5 kg/m3와 강섬유 40 kg/m3를 배합한 Fiber Cocktail이 최적배합비로 나타났으며 600 mm × 600 mm 단면보다 클 경우 3시간 이상의 내화성능을 확보할 수 있는 것으로 판단된다.
2) 단면크기가 커질수록 폭렬의 깊이는 증가하는다. 이는 고강도 콘크리트의 경우 단면크기 상승에 따른 열용량이 커짐에 따라 내화성능이 향상되나, 반면에 수분함유량이 높기 때문에 폭렬이 더 많이 발생하기 때문으로 판단된다.
3) 섬유를 혼입하지 않을 경우, 코너부의 부분 폭렬로 인해 일부분의 철근의 급격한 온도상승으로 평균온도가 안정적임에도 불구하고 한계온도 초과로 내화성능이 낮아진다. 그러나 섬유를 혼입할 경우, 평균온도와 한계온도가 내화성능이 유사한 시간대에 초과하게 되어 부재가 갖는 내화성능을 최대한 발휘 할 수 있다.
후속연구
특히 고강도 콘크리트의 경우 보통 콘크리트보다 낮은 투수성 및 고밀도 특성으로 인해 고온 노출 시, 콘크리트 내·외부의 온도차에 의한 열응력과 콘크리트 내부의 공극압력이 급격히 증가한다.2) 이로 인해 폭렬이 발생함으로 고강도 콘크리트를 적용한 초고층 건축물의 구조적 내화안전성 확보를 위해서는 폭렬 및 내화성능 평가에 대한 면밀한 검증 및 내화성능 확보기술에 대한 연구가 반드시 선행되어야 한다.
가 필요하며, 동일한 조건에서의 성능평가를 수행하여 관련기준의 타당성을 검증할 필요가 있다. 이를 위해 본 연구에서는 비 재하조건에서의 고강도 콘크리트의 내화성능 확보기술을 우선적으로 검증하고, 이를 토대로 향후 재하조건에서의 내화성능 확보에 관한 연구를 단계적으로 추진할 계획이다.
참고문헌 (13)
국토해양부, "고강도 콘크리트 기둥.보의 내화성능 관리기준", 국토해양부 고시 제 2008-334호.
한국표준협회, "건축 구조부재의 내화시험 방법 - 일반요구사항(KS F 2257-1)", 한국산업규격, pp.3-13 (1999).
W.A. Morris, "Guidelines for the Construction of Fire-resisting Structural Elements", Building Research Establishment Report(1998).
조경숙, 김흥열, 김형준, "표준화재 재하조건하에서 Fiber Cocktail을 혼입한 고강도 콘크리트 보의 폭렬 특성 및 내화성능에 관한 연구", 한국화재소방학회, Vol.23, No.6, pp.126-134(2009).
김흥열, 김형준, 전현규, 염광수, "표준화재 재하조건 Fiber Cocktail을 혼입한 고강도 콘크리트 기둥의 전열특성 및 화재거동에 관한 연구", 한국콘크리트학회, Vol.22, No.1, pp.29-39(2009).
K.D. Hertz, "Limits of Spalling of Fire-exposed Concrete", Fire Safety Journal, pp.103-116(2003).
Y. Anderberg, "Spalling Phenomena of HPC and OC", NIST Workshop on Fire Performance of High Strength Concrete in Gaithersburg(1997).
U.M. Jumpannen, "Effect of Strength on Fire Behaviour of Concrete", Nordic Concrete Research (1989).
L.T. Phan, "High-strength Concrete at High Temperature: An Overview", Proceedings of 6th International Symposiumon Utilization of High Strength/High Performance Concrete, Leipzig, Germany, pp.501-518(2002).
T. Harada, "Strength, Elasticity and Thermal Properties of Concrete Subjected to Elevated Temperatures", ACI SP-34, Vol.1, pp.393(1972).
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