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문제 정의
- 따라서 이 연구에서는 50 MPa과 80 MPa의 두 가지 다른 압축 강도의 고강도 콘크리트 단주를 제작하고 가열 시간 및 폴리프로필렌 섬유 혼입을 변수로 하여 가열 실험을 수행한 후, 고온에 노출된 실험체에 대하여 가력 실험을 수행함으로써 화재 시 고강도 콘크리트 구조 성능에 영향을 미치는 설계 요소에 대해 고려하고자 한다. 이 연구의 결과를 바탕으로, 화재 피해로부터 안전한 고강도 콘크리트 구조물의 설계 기준을 제시할 수 있도록 하는데 도움이 되고자 하며, 현 고강도 콘크리트 구조물의 내화설계 시 사용하는 폭렬 저감 공법에 대해 고찰하고자 한다.
- 따라서 이 연구에서는 50 MPa과 80 MPa의 두 가지 다른 압축 강도의 고강도 콘크리트 단주를 제작하고 가열 시간 및 폴리프로필렌 섬유 혼입을 변수로 하여 가열 실험을 수행한 후, 고온에 노출된 실험체에 대하여 가력 실험을 수행함으로써 화재 시 고강도 콘크리트 구조 성능에 영향을 미치는 설계 요소에 대해 고려하고자 한다. 이 연구의 결과를 바탕으로, 화재 피해로부터 안전한 고강도 콘크리트 구조물의 설계 기준을 제시할 수 있도록 하는데 도움이 되고자 하며, 현 고강도 콘크리트 구조물의 내화설계 시 사용하는 폭렬 저감 공법에 대해 고찰하고자 한다.
- 이 연구에서는 고온에 노출된 고강도 콘크리트 기둥의 구조 성능을 평가하기 위하여 실험체를 제작하고 비재하 상태에서 ISO 834 표준화재 곡선을 따라 가열한 후, 가력 실험을 수행하여 가열 시간에 따라 저감되는 구조 성능의 정도를 파악하였다.
- 또한 폭렬 저감 공법을 사용한 실험체 역시 공극을 통한 열전도가 용이해져 온도 증가에 따른 구조 성능 감소가 우려된다. 따라서 콘크리트 강도 및 폭렬 저감 공법의 사용으로 구조 성능 혹은 내화 성능의 개선을 기대하는 구조 부재에서 화재 시 발생하는 구조 성능의 저감 정도를 알아보고자 이 실험의 변수를 계획하였다. 또한 구조 성능의 저감 정도가 가열 시간에 비례하는 지를 알아보기 위하여 가열 시간을 변수로 계획하였다.
- 이 연구에서는 비재하 상태에서 고온에 노출된 콘크리트 단주의 구조 성능을 평가하기 위해 가력 실험을 수행하였다. 변수로는 콘크리트의 강도, 가열 시간과 폭렬 저감 공법의 사용 유무를 두어, 화재 시 구조 성능에 영향을 미칠 수 있는 요인들과 그 정도를 파악하고자 하였다.
- 이 연구에서는 비재하 상태에서 고온에 노출된 콘크리트 단주의 구조 성능을 평가하기 위해 가력 실험을 수행하였다. 변수로는 콘크리트의 강도, 가열 시간과 폭렬 저감 공법의 사용 유무를 두어, 화재 시 구조 성능에 영향을 미칠 수 있는 요인들과 그 정도를 파악하고자 하였다. 실험을 위하여 압축강도 50 MPa과 80 MPa의 고강도 콘크리트 단주를 제작하고 ISO 834 표준화재 곡선에 따라 60분 또는 90분 동안 가열하였으며, 이후 가력 실험을 수행하여 가력 하중에 따른 처짐을 측정하였다.
제안 방법
- Cheng et al.의 연구에서는 고강도 콘크리트 공시체를 가열하는 실험을 통하여 온도에 따른 응력-변형률 곡선을 제시함으로써 압축강도 및 탄성 계수가 온도에 따라 변화하는 정도를 분석할 수 있었다. 또한 Kodur and Phan2)에서는 고강도 콘크리트의 내화 성능에 영향을 미치는 요인들이 제시되었는데, 여기에는 콘크리트 강도와 구조물의 단면 및 피복 두께, 띠철근의 정착 형태 등이 고려되었다.
- 4) 등에 의해 발표되었다. 전자에서는 약 3.8 m 높이의 고강도 콘크리트 기둥에 대해서 골재 종류와 콘크리트 강도, 가력 하중의 크기, 그리고 띠철근 배근 형태가 내화 성능에 미치는 영향을 알아보기 위하여 재하 상태에서 가열 실험을 수행하였다. 실험 결과에 따르면, 콘크리트 강도, 골재의 종류, 재하 상태에 따라 내화 성능에 차이가 발생하나, 적절한 정착 형태가 구현된 띠철근에 의한 구속 효과가 충분히 발휘된다면 4시간까지도 화재에 견딜 수 있는 것으로 발표되었다.
- 실험 결과에 따르면, 콘크리트 강도, 골재의 종류, 재하 상태에 따라 내화 성능에 차이가 발생하나, 적절한 정착 형태가 구현된 띠철근에 의한 구속 효과가 충분히 발휘된다면 4시간까지도 화재에 견딜 수 있는 것으로 발표되었다. 후자의 연구에서는 폭렬 저감 공법 중 하나인 폴리프로필렌 섬유 혹은 강섬유의 혼입유무에 따른 고강도 콘크리트 기둥의 내화 성능 변화를 관찰하였다. 가열 중 발생한 기둥의 길이 변화를 살펴보면 강섬유를 혼입한 실험체에서 하중 재하로 인한 처짐이 폴리프로필렌 섬유를 혼입한 실험체에 비하여 많이 발생하였으며, 일반강도 콘크리트에 비해 고강도 콘크리트에서 처짐이 더 많이 발생한 것으로 나타났다.
- 따라서 콘크리트 강도 및 폭렬 저감 공법의 사용으로 구조 성능 혹은 내화 성능의 개선을 기대하는 구조 부재에서 화재 시 발생하는 구조 성능의 저감 정도를 알아보고자 이 실험의 변수를 계획하였다. 또한 구조 성능의 저감 정도가 가열 시간에 비례하는 지를 알아보기 위하여 가열 시간을 변수로 계획하였다.
- 4에 나타난 ISO 834 표준화재 곡선을 따라 가열되며, 가열 시간에 따른 구조 성능 변화를 살펴보기 위해 가열 시간을 60분과 90분으로 달리하여 가열하였다. 가열 실험 중에는 가열로 내부에 배치된 열전대로부터 가열로 내 온도가 균일한지를 실시간으로 모니터링하였다.
- 가열 실험을 거친 고강도 콘크리트 기둥은 상온에서 약 30일을 대기하여 고온과 균열로 인해 일시적으로 부풀어 오른 실험체의 상태를 안정시키고, 콘크리트 재료의 불안정한 화학적 변화를 안정시키도록 하였다. 또한 가력 실험에서 발생 할 수 있는 기둥 단부의 파괴를 막기 위하여 탄소 섬유 보강을 실시한 후 24시간 이상 양생하였다.
- 가열 실험을 거친 고강도 콘크리트 기둥은 상온에서 약 30일을 대기하여 고온과 균열로 인해 일시적으로 부풀어 오른 실험체의 상태를 안정시키고, 콘크리트 재료의 불안정한 화학적 변화를 안정시키도록 하였다. 또한 가력 실험에서 발생 할 수 있는 기둥 단부의 파괴를 막기 위하여 탄소 섬유 보강을 실시한 후 24시간 이상 양생하였다. 탄소 섬유 보강을 실시하지 않은 기둥에서는 가열 실험동안 발생한 폭렬로 인한 변형으로 가력 시 과도한 편심이 발생하여 기둥 전체에 하중이 전달되기 이전에 기둥단부에서 파괴가 발생하는 경우가 관찰되었으나, 기둥 단부는 고온에 노출된 부분이 아니므로 고온에 노출된 구조물의 거동을 보고자 하는 이 연구의 목적에도 부합하지 않는다는 판단아래, 단부 보강을 실시하였다.
- 또한 가력 실험에서 발생 할 수 있는 기둥 단부의 파괴를 막기 위하여 탄소 섬유 보강을 실시한 후 24시간 이상 양생하였다. 탄소 섬유 보강을 실시하지 않은 기둥에서는 가열 실험동안 발생한 폭렬로 인한 변형으로 가력 시 과도한 편심이 발생하여 기둥 전체에 하중이 전달되기 이전에 기둥단부에서 파괴가 발생하는 경우가 관찰되었으나, 기둥 단부는 고온에 노출된 부분이 아니므로 고온에 노출된 구조물의 거동을 보고자 하는 이 연구의 목적에도 부합하지 않는다는 판단아래, 단부 보강을 실시하였다. 따라서 이 연구에서 측정된 최대 하중이 콘크리트 기둥만의 내력이라고 보기에는 무리가 있으나, 단부 보강을 통해 기둥 중앙에서의 파괴를 유도할 수 있고, 실험체 간의 합리적인 비교 분석이 가능해진다는 점에서 적절하다고 사료된다.
- 가력은 유압잭을 이용하여 기둥의 파괴 시까지 하중을 가하였으며 1,000 ton까지 측정 가능한 로드셀에서 하중이 측정되었다. 가력 시 콘크리트의 변형률을 측정하기 위하여 기둥 측면에 각 두 개씩의 게이지를 부착하였고, 가력으로 인한 기둥 처짐은 상단부에 설치된 4개의 LVDT에서 측정되었다.
- 단, 가력 실험에서 대조군으로 사용하기 위해 실험한 비가열 콘크리트 기둥의 경우, 압축강도가 80 MPa인 실험체의 최대 하중이 로드셀의 측정 가능 한계점인 1,000 ton을 초과하여 가력 실험을 실시할 수 없었으므로 재료 실험을 통해 얻은 데이터를 이용하여 추정된 하중-처짐 곡선으로 실험값을 대신하도록 한다.
- 14와 같다. 앞서 실험 방법에서 설명한 바와 같이, 대조군으로 사용하기 위해 가열하지 않은 실험체 중 압축강도 80 MPa의 실험체는 사용된 로드셀의 가용하중 범위를 벗어나는 관계로 가력 실험을 수행할 수 없었으며, 따라서 콘크리트 공시체를 사용한 재료 실험에서 얻은 응력-변형률 데이터를 이용하여 실험값을 추정하였다. Fig.
- 변수로는 콘크리트의 강도, 가열 시간과 폭렬 저감 공법의 사용 유무를 두어, 화재 시 구조 성능에 영향을 미칠 수 있는 요인들과 그 정도를 파악하고자 하였다. 실험을 위하여 압축강도 50 MPa과 80 MPa의 고강도 콘크리트 단주를 제작하고 ISO 834 표준화재 곡선에 따라 60분 또는 90분 동안 가열하였으며, 이후 가력 실험을 수행하여 가력 하중에 따른 처짐을 측정하였다.
- 가열 실험이 끝난 실험체에 대해서는 단면손실률을 측정하여 폭렬이 발생한 정도를 수치화하였는데, Fig. 11과 같이 가열 후 실험체의 네 측면에서 50 mm 높이 간격으로 폭렬 깊이를 측정한 후, 이를 바탕으로 잔존 단면을 파악하여 단면손실률을 계산하였다.
대상 데이터
- 실험체는 Table 1에 나타난 바와 같이 콘크리트 강도, 가열 시간, 폭렬 저감 공법의 사용 유무를 변수로 하여 계획, 제작되었으며 그 이유는 다음과 같다. 콘크리트의 강도가 높아질수록 고온에서 발생하는 폭렬 역시 증가하기 때문에, 고강도 콘크리트 구조물이라 할지라도 화재 피해 후 잔존 강도는 일반 강도 콘크리트 구조물에 비해 떨어질 가능성이 있다.
- 50 MPa 및 80 MPa의 목표 강도를 갖는 고강도 콘크리트는 Table 2의 배합표를 바탕으로 제작되었다. 일반적으로 배합재료의 성질에 따라 콘크리트 내화 성능이 달라지게 되며 특히 골재의 성분이 규산질인지 석회질인지에 따라 열전도율과 비열의 차이가 발생하는 것으로 알려져 있다.
- 일반적으로 배합재료의 성질에 따라 콘크리트 내화 성능이 달라지게 되며 특히 골재의 성분이 규산질인지 석회질인지에 따라 열전도율과 비열의 차이가 발생하는 것으로 알려져 있다. 그러나 실제 건설공사에서 사용되는 콘크리트 배합에서 골재를 비롯한 다른 배합재료의 성분을 파악하여 이를 내화설계에 고려하는 것은 현실적으로 어렵기 때문에, 이러한 현실을 반영하여 일반적으로 구할 수 있는 포틀랜드 시멘트, 세척사, 쇄석 골재, AE 감수제 등의 배합재료들을 이용하여 실험체를 제작하였다. 실험체는 수분의 영향을 최소화하기 위해 타설 후 6개월을 양생하여 화재 실험을 수행하였으며 재료 실험 결과 목표 강도 50 MPa 콘크리트의 6개월 압축강도와 탄성계수는 각각 54 MPa과 3.
- 따라서 이 연구에서 측정된 최대 하중이 콘크리트 기둥만의 내력이라고 보기에는 무리가 있으나, 단부 보강을 통해 기둥 중앙에서의 파괴를 유도할 수 있고, 실험체 간의 합리적인 비교 분석이 가능해진다는 점에서 적절하다고 사료된다. 사용된 탄소 섬유는 폭이 250 mm이며 기둥 상단부와 하단부에 에폭시를 이용하여 각각 두 겹 이상 부착하여 보강하였다. 가력은 유압잭을 이용하여 기둥의 파괴 시까지 하중을 가하였으며 1,000 ton까지 측정 가능한 로드셀에서 하중이 측정되었다.
- 실험체는 높이 1,500 mm의 단주로, 단면 크기는 Fig. 2에서 보는 바와 같이 350 × 350 mm의 정사각형 단면이며, 주철근으로 이형철근 D22를 배근하고, 띠철근은 D10을 이용하여 배근하였다.
성능/효과
- 8 m 높이의 고강도 콘크리트 기둥에 대해서 골재 종류와 콘크리트 강도, 가력 하중의 크기, 그리고 띠철근 배근 형태가 내화 성능에 미치는 영향을 알아보기 위하여 재하 상태에서 가열 실험을 수행하였다. 실험 결과에 따르면, 콘크리트 강도, 골재의 종류, 재하 상태에 따라 내화 성능에 차이가 발생하나, 적절한 정착 형태가 구현된 띠철근에 의한 구속 효과가 충분히 발휘된다면 4시간까지도 화재에 견딜 수 있는 것으로 발표되었다. 후자의 연구에서는 폭렬 저감 공법 중 하나인 폴리프로필렌 섬유 혹은 강섬유의 혼입유무에 따른 고강도 콘크리트 기둥의 내화 성능 변화를 관찰하였다.
- 실험체는 수분의 영향을 최소화하기 위해 타설 후 6개월을 양생하여 화재 실험을 수행하였으며 재료 실험 결과 목표 강도 50 MPa 콘크리트의 6개월 압축강도와 탄성계수는 각각 54 MPa과 3.1 × 104 MPa로 측정되었고, 목표 강도 80 MPa 콘크리트의 압축강도와 탄성계수는 각각 85 MPa과 3.5 × 104 MPa로 측정되었다.
- 후자의 연구에서는 폭렬 저감 공법 중 하나인 폴리프로필렌 섬유 혹은 강섬유의 혼입유무에 따른 고강도 콘크리트 기둥의 내화 성능 변화를 관찰하였다. 가열 중 발생한 기둥의 길이 변화를 살펴보면 강섬유를 혼입한 실험체에서 하중 재하로 인한 처짐이 폴리프로필렌 섬유를 혼입한 실험체에 비하여 많이 발생하였으며, 일반강도 콘크리트에 비해 고강도 콘크리트에서 처짐이 더 많이 발생한 것으로 나타났다. 그러나 기존의 연구는 고강도 콘크리트 구조물을 가열하면서 고온하에서의 물성치 변화, 또는 가열 실험을 통해 발생하는 내부 온도 분포 및 기둥의 처짐 변화를 측정하여, 실험 변수 별 비교 분석을 수행한 것으로써 보다 정확한 구조 거동을 알아보기 위해서는 화재 피해를 입은 구조체를 대상으로 한 가력 실험을 수행하여 거동을 평가, 비교할 필요가 있다.
- 열전대 S1, S2는 주철근, S3는 띠철근의 온도를 측정하기 위해 설치되었다. 타설과 양생을 마친 실험체는 상, 하단부 250 mm 정도의 높이를 단열재로 감싸 단부에서 폭렬 현상이 일어나는 것을 방지하였다. 이는 가력 실험에서 지지면과 가력면의 면적 및 수평을 유지시켜 가력 시 편심이 작용하지 않도록 하기 위함이다.
- 6,7) 또한 내화 성능 관리기준에 따르면 50 MPa 이상의 고강도 콘크리트는 주철근의 온도를 내화구조성능기준에서 규정한 시간까지 평균 538℃ 최고 649℃ 이하로 확보하도록 하고 있는데, 이 연구에서 수행한 가열 실험 도중 내화관리 기준을 만족하지 못하는 실험체는 폭렬이 극심하게 일어난 8C01이며, 가열 실험 시작 후 약 47분에 주철근 최고 온도가 649℃에 도달하여 내화 성능을 만족하지 못하는 것으로 나타났다.
- 가열로의 온도가 가열 시작 후 60분에서 약 950℃인 것을 감안하면 철근에서 측정된 온도는 가열로의 온도와 거의 비슷한 것임을 알 수 있으며, 이는 가열 실험중 발생한 과다 폭렬로 인하여 피복 부분이 많이 떨어져 나가 철근이 거의 노출된 것으로 이해할 수 있다. 콘크리트 강도에 따라 온도 분포 증가 곡선을 비교하면, 가열 초기에는 차이가 미미하나 콘크리트의 온도가 100℃에 다다르면서 폭렬이 일어난 후에는 콘크리트 강도가 높은 실험체에서 온도 증가 속도가 급격하게 증가하여 가열 한시간 이후에는 콘크리트 피복 부분의 온도 차이가 두 배가까이 나타나는 것을 알 수 있다.
- 10에 보이는 바와 같이 폭렬 저감 공법을 사용한 콘크리트 기둥의 내부 온도 분포이다. 폭렬 저감 공법으로 폴리프로필렌 섬유를 혼입하여 타설한 고강도 콘크리트 기둥에서의 폭렬은 현저히 저감된 반면, 내부 온도의 저감은 크게 나타나지 않았다. 오히려 압축강도 50 MPa의 콘크리트 기둥의 경우, 60분간 가열하였을 때, 피복 부분에서 측정한 온도는 폭렬 저감공법을 사용하지 않은 실험체에서 약 250℃, 폭렬 저감공법을 사용한 실험체에서 약 400℃로 60%가량 높게 나타났다.
- 폭렬 저감 공법으로 폴리프로필렌 섬유를 혼입하여 타설한 고강도 콘크리트 기둥에서의 폭렬은 현저히 저감된 반면, 내부 온도의 저감은 크게 나타나지 않았다. 오히려 압축강도 50 MPa의 콘크리트 기둥의 경우, 60분간 가열하였을 때, 피복 부분에서 측정한 온도는 폭렬 저감공법을 사용하지 않은 실험체에서 약 250℃, 폭렬 저감공법을 사용한 실험체에서 약 400℃로 60%가량 높게 나타났다. 90분으로 가열 시간을 증가시킨 경우에는 피복부분 온도가 약 25% 정도 더 증가하여 500℃에 까지 이르는 것을 알 수 있다.
- 그러나 기둥 표면에서 100 mm, 175 mm 떨어진 위치에서 측정한 온도는 폭렬 저감 공법 사용 유무에 관계없이 거의 유사하게 나타났다. 따라서 폭렬 저감 공법으로 폴리 프로필렌 섬유를 혼입한 고강도 콘크리트에서 폭렬의 양이 줄어들었다 하더라도, 내부 온도 저감 효과를 발휘하는 것으로는 사료되지 않으며, 강도에 따라서는 오히려 내부 온도를 증가시키기도 한다는 것이 관찰되었다. 일반적으로 폭렬이 일어나는 주요 원인은 콘크리트 내부 공극에 있던 수분이 증기로 변화하면서 외부로 빠져나가려는 공극압이 커지면서 발생하는 것으로 알려져 있다.
- 12는 압축강도 50 MPa을 갖는 콘크리트 기둥 실험체의 단면손실률을 나타낸 것으로, 폭렬 저감 공법을 사용한 실험체 5CF계열은 가열 시간에 관계없이 단면손실률이 0으로 폭렬이 거의 일어나지 않았음이 나타났고, 폭렬 저감 공법을 사용하지 않은 실험체에서는 약 3%의 단면손실률을 보였다. 폭렬 저감 공법 사용 유무에 관계없이 가열 시간에 따른 단면손실률의 차이는 거의 미미한 것으로 나타났는데, 이는 폭렬이 가열 초기에 많이 발생하고 60분 이후에는 거의 발생하지 않기 때문에 60분 동안 가열한 5CO1, 5CF1 실험체와 90분 동안 가열한 5CO2, 5CF2 실험체에서 나타나는 폭렬 정도의 차이는 없는 것으로 판단할 수 있다.
- 13은 압축강도 80 MPa을 갖는 콘크리트 기둥 실험체의 단면손실률을 나타낸 것으로, 폭렬 저감 공법을 쓰지 않은 실험체에서는 약 30%의 단면손실률이 나타나는 것으로 관찰되었다. 폭렬 저감 공법으로 폴리프로필렌 섬유를 혼입한 실험체에서는 60분 가열 후 측정한 실험체에서는 3.6%, 90분 가열 후에는 0.2%의 단면손실률을 보여 폭렬 저감 공법을 사용하지 않은 실험체에 비해서는 폭렬이 적게 일어났으나 가열 시간에 따른 영향력은 없는 것으로 나타났다. 이 밖에도 다양한 설계 변수에 따른 열적거동에 대한 분석은 신영수 외7)의 논문에서 보다 자세히 찾아볼 수 있다.
- 14에서 보는 바와 같이 압축 강도 50 MPa의 실험체에서는 60분을 가열하였을 때 최대하중이 약 21% 정도 감소하였으며 최대 처짐 또한 20% 정도 감소하였다. 압축강도 80 MPa의 실험체에서는 최대하중이 약 60%, 최대 처짐이 약 50% 가까이 감소하여 오히려 같은 시간 동안 가열한 압축강도 50 MPa 실험체에 비해 구조내력이 더 약한 것으로 파악되었다. 수치상으로 보면, 같은 크기의 콘크리트 단주에서 압축강도가 약 1.
- 15). 가열 시간이 길어질수록 단면손실률로 측정된 폭렬의 양에는 변화가 없었으나 내부 온도 분포는 증가한 것으로 미루어 보아, 가열 시간이 길어진 경우 내부 온도 증가에 따른 물성치의 변화가 일어나 강성이 낮아진 것으로 파악할 수 있다. 그러나 가열 시간이 90분인 실험체에서 가력 실험 결과 최대 처짐은 오히려 증가한 것으로 나타나 연성이 가열 시간에 따라 줄어들지는 않는 것으로 보이며, 이는 고온에 의한 콘크리트 재료의 화학적 성분 변화와도 밀접한 관계가 있는 것으로 유추할 수 있다.
- 가열 시간이 길어질수록 단면손실률로 측정된 폭렬의 양에는 변화가 없었으나 내부 온도 분포는 증가한 것으로 미루어 보아, 가열 시간이 길어진 경우 내부 온도 증가에 따른 물성치의 변화가 일어나 강성이 낮아진 것으로 파악할 수 있다. 그러나 가열 시간이 90분인 실험체에서 가력 실험 결과 최대 처짐은 오히려 증가한 것으로 나타나 연성이 가열 시간에 따라 줄어들지는 않는 것으로 보이며, 이는 고온에 의한 콘크리트 재료의 화학적 성분 변화와도 밀접한 관계가 있는 것으로 유추할 수 있다.
- 또한 가열 시간을 90분으로 늘린 5CF2 실험체의 경우에도 단면손실률의 차이는 없었으나 내부 온도 분포가 증가하였으므로 재료 물성치의 변화가 일어나 강성이 더 낮아졌다. 압축강도 80 MPa의 실험체에서는 Fig. 17에서 보이는 바와 같이 폭렬 저감 공법을 사용한 8CF1, 8CF2 실험체가 8CO1 실험체보다 최대 처짐 및 최대 하중은 크게 나타났으나 강성은 거의 비슷하게 나타나는 것을 알 수 있다. 이는 8CF1 실험체의 경우 단면 손실률이 현저하게 줄어들면서 피복 부분의 온도는 낮아졌으나 띠철근 안쪽의 내부 온도 분포는 폭렬 저감 공법을 쓰지 않은 8CO1 실험체와 차이가 거의 없기 때문인 것으로 보인다.
- 또한 8CO1에서 폭렬로 인하여 탈락되었던 피복 부분이 8CF1에서는 탈락되지 않았다 하더라도 피복 부분 온도가 400℃까지 상승하면서 고온에 의한 재료 물성치의 변화가 일어나는 것으로 유추할 수 있다. 또한 가열 시간이 증가함에 따라 폭렬양에는 차이가 없더라도 내부 온도 분포가 증가하였으므로 재료 물성치의 변화로 8CF2의 구조 내력은 8CF1에 비해 감소하는 것으로 나타났다.
- 고온에 노출되어 있던 실험체들은 공통적으로 가력 시 최고 하중에 도달한 후 오래 지나지 않아 큰 폭발음과 함께 콘크리트가 터져 나오며 취성 파괴되는 것이 관찰되었다. 기둥의 파괴 후 그 양상을 살펴보면 대부분 중앙 높이에서 세로 균열이 많이 발생하였으며, 피복 깊이 이상으로 균열이 발생하면서 콘크리트가 떨어져 나간 것을 확인할 수 있었다. 그러나 가열하지 않은 실험체에서는 피복이 떨어져 나가는 현상은 나타나지 않았으며 기둥 중앙부가 부풀면서 파괴가 일어나는 현상이 나타나 고온에 노출된 콘크리트 기둥과는 파괴모드가 확연히 다른 것을 알 수가 있었다.
- 기둥의 파괴 후 그 양상을 살펴보면 대부분 중앙 높이에서 세로 균열이 많이 발생하였으며, 피복 깊이 이상으로 균열이 발생하면서 콘크리트가 떨어져 나간 것을 확인할 수 있었다. 그러나 가열하지 않은 실험체에서는 피복이 떨어져 나가는 현상은 나타나지 않았으며 기둥 중앙부가 부풀면서 파괴가 일어나는 현상이 나타나 고온에 노출된 콘크리트 기둥과는 파괴모드가 확연히 다른 것을 알 수가 있었다. 고온에 노출된 시간이 길수록 피복이 떨어져 나간 부분의 넓이가 보다 광범위하였으나 떨어져 나간 깊이는 크게 차이점이 발견되지 않았다.
- 고온에 노출된 시간이 길수록 피복이 떨어져 나간 부분의 넓이가 보다 광범위하였으나 떨어져 나간 깊이는 크게 차이점이 발견되지 않았다. 또한 폭렬 저감 공법을 사용한 콘크리트 기둥 보다는 그렇지 않은 콘크리트 기둥에서 폭렬이 일어났던 부분을 중심으로 피복이 많이 떨어져 나간 것을 알 수 있 었다.
- 고온에 노출된 고강도 콘크리트 기둥의 하중-처짐 곡선을 살펴보면 같은 크기의 압축강도 80 MPa의 기둥이 같은 시간 동안 가열한 압축강도 50 MPa 기둥 보다 오히려 구조 성능이 떨어지는 것으로 나타났으며, 가열 시간이 60분에서 90분으로 증가한 경우에는 하중-처짐 곡선의 기울기와 최대 하중은 감소하였으나 최대 처짐은 오히려 증가하였다. 폭렬 저감 공법으로 폴리프로필렌 섬유를 0.
- 고온에 노출된 고강도 콘크리트 기둥의 하중-처짐 곡선을 살펴보면 같은 크기의 압축강도 80 MPa의 기둥이 같은 시간 동안 가열한 압축강도 50 MPa 기둥 보다 오히려 구조 성능이 떨어지는 것으로 나타났으며, 가열 시간이 60분에서 90분으로 증가한 경우에는 하중-처짐 곡선의 기울기와 최대 하중은 감소하였으나 최대 처짐은 오히려 증가하였다. 폭렬 저감 공법으로 폴리프로필렌 섬유를 0.1% 혼입하여 타설한 실험체에서는 압축강도가 50 MPa인 경우 오히려 구조 내력이 떨어지는 것으로 나타났으며 압축 강도가 80 MPa인 경우에는 최대 하중과 최대 처짐은 증가하였으나 하중-처짐 곡선의 기울기는 변화 없는 것으로 나타났다.
- 이러한 구조거동을 온도변화 및 폭렬과 관련하여 분석하면, 실험 변수에 따라 내부 온도가 증가하거나 폭렬이 증가한 경우로 나누어 생각해 볼 수 있다. 압축강도가 높은 콘크리트의 사용으로 내부 온도와 폭렬 모두가 증가한 경우에는 콘크리트 기둥의 강성 및 최대 하중, 처짐이 모두 감소하였으며, 가열 시간이 증가하여 내부 온도는 증가하였으나 폭렬양의 차이가 없는 경우에는 강성과 최대 하중이 감소하고 최대 처짐은 늘어났다. 폭렬 저감 공법으로 폴리프로필렌 섬유를 혼입한 실험체에서는 폭렬 양은 줄어들었으나, 내부 온도는 오히려 증가하거나 비슷하여 강성과 최대 처짐이 감소하는 것으로 나타나, 폭렬 저감 공법을 사용하여 화재 시 폭렬이 발생하지 않았다고 해서 고강도 콘크리트 구조물의 구조 성능이 보장되는 것은 아니라는 것을 알 수 있었다.
- 압축강도가 높은 콘크리트의 사용으로 내부 온도와 폭렬 모두가 증가한 경우에는 콘크리트 기둥의 강성 및 최대 하중, 처짐이 모두 감소하였으며, 가열 시간이 증가하여 내부 온도는 증가하였으나 폭렬양의 차이가 없는 경우에는 강성과 최대 하중이 감소하고 최대 처짐은 늘어났다. 폭렬 저감 공법으로 폴리프로필렌 섬유를 혼입한 실험체에서는 폭렬 양은 줄어들었으나, 내부 온도는 오히려 증가하거나 비슷하여 강성과 최대 처짐이 감소하는 것으로 나타나, 폭렬 저감 공법을 사용하여 화재 시 폭렬이 발생하지 않았다고 해서 고강도 콘크리트 구조물의 구조 성능이 보장되는 것은 아니라는 것을 알 수 있었다.
- 이 연구를 통하여 고강도 콘크리트 기둥에 화재가 발생한 경우 콘크리트 강도, 가열 시간과 폭렬 저감 공법 사용 유무에 따라 구조 성능에 차이가 있다는 것을 파악하였으며 특히 폭렬 저감 공법으로 폴리프로필렌 섬유를 혼입하여 사용한 경우 폭렬현상이 줄어들었다고 해도 폴리프로필렌을 혼입하지 않은 경우와 비교하여 구조 성능은 오히려 저감되거나 유지되는 수준인 것으로 나타났다. 따라서 화재 피해를 입은 구조물의 성능을 정확히 파악 하기 위해서는 내부 온도 뿐 아니라 폭렬현상도 함께 고려되어야 하며, 또한 콘크리트의 강도, 화재 노출 시간 등과도 밀접한 관련이 있음을 알 수 있다.
- 18에 나타낸 바와 같다. 고온에 노출되어 있던 실험체들은 공통적으로 가력 시 최고 하중에 도달한 후 오래 지나지 않아 큰 폭발음과 함께 콘크리트가 터져 나오며 취성 파괴되는 것이 관찰되었다. 기둥의 파괴 후 그 양상을 살펴보면 대부분 중앙 높이에서 세로 균열이 많이 발생하였으며, 피복 깊이 이상으로 균열이 발생하면서 콘크리트가 떨어져 나간 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 그러나 기존의 연구는 고강도 콘크리트 구조물을 가열하면서 고온하에서의 물성치 변화, 또는 가열 실험을 통해 발생하는 내부 온도 분포 및 기둥의 처짐 변화를 측정하여, 실험 변수 별 비교 분석을 수행한 것으로써 보다 정확한 구조 거동을 알아보기 위해서는 화재 피해를 입은 구조체를 대상으로 한 가력 실험을 수행하여 거동을 평가, 비교할 필요가 있다. 따라서 기존의 연구에서는 고온에 노출되었던 고강도 콘크리트 구조 부재에 대한 가력 실험을 수행, 분석한 사례가 드물어 이에 대한 연구가 필요하다고 사료된다.
- 따라서 화재 피해를 입은 구조물의 성능을 정확히 파악 하기 위해서는 내부 온도 뿐 아니라 폭렬현상도 함께 고려되어야 하며, 또한 콘크리트의 강도, 화재 노출 시간 등과도 밀접한 관련이 있음을 알 수 있다. 또한 보다 다양한 설계 변수에 대한 고찰 및 실제 크기의 고강도 콘크리트 구조물에 대한 실험을 수행하기 위해서는 고용량의 로드셀, 대형 가열로와 같은 연구시설 및 기자재의 확충이 뒷받침되어야 한다고 사료된다.
- 탄소 섬유 보강을 실시하지 않은 기둥에서는 가열 실험동안 발생한 폭렬로 인한 변형으로 가력 시 과도한 편심이 발생하여 기둥 전체에 하중이 전달되기 이전에 기둥단부에서 파괴가 발생하는 경우가 관찰되었으나, 기둥 단부는 고온에 노출된 부분이 아니므로 고온에 노출된 구조물의 거동을 보고자 하는 이 연구의 목적에도 부합하지 않는다는 판단아래, 단부 보강을 실시하였다. 따라서 이 연구에서 측정된 최대 하중이 콘크리트 기둥만의 내력이라고 보기에는 무리가 있으나, 단부 보강을 통해 기둥 중앙에서의 파괴를 유도할 수 있고, 실험체 간의 합리적인 비교 분석이 가능해진다는 점에서 적절하다고 사료된다. 사용된 탄소 섬유는 폭이 250 mm이며 기둥 상단부와 하단부에 에폭시를 이용하여 각각 두 겹 이상 부착하여 보강하였다.
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