고강도 RC 기둥의 폭렬 저감 방안에 관한 연구

Abstract

최근의 건축물은 초고층화, 초대형화의 추세로 인하여 고강도 콘크리트 사용이 점차 증가하고 있으며, 국내에서는 최근 60층 정도 규모의 고급주거시설을 비롯한 초고층건축물이 활발히 건설되고 있다. 또한 고강도 콘크리트(이하 HSC)는 구조적 장점뿐 만 아니라 내구성 및 사용성이 우수하여 건축·토목 구조물에서의 활용이 점차적으로 증대되고 있다. 그러나 화재 시 폭렬현상과 함께 부재가 취성적인 거동을 하게 되는 단점을 지니고 있다. 폭렬현상은 화재에 노출된 콘크리트 구조물이 100℃이상에서 부재내부의 수분 증발로 인하여 발생한 수증기가 수밀한 콘크리트에 갇혀 발생한다. 고강도 콘크리트와 같이 투기성이 낮을수록 폭렬현상이 심하게 나타난다. 따라서 HSC의 폭렬발생 메커니즘을 관찰하여 이에 영향을 미치는 요인을 규명하고 재료적, 구조적 대안을 강구하기 위한 연구와 기술개발이 필요하다. 세계적으로 건물에 대한 내화설계는 기존의 사양적 규정(Prescriptive Regulation) 에서 성능규정(Performance Based Regulation) 개념으로 기준이 변화하면서 엔지니어로 하여금 다양한 방법으로 내화설계가 가능하도록 하여 건물에 대한 내화기술 수준의 향상과 다양화를 가능하게 하였다. 미국, 일본 및 유럽 등 선진국들은 이미 BSI(1997), Buchanan(2001), Custer and Meacham(1997), FCRC(1996) 및 ISO(1998)등의 성능규정기반의 내화기준을 마련하고 이에 따른 내화기술의 인증제도를 마련하여 상당한 기술발전단계에 이르고 있으나, 국내 내화기준은 아직까지 사양적 규정에 머물고 있어 대규모 특수건축물 및 신재료?신공법 적용에 따른 성능적 규정과 인증제도가 마련되지 못한 실정이다. 최근 들어 국내에서도 건축물의 초고층화에 의한 고강도 콘크리트의 사용이 증가되고 초고층 건축물의 화재안전성에 대한 관심이 고조되고 있으며, 이에 대한 연구와 개발이 활발히 진행되면서 이를 적용하기위한 제도적 체계를 갖추기 위한 논의가 진행 중이다. 일반적으로 콘크리트의 폭렬을 제어할 수 있는 방안으로는 콘크리트 표면에 내화피복 및 내화도료 등을 사용하여 화재 시 부재의 온도상승을 억제하는 방법과 강판, 섬유시트 및 메탈라스 등을 부재표면에 시공하여 콘크리트의 비산을 억제하는 방법 그리고 섬유를 콘크리트 타설시 혼합하여 화재 시 수증기압을 낮추는 방법 등이 있다. 한편 60MPa 이상의 고강도 콘크리트에서는 실리카흄의 사용이 필연적이며 100MPa 이상의 초고강도 콘크리트 타설시에는 낮은 W/B로 인하여 작업성의 확보가 매우 중요한 관건이므로 초고강도 콘크리트의 폭렬제어방안을 강구할 때 이와 같은 조건을 함께 고려하여야 할 것으로 판단된다. 또한 Sullivan 등은 실리카 흄이 폭렬에 미치는 영향에 대하여 연구하여 실리카 흄을 10%이하 사용할 경우 폭렬에 미치는 영향이 거의 없음을 확인하였으나 그 이상의 사용에 대한 연구는 거의 진행되지 않고 있다. 그러나 일반적으로 콘크리트 강도가 100MPa이상을 확보하기 위하여 실리카 흄이 최소 10%이상 첨가되어야함을 고려할 때 10%이상 혼합된 실리카 흄이 폭렬에 미치는 영향에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다. PP섬유를 활용하여 HSC의 폭렬을 제어하기위한 재료적인 연구는 주로 최적의 PP섬유 함유량 및 PP섬유의 길이를 구하는데 초점이 맞추어져 공시체를 대상으로 실험이 수행되었다. 그러나 고온에 노출된 실구조물에서와 같이 철근의 물성치 변화, 콘크리트 단면결손에 의한 구조적 성능 저하 등을 고려하여 최적의 PP함유량을 선정하기위한 부재수준에서의 연구는 매우 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 고강도 콘크리트 구조물의 폭렬을 저감할 수 있는 방안을 마련하기 위하여 실리카 흄 치환율(7%, 14%, 21%) 및 PP섬유 함유량(0%, 0.1%, 0.2%, 0.3%)을 변수로 하는 고강도 콘크리트 기둥 실험체에 대한 내화실험과 잔존강도실험을 수행하여 폭렬에 영향을 미치는 각 인자들의 효과를 분석하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다. 1) 일반적으로 폭렬에 의한 기둥부재의 손상이 클수록 잔존내력은 감소한다. 그러나 폭렬에 의한 콘크리트 질량의 감소량이 기둥부재의 잔존강도비와 비례하지 않은 것은 폭렬에 의한 콘크리트 단면결손 뿐 만 아니라 콘크리트의 온도에 따른 물성변화와 심각한 균열정도의 준폭렬 성상이 부재의 잔존강도에 영향을 미쳤기 때문인 것으로 판단된다. 2) PP섬유 함유량을 0%에서 0.2%까지 증가시킬 경우 기둥부재의 잔존강도비는 68%에서 85%까지 증가하였으나, 0.3%까지 증가시킬 경우 잔존강도비의 차이는 거의 나타나지 않았다. 따라서 최적의 PP섬유 함유량으로서 0.2%가 적절할 것으로 판단된다. 3) 실리카 흄의 함유량에 따른 폭렬발생은 외형적으로 차이가 나지 않았으나, 잔존강도 실험결과 실리카흄을 7%, 14% 및 21%로 증가시킬수록 잔존강도 비는 낮게 나타났다. 그러나 14%에서 21%로 증가할 경우 잔존강도비의 감소율은 실리카 흄을 7%에서 14%로 증가시킨 경우보다 작게 나타났다.; It was presented that the spalling of high strength concrete exposed to high temperature could be reduced by using polypropylene fiber. However, it is true that we have to face the fact that experiments with actual size of building are insufficient because most of research in a criterion for an optimum amount of polypropylene fiber, which is used when mixed with high strength concrete, is based on result from specimen. The silica fume is essentially mixed in concrete to increase the strength and intensity of high strength concrete. That would cause to increase the degree of watertight and provide a reason why spalling is occurred severely much more. This study showed fundamental data to ensure that high strength and concrete gets the resistance to fire by observing experiments with as good as same level of actual size of building. The experiments have been performed on how much amount of polypropylene fiber can be reached to critical point to get the resistance to fire and effect of silica fume on spalling.