ECC를 활용한 고강도콘크리트 기둥의 폭렬 저감

Abstract

최근 건축물의 초고층화, 초대형화에 대한 사회적 요구가 지속적으로 증가함에 따라 이를 어떻게 충족시킬 것 인가에 대한 많은 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 일련의 요구에 대응하여 지진, 바람 등과 같은 외력에 대하여 구조물의 손상에 기인하는 안전성, 사용성 그리고 내구성이 우수한 고강도 또는 초고강도콘크리트(이하 고강도콘크리트) 및 인장 변형능력이 우수한 고인성시멘트복합체 (Engineered Cementitious Composite, ECC)에 대한 실용화 연구가 다양하게 시도되고 있다. ECC는 합성섬유를 시멘트 체적비 2%정도 투입하여 보통 콘크리트나 섬유보강 콘크리트(Fibber Reinforced Concrete; FRC)보다 1~6%의 인장 변형능력(Tensile deformability)확보와 박리·박락 저항성, 인장력 부담, 내구성, 내피로 성능이 매우 우수한 재료이다.5) 이러한 ECC를 기둥부재에 적용하는 경우 지진 등과 같은 수평하중에 의해 발생하는 전단력에 대해서 충분한 인성 확보가 가능하여 구조물이 보다 연성적으로 거동하기 때문에 고인성시멘트복합체의 적용에 의한 내진성능 향상이 기대된다고 할 수 있다. 한편 고강도콘크리트는 탄성계수, 높은 축압축성능, 휨 강성, 수직수축변위 감소 등, 많은 구조적 장점과 내구성, 사용성, 원가절감 향상 등의 경제성이 우수하기 때문에 현재 그 활용이 지속적으로 증가하고 있는 실정이다. 그러나 고강도콘크리트는 고온상태에서 압축강도, 탄성계수 등의 기계적 성능이 저하하며, 특히 심각한 폭렬현상(Explosive spalling)이 발생한다. 그러므로 고강도콘 크리트를 적용한 구조물이 화재 등과 같은 고온을 받는 경우, 폭렬에 의한 급격한 단면손실로 인하여 내하력이 감소하고, 이러한 고온상태가 장시간 지속되는 경우에는 구조물의 붕괴로까지 이어질 가능성도 제기되고 있다. 이에 본 연구는 화재 시 내부로의 온도를 지연하는 방법 및 피복부분을 폭렬이 발생하지 않는 동일 강도 급의 폭렬 억제형 재료로 치환하여 콘크리트 온도를 제어하는 방안에 관하여 그 내화 특성을 실험적으로 검토 분석하고자 하였다. 부재 내부로의 수열온도 제어 및 피복치환을 위해 사용된 재료는 인장변형 능력과 내화성능이 우수하다고 판단되는 고인성·고내화성 시멘트 복합체(Fire Resistance Engineered Cementitious Composite, 이하 FR-ECC)를 이용하였으며, 고강도콘크리트 기둥에 피복되는 FR-ECC는 내부에 혼입되어 있는 중공 세라믹분말에 의한 단열성능 향상으로 온도지연을 유도시키며, 혼입된 가연성 섬유에 의해 내부 수분이동 활동을 원활히 하여 고온에서의 고강도콘크리트 기둥의 폭렬을 제어할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 비교분석을 위하여 FR-ECC의 피복두께 및 기존연구16)에서 최적의 폭렬저감 방안으로 밝혀진 PP섬유 0.22%를 혼입한 실험체를 비교 변수로 설정하였고 고강도 콘크리트 표면상태 및 부착의 영향을 평가하기 요철 유무에 대한 검토를 실시하였다. 각 변수별 내화성능의 검토는 내화시험 후 폭렬에 의한 질량감소율, 콘크리트 내부 수열온도 평가, 축압축 실험에 의한 잔존강도 평가 등을 실시하였으며, 이를 통하여 최적의 FR-ECC피복 두께 및 내화성능에 대한 기초 자료로 제시하고자 하였다. 본 연구는 다음과 같은 5장을 구성되어 있으며, 각 장별 주요내용은 다음과 같다. 제 1장 : 서 론 제 2장 : 고성능 콘크리트의 내화성능 및 ECC 개요 제 3장 : 실 험 제 4장 : 결과 및 분석 제 5장 : 결 론 고강도 콘크리트 부재의 폭렬저감 방안 정립 및 내화성능 향상을 위하여 수행한 내화실험 및 잔존강도 실험을 통하여 얻은 결론은 다음과 같다. 1) 고강도콘크리트 기둥의 폭렬에 의한 콘크리트 질량감소율은 기둥부재의 잔존 축강도비와 비례하지 않았으며, 이는 질량감소량에 따른 단면결손 뿐 만 아니라 화열의 모체 콘크리트에 대한 직접적인 노출 유·무, 그리고 국부적인 단면결손등이 부재의 잔존강도에 영향을 미쳤기 때문인 것으로 판단된다. 2) 설계강도 100MPa를 초과하는 고강도콘크리트에서는 기존의 지속적 연구결과로부터 폭렬에 대해 가장 적합하다고 판단되었던 PP섬유 0.22% 혼입 방법으로도 폭렬을 충분히 제어하지 못한다는 사실을 알 수 있었다. 3) 고인성 시멘트복합체 FR-ECC를 고강도콘크리트에 내화피복하는 방식은 폭렬 제어에 매우 효과적이며, 특히 본 연구범위(100MPa 이상, ISO834 3시간)에서 내화성능에 가장 이상적인 피복두께는 화열에 모체 콘크리트가 직접적으로 노출되지 않으며, 폭렬을 억제할 수 있는 30mm이상의 내화피복 방법이 가장 이상적인 것으로 판단된다. 4) ISO834 3시간 내화 시 열화에 대해 모체 콘크리트에 전혀 영향을 미치지 않는 FR-ECC피복두께는 50mm로 판단된다. 5) 현재 FR-ECC피복 설계강도 100MPa까지 연구가 진행되어 있어 모체 콘크리트의 피복부분을 구조체와의 일체화 조건을 전제로 하여 FR-ECC피복으로 대체 시 모체 콘크리트의 충분한 강도, 인장변형성능 그리고 내화성능 확보뿐 아니라 구조체의 단면 및 구조물의 자중을 감소시킬 것으로 판단된다. 6) 구조적 목적으로 FR-ECC피복두께 30mm이상을 피복하는 경우에는 추가적인 내화대책 방안을 계획하지 않아도 충분할 것으로 판단된다.; High-strength concrete(HSC) must be designed to protect under the fire because the concrete structure sometimes exposed to very high temperature. Such fire temperature may cause explosive spalling of HSC members. An explosive spalling is defined as the damages of concrete exposed to high temperature during the fire by causing cracks and localized bursting of small pieces of concrete, and reported that is caused by the vapor pressure and thermal stress. The purpose of this study is to obtain the explosive spalling reduction method of HSC members using fire resistance-engineered cementitious composites(FR-ECC) under fire temperature. The present study conducted the experiment to simulate fire temperature by employing of FR-ECC and investigated experimentally the explosion and cracks in heated surfaces of these members. Employed temperature curve were ISO 834 criterion(3hr), which are severe in various criterion of fire temperature in concrete buildings. In results, the ratio of unstressed residual strength of HSC columns increases and explosive spalling degree decrease by FR-ECC cover. And the FR-ECC spalling reduction methods(cover thk. 30 to 50mm) shows the better fire resistance performance in HSC members. This study consists of 5 chapters as follows : Chapter 1 : Background of investigation Chapter 2 : Fire Resistance Performance of High Strength Concrete and ECC(Engineered Cementitious Composites) introduction Chapter 3 : Introduction of experiment Chapter 4 : Tests results Chapter 6 : Conclusion This study investigated improvement of the spalling resistance and residual compressive strength in high-strength RC columns after 3 hours fire test. Based on the results from this study. the following conclusions were drawn 1) The residual strength ratio of High strength concrete under the high temperature is not in proportion to the spalling degree. Because it is not only a spalling also directly emitting the fire to the specimen 2) An Experimental result in this study that an excess of the design strength 100MPa in high strength concrete is not appropriate for PP fiber 0.22% to control a spalling 3) Fire protection of FR-ECC is effective regarding reduction spalling under the high temperature. especially, Most suitable FR-ECC cover of the fire protection is FR-ECC cover 30mm. because the fire is not directly reached the high strength concrete based on the result of temperature history in this research range(more than 100MPa, ISO 843 3hours). 4) FR-ECC cover 50mm is not to be completely reached high strength concrete under the high temperature during the ISO 843 3hours 5) It is possible to protect from the fire, increase direct tensile displacement and decrease self-weight of concrete structures as unification of FR-ECC panel with high strength concrete. but, It needs research more. 6) It does not plan additional the fire safety design, in case constructing more than 30 mm of FR-ECC cover thickness for structural purpose.