火災 被害를 입은 一般强度 철근콘크리트 보의 補修性能에 관한 硏究

Abstract

최근 10년여간(1990년~2000년) 화재건수는 매년 10%이상 증가하고 있으며, 화재발생은 인명 및 재산피해는 물론 막대한 국가적 손실을 초래하고 있다. 전체 화재건수의 절반 이상은 건축물에서 발생하며 건축물 화재 중에서도 대부분의 화재는 주거시설 및 공장에서 발생하는 것으로 나타나고 있다. 특히 각종 건축구조물의 고층화, 다양화, 대형화되어가는 추세에 따라 화재 발생요인은 날로 증대하고 있으며, 손상된 건물의 처리가 중요한 문제로 대두되고 있다. 우리나라에서 보편화되어있는 철근콘크리트 구조는 가장 실용적이며 내화적인 동시에 내구적인 것으로 평가되어져 왔다. 건물의 보, 슬래브 및 벽체 등 주요부재에 쓰이는 콘크리트는 손상정도에 따라 내구성에 큰 영향을 주기 때문에 이를 평가하는 것은 화재건물의 재사용 여부 및 보수, 보강방법을 검토하는데 중요한 자료가 된다. 한편, 기존의 많은 국내 철근콘크리트 건물들이 일반강도 콘크리트를 사용하여 시공되었으나 이들 건물에 화재가 난 경우 화재 피해를 입은 건물에 대한 평가와 추후 보수·보강에 대하여는 거의 연구가 되어 있지 않은 상태이다. 본 연구에서는 일반강도 철근콘크리트 보의 가열실험 후 폴리머시멘트 모르터로 단면복구 보수여부에 따른 재하실험을 실시하였고, 실험결과를 바탕으로 화재 피해를 입은 보의 보수성능에 관하여 고찰하였다. 온도에 따른 물리적 특성 변화가 고려된 유한요소 전용프로그램인 DIANA를 사용하여 콘크리트 내부온도를 열 전달 해석하였다. 이상의 연구결과로서 얻은 결론은 다음과 같다. 중성화 조사결과, 화재피해에 노출된 실험체의 중성화 깊이는 피복두께 4㎝, 5㎝별로, 가열시간 1시간, 2시간 별로 큰 차이가 없었으며, 콘크리트 표면에서부터 평균 약 4㎝~6㎝ 정도로 측정되었다. 이 부근까지의 콘크리트는 500℃ 이상의 가열에 의해 중성화가 진행되어 내구성에 문제가 발생한 것으로 판단된다. 또한, 2시간 가열한 피복 부근에서 측정한 콘크리트 및 철근의 내부 평균온도는 JIS A 1304 "건축구조부분의 내화시험방법"에 의한 철근과 콘크리트의 안전한계온도인 500℃ 이하로 측정되어, 냉각 후 강도를 거의 회복하여 콘크리트 및 철근을 재사용할 수 있는 것으로 판단된다. 보수여부에 따른 재하실험결과, 원 실험체와 1시간, 2시간 가열한 실험체의 최대하중값을 비교한 결과, 원 실험체보다 약 3~7%정도의 내력 손실을 입었다. 보수 전과 후의 최대하중값을 비교한 결과 화재피해를 입었을 당시보다 약 8~10%정도의 내력이 회복되었다. 따라서 피복 내부의 콘크리트가 500℃ 이하로 화해를 입은 경우 피복 콘크리트를 원래강도 이상의 콘크리트 재료로 치환하였을 때 설계강도에 준하는 성능으로 회복되었음을 알 수 있다. 또한 일반강도 철근콘크리트 보의 피복두께가 4㎝ 이상일 경우, ISO 표준가열곡선에 의해 2시간정도 노출되더라도 피복 콘크리트의 보수에 의해 초기 강도의 회복이 가능함을 알 수 있다. 열전달 해석상에서는 수분의 방출로 인한 콘크리트의 온도특성이 정확히 고려 될 수 없으므로 실제 가열실험에 의한 내부 온도-시간 곡선은 100℃에 이르러 118℃에 도달할 때까지 약 45분간 콘크리트에 내포된 수분을 증발하는 수평구간을 보이다가 이후부터 거의 선형으로 온도가 증가하는 반면, 유한요소해석 프로그램에 의한 열전달 해석값은 수평구간없이 실험값의 증가폭만큼 가열초기부터 선형적으로 온도가 증가하여 실험값과 차이를 보였다. 앞으로 보다 정확한 유한 요소 해석프로그램을 사용한 열전달해석을 위해서는 콘크리트에 내포된 수분 및 함수율과 재료물성과의 상관관계가 고려되어야 할 것이며 이와 관련된 사항은 추후 연구사항으로 남는다.;The number of fires in the last decade(1990-2000) has been increasing by more than 10%, costing not only human lives and property but also inflicting a significant degree of loss on the nation as a whole. It turns out that more than half of the fire breakouts have taken place within the architectural structures. In most of the cases, the fire occurred in residential facilities or factories. In particular, in accordance with the tendency of building architectural structures more higher, more larger and more diverse in form, the fire-triggering factors are increasing day by day and it is becoming increasingly important to take care of the damaged structures. The reinforced concrete structure, a generally-used material in Korea, has been rated among the highest in terms of practicality, fire-resistance and durability. Since the degree of the damage on concrete used in major parts of the building such as the beam, the slab, and the wall has a considerable effect on the durability, the assessment of the concrete becomes an important source in examining whether the damaged structure may be re-used or not, or in studying the methods of reparation and strengthening. Many reinforced concrete buildings in Korea were constructed using normal strength concrete. However, there has been little study done on the evaluation of the reparation or strengthening of the structures in case afire breaks out. This study examined the structural behaviors of the fire-damaged beams retrofitted with polymer mortar based on the results of the experiments concerning the mending capacity of the normal strength beams after heating. The exclusive program for the finite element method(FEM), the DIANA, involves the change in physical characteristics of the concrete in accordance with the temperature change. This program was used to analyze the heat transfer in regard to the inner temperature of the concrete. The conclusions in regard to such research can be seen as follows. As a result of the neutralization, the neutralization depth of the fire-damaged beams was found to be an average of approximately 4cm ～ 6cm from the surface of the concrete, showing no considerable difference concerning the covering depth, be it 4cm or 5cm, or the heating time, be it one hour or two hours. It was found that the concrete within the range has undergone a neutralization process due to the heating of over 500℃, causing some problem in durability. Moreover, the average temperature of the inner concrete and the steel, measured near the covering depth that was heated for 2 hours was estimated to be lower than 500℃, the safety critical temperature of the steel and concrete according to the JIS A 1304. Therefore, it can be judged that the concrete and the steel can be re-used once it recovers the strength after a cooling period. As a result of the loading experiment according to the progress of reparation, when the maximum load capacity of the original beam was compared with the beams that were heated one and two hours, the latter was found to have suffered an inner strength loss of some 3～7%. When the maximum load value before the reparation was compared to that of after the reparation, the latter recovered the strength of some 8～10% in contrast to the period of fire damage. Therefore, it can be concluded that in case the temperature of the concrete within the covering depth is estimated below 500℃, if the concrete of the covering depth is replaced by concrete material that has strength higher than normal, it can be seen that it can recover its capacity correspondingly to the design strength. Furthermore, it can be concluded that if the covering depth of the concrete with the normal strength is more than 4cm, and even though it is exposed about 2 hours by the ISO 834 standard heating curve, it can recover the initial strength due to some reparation about the concrete of the covering depth. According to the heat transfer analysis, since the temperature characteristics of the concrete cannot be duly accounted due to dehydration, the inner temperature-time curve of the actual heating experiment shows a horizontal dehydration section of 45 minutes, from 100℃ to l18℃ and then begins a rising linear slope. On the other hand, the heat transfer analysis value according to the FEM program differed with the experimental values, showing a temperature increase of a linear type from the initial heating period without a horizontal period, which corresponded to the increasing range of the experimental value. To attain higher accuracy of the heat transfer analysis using the FEM program, the amount and the functional relation of the moisture contained in the concrete and the correlation with the property matter of the material should be taken into account in further research.