RABT 화재시나리오를 적용한 이방향 프리스트레스트 콘크리트 패널부재의 내화특성에 관한 실험적 연구 Experimental Study on Fire-Resistant Characteristics of Bi-Directionally Prestressed Concrete Panel under RABT Fire Scenario원문보기
현재 교량, 터널, 원전격납구조물, 가스탱크 등의 주요 사회기반 구조물은 긴장재에 의해 구속효과가 적용된 프리스트레스트 콘크리트(PSC) 구조물로 주로 이루어져 있으며, 기술의 발전과 함께 프리스트레스트 콘크리트의 적용범위가 넓어지고 있는 추세이다. 일반적으로 콘크리트 구조물은 다른 구조재료에 비하여 내화성이 뛰어나다고 평가되고 있으나, 긴장재에 의해 구속된 프리스트레스트 콘크리트 구조물의 경우, 고온의 화재에 대한 부재의 거동은 일반 콘크리트 구조물의 거동과는 상이하나, 이와 관련된 국내외 연구 또한 미비한 실정이다. 그러므로, 이 연구에서는 $1400{\times}1000{\times}300mm$ 부재의 양방향에 430 kN의 긴장력을 준 비부착 프리스트레스트 콘크리트 패널부재를 제작하여, 5분 이내에 $1200^{\circ}C$의 화재하중을 가할 수 있는 RABT 화재 시나리오를 적용하여 이방향으로 구속된 프리스트레스트 콘크리트의 내화성능을 실험적으로 검토하였다. 또한 잔존내력구조실험을 수행하여, 화재에 의해 손상을 받은 프리스트레스트 콘크리트 구조물의 잔류응력을 일반 철근콘크리트 구조물과 비교 검토하였다. 이 연구 결과를 통해 화재에 대한 PSC 부재와 RC 부재의 거동은 서로 상이하였음을 확인하였다.
현재 교량, 터널, 원전격납구조물, 가스탱크 등의 주요 사회기반 구조물은 긴장재에 의해 구속효과가 적용된 프리스트레스트 콘크리트(PSC) 구조물로 주로 이루어져 있으며, 기술의 발전과 함께 프리스트레스트 콘크리트의 적용범위가 넓어지고 있는 추세이다. 일반적으로 콘크리트 구조물은 다른 구조재료에 비하여 내화성이 뛰어나다고 평가되고 있으나, 긴장재에 의해 구속된 프리스트레스트 콘크리트 구조물의 경우, 고온의 화재에 대한 부재의 거동은 일반 콘크리트 구조물의 거동과는 상이하나, 이와 관련된 국내외 연구 또한 미비한 실정이다. 그러므로, 이 연구에서는 $1400{\times}1000{\times}300mm$ 부재의 양방향에 430 kN의 긴장력을 준 비부착 프리스트레스트 콘크리트 패널부재를 제작하여, 5분 이내에 $1200^{\circ}C$의 화재하중을 가할 수 있는 RABT 화재 시나리오를 적용하여 이방향으로 구속된 프리스트레스트 콘크리트의 내화성능을 실험적으로 검토하였다. 또한 잔존내력구조실험을 수행하여, 화재에 의해 손상을 받은 프리스트레스트 콘크리트 구조물의 잔류응력을 일반 철근콘크리트 구조물과 비교 검토하였다. 이 연구 결과를 통해 화재에 대한 PSC 부재와 RC 부재의 거동은 서로 상이하였음을 확인하였다.
Recently, major infrastructure such as bridges, tunnels, PCCVs (Prestressed Concrete Containment Vessel), and gas tanks are Prestressed Concrete (PSC) structure types, which improve their safety by using confining effect from prestressing. Generally, concrete is known to be an outstanding fire resis...
Recently, major infrastructure such as bridges, tunnels, PCCVs (Prestressed Concrete Containment Vessel), and gas tanks are Prestressed Concrete (PSC) structure types, which improve their safety by using confining effect from prestressing. Generally, concrete is known to be an outstanding fire resistant construction material. Because of this reason, researches related to extreme fire loaded PSC member behaviors are not often conducted even though PSC behavior under extreme fire loading is significantly different than that of ordinary reinforced concrete (RC) behavior. Therefore, in this study, RABT fire loading tests were performed on bi-directionally prestressed concrete panels with $1000{\times}1400{\times}300mm$ dimensions. The prestressed specimens were applied with 430 kN prestressing (PS) force using unbonded PS thread bars. Also, residual strength structural tests of fire tested PSC and ordinary RC structures were performed for comparison. The study results showed that PSC behavior under fire loading is significantly different than that of RC behavior.
Recently, major infrastructure such as bridges, tunnels, PCCVs (Prestressed Concrete Containment Vessel), and gas tanks are Prestressed Concrete (PSC) structure types, which improve their safety by using confining effect from prestressing. Generally, concrete is known to be an outstanding fire resistant construction material. Because of this reason, researches related to extreme fire loaded PSC member behaviors are not often conducted even though PSC behavior under extreme fire loading is significantly different than that of ordinary reinforced concrete (RC) behavior. Therefore, in this study, RABT fire loading tests were performed on bi-directionally prestressed concrete panels with $1000{\times}1400{\times}300mm$ dimensions. The prestressed specimens were applied with 430 kN prestressing (PS) force using unbonded PS thread bars. Also, residual strength structural tests of fire tested PSC and ordinary RC structures were performed for comparison. The study results showed that PSC behavior under fire loading is significantly different than that of RC behavior.
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문제 정의
PSC 구조물의 대표적인 원전격납건물의 경우, ISO 화재시나리오에 대하여 설계를 하고 있는 실정이나, 실제 ISO 화재보다 극한 화재시나리오에 대한 검토가 필요하다고 판단된다. 그러므로, 이 연구에서는 실험적 조건을 고려하여 항공유 화재 시나리오와 유사하면서 극한의 화재시나리오를 모사하기 위하여 RABT 화재곡선을 극한 화재시나리오로 선정하여 실험을 수행하였다.
따라서 이 연구에서는 원전격납건물 벽체 또는 LNG 탱크의 외부벽체, 쉴드터널용 콘크리트 세그먼트와 같은 이방향 PSC 구조물을 선정하여, 극한 화재시나리오로 가장 대표적으로 적용되고 있는 RABT(Richtlinien für die Ausstattung und den Betrieb von Straβentunneln) 화재 시나리오에 따라 일반 철근콘크리트(reinforced concrete, RC)와 프리스트레스트 콘크리트(prestressed concrete, PSC)의 거동을 실험적으로 비교 평가하여 비부착 프리스트레싱 긴장력의 릴렉세이션과 구속압의 복합적인 거동으로 인한 구조물의 응력변화를 검토하고자 한다. 더불어, 화재하중에 의해 손상 받은 구조물의 잔존내력 구조실험을 수행하여 PSC 구조물의 화재에 의한 손상 특성을 규명하고자 한다.
따라서 이 연구에서는 원전격납건물 벽체 또는 LNG 탱크의 외부벽체, 쉴드터널용 콘크리트 세그먼트와 같은 이방향 PSC 구조물을 선정하여, 극한 화재시나리오로 가장 대표적으로 적용되고 있는 RABT(Richtlinien für die Ausstattung und den Betrieb von Straβentunneln) 화재 시나리오에 따라 일반 철근콘크리트(reinforced concrete, RC)와 프리스트레스트 콘크리트(prestressed concrete, PSC)의 거동을 실험적으로 비교 평가하여 비부착 프리스트레싱 긴장력의 릴렉세이션과 구속압의 복합적인 거동으로 인한 구조물의 응력변화를 검토하고자 한다.
이 연구에서는 RABT 화재시나리오에 대한 이방향 PSC 패널부재의 거동 및 가해지는 손상 등을 파악하기 위하여 1400×1000×300 mm의 시편을 제작하여 한국건설기술연구원에서 실험을 수행하였다.
가설 설정
32×106 mm3로 RC 시편 44×106 mm3의 2배 이상의 손상부피가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 여기서, 손상부피는 손상면적에 대하여 최대손상깊이로 손상되었다고 가정하였으며, PSC 시편은 상부 철근이 노출된 부분인 중앙부와 하부철근만이 보이는 외부 부분으로 나눠 각각에 대한 손상면적과 손상부피를 계산하였으며, 손상율은 전체부피에 대한 손상부피의 비율을 계산하였다.
이 연구에서 선정된 이방향 PSC 구조물의 극한 화재에 의한 손상 특성을 확인하기 위하여, Fig. 1의 항공유 화재곡선과 같이 항공기 충돌로 인해 발생하는 항공유에 의한 화재가 발생한다는 가정 하에 화재시나리오로 구성하였다. 항공유는 그 발화속도가 매우 빠른 특징이 있으므로 외부 화재시 통상적으로 거의 초기 시점부터 최대 온도 1100°C에 도달한다고 보수적으로 가정하였다.
항공유는 그 발화속도가 매우 빠른 특징이 있으므로 외부 화재시 통상적으로 거의 초기 시점부터 최대 온도 1100°C에 도달한다고 보수적으로 가정하였다.
제안 방법
18,20)그러므로, Fig. 11과 같이 화재에 의한 손상을 받은 구조물의 잔존내력 구조성능을 평가하였다. 화재손상을 받은 시편의 잔존내력 구조성능을 비교검토하기 위하여, 손상 받지 않은 일반 RC 시편과 PSC 시편에 대하여 검토하였다.
국내의 경우, 박해균 등(2005)에 의해 PC 강봉에 의한 압축력을 도입한 세그먼트에 대한 화재실험을 수행하였으나, 긴장력에 의한 압축력은 잔류수압 및 토압의 적용을 고려하기 위하여 6.5 MPa의 낮은 압축력을 가하여 실험 조건을 설정하였으며, 폴리프로필렌 섬유의 혼입률에 따른 콘크리트 세그먼트의 내화성능검토를 수행하였다.14) 또한 전세진 등(2005)은 PSC 원전격납건물의 화재 시나리오에 대한 온도분포해석 및 열응력해석을 수행하여 내화성능 평가절차를 제안하였다.
긴장작업에 의한 파괴를 방지하기 위하여, 충분한 배합강도가 발생한 배합 30일자에 Fig. 3과 같이 PS 강봉을 이용한 긴장작업을 수행하였다. 긴장작업을 위하여 Fig.
따라서, 이 연구에서 선정한 RABT 화재시나리오에 따른 PS 긴장력을 검토하였으며, 시간에 따른 긴장력은 Fig. 10과 같은 양상을 나타낸다. 시편 제작시 긴장작업 이후로부터 화재실험 직전에 30~50 kN 정도 긴장력 손실이 발생하였으며, 1200°C의 화재하중이 가해지는 1시간 동안은 강봉이 열에 의해 팽창하면서 긴장력이 지속적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다.
또한, 화재손상에 의한 재료물성의 변화를 측정하기 위하여, 콘크리트 및 모르타르 비파괴 수분측정기(K사, HI520)와 슈미트해머를 이용하여 화재실험 20시간 후에 함수율과 압축강도의 상대적인 변화량을 측정하였다.
시편의 형상이 이방향 슬래브이나, 화재손상에 의한 가압위치를 고려하기 위하여 단순지지에 대하여 선하중으로 가압하였다. 또한, 화재손상을 받은 가열면을 압축구간으로 두었으며, 하중에 따른 변위를 측정하기 위하여 2000 kN의 로드셀과 100 mm의 변위계로 측정하였다.
일반적으로 화재손상을 받은 콘크리트의 압축강도는 공시체를 내화로에 넣어 시험전후의 압축강도 변화를 측정하나, 이 연구의 경우 내화재를 사용하지 않은 실험적 조건으로 인해 콘크리트의 폭열 및 박락이 크게 발생하여 공시체를 이용한 측정이 불가능하여 슈미트해머를 이용하였다. 또한, 화재손상을 받은 콘크리트는 수분감소 및 화학적 특성의 변화에 의한 슈미트해머의 반발경도와 압축강도에 대한 새로운 관계식이 필요하나, 이 연구에서는 시험 전후의 동일한 식을 사용하여 단순한 반발경도의 차이에 의한 추정 압축강도를 측정하였다. 이 연구에서 수행한 화재하중에 의하여, 함수율이 감소한 것과 같이 추정 압축 강도 또한 감소하는 경향을 나타내었다.
선정된 대상 구조물에 사용된 콘크리트의 재료물성을 측정하기 위하여 100×200 mm의 원형공시체를 제작하였으며, 압축강도, 인장강도, 탄성계수 및 포아송비를 대기 양생과 표준양생으로 재령 28일에 대하여 각각 측정하였다.
6과 같이 3000 kN의 만능시험기를 이용하여 150 kg/s의 하중속도로 구조성능실험을 수행하였다. 시편의 형상이 이방향 슬래브이나, 화재손상에 의한 가압위치를 고려하기 위하여 단순지지에 대하여 선하중으로 가압하였다. 또한, 화재손상을 받은 가열면을 압축구간으로 두었으며, 하중에 따른 변위를 측정하기 위하여 2000 kN의 로드셀과 100 mm의 변위계로 측정하였다.
연구에서는 RABT 화재 이력곡선을 모사하기 위하여, Fig. 4와 같이 최대용량 580000 kcal/hr의 수평고온가열로를 이용하여 실험을 수행하였다. 시편은 가열로의 상부에 거치하여 시편의 한쪽전면에 가열손상이 가해지도록 하였으며, 실제 시편에 가해지는 가열면적은 1100×700 mm과 같다.
이 연구에서는 발생 가능한 극한 화재시나리오로 RABT 화재시나리오를 선정하였으며, 이방향 비부착 프리스트레스트 콘크리트(PSC) 패널의 내화성능과 화재손상 후의 잔존내력 구조성능을 실험적으로 비교 평가하였다. 프리스트레싱에 의해 구속된 PSC 시편은 RC 시편에 비하여 폭렬과 탈락에 의한 손상이 크게 발생하였으며, 고온에 의한 긴장력의 릴랙세이션과 서로 다른 재료의 열팽창률의 차, 콘크리트의 미세구조와 구속압의 변화 등의 복합적인 영향으로 인해 콘크리트 시편의 역학적 성질이 저하되는 것을 확인하였다.
이 연구의 대상구조물인 원전 격납건물이 비부착 포스트텐션 콘크리트이므로, .50 쉬스관을 삽입하여 긴장 후 그라우팅을 하지 않는 비부착 포스트텐션 방식으로 긴장하였다.
화재에 따른 추정 압축강도의 변화량은 Table 5와 같이 살펴볼 수 있다. 이때의 추정 압축강도는 슈미트해머를 이용하여 시편 측면에서 비파괴시험으로 수행하였으며, 일본재료학회(JSMS, The Society of Materials Science, Japan)와 일본 동경도 재료시험소(JTCCM, Japan Testing Center for Construction Materials)에서 제시한 추정식과스위스 연방재료시험소(EMPA, Eidgen ssische Materialpr fungs und Forschungsanstalt, Swiss Federal Laboratories for Materials Testing and Research)에서 제시한 추정강도 환산표를 이용하여 추정 압축강도를 평균하였다. 일반적으로 화재손상을 받은 콘크리트의 압축강도는 공시체를 내화로에 넣어 시험전후의 압축강도 변화를 측정하나, 이 연구의 경우 내화재를 사용하지 않은 실험적 조건으로 인해 콘크리트의 폭열 및 박락이 크게 발생하여 공시체를 이용한 측정이 불가능하여 슈미트해머를 이용하였다.
이방향 PSC 부재의 극한 화재에 대한 거동을 검토하기 위하여, 이 연구에서는 차세대 원전격납건물의 벽체를 대상구조물로 선정하였으며, Fig. 2와 같이 대상구조물과 동일한 철근비와 PS 텐던비로 이방향 RC 시편 및 PSC 시편을 제작하였다. 사용된 D13 철근은 항복강도 300 MPa,극한강도 440 MPa을 지니는 SD300을 사용하였으며, 100 mm 간격으로 양단 배근하였고, PS 긴장재는 시편사이즈의 실험적 제약조건으로 효율적인 구속효과를 발현시킬 수 있는 ∮32 VSL thread bar 강봉을 적용하였다.
화재손상을 받은 PSC 시편의 잔존내력성능을 검토하기 위하여, Fig. 6과 같이 3000 kN의 만능시험기를 이용하여 150 kg/s의 하중속도로 구조성능실험을 수행하였다. 시편의 형상이 이방향 슬래브이나, 화재손상에 의한 가압위치를 고려하기 위하여 단순지지에 대하여 선하중으로 가압하였다.
11과 같이 화재에 의한 손상을 받은 구조물의 잔존내력 구조성능을 평가하였다. 화재손상을 받은 시편의 잔존내력 구조성능을 비교검토하기 위하여, 손상 받지 않은 일반 RC 시편과 PSC 시편에 대하여 검토하였다.
20) 그러므로 이 연구에서는 Table 4와 같이 화재실험 수행여부에 따른 함수율의 변화량을 측정하였다. 화재실험 후의 함수율은 20시간 후에 측정하였으며, 폭렬로 인해 함수율을 측정할 수 없는 경우에는 주변부를 측정하여 함수율을 검토하였다. RC 시편과 PSC 시편에서 측정된 화재시험 전후의 함수율은 유사하였으며, 화재에 의해 가열된 후에 함수율이 평균 71.
대상 데이터
가열로 내부의 온도를 측정하기 위하여 R-type 열전대를 사용하였으며, 콘크리트 시편에 발생되는 열전달은 Fig. 5(a)와 같이 K-type의 열전대를 사용하였다. 콘크리트에 가해지는 가열손상은 가열면적에 동일하게 가해지므로, Fig.
이 연구의 대상구조물인 원전 격납건물이 비부착 포스트텐션 콘크리트이므로, ∮50 쉬스관을 삽입하여 긴장 후 그라우팅을 하지 않는 비부착 포스트텐션 방식으로 긴장하였다. 또한, 시편에 사용된 콘크리트는 대상구조물의 강도와 동일하도록 Table 1과 같은 40 MPa 강도의 콘크리트 배합을 사용하였으며, 장기강도발현을 위하여 플라이애쉬와 고로슬래그 미분말을 사용하였다.
사용된 D13 철근은 항복강도 300 MPa,극한강도 440 MPa을 지니는 SD300을 사용하였으며, 100 mm 간격으로 양단 배근하였고, PS 긴장재는 시편사이즈의 실험적 제약조건으로 효율적인 구속효과를 발현시킬 수 있는 .32 VSL thread bar 강봉을 적용하였다.
사용된 D13 철근은 항복강도 300 MPa,극한강도 440 MPa을 지니는 SD300을 사용하였으며, 100 mm 간격으로 양단 배근하였고, PS 긴장재는 시편사이즈의 실험적 제약조건으로 효율적인 구속효과를 발현시킬 수 있는 ∮32 VSL thread bar 강봉을 적용하였다. 사용된 PS 강봉은 항복강도 950 MPa, 극한강도는 1050 MPa, 6.53 kg/m3의 단위중량의 특성을 가진다. 이 연구의 대상구조물인 원전 격납건물이 비부착 포스트텐션 콘크리트이므로, ∮50 쉬스관을 삽입하여 긴장 후 그라우팅을 하지 않는 비부착 포스트텐션 방식으로 긴장하였다.
5(b)와 같은 위치에 열전대를 설치하였다. 열전대는 콘크리트의 피복두께인 50 mm에서부터, 100 mm, 150 mm, 250 mm의 위치에 설치하였다.
성능/효과
화재실험 후의 함수율은 20시간 후에 측정하였으며, 폭렬로 인해 함수율을 측정할 수 없는 경우에는 주변부를 측정하여 함수율을 검토하였다. RC 시편과 PSC 시편에서 측정된 화재시험 전후의 함수율은 유사하였으며, 화재에 의해 가열된 후에 함수율이 평균 71.5% 감소하는 것을 확인할수 있었다. 이는, 시편의 종류에 상관없이 콘크리트 시편에 함유된 수분의 이동에 의하여 주로 열전달이 이뤄지며, 유사한 함수율을 가지고 있다 하더라도 시편에 적용된 압축력 또는 콘크리트 공극의 밀실한 정도에 따라 폭렬발생정도가 상이하게 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
그러나 온도가 하강하는 1시간에 3시간 동안에는 긴장력도 함께 감소하나, 초기 긴장력에 비하여 급속하게 감소하는 것을 확인할 수 있다. 시험 종료 후에도 긴장력을 지속적으로 계측하였으며, 대부분의 긴장력이 일정해지는 것을 확인할 수 있다.
PSC 시편의 경우에는 가열 후 20분 후에도 철근이 폭렬에 의해 계속적으로 노출되는 것을 확인할 수 있으며, 가열이 종료된 20시간 후에도 프리스트레싱의 변화로 인한 시편손상 및 폭렬음이 발생하였다. 그러므로, ITA에서 언급한 것과 달리, 프리스트레싱에 의해 구속된 PSC 부재의 폭렬거동은 PS 긴장재에 의한 압축력 변화에 따라 추가적으로 발생할 수 있음을 확인하였다.
3(b)에서 보는 것과 같이 PS 강봉을 삽입한 후에 앵커플레이트와 앵커넛트를 이용하여 고정하였으며, 양방향으로 430 kN에 도달하도록 긴장하였다. 긴장력을 측정하기 위하여 변형률 게이지를 PS 강봉의 중앙, 단부, 긴장부에 부착하여 변형률에 따른 긴장력을 확인하였으며, 실제 계측한 결과, 360 kN에서 440 kN의 긴장력이 도입되었다.
선정된 대상 구조물에 사용된 콘크리트의 재료물성을 측정하기 위하여 100×200 mm의 원형공시체를 제작하였으며, 압축강도, 인장강도, 탄성계수 및 포아송비를 대기 양생과 표준양생으로 재령 28일에 대하여 각각 측정하였다. 대기양생에 대한 압축강도, 할렬인장강도, 탄성계수, 포아송비는 각각 평균 44.3 MPa, 3.9 MPa, 32.98 GPa, 0.196의 포아송비를 나타내었으며, 표준양생의 경우 평균 52.7 MPa, 5.2 MPa, 34.7 GPa, 0.203을 각각 나타내었다.
또한, 프리스트레스에 의해 압축영역에서 폭렬의 가능성이 높아지며, 콘크리트와 철근, PS 쉬스관과 긴장재의 열팽창율의 차에 의해 더 큰 폭렬이 발생가능한 것을 확인할 수 있다. Fig.
일반 PSC 시편은 휨균열이 발생하였으며, 화재손상을 받은 PSC 시편은 압축파괴 양상과 함께 PS 긴장재 쪽으로 전단균열이 나타났다. 또한, 화재 손상을 받은 PSC 시편은 일반 PSC 시편에 비해 0.54배의 극한강도를 나타냈으며, 강성 또한 RC 시편과 유사할 정도로 감소되었다. 이와 같은 화재손상을 받은 PSC 시편은 화재손상을 받은 RC 시편과 전반적으로 유사한 극한강도를 가지고 있으나, RC 시편에 비하여 오히려 취 성적으로 거동하는 것을 확인할 수 있다.
시편 제작시 긴장작업 이후로부터 화재실험 직전에 30~50 kN 정도 긴장력 손실이 발생하였으며, 1200°C의 화재하중이 가해지는 1시간 동안은 강봉이 열에 의해 팽창하면서 긴장력이 지속적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다.
시험 종료 후에도 긴장력을 지속적으로 계측하였으며, 대부분의 긴장력이 일정해지는 것을 확인할 수 있다. 시편의 가로방향으로 설치된 PL-C1, PL-C2, PL-TS는 시험이 끝남과 동시에 게이지에 손상이 발생한 것으로 판단되며, 초기 긴장력에 비하여, 중앙부(PS-C1, PS-C2)의 긴장력은 평균 212.3 kN, 단부 (PL-ES, PS-ES)는 평균 107.8 kN, 긴장부(PS-TS)는 약 50 kN이 릴랙세이션이 발생한 것을 확인하였다.
그러나 온도가 하강하는 1시간에 3시간 동안에는 긴장력도 함께 감소하나, 초기 긴장력에 비하여 급속하게 감소하는 것을 확인할 수 있다. 시험 종료 후에도 긴장력을 지속적으로 계측하였으며, 대부분의 긴장력이 일정해지는 것을 확인할 수 있다. 시편의 가로방향으로 설치된 PL-C1, PL-C2, PL-TS는 시험이 끝남과 동시에 게이지에 손상이 발생한 것으로 판단되며, 초기 긴장력에 비하여, 중앙부(PS-C1, PS-C2)의 긴장력은 평균 212.
또한, 화재손상을 받은 콘크리트는 수분감소 및 화학적 특성의 변화에 의한 슈미트해머의 반발경도와 압축강도에 대한 새로운 관계식이 필요하나, 이 연구에서는 시험 전후의 동일한 식을 사용하여 단순한 반발경도의 차이에 의한 추정 압축강도를 측정하였다. 이 연구에서 수행한 화재하중에 의하여, 함수율이 감소한 것과 같이 추정 압축 강도 또한 감소하는 경향을 나타내었다. RC 시편의 경우에는 화재에 의해 약 12.
5% 감소하는 것을 확인할수 있었다. 이는, 시편의 종류에 상관없이 콘크리트 시편에 함유된 수분의 이동에 의하여 주로 열전달이 이뤄지며, 유사한 함수율을 가지고 있다 하더라도 시편에 적용된 압축력 또는 콘크리트 공극의 밀실한 정도에 따라 폭렬발생정도가 상이하게 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
54배의 극한강도를 나타냈으며, 강성 또한 RC 시편과 유사할 정도로 감소되었다. 이와 같은 화재손상을 받은 PSC 시편은 화재손상을 받은 RC 시편과 전반적으로 유사한 극한강도를 가지고 있으나, RC 시편에 비하여 오히려 취 성적으로 거동하는 것을 확인할 수 있다. 이는 Fig.
이 연구에서 수행한 RABT 화재시나리오에 따른 온도 이력곡선으로부터 각 위치별 최대계측온도를 터널 구조용 부재의 사용한계온도와 원전격납건물에 적용하는 설계온도와 함께 비교해보면 Table 3과 같이 정리해볼 수 있다. 터널구조용 부재에 대하여 각 국에서 제시하는 사용한계온도에 대하여 RC 부재와 PSC 부재 모두 내화재 없이는 위험하다고 판단되며, 원전격납건물의 사고시 제시하는 설계온도에 대하여 PSC 시편에서 계측된 온도는 8.4~1.3배가 높게 측정되었다. 비록 원전격납건물 설계시 적용하는 화재시나리오가 ISO 834이지만, 이는 앞에서 언급한 것과 같이, 건축구조물의 건축자재에 의한 화재특성으로 인해 장시간동안 완만하게 온도상승이 이뤄지는 것이므로, 원전격납건물과 같은 PSC 구조물의 화재 사고 시에 대한 설계를 할 때에는 내화재의 사용 또는 설계온도에 대한 검토가 필요하다고 판단된다.
표면에 손상된 면적만을 확인하면 RC 시편과 PSC 시편은 7.1×105 mm2과 7.97×105 mm2로 비슷한 손상면적을 가지나, 최대 손상깊이에 대하여 손상 부피를 구해보면, PSC 시편이 89.32×106 mm3로 RC 시편 44×106 mm3의 2배 이상의 손상부피가 발생하는 것을 확인할 수 있다.
이 연구에서는 발생 가능한 극한 화재시나리오로 RABT 화재시나리오를 선정하였으며, 이방향 비부착 프리스트레스트 콘크리트(PSC) 패널의 내화성능과 화재손상 후의 잔존내력 구조성능을 실험적으로 비교 평가하였다. 프리스트레싱에 의해 구속된 PSC 시편은 RC 시편에 비하여 폭렬과 탈락에 의한 손상이 크게 발생하였으며, 고온에 의한 긴장력의 릴랙세이션과 서로 다른 재료의 열팽창률의 차, 콘크리트의 미세구조와 구속압의 변화 등의 복합적인 영향으로 인해 콘크리트 시편의 역학적 성질이 저하되는 것을 확인하였다. 이 연구를 통하여 비부착 PSC 구조물의 열응력해석 및 내화대책을 위한 기초적인 자료로써 활용이 가능하며, 추후 PSC 구조물의 화재손상에 대한 설계온도설정 시 검토가 반드시 고려되어야 한다고 판단된다.
후속연구
프리스트레싱에 의해 구속된 PSC 시편은 RC 시편에 비하여 폭렬과 탈락에 의한 손상이 크게 발생하였으며, 고온에 의한 긴장력의 릴랙세이션과 서로 다른 재료의 열팽창률의 차, 콘크리트의 미세구조와 구속압의 변화 등의 복합적인 영향으로 인해 콘크리트 시편의 역학적 성질이 저하되는 것을 확인하였다. 이 연구를 통하여 비부착 PSC 구조물의 열응력해석 및 내화대책을 위한 기초적인 자료로써 활용이 가능하며, 추후 PSC 구조물의 화재손상에 대한 설계온도설정 시 검토가 반드시 고려되어야 한다고 판단된다.
그러나 국내에서도 PSC 구조물의 내화성능에 대한 파괴형상 및 손상특성을 실험적으로 평가하여 이에 따른 내화대책 및 열응력해석을 위한 검증자료의 확보가 필요하다. 특히, 건축부재에서 적용하고 있는 종래의 화재 시나리오가 아닌, 터널과 같은 밀폐된 공간, 또는 극한 화재하중이 발생할 수 있는 최악의 화재시나리오를 고려하여 연구를 수행할 필요가 있다.15)
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
뛰어난 차폐성능과 안전성으로 PSC 구조는 어디에 적용되는가?
국내 경제의 발전과 콘크리트 재료 및 구조설계기술의 발달과 함께 역학적으로 효율적인 프리스트레스트 콘크리트(prestressed concrete, PSC)가 적용된 다양한 형태의 교량 및 특수 구조물이 증가되고 있다. 특히, 뛰어난 차폐성능과 안전성으로 PSC 구조는 원자력 구조물을 비롯하여, 가스탱크, 격납고와 같은 저장 구조물 등에 필수적으로 적용되고 있다. 또한 구조물들이 점차 초대형화, 특수화가 되어가면서 해양구조물인 해저저유 탱크 및 침매터널과 같은 주요 사회기반 구조물에 PSC 구조의 적용성이 증대되고 있다.
PSC 구조물의 내화성능에 대한 연구가 필요한 이유는 무엇인가?
PSC 구조물은 지압파괴를 방지하기 위하여 일반적으로 40 MPa 이상의 고강도 콘크리트를 사용하며, 긴장재에 의해 높은 압축력으로 구속되어있어 부재 내에 국부적으로 높은 응력이 발생된다. 또한 콘크리트와 긴장재, 철근 등의 열팽창률의 차이로 인한 추가적인 응력이 발생하며, 화재에 의해 손상된 콘크리트의 재료 및 구조성능 저하 등의 복합적인 요인으로 인하여, 일반 콘크리트구조물에 비해 PSC 구조물에서 폭렬현상이 쉽게 발생하게 된다.10,11) 이와 같은 PSC 구조물의 내화성능에 대한 연구의 필요성이 강조됨에 따라 최근에서야 국내외적으로 몇몇 연구자들에 의한 연구가 수행되고 있다.
프리스트레스트 콘크리트를 사용한 구조물이 증가하는 배경은 무엇인가?
국내 경제의 발전과 콘크리트 재료 및 구조설계기술의 발달과 함께 역학적으로 효율적인 프리스트레스트 콘크리트(prestressed concrete, PSC)가 적용된 다양한 형태의 교량 및 특수 구조물이 증가되고 있다. 특히, 뛰어난 차폐성능과 안전성으로 PSC 구조는 원자력 구조물을 비롯하여, 가스탱크, 격납고와 같은 저장 구조물 등에 필수적으로 적용되고 있다.
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