Evaluation on the Fire Resistance Properties of Ultra High Strength Fiber Reinforced Concrete Member

국문 초록 (Abstract)

최근, 건축구조물의 (초)고층화, 대형화에 따라 국ㆍ내외에서는 높이 200m급 또는 그 이상의 구조물들이 다수 계획되어지고 있다. 주요 핵심기술은 초고강도콘크리트로서 약 1cm2당 800～1,000kg의 하중에 내력을 갖는 강도 80～100MPa의 콘크리트가 적용되어지고 있으며, 최근에는 200MPa급의 초고강도콘크리트가 일부 적용되고 있다.
이러한 초고강도 콘크리트의 고성능화 기술은 크게 3가지 항목 즉 콘크리트의 배합기술, 구조성능, 내화성능을 들 수 있으며, 이중 내화성능은 주로 인위적인 영향요소가 큰 항목으로 대규모의 인적ㆍ물적 피해를 일으킬 수 있는 위험성이 있다.
한편, 고강도 콘크리트는 화재 등과 같은 고온에 노출되면 초기에 폭렬(explosive spalling)현상이 발생할 수 있으며, 폭렬이 방지된 상태에 있어서도 압축강도 및 탄성계수의 저하, 크리프변형, 열팽창 변형 등이 발생할 수 있고, 급격히 구조적인 내력을 상실한다는 문제가 제기되고 있다. 이에 많은 연구자들은 콘크리트의 열적특성과 고층건축물의 구조/화재안전성의 대책으로 폭렬방지 등의 내화대책을 강구하고 있다.
이에, 국외에서는 콘크리트 건축구조물의 내화성능을 평가하기 위해서 실험규준을 제시하고 있으며, 실험규준은 국제표준으로 인정되고 있는 RILEM Committee 129-MHT(Test Methods for Mechanical Properties of Concrete at High Temperatures)의 소형공시체를 활용한 내화시험방법과 실 부재를 사용한 시험방법인 ASTM E119, ISO 834, JIS A 1304 등이 있다.
국내에서도 고강도콘크리트를 사용한 구조물의 내화성능에 관한 법률을 규정하는 등 건축법의 성능규정화에 따라 건축구조물의 내화성능을 달성하기 위하여 KS F 2257 (건축구조 부재의 내화시험방법)과 ISO 834(Fire-resistance tests. Elements of building construction) 등의 시험방법을 제시하고 있다. 이는 시방규정으로부터 성능규정으로의 변환이 이루어지고 있다고 할 수 있으며, 건축주 및 사용자의 건축적 요구성능에 대한 인식이 향상되어 건축구조물의 안전성능, 사용상의 성능 등에 대하여 명확하게 이해하고자 하는 요구가 대두되고 있는 실정이다.
또한, 콘크리트구조물은 사용목적에 따라 상이한 역학적 특성, 열적특성, 환경조건을 고려해야 하며 장기간 고온에 노출된 콘크리트는 일반 콘크리트구조물과 상이한 거동특성을 나타내므로 이에 대한 평가방법이 필요하다.
최근에는 실제 환경에서의 열적특성을 고려한 화재안전성에 대한 관심이 고조되고 있어 이에 대한 평가방법 및 부재의 성능향상기법에 관한 연구들이 진행되고 있지만 주로 법적기준을 만족시킬 수 있는 기술이 대부분을 차지한다. 또한 독자적인 기술발전보다는 현상을 해결하는데 급급한 경우가 대부분을 차지하고 있어 체계적인 정립이 필요하다.
초고강도콘크리트는 일반콘크리트에 비해 내부조직이 치밀하여 화재발생에 의한 고온하에서 콘크리트부재의 표층이 박리ㆍ비산하는「폭렬현상」발생이 현저하기 때문에 고강도콘크리트를 사용한 구조물은 화재시 단면손실에 의해 부재 내부로 온도의 확산이 촉진되어 일반콘크리트 구조물에 비해 더 큰 위험성을 잠재하고 있다. 이에 정부에서는 고온의 가열을 받을시 고강도콘크리트구조물의 안전성에 대한 검토를 의무시하기 위해「고강도 콘크리트 기둥․보의 내화성능 관리기준 제정」등의 성능규준화에 따른 정책들을 만들어 고강도콘크리트의 화재에 대한 안전 및 방지대책을 강구하고 있다.
화재시 급격한 온도상승으로 인해 표면부가 박리·비산하는 고강도콘크리트의「폭렬현상」을 방지하기 위한 대책으로서는 국내ㆍ외에서 많은 연구들이 이루어지고 있다. 이와 같은 다양한 내화성능 향상 방안 중 부재에 내화피복을 실시하는 방법과 유기섬유 또는 합성섬유를 콘크리트 내에 혼입하여 내폭렬 성능을 향상시키는 방법이 주로 사용되어 지고 있다.
내화피복을 실시하는 방법은 콘크리트부재 외부에 추가적인 피복시공을 실시함으로서 근본적으로 부재가 열에 노출되는 것을 막는 것이다. 유기섬유 또는 합성섬유를 혼입하는 방법은 콘크리트 내부에 미리 섬유를 혼입하여 화재 시 발생하는 열에 의해 용융되어 콘크리트에 미세한 공간을 만들어주며, 이 공간이 표층의 열팽창 응력 또는 내부에서 팽창한 기체의 압력을 완화하는 역할을 하여 콘크리트 표층의 박리ㆍ비산을 방지한다. 내화피복에 의해 내화성능을 향상 시킬 경우 기둥의 직경이 5%정도 증가하여 거주공간이 축소되며, 공기와 공비도 증가된다. 따라서 일반적으로 직경 0.012～0.2mm, 길이 5～20mm의 합성섬유를 콘크리트 부피에 대하여 0.10～0.35% 혼입하여 고강도 콘크리트의 내화성능을 향상시키는 방안을 주로 사용하고 있다.
한편 콘크리트구조물은 사용목적에 따라 상이한 역학적 특성, 열적특성, 환경조건을 고려해야 하며 장기간 고온에 노출된 콘크리트는 일반 콘크리트구조물과 상이한 거동특성을 나타내므로 이에 대한 평가방법이 필요하다. 또한 실제 환경에서의 열적특성을 고려한 화재안전성에 대한 관심이 고조되고 있어 이에 대한 평가방법 및 부재의 성능향상기법에 관한 연구들이 진행되고 있지만 주로 건축법의 성능기준화에 따라 법적기준을 만족시킬 수 있는 기술이 대부분을 차지한다.
또한 독자적인 기술발전보다는 현상을 해결하는데 급급한 경우가 대부분을 차지하고 있어 체계적인 정립이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 콘크리트부재의 내화성능을 평가 및 향상시키기 위한 연구의 일환으로써 고강도콘크리트 부재의 내화성능설계 시스템을 바탕으로 폭렬을 효과적으로 평가할 수 있는 기법과 초기폭렬뿐만 아니라 20℃～800℃ 온도범위, 혹은 그 이상에서의 콘크리트의 특성에 대한 전문적인 지식이 필요하며, 초고층구조물에 사용이 증대되고 있는 초고강도 콘크리트 영역(100～200MPa)에서의 고압축강도, 탄성계수, 열팽창변형, 크리프와 같은 재료특성을 측정하기 위한 시험방법 및 예측모델이 필요하며 이에 대한 시험방법 및 평가기법을 제안하고자 한다.
부재의 내화성능을 평가 및 향상시키기 위한 연구의 일환으로써 100, 150, 200MPa의 초고강도 콘크리트를 대상으로 폭렬을 효과적으로 평가할 수 있는 기법과 초기폭렬뿐만 아니라 20℃～800℃ 온도범위, 혹은 그 이상에서의 콘크리트의 특성에 대한 전문적인지식이 필요하며, 초고층구조물에 사용이 증대되고 있는 초고강도 콘크리트 영역(100～200MPa)에서의 고압축강도, 탄성계수, 열팽창변형, 크리프와 같은 재료특성을 측정하기 위한 시험방법 및 예측모델이 필요하며 이에 대한 시험방법 및 평가기법을 제안하고자 한다.
본 연구에서는 선행연구를 바탕으로 초고강도 콘크리트의 내화성능을 평가 및 향상시키기 위한 일환으로써 폭렬방지성능을 기초로 사용자가 요구하는 성능에 따른 내화성능평가 및 향상기법에 관한 연구를 수행하고자 하며, 이를 요약하면 다음과 같다.
제 1장은 본연구의 서론으로서 초고강도 콘크리트의 사용배경과 고온을 받을 경우 폭렬 및 역학적 특성의 저하의 원인에 대하여 서술하고 이를 개선하기위한 기존의 방법들에 대하여 서술하였다. 또한 기존의 내화성능평가 방법의 문제점에 대하여 분석하고 체계적인 평가 및 향상기법에 대하나 필요성을 바탕으로 본연구의 내용 및 범위에 대하여 기술하였다.
제 2장은 고강도 콘크리트의 내화성능 평가 및 향상 기법에 관한 문헌적 고찰로서 고강도 콘크리트의 폭렬억제 방안 및 평가를 위한 국내외 연구동향을 파악하고 고온역학적 특성을 평가하기 위한 방법을 분석하여 본연구를 수행하기 위한 기초자료로 제시하였다.
제 3장은 폭렬을 효과적으로 제어하기 위하여 섬유혼입공법에 대한 배합에 대한 기초실험과 내부 공극분포에 대한 폭렬성상, 내부수증기압, 섬유공극분석 등을 통하여 초고강도 콘크리트의 폭렬을 방지할 수 있는 섬유, 혼입률에 대하여 실험을 실시하고 최적 조건에 대하여 분석하였다.
제 4장은 재하조건에 따른 초고강도 콘크리트의 고온역학적 특성을 평가한 것으로 ∅100mm×200mm 공시체를 사용하여, 하중을 0.0fcu, 0.25fcu, 0.4fcu 재하한 상태에서 각각의 온도에서 응력-변형, 잔존압축강도, 잔존탄성계수, 열팽창변형, 고온 크리프변형(Transient creep strain)등을 평가하여 고온에서 초고강도 콘크리트의 내력을 분석하고 기둥부재의 설계를 위한 기초자료로 제시하였다.
제 5장은 재료특성 평가결과를 바탕으로 비재하가열 및 재하방법에 의한 초고강도 콘크리트 부재의 폭렬성상, 온도이력, 수축변형량, 잔존강도를 평가함으로서 내화성능프로세스의 적용성을 확인하였다.
제 6장은 열해석에 의한 소형시험체의 섬유손실량 분석 및 철근콘크리트 부재의 내화시간, 잔존강도를 분석하였다. 또한 최적배합, 열해석 분석 결과를 활용하여 실기둥부재를 제작하여 내화성능평가를 행함으로써 내화성능설계기법의 적합성을 확인하였다.
제 7장은 본논문의 종합결론으로서 재료성능설계, 섬유용융 및 기화량 평가, 부재실험등의 결과를 요약한 것으로 초고강도 콘크리트의 내화성능설계를 위한 프로세tm를 체계적으로 정리하고 향후 부재의 내화성능 평가를 위한 가이드 라인을 제시하였다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1 Introduction 1
• 1.1 Background and needs 1
• 1.2 Purpose 2
• 1.3 Scopes 6
• Chapter 2 Literature reviews 10
• 2.1 Spalling properties and spalling control methods of high strength concrete 10
• 2.1.1 Spalling properties of high strength concrete 11
• 2.1.2 Classification of spalling control measures for high strength concrete 15
• 2.2 Previous Studies of spalling of high strength concrete 20
• 2.2.1 Internal water vapor pressure on concrete 20
• 2.2.2 Spalling control of high strength concrete with fiber mixing 31
• 2.3 Mechanical properties of high strength concrete subjected to high temperature 37
• 2.3.1 Mechanical properties of concrete with various test method 37
• 2.3.2 Models of concrete subjected to elevated temperature 45
• 2.4 Fire standard curve 51
• 2.4.1 International standard ISO-834 51
• 2.4.2 ASTM E 119 54
• 2.4.3 JIS A 1304 55
• Chapter 3 Evaluation on spalling properties and water vapor pressure of ultra high strength fiber reinforced concrete 58
• 3.1 Introduction 58
• 3.2 Experimental program and method 60
• 3.2.1 Test plan and concrete mixing 60
• 3.2.2 Materials 65
• 3.2.3 Concrete mixing and specimen production 65
• 3.2.4 Test method 67
• 3.3 Basic physical property of ultra high strength fiber reinforced concrete 72
• 3.3.1 Fresh property of concrete 72
• 3.3.2 Hardened property of concrete 77
• 3.4 Spalling properties of ultra high strength fiber reinforced concrete 86
• 3.4.1 Trends of explosive spalling 86
• 3.4.2 Thermal expansion strain during heating 92
• 3.4.3 Residual mechanical property 98
• 3.5 Water vapor pressure of ultra high strength fiber reinforced concrete based on melting and evaporation of fiber 111
• 3.5.1 Trial experiments for evaluation and analysis to water vapor pressure 111
• 3.5.2 Analysis on pore formation by evaporation and melting of fiber 119
• 3.5.3 Water vapor pressure based on fiber type and mixing rate 124
• 3.6 Summary 132
• Chapter 4 Evaluation on mechanical property of ultra high strength concrete subjected to loading and high temperature 135
• 4.1 Introduction 135
• 4.2 Experimental program and method 137
• 4.2.1 Test plan and concrete mixing 137
• 4.2.2 Test method of mechanical properties 140
• 4.3 Test result 144
• 4.3.1 Stress-strain curve 144
• 4.3.2 Residual compressive strength and elastic modulus 149
• 4.3.3 Thermal expansion strain during heating 154
• 4.3.4 Transient creep strain 157
• 4.4 Summary 158
• Chapter 5 Fire resistance performance of ultra high strength fiber reinforced concrete by loading conditions 160
• 5.1 Introduction 160
• 5.2 Fire resistance performance of ultra high strength fiber reinforced concrete by unstressed test 163
• 5.2.1 Experimental program and concrete mixing 163
• 5.2.2 Specimen production and test method 165
• 5.2.3 Test result and discussion 167
• 5.3 Fire resistance performance of ultra high strength fiber reinforced concrete by stressed test 173
• 5.3.1 Experimental program 173
• 5.3.2 Material 174
• 5.3.3 Concrete mixing 174
• 5.3.4 Manufacturing and curing of specimen 177
• 5.3.5 Test method by heating and loading 178
• 5.3.6 Test result and discussion 180
• 5.4 Summary 184
• Chapter 6 Analytical Study on fire resistance performance on ultra high strength fiber reinforced concrete 186
• 6.1 Summary of analysis 186
• 6.2 Analysis on mass loss of fiber 187
• 6.2.1 Analysis method 187
• 6.2.2 Analysis result of mass loss by fiber type and contents 192
• 6.3 Estimation on fire resistance performance of ultra high strength fiber reinforced concrete 195
• 6.3.1 Fire resistance time of ultra high strength fiber reinforced concrete 195
• 6.3.2 Estimation of residual strength 200
• 6.4 Summary 204
• Chapter 7 Conclusions 206
• Reference 212
• Abstract 224