1.1. 연구배경 및 목적

최근 국내 건축물이 고층화 대형화됨에 따라 재해 및 재난 에 따른 구조물의 안전성 확보가 중요해 지고 있다. 특히 화재 로 인한 구조물의 피해는 매년 약 30,000건 이상인 것으로 보 고되고 있다. 철근 콘크리트 구조는 콘크리트의 우수한 축열 효과 및 낮은 열전도율 등에 의해 우수한 내화구조로 평가되 고 있으며, 이에 따라 화재 이후에도 빈번히 재사용 되고 있는 실정이다. 따라서 화재 후의 철근콘크리트 구조물의 재사용 여부를 판단하고, 붕괴 위험성 등을 평가하기 위하여 화해를 입은 건축물에 대한 구조물의 잔존 성능에 대한 연구가 활발 히 지속되고 있다(ACI 216, 1989; ^{Harmathy, 1970}).

기존 연구에 따르면, 고온에 노출되어 화해를 입은 철근콘 크리트 구조물의 잔존성능에 가장 큰 영향을 미치는 것은 화 재 발생 시 구조 재료의 고온 노출 시간 및 온도인 것으로 보고 되고 있으며, 이에 따른 구조 재료의 강도 저감을 고려하여 철 근콘크리트 구조물의 잔존성능을 평가하는 방법에 대한 연구 가 진행되었다(^{Mohamedbhai, 1986}; ^{Lee and Heo, 2001}).

일반적으로 중공슬래브의 경우 국내 철근콘크리트 설계기 준에서 제시하고 있는 2시간 요구내화시간을 만족하는 것으 로 알려져 있다(^{Kim et al., 2011}; ^{Chung et al., 2012}). 그러나 중공슬래브의 경우 기존 철근콘크리트 슬래브와는 상이한 열 적거동을 보이는 것으로 나타났으며, 이러한 중공슬래브의 내화성능에 피복두께, 슬래브 경간, 적재 하중의 크기 등이 영 향을 미치는 것으로 보고되었다(^{Cho et al., 2011}).

본 연구에서는 재하하중의 크기가 중공슬래브의 내화성능 에 영향을 미치는 것에 주목하였다. 중공슬래브의 경우 적재 하중의 크기에 따라 균열이 슬래브 내부의 중공부를 조기에 관통할 수 있기 때문에 적재 하중의 크기가 화재 시 중공슬래 브 내부의 온도분포를 변화 시킬 것으로 판단하였으며, 이는 중공슬래브의 잔존강도에 영향을 미칠 것이기 때문이다.

따라서 본 연구에서는 하중재하 조건이 다른 중공슬래브가 고온에 노출 되었을 때의 온도 분포 변화를 파악하고자 하였 으며, 이를 바탕으로 하중재하 여부가 중공슬래브의 잔존성 능에 미치는 영향에 대하여 평가하고자 하였다.

1.2. 연구방법

본 연구에서는 하중재하 조건에 따른 중공슬래브의 온도분 포를 파악하기 위하여, 하중재하 여부를 변수로 하여 내화 실 험을 수행하였다. 또한, 화해를 입은 중공슬래브의 잔존성능 을 평가하기 위하여, 고온으로 가열된 후 상온으로 냉각한 상 태의 중공슬래브 실험체에 대한 휨 실험을 수행하여 중공슬 래브의 잔존성능을 평가하였다.

2.1. 실험체 상세 및 양생조건

본 연구에서는 슬래브 실험체의 중공을 형성하기 위하여, Fig. 1과 같은 스티로폼 재질의 중공형성체를 제작하여 적용 하였다. 중공은 40 mm의 간격으로 배치하였으며, 중공슬래 브의 두께는 250 mm로 설정하였다. 실험체는 KS F 2257-5 수 평 내력 구획 부재의 내화 시험방법에 규정된 조건에 따라 Fig. 2 및 Table 1과 같이 제작하였다. 실험체의 크기는 지지대 부분을 포함하여 4700 mm x 3000 mm 직사각형에 형태로 제 작하여, 순경간 4200 mm를 확보할 수 있도록 계획하였다.

내화 실험체는 120일간 양생함으로써 콘크리트의 수화반 응이 충분이 일어나도록 하여 수분함유량을 일반적인 사용조 건과 부합되도록 하였으며, 기건 상태에서 내화 실험을 수행 하였다.

2.2. 사용재료

본 실험체는 콘크리트의 배합강도 24 MPa의 규산질 콘크 리트를 사용하여 제작하였으며, 콘크리트 배합비는 Table 2 에 나타내었다. 실험체 타설 시 콘크리트의 슬럼프 및 공기량 을 측정하였으며, KS F 2405에 따라 지름 100 mm, 높이 200 mm의 원통형 공시체를 5개 제작하여 실험체와 동일한 조건 으로 양생하였다. 강도시험은 120일 강도로 내화 실험 직전에 만능시험기를 이용하여 실시하였으며, 콘크리트 공시체의 평 균 압축강도는 26.3 MPa로 배합강도인 24 MPa 보다 다소 높게 나타났으며, 슬럼프 값은 평균 120 mm의 값을 보여주고 있다.

철근은 SD500의 D10을 상·하부 보강근으로 사용하였으 며, 인장시험편 제작은 KS D 3504의 규정에 따라 만능시험기 를 통하여 인장강도평가를 수행하였다. 철선의 항복강도는 550.2 MPa이며, 인장강도는 663.6 MPa로 나타났으며, 철근 의 인장강도, 연신율, 탄성계수 실험결과는 Table 3과 같다.

2.3. 슬래브 온도분포 측정계획

중공슬래브의 단면 온도분포 변화에 대한 특성을 파악하기 위하여, K형 열전대를 설치하여 슬래브의 단면 내 위치별 온 도변화를 측정하였다. 열전대는 Fig. 3과 같이 슬래브 중앙부 에 위치한 하부 주인장철근, 슬래브 두께의 1/2 지점 콘크리 트, 중공체 내부, 상부 주인장철근에 설치하였다. 슬래브 비가 열면 온도의 경우 5개의 열전대를 슬래브 상부면에 추가적으 로 설치하여 평균온도를 측정하였다.

2.4. 실험방법 및 재하조건

내화실험은 KS F 2257-5에 규정된 조건에 따라 수행하였 다. 슬래브 실험체는 ISO 834 표준시간-가열온도곡선에 따라 슬래브 하부면을 식 (1)과 같은 가열속도로 120분 동안 가열 하였다.

중공슬래브 실험체의 내화성능은 하중지지력, 차열성, 차 염성의 3가지 조건을 통해 평가하였다. 하중지지력의 경우 변 형량 과 변형률을 통해 판단하였으며, 실험체의 변형량과 변 형률이 식 (2) 및 식 (3)을 통해 산정한 한계 변형량과 허용변 형률을 초과하였을 경우 하중지지력을 상실한 것으로 판단하 였다. 차열성의 경우 이면온도의 상승폭이 140K를 초과할 경 우 차열성능에 부적합한 것으로 판단하였으며, 차염성의 경 우 육안을 통해 확인하였다.

재하 조건은 실험체를 공동 주택 주열대에 위치한 슬래브로 가정하여 고정하중 2.28 kN/m² 및 활하중 2.47 kN/m²로 산정하 였다. 화재 시 하중 조합은 Eurocode 내화설계 방법을 준용하 였으며, 고정하중의 100%와 활하중의 50%를 기준으로 산정하 였다. 총 3.52 kN/m²의 등분포 하중이 가해지도록 계획 하였다.

재하 실험체의 하중은 Fig. 4와 같이 총 6개의 모래함을 실 험체 비가열면에 위치시킴으로써 등분포 하중을 모사하여 재 하 하였다. 비재하 실험체의 경우 추가적으로 하중을 재하하 지 않았으며, 슬래브의 자중만을 고려하여 내화 실험을 수행 하였다. 각 실험체의 총 재하하중의 크기를 Table 1에 나타내 었다.

3.1. 중공슬래브의 내화 성능

재하 및 비재하 중공슬래브 실험체에 대한 내화실험 결과 를 Fig. 5 및 Table 4에 나타내었다. 재하 및 비재하 실험체는 재하하중의 크기에 상관없이 120분의 가열시간 동안 한계 변 형량 196 mm 및 허용 변형률 8.7 mm/min를 초과하지 않았다. 또한, 이면온도 상승폭 측면에서도 120분의 내화성능 기준을 만족하는 것으로 나타났다.

재하 여부에 따른 중공슬래브의 내화성능 변화를 비교하여 Table 4에 나타내었다. 재하 실험체의 경우 최대 변형량 190 mm 를 보이며, 비재하 실험체의 최대 변형량 144.8 mm에 비해 약 31% 증가한 것을 확인 할 수 있다. 최대 변형률의 경우 재하 실 험체가 최대 4.5 mm/min을 보이며 비재하 실험체의 최대 변형 률 4.0 mm/min에 비해 13% 높게 나타났다. 평균 변형률의 경 우 재하실험체가 2.0 mm/min을 보이며 비재하 실험체의 평균 변형률 1.2 mm/min에 비해 33% 상승하였으며, 더 빠른 속도로 변형되는 것으로 나타났다. 또한 이면상승 온도의 경우 재하 실 험체 28.2°C, 비재하 실험체가 21.3°C로 나타났으며, 재하 실험 체가 비재하 실험체에 비해 약 32% 상승한 것을 확인하였다.

이러한 결과를 살펴볼 때, 재하 조건이 슬래브의 내화성능 에 영향을 미치며, 재하 될 경우 내화성능에 부정적인 영향을 미치는 것으로 나타났다.

3.2. 중공슬래브의 손상상태

고온 가열에 의한 중공슬래브 실험체의 슬래브 하부면 콘 크리트의 손상 상태를 Fig. 6에 나타내었다. 두 실험체 모두 콘 크리트 박리에 의한 하부면의 손상이 넓은 면적에 걸쳐 관측 되었다.

관측 결과, 재하 실험체의 경우 비재하 실험체에 비해 더 심 한 손상을 입은 것으로 나타났다. 재하 실험체의 경우 넓은 면 에서 하부 주인장 철근이 육안으로 관측 될 정도로 콘크리트 박리가 깊이 진행 된 반면, 비재하 실험체의 경우 철근이 관측 될 정도로 콘크리트 박리가 깊게 진행 된 부분이 일부 구간에 만 발생한 것으로 관측 되었다.

이러한 슬래브 하부면의 손상상태의 차이는 재하 여부에 따른 최대 변형량과 변형속도의 차이 때문인 것으로 판단된 다. 재하 실험체의 경우 하중 재하에 따라 변형이 빠른 속도로 발생하여 큰 변형을 발생시킴으로써, 콘크리트 박리 현상이 심화된 것으로 사료된다.

3.3. 중공슬래브의 단면 내 온도 분포

하중조건에 따른 중공슬래브의 단면내 온도변화를 Fig. 7 에 나타내었다. 실험결과 재하 실험체의 경우 비재하 실험체 보다 전단면에 걸쳐 온도가 빨리 상승하는 경향을 보이는 것 을 확인 할 수 있다. 일반 솔리드 철근콘크리트 슬래브의 온도 분포와는 달리 중공슬래브의 경우 특징적으로 중공체가 녹으 면서 발생하는 중공 공기층의 온도상승 지연구간이 나타났으 며, 재하 실험체에서 더 이른 시간에 온도상승 지연구간이 발 생하였다.

각 실험체의 120분 가열 시 단면 내 최대 온도를 비교한 결 과를 Table 5에 나타내었다. 두 실험체 간 가장 큰 온도 차이는 슬래브 단면 중앙부 콘크리트 및 중공 공기층에서 발생한 것 으로 나타났다. 중앙부 콘크리트 온도의 경우 비재하 실험체 에 비해서 재하 실험체에서 3.31배 높게 나타났으며, 중공 공 기층의 온도의 경우 재하 실험체가 2.16배 높게 나타났다. 이 는 재하실험체의 경우 휨 균열이 조기에 중공부 까지 진전되 어 중공내부 공기층이 직접 가열되기 때문인 것으로 사료된 다. 재하 실험체의 중앙부 콘크리트 온도 상승 경향을 살펴보 면, 공기층의 온도가 급격히 상승하는 54분 이후부터 온도가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 재하실험체의 중앙부 콘크리트의 경우 콘크리트의 열전도에 의해 온도가 상승하는 것이 아니라 휨 균열을 통해 직접 가열된 공기층에 의해 온도 가 상승 된 것으로 판단된다.

하부철근 온도의 경우, 재하 실험체가 최대 715.5°C 까지 상승하였으며, 이는 비재하 실험체의 625.1°C에 비해 14% 높 은 온도이다. 또한, 상부철근 온도의 경우, 재하 실험체가 최 대 103.1°C 까지 상승하였으며, 비재하 실험체의 80.6°C에 비 해 28% 높게 나타났다. 평균 이면상승 온도를 통해 슬래브 압 축연단 콘크리트의 온도를 비교한 결과, 재하 실험체가 28.2°C, 비재하 실험체가 21.3°C로 나타났으며, 재하 실험체 가 비재하 실험체에 비해 약 32% 상승한 것을 확인하였다.

이러한 결과를 살펴볼 때, 재하 조건이 중공 슬래브의 온도 분포에 큰 영향을 미치며, 재하 될 경우 슬래브의 온도를 상승 시키는 것으로 나타났다. 특히, 재하 됨에 따라 중공슬래브의 잔류강도에 큰 영향을 미칠 것으로 예상되는 하부 주인장철 근의 온도와 슬래브 상부 압축연단의 콘크리트 온도가 증가 되기 때문에 화해를 입은 중공슬래브의 잔존 성능 또한 영향 을 받을 것으로 사료된다.

4.1. 실험체 상세 및 초기조건

본 연구에서는 고온으로 가열 된 중공슬래브 실험체를 상 온으로 냉각 후 잔존강도를 평가하였다. 이를 위해 고온으로 가열 된 중공슬래브를 90일간 상온에 보관하여 자연 상태에 서 천천히 냉각하였다.

실험체는 고온에서 발생한 변형이 냉각 과정에서 고착화 되면서 영구 처짐이 발생하였다. 재하 실험체의 경우 슬래브 중앙부에서 15 mm의 영구 처짐이 관측되었으며, 비재하 실 험체의 경우 슬래브 중앙부에서 9 mm의 영구 처짐이 관측되 었다. 이러한 차이는 고온으로 가열 시 재하 실험체에서 더 큰 변형이 발생하였기 때문인 것으로 사료되며, 재하 실험체의 하부 주인장 철근 온도가 더 오랜 시간 철근의 잔존성능에 영 향을 미치는 것으로 보고되고 있는 600°C 이상으로 가열 되어 철근의 물성치 변화가 더 컸기 때문인 것으로 사료된다.

4.2. 잔존성능 평가 실험방법

화해를 입은 중공슬래브의 잔존 휨 성능을 평가하기 위하 여 Fig. 8과 같이 4점 휨 실험을 수행하였다. 기존의 화해를 입 지 않은 중공슬래브 휨 강도와의 비교를 위하여, 실험체의 순 경간을 기존 휨 실험체(Reference)와 동일하게 3300mm로 계 획하였다. 휨 파괴를 유도하기 위하여 전단경간비를 6.7로 설 정하였다. 가력은 실험체의 중앙에서 양 단부 방향으로 150 mm 떨어진 부분에 위치한 Rigid Beam을 통해 가력하여슬래브 폭 방향으로 균등하게 가력 될 수 있도록 하였다. 엑츄에이터 (Actuator)를 사용하여 0.1 mm/min 속도의 변위제어를 통해 재하 하였으며, 실험체의 처짐은 7개의 LVDT를 통해 측정하 였다.

5.1. 파괴거동 및 균열양상

화해를 입은 중공슬래브의 잔존강도 실험결과를 Table 6 및 Fig. 9에 나타내었다. Fig. 9의 모멘트-곡률 곡선을 살펴보 면, 모든 실험체가 전형적인 휨 거동을 보이며 휨 파괴 되는 것 을 확인 할 수 있다. 특징적으로, 화해를 입은 중공슬래브의 경 우 고온에서 이미 휨 균열이 발생한 상태이기 때문에 초기균열 에 의한 휨 강성 저감이 관측되지 않는 것을 확인 할 수 있다.

실험체의 휨 균열의 진행 상태를 살펴보기 위하여, 슬래브 중앙부의 균열 상태를 확인하였으며, 휨 균열은 재하여부와 상관없이 유사한 양상을 보임을 확인 할 수 있다. 가력 초기에 는 기존에 발생한 휨 균열이 진전되는 경향을 보였다. 하중이 증가됨에 따라 Fig. 10과 같이 추가적인 휨 균열이 발생 하였 으며, 기존의 균열폭이 증가하며 최종 파괴되었다.

5.2. 잔존 휨 강성

화해를 입은 중공슬래브의 잔존 휨 강성을 평가하기 위하 여, 사용하중 상태에서의 휨 강성을 비교하였다. 사용하중은 극한 휨강도의 60%로 가정하였으며, 그 결과를 Table 5에 나 타내었다. 휨 강성 비교 결과, 화해를 입은 중공슬래브의 경우 화해를 입지 않은 중공슬래브에 비해 약 23%~27% 의 강성 저 감이 발생하는 것으로 나타났다. 또한, 재하 여부에 따른 휨 강성 저감을 비교해 보았을 때, 재하 실험체가 비재하 실험체 에 비해 약 15%의 강성이 저하되는 것을 확인 할 수 있다. 이 러한 결과로 보았을 때, 재하여부가 화해를 입은 중공슬래브 의 휨 강성에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있다.

5.3. 잔존 휨 강도

화해를 입지 않은 중공슬래브 실험체(Reference)와 화해를 입은 재하 및 비재하 중공슬래브의 잔존 휨 강도를 Table 5에 나타내었다. 실험결과 화해를 입은 중공슬래브의 경우 화해 를 입지 않은 중공슬래브에 비해 60%~66% 수준으로 휨 강도 가 큰 폭으로 감소되는 것을 확인 할 수 있다.

재하 여부에 따른 잔존 휨 강도를 비교한 결과, 재하 실험체 의 잔존 휨 강도가 비재하 실험체의 잔존 휨강도에 비해 11% 저하되는 것을 확인 할 수 있으며, 재하 하중이 화해를 입은 중 공슬래브의 잔존 휨 강도에 부정적인 영향을 주고 있는 것을 확인 할 수 있다.

화해를 입은 중공슬래브 실험체의 잔존 강도 저하 원인을 분석하기 위하여, 기존의 화해를 입은 재료의 잔존응력 모델 을 적용하여 잔류 휨 강도를 평가하였다. 화해를 입은 콘크리 트 및 철근의 잔존 강도 산정을 위해 허은진이 제안한 식(4)~ 식(7)의 잔존 강도 예측식을 적용하였으며, 내화실험을 통해 측정한 상부 압축측 콘크리트 및 하부 주인장 철근의 최대 온 도를 사용하였다(^{Lee and Heo, 2001}).(5)(6)

분석결과, 고온에 노출된 재료의 잔존 강도를 통해 화해를 입은 중공슬래브의 잔존 휨 강도를 평가하는 방법의 경우, 실 제 중공슬래브의 잔존 휨 강도를 과대평가 하고 있는 것으로 나타났다. 이러한 차이는 재하 실험체에서 더 높게 나타나고 있는 것으로 나타났다.

이러한 결과는 화해에 의한 슬래브 하부면 콘크리트의 박 리에 의한 것으로 판단된다. 슬래브와 같이 피복두께가 상대 적으로 얇은 부재의 경우, 하부면 콘크리트 박리에 따른 하부 주인장 철근의 피복두께 손실로 인하여 부착성능 저하가 매 우 클 것으로 사료된다. 특히, 중공슬래브의 경우 재하에 따라 하부면 콘크리트 박리 현상이 심해지는 것을 확인하였기 때 문에, 화해를 입은 중공슬래브의 잔존 성능을 평가하기 위해 서는 고온 노출에 의한 재료 강도의 저감 뿐만이 아니라, 손상 에 의한 철근의 부착성능 저하 현상 또한 고려해야 할 것으로 판단된다.