[논문]단열모르타르를 이용한 고강도콘크리트 기둥의 폭렬저감 방안

유석형; 임서형

[국내논문] 단열모르타르를 이용한 고강도콘크리트 기둥의 폭렬저감 방안
Spalling Reduction Method of High-Strength Reinforced Concrete Columns Using Insulating Mortar 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.25 no.6, 2011년, pp.8 - 13

유석형 (경남과학기술대학교 건축공학과) , 임서형 (경남과학기술대학교 건축공학과)

초록
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고강도 콘크리트는 구조적인 장점에도 불구하고 화재 시 폭렬과 함께 취성적인 파괴를 나타내는 단점으로 인하여 실구조물에 적용 시 주의하여 사용하여야 한다. 신축되는 고강도 콘크리트구조물의 폭렬제어를 위하여 많은 연구가 진행되어 왔으나, 사용 중인 고강도콘크리트 구조물의 폭렬제어방안에 대한 연구가 부족한 실정이다. 본 연구에서는 사용 중인 고강도 콘크리트 구조물의 내화성능을 향상시키기 위한 내화 마감재로서 미세공극과 유기섬유를 활용한 공극구조의 개선으로 단열성을 확보한 신개념의 무기질 내화 모르타르를 개발하고자 한다. 잔골재 종류, PP섬유 혼입량 및 마감두께를 변수로 하는 내화모르타르에 대한 재료시험 및 실구조물에 대한 내화시험을 통하여 내화성능을 평가하였다. 재료시험결과 다공질의 경량골재를 사용한 모르타르의 열전도율은 일반 잔골재에 비하여 크게 낮아졌으며, 기둥부재 내화시험결과 경량 잔골재의 사용으로 내화시간이 20분, 마감두께를 10 mm에서 20 mm로 증가시킬 경우 10분 그리고 PP섬유를 0.6 % 혼입함으로써 4분 증가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

High Strength Concrete (HSC) has a disadvantage of the brittle failure under fire due to the spalling. The studies on spalling control method of new constructed HSC buildings were performed enough, but the studies on existing buildings are insufficient. The new inorganic refractory mortar is developed in this study. The insulating capacity is enhanced by using light weight fine aggregate and polypropylene (PP) fiber. In results of material test, the thermal conductivity of light weight fine aggregate get lower than general fine aggregate. And in results of column test, the fire resisting time is delayed 20 minutes by using light weight fine aggregate, 10 minutes by increasing finishing depth from 10 mm to 20 mm and 4 minutes by using 0.6 % PP fiber.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 기존 고강도 콘크리트 구조물의 내화 성능을 향상시키기 위한 내화 피복재로서 미세공극과 유기섬유를 활용한 공극구조의 개선으로 단열성을 확보함은 물론 내부 수증기압을 저감시켜 폭렬을 방지할 수 있는 신개념의 무기질 피복재를 개발하고자 한다.
본 실험에서는 다공질 경량골재와 PP섬유를 활용한 공극구조의 개선으로 단열성능이 우수한 내화모르타르를 개발하고 이를 고강도 콘크리트 기둥부재에 부착한 후 고시된 기준¹⁾에 따라 내화피복재로서의 성능을 평가하였다. PP섬유는 160℃에서 용융되고 340℃에서 기화됨으로서 화재 시 콘크리트 내부의 수증기를 배출시키는 역활을 하는 것으로 보고되었다.
따라서 본 연구에서는 내화모르타르의 조성 및 마감두께에 따른 고강도콘크리트 기둥의 내화 성능에 미치는 영향을 비교·평가하기 위하여 비재하가열시험을 수행하였다.

제안 방법

내화 피복재는 내화성능으로서 단열성뿐만 아니라 상온에서 마감재로서 요구되는 역학적 성능과 시공성을 갖추어야 한다. 본 연구에서는 KS 기준에 따라 조성된 내화모르타르의 역학적 성능을 확인하고 내화모르타르를 기둥부재에 도포하면서 부착성을 확인하였다. 조성된 모르타르를 피복재로 하는 고강도 콘크리트 기둥에 대한 내화시험을 수행하고 관리기준¹⁾에서 제시하는 지침에 따라 부재의 주철근 온도가 평균 538℃에도달하는 시간을 피복재 변수별로 비교하여 최종적인 내화성능을 평가하였다.
모든 실험체는 Figure 1과 같이 크기(300 × 300 × 700 mm)이고 실구조물과 같이 단부의 띠철근 간격을 중앙부 띠철근 간격(100 mm)의 1/2로 줄여서 배근하였고 피복두께 4 cm와 주근비(ρ) 1.69 %로 배근하였다.
내화모르타르의 변수에 따른 폭렬의 양상정도를 외형적으로 평가하기 위하여 3시간 내화시험 후 화해를 입은 실험체를 Figure 5와 같이 육안조사 하였다. 육안조사는 폭렬발생 면적과 폭렬깊이를 관찰하여 다음과 같이 3단계의 등급으로 나누어 평가하였다.
이는 본 연구에서 개발한 내화모르타르의 내화성능이 3시간의 가열시간에 대부분 견디지 못하였기 때문이다. 따라서 내화모르타르의 변수별 성능평가는 가열시 실험체 내부에 설치된 온도센서를 통하여 계측된 실험체의 온도분포 특성을 실험변수별로 비교하여 수행하였다.
실험체 내부에 설치된 온도센서에 계측된 온도데이터를 통하여 가열 시 실험체 내부의 시간-온도 변화의 추이를 분석함으로써 화재 시 고강도콘크리트 기둥 부재의 내화성능을 평가할 수 있다. 본 실험에서는 Figure 1과 같이 실험체마다 4곳에서 온도를 계측하였으며, 3시간 가열 시 매분마다 온도를 측정하였다.
실험체 내부에 설치된 온도센서에 계측된 온도데이터를 통하여 가열 시 실험체 내부의 시간-온도 변화의 추이를 분석함으로써 화재 시 고강도콘크리트 기둥 부재의 내화성능을 평가할 수 있다. 본 실험에서는 Figure 1과 같이 실험체마다 4곳에서 온도를 계측하였으며, 3시간 가열 시 매분마다 온도를 측정하였다. 각 변수별단열마감재의 단열성능 비교 평가는 고시된 기준¹⁾에 따라서 각 실험체마다 내부 평균온도가 538℃에 도달 하는 시간을 기준으로 비교 하였다.
본 연구에서는 KS 기준에 따라 조성된 내화모르타르의 역학적 성능을 확인하고 내화모르타르를 기둥부재에 도포하면서 부착성을 확인하였다. 조성된 모르타르를 피복재로 하는 고강도 콘크리트 기둥에 대한 내화시험을 수행하고 관리기준¹⁾에서 제시하는 지침에 따라 부재의 주철근 온도가 평균 538℃에도달하는 시간을 피복재 변수별로 비교하여 최종적인 내화성능을 평가하였다.
본 실험에서는 Figure 1과 같이 실험체마다 4곳에서 온도를 계측하였으며, 3시간 가열 시 매분마다 온도를 측정하였다. 각 변수별단열마감재의 단열성능 비교 평가는 고시된 기준¹⁾에 따라서 각 실험체마다 내부 평균온도가 538℃에 도달 하는 시간을 기준으로 비교 하였다.

대상 데이터

⁴⁾ 모르타르 내부에 혼입된 PP섬유는 화재 시 기화됨으로써 미세 공극을 형성하여 다공질 골재와 함께 모르타르의 단열성능을 높일 것으로 기대된다. 따라서 잔골재 종류로서 일반잔골재와 경량잔골재를 PP섬유는 혼입량 0, 0.3 및 0.6 Vol%를 변수로 선정하였으며, 내화모르타르의 배합비는 Table 1과 같다.
기둥실험체는 내화모르타르의 배합비 변수와 더불어 마감두께 10, 20 mm를 추가하여 Table 1과 같이 총 11개의 기둥 실험체를 제작하였다. 모든 실험체는 Figure 1과 같이 크기(300 × 300 × 700 mm)이고 실구조물과 같이 단부의 띠철근 간격을 중앙부 띠철근 간격(100 mm)의 1/2로 줄여서 배근하였고 피복두께 4 cm와 주근비(ρ) 1.

이론/모형

가열은 국제기준인 ISO 834-1을 기초로 하고 있는 KS F2257-1(건축구조 부재의 내화시험방법)에 따라서 식(1) 과 같이 정의된 온도곡선을 따라 가열하였으며, 가열시 기둥의 길이방향의 온도분포 특성을 배제시키기 위하여 상 · 하 주두를 Figure 3과 같이 세라믹섬유로 단열처리 하였다.

성능/효과

내화모르타르의 역학적 특성으로서 압축강도와 휨강도는 각각 KS L 5105 및 KS F 2408에 따라 측정하였고, 내화성능으로서 열전도율의 측정은 KS L 9016에 따라 측정하였으며, 시험결과는 Table 1과 같이 상온에서 마감재로서 요구되는 역학적 성능을 만족할 것으로 판단되며, 열전도율(W/m·K)은 일반잔골재의 경우 1.03을 기준으로 경량잔골재를 사용한 경우 0.21~0.23으로 크게 줄어들었으나, PP섬유의 혼입량에 따라서는 열전도율의 변화가 거의 나타나지 않았다.
PP섬유는 160℃에서 용융되고 340℃에서 기화됨으로서 화재 시 콘크리트 내부의 수증기를 배출시키는 역활을 하는 것으로 보고되었다.⁴⁾ 모르타르 내부에 혼입된 PP섬유는 화재 시 기화됨으로써 미세 공극을 형성하여 다공질 골재와 함께 모르타르의 단열성능을 높일 것으로 기대된다. 따라서 잔골재 종류로서 일반잔골재와 경량잔골재를 PP섬유는 혼입량 0, 0.
실험체마다 4곳의 온도계측데이터에 대한 평균 시간온도곡선을 구하여 전체 실험체를 하나의 그래프에서 비교하여 Figure 6에 나타내었다. 전체적으로 시간에 따른 온도의 변화는 가열 후 30분 정도, 내부 수분이기화하기 시작하는 100℃ 이후에 온도가 급격히 상승하기 시작하였으며, 가열 후 130분 이후부터 각 실험체 내부온도가 노 내부의 가열온도에 까지 상승하였다. 이는 이 시간에 단열모르타르 마감뿐만 아니라 온도센서를 감싸는 콘크리트 피복까지 탈락하여 온도센서가 화기에 완전히 노출되었음을 알 수 있다.
기준에서 제시하는 평균온도 538 ℃에 도달하는 시간은 전체적으로 80분에서 110분 사이로 나타났으며, 본 실험의 내화마감공법은 지속적으로 단열성능을 향상시킬 경우 2시간 내화성능을 확보할 수 있을 것으로 판단된다. Figure 7 및 Table 3~5와 같이 이시간대에 각 내화모르타르 변수별 평균온도 538 ℃ 도달시간을 비교함으로써 내화성능을 평가 하였다.
1) 일반 잔골재와 다공질의 경량골재를 사용한 모르타르의 열전도율은 각각 1.03(W/m · K)와 0.23(W/m · K)로 나타나 경량잔골재의 사용으로 모르타르의 단열 성능은 크게 향상하였으나, PP섬유를 혼입한 모르타르의 단열성능은 거의 변화하지 않았다.
2) 내화피복재 종류에 따른 고강도콘크리트 기둥내화성능평가 결과 경량잔골재의 사용으로 내화시간이 20분, 마감두께를 10 mm에서 20 mm로 증가시킬 경우 10분 그리고 PP섬유를 0.6 % 혼입함으로써 4분 증가 하였다.

후속연구

본 연구에서 새롭게 개발되는 내화피복재는 기존 고강도 콘크리트 건축물의 내화성능 개선은 물론 신축되는 건축물의 내화설계에도 활용될 것이며, 내화 피복재의 제조가 매우 간편하고 경제적이어서 실용화 가능성이 높을 것으로 판단된다. 또한 향후 성능설계 개념의 고강도 콘크리트 구조물의 내화설계기법 정립을 위한 기초 자료로서 활용될 것으로 기대된다.
본 연구에서 새롭게 개발되는 내화피복재는 기존 고강도 콘크리트 건축물의 내화성능 개선은 물론 신축되는 건축물의 내화설계에도 활용될 것이며, 내화 피복재의 제조가 매우 간편하고 경제적이어서 실용화 가능성이 높을 것으로 판단된다. 또한 향후 성능설계 개념의 고강도 콘크리트 구조물의 내화설계기법 정립을 위한 기초 자료로서 활용될 것으로 기대된다.
3) 본 연구에서 개발한 내화모르타르는 지속적인 추가연구를 통하여 기존 사용 중인 고강도 콘크리트 구조물의 내화피복재로서 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

참고문헌 (8)

국토해양부 고시, "고강도콘크리트 보.기둥부재의 내화성능관리방안", 제2008-334호(2008).
NISTIR 5934, "Fire Performance of High-Strength Concrete : A Report of the State-of-the-Art", NIST, Dec.(1996).
L. Sarvaranta and E. Mikkola, "Fiber Mortar Composites in Fire Conditions", Fire Mater, Vol.18, pp.45-50(1994).

상세보기
Pierre Kalifa, "High-Temperature behaviour of HPC with Polypropylene Fibers from Spalling to Microstructures", Cement and Concrete Research, Jun., pp.1487-1499(2001).
D. Bentz, "Fibers, Percolation and Spalling of High Performance Concrete", ACI material Journal, March, pp.351-359(2000).
유석형, 김인기, 신성우, "고강도 철근콘크리트 기둥의 폭열제어를 위한 최적의 PP섬유함유량 산정", 한국구조물진단학회논문집, Vol.11, No.2(2007).
유석형, "섬유를 활용한 고강도 콘크리트기둥의 폭렬 제어방안", 한국화재소방학회 논문지, Vol.23, No.4, pp.1-6(2009).
한천구, 양성환, 이병열, 황인성, "골재종규 및 폴리 프로필렌 섬유 혼입률 변화에 따른 고성능 콘크리트의 폭렬특성에 관한 연구", 콘크리트학회논문집, 통권53호, Vol.11, No.5, pp.69-78(1999).

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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