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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 터널 및 지하차도에 적용되는 내화패널이 부착된 프리캐스트 PSC슬래브의 구조성능과 내화패널의 기초성능을 확인하여 구조적 신뢰성을 확보하기 위해 내화패널이 부착된 풍도슬래브 실물시험체를 제작하여 동적/정적재하시험이 수행되었다.
- 본 논문에서는 터널 및 지하차도의 화재에 대한 안전성을 확보하기 위한 개발된 내화패널이 부착된 프리캐스트 PSC 풍도슬래브의 성능평가를 수행한 결과 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.
- 내화패널과 콘크리트 슬래브 사이의 부착강도는 ASTM D 4541에 따라 시험하였다. 본 연구에서는 피부착면의 특성을 파악하기 위해 실제 프리캐스트 PSC 콘크리트 슬래브의 설계기준강도와 동일한 강도의 콘크리트를 대상으로 실험을 수행하였다. 동일한 강도의 콘크리트로 제한한 이유는 부착면인 콘크리트가 고강도일 경우 부착되는 내화패널의 부착강도가 과대평가될 수 있기 때문이다.
제안 방법
- 2. 휨성능은 동적피로시험을 수행한 시험체와 미수행한 시험체에 대하여 성능평가를 하였다. 시험결과, 두 시험체 모두 최대하중은 약 120 kN, 최대변위 약 250 mm로 나타났다.
- 계측 센서는 철근과 콘크리트에 각각 부착하였으며, 변위는 LVDT를 사용하여 측정하였다. 철근의 변형률 게이지는 콘크리트를 타설하기 전에 인장부와 압축부에 각각 2개씩 부착하였으며, 콘크리트의 변형률 게이지는 초기 균열 발생시기를 확인하기 위하여 시험체의 중앙 하부에 부착하였다.
- 구조 성능시험을 위한 프리캐스트 PSC 내화 풍도슬래브는 총 2본이 제작되었으며, 시험체의 제작은 그림 7과 같이 먼저 제작베드 위에 강재거푸집을 설치한 후에 내화패널을 깔고 강선을 배치한 후에 프리텐션 방식으로 강연선을 긴장하였다. 긴장력이 도입된 후 설계기준강도 50 MPa의 콘크리트를 타설하고 균질한 품질과 초기 강도발현을 위해 증기양생을 실시하여 제작하였다
- 구조 성능시험을 위한 프리캐스트 PSC 내화 풍도슬래브는 총 2본이 제작되었으며, 시험체의 제작은 그림 7과 같이 먼저 제작베드 위에 강재거푸집을 설치한 후에 내화패널을 깔고 강선을 배치한 후에 프리텐션 방식으로 강연선을 긴장하였다. 긴장력이 도입된 후 설계기준강도 50 MPa의 콘크리트를 타설하고 균질한 품질과 초기 강도발현을 위해 증기양생을 실시하여 제작하였다
- 동일한 강도의 콘크리트로 제한한 이유는 부착면인 콘크리트가 고강도일 경우 부착되는 내화패널의 부착강도가 과대평가될 수 있기 때문이다. 부착 시험체는 제작된 거푸집 안에 내화패널을 거치한 후 내화패널 위에 콘크리트를 타설하여 증기양생을 실시하였다.
- 부착강도 시험은 제작된 시편을 가로 × 세로 40 mm의 정사각형 모양으로 그라인더를 이용하여 내화패널을 커팅한 후 내화패널 위에 에폭시 접착제를 도포하여 돌리를 접착하였다.
- 구조성능 시험체인 프리캐스트 PSC 슬래브는 9800×1190×230 mm의 크기로 제작되었으며, 내화패널의 두께는 20 mm로 PSC 슬래브 하부에 부착되어 있다. 시험체는 프리텐션으로 제작되었으며 강선의 비부착구간을 두어 단면의 효율을 증대시켰다. 그림 6은 시험체의 단면형상과 제원을 나타내고 있다.
- 철근의 변형률 게이지는 콘크리트를 타설하기 전에 인장부와 압축부에 각각 2개씩 부착하였으며, 콘크리트의 변형률 게이지는 초기 균열 발생시기를 확인하기 위하여 시험체의 중앙 하부에 부착하였다. 시험체의 변위는 지점부와 1/4지점, 중앙부에 각각 설치하여 구조물의 전체적인 거동을 확인하였다. 아래 그림 9는 계측 센서의 위치도이며, 그림 10은 변위계 및 변형률 측정게이지를 부착하는 모습이다.
- 부착강도 시험은 제작된 시편을 가로 × 세로 40 mm의 정사각형 모양으로 그라인더를 이용하여 내화패널을 커팅한 후 내화패널 위에 에폭시 접착제를 도포하여 돌리를 접착하였다. 에폭시 접착제가 소정의 강도를 발휘하면 그림 4와 같이 부착강도 측정장비를 이용하여 부착강도를 측정하였다.
- 피로부착시험 시 피로하중은 도로터널에 일반적으로 작용하는 표면압력(25 Pa)이상의 하중을 진동수 2 Hz로 200만회 반복가력하였으며, 피로하중은 최대 처짐이 발생하는 중앙부에 선하중으로 재하하였으며, 유압식 가력기를 사용하여 반복하중 1천회, 1만회, 5만회, 10만회, 100만회, 150만회, 200만회 재하시의 내화패널의 탈락 및 균열을 조사하였다.
대상 데이터
- Pull-off test 시편은 총 14개였으며 4개는 에폭시 접착제와 돌리의 탈락에 의한 것으로 시험결과에서 제외하였다. Pull-off test 결과 내화패널과 콘크리트 슬래브 사이의 부착강도는 최대 0.
- 구조성능 시험체인 프리캐스트 PSC 슬래브는 9800×1190×230 mm의 크기로 제작되었으며, 내화패널의 두께는 20 mm로 PSC 슬래브 하부에 부착되어 있다.
- 본 시험에 사용된 시편의 사이즈는 100×20×400 mm의 공시체 12개를 제작하여 휨강도를 측정하였다.
- 시험체는 2개가 제작되었으며, 제작된 시험체에 동적하중 시험을 선행한 시험체(시험체-1)와 선행하지 않은 시험체(시험체-2)로 구분된다.
이론/모형
- 내화패널과 콘크리트 슬래브 사이의 부착강도는 ASTM D 4541에 따라 시험하였다. 본 연구에서는 피부착면의 특성을 파악하기 위해 실제 프리캐스트 PSC 콘크리트 슬래브의 설계기준강도와 동일한 강도의 콘크리트를 대상으로 실험을 수행하였다.
- 내화패널의 휨강도 특성을 파악하기 위하여 KS F 2263「건축용 보드류의 휨시험방법」에 준하여 휨강도를 측정하였다. 본 시험에 사용된 시편의 사이즈는 100×20×400 mm의 공시체 12개를 제작하여 휨강도를 측정하였다.
성능/효과
- 1. 2 Hz로 200만회의 피로부착시험결과, 내화패널과 PSC 슬래브 사이의 탈락은 발생하지 않았으며, 외관조사결과 어떠한 손상도 발생하지 않아 ITA(2004)에서 제시하는 25 Pa의 압력하중하에서 피로부착성능은 매우 양호한 것으로 조사되었다.
- 200만회 시험완료 후 내화패널을 적용한 프리캐스트 PSC 슬래브의 외관을 정밀 검사한 결과 균열은 발생하지 않았으며, 슬래브와 내화패널의 계면에서의 탈락이나 균열도 발생하지 않는 것으로 나타나 반복하중에 대한 내화패널의 피로부착 성능은 우수한 것으로 판단되며, 터널이나 지하차도에 시공될 경우 내화패널의 탈락에 의한 문제는 발생하지 않을 것으로 판단된다.
- 3. 시험종료 후 하부에 부착된 내화패널에서 균열은 조사되었으나 패널의 탈락은 발생되지 않았으며, 초기균열은 내화패널의 위치에서 발생하여 콘크리트 슬래브로 휨균열이 진전되었으며, 내화패널과 PSC 슬래브가 일체거동을 하는 것을 확인 할 수 있었다. 따라서 시공 중이나 시공 후 외부하중에 의한 풍도슬래브의 파손이나 내화패널의 손상으로 인한 탈락은 발생하지 않을 것으로 기대된다.
- Pull-off test 시편은 총 14개였으며 4개는 에폭시 접착제와 돌리의 탈락에 의한 것으로 시험결과에서 제외하였다. Pull-off test 결과 내화패널과 콘크리트 슬래브 사이의 부착강도는 최대 0.66 MPa, 최소 0.38 MPa, 평균 0.51 MPa를 갖는 것으로 나타났다. 시험체 중 2개는 부착면에서 파괴가 아닌 내화패널의 파괴로 나타났으며, 계면이 탈락한 경우에는 약 0.
- 그러나 최대하중은 약 120 kN이며 최대변위는 257 mm로 나타나 전체적인 구조성능 면에서는 동적피로하중의 재하여부에 관계없이 유사한 휨구조 성능을 보이는 것으로 조사되었다.
- 그러나, 두 시험체 모두 변형률이 4,000 µε 전·후에서 인장철근이 항복하는 것으로 나타났으며, 압축철근은 항복에 도달하지 않은 것으로 나타났다.
- 66 MPa의 부착강도를 보였다. 내화패널에서 파괴된 시편을 제외한 계면파괴가 발생한 시편의 평균부착강도는 0.6 MPa로 나타났다. 표 3은 부착시험결과를 나타내었으며, 그림 5는 부착파괴형상을 나타내고 있다.
- 다만, 초기 사이클 반복횟수에 비해 처짐 폭이 상대적으로 크게 발생한 것은 정착단에서 PS강연선의 초기 슬립에 의한 영향으로 오히려 500,000 cycle 이후부터 반복횟수가 증가할수록 처짐폭이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
- 동적하중을 재하한 후 하중을 재하한 시험체-1은 약 43 kN에서 초기균열이 발생하여 하중-변형률 곡선의 기울기가 변화하는 것을 확인할 수 있으며, 약 117 kN에서 철근이 항복하는 것으로 나타났다. 반면, 시험체-2에서는 약 58 kN에서 균열이 시작되어, 철근은 약 114 kN에서 항복하는 것으로 나타났다.
- 그림 12에서 나타난 것처럼 실험이 종료될 때까지 하중-변위곡선은 매우 안정적인 거동을 보이고 있었다. 따라서 내화패널이 부착된 프리캐스트 PSC 슬래브는 본 연구의 결과에 나타난 최대하중과 최대변위 이상의 성능을 보일 것으로 판단된다. 그림 13은 시험체의 가력전 · 후의 변형을 나타내고 있다.
- 또한, 시험이 종료된 후 외관조사를 실시한 결과 내화패널과 PSC 슬래브 사이의 계면에서의 탈락은 발생하지 않은 것으로 나타났다. 따라서 내화패널과 PSC 슬래브의 부착성능은 매우 우수한 것으로 판단되어 시공 중 내화패널의 탈락에 의한 문제는 발생하지 않을 것으로 기대된다.
- 시험체는 초기균열이 약 58 kN에서 발생하였으며, 그 때의 변위는 37 mm이었다. 본 연구의 실험한 시험체의 최대하중은 약 123 kN이며 최대변위는 253 mm로 나타났다. 그러나, 실험실 여건상 액츄레이터의 스트로크 한계를 넘어서 그 이상의 변위는 더 이상 측정하기가 어려워 실험을 중단하였다.
- 휨성능은 동적피로시험을 수행한 시험체와 미수행한 시험체에 대하여 성능평가를 하였다. 시험결과, 두 시험체 모두 최대하중은 약 120 kN, 최대변위 약 250 mm로 나타났다. 이러한 결과는 두 시험체 모두에서 유사하게 조사되었다.
- 그림 11(b)는 1000N의 크기의 하중을 반복재하시켰을 때 반복횟수가 1000번째, 10만번째, 50만번째, 100만번째, 150만번째, 최종 200만번에서 하중과 변위관계를 나타낸 그래프이다. 시험결과, 최종 잔류변형은 약 3.2 mm로 나타났으며, 반복횟수에 상관없이 강성변화는 거의 없는 것으로 나타났다. 최소하중과 최대하중에 대한 처짐 폭 약 0.
- 51 MPa를 갖는 것으로 나타났다. 시험체 중 2개는 부착면에서 파괴가 아닌 내화패널의 파괴로 나타났으며, 계면이 탈락한 경우에는 약 0.45~0.66 MPa의 부착강도를 보였다. 내화패널에서 파괴된 시편을 제외한 계면파괴가 발생한 시편의 평균부착강도는 0.
- 특히, 프리스트레스가 도입된 고강도의 풍도슬래브는 PSC강연선이 화재열에 의해 손상을 받아 그 기능을 상실할 수도 있기 때문에 화재열에 대화 내화성능의 확보가 요구된다. 이에 본 시험체에는 풍도슬래브 하단에 실험을 통해 내화성능이 우수한 내화패널(박정천외 (2010))을 부착하여 화재 시 화재열로부터 풍도슬래브의 안전을 도모할 수 있다.
- 정적 재하실험은 최대가력용량 500 kN의 만능시험기(UTM)를 사용하여 시험체가 파괴에 도달할 때까지 가력을 실시하며 내화패널의 안전성과 최대 극한하중을 확인하였다. 시험체는 변위제어법을 이용하여 0.
- 그림에서 보이는 것과 같이 하부에 부착된 내화패널은 약 43 kN에서 모두 균열이 발생하는 것으로 나타났다. 표 4에 나타낸 값과 비교하였을 때 동적하중을 받은 시편은 PSC 슬래브와 동일한 시점에서 균열이 발생하였으며, 동적하중을 재하하지 않은 시험체는 내화패널에서 균열이 발생하고 약 14 kN이 추가로 재하된 후에 초기 균열이 발생하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 반복하중에 의한 피로하중이 구조물에 영향을 끼친 것으로 보인다.
- 휨파괴 시험결과 최대 10.87 MPa, 최소 8.27 MPa, 평균 9.59 MPa로 높은 휨강도 성능을 보이는 것으로 나타났다. 국내 외에서 많이 사용되었던 시멘트계 내화재료의 경우 약 3 MPa의 평균 휨강도를 갖는 것에 비해 상대적으로 매우 높은 휨강도를 갖는 것으로 터널이나 지하차도에 적용 될 경우 매우 안정적인 성능을 발휘할 것으로 보인다(원종배, 2006).
후속연구
- 또한, 시험이 종료된 후 외관조사를 실시한 결과 내화패널과 PSC 슬래브 사이의 계면에서의 탈락은 발생하지 않은 것으로 나타났다. 따라서 내화패널과 PSC 슬래브의 부착성능은 매우 우수한 것으로 판단되어 시공 중 내화패널의 탈락에 의한 문제는 발생하지 않을 것으로 기대된다. 그림 17은 내화패널이 부착된 PSC 풍도슬래브의 균열형상으로 전형적인 휨균열 형상을 보이고 있다.
- 본 연구에서 제안하는 내화패널 부착방법은 내화패널과 콘크리트 슬래브 사이에 전단연결재를 설치하기 때문에 내화패널 자체만의 부착강도보다 높은 부착력을 발휘할 것으로 기대된다.
- 시편의 파괴형태는 모두 휨하중에 의한 중앙부 파괴가 발생하였으며, 시멘트계 내화재료와 달리 최대하중 도달이후에 급격한 취성파괴를 일으키지 않고 연성파괴가 일어나 내화재료의 박리 · 박락에 효과적으로 작용할 것으로 기대된다.
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