[논문]프리캐스트 방식 내화풍도슬래브의 화재저항성 평가

최순욱; 강태호; 이철호; 김세권; 김태균; 장수호

doi:10.9711/ktaj.2020.22.6.669

초록
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국내에서는 중요 구조물을 대상으로 별도의 내화시험을 통해 내화성능을 평가하고 있으며, 그 성능기준으로 ITA에서 제시하고 있는 가이드라인을 따르고 있다. 프리캐스트 방식으로 슬래브와 내화재가 일체화되어 제작되는 내화풍도슬래브는 내화재 시공시간을 단축할 수 있다는 점에서 효과적이다. 본 연구에서는 풍도슬래브의 내화성능을 확보하기 위해 RWS화재시나리오 하에서 내화시험체에 대한 화재저항시험을 수행하였다. 시험결과, 내화재 두께가 30 mm 이상에서 내화성능을 확보하는 것으로 나타났다. 내화재와 콘크리트 모두에서 온도 변화율이 초기에 증가했다가 감소하고 다시 증가하는 경향이 나타났으며, 다시 증가하는 변곡점에서의 온도가 모든 내화재와 콘크리트에서 110℃로 측정되었다. 이것은 내화재와 콘크리트가 모두 수화반응에 의해 생성된 C-S-H (CaO-SiO₂-H₂O)가 탈수되면서 발생하는 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In Korea, fireproof performance is evaluated through a series of fire-resistance tests for important structures, and the performance standard follows the guidelines suggested by ITA. The fireproof duct slab manufactured by combining the slab and the fireproof material with a precast method is effect...

In Korea, fireproof performance is evaluated through a series of fire-resistance tests for important structures, and the performance standard follows the guidelines suggested by ITA. The fireproof duct slab manufactured by combining the slab and the fireproof material with a precast method is effective in that it can eliminate the construction time of the fireproof material. In this study, a series of fire resistance tests was performed on the fire test specimens under the RWS fire scenario in order to secure the fire resistance performance of the precast fireproof duct slab. As a result of the test, it was found that the fireproof performance was secured when the thickness of the fireproof material was 30 mm or more. In both fireproof materials and concrete, the rate of temperature change initially increased, then decreased, and then increased again, and the temperature at the inflection point was measured as 110℃ for all fireproof materials and concrete. It is judged that this occurs when the C-S-H (CaO-SiO2-H2O) generated by the hydration reaction in both the fireproof material and concrete is dehydrated.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. Preparation of test specimens
표 Table 1. Position of thermocouples in the test specimens
표 Table 2. Concrete mix design
그림 Fig. 2. Furnace and specimen
그림 Fig. 3. Fire scenarios
그림 Fig. 4. Fire resistance test
표 Table 3. Peak temperature of test specimens
그림 Fig. 5. Temperature-time relationships in FM-1 (t = 25 mm) specimen (RWS)
그림 Fig. 6. Temperature-time relationships in FM-2 (t = 30 mm) specimen (RWS)
그림 Fig. 7. Temperature-time relationships in FM-3 (t = 35 mm) specimen (RWS)
그림 Fig. 8. Surface of fireproofing material before and after fire test under RWS scenario (example, t = 30 mm)
그림 Fig. 9. Rate of temperature change-time relationships in FM-1 (t = 25 mm) specimen
그림 Fig. 10. Rate of temperature change-time relationships in FM-2 (t = 30 mm) specimen
그림 Fig. 11. Rate of temperature change-time relationships in FM-3 (t = 35 mm) specimen
표 Table 4. Time and Temperature at inflection point

AI 본문요약
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문제 정의

프리캐스트 방식으로 슬래브와 내화재가 일체화되어 제작되는 내화풍도슬래브는 내화재 시공시간을 단축할수 있다는 점에서 효과적이다. 본 연구에서는 풍도슬래브의 내화성능을 확보하기 위해 RWS화재시나리오 하에서 내화시험체에 대한 화재저항시험을 수행하였다.
본 연구에서는 풍도슬래브의 내화성능을 확보하기 위해 내화재에 대한 화재저항시험을 수행하였다. 일반적으로 슬래브 및 벽면에 설치하는 내화재는 구조물이 완성된 이후 스프레이(spray)방식 또는 패널(panel)을 이용하여 시공되지만, 이번 연구에서는 프리캐스트 슬래브를 만드는 것과 동시에 내화재가 시공되는 슬래브와 내화재 일체형 시험체를 대상으로 하였다.

제안 방법

내화재 두께가 25, 30, 35 mm 인 내화풍도슬래브 시험체에 대하여 Fig. 4와 같이 RWS 화재시나리오 하에서 화재저항 성능시험을 수행하였다.
내화재의 화재저항성능을 파악하기 위한 시험에서는 내화재와 콘크리트블록의 계면에 열전대를 설치하고 콘크리트 블록의 철근 피복두께 위치에 철근의 온도를 파악하기 위해 열전대를 설치하는 것이 일반적이다. 본 연구에서는 내화재와 콘크리트블록 내부의 온도분포를 더 정확하게 파악하기 위해 내화재와 콘크리트블록 모두에서 열전대 간격을 좁게 설정하여 설치하였다. 특히 내화재 내부의 온도에 대한 알려진 시험결과가 부족한 점으로 고려하여 내화재 내부의 온도측정을 10 mm 간격으로 설정하였다.
시험체는 Table 1과 같이 내화재의 두께에 따라 총 3개 제작하였고, 화재시험을 위한 가열로 크기에 맞도록 1,400 × 1,000 × 300 mm (가열면 1,100 × 700 mm)로 제작하였다. 시험체의 내부 온도를 측정하기 위한 열전대는 직경 3.2 mm 시스형 열전대(sheathed thermocouples)를 시험체의 중앙부에 설치하였고, 열원(heat source)에 가까운 내화재 부분에는 10 mm 간격으로 설치하고 내화재와 콘크리트 블록의 연결부에 2개, 그리고 콘크리트 블록에서는 20 mm 간격으로 설치하였다(Fig. 1(d)).
본 연구에서는 내화재와 콘크리트블록 내부의 온도분포를 더 정확하게 파악하기 위해 내화재와 콘크리트블록 모두에서 열전대 간격을 좁게 설정하여 설치하였다. 특히 내화재 내부의 온도에 대한 알려진 시험결과가 부족한 점으로 고려하여 내화재 내부의 온도측정을 10 mm 간격으로 설정하였다.
화재시험동안 내화재와 콘크리트 블록시험체의 내부 온도는 각 열전대 위치에서 매 1초 간격으로 측정하였다.

대상 데이터

시험체는 Table 1과 같이 내화재의 두께에 따라 총 3개 제작하였고, 화재시험을 위한 가열로 크기에 맞도록 1,400 × 1,000 × 300 mm (가열면 1,100 × 700 mm)로 제작하였다.
2(b)와 같이 가열로 상부에 화재시험을 위한 시험체를 설치하는 구조로 되어 있다. 시험체와 가열로 사이에는 세라믹 섬유 내화단열재를 사용하였다.
본 연구에서는 풍도슬래브의 내화성능을 확보하기 위해 내화재에 대한 화재저항시험을 수행하였다. 일반적으로 슬래브 및 벽면에 설치하는 내화재는 구조물이 완성된 이후 스프레이(spray)방식 또는 패널(panel)을 이용하여 시공되지만, 이번 연구에서는 프리캐스트 슬래브를 만드는 것과 동시에 내화재가 시공되는 슬래브와 내화재 일체형 시험체를 대상으로 하였다.
지하공간 화재모사에서 가장 많이 사용하는 화재시나리오는 Fig. 3과 같이 RABT (Richtlinien fur die Ausstattung und den Betrieb von Straßentunneln)와 RWS (Rijkswaterstaat)이며, 본 연구에서는 RWS (Rijkswaterstaat) 화재시나리오를 사용하였다.

성능/효과

가열면으로부터 10 mm위치의 온도는 모든 경우 1,000°C 이상으로 측정되었으며, 가열면으로부터 멀어질수록 온도가 감소하는 것으로 나타났다.
내화재 내부의 온도를 측정한 결과, 가열면으로부터 10 mm위치의 온도는 모든 경우 1,000°C 이상으로 측정되었으며, 가열면으로부터 멀어질수록 온도가 감소하는 것으로 나타났다.
내화재로서의 성능시험결과는 내화재 두께가 25 mm인 경우에서는 콘크리트의 손상온도기준인 380°C를 충족하지 못하였으나, 내화재 두께가 30, 35 mm에서는 380°C 미만으로 나타났다.
내화재와 콘크리트 모두에서 온도 변화율이 초기에 증가했다가 감소하고 다시 증가하는 경향이 나타났으며, 다시 증가하는 변곡점에서의 온도가 모든 내화재와 콘크리트에서 110°C로 측정되었다. 이것은 내화재와 콘크리트가 모두 수화반응에 의해 생성된 CSH가 탈수되면서 발생하는 것으로 판단된다.
또한 모든 시험체의 철근피복두께 위치에서 철근의 손상온도기준인 250°C 미만으로 나타났다.
또한 철근의 피복두께를 고려할 때, 열전대 번호 TC-5부터 TC-7까지의 온도는 철근의 손상온도인 250°C 미만으로 나타났다(내화재 두께가 35 mm인 경우는 TC-6~TC-8).
가열면으로부터 10 mm위치의 온도는 모든 경우 1,000°C 이상으로 측정되었으며, 가열면으로부터 멀어질수록 온도가 감소하는 것으로 나타났다. 최대온도는 대부분 시험종료시간인 120분에서 나타났으며, 내화재 두께가 두꺼울수록 온도가 증가하는 경향으로 마무리되었다. 이것은 RWS화재시나리오가 60분 이후에 온도가 감소하는 형상이고 고온일수록 열전도도(thermal conductivity)가 감소하기 때문으로 판단된다.

후속연구

이것은 내화재와 콘크리트가 모두 수화반응에 의해 생성된 CSH가 탈수되면서 발생하는 것으로 판단된다. 내화재와 콘크리트에서 발생 하는 온도변화율은 추후 해석에 의한 온도변화 연구에서 활용할 필요가 있다.

참고문헌 (12)

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Choi, S.W., Lee, G.P., Chang, S.H., Park, Y.T., Bae, G.J. (2014), "Fire resistance assessment of high strength segment concrete depending on PET fiber amount under fire curves", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 16, No. 3, pp. 311-320.

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Hertz, K.D. (2003), "Limits of spalling of fire-exposed concrete", Fire Safety Journal, Vol. 38, No. 2, pp. 103-116.

상세보기
ITA (2004), Guidelines for structural fire resistance for road tunnels, Working Group No. 6 Maintenance and Repair, pp. 21.
JCI (2002), Report of research committee on fire safety of concrete structures, Japan Concrete Institute (JCI) [in Japanese].
Khoury, G.A. (1992), "Compressive strength of concrete at high temperatures: a reassessment", Magazine of Concrete Research, Vol. 44, No. 161, pp. 291-309.

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Khoury, G.A. (2002), "Passive protection against fire", Tunnels & Tunnelling International, Vol. 34, No. 11, pp. 40-42.
Khoury, G.A., Majorana, C.E., Pesavento, F., Schrefler, B.A. (2002), "Modelling of heated concrete", Magazine of Concrete Research, Vol. 54, No. 2, pp. 77-101.

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Kodur, V.K.R., Phan, L. (2007), "Critical factors governing the fire performance of high strength concrete systems", Fire Safety Journal, Vol. 42, No. 6-7, pp. 482-488.

상세보기
MOLIT (2020), Road tunnel disaster prevention facility installation and management guidelines, Ministry of Land, Infrastructure and Transport.
Phan, L.T. (1996), Fire performance of high-strength concrete: a report of the state-of-the-art, NISTIR 5934, National Institute of Standards and Technology, pp. 59-60.

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