[논문]ECC 영구 거푸집을 활용한 고강도콘크리트 기둥부재의 내화특성

김용로; 송영찬; 김욱종; 이도범

ECC 영구 거푸집을 활용한 고강도콘크리트 기둥부재의 내화특성
Fire Resistance Properties of High Strength Concrete Column using ECC Permanent Form 원문보기

한국콘크리트학회 2008년도 추계 학술발표회 제20권 2호, 2008 Nov. 07, 2008년, pp.957 - 960

김용로 (대림산업(주) 기술연구소 건축연구지원팀) , 송영찬 (대림산업(주) 기술연구소 건축연구지원팀) , 김욱종 (대림산업(주) 기술연구소 건축연구지원팀) , 이도범 (대림산업(주) 기술연구소 건축연구지원팀)

초록
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최근 초고층 건축물 등에 적용되는 고강도콘크리트의 내화성능에 대한 문제점이 제기됨에 따라 국토해양부에서는 고강도콘크리트 내화성능 관리 기준을 고시한 바 있으며, 건설업계에서도 이에 대응하기 위해 다양한 기술 검토가 이루어지고 있다. 본 연구에서는 고강도콘크리트의 취약점으로 제기되고 있는 화재시의 폭렬문제에 대한 대응방안으로서 기존 연구를 통해 내화성능이 우수한 것으로 보고되고 있는 ECC 를 영구거푸집으로 활용한 고강도콘크리트의 내화성능을 검토하였다.ECC 영구거푸집을 활용한 고강도콘크리트 기둥부재의 내화성능 검토 결과, 영구거푸집과 고강도콘크리트 계면으로의 열 침투를 제어할 수 있도록 부재 생산 및 구축 방안을 검토하고, ECC의 적정 배합 및 두께를 확보한다면 고강도콘크리트의 내화성능 확보기술로서의 활용이 가능할 것으로 판단된다. 또한, 내화성 영구거푸집으로서의 단순 활용 방안 이외에 ECC의 우수한 물리적 성능을 활용하여구조성능을 분담할 수 있는 방안으로의 지속적 검토가 필요할 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, it was investigated fire resistance properties of high strength concrete column using Engineered Cementitious Composites(ECC) permanent form as a countermeasure for explosive spalling of concrete on fire. As a test result, it was appeared that ECC permanent form is available as fire resistance method of high strength concrete if it is developed manufacturing technique and scheme for application controlling heat penetration through interface of permanent form and high strength concrete, and setting up mix proportion and thickness of ECC.

AI 본문요약
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문제 정의

고강도콘크리트 부재의 내화성능 확보 기술로서 적용을 위한 기초자료를 확보하기 위하여 ECC 영구거푸집을 활용한 고강도콘크리트 기둥 부재의 내화특성을 검토한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 고강도 콘크리트의 내화성능 확보 및 부재 단면의 증대를 최소화할 수 있는 방안으로서 기존 연구를 통해 내화성능이 상당히 우수한 것으로 보고되고 있는 고성능 섬유보강 시멘트 복합체 (Engineered Cementitious Composites, 이하 ECC ) 를 영구거푸집으로 활용하여 고강도콘크리트의 내화특성을 검토함으로써 향후 고강도콘크리트 내화성능 확보 기술로서의 적용을 위한 기초자료를 확보하고자 하였다.

제안 방법

ECC 영구거푸집을 활용한 고강도콘크리트 기둥부재의 내화특성을 검토하기 위하여 표 2에 나타낸 바와 같이 시리즈 Ⅰ에서는 적정 피복두께를 설정하기 위하여 피복부의 ECC 두께를 3수준으로 설정하였고, 시리즈 Ⅱ에서는 내화성 ECC에 적용되는 내화충전재의 종류를 3수준으로 설정하여 내화성능을 검토하였다. 또한, 내화성능 평가시 기존 실험을 통해 내화 성능이 확인된 내화뿜칠재를 시공한 시험체를 추가하여 내화성능을 상대 비교하였다.
고강도 콘크리트 기둥부재의 내화성능을 검토하기 위한 내화시험은 KS F 2257-1 건축 부재의 내화 시험방법의 표준가열곡선에 의해 3시간 내화시험을 실시하였다. 가열로는 국토해양부 고시 고강도 콘크리트 기둥ㆍ보의 내화성능 관리기준에서 제시한 시험방법과 동일하게 진행하기 위하여 사진 1과 같은 수평가열로에서 내화시험을 진행하였으며, 열전대는 상기 기준에 준하여 콘크리트 내부 주근에서의 온도와 ECC 피복의 차열성능을 검토하기 위해 주근 및 ECC와 콘크리트 계면에 설치하였다.
고강도 콘크리트 기둥부재의 내화성능을 검토하기 위한 내화시험은 KS F 2257-1 건축 부재의 내화 시험방법의 표준가열곡선에 의해 3시간 내화시험을 실시하였다. 가열로는 국토해양부 고시 고강도 콘크리트 기둥ㆍ보의 내화성능 관리기준에서 제시한 시험방법과 동일하게 진행하기 위하여 사진 1과 같은 수평가열로에서 내화시험을 진행하였으며, 열전대는 상기 기준에 준하여 콘크리트 내부 주근에서의 온도와 ECC 피복의 차열성능을 검토하기 위해 주근 및 ECC와 콘크리트 계면에 설치하였다.
또한, ECC 영구거푸집의 제조는 시공성의 조절에 의해 PC 공장에서 타설에 의한 거푸집의 제조와 원심성형에 의한 거푸집 제조가 가능하도록 하였다.
ECC 영구거푸집을 활용한 고강도콘크리트 기둥부재의 내화특성을 검토하기 위하여 표 2에 나타낸 바와 같이 시리즈 Ⅰ에서는 적정 피복두께를 설정하기 위하여 피복부의 ECC 두께를 3수준으로 설정하였고, 시리즈 Ⅱ에서는 내화성 ECC에 적용되는 내화충전재의 종류를 3수준으로 설정하여 내화성능을 검토하였다. 또한, 내화성능 평가시 기존 실험을 통해 내화 성능이 확인된 내화뿜칠재를 시공한 시험체를 추가하여 내화성능을 상대 비교하였다.

성능/효과

그림 2는 ECC 피복부 두께를 35mm로 설정한 후, 내화충전재 종류에 따른 고강도콘크리트의 온도이력곡선을 나타낸 것으로 내화충 전재 종류에 따라 다소 차이는 있으나 모든 시험체에서 국토해양부 고시 고강도 콘크리트 내화성능 관리기준에서 제시된 온도기준을 만족하는 것으로 나타나 ECC 영구거푸집을 활용한 고강도콘크리트 기둥부재의 내화성능 확보 가능성을 확인할 수 있었다.
기존 실험결과를 통해 ECC의 내화성능에는 문제가 없을 것으로 예상하였으나, 고강도콘크리트와 ECC의 계면으로 열이 침투하여 PF10 및 PF30의 경우 급격한 온도상승이 발생한 것으로 판단된다. 그러나, PF30의 경우 가열시간 90분까지는 비교적 안정적인 온도제어 효과가 나타났으며, PF20의 데이터를 토대로 하여 유추할 때, 계면으로의 열 침투가 제어된다면 고강도콘크리트의 내화성능 확보방안으로서의 활용이 가능할 것으로 판단된다.
또한, 시험종료 후 시험체의 외관에 대한 관찰 결과 ECC 피복부에는 다수의 방사형 균열이 보였으나, 피복부는 탈락되지 않았고, 사진 2에서 보는 바와 같이 고강도 콘크리트 모체에서 폭렬은 발생하지 않은 것으로 나타났다.
또한, 열전도율이 일반적인 콘크리트에 비해 약 20배 정도 낮은 수준이며, 열팽창계수는 콘크리트와 유사한 수준으로서 내화성능 확보 및 콘크리트와의 일체 거동에 유리한 특성을 보유하고 있다.
한편, 영구거푸집을 구성하는 ECC 자체에 대한 예비시험으로서 원주형 공시체(∅100× 200mm)를 활용하여 ISO 834 가열시험을 통해 검토한 결과 수열온도의 급격한 상승이 없이 폭렬 현상도 발생하지 않는 것으로 확인되었다.

후속연구

1) ECC 영구거푸집과 고강도콘크리트 계면으로의 열 침투를 제어할 수 있도록 부재 생산 및 구축 방안을 검토하고, 내화성 ECC의 적정 배합 및 두께를 확보하면 고강도콘크리트의 내화성능 확보기술로서 활용이 가능할 것으로 판단된다.
2) 내화성 영구거푸집으로서의 단순 활용 방안 이외에 ECC의 성능을 활용하여 구조성능을 분담할 수 있는 방안으로의 지속적 검토가 필요할 것으로 판단된다.
기존 실험결과를 통해 ECC의 내화성능에는 문제가 없을 것으로 예상하였으나, 고강도콘크리트와 ECC의 계면으로 열이 침투하여 PF10 및 PF30의 경우 급격한 온도상승이 발생한 것으로 판단된다. 그러나, PF30의 경우 가열시간 90분까지는 비교적 안정적인 온도제어 효과가 나타났으며, PF20의 데이터를 토대로 하여 유추할 때, 계면으로의 열 침투가 제어된다면 고강도콘크리트의 내화성능 확보방안으로서의 활용이 가능할 것으로 판단된다.

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