[논문]화재 피해를 입은 일반강도 RC 보의 보수성능

안주희; 신영수; 이차돈; 홍성걸

문제 정의

한편, 수많은 구조물이 심한 화재 피해 후 대부분 보수보강되어 재사용되고 있음에 도, 이들 화해를 입은 콘크리트 부재의 잔존강도 평가 및 보수 후의 구조적 성능 평가에 대한 연구는 매우 미진한 상황이다. 본 연구에서는 화재 피해정도가 다른 철군콘크리트 보 시험체를 보수하기 위해 적절한 보수재료와 보수과정을 선택하고, 보수 후 구조적 거동을 평가하고자 한다. 우선, 화재노출시간 과 피복깊이가 다른 일반강도 철근콘크리트 보 시험체의 화재피해 깊이를 추정하고, C사의 폴리머시 멘트 모르터를 사용하여 단면복구 공법에 의해 보수한 후, 잔존강도 실험을 통해 주요변수인 가열시간 과 피복깊이에 따른 거동에 대해 살펴보겠다.

가설 설정

이후 1주일간 양생하고 거푸집 탈형을 하고, 가열 실험을 위해 3개월간 양생을 하였다. 가열 실험 중의 지속하중은 일반 사무실의 활하중으로 가정하고 D+0.4L로 계산한 8.88tf을 적용하였다. 가 열 실험 후에는 자연상태에서 가열된 시험체를 식히고 2개월간 자연대기 중에 방치하여 後양생과정을 거 쳤다.

제안 방법

단면수복재료의 경우, 확립된 규격과 기준은 없으나 치수안정성인 경화수축, 건조수축 등이 적고, 열팽창계수, 탄성계수, 투습성 등이 콘크리트와 유사한 폴리머 시멘트계가 유리하므로 이를 선택하였다. 본 연구에서 사용된 C사의 폴리머시멘트 모르터는 포틀랜드 시멘트 및 특정한 화학 첨가제들로 이루어져 있다.
가 열 실험 후에는 자연상태에서 가열된 시험체를 식히고 2개월간 자연대기 중에 방치하여 後양생과정을 거 쳤다. 보수 시험체 제작을 위해 화해를 입은 U형의 불건전부위 콘크리트를 제거하고 단면수복공법으로 보 수하고 1개월간 양생한 후에 잔존강도실험을 수행하였다. 시험체의 주요변수는 화재노출시간과 피복두께, 보수유무로 하였다.
88tf까지 가력한 후, 이 하중을 유지한 상태에서 국제 규준인 ISO 834 기준을 따라 가열하였다. 부재 내부의 온도는 시험체 제작시 부착한 열전대로 측정하였고, 가열 온도에 따른 변위는 보의 중앙 점과 1/4 지점에서 측정하였다. 화재피해깊이는 중성화 조사를 통하여 추정하였고, 비교적 대규모 보 수가 요구되므로, 콘크리트의 불건전부를 제거하여 결손부에 보수재료로 충전하는 단면수복공법을 실시하였다.
보수 시험체 제작을 위해 화해를 입은 U형의 불건전부위 콘크리트를 제거하고 단면수복공법으로 보 수하고 1개월간 양생한 후에 잔존강도실험을 수행하였다. 시험체의 주요변수는 화재노출시간과 피복두께, 보수유무로 하였다. 시험체 상세와 개요는 아래의 표 4, 그림 1 과 같다.
시험체의 중앙 하부에서 측정한 시험체의 하중-처짐 곡선에서 가력실험에 의한 최대하중 Pmax 값을 구하고, 건설교통부 설계기준에 의한 Mn, Mn- 를 계산하였다. 원 시험체인 T-4, T-5 시험체와 I시간, 2시간 가열한 시험체의 최대하중값을 비교한 결과, 원 시험체보다 약 3~7%정도의 내력 손실을 입었 다.
본 연구에서는 화재 피해정도가 다른 철군콘크리트 보 시험체를 보수하기 위해 적절한 보수재료와 보수과정을 선택하고, 보수 후 구조적 거동을 평가하고자 한다. 우선, 화재노출시간 과 피복깊이가 다른 일반강도 철근콘크리트 보 시험체의 화재피해 깊이를 추정하고, C사의 폴리머시 멘트 모르터를 사용하여 단면복구 공법에 의해 보수한 후, 잔존강도 실험을 통해 주요변수인 가열시간 과 피복깊이에 따른 거동에 대해 살펴보겠다.
시험체는 먼저 철근을 조립하고 열전대를 부착한 후 거푸집 내에 설치하고 콘크리 트를 타설하였다. 이후 1주일간 양생하고 거푸집 탈형을 하고, 가열 실험을 위해 3개월간 양생을 하였다. 가열 실험 중의 지속하중은 일반 사무실의 활하중으로 가정하고 D+0.
중성화 조사를 위해 콘크리트 표면의 일부를 파취하고 파단면에 1%의 페놀프탈레인 용액을 분무하 여, 시험체가 적색반응을 보이는 중성화 깊이를 평균하였다. 측정된 깊이는 피복별, 또는 가열시간별로 큰 차이가 없었으며, 약 4cm~6cm 정도로 측정되었다.
시험체는 건설교통부 규준인 "극한강도 설계법에 의한 철근콘크리트 구조설계기준”에 의하여 설계하였다. 철근콘크리트 보는 단면치수 25cmX40cm, 철근량은 최대철근비(Pmax =0.75qb=0.01707)를 기준으로 주 근이 3-D22, 길이 4.7m인 장방형 복근보로 제작하였으며, 전단파괴를 방지하기 위하여 D10 철근을 15cm 간격으로 배근하였다. 시험체는 먼저 철근을 조립하고 열전대를 부착한 후 거푸집 내에 설치하고 콘크리 트를 타설하였다.
콘크리트는 균등한 질을 확보하기 위해 [25-210-12] 규격의 레미콘을 진동다짐하여 타설하였다. 시 멘트는 보통 포틀랜드 시멘트 1종, 잔골재는 인천에서 세척한 세척사(해사), 굵은 골재는 경기도 광주 퇴촌이 산지인 25mm 자갈을 사용하였다.
0 이로 하였다. 하중 점 하부에 로드셀(Load cell)을 설 치하여 재하 하중을 측정하였고 시험체의 중앙과 1/4 지점에 LVDT를 설치하여 분석하였다.
화재실험을 위한 시험체는 수평 가열로에 단순지지 상태에서 순지간거리 4.5m로 설치하고, 초기 하 중 8.88tf까지 가력한 후, 이 하중을 유지한 상태에서 국제 규준인 ISO 834 기준을 따라 가열하였다. 부재 내부의 온도는 시험체 제작시 부착한 열전대로 측정하였고, 가열 온도에 따른 변위는 보의 중앙 점과 1/4 지점에서 측정하였다.
부재 내부의 온도는 시험체 제작시 부착한 열전대로 측정하였고, 가열 온도에 따른 변위는 보의 중앙 점과 1/4 지점에서 측정하였다. 화재피해깊이는 중성화 조사를 통하여 추정하였고, 비교적 대규모 보 수가 요구되므로, 콘크리트의 불건전부를 제거하여 결손부에 보수재료로 충전하는 단면수복공법을 실시하였다. 단면복구 과정은 표 5와 같다.

대상 데이터

단면수복재료의 경우, 확립된 규격과 기준은 없으나 치수안정성인 경화수축, 건조수축 등이 적고, 열팽창계수, 탄성계수, 투습성 등이 콘크리트와 유사한 폴리머 시멘트계가 유리하므로 이를 선택하였다. 본 연구에서 사용된 C사의 폴리머시멘트 모르터는 포틀랜드 시멘트 및 특정한 화학 첨가제들로 이루어져 있다. 같은 파랫트에 있는 폴리머시멘트 모르터의 시험성적서 내용은 표 3 과 같다.
콘크리트는 균등한 질을 확보하기 위해 [25-210-12] 규격의 레미콘을 진동다짐하여 타설하였다. 시 멘트는 보통 포틀랜드 시멘트 1종, 잔골재는 인천에서 세척한 세척사(해사), 굵은 골재는 경기도 광주 퇴촌이 산지인 25mm 자갈을 사용하였다. 콘크리트 배합비와 사용재료의 물성은 표 1, 표 2 와 같다.

이론/모형

시험체는 건설교통부 규준인 "극한강도 설계법에 의한 철근콘크리트 구조설계기준”에 의하여 설계하였다. 철근콘크리트 보는 단면치수 25cmX40cm, 철근량은 최대철근비(Pmax =0.

성능/효과

1) 화해 실험 후 중성화 깊이는 피복별 또는 가열시간별로 큰 차이가 없이 콘크리트 표면에서부터 약 4cm~6cm 정도로 측정되었다. 이는 가열 전 초기 하중을 재하 시 균열이 발생하여, 가열 시 균열사이에 부분적으로 중성화가 진행되어 내구성에 문제가 발생한 것으로 판단된다.
2) 원 시험체인 T-4, T-5 시험체와 1시간, 2시간 가열한 시험체의 최대하중값을 비교한 결과, 원 시험체보다 약 3~7%정도의 내력 손실을 입었다. 보수 전과 후의 최대하중값을 비교한 결과 화해를 입었을 당시보다 약 8-10% 정도의 내력이 회복되었음을 알 수 있다.
원 시험체인 T-4, T-5 시험체와 I시간, 2시간 가열한 시험체의 최대하중값을 비교한 결과, 원 시험체보다 약 3~7%정도의 내력 손실을 입었 다. 또한, 보수 전과 후의 최대하중값을 비교한 결과 화해를 입었을 당시보다 약 8-10% 정도의 내력 이 회복되었음을 알 수 있다.
원 시험체인 T-4, T-5 시험체와 I시간, 2시간 가열한 시험체의 최대하중값을 비교한 결과, 원 시험체보다 약 3~7%정도의 내력 손실을 입었 다. 또한, 보수 전과 후의 최대하중값을 비교한 결과 화해를 입었을 당시보다 약 8-10% 정도의 내력 이 회복되었음을 알 수 있다.
원 시험체와 보수 후 시험체의 구조적 거동을 비교한 결과, 1~6% 정도 내력이 향상되었다. 그림 2, 그림 3 의 그래프는 피복 4cm 계열과 피복 5cm 계열 시험체의 하중-처짐 곡선이다.
중성화 조사를 위해 콘크리트 표면의 일부를 파취하고 파단면에 1%의 페놀프탈레인 용액을 분무하 여, 시험체가 적색반응을 보이는 중성화 깊이를 평균하였다. 측정된 깊이는 피복별, 또는 가열시간별로 큰 차이가 없었으며, 약 4cm~6cm 정도로 측정되었다. 이는 가열 전 초기 하중을 재하 시 균열이 발생 하여, 가열 시 균열사이에 중성화가 진행되어 내구성에 문제가 발생한 것으로 판단된다.

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