화재시 하중재하에 따른 콘크리트의 열적특성에 관한 실험적 연구
An Experimental Study on the Thermal Property of Concrete under the Load Ratio Condition in Fire
김형준·김흥열·박경훈·정재영*
†·권기혁**
Hyung-Jun Kim · Heung-Youl Kim · Kyung-Hun Park · Jae-Young Jung
*†· Ki-Hyuk Kwan
**한국건설기술연구원
, *
한남대학교, **
서울시립대학교(2009. 8. 28.
접수/2009. 12. 11.
채택)
요 약
화재가발생할경우터널구조물은일정하중재하조건에서화재로인한온도상승으로인해강도저하가 유발되며
,
이러한강도저하에의해축력비가변화하게되어구조체에변형이발생하게된다.
이에본연구 에서는일정하중재하조건과터널화재구현이가능한재하연동가열로를개발하여콘크리트라이닝의화재 실증실험을수행하였다.
실험체는EFNARC
에서규정한소규모실물실험체형상조건을준용하였으며,
배합강도는일반강도인
24MPa
와고강도인40MPa
·50MPa
를선정하여,
강도에따른열적특성을분석하고 자하였다.
하중재하비는20%
와40%
를기준으로가열시일정재하조건을부여하였으며,
터널화재곡선중 가장급격한온도상승으로인해콘크리트의열충격효과가구현될수있는MHC Fire
를선정하여가열실험을수행하였다
.
실험수행결과동일한하중비에서고강도로갈수록균열이증가되었으며,
폭렬은고강도인
50MPa
실험체에서발생하였다. ITA
의한계온도조건콘크리트라이닝의성능기준에따른화재손상부위는전체
200mm
라이닝에서가열면으로부터평균50mm
깊이가기준에미부합되는것으로도출되었다.
ABSTRACT
When a fire occurs, the concrete structure's strength decreases by the increasing temperature under the fire in certain condition of constant load. And, the ratio of the axial force is changed by such decreased strength so that the structure is deformed. In this research, considering such case, we have conducted an actual fire test for the concrete lining with constant loading condition and various fire conditions. The specimen adopts the shape condition for small practical specimen defined by the EFNARC and we used 24MPa, 40MPa and 50MPa to analyze the thermal properties by the strength.
The ratio of loading is imposed by a certain loading condition based on 20% and 40% of the sectional stress in concrete and MHC Fire is selected to realize the thermal impact of the concrete by rapid increasing temperature. As the result of the experiment, in the same ratio of loading, the 50MPa spec- imen shows more cracks and spalling as time goes on. The area damaged by the fire, according to the functional criteria of the concrete lining under the fire in ITA, does not satisfy with the standard in lack of 50mm depth from the heating surface at total 200mm lining.
Key words :
Concrete, Load ratio, MHC fire, Fire damage range, Spalling
1. 서 론
화재 발생시 콘크리트는 고온에 노출이 되며
,
이로 인한 온도상승으로 인해상온대비강도저하가 발생하 게 된다.
특히 터널화재의 경우반밀폐 특성으로인해초기급격한온도상승이유발되며
,
이로인해터널 구조체인 콘크리트라이닝의폭렬이 발생하여구조적 단면결손이 발생하기 때문에 이에 대한 화재손상 및 열적특성을면밀하게검토하여야한다.
이러한터널화재에 의한콘크리트의 열적특성을분 석하기위해국내에서는터널화재시의콘크리트열적 특성분석연구가진행되었다
.
터널화재에의한열적특†
E-mail: [email protected]
성분석을위해
, “
화재에의한터널구조물시공재료의손상평가
(
토목학회, 2006)”, “
터널화재로인한콘크리트 세그먼트의 손상특성규명
(
지반공학회, 2005)”, “
터 널화재시콘크리트라이닝의폭렬및화재손상에관한 실험적연구(
화재소방학회, 2009)”
와같은연구가수행 되었다.
또한“
터널화재시 콘크리트에 매입된 강재의 열적손상평가(
한국콘크리트학회, 2008)”
에서는 콘크리 트PC
패널라이닝을부착하는앵커에대한열적손상 정도를규명하는 연구가진행되었다.
기존의연구에서 는비재하조건에서 터널화재에대한콘크리트의 온도 변화만을분석하였으나,
실제터널구조물의경우일정 하중재하조건에서 화재에 의한열적손상이 발생1)하 게되므로가열실험시하중에대한고려가필요하다.
이에본연구에서는콘크리트라이닝의화재로인한 열적손상을 실제터널화재시의 조건과 동일하게부여 하기위해재하연동터널가열로를개발하여
,
가열과동 시에하중조건을부여하여열적변화및변형특성을동 시에고려하는실증실험을수행하고자한다.
2. 연구범위 및 수행절차
터널화재로인한콘크리트구조체의열적특성및화 재손상정도를 분석하기위하여
,
콘크리트 강도·하중 재하비율을주요실험변수로선정하여재하가열실험 을수행하였다.
2.1연구범위
콘크리트터널라이닝의열적특성을규명하기위해터 널화재 조건중 초기에급격한 온도상승으로 인해열 충격효과가가장큰터널화재시나리오인
MHC(Modified
Hydrocarbon) Fire
를본실험의화염원조건으로선정하였다
.
콘크리트라이닝의 압축강도를규명하기 위하여UTM
을 이용한 재료실험을 선행하였으며,
강도변수는 표준강도인24MPa
와고강도인40MPa
·50MPa
를선정 하였다.
실험체는EFNARC(Specification and Guidelines for Testing of Passive Fire Protection for Concrete Tunnels Linings)
2)의소규모실물실험(Small Scale Test)
을실험규격으로준용하였으며
,
일정하중재하조건에서 의열적특성을규명하기위해터널라이닝실험체압축 강도의20%
와40%
를하중조건으로부여하였다.
외력조 건은2257-1
3)(ISO 834-1)
에의거한교정실험을통해가열로 화염조건의신뢰성을 확보하였으며
,
가열과동시 에사전재하조건을부여하고자하중재하교정을수행한UTM(200Ton)
으로실험외력조건을부여하였다.
상기와 같은실험계획을 토대로실증실험을 수행하
여콘크리트라이닝의일정재하조건콘크리트폭렬깊 이와화재손상범위를분석하고자하였으며
,
하중재하에 의한콘크리트라이닝의변형특성을도출하고자하였다.
2.2연구수행절차
터널화재에의한콘크리트의 화재손상특성을 제시
하기위하여
Figure 1
과같은실험수행프로세스로연구를진행하였다
.
실험수행을위해 외력조건을부여하는재하연동터 널가열로실험장비를확보하여재하및가열성능을검 증하여 실험수행의 신뢰성을 확보하였으며
,
콘크리트라이닝 실험체의재료물성을규명하기위한 선행재료 실험을수행하였다
.
이를토대로콘크리트터널라이닝 의실험체에실제상황과 동일한실험조건을 적용하기 위하여,
화염조건과 하중재하조건을 동시에 부여하여 화재실험을수행하였다.
강도와재하비에따른화재손상특성과폭렬영향특성 을도출하기 위해서
,
동일 하중비에서의 깊이별 온도 변화비교를통해강도에따른온도변화특성을도출하 고자 하였으며,
동일강도에서의하중 비에 따른 온도 변화를 비교하여하중조건에따른 콘크리트 라이닝의 열적변화특성을분석하였다.
3. 실험계획
3.1실험변수및실험체제작
3.1.1
실험체형상조건실험체규격
(600 × 600 × 150mm)
은가열과동시에하 Figure 1.Process of study progress.
중을 재하하여야 하므로
, UTM
재하부에의 열전도를최소화할필요성이제기되었다
.
이에직접적인 가열부위면적
(400 × 400mm)
에서하중재하부에의열전도를제어하기위해
4
면에서100mm
정도의콘크리트열전달 완충간격을 부여하였다
.
가열부위 형상조건은EFNARC
1)에서규정한 소규모실물실험의형상규격과동일하게적용하였으며
,
내화자재를적용하지않은시편크기로
Figure 2
와같이제작하여실험을수행하였다.
3.1.2
화재시나리오(MHC)
선정실험체에 가해주는 온도외력조건인 화재강도는
PIARC
4)에서 권장하는 터널화재 시나리오인ISO
·MHC
·RWS
등이있으며,
이중초기에급격한 온도상승을나타내는
MHC
곡선을 적용하였다.
규정된 온도곡선과노내온도를비교한 결과 최대오 차
5%
이내로Figure 3
과같이나타났다.
MHC
화재곡선은프랑스에서Hydrocarbon
의온도상 승 비율을 조정한 곡선으로,
급격한 초기 온도상승에 서의 콘크리트 재료의열충격효과를 분석하기위한 화재시나리오이며, RWS
규정을대체하기위하여제정되었다
. Hydrocarbon
곡선의 최고 온도인1100
oC
를Modify Hydrocarbon
에서는1300
oC
로조정하였으며,
온 도상승 비율을증가시켜서 초기의열충격효과에 의 한 콘크리트 폭렬 현상 분석이 가능하고 초기 몇 분 동안진행되는온도경사는 콘크리트구조물의폭렬에 대한 연구의 화재곡선에 대한 바탕자료가 되고있다.
이에 본연구에서는상기의
MHC
의최악의 터널화재시나리오를적용하여재하가열조건의콘크리트라이닝 의화재손상및폭렬깊이를분석하고자하였다
.
3.1.3
열전대설치4)MHC
화재강도에따른 콘크리트내부의 온도 분포특성을 측정하기위해서 좌·우측
5, 10, 20, 30, 50,
100, 150mm
깊이에K-Type
의열전대를Figure 4
와같 이설치하여좌측과우측의평균값을측정하여가열면 의깊이에 따른전열특성을 분석하였다.
열전대의 측정깊이를 정확하게고정하기위하여
45 × 45 × 200mm
의 직육면체의 열전대 설치 시편을 동일한 배합비로 제작한후드릴링하여정확한위치에정착하였으며
,
이 를실험체몰드에고정하여콘크리트실험체를제작하 였다.
3.2콘크리트라이닝배합설계및재료특성
3.2.1
콘크리트라이닝재료물성및배합설계사용된 시멘트는
KS L 5201
5) 포틀랜드 시멘트 규정에적합한국내산조강포틀랜드시멘트
3
종을사용 하였으며,
콘크리트용잔골재및굵은골재는Table 1
과같은물성의 경기도여주산 강모래와쇄석을 사용 하였다
.
국토해양부에서제시한터널설계기준에는
“
재령28
일 강도가
21~24MPa
인 콘크리트를 표준강도로 하는것을원칙으로하고있으나
,
경우에 따라서는그이상 Figure 2.Manufacture of test specimen.
Figure 4.Installation of thermal couple.
Figure 3.
Fire scenario of test.
인 고강도 콘크리트를 사용할 수 있다
”
6)고 규정하고있다
.
이에 본 연구에서는 일반강도콘크리트 라이닝24MPa
와 고강도인40MPa
·50MPa
를 강도변수로 선정하였다
.
선정된 설계강도에부합하기위해서 콘크리트표준 시방서에의거하여절대잔골재율및단위수량에대한 보정을 실시한후
,
골재에대한중량배합을결정하여Table 2
와같은배합설계로실험체를제작하였다.
3.2.2
콘크리트라이닝재료실험결과콘크리트압축강도 실험을위한 공시체 제작은
KS F 2403
에의거하였고,
압축강도실험은KS F 2405
에의거하여 공시체
3
개를Figure 5
와같이 실험하여평균강도를측정하였다
.
콘크리트압축강도 실험결과
,
계획된설계강도와유 사하게Table 3
과같이측정되었다.
이에Table 2
와같은배합설계비를재하가열실험체에적용하여
600 × 600
× 200mm
의형상규격으로제작하였다.
3.2.3
콘크리트라이닝하중재하조건콘크리트라이닝의압축강도를고려하여축하중비 를선정하여재하가열실험을수행하였다
.
상기의 재료압축강도 실험을 통해나온평균강도를 기준으로일
정 하중비를
Table 4
와 같이 선정하였으며,
사전재하가열조건으로실험을 수행하였다
.
3.3가열로와 UTM과의연동
본실험의목적은사전재하조건에서터널화재시나리 오에따른폭렬특성및화재손상범위를규명하기위한 것이다
.
이를위해서는 재하와동시에터널가열실험이 동시에 진행되어야하므로 이러한 실험조건을구현할 수있는실험장비가필요하다.
이에본연구를수행하 기위한터널가열로에UTM
을연동시켜서수직하중가력과동시에가열이가능한재하연동가열로7)를
Figure
6
과같이제작하였다.
재하하중은 최대
2000kN
까지 적용이 가능하며,
가 열로에서발생하는열량의손실을막기위하여실험체 의비가열측면에2
개의압축지그를제작하여구속조 건을부여하였다.
또한실험체 온도상승에의한UTM
Table 1.
Material Properties of Coarse
Aggregate Density (t/m
3) Fineness (g/cm
3) Absorption (%) Passing 0.08mm Sieve (%) FM (%)
S 1.57 2.58 1.62 1.9 2.89
G 1.56 2.62 0.65 0.2 6.59
Table 2.
Mixing Ratio of Concrete Lining f
ck(MPa) W/C (%) S/a
(%)
Unit Content (kg/m
3)
C S G
(19mm) W SP
24 47.2 46.8 341 874 993 161 1.02 (%) 40 39.4 38.8 405.7 676.5 1066.1 159.8 6.5 50 34.3 39.03 437.3 694 1084 150 7
Table 3.
Material Test of Concrete Lining Design Strength
(MPa) Compressive Strength (MPa)
1 2 3 Average
24 25.8 21.9 27.5 25.1
40 41.3 41.6 40.5 41.1
50 51.0 45.9 48.2 48.36
Figure 5.
Test of concrete compression strength.
Table 4.
Load Ratio of Concrete Lining Specimen Design
Strength (MPa)
Compressive Strength
(MPa)
Load condition Load (kN) Load
Ratio (%)
L-L-1 24 25.1 451.8 20
L-L-2 903.6 40
L-L-3 40 41.1 739.8 20
L-L-4 1479.6 40
L-L-4 50 48.36 870.48 20
L-L-6 1740.96 40
에의 열전달을제어하기 위하여
UTM
에별도의 지그 를추가로설치하였다.
4. 콘크리트 라이닝 재하가열 실험
콘크리트라이닝의강도변화및하중조건에따른폭 렬깊이 및 균열성상을 분석하였으며
,
가열면으로부터 의깊이에따른온도변화를측정하여열적손상에따른 영향성을 도출하고자 하였다.
이를 국제터널협회에서 권고하는380
oC
의온도기준으로평가하여콘크리트라이닝의 화재손상범위를규명하고자하였다
.
4.1폭렬및균열성상변화
하중재하는가열실험을수행하기전에실험체
150 ×
600mm
의단면에30N/min
의속도로하중을사전재하하여각각의 실험체의목표치하중까지 가력한 후가 열실험동안하중을일정하게 유지하였다
.
화재강도는Modified Hydrocarbon Fire
조건을120
분동안적용하 였으며,
콘크리트 라이닝에1
방향 가열조건(
가열면적:
400 × 400mm)
을적용하여 실험을수행하였다.
실험결과
Figure 7
과같이대부분의실험체에서는폭렬이발생하지않았으나
,
콘크리트강도가50MPa
이고하중재하가
40%
일때에는20mm
정도의폭렬이 발생하는것으로
Table 5
와같이나타났다.
콘크리트 강도별 폭렬의 영향성은
L-L-1~2
실험체(24MPa)
와L-L-5~6
실험체(50MPa)
를비교한결과L-L- 5~6
실험체에서표면의폭렬면적이더넓게나타났으므 로 강도 증가에 따른 폭렬발생률은 높아지는 것으로 나타났다.
재하조건에따른폭렬발생영향을 분석하기위해재 하조건을주지않은화재실험결과와비교하였다
. 24MPa
강도에서는 비재하 조건에서폭렬이
16mm
정도 발 생8)하였으나,
재하조건(20%, 40%)
에서는폭렬이 발생 Figure 6.The shape of fire test furnace.
Figure 7.
The shape of specimen after fire test.
Table 5.
Test Results of Spalling and Crack Specimen Strength
(MPa) Spallig
Depth (mm) Crack
L-L-1 24
미발생(mm) 0.0
L-L-2
미발생0.5
L-L-3 40
미발생0.5
L-L-4
미발생1.5
L-L-5 50
미발생1.2
L-L-6 10 2.0
하지 않았다
.
콘크리트 강도40MPa
강도에서는 비재 하하중조건에서30mm
의폭렬이발생9)하였으나,
재하조건에서폭렬이발생하지않았다
.
이러한실험결과는 적절한 하중재하조건에서는 폭렬이 오히려 감소하게 된다는 사실을 나타낸다.
이러한 하중과 폭렬에 대한 관계에대한연구결과는Phan. L.T
10)와Harada K.
11)이 수행한 연구에서도동일하게나타나고있다.
50MPa
의고강도콘크리트에서는20%
재하조건에서폭렬이 발생하지않았으며
, 40%
에서는폭렬이 발생하였다
.
이를 통해 폭렬이 발생하지 않는하중재하조건의영향을분석하면
,
강도가증가하게될수록그범위가좁아지게되는것을알수있다
.
4.2재하에따른온도상승영향성분석
실험체가열시점에서부터
15
분까지의온도증가율을분석하여콘크리트강도에따른온도영향에대해서분
석하였다
. 24MPa
실험체에비해, 50MPa
실험체가 가열
10
분을 기준(
선형적으로 증가한다고 가정)
으로 온 도증가량이약34%
정도더높게나타났다.
따라서보통강도 콘크리트보다 고강도로 갈수록초기 온도증가 율이 더높게 나타나며
,
이로 인해동일화재조건에서높은 열손상을 받게되는 것으로 판단된다
.
이는 물Figure 8.
Result of fire test (depth analysis).
시멘트비
(W/C)
가낮은50MPa
의고강도콘크리트의특 성상 구성요소의 분포가 밀실하여 내부 매질에 의한 열전달이급속하게 발생하게되는것으로판단된다.
콘크리트라이닝의압축강도
24MPa
에서는하중조건이
20%
에서40%
로 증가함에 따라20mm
깊이에서22
oC
오차 이내로Figure 8
의(a), (b)
와같이 유사한 온도변화를나타내었다.
압축강도
40MPa
에서는하중재하조건이증감함에따라
1%(12
oC)~5%(51
oC)
의온도상승이Figure 8
의(c),
(d)
와같이발생하였으나,
최대958
oC
까지상승하는온 도를고려할 때거의유사한 경향을나타내는것으로 판단된다.
압축강도
50MPa
에서는하중재하조건이40%
로증가함에 따라깊이
10mm
에서 최대41
oC
의 온도편차가발생하였으며
,
하중상승으로인해Figure 8
의(e), (f)
와 같이온도가증가하였다.
하중이 증가함에 따라최대
5%
정도의온도상승이 발생하나,
하중에 따른 온도상승영향은그리 크게 발Figure 9.
Result of fire test (strength analysis).
생하지 않는다고판단된다
.
4.3재하가열조건압축강도영향성분석
콘크리트 내부
10mm
에서 하중재하를20%
적용하였을 때
, 24MPa
에서40MPa
로증가하였을때는 온도가 낮게계측이 되나
, 50MPa
에서는 고강도의 긴밀한내부조직의 영향으로온도가 현저히높아지는 경향이
Figure 9
의(a)
와같이나타난다.
깊이
10mm
에서40%
의하중이적용될 때는강도상승에따라
Figure 9
의(b)
와같이온도가 나타나며,
가열 후
82
분에는24MPa
와40MPa
의 온도차이가 거의없는것으로 나타났다
.
콘크리트구조설계기준12)에서
40MPa
강도이상의경 우적용되는피복두께인30mm
이상의깊이에서는재 하하중20%
일때Figure 9
의(c)
와같이40MPa
강도 가 가장 안정적으로 나타난다.
그러나 하중재하40%
에서는 모든 강도의콘크리트가 유사한온도상승으로
Figure 9
의(d)
와같이나타난다.
콘크리트구조설계기준에서적용하고있는일반적인 피복깊이인
40mm
에서는강도별로약간의온도편차가 있으나,
거의유사한전열특성을Figure (e), (f)
와같이 나타낸다.
동일하중비의동일깊이에서강도별전열특성을비 교한결과
,
일반적으로40MPa, 24MPa, 50MPa
순으로 온도상승이 높아지게 되며,
최대온도편차3%
이내로 동일 하중비에서강도에 따른큰온도변화는없는것 으로판단된다.
4.4재하가열조건화재손상범위
콘크리트의배합강도및하중조건에 따른화재손상 부위에 대한영향성을분석하기위하여 비교를한결 과강도와 재하에따른 손상범위의변화는 없는것으 로나타났다
.
그러나,
재하비율이상승할수록380
oC(ITA
기준
)
를초과하는시간이빠르게도달하게되며,
특히40MPa
강도에서는22
분정도의차이가발생하게된다.
이는일정재하조건이미세균열을발생시켜서폭렬을 저감하는효과는있으나
,
이균열사이로전열현상이발 생하여깊이별로열전달을유발하게되기때문으로판 단된다.
5. 결 론
초기가장급속한온도상승이발생하는
MHC
화재조 건에서배합강도와재하비율에따른폭렬특성및화재 손상에대한영향성을분석한결과다음과같이나타났다.
1)
적절한하중재하조건을부여할경우콘크리트내부에미세한 균열을 발생시켜서공극압력을 저하시키 므로
,
폭렬이 감소하게된다.
그러므로적정한하중재 하조건이폭렬저감에기여할수있을것으로나타났다. 2)
하중이증가함에따라약간의 온도상승이발생하나
,
약1000
oC
까지상승하는콘크리트의 온도를 감안할때
,
하중에따른온도상승영향은거의없는것으로 분석되었다.
3)
콘크리트압축강도별전열특성을비교한결과,
일반적으로
40MPa, 24MPa, 50MPa
순으로온도상승이높아지게되며
,
최대온도편차3%
이내로동일하중비에서의 강도증가에따른온도상승영향은미비한것으로판단된다. 4)
하중재하비율이 상승할수록380
oC
기준을 초과하는시간이빠르게도달하게되며
,
특히40MPa
강도에서는
22
분정도의차이가 발생되었다.
본연구에서는배합강도의일정재하비율에따른온 도상승 및폭렬영향에 대해실험을통해 규명하고자 하였다
.
향후에는 재하비율에대한다양한실험변수를 통해하중에 대한온도영향성및폭렬영향에 대해규 명하여,
콘크리트의화재시적절한하중비의최적조건 을도출할수있도록하는연구가진행될필요성이있다.
감사의 글
본 연구는
2009
학년도 한남대학교 학술연구조성비지원과 지식경제부에서 지원하는한국건설기술연구원 의기관고유사업인
“(09
기본)
구조물 성능기반화재거동해석 및설계기술연구
”
과제와 관련한 연구에 의해 수행되었으며,
이에감사드립니다.
참고문헌
1.
김형준,
한상훈,
최승관, “
화재시콘크리트요소폭렬Table 6.
Results of Concrete Damage in Fire Specimen Strength (MPa)
Ratio Load (%)
Damage Range (ITA, 380
oC)
(minute, Time 380
oC)
L-L-1 24 20 0~50 57
L-L-2 40 0~50 55
L-L-3 40 20 0~50 69
L-L-4 40 0~50 37
L-L-5 50 20 0~50 35
L-L-6 40 0~50 37
영향성고찰
”,
한국화재소방학회논문지Vol.21, No.2, pp.1-6(2007).
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3.
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일 반요구사항(KS F 2257-1)”,
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112(2009).
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7.
국토해양부,
터널구조물내화설계요소기술개발5
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