1. 서 론

최근 건축물의 리모델링과 관련하여 수직증축이 가능하도 록 하는 법안이 통과 되었다. 이는 기둥과 같은 수직부재에 추가의 수직응력이 작용하고 결국 증가된 축응력에 대한 보 강이 필요함을 의미한다. FRP는 경량재료이기 때문에 보강 에 따른 중량의 증가를 최소화 할 수 있는 장점이 있다. 이 에 따라 건물의 구조보강에 널리 활용될 수 있으나, 내화성 능의 확보가 되지 않는 다는 것이 최대의 단점이다. 특히 화 재는 건물에서 가장 빈번하게 발생하는 재해로서, 비록 FRP 로 보강을 하더라도 화재에 대한 저항성능이 확보되지 않는 다면 그 보강효과는 의미가 없어지게 된다.

건설 구조부재의 주요재료인 강재와 콘크리트는 약 500℃ 의 임계온도까지 열에 대하여 저항을 할 수 있지만, FRP보 강에서 주요재료로 사용되는 에폭시는 100℃내외에서 재료 적 특성이 변하여 부착특성이 상실된다. FRP를 이용한 보강 시, 통상적으로 FRP는 철근콘크리트 구조부재의 표면에 에 폭시계를 이용하여 부착 (Externally Bonded Retrofit, EBR) 되거나, 아니면 구조부재의 피복부분에 형성된 일정 홈내부 에 매입 (Near-Surface-Mounted Retrofit, NSMR)되는 형태 로 보강된다. 즉 구조부재의 외부에 노출되고 이에 따라 화 재에 대해서는 전혀 저항할 수 없게 된다.

본 연구는 FRP를 이용한 보강에서 이와 같은 낮은 내화성 능을 개선하기 위한 방안을 찾기 위한 연구의 일부로서, 보 강된 FRP의 외부에 추가로 설치할 수 있는 단열재의 재료적 특성을 찾기 위한 내화실험을 실시하고자 한다. 특히 본 연 구에서는 Seo et al. (2011; 2012; 2013)에 의해 최근 널리 연구되고 있는 방법으로서, 철근콘크리트 부재의 피복에 홈 을 형성하여 FRP를 매입하는 보강 즉, NSM (Near-Surface- Mounted)보강을 대상으로 내화단열방법에 따른 성능을 실험 적으로 연구하고자 한다.

2. 기존연구

FRP를 사용한 보강시스템의 내화성능을 파악하기 위한 기 존 연구로서, ^{Blontrock et al. (1999})은 FRP로 감싼 RC부재 에서 보통의 온도증가에도 심각한 강도와 강성 저하현상이 있음을 밝혔고, ^{Katz et al. (2000})은 유리전이온도 (Glass Transition Temperature; GTT)를 초과하는 온도에서 폴리머 의 전단강도가 심각하게 저하되는 현상을 밝혔다.

^{Blontrock et al. (2001})은 또한 FRP시트로 보강된 RC슬 래브에 내화플레이트를 부착한 후 화재시험을 실시하여, 가 열시간 24~55분의 범위 (온도범위 47~69℃)에서 부착손실 이 발생함을 밝혔다.

^{Foster et al. (2008})은 유리섬유와 탄소섬유의 FRP보강재 를 이용하여 부재의 표면을 부착 공법으로 보강한 FRP보강 재의 화재 발생시 변화되는 성능에 관하여 실험연구를 하였다. 제조업체와 FRP보강재의 주재료에 따라 약간의 차이는 보였 으나 일반적으로 약 300℃에서 인장강도가 급격히 감소하였 고, 에폭시 본드의 부착성능은 제조업체에 따라 150℃~200℃ 사이에서 부착성능이 급격하게 감소함을 밝혔다.

^{Palmieri et al. (2011)}은 고온에서의 FRP-Bar를 이용한 표면 매입 공법의 부착성능에 관한 실험연구로서, 전기가열 로를 이용하여 두개의 콘크리트 블록에 탄소섬유와 유리섬 유로 제작된 FRP-Bar를 표면매입공법으로 보강하여 온도에 따른 에폭시의 부착성능을 연구하였다. 실험 결과, 연구에 사용된 에폭시의 유리전이온도인 65℃를 기점으로 부착성능 이 현저하게 감소하는 결과를 보였으며 100℃에서는 에폭시 와 FRP-Bar간의 계면파괴로 인하여 FRP-Bar가 탈락되는 양 상이 나타남을 확인하였다.

국내에서는 ^{Woo et al. (2012})이 FRP보강재의 화재시 온 도가 변하는 상태에서 유리섬유, 탄소섬유 보강 구조물의 압 축거동 특성에 대하여 연구하였다. 유리섬유로 횡구속한 시편 의 경우 온도가 증가함에 따라 압축강도가 감소하였으며, 비 노출시편과 비교 시 100℃에서 최대압축강도 감소율이 5%, 200℃에서는 19%로 나왔다. 탄소섬유로 횡구속한 시편의 경우 100℃에서는 최대압축강도 감소율이 8%, 200℃에서는 14%로 나와 고온에서는 FRP시스템의 내화성능이 저하되는 것을 확인하고 내화보강의 필요성을 제시하였다.

^{Moon et al. (2013})은 고온에 노출된 유리섬유 보강근과 탄소섬유 보강근의 계면전단강도에 변화를 연구하여, 임계온 도 이하에서 노출시간에 대한 영향을 0.25시간 간격으로 면 밀하게 고찰하였다. 그 결과 거친 표면을 갖는 유리섬유와 탄소섬유 보강근의 계면전단강도에 대한 임계온도는 270℃ 로 동일하게 확인되었으며, 인장강도에 대한 임계온도가 섬 유의 종류에 따라 달리 나타나는 반면 계면전단강도는 섬유 종류에 무관한 것으로 나타났다. 이를 근거로 FRP보강근의 계면전단강도는 섬유의 종류보다는 레진의 성능에 의하여 지배되어서 레진의 내화보강 필요성을 제시하였다.

^{Seo et al. (2013})은 FRP 보강후 외부 온도에 따른 구조적 특성을 파악하기 위하여 탄소섬유판의 온도에 따른 인장시 험, 에폭시의 상태변화 실험, 그리고 온도변화에 따른 부착 성능 실험연구를 실시하였다. 연구로부터, 부착강도의 측면 에서 콘크리트를 보강하기 위한 효율적인 보강방법은 표면 매입 보강공법이지만 주변온도가 높아질 경우에는 보강효과 가 현저히 저하될 수 있음을 확인하였다. 특히, 주변 온도가 에폭시의 화학적 성질이 변화하기 시작하는 유리전이온도인 65℃에 근접할 경우, 부착기능이 상실되므로 구조물의 안전 한 내화설계를 위해서는 부착용으로 사용되는 에폭시의 성 능개선이 시급한 것으로 밝혔다.

이상과 같은 국내외 문헌에서 FRP로 보강된 재료의 내화 성능에 관한 연구가 꾸준히 진행되어지고 있으며, FRP로 보 강된 재료의 특성상 일정이상의 온도에서 콘크리트 부재의 보강효과가 급격하게 저화 됨을 알 수 있다. 즉 FRP보강재 와 구조 부재 사이의 부착성능은 에폭시의 낮은 유리전이 온 도로 인하여 부착성능이 감소하는 문제가 발생하므로 보강 후 화재에 대한 기본적인 저항성능을 확보하기 위해서는 내 화성능을 향상시키기 위한 방안이 필요하다.

3. 내화성능 평가실험

3.1. 실험개요

통상 보강된 FRP의 내화성능 향상을 위해서는 FRP 보강 재와 에폭시의 낮은 유리전이온도를 현저히 높이거나 또는 Fig. 1과 같이 외부를 특별히 내화처리 함으로써 화재에 의 해 FRP에 전달되는 온도가 유리전이온도 이내가 되도록 하 는 방안이다. 본 연구에서는 FRP를 콘크리트 피복내부에 매 입한 뒤 내화단열재를 추가로 설치하는 보강방법을 대상으 로, 내화단열재의 재료와 두께를 변수로 고온노출실험을 실 시하여 각 변수별 열전도상태를 관찰함으로써 보강된 FRP 의 내화성능 향상을 위한 방안을 강구하고자 한다.

Fig. 1.

Fire protection of the member reinforced with FRP

3.2. 실험체 계획 및 제작

Palmieri et al. (2011)과 ^{Seo et al. (2013})의 연구를 참조 하면, 에폭시의 유리전이온도는 65℃로써 FRP의 50%이므 로 에폭시의 유리전이온도를 기준으로 내화 보강이 이루어 져야한다고 볼 수 있다. 이에 따라 FRP 표면매입공법에서 FRP는 매입하지 않고 에폭시만을 시공한 상태에서 내화보 강을 실시하였다. 내화보강 방법은 Fig. 2에 나타낸 바와 같 이 표면만 내화보강한 방법(a)과 표면과 콘크리트 홈내부의 일부를 내화보강한 방법(b) 두 가지로 하였다. 표면보강방법 으로서는 국내 내화보강에서 가장 널리 사용되는 내화재 뿜 칠마감 (Perlite계 내화재) 보강과 내화보드 (Calcium silicate) 로서 표면을 마감하는 두 가지 방법을 선정하였다. 표면매입 보강을 위해 형성한 콘크리트 홈내부를 추가로 보강하는 경 우에는 홈내부 충전재로서 몰탈을 사용하는 경우와 내화보 드의 일부를 삽입하여 충전하는 두 가지 경우로 하였다. 뿜 칠로 표면보강시 보강재의 두께는 30, 40mm로 하였고 보드 보강재는 두께를 45mm인 경우로 하였다. Table 1은 내화보 강 실험체 일람을 나타낸다.

Fig. 2.

Fire protection concept for test

Table 1.

Specimen list

Specimen name	Fire protection place	Fire protection of surface				Fire protection in groove
		Fire protection method	Material type	Thermal* conductivity (W/mK)	Thickness (mm)	Fire protection method	Material type	Thermal conductivity (W/mK)	Thickness (mm)
FSC-1	Surface	Spray type	Perlite	Morethan0.036	30	-	-	-	-
FSC-2					40
FB-1		Fireboard	Calciumsilicate	Below0.14	45
MCOM-1	Surfaceandgroove	Spray type	Perlite	Morethan0.036	30	Mortarfilling	Polymercement mortar	0.129	10
MCOM-2					40
MCOM-3		Fireboard	Calciumsilicate	Below0.14	45
MCOM-6		Spray type	Perlite	Morethan0.036	30	Boardinsertion	Calciumsilicate	Below0.14
MCOM-7					40
MCOM-8		Fireboard	Calciumsilicate	Below0.14	45

* Given by manufacture

28일 압축강도 17.8MPa인 콘크리트로 100mm×100mm×200mm 규격의 블록을 제작한 뒤 블록의 양측에 홈을 형성하고 홈 내부에 에폭시를 주입하여 실험체를 제작하였다. 홈은 블록 의 양끝 중앙에 폭 4mm, 깊이 20mm 그리고 길이 200mm 규격으로 형성하였고 중앙으로부터 높이 100mm, 깊이 10mm 만큼 에폭시를 충전하였다. 사용된 에폭시는 Sika 제품인 Sikadur_30으로서 제조사에서 제공한 정보에 따르면, 양생 기간 7일의 유리전이온도는 62℃, 하중 굴곡 온도는 53℃이 다. 실험체 모두 에폭시의 재료분리 방지와 충분한 양생을 위하여 1주일 양생 후 내화보강을 하였으며, 뿜칠재의 배합은 공사시방서에 따라 배합을 질량비로 내화재 1kg, 물 1.2kg로 하여 약 3~5분정도 배합하였다. Fig. 3은 내화뿜칠 시공과정 을 나타내는 사진으로써 합판과 전산볼트 등으로 거푸집을 제작한 다음 스프레이건 등으로 거푸집 내부에 분사하여 내 화보강을 하였다.

Fig. 3.

Spray reinforcing process

Fig. 4는 내화보드를 외부에 부착하는 시공 상세를 나타내 는 그림으로써 시공방법은 내화재를 고정하기 위해 우선 핸 드 드릴로 콘크리트 블록과 내화보드에 약 10mm정도 홀을 형성한 다음 내화보드를 조립 하여 기 형성된 홀 부분에 못 으로 타정하여 시공하였다.

Fig. 4.

Fire Board reinforcing detail

3.3. 실험 방법

실험은 전기가열로를 이용하여 실시하였으며, Fig. 5의 가 열개념과 같이 가열로의 양 측면과 하단부 세면에 가열코일 이 있기 때문에 에폭시가 충전되어 있는 부분의 양면을 직접 가열하기 위해 하부와 상부를 내화벽돌로 시공하여 열을 차 단하였고 내부 열이 방출되는 것을 차단하기 위해 양 옆의 개구부를 내화벽돌로 시공하였다. 가열로 내부에 실험체를 배치한 상황은 Fig. 6과 같다.

Fig. 5.

Heating test concept

Fig. 6.

Inside of heating furnace before test

표면 내화재의 종류와 보강방법에 따른 차이를 파악하는 것이 본 연구의 목적이기 때문에, 비록 KS F 2257을 따르지 않더라도 내화성능평가를 위한 연구목적을 달성하는 데에는 문제가 없는 것으로 판단하여 전기가열로를 이용하여 Fig. 7 과 같이 실험체 표면 시간-가열 온도 곡선으로 가열하였다.

Fig. 7.

Surface heating time-temperature curve

온도의 측정은 실험체에 설치한 열전대를 계측장비인 TDS-602 에 연결하여 측정하였다. 표면만 내화 보강한 실험의 열 측 정은 Fig. 2에 표시된 바와 같이 양쪽에 에폭시를 충전한 방 향으로 내화재 표면에 열센서 2개를 설치하고 내화재 안쪽 의 에폭시가 만나는 부분에 2개를 설치하여 온도 데이터를 확보하였다. 표면과 매입부의 내화성능평가에서는 에폭시를 충전한 양쪽 방향으로 내화재표면에 열센서 2개를 설치하고, 매입부 내화재 안쪽의 에폭시가 만나는 부분에 2개를 설치 하여 실험데이터를 확보하였다.

3.4. 실험 결과

3.4.1. 내화재 손상 상황

Fig. 8은 내화재 가열실험 후 사진으로서, 내화뿜칠로 보 강한 FSC-1 (30mm) 실험체의 직접가열부위는 수분 증발과 밀도 저하 등으로 인하여 접착력이 저하되어 내화재의 상부 에서 탈락이 나타났으며, 반대 방향의 경우에는 수직 균열과 수평균열이 과도하게 나타났음을 알 수 있다.

Fig. 8.

Surface shape of specimens after heating

FSC-2 (40mm) 실험체의 직접 가열부위에는 가열시험후 이동과정에서 내화재 탈락이 나타났다. 측면의 직접가열부위 가 아닌 부분에서는 FSC-1 (30mm)에 비해서는 상대적으로 미미하게 수직 균열과 수평 균열이 나타났다. 전반적으로 내 화뿜칠로 내화보강된 실험체의 경우에는 고온에서 부착력이 저하되면서 내화성능이 상실되는 것으로 사료된다.

내화보드로 보강한 FB-1 (45mm) 실험체는 내화보드가 고 온에 가열되면 보드가 손상되어 균열이 생기거나 내화재가 휘는 현상을 예측되었지만, 고온 가열 후에도 내화재는 특이 상황을 보이지 않았다.

3.4.2. 표면가열온도-에폭시온도 그래프

Fig. 9는 표면온도-에폭시온도를 나타내는 그래프로써 표 면만 두께 30mm로 뿜칠보강한 실험체 FSC-1은 표면온도 200℃정도부터 에폭시의 온도가 점차적으로 높아지는 경향 이 나타났으며 가열표면온도가 500℃에 가까워졌을 때 에폭 시의 유리전이온도인 60℃부근에 도달하였다. 여기서, 에폭시 유리전이온도는 제조사에서 제공한 정보와 ^{Seo et al. (2013}) 의 실험연구에서 밝혀진 값을 참조하여 60℃로 간주하였다. 뿜칠두께가 40mm인 FSC-2 실험체는 두께 30mm인 FSC-1 실험체에 비해 200℃ 높은 온도인 400℃부터 에폭시의 온 도가 높아지기 시작하여 표면온도 약 600℃정도에 에폭시의 유리전이온도인 60℃에 도달하는 것으로 나타났다. 반면 두 께 45mm의 보드로 표면을 내화보강한 실험체 FB-1은 표면 온도 500℃부터 에폭시의 온도가 상승하기 시작하여 표면온 도 800℃에서 에폭시의 유리전이온도에 도달하였다.

Fig. 9.

Surface temperature variation of epoxy

표면과 매입부를 모두 내화 보강한 실험체의 경우에서도 내화보드로 외부를 보강한 MCOM-3과 MCOM-8실험체의 저항온도가 뿜칠로 외부 보강한 실험체에 비하여 100℃ 이 상 높게 나타났다. Fig. 10은 내화재료 안쪽의 에폭시 온도 가 60℃에 도달할 때, 내화재료 외부, 즉 가열부의 온도를 나타낸 그림이다. 그림으로 부터, 내부 홈의 보강유무와 상 관없이 표면을 내화보드로 보강한 실험체의 외부 저항온도 가 가장 높게 나타남을 알 수 있다.

Fig. 10.

Surface temperature of all specimens when epoxy reaches to GTT

표면만 내화 보강할 경우, 홈 내부의 에폭시가 유리전이온도 에 도달할 때의 표면 가열온도를 관찰해보면, Calcium Silicate 계 내화보드로 표면을 내화보강한 실험체인 FB-1 (45mm) 실험체의 표면온도가 뿜칠보강한 경우에 비하여, 각각 310℃ 와 180℃ 높은 것으로 나타났음을 알 수 있다. FSC-1과 FSC-2 실험체의 보강재 두께는 각각 30mm와 40mm로써, 45mm 두께인 FB-1 실험체에 비하여 각각 10mm와 5mm 얇다. 상 호 비교를 위하여 저항온도를 단위 두께로 환산하여 비교한 결과, 각각 16, 15.25, 17.56 (℃/mm)로서 FB-1 실험체의 열저항성이 가장 높은 것으로 나타났다.

뿜칠로 표면을 보강한 실험체만을 대상으로 홈 내부의 보 강방법에 따른 차이는 Fig. 11에 나타낸 바와 같이, 내부 홈 을 추가로 보강하는 경우가 효과 있는 것으로 나타났다. 특 히 외부 보강재의 두께가 얇을수록 내부보강의 효과가 높음 을 알 수 있다. 그리고 홈내부의 보강에서는 몰탈충전으로 보강한 경우가 보드로 보강한 경우에 비하여 다소 높으나 그 차이는 크지 않은 것으로 나타났다.

Fig. 11.

Surface temperature of sprayed specimens when epoxy reaches to GTT

Fig. 12는 보드로 외부를 보강한 실험체만을 나타낸 것으로 서, 내부 홈을 몰탈로 충전한 경우, 30℃ 외부 저항온도가 상 승하지만, 홈내부를 보드조각으로 보강한 경우에는 저항온도 의 변화가 없는 것으로 나타났다. 이로부터, 보드로 외부를 보강할 경우, 홈내부의 보강은 큰 의미가 없음을 알 수 있다.

Fig. 12.

Surface temperature of boarded specimens when epoxy reaches to GTT

4. 결 론

본 연구는 고온 환경에서 FRP 표면 매입 공법으로 시공된 건축부재의 내화성능 향상을 위한 연구로서, 내화재 및 내화 보강방법에 따른 열저항성을 고온노출 실험을 통하여 파악 하고자 하였으며 연구를 통하여 얻은 결론은 다음과 같다.