[논문]변전소 철골 내화뿜칠 부착강도 기준설정에 관한 실험적 연구

박동수; 정원섭

doi:10.11112/jksmi.2014.18.1.128

[국내논문] 변전소 철골 내화뿜칠 부착강도 기준설정에 관한 실험적 연구
The Experimental Study on the Suggestion for Bond Strength Standard of Sprayed Fire Resistive Materials Used at the Substation Steel Structures 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.18 no.1, 2014년, pp.128 - 137

박동수 (한국전력공사 전력연구원) , 정원섭 (한국전력공사 전력연구원)

초록
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내화뿜칠재는 주로 철골구조물 위에 시공하여 내화구조기준을 만족하기 위한 것이다. 국내에서는 원자력발전소를 비롯하여 철골구조물에 내화뿜칠재를 시공하여 왔지만, 재료특성 중 중요한 요건인 부착강도기준이 제정되어있지 않았다. 다만, 원자력발전소는 원전의 기준에 따라 부착강도 기준이 있었다. 본 논문에서는 변전소에 시공되는 내화뿜칠재의 부착강도 기준을 정하고자 하였다. 기준설정 방법은 현재 사용되는 제품으로 실험체를 제작하고, 변전소 환경에 따라 열화시키며 부착강도를 측정하고 구조물 내구연한 기간 동안 열화시킨 후 변전소에서 발생하는 충격하중 실험을 통하여 탈락여부를 평가하여 부착강도기준을 설정하였다. 본 논문에서의 부착강도는 시중에서 사용되는 제품을 기준으로 실험한 것으로 최소한의 값이라고 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Sprayed fire resistive materials are mainly used at steel structures to satisfy fireproof construction standard. However, the regulations on bond strength have been not considered with the exception of structures in the nuclear power plants, although it is an important factor showing material properties. Therefore, this paper suggested guidelines for bond strength of sprayed fire resistive materials used in the substation, by measuring bond strength according to aging of structures and impact loading considering environment of substations. It is judged that the bond strength suggested in this paper is the minimum value because it was measured from specimens widely used.

주제어

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문제 정의

본 논문은 변전소 철골구조물의 내화뿜칠재 부착강도 기준을 설정하기 위한 것으로 변전소 실내 환경조건에 따른 경년변화에 의한 영향을 연구범위로 하였다.
본 논문은 변전소에 내화뿜칠재를 적용하기 위하여 경년 열화 조건에 의하여 부착강도 기준을 설정하는 실험연구이다. 한전에서는 변전소 철골 내화구조로 내화뿜칠재를 사용하고 있으나, 부착강도 기준 값은 설정되어 있지 않은 상태이다.
본 항에서는 기존의 연구내용 및 국외 기준을 참조하여 변전소에 적용하는 실험조건을 규정하고자 한다.
즉, 변전소 수명기간 동안 내화뿜칠재가 탈락하지 않고 부착되어 제 기능을 수행하는지의 여부를 판단하고자 하였다. 수명기간 동안 탈락여부를 실험하는 규격은 원자력구조물 시공기준인 ASTM E760 ‘Effect of Impact on Bonding of Sprayed Fire-Resistive Material Applied to Structural Members’에 충격하중 실험의 방법이 기술되어 있다.

가설 설정

본 실험은 변전소 마감재 시공전 내화뿜칠재 시공 시 내화 뿜칠재가 우수에 젖을 경우를 가정한 실험이다. 실험방법은 Fig.

제안 방법

(1) 내구성 평가를 위한 열화조건으로 변전소의 환경과 기존의 실험기준을 고려하여 중성화, 온도, 습도, 충격하 중을 선정 하였다.
17(a)과 같이 철골내화뿜칠 시공부위 중 중력에 의한 자중의 작용으로 가장 불리한 조건인 뿜칠재를 하향 방향으로 부착하고 Fig. 17(b)의 직상부 근처를 햄머에 의해 충격력을 가하고 실험편에 작용하는 충격력을 가속도센서를 이용하여 측정하였다. Fig.
12시간이 기본 싸이클로 되어 있으며 실험은 10, 25, 71, 90 싸이클 단위로 실험하였으며, 일수로는 최대 45일 열화시켰다. 이는 촉진내후성 실험조건인 ASTM E 1529에서 30일 기준, BS 3900-F3에서는 부분적 외부조건으로 1,000시간으로 되어 있어 본 실험에서는 12시간이 1 싸이클로 90 싸이클 1,080시간으로 정하였으며, 24시간인 2 싸이클이 1년의 경년열화 시간임으로 변전소 내구년한인 40년 이상으로 하였다.
국내외 관련문헌을 조사하여 각 국가별 내화뿜칠재 부착 강도 기준 및 실험조건을 분석하여 촉진실험방법을 정립하였고 변전소의 운전에 따른 조건을 분석하여 실험방법을 정립하고, 필요한 실험장치를 개발하였다.
그러나, 본 기준은 건물 마감재에 대한 충격실험에 관한 것이며 실험편의 크기가 작은 경우에는 적용하기 어렵게 되어 있어 본 실험에서는 부착강도 실험편을 실험할 수 있는 실험장치를 개발하여 사용하게 되었다.
내구성 실험을 위한 환경조건으로 변전소 운전환경에서 내화뿜칠재에 작용할 수 있는 동결융해 (건설 및 창문개방시), 습도, 온도, 중성화의 4가지 조건을 실험환경 조건으로 설정하였다.
또한, 국내에서 내화뿜칠 부착강도 값이 규정되어 있는 것은 원전에 적용된 것이 유일하기 때문에 원전현장을 조사하여 부착 상태를 확인하였으며, 원전 부착강도 값을 기준설정에 참고하였다.
내화뿜칠재에 대한 기존연구의 내용은 ‘석고 및 질석계 내화뿜칠재의 온·습도조건에 따른 내화성능’이 있다. 본 논문에서는 온도의 영향을 평가하기 위하여 -20, 20, 40℃, 상대습도를 50%로 고정한 조건과 습도의 영향을 평가하기 위하여 상대습도를 30, 60, 90%, 온도를 20℃로 고정한 조건의 6가지의 다른 온․습도 조건으로 구분하여 밀도 및 부착강도 실험편을 7일간 열화시켜 실험하였다.
또한, 부착강도 실험 시 하중에 따른 변위를 측정할 수 없어 내화재료 특성을 알 수 없었다. 본 논문에서는 이와 같은 점을 해결하기 위하여 Fig. 6과 같은 파괴 부착강도 까지 실험이 가능하도록 200kgf까지 유압에 의하여 가력하며, 변위계 설치에 의한 변위측정, 실험편의 고정 등 실험실 부착강도 실험 및 현장에서도 이용 가능한 이동식 부착강도 실험기를 개발하게 되었다.
부착강도 실험은 양생 및 열화가 끝난 실험편에 대하여 수행하였으며, Fig. 12의 좌측과 같이 부착강도 실험기에 실험편을 고정하고 50mm 변위계를 원통형 접시 위에 설치한다. 가력은 유압에 의하여 원통형 접시를 인장하며 로드셀 및 변위계를 이용하여 하중과 변위값을 데이터로거에 연결하여 동시에 측정한다.
습도조건은 ASTM E 1529 기준에서는 약 100%로 실험하였으나, 본 실험에서는 싸이클 실험시 온·습도 복합조건에 의한 실험장비 성능상 50%에서 60%로 정하였으며, 100%습도조건은 실험편을 48시간 수중 침지하는 것으로 대체하였다.
실험방법에 있어서는 기존의 부착강도 실험은 용수철 저울을 이용하여 인력으로 당기는 방법으로 실험자에 따라 오차가 발생할 수 있어 이를 방지하고, 실험의 편의성 향상을 위하여 부착강도 실험장치를 개발하였으며, 충격하중 실험장치도 새로 개발하여 실험의 편의성을 향상시켰다.
실험장치는 알루미늄 프레임 하부에 소형 유압잭을 부착하고 유압잭 피스톤 단부에 디지털 값으로 하중을 측정할 수있는 로드셀이 부착되고 로드셀 하부에는 힌지장치가 있는 실험체를 결합할 수 있는 치구가 설치되어 정밀한 실험이 가능하도록 하였다.
실험편의 양생은 약 1개월간 실내조건에서 양생하였으며, 양생이 끝난 실험편에 대하여 Fig. 9의 중성화실험장치를 이용하여 최대 45일 (90 싸이클)온도, 습도, 중성화 조건으로 열화시켰다. 실험장치는 일본 마루이사의 중성화실험기를 이용하였다.
저밀도와 중밀도 기준을 설정하기 위하여 밀도실험을 실시하였다.
충격하중실험은 내화뿜칠재 열화 후 탈락여부를 판단하기 위한 방법으로 수행하였으며, 변전소에서 발생하는 최대 진동가속도인 5~10 m/sec²을 충격하중으로 가력하여 실험하였다.
4에서 철판 밑에 하향의 방향으로 설치된다. 충격하중은 오른편의 햄머에 의하여 자유낙하와 같은 원리로 회전축을 중심으로 반원을 그리며 실험편이 부착된 철판면 주위에 충격을 가하고 이때의 충격가속도는 실험편 윗편 철판부의 실험편 중심에 설치된 가속도센서에 의하여 측정 하였다. 햄머의 뒤쪽에 설치된 각도 표시눈금은 일정한 충격하중을 가하기 위하여 햄머를 드는 각도를 측정하는 장치이다.

대상 데이터

9의 중성화실험장치를 이용하여 최대 45일 (90 싸이클)온도, 습도, 중성화 조건으로 열화시켰다. 실험장치는 일본 마루이사의 중성화실험기를 이용하였다.
실험판 표면은 아연도금 강판을 이용하도록 되어 있으나, 변전소 현장 여건을 반영하기 위하여 녹막이 도장처리가 된것과 안된 철판을 이용하였다. 실험판 두께는 규격에서는 1.6mm로 하게 되어 있으나 본 실험장치 이용시 실험판 자체가 휘어져 실제 부착강도보다 작게 측정될 수 있는 문제가 있어 이를 방지하기 위하여 본 실험에서는 두께 5mm의 철판을 이용하였다.
실험판 표면은 아연도금 강판을 이용하도록 되어 있으나, 변전소 현장 여건을 반영하기 위하여 녹막이 도장처리가 된것과 안된 철판을 이용하였다. 실험판 두께는 규격에서는 1.
실험판의 크기는 300 × 300 mm이며, 시공두께는 약 24mm로 하였다.
실험편은 중밀도, 저밀도, 녹막이 도장면, 철판면의 4가지이며 열화 싸이클은 0, 10, 25, 71, 90 5개 싸이클로 20개 이며, 각 Case 별로 3개의 실험편을 제작하여 총 60개가 소요된다. 추가로 침수실험 및 기타의 목적에 따른 실험을 위하여 40개를 더하여 총 100개의 실험편을 제작하였다.
실험편은 중밀도, 저밀도, 녹막이 도장면, 철판면의 4가지이며 열화 싸이클은 0, 10, 25, 71, 90 5개 싸이클로 20개 이며, 각 Case 별로 3개의 실험편을 제작하여 총 60개가 소요된다. 추가로 침수실험 및 기타의 목적에 따른 실험을 위하여 40개를 더하여 총 100개의 실험편을 제작하였다. 실험판의 크기는 300 × 300 mm이며, 시공두께는 약 24mm로 하였다.

이론/모형

18과 같이 합판을 이용하여 동일한 용적의 거푸집을 제작하여 사용하였다. 밀도계산을 위해서 거푸집 질량은 따로 측정하였다.

성능/효과

(2) 변전소 내구년한을 고려하여 열화는 90 Cycles (45일)까지 하였으며 부착강도는 열화가 많을 수록 부착강도 값이 감소하였다.
(3) 열화실험 및 침수실험을 거친 모든 실험편이 변전소 기준 중격하중 45회에서 탈락되지 않아 변전소 수명기간동안 건전성을 유지할 것으로 판단된다.
(4) 변전소 부착강도 기준값은 분석결과 0.08 MPa 이상으로 하는 것이 적절할 것으로 판단된다.
이와 같은 방법으로 충격 실험을 수행한 결과 90 싸이클 열화된 모든 실험편이 45회의 충격력을 가하는 동안 탈락되지 않고 실험편에 부착되어 있어 진동에 의한 조건에서는 이상이 없는 것으로 확인되었다. 그러나, 탈락된 실험편이 하나도 없었으므로 제작된 실험장치 실험방법의 효과성을 검증하기 위하여 보다 큰 충격하중 (약 500 m/sec²)으로 충격력 실험을 수행한 결과 부착력이 약한 실험편이 2회에서 20회 사이에서 탈락되는 것을 확인할 수 있었으며, 이로 인하여 실험방법에는 이상이 없음을 확인하였다.
09 MPa로서 45일 (90 Cycles)의 열화실험 후 충격 진동값을 견디었으므로 부착강도 값으로 만족할 만 하다고 판단된다. 다만, 실험시의 여러 조건에 따라 부착강도 값이 변동 될 수 있으므로 보수적으로 10%의 여유를 두어 0.08 MPa으로 정하는 것이 적절할 것으로 판단된다.
부착강도는 Cycle이 증가하여 열화가 진행될수록 부착강도는 감소하며, 비중이 높을수록 부착강도는 높아지는 경향을 보였다. 즉, 부착강도는 열화에는 반비례하고, 비중에는 비례하는 특성을 나타냈다.
이상의 부착강도 및 충격하중 실험결과를 통하여 변전소에 적용하여야 할 최소한의 부착강도 기준은 0.08 MPa로 하는 것이 적절할 것으로 판단된다.
이와 같은 방법으로 충격 실험을 수행한 결과 90 싸이클 열화된 모든 실험편이 45회의 충격력을 가하는 동안 탈락되지 않고 실험편에 부착되어 있어 진동에 의한 조건에서는 이상이 없는 것으로 확인되었다. 그러나, 탈락된 실험편이 하나도 없었으므로 제작된 실험장치 실험방법의 효과성을 검증하기 위하여 보다 큰 충격하중 (약 500 m/sec²)으로 충격력 실험을 수행한 결과 부착력이 약한 실험편이 2회에서 20회 사이에서 탈락되는 것을 확인할 수 있었으며, 이로 인하여 실험방법에는 이상이 없음을 확인하였다.
철판면 전체에서 파단되는 양상은 열화가 진행된 실험편 중 도장면에 시공한 실험편에서 발생되었다. 재료와 철판면에서 파괴되는 이유는 양생이 충분히 되지 않아 강도부족으로 재료간의 점착력이 약하므로 전단력에 의하여 파괴된 것으로 판단되며, 철판면 전체에서 파괴되는 것은 열화가 진행되면서 도장면과 내화뿜칠재 사이에 습기가 침투되어 부착력이 약화된 것으로 판단된다.
20과 같은 충격하중을 가한 충격하중 실험을 실시하였다. 충격 하중 실험결과 변전소의 진동조건인 5~10 m/sec²으로 45회의 충격하중에서 모두 탈락하지 않고 부착상태를 유지하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	내화뿜칠재는 무엇을 만족하기 위한 것인가?	내화뿜칠재는 주로 철골구조물 위에 시공하여 내화구조기준을 만족하기 위한 것이다. 국내에서는 원자력발전소를 비롯하여 철골구조물에 내화뿜칠재를 시공하여 왔지만, 재료특성 중 중요한 요건인 부착강도기준이 제정되어있지 않았다.
	부착강도는 어떤 척도인가?	부착강도는 내화뿜칠재가 성능을 유지하고 있는지를 나타내는 척도로 사용되고 있다. 경년열화에 의하여 내화뿜칠재가 탈락한다면 내화구조로서의 기능을 상실하기 때문이다.
	변전소 수명기간에 탈락여부를 실험하는 규격은?	즉, 변전소 수명기간 동안 내화뿜칠재가 탈락하지 않고 부착되어 제 기능을 수행하는지의 여부를 판단하고자 하였다. 수명기간 동안 탈락여부를 실험하는 규격은 원자력구조물 시공기준인 ASTM E760 ‘Effect of Impact on Bonding of Sprayed Fire-Resistive Material Applied to Structural Members’ 에 충격하중 실험의 방법이 기술되어 있다.

참고문헌 (10)

ASTM International (2010), Standard Test Methods for Determining Effects of Large Hydrocarbon Pool Fires on Structural Members and Assemblies.
BSI, BS 8202-2 (1992), Coatings for fire protection of building elements, -part 2: Code of practice for the use of intumescent coating systems to metallic substrates for providing fire resistance.
KEPCO (1995), Nuclear Power Plant Construction Specipication CP-A2.
Kim, G. S., Lee, H. J. (2010), A Report of Field Measurement for Dynamic Characteristics of 154kV Steel Frame Substation, KEPRI Report.
Kim, J. Y., Song, E. J., Kim, T. H. (2012), An Analysis of Service Life for Wasting Asset in Major Countries (Tax law Report 12-06), Korea Institute of Public Finance, 21.
KS F 2901 (2008), Test methods for thickness and density of sprayed fire resistive material applied to structural members.
KS F 2902 (2008), Test methods for bond strength of sprayed fire resistive material applied to structural members.
Lee, J. C. (2006), The Fire Resistance of the Sprayed Fire Resistive Materials with Gypsum and Vermiculite aged in the Different Temperature and Humidity Conditions, Journal of Architectural Institute of Korea, Structural part, 109-116.
Park, D. S. (2010), Development a Technology of Maintenance for Waterproofing System in Substation, KEPRI Report, 104-108.
www.kma.go.kr (1981-2010), Korea Meteorological Administration, Korea climate table.

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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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