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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.11 No.1 pp.63-71
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2020.11.1.063

Fire Resistance Performance of Aramid Fiber-Reinforced Concrete Columns with Embedded Cerak Wool Boards

Jeong-Ki Min1, Kwang-Geun Rho2, Sung-Mo Choi3
1Senior Researcher, Fire Protection Technology Center, Korea Conformity Laboratories, Chungcheongbuk-Do, Korea
2President, Heesang Reinforce, Seoul, Korea
3Professor, Department of Architectural Engineering, University of Seoul, Seoul, Korea

본 논문에 대한 토의를 2020년 03월 31일까지 학회로 보내주시면 2020년 04월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Min, Jeong-Ki Fire Protection Technology Center, Korea Conformity Laboratories, 73, Yangcheong 3-gil, Ochang-eup, Cheongwon-gu, Cheongju-si, Chungbuk, 28115 Korea Tel: +82-43-210-8973, Fax: +82-43-210-8985 E-mail: jkm927@kcl.re.kr
January 29, 2020 February 21, 2020 February 21, 2020

Abstract


Recently, aramid fiber sheets are readily available for use in the construction industry. These sheets offer many advantages such as high specific strength and stiffness, high corrosion resistance, light weight, and magnetic transparency. In this study, fire retardance performance and bond strength of aramid fiber sheets are analyzed. The fire resistance of aramid fiber-reinforced concrete columns is investigated using six test specimens manufactured with different combinations of board thickness and types that are then tested against standard and external fire curves. The results show that the sheets can resist fire for one hour using finishing materials.



세라크울 보드를 적용한 아라미드 섬유 보강 철근콘크리트 기둥의 내화성능

민 정기1, 노 광근2, 최 성모3
1한국건설생활환경시험연구원 방재기술센터 선임연구원
2㈜희상리인포스 대표
3서울시립대학교 건축공학과 교수

초록


최근 들어 아라미드 섬유 시트는 건설 산업에 쉽게 사용되고 있다. 아라미드 섬유 시트는 높은 특성강도 및 강성, 높 은 부식 저항성능, 경량 및 자기적 투명성과 같은 많은 장점을 제공한다. 본 연구에서는 아라미드 섬유 시트의 난연성능 및 접 착강도가 연구되었다. 아라미드 섬유 보강 콘크리트 기둥의 내화성능은 표준 및 외부화재 곡선에 대해 서로 다른 조합의 보드 두께와 종류로 제작된 6개의 실험체를 사용하여 연구되었다. 그 결과 아라미드 섬유 시트는 마감재료를 이용해서 한 시간의 내 화성능을 가지는 것으로 나타났다.



    Ministry of Land, Infrastructure and Transport
    19CTAP-C142864- 02

    1. 서 론

    아라미드 섬유(Aramid fiber)는 상온에서 높은 인장강 도와 탄성률을 가지고 있어 우주항공분야, 방탄복, 타이어 소재, 변압기 등의 절연소재로 사용하고 있 다. 이와 더불어 아라미드 섬유 시트는 뛰어난 인장 강도와 연성으로 건축 및 토목 구조물의 내진성능 향상을 위해 보강재로 활발하게 적용되고 있다. 일 반적으로 유리, 카본, 아라미드와 같은 섬유는 고분 자 매트릭스보다 열적으로 우수한 것으로 알려져 있 으나 화염에 노출될 때 불연성(non-flammable)의 특 성을 가지며 숯(char)을 형성하고, 고온에 노출될 때 강재 및 콘크리트에 비해 Fig. 1과 같이 급격한 강도 저하를 나타낸다(Ahmed, 2010). 이러한 고온에서의 재료적 특성으로 인해 화재로부터 안전이 요구되는 주요 시설물, 터널, 지하철 보강에 사용될 때 난연성 능 이상의 연소성능 확보하도록 요구하고 있으나 구 조물에 대한 내화성능 요구사항에 대해서는 명확한 기준이 없는 실정이다.

    상온에서 섬유 보강 플라스틱(Fiber Reinforced Plastics, 이하 FRP)에 대한 연구는 FRP로 보강된 구 조 거동(Grace, 2001; Kodur et al.; Shahrooz et al., 2002; Takeda et al., 1996; Williams et al., 2008), 크리 프 및 피로 효과 (Scott et al., 1995;Yang and Nanni, 2002) 및 내구성 향상에 영향을 미치는 인자들(Green et al., 2003;Toutanji and Gomez, 1997)에 대해 주로 이루어져 왔으며, 화재 시 FRP로 보강된 철근콘크리 트 부재의 화재 거동을 평가하기 위한 실험 및 수치 해석 연구가 제한적으로 수행되어 왔다(Ahmed, 2010).

    이 논문에서는 아라미드 섬유를 대상으로 연소특 성에 대해 살펴보고 지진 발생으로 인해 피해가 크 게 발생한 도시형 생활주택에 적용되는 저층 필로티 구조물의 아라미드 보강을 통한 1시간 내화성능을 확보하기 위해서 화재조건(표준화재, 외부화재) 및 세라크울 보드를 포함한 아라미드 적용 상세를 달리 하여 내화실험을 수행하여 분석하였다.

    2. 난연성능 및 부착강도

    2.1 시험 개요

    현재 국내에서 적용되고 있는 FRP 섬유는 화재발생 으로 연소 확대를 방지하기 위하여 난연 이상의 연 소성능을 확보하도록 요구하고 있으나 난연 이후 FRP 섬유의 부착강도 성능에 대해서는 알려진 바가 없다. 따라서 본 절에서는 아라미드 섬유를 대상으 로 두께가 다른 3개 시험체에 대해 난연성능 시험을 수행하고 이후에 상온 및 고온에 노출된 6개 시험체 에 대해 부착강도시험을 수행하고 측정하여 비교하 였다(Table 1).

    2.2 콘칼로리미터 시험

    건축물에서 내장재로 사용되는 건축재료는 화재 발 생시 주변으로의 확산을 막기 위해 난연성능을 규정 하고 있다. 콘칼로리미터 시험(Fig. 2)은 KS F ISO 5660-1(2015)에 따라 점화 장치가 부착된 콘히터 복 사열에 노출된 시험체(100mm×100mm×50mm)가 화재 에 노출되는 동안 산소소비량에 따른 열방출률에 기 여하는 정도를 평가하는 방법으로 50kW/m2의 복사 강도로 5분 동안 가열하여 열방출 특성을 확인한다. 난연성능의 판단기준은 국토교통부 고시 제2019-473 호에서 총방출열량이 8MJ/m2 이하일 때 시험체가 난연성능을 가지는 것으로 판단한다.

    2.3 부착강도 시험

    부착강도 시험은 KS F 4716(2016)의 5.6 부착 강도 시험방법에 따라 수행하였으며, 시험용 밑판(접착면) 을 시멘트 모르타르로 제작하여 아라미드 시트를 들 뜸이나 공극이 없이 균일하게 도포하여 24시간 동안 양생을 하여 40mm×40mm 크기의 상부 인장용 지그 를 에폭시로 부착하여 충분히 경화되면 지그 주변을 따라 시험용 밑판이 닿을 때까지 홈을 내고 Fig. 3과 같이 UTM을 이용해 시료면에 대해 수직방향으로 인장력을 가하여 식 (1)을 통해 최대 인장 하중을 구하였다.

    부착강도 = T 1 , 600 ( MPa )
    (1)

    여기서, T는 최대 인장 하중(N)

    2.4 난연성능 시험 및 부착강도 시험 결과

    Fig. 4는 난연시험 이후 아라미드 섬유가 고온의 복 사열에 의해 탄화된 모습을 나타낸다. 각각의 시험 체에 대해 상부와 하부에 K-type 열전대를 부착하여 온도를 측정하고 난연성능을 확인하였다. 총방출열 량은 3개의 시험체 모두 0.6MJ/m2 이하의 값을 나타 내어 기준치인 8MJ/m2에 훨씬 못 미쳐 난연성능을 가지는 것을 확인하였다. 아라미드 섬유 두께를 달 리한 AFRP-01-FE, AFRP-02-FE, AFRP-03-FE 시험체 에 대한 부착강도는 상온대비 각각 38.9%, 29.4%, 43.9%를 나타내어 화재 시 부착강도는 아라미드 섬 유 두께에 상관없이 50% 미만으로 현저하게 저하되 는 것을 확인하였다. Table 2

    3. 비재하 내화실험

    3.1 실험 개요

    재료의 연소특성을 확인하는 난연, 준불연, 불연실험 이 20분 이하로 화재에 노출되는 것과 달리 내화실 험은 가열로에서 최소 1시간 이상 동안 화재에 노출 하여 내화성능을 확인한다. 본 연구에서는 아라미드 섬유를 적용한 실험체의 내화특성을 확인하기 위해 Fig. 5와 같이 두 가지 화재곡선(표준화재곡선, 외부 화재곡선)에 대해 내화실험을 수행하였다. 표준화재 곡선은 현재 구조부재의 내화성능을 확인하기 위해 일반적으로 사용하는 방법으로 KS F 2257-1(2019)에 서 시험방법을 규정하고 있으며 구획 내에서 화재가 발생하는 경우 플래쉬오버로 인한 영향을 고려하여 1시간, 2시간, 3시간으로 구분하고 있고, 그 때의 온 도는 각각 945℃, 1049℃, 1110℃에 도달하게 된다. 이와 달리 외부화재곡선은 국내에는 관련 규격이 없 고 Eurocode 1992-1(2002)에서 시간에 따른 온도곡선 을 규정하고 있으며 구획 외부에서 화재로 인한 영 향을 고려하여 평가하는 방법으로 일정 시간 도달 후 680℃를 유지하게 된다. 국내에서는 아직까지 외 부화재곡선을 이용한 실험결과는 전무한 상태로 도 시형 생활주택의 저층에서 많이 사용되는 필로티 기 둥과 같은 경우 바닥, 벽 및 천장으로 이루어진 구 획 내부에 위치하지 않아 플래쉬오버에 도달하지 않 으므로 외부화재곡선 조건을 통해 표준화재곡선과의 차이에 따른 영향을 살펴보았다.

    또한, 기둥의 내화성능은 재하 내화실험과 비재 하 내화실험으로 구분할 수 있다. Table 3과 같이 재 하 내화실험은 기둥의 축방향 변위 및 축방향 변형 률을 통해 내화성능을 결정한다. 반면에 비재하 내 화실험은 기둥의 온도를 측정해서 내화성능을 결정 하는 방법으로 철근콘크리트 기둥의 경우 주근의 평 균온도는 538℃, 최고온도는 649℃를 초과하지 않는 것을 내화성능 기준으로 하고 있다. 본 논문에서는 비재하 내화실험을 통해 내화성능을 확인하였다.

    표준화재곡선 : T  = 20 + 345 log 10 ( 8 t + 1 )
    (2)

    외부화재곡선 : T  = 660 ( 1 0.687 e 0.32 t 0.313 3.8 t ) + 20
    (3)

    여기서, T는 화재온도(℃), t는 시간(분)

    3.2 실험체 계획 및 제작

    두 가지 화재조건에 대한 내화실험을 위해 각각 6개 의 실험체를 제작하였다(Table 4). 내화실험에서 사 용하는 철근콘크리트 기둥은 일반적인 도시형 생활 주택에서 많이 사용될 수 있는 300mm×300mm 단면 을 설정하였으며, 주근 및 늑근은 D19, D10의 이형 철근을 적용하였으며 배치는 그림 6과 같다. 실험에 사용한 재료의 물성치는 Table 5와 같으며 실험체 제작에서 철근의 피복두께는 한국건축구조기준 (2016)에서 제시하고 있는 최소피복두께 기준에 따 라 최외곽으로부터 40mm를 확보하였다. 내화실험을 위해 사용한 아라미드 섬유의 재료 특성은 Table 6 에 나타내었으며, 두께는 모든 실험체에 대해 현재 사용되는 가장 얇은 두께인 0.299mm를 적용하였다. Fig. 6

    표면 마감재 상세(Fig. 7)에 따른 실험을 위해 사 용한 시멘트 보드와 코너비드 및 세라크울 보드의 두께는 Table 4와 같으며 고정을 위해 지름 4.5mm와 길이 60mm 및 90mm의 칼블럭을 사용하였다.

    3.3 가열 및 온도측정

    실험체의 가열은 KS F 2257-1(2019)에서 규정하고 있는 표준화재곡선과 EN 1991-2(2002)에서 규정하고 있는 외부화재곡선에 따라 가열하였으며 가열 시간에 따른 실험체의 온도는 주근과 콘크리트에 각각 K-Type 열전대(Thermocouple, TC)를 설치하여 측정하였다.

    철근열전대는 주근 중앙부(TC1), 모서리(TC2)에 설치하였고 콘크리트 열전대는 최외곽면으로부터 30(TC3), 60(TC4), 90(TC5)mm 지점에 Fig. 8과 같이 설치하여 피복 깊이에 따른 온도변화 양상을 확인하 고자 하였다.

    4. 실험결과 및 분석

    4.1 온도이력

    표준화재곡선과 외부화재곡선 하에서 가열 실험한 시험체의 온도이력은 각각 Fig. 910과 같다. 온 도측정에서 표준화재곡선의 RC-AFRP 실험체의 주 근 및 모서리 철근의 온도결과와 외부화재곡선의 RC-AFRP 실험체의 콘크리트 두께 30mm와 60mm 온도는 열전대의 이상으로 데이터를 얻지 못하여 제 외하였다.

    표준화재곡선에 노출된 실험체에서 순수한 철근 콘크리트의 온도는 30mm 깊이 콘크리트, 모서리 주 근, 중앙부 주근의 순서대로 온도가 높은 것으로 나 타났으며, 30mm 깊이의 콘크리트는 60분 경과 후 244.6℃, 모서리 주근은 202.5℃, 중앙부 주근은 132.4℃의 온도에 도달했고, 나머지는 130℃ 이하를 기록하였다. 6mm와 9mm 두께의 시멘트 보드를 적 용한 RC-AFRP-M-6C, RC-AFRP-M-9C 실험체에서는 30mm 깊이의 콘크리트에서 각각 온도가 91.5℃와 105.9℃까지 상승하였으나 나머지 부분의 열전대 온 도는 100℃ 미만의 온도 상승을 나타내 크게 상당한 온도상승 지연 효과가 있음을 확인하였다. 또한, 12.5mm와 25mm의 세라크울 보드를 적용한 RCAFRP- M-9C-12.5CB와 RC-AFRP-M-9CB-25CB 실험체 에서는 모든 열전대 측정부에서 온도가 100℃ 미만 으로 상당한 내화성능을 나타내는 것을 확인하였다.

    외부화재곡선에 노출된 실험체에서는 표준화재실 험과 달리 60분까지 최고 온도가 680℃로 각각의 열 전대에서 온도 상승은 상당히 지연된 것을 확인할 수 있었다. 순수 철근콘크리트 실험체에서는 최고 온도가 159.5℃를 나타내어 60분 화재 노출 후에도 상당 부분이 화재에 건전한 것을 확인할 수 있었다. 또한, 나머지 실험체에 대해서도 시멘트 보드와 세 라크울 보드의 영향으로 온도 상승은 100℃ 미만을 나타내었다.

    Table 7은 60분에 도달했을 때 표준화재와 외부 화재 조건에서 측정된 각 열전대의 최고 온도를 나 타낸다.

    4.2 화재 노출 표면 손상

    Fig. 11과 Fig. 12는 표준화재곡선과 외부화재곡선에 대한 실험체의 내화실험 후 모습을 나타낸다.

    표준화재곡선에 대한 실험체(RC)에서 철근콘크리 트 실험체는 폭렬이 발생하지 않았으나 아라미드 섬 유 시트만을 적용한 실험체(RC-AFRP)에서는 폭렬이 발생한 것을 확인할 수 있었다. 외부의 높은 온도상 승으로 일반 철근콘크리트 기둥은 수분의 이동이 용 이하게 일어난 반면에 콘크리트 타설 후 2개월의 양 생 기간을 거치고 아라미드 시트를 시공한 실험체는 수분이 아라미드 섬유에서 외부로 빠져나가지 못함 에 따라 온도가 상승하면서 팽창하여 발생한 것으로 판단된다. 이에 대해 아라미드 섬유 시트만으로 구 성된 외부화재곡선에 노출된 실험체는 폭렬의 발생 없이 아라미드 섬유 시트 외부에 탄화가 발생한 것 을 확인할 수 있다. 이와 같은 결과는 900℃ 이상의 고온에 노출된 아라미드 섬유 시트의 경우 적절한 피복이 이루어지지 않은 경우 화재로 인해 더욱 큰 손상을 유발할 것으로 판단된다. 시멘트 보드와 세 라크울 보드를 적용한 나머지 실험체에서는 마감재 표면에 균열이 일부 발생했으나 내화피복 효과로 인해 실험체 내부는 건전한 것으로 판단되었다. Fig. 13

    5. 결 론

    본 연구에서는 화재에 취약한 아라미드 섬유의 내화 성능 향상을 위한 세라크울 보드 적용 연구로 아라 미드 섬유의 고온에서 난연성능 및 부착강도 평가, 비재하 가열로 가열실험을 통해 얻은 결론은 다음과 같다.

    • 1) 아라미드 섬유 시트에 대한 난연성능 시험 결 과, 아라미드 섬유 시트는 우수한 난연성능을 가지고 있으나 화재에 노출되는 경우 부착강 도의 현저한 저하를 나타내어 이에 대한 고려 가 필요할 것으로 판단된다.

    • 2) 아라미드 섬유 시트만으로 화재에 노출되는 경우 주근의 온도상승만으로 내화성능을 규 정하는 내화실험 방법을 통한 내화성능 확보 는 가능하나 콘크리트 기둥은 온도상승으로 인한 수분 이동을 방해하여 폭렬을 발생하고 구조물의 내화성능에 불리하게 작용하므로 이에 대한 확인이 필요할 것으로 판단된다.

    • 3) 시멘트 보드 및 세라크울 보드의 적용은 아라 미드 섬유 시트로 보강한 구조물에서 1시간 이상의 내화성능을 확보할 수 있는 것으로 확 인되어 적절한 두께의 제안을 통해 적용할 수 있을 것으로 판단된다. 하지만, 적절한 두께와 함께 기둥 가열로를 이용한 재하가열 실험을 통한 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.

    ACKNOWLEDGMENT

    본 논문은 국토교통기술촉진연구사업 (19CTAP-C142864- 02)의 지원에 의해 작성되었습니다.

    Figure

    KOSACS-11-1-63_F1.gif
    Variation of Strength in Different Materials with temperature (Ahmed, 2010)
    KOSACS-11-1-63_F2.gif
    Cone Calorimeter tester
    KOSACS-11-1-63_F3.gif
    30kN UTM tester
    KOSACS-11-1-63_F4.gif
    Charred Surface After Heat Release Tests
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    Comparisons of Standard Fire Curve and External Fire Curve
    KOSACS-11-1-63_F6.gif
    Specimen Details
    KOSACS-11-1-63_F7.gif
    Details of Surface Finishes
    KOSACS-11-1-63_F8.gif
    Locations of Thermocouples
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    Test Results for Standard Fire Curve
    KOSACS-11-1-63_F10.gif
    Test Results for External Fire Curve
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    Surface Finish Damages after Standard Fire Curve
    KOSACS-11-1-63_F12.gif
    Surface Finish Damages after External Fire Curve
    KOSACS-11-1-63_F13.gif
    Fire Damages (RC-AFRP specimen)

    Table

    Summary of Test Specimens
    Heat Release Rates and Bond Strength at Ambient and High Temperatures
    Criteria of Fire Resistance for Columns
    Summary of Test Specimens
    Material Properties of RC Specimen
    Material Properties of Aramid Sheet
    Summary of Temperature Results for Locations

    Reference

    1. Ahmed, A. (2010), “Behavior of FRP-Strengthened Reinforced Concrete Beams under Fire Conditions,” PhD Thesis, Department of Civil Engineering, Michigan State University, MI, USA.
    2. EN 1992-1-2 (2004), “Design of Concrete Structures, Part 1-2; General Rules Structural Fire Design,” European Committee for Standardization, Brussels.
    3. EN 1993-1-2 (2005), “Design of Steel Structures, Part 1-2; General Rules Structural Fire Design,” European Committee for Standardization, Brussels.
    4. Grace, N. F. (2001), “Strengthening of Negative Moment Region of Reinforced Concrete Beams Using Carbon Fiber-Reinforced Polymer Strips,” ACI Structural Journal, 98(3), 347-358.
    5. Green, M. F. , Dent, A. J. S. , and Bisby, L. A. (2003), “Effect of Freeze-thaw Cycling on the Behaviour of Reinforced Concrete Beams Strengthened in Flexure with Fibre Reinforced Polymer Sheets.” Canadian Journal of Civil Engineering, 30(6), 1081-1088.
    6. Kodur, V. K. R. , Wang, T. C. , and Cheng, F. P. (2004), “Predicting the Fire Resistance Behaviour of High Strength Concrete Columns.” Cement and concrete composites, 26(2), 141-153.
    7. KS F 2257-1 (2019), “Methods of Fire Resistance Test for Elements of Building Construction: General Requirements,” Korean Agency for Technology and Standards (KS), Seoul, Korea. (in Korean).
    8. KS F 2257-7 (2014), “Methods of Fire Resistance Test for Elements of Building Construction: Specific Requirements for Columns,” Korean Agency for Technology and Standards (KS), Seoul, Korea. (in Korean).
    9. KS F 4716 (2016), “Cement filling compound for surface preparation,” Korean Agency for Technology and Standards (KS), Seoul, Korea. (in Korean).
    10. KS F ISO 5660-1 (2018), “Reaction to Fire Test – Heat Release. Smoke Production and Mass Loss Rate – Part 1: Heat Release Rate(Cone calorimeter method),” Korean Agency for Technology and Standards (KS), Seoul, Korea. (in Korean).
    11. MOLIT (2016), “Korean Building Code 2016,” Infrastructure and Transport Affairs in Korea. (in Korean).
    12. Scott, D. W. , Lai, J. S. , and Zureick, A. H. (1995), “Creep Behavior of Fiber-reinforced Polymeric Composites: a Review of the Technical Literature,” Journal of Reinforced Plastics and Composites, 14(6), 588-617.
    13. Shahrooz, B. M. , Boy, S. , and Baseheart, T. M. (2002), “Flexural Strengthening of Four 76-Year-Old T-Beams with Various Fiber-Reinforced Polymer Systems: Testing and Analysis.” ACI, 681-691.
    14. Takeda, K. , Mitsui, Y. , Murakami, K. , Sakai, H. , and Nakamura, M. (1996), “Flexural Behaviour of Reinforced Concrete Beams Strengthened with Carbon Fiber Sheets,” Composites Part (A), 27 A, 981-987.
    15. Toutanji, H. A. and Gomez, W. (1997), “Durability Characteristics of Concrete Beams Externally Bonded with FRP Composite Sheets,” Cement and Concrete Composites, 19(4), 351-358.
    16. Williams, B. , Kodur, V. K. R. , Green, M. F. , and Bisby, L. (2008), “Fire Endurance of Fiber-reinforced Polymer Strengthened Concrete T-Beams,” ACI Structural Journal, 105(1), 60-67.
    17. Yang, X. and Nanni, A. (2002), “Lap Splice Length and Fatigue Performance of FRP Laminates,” ACI Materials Journal, 99(4), 386-392.