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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.13 No.2 pp.1-8
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2022.13.2.001

Local Fire Experiment of Piloti RC Columns Reinforced with Quasi-Non-Combustible Composite Fiber Panel

Kim Jeong Yeon 1, Park Ji Hye 1, Choi In Rak 2, Min Jeong Ki 3, Choi Sung Mo4
1Master Course, Department of Architectural Engineering, University of Seoul, Seoul, Korea
2Associate Professor, Department of Civil Engineering, Hoseo University, Asan, Korea
3Principal Researcher, Real-scale Fire Testing & Research Center, Korea Conformity Laboratories, Samcheok, Korea
4Professor, Department of Architectural Engineering, University of Seoul, Seoul, Korea

ㆍ 본 논문에 대한 토의를 2022년 05월 31일까지 학회로 보내주시면 2022년 06월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Choi, Sung Mo Department of Architectural Engineering, University of Seoul, 163, Seoulsiripdaero, Dongdaemun-gu, Seoul, Korea. Tel: +82-2-6490-2759, Fax: +82-2-6490-2749 E-mail: smc@uos.ac.kr
December 31, 2021 March 28, 2022 April 21, 2022

Abstract


Unlike general building members, the members used in piloti spaces are exposed to various fire risks due to different types and arrangements of combustibles caused by indoor fires. The piloti structure only consists of columns and is open in all directions. In the case of fire, the strength and stiffness of a damaged column are reduced, and the resistance of a member is reduced. Therefore, the temperature rises in a short time. If such a problem occurs, it is expected to have many casualties due to building damage, and the evacuation route will be obstructed. In this study, the temperature distribution and destruction of reinforced concrete (RC) columns according to reinforcing materials were investigated using a local fire experiment on the columns to confirm the fire effect on RC columns due to the occurrence of a fire in the piloti spaces of a multi-family house.



준불연복합섬유패널 보강 필로티 RC 기둥의 국부화재실험

김정연1, 박지혜1, 최인락2, 민정기3, 최성모4
1서울시립대학교 건축공학과 석사과정
2호서대학교 건축토목환경공학부 부교수
3한국건설생활환경시험연구원 실화재센터 책임연구원
4서울시립대학교 건축학부 교수

초록


필로티 공간은 일반적인 건축부재와 달리 부재가 외기와 접해 있고 실내에서 발생 가능한 화재와 가연물의 종류 및 배치 등이 달라 다양한 화재의 위험으로부터 노출되어 있다. 필로티 구조는 기둥으로만 이루어진 사방이 트인 구조로 인해 화 재가 발생할 경우 화재피해를 입은 기둥은 강도 및 강성이 저감되고 부재의 저항성이 저하되므로 단시간 안에 온도가 상승하여 구조체에 영향을 미친다. 이러한 문제점이 발생한다면 건축물 파손으로 인해 피난로를 차단당하여 많은 인명피해가 일어날 것 으로 사료된다. 본 연구에서는 다가구주택의 필로티 공간에서 화재 발생으로 인해 철근콘크리트 기둥에 미치는 화재영향을 확 인하고자, 기둥 국부화재실험을 통해 보강재에 따른 RC 기둥의 온도분포 및 파괴양상을 검토하였다.



    1. 서 론

    필로티(Pilotis) 공간은 건축법상 건물의 면적과 층수 에서 제외되어 주차장으로 활용할 수 있으며 개방성 이 좋아 선호가 높은 편이다. 또한, 주차장 용도 외 에도 재활용품 분리수거함이나 커뮤니티 공간으로 활용할 수 있어 필로티 구조물의 보급은 증가하고 있는 추세이다.

    하지만, 일반적인 건축부재와 달리 필로티 공간 에 사용되는 부재는 외기와 접해 있고 실내에서 발 생 가능한 화재와 가연물의 종류 및 배치 등이 달라 다양한 화재의 위험에 노출되어 있다.

    현재 다가구주택의 필로티 공간은 98%가 주차장 으로 사용되기 때문에 차량에 의한 화재의 위험성이 높다. 차량 화재 발생 시 협소한 주차공간으로 인해 다수의 차량이 밀접해 있어 화재가 빠르게 확산되 고, 노후 도심지 특성상 소방차의 경로 진입이 어려 워 초기 진화가 어렵다. 또한, 외부에 노출된 구조로 인해 바람의 영향으로 연소가 확대되어 큰 화재를 불러일으키기 때문에 필로티 구조의 화재 취약성에 대한 현황 파악과 보완이 필요한 실정이다.

    필로티 구조는 기둥으로만 이루어진 사방이 트인 구조이므로 화재가 발생할 경우 기둥에 많은 화재피 해가 발생한다. 화재피해를 입은 기둥은 단시간에 온도가 상승하여 강도 및 강성이 저감되고 부재의 저항성이 저하되어 구조체에 큰 영향을 미친다. 이 러한 문제점이 발생한다면 건축물이 파손되어 피난 로를 차단하게 되고 많은 인명피해를 유발할 것으로 사료된다.

    본 연구에서는 다가구주택의 필로티 공간에서 화 재 시 보강재 적용에 따른 철근콘크리트(Reinforced Concrete) 기둥의 화재 영향을 확인 및 분석하고자 한다.

    2. 이론적 고찰

    2.1 기존 연구 동향

    Kang (2013)은 주차공간에서 화재가 발생할 경우, 주 차공간의 특성과 인접 기둥과의 거리 등의 조건에 따라 달라지는 화재 성상 연구를 진행하였다. 국내 에서 가장 많은 주차장인 공동주택 아파트 주차장과 대형 판매시설 주차장을 조사하여 주차장 구조물의 공간특성을 분석하였다. Fig. 1에 주차공간에서 차량 의 종류별 인접 기둥과의 평균 거리를 나타내었다.

    Shin et al. (2011)은 다양한 설계 변수가 고온에 노출된 고강도 콘크리트 구조물에 미치는 내부 온도 분포 및 폭렬 특성에 관한 연구를 진행하였다. 표준 화재곡선에 대한 가열 실험결과, 기둥의 단면 크기 가 증가할수록 내부 온도분포 및 단면손실률이 높게 나타났지만, 피복두께가 증가하거나 철근 배근 간격 이 클수록 내부 온도분포 및 단면손실률은 낮게 나 타났다. 내화성능 관리 기준에서 제시하는 가열조건 인 ISO 834 표준화재곡선을 따라 가열한 구조부재가 내화기준을 만족하더라도 실제 화재 시 가열속도에 따른 열적 거동 및 폭렬로 인한 피해 정도가 다르게 나타날 것으로 판단하였다.

    본 연구에서는 필로티 공간에서 중형승용차와 인 접 기둥까지의 거리를 기준으로 기둥 국부화재실험 을 수행하였으며, 표준화재곡선이 아닌 실제 화재 시 기둥에 미치는 영향을 확인하고자 한다.

    3. 화재실험

    3.1 개요

    필로티 공간에서 차량 화재 발생 시 필로티 RC 기 둥에 미치는 영향을 확인하기 위하여 기둥 국부화재 실험을 수행하였다.

    실험 시 필로티 공간에서 기둥의 높이와 보강재 유무에 따른 화재에 노출된 실규모 RC 기둥의 온도 분포를 확인하고자 온도측정을 실시하였다. 기둥 국 부화재실험은 Fig. 2와 같이 팬을 중앙으로 배치한 후 근접한 위치에서 발생하는 화재가 기둥에 미치는 영향을 확인하기 위하여 팬의 우측에 RC 기둥을 배 치하였으며, 좌측에는 준불연복합섬유패널 보강 RC 기둥을 배치하여 온도측정 구획을 설정하였다.

    3.2 재료시험

    본 실험에서 사용된 강재의 기계적 성질을 파악하기 위하여 KS B 0801 (2017)KS B 0802 (2018) 규준 에 따라 각 3개씩 인장시험편을 절취하여 인장시험 을 수행하였다. 시험에 사용된 강종은 SD400이며 두 께 10mm, 22mm 두 종류를 사용하였다. 시험결과, 두께 22mm 강재의 평균 항복강도는 455MPa이며, 인 장강도는 570MPa로 KS D 3504 (2021)에서 규정하고 있는 기계적 성질을 만족하는 것으로 나타났다. 각 시험편의 결과는 Table 1에 나타내었다.

    또한, 사용된 콘크리트의 특성을 파악하기 위하 여 KS F 2403 (2019)KS F 2405 (2017) 규준에 따라 각 3개씩 콘크리트 공시체를 제작하여 압축시 험을 수행하였다. 콘크리트 공시체의 재령 21일과 28일의 압축강도 시험을 수행하였으며, 시험결과는 Table 2에 나타낸 바와 같이 재령 28일의 평균 압축 강도는 31.7MPa로 확인하였다.

    CN 실험체 제작에 사용된 준불연복합섬유패널은 유리 및 현무암 섬유와 최첨단 복합소재를 사용하여 방수 및 보강 효과가 뛰어나다. 또한, 내열성이 높고 유해가스 발생을 최소화하는 준불연패널로서 화재에 취약한 기존 패널공법의 문제점을 개선한 구조보강 재이다. 이러한, 준불연복합섬유패널의 재료적 물성 을 파악하기 위하여 KS M ISO 527-4 (2017) 규준에 따라 각 3개씩 인장시험편을 절취하여 인장시험을 수행하였다. 시험결과, 평균 인장강도는 532.0MPa이 며, 인장탄성계수는 41.4GPa로 나타났다. 준불연복합 섬유패널의 재료물성은 Table 3에 나타내었다.

    3.3 실험 계획

    기둥 국부화재실험은 Fig. 3과 같이 한국건설생활환 경시험연구원 실화재시험연구센터의 10MW급 대형 칼로리미터(Large Scale Calorimeter)를 이용하여 실험 을 진행하였다.

    실험은 재령 28일의 RC 실험체와 CN 실험체로 화재실험을 진행하였다. 주차장에서의 중형승용차와 기둥 부재에 대한 평균 거리를 고려하여 팬의 양방 향에 300mm 간격으로 우측에 RC 실험체와 좌측에 CN 실험체를 배치하였으며, 화원은 두 개의 기둥 중 앙에 배치하였다. 이와 관련하여 Fig. 4에 국부화재 실험의 실험체 설치위치를 나타내었다.

    800mm×800mm×300mm 크기의 각형 팬을 사용하 여 90L의 헵탄(Heptane)을 화원으로 사용하여 점화하 였다. Kang et al. (2014)의 차량열방출율 모델을 고 려하여 중형승용차의 연소시간을 구현하기 위해 약 40분 정도의 화염 지속시간을 유지하고자 하였다.

    3.4 실험체 제작 및 열전대 설치

    1) 실험체 제작

    필로티 기둥의 구조설계는 KDS 41 17 00 (2019)를 참고하여 설계하여 제작하였다. 그러나 국토교통부 의 건축물 내진설계 현황에 따르면, 2017년에 내진 설계가 도입된 주택은 8.2%이며, 2021년 전국 건축 물의 내진율은 불과 13.2%밖에 되지 않으므로 내진 설계가 포함되지 않은 기존 필로티 기둥의 실험체를 제작하여 화재 발생 시 구조물의 취약성 및 위험성 을 보고자 한다.

    화재실험에 사용된 실험체의 크기는 400mm× 400mm×3,000mm이며, Fig. 5와 같이 실험체 도면에 단면 제원 및 철근 배치를 나타내었다. 또한, 상세한 제원과 콘크리트 배합비를 각각 Table 4와 Table 5에 나타내었다.

    CN 실험체에 준불연복합섬유패널을 부착하기 위 해 알루미늄 앵글을 사용하여 각 모서리를 보강하였 으며, 띠판을 700mm 간격으로 용접한 뒤 나사못을 사용하여 보강재를 고정하여 보강하였다. Table 6에 CN 실험체에 사용된 보강재 일람을 나타내었다.

    2) 열전대 설치

    기둥 국부화재실험을 진행하여 필로티 공간의 부재 위치 및 높이에 따른 기둥의 내ㆍ외부의 온도분포 계측을 실시하였다.

    실험 시 온도에 따른 화염전파를 확인하기 위해 화재에 인접한 필로티 공간 구조물의 주요 부재인 기둥의 높이 및 위치에 따른 온도를 고려하여 RC 실험체(RC)와 CN 실험체(CN)에 0.65mm 직경의 K-Type 열전대(Thermocouple)를 총 38개 설치하여 온 도를 측정하였다.

    RC 실험체(RC)에는 1.0m, 2.0m 높이에 각 12개씩 열전대를 총 24개 설치하였으며, 기둥 내부에는 기 둥 각 높이마다 콘크리트 열전대 10개, 철근 열전대 2개를 설치하였다. 콘크리트 열전대의 설치위치는 기둥의 모서리와 표면의 중심부로 설정하였다. 또한, 피복두께의 깊이에 따른 온도분포를 확인하기 위해 40mm 피복두께의 중심부인 20mm 간격으로 열전대 를 설치하였다. 철근 열전대는 철근에 미치는 영향 을 보고자 띠철근의 중심부에 설치하였다.

    CN 실험체(CN)의 1.0m, 2.0m 높이에 각 7개씩 열전대를 총 14개 설치하였으며, 기둥 내부 열전대 는 기둥 각 높이마다 콘크리트 열전대 6개, 철근 열 전대 1개를 설치하였다. 콘크리트 및 철근 열전대는 RC 실험체와 동일한 위치에 설치하였다.

    시간에 따른 높이별 화원의 온도변화를 확인하기 위하여 금속 피복된 1.6mm 직경의 K-Type 열전대를 팬의 중심부(N)에 1.0m, 1.5m, 2.0m, 2.5m, 3.0m 높이 로 총 5개를 설치하여 온도를 측정하였다.

    실험에 사용된 열전대의 측정 범위는 0∼1200℃ 이며, 열전대에서 측정된 실험값을 이용하여 시간-온 도 관계를 산정하였다. Fig. 6과 Fig. 7에 국부화재실 험에 사용된 기둥의 내ㆍ외부 열전대의 번호와 설치 위치를 표기하였다.

    4. 실험결과 및 분석

    4.1 기둥 내의 온도분포

    기둥 국부화재실험을 통해 열전대를 이용하여 측정 한 시간에 따른 온도변화를 Fig. 8에 나타내었다.

    RC 실험체의 온도측정 분석결과, 데이터로거 오 류로 인해 RC-2-C4에서 온도가 측정되지 않았다. 최 대온도는 RC-2-C1에서 약 14분경에 828.7℃로 확인 하였으며, 직접적으로 화염이 맞닿은 콘크리트 표면 에 박리 및 탈락이 발생하여 이로 인해 화염이 확산 되어 온도에 영향을 미친 것으로 사료된다. 또한, 철 근 열전대 위치인 S1과 S2 중 화재에 직접적으로 노 출된 표면에 설치한 RC-2-S1에서 약 39분에 199.0℃ 로 최대온도가 측정되었다. 이는 피복콘크리트에서 폭발이 발생하면서 화염이 성장하여 늑근까지 영향 을 미친 것으로 확인된다. 그 외 화염이 맞닿지 않 은 콘크리트 표면에는 화재의 영향이 미미하여 낮은 온도분포를 나타내었다.

    RC 실험체의 온도분포를 분석한 결과 콘크리트 열전대의 경우 콘크리트 표면에 폭렬이 발생하여 매 립되어 있던 열전대가 화염에 직접적으로 노출되었 다. 이로 인해 일정하지 않은 화염의 영향을 받아 시간에 따른 온도변화가 비선형적인 관계를 나타내 었다. 또한, 철근 열전대의 경우 콘크리트 열전대와 달리 선형적인 증가를 나타냈으며 이는 철근의 위치 까지 화재의 영향이 크게 미치지 않은 것으로 사료 된다.

    CN 실험체의 온도측정 분석결과, 최대온도는 CN-2-C2에서 약 38분경에 207.7℃로 확인하였다. RC 실험체와 달리 높은 온도분포를 보이지 않았으며 시 간-온도 곡선은 선형적으로 증가하는 경향을 보였다. 이는 준불연 보강재로 인해 RC 기둥 부재로 열전달 이 차단된 것으로 사료된다. 또한, 그 외 화염이 맞 닿지 않은 콘크리트 표면에는 RC 실험체와 비슷한 온도분포를 나타냈다. 직접적으로 노출된 표면에 설 치한 철근 열전대인 RC-2-S1에서 약 39분에 74.9℃ 로 최대온도가 측정되어 화재의 영향이 미미한 것을 확인하였다.

    화원의 높이별 온도측정 분석결과, 최대온도는 N-1.0에서 약 13분경에 952.5℃로 측정되었다. 화원 의 높이별 온도분포를 확인하였을 때, 측정 높이가 높아질수록 온도가 낮아지는 경향을 나타냈다. 그러 나 이와 반대로 RC 실험체와 CN 실험체의 경우, 두 실험체 모두 측정 높이가 1.0m 지점보다 2.0m 지점 에서의 온도가 높은 경향을 나타냈다. 이는 파괴양 상을 확인하였을 때 2.0m 높이에 많은 폭렬이 일어 난 것을 보아 직접적인 열전달로 인해 온도가 높은 것으로 판단된다.

    RC 실험체와 CN 실험체를 비교 분석하였을 때, 화재실험 약 5분 경과 후 화염이 성장하면서 RC 실 험체에 경우 화염이 직접적으로 표면에 노출되어 비 선형적인 온도분포가 나타났으나, CN 실험체의 경우 보강재로 인하여 표면이 직접적으로 화염에 노출되 지 않아 완만한 시간-온도 곡선이 나타나는 것을 확 인하였다. 또한, 최대온도가 발생한 시간을 확인하였 을 때, RC 실험체는 약 14분경이며 CN 실험체는 약 38분경으로 측정되었다. 이는 RC 실험체의 경우 불 규칙적인 화염에 따라 화염에 직접적으로 노출된 온 도가 측정된 반면 CN 실험체는 시간 경과에 따라 온도가 증가하는 경향을 나타냈다. 이를 통해 보강 재 유무에 따라 RC 기둥에 미치는 영향이 감소한다 고 판단된다.

    기둥 국부화재 발생 시 화염 높이는 최대 약 3.5m 이상 상승한 것으로 확인하였다. 이러한 화염 의 온도와 높이는 구조물에 직접적인 영향을 미치는 것으로 사료된다.

    4.2 파괴양상

    1) RC 실험체

    기둥 국부화재실험을 진행하여 화재피해를 입은 RC 기둥의 파괴양상을 통해 폭렬 및 균열의 특성에 관 하여 확인하였다.

    국부화재실험 종료 후 RC 실험체의 폭렬 형상 및 면적을 측정한 결과, 40분 화염에 노출된 실험체 의 표면 면적인 1.2㎡ 중 약 0.48㎡의 폭렬면적이 측 정되어 전체 가열면적의 42.4% 정도의 폭렬이 발생 한 것을 확인하였다. 또한, 화염에 맞닿은 콘크리트 표면에는 그을림과 폭음 및 파열하는 현상과 잉여수 가 균일간격(Crack spacing)대로 누출된 형상을 확인 하였다. 화염과 맞닿지 않은 표면에는 파괴양상을 확인할 수 없었다. 이에 관련하여 실험체의 파괴양 상은 Fig. 9에 나타내었다.

    2) CN 실험체

    기둥 국부화재실험을 진행하여 화재피해를 입은 준 불연복합섬유패널 보강 RC 기둥을 통해 콘크리트 파 괴양상과 보강재의 연소특성에 관하여 확인하였다.

    CN 실험체의 실험 종료 후 파괴양상은 RC 실험 체와 달리 폭렬이 일어나지 않았으며 화염에 맞닿은 표면에 그을림이 발생하였다. 또한, 화염에 맞닿지 않은 표면에는 파괴양상이 보이지 않았다. 준불연복 합섬유패널의 화재실험 후 형상은 Fig. 10과 같이 1.0m 높이에 위치한 준불연복합섬유패널의 섬유가 연소되어 변색된 것을 확인하였다.

    5. 결 론

    본 실험은 기둥 국부화재실험을 통해 보강재에 따른 RC 기둥의 온도분포 및 파괴양상을 검토하였으며, 화재온도분포 분석을 통해 화재 시 필로티 구조에 미치는 영향을 확인하였다.

    • 1) RC 실험체와 CN 실험체의 온도분포 비교 결과, 각각의 최대온도는 828.7℃와 207.7℃로 CN 실험 체는 준불연복합섬유패널 부착으로 인하여 화재 영향을 덜 받은 것으로 사료된다. 또한, 온도분포 를 분석한 결과 RC 실험체의 경우 콘크리트 표 면에 폭렬이 발생하여 매립되어 있던 열전대가 화염에 직접적으로 노출되어 이로 인해 일정하지 않은 화염의 영향을 받아 시간에 따른 온도변화 가 비선형적인 관계를 나타내었으나 CN 실험체 의 경우 RC 실험체와 달리 선형적인 증가를 나 타냈으며 이는 준불연 보강재로 인해 열전달이 차단된 것으로 사료된다.

    • 2) 화원의 높이별 온도분포를 확인하였을 때, 측정 높이가 높아질수록 온도가 낮아지는 경향을 나타 냈으며, RC 실험체와 CN 실험체의 경우, 파괴양 상을 확인하였을 때 2.0m 높이의 많은 폭렬이 일 어난 것을 보아 직접적인 열전달로 인해 측정 높 이 1.0m 지점보다 2.0m 지점에서의 온도가 높은 경향을 나타낸 것으로 판단된다. 기둥 국부화재 발생 시 화염 높이는 최대 약 3.5m 이상 상승한 것으로 확인하였다. 이러한 화염의 온도와 높이 는 구조물에 직접적인 영향을 미치는 것으로 판 단된다.

    • 3) 40분의 국부화재 노출의 영향을 받은 실험체의 파괴양상을 확인하였을 때, RC 실험체의 화염에 맞닿은 콘크리트 표면에는 그을림과 폭음 및 파 열하는 현상과 잉여수가 균일간격대로 누출된 형 상을 확인하였다. 또한, CN 실험체의 화재실험 후 파괴양상은 RC 실험체와 달리 폭렬이 일어나 지 않았으며 화염에 맞닿은 표면에 그을림이 발 생하였다. 또한, 화재실험 후 준불연복합섬유패널 의 경우 1.0m 높이에 위치한 준불연복합섬유패널 의 섬유가 연소되어 변색된 것을 확인하였다.

    감사의 글

    본 연구는 2021년도 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 기초연구실지원사업 (NRF-2021R1A4A1031201)에 의해 수행되었습니다.

    Figure

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    Distance Distribution Chart about Parking Lot Columns in Vehicles
    KOSACS-13-2-1_F2.gif
    Setting of Test Specimen
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    Large Scale Calorimeter
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    Test Specimen Configuration Diagram
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    Drawing of Test Specimens
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    Meaning of Thermocouple Name
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    Thermocouple Installation Position
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    Time-Temperature Relationship
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    Failure Mode of RC Specimen
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    Failure Mode of CN Specimen

    Table

    Rebar Tension Test Results
    Concrete Compressive Strength Test Results
    Panel Tension Test Results
    List of Test Specimens
    Concrete Mixing Ratio Unit: kg/ m3
    List of CN Specimens Reinforcement Materials

    Reference

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