콘크리트의 폭열(Spalling Failure)현상 / 화재시 스틸&콘크리트의 관계

콘크리트의 폭열(Spalling Failure)현상 / 화재시 스틸&콘크리트의 관계

 

 

1. 개요

1) 내화구조와 고열과의 관계

철근콘크리트조, 철골철근콘크리트조, 조적조, 석조 등의 내화구조는 그 부재의 두께 및 구성여건에 따라 어느 정도의 내화시간에는견딜 수 있지만 장기간의 고열에 대하여는 완전한 구조가 되지 못한다.

 

2) 성상

· 콘크리트의 경우 소온시 구성재료(골재, 시멘트풀) 사이의 팽창계수 차이로 콘크리트 내부응력이 발생하고 균열이 생겨 강도가 감소한다. 즉, 500℃ 전후에서는 골재가 팽창되고 시멘트풀이 수축되는 현상이 있어 별 문제가 없지만

500℃~700℃에 이르게 되면

- 골재 및 시멘트풀이 동시에 팽창하므로 재료분리현상이 생기고

- 이중 화강암질 골재는 500℃~600℃ 사이에서 급속히 팽창하여 내화상 좋지 못한 성상을 나타낸다.

· 또한 화재 초기에 콘크리트 표층이 탈락되는 현상 즉, 폭열현상이 생겨 철근이 노출되는 경우가 있고 장기간의 화재시에는 콘크리트의 파괴현상이 나타난다.

· 철골 등 강재의 경우는 화재시 온도로 용융하는 일은 없으나 400℃ 이상에서는 강도,항복점 등 모든 것이 저하(350℃ 정도에서 1/3, 500℃에서 1/2의 강도가 감소되며, 더 높은 온도에서는 붕괴현상이 일어난다.)하므로 어느 온도 이상으로는 가열되지 못하도록 보호하여야 한다

 

2. 콘크리트의 폭열

< 콘크리트의 폭열현상 >

콘크리트는 내부에 수분을 함유하고 있다. 이것이 급격한 온도상승이 있을 때면 수증기가 되어 콘크리트중의 틈새로 빠져나오는 속도보다 수증기 발생도가 빠를 때 나타난다. 즉, 시멘트 결합수가 가열로서 상실되고 조직이 해이되며, 열응력과 함께 콘크리트 영계수 및 압축강도가 저하되고 급격한 온도상승에 따른 내부증기압 때문에 콘크리드의 일부가 폭열하게 된다.

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이 현상은 배합이 잘못된 것, 공장생산의 것에서 흔히 볼 수 있고 또한 온도상승이 급격할 경우에 볼 수 있는 현상으로 철근과 콘크리트의 열팽창의 차이에 따라 철근의 부착력이 감소되고 콘크리트 표층이 탈락되고 파괴되는 현상이다.

콘크리트가 폭열되면 잘게 부서지며 콘크리트 조각이 비산되어 주위에 콘크리트 비산물에 의한 재해를 초래하기도 한다.

1) 콘크리트의 폭열현상에 영향을 주는 인자

· 화재강도(최대온도) -

· 화재의 형태(부분적 또는 전면적) : 구조물의 변형 및 구속력의 강도를 결정한다.

· 콘크리트의 화재지속으로 인한 파손깊이

80분후(800℃) : 0~5mm, 90분후(1000℃) :12~25mm, 180분후(1100℃) : 30~500mm

· 구조형태 : 보의 단면, 슬라브의 두께

· 콘크리트, 골재의 종류

· 콘크리트 함수량 : 굳지 않은 습윤 콘크리트는 높은 열에 의한 발생증기압으로 쉽게 파열

· 강재의 종류

· 화재시 발생가스 : PVC관 연소로 cl 함유 유해가스 발생

 

2) 화재온도에 따른 콘크리트의 손상

① Mechanism

· T ≤ 100℃ - 자유공극수 방출 | T = 100℃ ~ 200 ℃ : 물리적 흡착수 방출 | T ≥ 400℃ : 화학적 결합수 방출

· 콘크리트는 200℃~400℃에서 모세관수 및 겔수의 증발로 인한 강한 흡열피크가 발생

· 600℃에서는 Ca(OH)2 의 분해로 인한 강한 흡열피크 발생

· 800℃에서는 CaCO3 의 분해로 인한 흡열피크 발생

② 손상원인

· 온도구배에 따른 온도응력

· 시멘트 paste 내의 calcium Hydroxides의 분해

· 석회질 골재의 calcinaition

· 고온에서 석영질 골재의 phase 변화

③ 화재가 콘크리트에 미치는 영향

· 표면경도 : 균열,구워짐 약화

· 균열

290℃에서 표면균열

540℃에서 균열심화

· 변색

230℃ 이하 - 정상

290℃ ~ 590℃ - 연홍색이 붉은색으로 변색

590℃ ~ 900℃ - 붉은색이 회색으로 변색

900℃ 이상 - 회색이 황갈색으로 변색(석회암은 흰색으로 변색)

· 굵은골재

573℃로 가열시 부재표면에 위치한 규산질 골재에서는 Spalling이나 Popout이 발생

· Spalling

부재의 구석이나 모서리에서 박리와 유사한 콘크리트 표면손상

 

3) 화재온도에 따른 콘크리트의 손상이 구조물에 미치는 영향

① 압축강도의 저하

· 규사질 골재를 사용한 콘크리트의 경우 300℃까지는 강도저하가 일어나지 않는다.

· 응력을 받고 있는 상태에서의 강도가 응력을 받지 않는 상태의 강도보다 크다. 즉, 응력이 미리 가해진 상태에서는 온도의 영향을 늦게 받는다.

② 탄성계수의 변화

· 온도가 증가됨에 따라 탄성계수가 변화된다.

· 즉 재료의 물성이 변화되고 약화된다.

③ 응력변형도 관계(Stress - Strain 관계)

· 온도가 증가함에 따라 압축강도가 감소하고, 압축강도 도달시의 변형도는 증가한다.

④ 콘크리트의 박리

· 열팽창으로 인한 압축응력이 콘크리트의 압축강도를 초과할 경우 박리가 일어난다.

· 구조물 내의 수증기압 상승으로 인장응력이 유발되어 박리가 발생한다.

· 박리는 온도상승속도와 비례한다.

· 수분함량이 높을수록 박리 발생이 쉽다.

· 골재종류, 구조물의 형상에 따라 영향을 받는다.

⑤ 중성화진행속도

· 콘크리트가 고온으로 영향을 받으면 알칼리성을 지배하고 있는 Ca(OH)2 가 소실된다.

· 알칼리성 소실로 인해 철근 부동태막이 상실된다.

· 중성화 진행속도가 급격히 상승된다.

⑥ 영응력에 따른 균열

· 표면온도와 콘크리트 내부온도 차의 변화에 따른 응력이 발생된다.

· 화재로 인한 열응력이 콘크리트 압축강도보다 커지면 균열이 발생된다.

 

4) 화재온도에 따른 콘크리트가 손상된 구조물에 대한 대책

① 화상입은 구조물의 보수 또는 계속사용여부에 대한 판단

· 구조내력상 손실여부 점검 - 비파괴 검사로 철근 및 콘크리트의 손상 확인

· 균열정도확인 - 내부균열,외부균열

· 변색정도 확인으로 온도에 따른 손상범위 판단

② 보수후 계속사용의 경우 보수,보강 방법

· 1단계 - 화상부의 콘크리트제거(열화콘크리트는 완전제거)

· 2단계 - 철근의 복원(철근이물질제거, 내화철근으로 보강, 철근에 보호코팅)

· 3단계 - 보수모르터시공(내화재료사용)

5) 대책

① 간접적 대책

· 화재경보기

· 가스경보기

· 소화기

· 누전방지대책

· 방화조직가동

② 직접적대책

· 방화코팅 또는 방화페인팅

· 직접소화(스프링클러 등의 소화설비가동)

· Mendolite 도포

 

3. 고온을 받는 콘크리트의 압축강도

철근 콘크리트는 강도를 유지해야 하는 주요 구조부에 사용된다. 철근 콘크리트에서 철근은 인장응력을 받으면 콘크리트는 압축응력을 받는다. 따라서 화재시 콘크리트의 압축강도도 저하하며 콘크리트 중의 철근의 부착강도는 화재시 극심하게 저하한다.

 

4. 스틸의 강도와 火온도와의 관계

Steel은 온도에 따라 격자형태가 바뀌는데 인장, 압축강도 등 물리적 성질에 큰 영향을 준다.

Steel 구조물에서 Steel은 내부에서 인장, 압축응력을 받고 있으며 온도의 증가에 따라 강도의 저하를 나타낸다. 약 870℃의 화재에 노출된 Steel은 강도가 현저히 저하하므로 화재후에는 재사용의 가부를 검토하여야 한다.

 

5. 철골조의 내화피복

철골조의 내화피복이란 철골이 변태점 온도까지 도달하지 않도록 시간을 지연하기 위해 단열성능의 우수한 피막을 입히는 것으로서, 위험물 취급지역의 주요구조물, 장치의 Support 등은 화재가 발생하더라도 일정시간 동안 강도가 유지되어야 시설물의 붕괴에 의한 대형사고를 막을 수 있다. 이를 위해 화학공장 등의 주요부분에는 내화구조로 해야 하는데, 그 근본적인 개념은 철재류 등의 금속성인 재료가 열을 받게 되면 강도가 급격히 떨어져 본래의 기능을 유지할 수 없기 때문에 화재시에도 일정시간 동안 철재를 고열로부터 보호함으로써 철재표면의 온도가 상승되지 않도록 하는 것이다.

1) 내화구조가 필요한 부분

· 내화구조의 대상은 위험물("예" 화학공장) 전지역에 해당되는 것은 아니고 산업안전보건법에서 규정하는 위험물을 취급하는 장소에 한해 적용한다.

· 위험물을 취급하는 경우에는 그 위험물 취급설비를 기점으로하여 위험 지역을 등급별로 구분하여 위험도를 표시하는데 0종, 1종, 2종의 위험지역으로 분류한다.

· 내화조치를 하여야하는 지역은 2종 이상의 위험지역으로서 위험물 취급설비로부터 일정거리 내(보통 위험물량에 따라 6~15m)에 설치된 주요구조물까지를 그 범위로 한다.

◆ Creep 란◆

온도가 높은 경우 일정하중하에서 시간과 더불어 변형률이 증가하는데 이를 재료의 크리이프라고 한다. 철강재료는 350~400℃에서 이 현상이 발생되며 응력이 크고 고온일수록 변형률이 증가하고 과단하기까지의 시간이 짧다.

 

2) 적용되는 주요설비

· Pipe Rack 및 Steel Structure

· Equipment Support

· Heater

· Conduit Bank 및 Cable Tray 등

 

3) 내화방법

3-1) ASTM E605나 사업주의 요구 두께로 다음과 같은 Material을 관련구조물에 Coating하는 방법이 주로 이용된다.

· 콘크리트 또는 경량콘크리트

· 경량시멘트내열제품

· Mastic Flashing

3-2) Lath, 석고, 집섬보드, 섬유상물질의 분사

 

4) 철골구조의 내화공법

철골구조의 내화공법은 현장타설공법, 바르는 공법, 붙이는 공법, 뿜칠공법, 기타 특수 공법으로 분류

· 현장타설공법이란 철강재를 철근콘크리트를 사용하여 피복하는 일반적인 방법이다.

· 보,기둥에 일반적으로 가장 많이 이용되는 방법으로서 암면, 칠석, 퍼라이트, 석고 및 시멘트 등의 혼합물을 강구조에 뿜칠하는 방법

· 벽체의 경우에는 경량철골에 석고보드 등 방화재료를 붙여서 내화구조체를 이루는 건식공법이 많이 사용되고 있다.

· 또한 내화도료 등의 재료를 강재에 칠하는 방법으로, 석유화학공장의 외부노출철골 및 체육관 등 대공간 구조철재에 많이 사용된다.

· 특수공법으로는 대공간단면 피복공법(간접내화피복공법), 수냉강관기 등 내화공법, 내화강 사용 등이 있다.