[논문]터널 화재(Modified Hydrocarbon Curve)시콘크리트에 매입된 강재의 열적 손상 평가

박경훈; 김흥열; 김형준

터널 화재(Modified Hydrocarbon Curve)시콘크리트에 매입된 강재의 열적 손상 평가
Evaluation on the Thermal Damage of Steel Embedded in Concrete in Tunnel Fire(Modified Hydrocarbon Curve) 원문보기

박경훈 (한국건설기술연구원, 화재및설비연구센터) , 김흥열 (한국건설기술연구원, 화재및설비연구센터) , 김형준 ((주)종합건축사사무소 광일건축)

터널 화재시 화재강도는 매우 높으며 터널 내부에서 화재 발생은 높은 화재강도에 의해 구조요소인 숏크리트 및 콘크리트 라이닝의 화재 노출표면에서 폭열 발생을 유발시키는 동시에 터널 안정에 있어 중요한 역할을 수행하는 앵커 등의 터널에 매입된 강재 또한 고온의 노출로 인한 열전달로 급격한 응력감소가 발생하게 된다. 따라서 본 실험에서는 화재강도(Modified Hydrocarbon Curve)와 매입된 강재의 내화 유무를 변수로 정하여 콘크리트 라이닝의 내부에 매입된 강재의 열전도를 알아보기 위한 화재시험을 수행하였다. 또한 최근 ITA(International Tunneling Association)에서 연구한 도로 터널내화구조 기준에 따라 강재의 열손상 임계 온도범위를 산정하여 열적 손상 정도를 평가하였다.

Fire intensity in tunnel fire is very severe, which might cause the spalling on the surface of shotcrete and concrete lining exposed to the heat as well as rapidly-reducing stress due to heat transfer by steel material such as anchor embedded in tunnel which plays the critical role in securing the stability of the tunnel. In this study, a fire test to identity the heat intensity(Modifired Hydrocarbon Curve) and the fire resistance of steel materials embedded as parameters, was carried out. And the evaluation to identify the thermal damage, which was based on critical temperature range for thermal damage of steel materials determined according to the road tunnel fire resistance standard established by ITA(International Tunneling Association).

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문제 정의

따라서 본 시험은 콘크리트 내부에 매입된 앵커의 위치와 앵커의 내화유무를 변수로 정하고 Hydrocarbon의 온도 상승 비율을 조정한 곡선으로, 급격한 초기 온도 상승에서의 콘크리트 재료의 열 충격 효과를 분석하기 위해 Modifired Hydrocarbon Curve 화재조건 하에서 콘크리트 라이닝의 내부에 매입된 앵커의 열전도를 알아 보기위한 화재시험을 수행하여 향후 터널구조물의 매입된 강재에 대한 내화설계방안을 마련하기 위한 기초자료를 제시하고자 한다.

제안 방법

터널화재시 강재의 열적손상을 평가하기 위해 압축강도 50MPa 콘크리트 시험체를 사용하여 600×600×150mm의 크기로 <그림 1>과 같이 총 4개의 시험체를 제작하였다. 1개의 시험체에는 각각 3개의 앵커를 가열표면으로부터 50, 75, 100mm의 깊이로 고정시켜 제작하고 내화피복 미적용으로 실험을 수행하였다. 나머지 3개의 시험체에는 각각에 1개의 앵커를 매입하고 50, 75, 100mm의 깊이로 위치를 고정시켜 모두 내화피복을 적용한 후 화재강도를 터널화재에 적합한 Modifired Hydrocarbon Curve 화재조건을 계획하여 실험을 수행하였으며, 1면 노출로 120분 동안 가열하였다.
1개의 시험체에는 각각 3개의 앵커를 가열표면으로부터 50, 75, 100mm의 깊이로 고정시켜 제작하고 내화피복 미적용으로 실험을 수행하였다. 나머지 3개의 시험체에는 각각에 1개의 앵커를 매입하고 50, 75, 100mm의 깊이로 위치를 고정시켜 모두 내화피복을 적용한 후 화재강도를 터널화재에 적합한 Modifired Hydrocarbon Curve 화재조건을 계획하여 실험을 수행하였으며, 1면 노출로 120분 동안 가열하였다. 시험체 시험변수 조건은 <표 1>과 같다.

대상 데이터

터널화재시 강재의 열적손상을 평가하기 위해 압축강도 50MPa 콘크리트 시험체를 사용하여 600×600×150mm의 크기로 과 같이 총 4개의 시험체를 제작하였다.

성능/효과

1) 내화피복을 처리하지 않은 L-A-1 시험체와 달리 내화피복 처리를 하여 Modified Hydrocarbon Fire 곡선에 화재실험을 실시한 L-A-2(50㎜깊이에 앵커 매입), L-A-3(75㎜깊이에 앵커 매입), L-A-4(100㎜깊이에 앵커 매입) 시험체는 최고온도분포가 각각 350℃, 180℃, 100℃로 나타났으며 I50㎜ 깊이로 앵커를 매입하여도 MHC과 같은 화재시나리오에서 앵커의 내화성능을 발휘할 수 있는 것으로 분석된다
2) 피복처리를 하지 않은 PC패널(L-A-1)은 앵커의 손상깊이를 산정하는 550℃ 이상의 열 특성을 보인 기준초과부위가 0～70㎜로 나타나 앵커의 전단강도 및 콘크리트 내부에서의 열전도를 방지하기 위해 반드시 내화피복의 적용이 필요하다.
PC패널라이닝에 내화피복을 처리하지 않은 L-A-1 시험체는 MHC 화재조건에서 실험시 콘크리트 시편이 폭열한 후 급속한 온도상승률을 나타냈으며, 시험체의 50㎜의 깊이에서도 600℃에 가까운 열분포 특성을 보였다. 앵커매입 깊이에 따른 열특성을 살펴보면 50㎜의 깊이로 앵커를 매입한 경우 70㎜의 열전대 위치에서 강재에 안정한 550℃이하의 열분포를 나타내었고, 75㎜의 깊이와 100㎜의 깊이에 앵커를 매입한 경우 안정된 열전대 위치는 각각 50㎜와 75㎜를 나타내었다.
PC패널라이닝에 내화피복을 처리하지 않은 L-A-1 시험체는 MHC 화재조건에서 실험시 콘크리트 시편이 폭열한 후 급속한 온도상승률을 나타냈으며, 시험체의 50㎜의 깊이에서도 600℃에 가까운 열분포 특성을 보였다. 앵커매입 깊이에 따른 열특성을 살펴보면 50㎜의 깊이로 앵커를 매입한 경우 70㎜의 열전대 위치에서 강재에 안정한 550℃이하의 열분포를 나타내었고, 75㎜의 깊이와 100㎜의 깊이에 앵커를 매입한 경우 안정된 열전대 위치는 각각 50㎜와 75㎜를 나타내었다.
접합부 앵커의 화재조건에 따른 열적 특성을 알아보기 위해 앵커를 내화피복하고 각각 50㎜,75㎜,100㎜의 깊이로 앵커를 매립한 L-A-2, L-A-3, L-A-4번 실험체를 비교하여 열적특성을 평가한 결과 앵커를 50㎜로 매립한 L-A-2 시험체는 실험 4분후 10～20㎜ 깊이의 폭렬이 일어났으며 L-A-3번 시험체는 실험 4분 후 폭렬이 발생하였다. 앵커를 100㎜로 매립한 시험체에는 폭렬이 일어나지 않았다.

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