2.1 국내 내화구조 기준

국내의 경우 RC 슬래브 두께가 100mm 이상인 구조는 3시간 법정내화구조로 인정하고 있다. 그리고 콘크리트구조 설계 기준(2021)에서는 슬래브의 최소 피복두께를 규정하고 있으며, 화열 온도, 골재 물성, 지속시간 등을 고려하여 구조물의 내화 피복두께를 정하도록 되어있다. 이처럼 건축재료 및 두께에 따른 기준을 충족하게 되면 당연내화구조로 인정된다. 또한, ^{KS F 2257-5(2019)}에 명시된 실험방법에 따라 부재 내화성능은 내화시험을 통해 평가되고 이때의 하중지지력 및 차염성과 차열성을 통해 슬래브의 내화시간이 결정된다. 하중 지지력은 ^{KS F 2257-1(2019)}에 제시된 휨 부재 성능평가 기준인 식 (1)과 식 (2)의 허용변형량과 허용변형률을 통해 평가되며, 식 (1)과 식 (2)를 통해 산정된 값 이하로 평가된 경우 내화성능을 만족한 것으로 간주한다.

여기서 $L$은 시험체의 경간(mm)이고, $d$는 휨 시험체의 구조단면에서 압축 측의 최대 휨 응력을 받는 위치부터 인장측의 최대 휨 응력을 받는 위치까지의 거리(mm)이다.

차염성과 차열성은 각각 화염 확산 방지 성능과 비가열면의 온도를 규정하는 기준이다. 균열 등으로 인해 비가열면에서의 화염이 10초 이상 지속되지 않을 경우 차염성을 만족하는 것으로 보며 차열성은 비가열면의 온도를 규정하는 것으로 초기온도보다 180K를 초과하지 않는 것을 기준으로 한다. 이와 같이 하중지지력, 차열성과 차염성에 대한 성능 기준을 만족하게 되면 인정내화구조로 내화성능을 인정받게 된다.

2.2 국외 내화구조 기준

미국에서는 ACI 216.1(2014)과 ^{PCI Handbook(2017)}에서 PC 슬래브의 내화기준을 규정하고 있으나, 두 가지 기준이 서로 유사한 경향을 나타낸다. 덧침 콘크리트 두께에 따라 최소 내화성능 시간, 피복두께에 따라 단부조건, 골재종류에 따라 30분, 1시간, 2시간, 3시간, 4시간의 내화성능으로 구분하여 규정하고 있다. 일본의 경우, 건설성고시 제1399호⁽²⁰⁰⁰⁾에서 철근콘크리트와 PC 구조물은 동등한 내화성능을 요구하며, 구조부재별 내화시간에 다른 최소 내화피복두께를 제시하고 있다. 바닥 슬래브 부재 두께가 100mm 이상인 경우는 내화 2시간, 70mm 이상인 경우는 내화 1시간으로 적용하고 있다. EN 1992-1-1⁽²⁰⁰⁴⁾을 적용하는 유럽에서는 1방향, 2방향 슬래브 두께 60mm부터 175mm에 대해서 콘크리트 최소 내화 피복두께를 각각 10~65mm 및 10mm~50mm로 제시하고 있다.

3.1 내화단면 개발

국내 PC 중공슬래브 제조업체가 생산하는 중공슬래브 단면을 개선하여 내화단면을 개발하였다. 기존 생산 부재와 동등한 내력을 발현하기 위해 하부 강연선의 피복두께를 동일하게 유지하였다. 부재 생산 시 물량을 감소시키기 위해 단면 내 중공을 제외한 콘크리트 충전율이 59%~61%인 기존 단면의 중공형상을 개선하여, 비율을 41%~49% 수준으로 낮춤으로서 경제성을 확보하였다. 이에 따라 단면의 웨브 두께가 기존 제품 대비 74% 수준으로 얇아지면서 수직전단 성능저하에 대한 우려가 있었으나 구조검토 결과 기존단면과 5% 이내로 차이가 미비한 것으로 나타났다. 또한 단면 내 긴장력 도입에 따른 단부 복부의 전단균열 발생여부를 확인하고자 하였으며 공장의 부재 생산 시 균열 현상은 없는 것으로 관측되었다. 휨 내력과 처짐의 경우, 하부 강연선의 유효폭을 동일하게 유지함과 동시에 단면 2차모멘트 값이 기존 단면의 95% 수준으로 유지되면서 기존단면과 동등한 성능을 발현하는 것으로 나타났다. Fig. 1과 같이 기존 중공 형상의 상부를 원형으로 변형시켜 콘크리트 단위 물량의 저감 뿐만 아니라, 부재 자동 생산 시 중공 형상을 그대로 유지 할 수 있도록 개선하였다. 변경된 내화 단면에 맞추어 생산설비의 신규 코어를 별도 제작하였고, 중공슬래브의 사이드 형상을 개선하여 제품별 수평 조인트에 대한 내화성능을 증강코자 신규 사이드 폼을 제작하였다. 화재 시 단면의 웨브 및 하부 플랜지 탈락을 막기 위해 실험체의 중공부의 단부보강을 하였고 실험을 통해 그 효과를 검증하고 화재 시 붕괴에 대한 안전성을 확보하였다.

Fig. 1 Shape of hollow core on Fire resistance

3.2 실험 계획

3.2.1 실험체 상세

내화 단면이 적용된 PPHCS의 합성 슬래브에 대한 내화성능 시험을 계획하여 총 3개의 내화 성능 평가용 시험체를 제작하였다. 모든 시험체의 콘크리트 설계압축강도는 PPHCS 45MPa, 덧침 콘크리트 27MPa로 설정하였다. 실험체 제작 시 적용된 콘크리트의 압축강도를 확인하고자 $\phi$100 × 200mm 공시체를 제작하였다. 강연선은 단면 내 긴장력을 도입하기 위하여 시험체 단면 하부에 인장강도($f_{pu}$)가 1,860MPa인 7연선 $\phi$9.5와 $\phi$12.7 강연선을 적용하였다. Jacking force는 인장강도의 71%로 고려하여 비균열 단면의 허용응력을 만족하도록 설계하였다. 상부면에는 솟음을 제어하기 위하여 동일 인장강도인 3연선 $\phi$2.9와 7연선 $\phi$9.5 강연선을 적용하였다.

^{KS F 2257-5(2019)}에서 제시하고 있는 내화 가열로의 폭과 길이는 각각 3,000mm와 4,700mm로 명시되어 있다. 따라서 이에 맞춰 시험체를 제작해야 하나 현장 적용 시 장경간으로 사용되는 PPHCS의 특성에 맞춰 시험체 폭 3,000mm 및 스팬 길이 6,700mm(순스팬 6,500mm)인 실대형 실험체를 제작하였다. 현장에서 주 적용되는 PPHCS 단면 두께를 실험 변수로 하여 200mm, 265mm, 315mm로 고려하였다. Table 1과 Fig. 3는 실험체 상세를 나타내었다.

PPHCS의 상부면에는 깊이 3mm인 장방형 엠보싱을 두어 덧침콘크리트와의 부착성능을 확보하였다. 덧침 콘크리트 두께는 90mm와 120mm를 적용하여 합성단면에 대한 화재지속시간 내 거동을 평가하고자하였다. Fig. 2는 실험체 상부면의 엠보싱 형상과 거칠기를 나타내었다.

Fig. 2 Top surface of PPHCS

Fig. 3 Cross section of specimens

Table 1 Details of specimens

No.	Name of Specimens	Specimens
		Thk. [mm]	Width [mm]	Span length [mm]	Cover Thk. [mm]	Topping Thk. [mm]
1	PPHCS-200	200	3,000	6,700	35	90
2	PPHCS-265	265				120
3	PPHCS-315	315

Compressive strength of concrete ($f_{ck}$)

PPHCS : 45 MPa – Topping concrete: 27MPa

Tensile strength of 7 wire strand ($f_{pu}$) : 1,860MPa

3.2.2 실험체 하중조건 및 설치

4층 이상 건축물에 적용할 수 있도록 2시간의 법정내화시간을 만족하는 PPHCS의 내화성능을 목표로 하였다. 실험체 지지조건은 단순지지로 하였다. 하중조건은 KBC 2016(2016)의 돌발하중에 대한 하중조합 중 슬래브 두께에 따라 적용되는 용도별 활하중($L$)의 50%를 내화 시험 시 재하 하중으로 고려하였다. Fig. 4과 같이 PPHCS 두께 200, 265, 315mm에 대한 재하하중 값은 각각 55.8kN, 111.6kN, 135.0kN이며, 단면 내력(휨강도)에 대해서는 각각 54%, 65%, 48%에 해당하는 값으로 화재 지속시간동안 모래통을 사용하여 등분포 하중으로 재하하였다.

^{KS F 2257-1(2019)}의 표준화재곡선을 따라 가열대 내에서 내화실험을 진행하였고, 실험체 양 옆으로 보조장치를 설치 한 후 양옆으로 고온용 세라믹 단열재를 덮어 내화시험을 진행하는 동안 화원이 밖으로 노출되지 않도록 하였다.

내화시험이 진행되는 동안 하중지지력 평가를 위하여 중앙부에 변위계를 설치하였고 화재지속시간 내 1분 간격으로 중앙부 변위량 및 변형률 데이터를 측정하였다. 비가열면에는 총 5개의 온도 게이지를 부착하고 내화시간동안 변화하는 온도를 측정하여 차열성을 확인하였다. 실험이 진행되는 동안 10초이상 화염발생여부, 균열게이지 관통여부, 면패드 착화현상 등 차염성과 관련된 성능도 관측하였다.

Fig. 4 Test Setting

4.1 콘크리트 압축강도 측정 결과

Table 2에는 내화 시험체와 덧침콘크리트에 적용한 콘크리트 압축강도 결과를 나타내었다. 총 6개의 공시체를 시험체 제작과 동시에 제작하여 28일 기건양생 후 압축강도를 평가하였다. 대상별 3개의 공시체에 대한 평균 압축강도 결과는 설계 압축강도($f_{ck}$) 45MPa와 27MPa 대비 각각 14%, 8% 높게 측정되었다.

4.2 실험체별 내화실험결과

4.3 실험변수에 따른 화재거동분석

화재지속시간 2시간동안 PPHCS의 내화성능 시험결과를 기반으로 슬래브 단면 두께에 따른 내화성능과 화재거동에 대한 영향력을 분석하였다. 하중지지력, 차염성과 차열성 3가지 항목에 대해서 내화성능 평가를 하고 하중지지력을 우선적으로 확보하지 못하는 경우에는 차염성과 차열성에 대한 성능은 인정받지 못하게 된다.

Fig. 6는 내화시험 시간동안의 하중-처짐 관계를 나타내었다. 내화 시험이 진행되면서 초기 40분 동안 거의 유사한 화재거동을 보이다가 1시간 이후부터 실험체별로 격차를 보이기 시작하였다. 단면두께 200mm 대비, 두께 265mm인 경우, 동일 시간대비 수직 처짐이 작게 관측되었으나, 두께 315mm 경우 Fig. 5(c)와 같이 중공부분의 일부 손상으로 처짐이 다소 많이 발생하였으나, 기준에서 제시하는 허용변형량과 변형률을 만족하여(Table 3) 내화성능을 충분히 발현한 것으로 판단된다. ^{KS F 2257-1(2019)}에서 제시하는 차열성능기준을 만족시키기 위해 120분 후의 PPHCS-200, 265, 315 시험체의 비가열면 최고온도는 각각 213℃, 208℃, 192℃를 만족해야하고, 비가열면 평균온도는 각각 173℃, 168℃, 152℃ 이하를 만족해야 한다. 내화시험 종료 후 시험체 비가열면의 평균 온도 측정 결과는 Fig. 7에서 나타난 것처럼 비가열면 최고온도는 54℃, 38℃, 23℃로 측정되고, 비가열면 평균온도는 51℃, 37℃, 21℃로 측정되어 차열성도 확보된 것으로 나타났다.

또한, ^{KS F 2257-1(2019)}에 명기된 차염성능기준의 3가지 조건인 ‘규정 면 패드 적용 시 착화현상’, ‘규정 균열 게이지의 관통여부’, ‘10초 이상 지속되는 시험체 비가열면에서의 화염 발생여부’에 대해서도 모든 시험체가 만족하였다.

5.1 개요

PPHCS는 기존 RC 슬래브와 달리 강연선을 적용하여 단면 내 다양한 중공을 형성하고 있어 기존 평가방법으로 내화성능을 확인하는데 어려움이 있다. PPHCS의 슬래브 두께에 대한 내화시험 결과를 바탕으로 열해석과 구조해석을 위한 모델링을 구축하였고 PPHCS의 내화성능을 이론모델과 시험결과를 비교 분석하여 평가하였다. 또한 이를 통해 다양한 변수의 PPHCS를 대상으로 내화성능 예측 모델을 확립하고자 하였다.

5.2 해석방법 및 순서

PPHCS 열해석과 구조해석을 통한 내화성능을 평가하기 위해 상용 유한요소해석 소프트웨어인 SAFIR를 사용하였다.

수치해석은 단면의 열적 특성을 바탕으로 온도 분포를 산정하고, 적용된 재료의 이론 모델을 통해 부재의 거동과 전체 처짐을 산정하였다. 가열 조건은 기준에서 제시하는 표준화재곡선을 적용하였으며 내화 시험과 동일한 부재의 단면형상 (덧침콘크리트 포함)및 구속조건을 적용하였다.

5.3 해석결과

3가지 단면에 대한 표준화재곡선을 적용하여 열해석을 수행한 결과를 Fig. 8과 Fig. 9에 나타내었다. Fig. 8은 시험체 PPHCS의 2시간 경과 후 단면의 온도분포를 나타내었다. 화염이 직접 닿지 않는 비가열면의 온도 변화에 대한 양상은 비가열면 평균온도와 최고온도 모두 성능기준을 만족하는 것으로 평가되었다. 화원이 직접 닿는 하단부에서는 최대 가열온도에 도달하여 전체적으로 온도가 상승함에도 불구하고 피복 콘크리트와 강연선과의 탈락 현상이 발생하지 않는 것으로 해석되었다. 이는 2시간 화재 지속시간동안 취성적으로 붕괴되지 않고 내화성능을 발현하는 것으로 볼 수 있다.

내화 시험과 동일한 하중조건을 반영한 내화단면 부재에서 화재지속시간동안 발생한 수직변위에 대한 결과를 Fig. 9에 나타내었다. PPHCS-200의 경우, 100분 경과 시까지 변위는 실험결과 대비 이론모델 값이 50% 정도로 과소평가 되었으나 이후 최종 처짐은 거의 유사하게 나오는 것으로 평가되었다. 이와 마찬가지로 PPHCS-265도 초반부에는 실험결과와 이론모델 값의 차이가 발생하였으나, 100분경과 부터 최종 처짐까지 유사하게 모사하였다. 화재 지속시간 80분을 기준으로 PPHCS-315의 실험 초반부에는 이론모델이 과소평가가 되고 80분 이후 과대평가가 되었으나 최종 처짐은 유사하게 모사하는 것으로 나타났다. 모든 시험체는 시험 초반부에는 시험결과와 이론모델의 값이 차이가 발생하나 전체적으로 화재지속시간에 따른 최종 처짐은 실험결과를 잘 모사하는 것으로 나타났다.

Fig. 8 Distribution of temperature for specimens after 2hrs

Fig. 9 Load-vertical displacement relationship under the elevated temperature