화재 피해를 입은 폴리프로필렌 섬유 혼입 고강도 콘크리트의 비파괴 검사법에 의한 압축강도 추정

Abstract

Recently, with high strength concrete being used more frequently, much research is being done for its safe use, such as improving its characteristics against fire, mainly to decrease spalling. Generally, reinforced concrete structures damaged by fires lose compressive strength but after going through a cooling period, have a tendency to recover part of its loss. Therefore, the research on a standard for evaluating the possibility of re-using fire damaged concrete may be needed. Non-destructive tests can evaluate the structural integrity of buildings damaged by fires without causing secondary damage, so research in this field is important. Current non-destructive tests include tests using the surface hardness method, ultra-sonic method, stress wave propagation method, and composition method, with the composition method combining both surface hardness and ultra-sonic methods being used most widely. Formulas suggested by Japan are used when employing these tests to estimate strength, but research on evaluating fire-damaged concrete’s strength is lacking, requiring a more accurate and reliable non-destructive test. In this research, to decrease spalling, strength loss due to fire damage is calculated by using the regression method which formulates compressive strength from test data. Tests are done both before and after heating high strength concrete columns mixed with polypropylene for 30 and 90 minutes respectably on an ISO 834 fire curve. Also, non-destructive tests were conducted while cooling the test subjects for five months in natural atmospheric conditions in order to map the concrete’s recovery of compressive strength. The non-destructive test methods employed were the ultra-sonic method, surface hardness method, and core sampling method, and direct compressive strength test and load tests were used to verify data gathered from the non-destructive tests. The result of the research on the change in compressive strength in fire-damaged high strength concrete with polypropylene through analytic experiments is as follows. Directly after heating, the velocity of ultra-sonic waves are easily measured, but due to wider cracks and loss of homogeneity, ultra-sonic waves failed to pass or measurements showed unreliable data, making accurate evaluation of compressive strength difficult. However, with the cooling of the specimen, the velocity of ultra sonic waves reached 82.1%, allowing a new definition of the compressive strength formula using ultra sonic methods using a simple linear regression method. When high strength concrete is damaged by fire, surface hardness test methods by schumit hammer and compressive strength formulas employing equations originated from Japan Architecture Institution (Fc=7.3R+100) used at normal strength could be used. However, when mixing polypropylene, spalling decreased, requiring a new formula for surface hardness and compressive strength methods. The research data made the introduction of a new formula using regression method, and comparing the formula to estimate compressive strength in tests using ultra-sonic and surface hardness methods in concrete with polypropylene and without polypropylene, it can be found that there exists a formula for high strength concrete with polypropylene between high strength concrete before fire and high strength concrete after fire damage that lost strength. Also, taking into account the report that accuracy is improved when setting velocity of ultra-sonic waves and surface hardness as variables in non-destructive tests that measure compressive strength, a new evaluative formula for compressive strength both before and after heating is introduced that uses a composition formula. Using the results gathered, compressive strength of concrete after heating was evaluated using the ultra-sonic method, surface hardness method, and composition method separately. Overall, specimen heated for 30 minutes showed around 30% loss of strength, while specimen heated for 90 minutes showed 50% loss of strength. Compared to high strength concrete without polypropylene, no visible loss of strength was visible, but spalling decreased due to polypropylene allowed for a much smoother different strength curve within a sample compared to plain high strength concrete. In this research, the remaining strength and strength recovery trends were measured separately for the column edges that are heated on two sides and column center that is heated on one side. Comparing the compressive strength estimated from each non-destructive method to the real compressive strength taken from the specimen, the results from the test using surface hardness method was the closest, while the ultra-sonic method yielded inaccurate results due to interior cracks that made measurements impossible. The time and direction of heat had a large impact in the decrease of strength as well as in its recovery. The specimen that was heated for 30 minutes had less loss of strength, thus it was quicker to recover strength, while the specimen heated for 90 minutes displayed a limit to recovery. Such differences were also seen in different parts of the column even in a single specimen, with the edges showing greater loss of strength. The formula for the recovery of compression strength depending on heating time, cooling time, and area was organized using the multiple regression method.;최근 고강도 콘크리트의 사용이 점차 일반화 되면서 이의 안전한 사용을 위해 고강도 콘크리트의 화재성능, 특히 폭렬 저감을 위한 연구가 진행되고 있는데 일반적으로 철근 콘크리트 구조물이 화재에 의해 피해를 입어 강도가 저하된 경우 대기상태에서의 냉각기간이 지남에 따라 어느 정도까지는 압축강도를 회복하기 때문에 화해를 입은 콘크리트의 재사용 여부를 평가하는 기준 또한 매우 중요하다고 할 수 있다. 화재 피해를 입은 건물의 재사용 여부를 평가하기 위한 방법으로써 비파괴 시험법은 건물에 제 2의 피해를 입히지 않고 안전성을 평가할 수 있으므로 이에 대한 연구는 매우 중요하다고 할 수 있다. 현재 콘크리트의 비파괴 강도를 측정하는 방법으로는 반발경도법, 초음파 속도법, 충격파법, 조합법 등이 있고 이 중 반발경도법과 반발경도와 초음파법을 조합한 조합법이 주로 사용되고 있다. 이를 통한 강도 추정을 위해서 주로 일본에서 제안된 추정식을 사용하고 있으나 화재 피해를 입은 콘크리트의 강도 추정에 관한 연구는 매우 미흡한 편이며, 보다 더 정확하고 신뢰성 있는 콘크리트의 비파괴 시험에 의한 강도 추정이 필요하다. 본 연구에서는 폭렬을 저감시키기 위해 폴리프로필렌 섬유를 혼입한 고강도 콘크리트 기둥을 ISO 834기준의 표준가열곡선에 의해 30분, 90분간 각각 가열하고 가열 전후에 비파괴 실험을 수행하여 압축강도로 환산하는 검사식을 회귀분석방법으로 도출하여 화재 피해에 의한 강도 저하를 평가하였다. 또한 자연 대기 상태에서 5개월 동안 냉각하면서 냉각 일수에 따라 비파괴 실험을 수행하여 압축강도가 회복되는 경향을 파악하였다. 수행한 비파괴 실험으로는 초음파 시험법, 슈미트해머에 의한 반발경도법, 코어 샘플링에 의한 압축강도 측정법이 있으며, 이들 실험값을 검증하기 위하여 직접 압축강도 시험법과 하중 재하법을 사용하였다. 화재 피해를 입은 폴리프로필렌 섬유를 혼입한 고강도 콘크리트의 압축강도 변화를 실험적, 분석적으로 고찰한 연구 결과는 다음과 같다. 고온에 노출된 콘크리트의 초음파 실험의 경우 가열 직후에는 초음파 속도가 대체적으로 원만하게 측정이 되나, 이후로는 균열 폭이 넓고 가열에 의한 성분의 불균질화 때문에 초음파가 투과하지 못하거나 일관적이라 볼 수 없는 값의 속도를 보여 실제 압축강도를 추정하기 어렵다고 판단하였다. 실험체의 냉각에 따라 강도를 회복하면서 점차 값이 나타나고 속도 또한 빨라져서 5개월이 경과했을 때엔 가열 전 초음파 속도의 82.1%까지 회복되었고, 이에 따라 초음파 속도에 의한 압축강도 추정식을 단순선형 회귀분석에 의해 새롭게 정의한다. 고강도 콘크리트가 화재 피해를 입었을 때 강도의 저하로 일반강도에서의 슈미트해머에 의한 반발경도와 압축강도의 관계식으로 널리 쓰이는 일본 건축학회의 식(Fc=7.3R+100)에 대입이 가능했던 반면, 폴리프로필렌 섬유를 혼입한 경우 폭렬이 저감되어 반발경도와 압축강도 간의 새로운 관계식이 요구되어 실험결과를 바탕으로 회귀분석하여 새로운 식으로 정의하였고, 초음파 속도법과 반발경도법에 의한 압축강도 추정식을 각각 화재 전과 폴리프로필렌 섬유를 혼입한 경우, 폴리프로필렌 섬유를 혼입하지 않은 경우와 비교해 보았을 때, 화재 전의 고강도 콘크리트와 화재 후 강도가 저하된 고강도 콘크리트의 사이에 폴리프로필렌 섬유를 혼입한 고강도 콘크리트의 식이 존재함을 확인할 수 있다. 또한 비파괴 시험으로 압축강도를 추정할 때에는 초음파 속도와 반발경도 값을 모두 변수로 하는 관계식이 강도 추정에 있어서 보다 정확도를 높인다는 보고에 따라 가열 전과 가열 후로 나누어 복합식에 의한 압축강도 추정식을 제안하였다. 이 결과를 바탕으로 초음파 속도법, 반발경도법, 복합법 각각에 의해 가열 후 콘크리트의 압축강도를 각각 추정하였다. 전체적으로 30분 가열한 실험체에서는 약 30% 전후의 강도저하가, 90분 가열한 실험체에서는 50% 전후의 강도저하가 일어났고, 폴리프로필렌 섬유를 혼입하지 않은 고강도 콘크리트와 비교했을 때 강도 저하의 차이는 눈에 띄게 드러나지 않았으나 폴리프로필렌 섬유로 인해 폭렬이 저감되어 폭렬이 일어난 부분과 그렇지 않은 부분의 열의 침투로 인해 한 실험체 내에서 부분적으로 강도의 불균형이 뚜렷이 드러나는 일반 고강도 콘크리트에 비해 비교적 원만한 차이를 보였다. 본 연구에서는 가열시 두면에서 고온의 영향을 받는 기둥의 단부와 중앙부로 나누어 잔존강도의 내력과 강도회복의 경향을 파악하였다. 각각의 비파괴 검사법으로 추정한 압축강도를 실제 실험체에서 구한 압축강도와 비교해 보았을 때, 반발경도에 의한 추정식이 가장 근사한 결과를 나타냈고 초음파 속도법은 가열로 인한 내부 균열로 정확한 측정이 불가능한 것에 기인해 정확도가 낮게 추정되었다. 가열 시간과 위치에 따라 강도의 저하 뿐 아니라 강도의 회복에도 큰 차이를 보인다. 30분 가열 실험체에서는 강도 저하가 적은 만큼 강도의 회복도 빠르게 이루어지는 반면 90분 가열한 실험체는 강도를 회복해 감에 따라 그 정도에 있어 일정 한계에 머무는 것을 확인할 수 있었다. 또한 이 차이는 같은 가열 시간을 가지더라도 중앙부와 단부에 따라 다르게 나타나는 것을 알 수 있다. 이와 같이 가열 시간과 냉각 일수, 측정 위치에 따른 압축강도 회복 추정식을 다중 회귀분석에 의해 정리하였다.