초고강도 RC 기둥의 폭렬 특성에 관한 실험적 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) 형식의 기준에서 최근 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. 100MPa 이상의 초고강도에서 다량의 PP섬유를 혼입 할 경우 작업성이 저하된다. 따라서 최근 일본에서는 PP섬유 대신 폴리비닐 알코올(PVA)이나 에틸렌 비닐 알코올(EVA) 및 PP섬유 분말 등을 사용하여 작업성과 내화성능을 동시에 만족할 수 있는 내화재에 대한 연구를 활발히 진행하고 있으나, 아직 국내에서는 이에 대한 연구가 매우 부족한 실정이다. 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. 따라서 본 연구에서는 고강도 콘크리트 구조물의 폭렬을 저감할 수 있는 방안을 마련하기 위하여 내화섬유의 종류(PP섬유, PP분말 및 PVA) 및 실리카 흄 치환율(0%, 7%, 14% 및 21%) 을 변수로 하는 고강도 콘크리트 기둥 실험체에 대한 내화실험과 잔존강도실험을 수행하여 폭렬에 영향을 미치는 각 인자들의 효과를 분석하였다.; Due to the recent trend of skyscrapers and giant buildings, the use of high-strength concrete is getting increased gradually, and many skyscrapers including high-class residential buildings with about 60 stories are being constructed domestically. Moreover, high-strength concrete has a structural advantage as well as superior durability and usability, so that its application in architecture and civil engineering is being gradually augmented. On the other hand, it may brittle with spalling activity in case of fire. The spalling activity occurs when internally-vaporized steam at 100℃ or higher is confined in a watertight concrete structure exposed to fire. It becomes more intense as the air permeability of a material is as lower as high-strength concrete. Therefore research and technical development are required to observe the mechanism of spalling activity in HSC, examine its cause closely, and study its material and structural alternatives. As the international standard for fire resistance design has recently changed from the prescription of specification to the prescription of performance, engineers are now able to apply various methods to the fire resistance design, so that more diverse technology of fire resistance can be developed and improved. Such performance-based fire resistance standards such as BSI(1997), Buchanan(2001), Custer and Meacham(1997), FCRC(1996), ISO(1998) and corresponding certification systems for fire resistance technologies have been already prepared and considerably improved in developed countries including US. Japan and European countries. Meanwhile, our domestic standard for fire resistance is still remained specification-based, thus performance regulation and certification system for large-scale and special buildings are not ready yet. As the use of HSC and the concern in fire safety are increased in skyscrapers, relevant research and development are in active progress, and discussions about establishment and application of relevant systems are being carried on. General solutions for preventing concrete from spalling include 1) applying fire protection coats and paints to concrete in order to control the rising temperature of structures in case of fire, 2) applying fiber sheets and metal laths to the surface of structures in order to prevent concrete from scattering, and 3) mixing fiber with concrete in order to reduce the vapor pressure in case of fire. On the other hand, HSC with 60MPa or higher must use silica-fume, and it is critical to secure the workability due to the low W/B when using HSC with 100MPa or higher, thus these conditions must be considered in studying solutions for preventing HSC from spalling. The workability is diminished if HSC with 100MPa or higher is mixed with a large amount of PP fiber. Accordingly, active researches are currently ongoing in Japan to replace PP fiber with PVA, EVA or powder of PP fiber in order to satisfy both workability and fire resistance performance, while we lack such studies. Moreover, Sullivan et el. confirmed that the use of silica-fume for less than 10 percent has little influent on spalling, but further researches have been rarely conducted. Since the silica-fume need to be added for more than 10 percent in order to secure the strength of concrete up to 100MPa or higher, it is necessary to study the influence of silica-fume to spalling when it is mixed for more than 10 percent. Therefore, this study conducted a fire resistance test and a residual strength test of HSC column test model by taking the type of fire resistance fiber (PP fiber, PP powder, PVA) and the substitution rate of silica-fume as variables(0%, 7%, 14%, 21%) in order to analyze the influence of each factor to spalling. Conclusions of the study are as followed. 1) In general, the higher damage on column structures by spalling leads to the lower residual strength. However, this study demonstrates that the more concrete exfoliation by spalling appeared at 120MPa than at 60MPa while the residual strengths of column structures were about the same both at 60MPa and 120MPa. The decrement of concrete mass was not in proportion to the residual strength presumably because not only the cross-section damage by spalling but also the change of concrete property by its temperature and the semi-spalling with severe cracks affected the residual strength of concrete. 2) Although concrete exfoliation corresponding to the content of silica-fume did not appear, it is assumed that silica-fume has influence on the specific heat, the thermal conductivity and physical properties, because the increment of silica-fume raised the internal temperature considerably. 3) The increment of silica-fume reduced the residual strength until it reached to 14 percent. No more reduction was observed thereafter. 4) A proper workability was secured when 0.2 percent of PP fiber was mixed at 60Mpa, but the concrete slump could not be measured at 120MPa due to PP fiber mixed. However it turned out that the slump and the floor values of concrete mixed with PP powder and PVA were higher than the concrete mixed with PP fiber. 5) The residual strengths corresponding to types of fire-resistant fiber follow the desecinding order of 'PP fiber (76%) > PVA fiber (71%) > PP powder (63%)', but PVA is still considered as the most reasonable fire-resistant fiber for HSC, regarding the workability.