비파괴 검사법에 의한 화재 피해를 입은 고강도 철근 콘크리트 보의 압축강도 추정

Abstract

최근 각종 건축구조물의 고층화, 대형화되어가는 추세에 따라 압축강도 400㎏f/㎠ 이상의 고강도 콘크리트로 지어지는 건축물들이 증가하고 있다. 일반적으로 콘크리트는 내화성이 강한 건축 재료로 알려지고 있기 때문에 화재에 의한 콘크리트 구조물의 피해를 고려하는 목소리는 국내에서 매우 낮은 실정이다. 그러나 최근 지어지는 고강도 콘크리트 구조물의 경우 화재로 인한 피해가 일반 콘크리트 구조물의 피해양상과 매우 다르고, 특히 대부분의 화재가 고강도 콘크리트가 쓰이는 주거시설 및 공장에서 발생하는 것을 보면, 고온 하에서의 고강도 콘크리트에 대한 연구는 매우 중요하다고 할 수 있다. 본 연구에서는 고강도 콘크리트 보를 가열 한후 저하된 잔존 압축강도를 평가하기 위해 비파괴 시험법을 수행하고 실험 데이터들을 압축강도로 환산하는 검사식을 회귀분석방법으로 도출하였다. 비파괴 시험법은 국내에서 가장 널리 쓰이고 있는 초음파 시험법, 슈미트 햄머에 의한 반발 경도법, 코어 샘플링에 의한 압축강도 법의 세 가지이다. 또한 화재 이후 냉각기간에 따라 비파괴 검사를 수행하여 냉각 후 압축 강도를 복원하는 경향을 파악하고 이러한 실험 결과를 바탕으로 하여 회귀분석을 통해 화재 이후 고강도 콘크리트의 압축강도 복원을 정식화하였다. 실험적 고찰을 위해 기준 실험체 1개와 가열 실험체 3개, 총 4개의 실험체를 제작하였다. 화재 노출시간과 가열속도를 일정하게 하기 위해 ISO 834기준의 표준가열곡선에 따라 90분간 가열하였으며 이때의 가열온도는 약 1000℃에 다다른다. 가열 후 대기 중에서 냉각하면서 고온에 노출된 실험체에 대해 비파괴 실험을 수행하여 압축강도를 분석하였다. 화재 피해를 입은 고강도 콘크리트의 압축강도 변화를 실험적, 분석적으로 고찰해 본 연구의 결과는 다음과 같다. 화재 피해를 입은 고강도 콘크리트는 내부 수분과 결합수의 증발압력으로 인하여 가열 10분 이후부터 폭렬현상을 일으켜 측면 부위의 피복이 떨어져 나가는 현상을 보인다. 따라서 일반 콘크리트에 비해 열이 침투되기가 쉽기 때문에 내부 온도가 일반 강도 콘크리트보다 1.5∼2배 가량 높은 약 400℃까지 올라가게 된다. 화해 입은 콘크리트의 압축강도를 평가하기 위하여 수행된 비파괴 시험 중 초음파 시험법에 의해 나온 초음파 투과 속도값은 0.1∼0.2km/sec로써 일반 콘크리트의 초음파 속도값 4km/sec과 비교하였을 때 매우 적은 값이었다. 이는 가열과 폭렬로 인한 콘크리트 내부의 잔균열과 화학적 변화에 기인한 것으로 생각할 수 있다. 일반 콘크리트의 초음파 속도값과 압축강도와의 관계를 나타내는 기존의 관계식에서는 화재에 노출된 콘크리트에서의 초음파 속도값을 적용할 수 없기 때문에 본 연구에서는 단순선형 회귀분석을 통해 새롭게 정의한다. 슈미트 햄머에 의한 반발경도 시험법으로 얻은 반발경도값은 일본 건축학회의 식에 대입하여 압축강도로 환산하였으며 하중 재하 시험을 통해 일본 건축학회의 식이 적절한 것으로 검증하였다. 비파괴 시험으로 얻은 화해 입은 고강도 콘크리트의 압축강도를 비교하여 보면 가열하지 않은 콘크리트의 압축강도의 약 50%정도에 해당하며 이는 기존 문헌의 75%에 비해 매우 크게 저하되는 것으로 나타났다. 화재 피해를 입은 고강도 콘크리트 보는 냉각 후 어느 정도까지 압축강도를 다시 복원하는 것으로 확인되었으나 복원하는 경향과 정도는 측정 위치와 시간에 따라 경향이 매우 다르다. 본 실험에서는 가열 실험시 콘크리트 보에 일반 사무실 하중을 적용하여 가력하면서 가열하였기 때문에 보 중앙 하부에 처짐과 균열이 동시에 발생하면서 화해를 입게 되며, 따라서 가열직후에는 그 압축강도가 크게 차이나지 않으나 냉각 후 수행한 비파괴 시험에서는 그 값이 실험 측정 위치에 따라 점점 크게 차이가 나는 것을 확인 할 수 있었다. 가력에 의한 균열과 처짐이 발생한 보의 중앙 부분의 강도 복원 경향을 분석하면 초기에는 어느 정도 복원하다가 점차 강도 복원율이 현저하게 떨어지면서 냉각 후 300일이 지난 보의 경우 가열 직후 압축강도의 1.19∼1.56배 정도 까지 증가한 것으로 평가되었다. 비교적 화재 피해의 정도가 약한 보의 바깥 부분의 경우 강도 복원의 정도가 높아서 가열 직후의 압축강도에 비해 1.73∼1.96배까지 복원하여 거의 처음의 강도를 되찾는 것으로 결론지을 수 있다. 가열에 의해 콘크리트 내부의 수분과 화학적 결합수가 증발하면서 콘크리트의 화학적 결합이 깨지는 데서 압축강도의 저하가 생기는데, 내부 온도 400℃이하에서는 이러한 화학적 변화는 매우 불안정한 상태에서 이루어진다고 볼 수 있다. 이후 자연 상태에서 냉각하면서 불안정한 상태의 콘크리트는 수분을 재흡수하면서 2차 양생과정을 거치게 되고 이 과정에서 강도를 복원하게 되는 것이다. 그러나 가력에 의하여 균열과 처짐이 발생한 보의 중앙 하부의 경우, 내부 노출온도가 400℃가 넘어 불안정한 화학적 반응을 지나 회복 불가능한 강도저하의 상태에 이르렀으며, 따라서 균열이 다시 초기 상태로 되돌아 오지 않고 강도복원 역시 미약한 상태에서 멈춘다는 사실을 알 수 있었다. 따라서 고강도 콘크리트의 경우, 구조체의 단면유지와 처짐 방지, 내부 노출온도의 저감을 위하여 폭렬현상을 방지할 수 있는 처리가 필요하며, 화재 발생시 주요 구조재의 내부 온도가 400℃이내에서 유지될 수 있도록 하는 방재시설이 요구된다. 또한 화재 이후에는 비파괴 검사를 통해 구조적 안전성을 확보하고 일정 양생 기간을 거쳐 강도가 복원된 후 장기 처짐 등을 보수 보강하는 방안으로 재사용할 수 있도록 해야 한다. 보다 정확한 고강도 콘크리트의 화재 후 특성 변화와 냉각 후 사용가능성 검토를 위하여 다양한 고강도 콘크리트의 화재 실험과 그에 따른 비파괴 검사를 수행한 데이터가 필요하며 이에 관련된 사항은 추후 연구 과제로 남는다. ;Nowadays, according to the building condition, structure members are increasingly required to be made of high strength concrete which has over 40Mpa of compressive strength. In general, engineers do not worry about fire damage of concrete, because it is known as a fire proof material. But, the research about fire damage of high strength concrete is very essential in the point of view that the fire damage against high strength concrete shows different aspect compared to that of normal strength concrete and almost fire accident happens in the residential building and plants which use high strength concrete in its structure member. In this research, I evaluated strength of fire damaged high strength concrete using non destructive test methods and induced the relaxation expression between the experimental data and the compressive strength. The non-destructive tests include ultra-sonic test, schumit hammer test and core sampling test, which are most widely used in present. Through the non-destructive tests performed against the fire damaged specimens in according to the cooling dates, I found out the fire damaged concrete recovered its strength in some degree, and using regression method, I induced the equations which can expect the compressive strength of fire damaged high strength concrete according to the cooling dates. The conclusions of this research about strength of fire damaged high strength concrete can be summarized as followings. High strength concrete showed spalling since it has been heated for over 10 minutes. The spalling is caused by evaporation pressure of moisture which is included in concrete physically and chemically. Due to the spalling, the cover of concrete is removed in side and upper part of specimens. And the spalling also made temperature of inner section of specimens higher, so temperature of inner section of specimens was represented as 400℃, which is 1.5∼2 times of normal strength concrete specimens. The velocity of ultra sonic test of fire damaged concrete was represented as 0.1∼0.2km/sec, whereas the velocity of general concrete is known as 4km/sec. The large gap between fire damaged and general concrete is due to the crack and chemical change of components caused by heating and spalling. And the existing relaxation expression cannot represent proper compressive strength of fire damaged concrete from the velocity of ultra sonic test. Therefore, I suggested new equation using simple linear regression method. The schumit hammer test values were translated into the proper compressive strength using the equation originated from Japan Architecture Institution and verified. The compressive strength of fire damaged concrete given by non destructive test methods was about 50% of control concrete before heated, whereas many references represent the loss ratio of compressive strength due to fire is about 75%. In this research, I also found out if fire damaged concrete specimens are cooled in the normal temperature, its compressive strength can be recovered according to the cooling dates. But the tendency of strengthening was vary according to the degree of exposed temperature and damage of the specimen. In this experiment, the specimens were heated and at the same time, loaded as a office live load. So there appeared cracks and deflection in the center which made inner section was exposed higher temperature. The increase of compressive strength shown in the center part of beam which was damaged most seriously was slowed down as cooling dates were gone. In the case of center part of the beam, the compressive strength measured 300 days after heating was 1.19∼1.56 times of the one measured only after heating. On the other side, outer part of the beam showed that the compressive strength increased up to 1.76∼1.96 times of the one measured only after fire, which is nearly equal to the strength of unheated one. So with this data, I suggested equations using regression method, which can expect compressive strength of fire damaged high strength concrete beam according to cooling data. The equations were induced as a function of exponential, because it is decided to reflect the tendency of recovery of compressive strength similar to experimental results.