021. 고강도 Concrete와 폭열현상

건축시공기술사 기출해설 | 2015-04-07 오전 8:56:05 | 조회수 : 9691 | 공개

021. 고강도 Concrete와 폭열현상

*시공70회3교시-3. 고강도 Concrete의 특성과 시공시 유의사항에 대하여 기술하시오.
*시공72회2교시-6. 콘크리트의 고강도화 방법과 현장 적용을 위한 재료, 시공측면의 관리기술에 대하여 기술하시오.
*시공74회2교시-5. 콘크리트 구조물 화재시 발생하는 폭열 현상에 대하여 설명 및 방지대책에
대하여 설명하시오.
*시공77회4교시-1. 고강도 콘크리트의 재료와 배합 및 시공시 유의사항에 대하여 설명하시오.
*시공78회4교시-1. 고강도콘크리트의 내화성을 증진시키기 위한 방안을 기술하시오
*시공82회3교시-6. 초고층 건축물에 사용되는 고강도콘크리트의 내화성을 증진시키는 방안에 대하여 기술하시오.
*시공83회4교시-2. 고강도 콘크리트의 폭열 현상 및 방지대책에 대하여 설명하시오.
*시공88회3교시-6. 고강도 콘크리트의 제조방법 및 내화성을 증진시키기 위한 방안에 대하여 기술하시오.
*93회3교시-3. 철근콘크리트 구조물의 화재발생시 구조안전에 미치는 영향을 설명하고, 구조물피해의 조사내용과 복구방법에 대하여 설명하시오.
*96회1교시-13. 고강도 콘크리트
*97회3교시-2. 고강도 콘크리트의 폭열현상 발생원인과 제어대책 및 내화성능관리기준에 대하여 설명하시오.
*103회1교시-4. 폭력발생 메커니즘

[요약]
1. 정의...설계기준압축강도 40Mpa, 경량 27Mpa

[해설]

1. 개요
(1)매년 증가하는 건축물의 수요에 대응하기 위해 공업화 부재에 대한 개발이 요구되고 건축물이 고층화, 대형화함에 따라 하중경감은 경제적인 설계의 중요한 요점이 되었다.
(2)이와 같이 RC건축물이 고층화 함에 따라 하중경감을 위해 필수적인 요소가 콘크리트의 고강도화에 있다.

2. 고강도 콘크리트의 특성
(1)고강도콘크리트의 정의
[참조 : 고강도콘크리트정의/콘크리트시방서]
고강도 콘크리트의 설계기준압축강도는 일반적으로 40MPa 이상으로 하며, 고강도 경량골재 콘크리트는 27MPa 이상으로 한다.
[참조 : 고강도콘크리트정의/건축공사표준시방서]
콘크리트의 설계기준강도가 보통콘크리트에서는 40N/mm2이상, 경량골재콘크리트에서는 27N/mm2이상을 고강도콘크리트라 한다.

(2)고강도 콘크리트의 특징
<장점>
-부재의 경량화 가능
-소요단면감소
-시공능률 향상 감소 (Workability측면)
-Creep현상감소
-압축강도의 증대로
->장스팬 , 부재 경량화 , 단면축소
-화학작용에 대한 내구성 증대

<단점>
-강도발현에 변동이 커서 취성파괴 우려
-시공시 품질변화 우려
->엄격한 QC관리 필요
-내화에 취약, 내화성에 난점이 있다.
-시공방법과 타설방법에 따라 품질변동이 크다.
-인장, 휨, 전단강도는 그렇게 크게 되지 않는다.

3. 고강도 콘크리트의 성질
(1)Consistency
-물시멘트비 = 50%이하
-슬럼프 : 150mm이하 (유동화 콘크리트의 경우, 210mm이하). 작업이 가능한 범위내에서 되도록 작게 적용

(2)강도
-압축강도 40~70N/mm2이상
-인장강도는 압축강도의 1/14~1/17정도
-휨강도는 압축강도의 1/10
-충격에 대한 저항은 우수

(3)탄성과 소성
-탄성역은 크게되고, 소성역은 작아짐

(4)건조수축과 Creep
-건조수축감소, Creep감소

(5)내구성
-화학작용에 대해 내구성 -> 내약품성 우수
-내화에 취약 -> 압축강도, 탄성계수의 저하율이 증대

4. 설계, 시공계획상 주의사항
(1)실제의 응력, 변형이 분명하지 않은 복잡한 형상의 설계를 피한다.
(2)부재 단면의 표준화, 단순화에 노력
(3)부재 단면 산정시 피복두께, 유효춤, 철근위치, 이음 등 고려
(4)콘크리트 충전성에 유의하여 철근배치 결정
(5)설계시 시공방법에 대해서 충분히 고려

5. 제조방법
(1)제조원리와 방법
①물시멘트비의 감소-> 슬럼프의 저하를 막기위해 고성능 감수제 사용
②공극률의 감소 : 원심력 다짐이나 가압다짐
③골재와의 부착력 증대 -> Cement Matrix의 부착이 양호한 표면조직을 갖는 골재이용
④수열반응 수화물을 생성 -> 고압 증기양생 후 오토클레이브 양생
⑤보강재를 이용하여 강도증가 : 섬유보강
⑥Cement 이외의 결합재 이용 -> Polymer 나 Resin을 이용

(2)결합재의 개선
-고성능 감수제 사용
-고분자 재료 사용
polymer cement concrete, resin concrete, polymer impregnated concrete

(3)활성골재의 이용
alumina cement clinker, portland cement clinker

(4)다짐방법의 개선
원심력다짐, 가압다짐, 가압진동다짐, 초고주파진동다짐, 진공탈수

(5)보강재이용 - 섬유보강

6. 고강도 콘크리트의 시공방법
(1)비비기
-진비빔을 원칙으로 함
-분리계량 및 분할 투입을 위한 설비를 고려
-혼화재 계량을 우한 계량반과 Silo설치
-정기적인 관리점검 실시
-골재 표면수율 측정은 1일 2회 이상
-개별 계량 방식으로 1배치분씩 계량하며 중량계량이 원칙
-배치당 비빔 시간은 최소 60초 이상, 압축강도 50~70N/mm2의 경우 약 75초 비빔
-선 모르타르방식(시멘트,잔골재,배합수,혼화제로 비빔후->고성능감수제투입 비빔후->굵은골재 투입 비빔->고강도콘크리트생산)

(2)운반
-운반시간의 지연이나 현장에서의 대기로 인한 슬럼프손실시 고성능 감수제의 후 첨가로 균질 콘크리트 성능 확보
-대기시간은 1대 타설 동안 3대 이상 대기하지 않도록 조정
-혼화제 첨가량은 최대 시멘트중량비로 3%이하
-운반시간 최대 2시간

(3)타설과 압송
-타설높이 1m이하, 타설면 수평유지, 특히 재료분리에 유의
-타설 완료시간은 60분에서 90분을 초과하지 않도록 유의
-압력손실이 크므로 압송설비 용량을 점검
-내부진동기의 삽입 간격을 좁게 -> 진동기 지름 10배의 다짐 간격유지
-진동시간을 짧게 함
-진동기는 충분한 양을 준비 -> 3대의 진동기에 1대꼴로 비상용
-Cement Paste 누실방지를 위해 조인트처리(Taping등)

(4)양생
-습윤양생(다량의 시멘트에 의해 수화열 증가) + 낮은 W/C
-강도 및 내구성이 필요한 노출면은 별도 표면양생 검토 -> 철저한 강도시험관리
-부재두께가 800mm이상인 경우, 매스콘크리트 시방에 따름

(5)검사와 시험
-특히, 유동성이 좋은 고강도 콘크리트시공시, 측압에 의한 안정성 검토가 매우 중요

7. 폭열현상
(1)폭렬의 원인
-높은 수분함유량, 낮은 투수성, 콘크리트부재내의 국부적인 응력발생시
-시멘트페이스트와 골재, 철근과 콘크리트 사이의 열팽창차이로 응력발생
-높은 온도에서의 콘크리트 구조성능저하
=>등의 복합적인 작용이다.

(2)폭렬메커니즘
화재시 부재가 고온에 노출
->노출면에 인접한 층의 수분이 상대적으로 온도가 낮은 내부로 이동
->인접층의 공극으로 재흡수
->부재 표면의 건조층의 두께가 증가
->바로 안쪽은 상당한 두께의 포화층(moisture clog) 증가
->이로인해 건조층과 포화층사이에 구분이 생긴다.
->화재가 진행되면 더이상의 내부로의 수분이동이 어려워짐
->수증기가 노출된 표면을 향해 이동 부재 내부에 강한 압력
->수증기가 열을 받으면서 팽창, 압력이 콘크리트의 인장강도보다 커짐으로 폭열현상 발생

(3)폭열현상 저감방법
-메탈라스 횡구속
-내화도료나 내화피복으로 콘크리트의 급격한 온도상승을 억제
-폭렬저감재료를 혼입하여 콘크리트내부의 수증기압이 발생하지 않도록 빠른시간내에 수증기의 이동시간을 가능하게 한다.
-폭열저감재료로 폴리프로필렌섬유 사용 (FPC공법)
->화재시 섬유가 녹아 그자리에 생기는 빈공간을 통하여 내부의 높은 수증기압을 제거하는 원리

8. 고강도 콘크리트의 화재시 폭렬 억제 공법［FPC공법］
(1)개요
초고층RC빌딩 등에 사용되는 고강도 콘크리트는, 화재와 같이 급격한 온도 상승을 받으면,
표면의 콘크리트가 박리·비산하는 「폭렬 현상」이 생기고 성능이 저하한다.일반적으로, 「폭렬
현상」을 억제하기 위해 콘크리트 표면을 모르터나 내화재로 보강하는 공법을 생각할 수 있
으나, 부재 단면의 증가나 시공금액 증가 등의 문제가 있다.

(2)FPC공법
FPC공법은, 고강도 콘크리트에 폴리프로필렌 수지 분말을 소량 혼입하여 화재시 「폭렬 현
상」을 억제하고 RC부재의 내화 성능을 향상시킨다. (재)일본건축종합시험소의 건축 기술 성
능 증명을 취득하고 있어, 기존의 문제점을 해결하는 저렴하고 확실한 폭렬 억제 공법이다.

(3) FPC공법 적용
- 적용 범위： 설계 기준 강도 60MPa~120MPa의 고강도 콘크리트
- 공법 개요： 콘크리트중에 폴리프로필렌 수지 분말을 혼입, 화재시 수지가 용해하여 작은
구멍을 형성하여 열응력과 수증기압을 완화해 폭렬을 억제, 콘크리트의 설계기준 강도에 따
라 수지 분말의 혼입량을 조절

(표준 혼입량은 아래 표 참조)

콘크리트설계기준강도(MPa)	수지분말혼입량(kg/m3)
60 ~ 100	1.0
100 ~ 120	3.0
재질	폴리프로필렌
녹는점	165 ± 5 ℃
단위중량	0.91 g/cm3

[출처 : www.asanuma.co.jp]

9. 고강도 콘크리트 기둥, 보의 내화성능 기준
(1)설계기준강도 50MPa 이상의 콘크리트 기둥․보의 내화성능 관리에 관한 사항

(2)관리대상 콘크리트 내화성능 시험체는 콘크리트와 철근, 철골 등으로 구성되며 기둥 또는 보에 내화성능 확보를 위한 재료 및 공법을 포함한 것, 최종 마감재는 제외

(3)내화성능은 KSF2257-1 내화시험방법에서 제시하는 표준시간-가열온도곡선에 의한다.

(4)시험체 모두 내화구조 성능기준에서 규정한 시간까지 주철근의 온도가 평균 538℃, 최고 649℃ 이하

(5)건축물의 기둥 및 보에 대한 내화구조 성능기준이 1, 2, 3시간 단위로 설명되어 있으므로 건설현장에 적용하는 데 있어 일관성을 유지하기 위하여 1~3 시간 까지의 시간단위로 시험성적서에 표기

[참조]국토해양부 고시 참조

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[참조]
고강도 콘크리트 기둥․보의 내화성능 관리기준 국토해양부 고시 제2008- 334호

건축물의 피난․방화구조 등의 기준에 관한 규칙 제3조 제3호 및 제5호의 규정에 의한 설계기준강도

50MPa 이상의 콘크리트 기둥․보의 내화성능 관리에 관한 사항을 다음과 같이 고시한다.

2008년 7월 21일
국토해양부장관

제1조(기준의 목적)
이 기준은 건축법시행령 제2조의 내화구조와 건축물의 피난․방화구조 등의 기준에 관한 규칙(이하 ‘규칙’이라 한다) 제3조의 규정에 의하여 설계기준강도 50MPa 이상의 콘크리트(이하 “관리대상 콘크리트”라 한다)를 사용한 기둥․보의 내화성능 확인기준과 방법 등을 정함을 목적으로 한다.

제2조(대상부재)
이 기준은 관리대상 콘크리트를 사용한 기둥 및 보를 대상으로 하며 내화성능 확인을 위한 시험체는 현장과 동일한 재료, 공법, 철근배근 및 피복두께 등을 반영한 기둥형 시험체로 제작․시험한다.

제3조(시험체의 구성)
관리대상 콘크리트 내화성능 시험체는 콘크리트와 철근, 철골 등으로 구성되며 기둥 또는 보에 내화성능 확보를 위한 재료 및 공법을 포함한 것으로 한다. 다만 수시로 변경 가능한 최종 마감재는 제외한다.

제4조(내화성능기준)
관리대상 콘크리트 기둥․보의 내화성능은 KSF2257-1(건축부재의 내화시험방법 일반요구사항)에서 제시하는 표준시간-가열온도곡선에 의하여 별표2의 규정에 의한 시험을 실시한 결과, 시험체 모두 내화구조 성능기준(국토해양부 고시 제2005-122호)에서 규정한 시간까지 주철근의 온도가 평균 538℃, 최고 649℃ 이하이어야 한다.

제5조(시험체의 제작 및 시험의뢰)
관리대상 콘크리트를 사용한 기둥형 시험체는 다음 각 호의 규정에 따라 제작한다.
① 관리대상 콘크리트 기둥 및 보의 내화성능을 확인하기 위한 시험체는 별표 1에 따라 기둥형 시험체 2개를 제작하여 시험하여야 한다.
② 시험체의 제작 및 시험의뢰는 다음 각호에 해당하는 자가 할 수 있으며 시험체 도면, 재료, 공법, 제작일, 양생온도, 양생기간 및 관련 사항을 별지 서식1호에 따라 작성ㆍ기록하여 시험의뢰시 제출하여야 한다.
1. 건설산업기본법 제9조의 규정에 따라 등록된 일반 건설업을 영위하는 자(직영공사인 경우에는 건축주를 말한다)
2. 콘크리트 또는 내화구조를 구성하는 주요재료ㆍ제품의 생산 및 제조자
3. 건설현장의 감리자

제6조(시험방법 및 시험성적서 등)
관리대상 콘크리트 기둥형 시험체의 내화성능을 평가하기 위한 시험방법은 수직부재용 가열로를 이용하는 경우 KSF2257-7의 시험방법에 의하되 비재하가열시험인 경우 수평부재용 가열로를 이용하며 이 경우 구체적인 시험방법 및 시험성적서 등은 별표 2에 따른다.

제7조(전문위원회 운영 등) ① 시험기관은 이 기준의 콘크리트 내화성능 관리를 위하여 콘크리트ㆍ재료ㆍ구조 등의 전문가로 구성된 전문위원회를 운영할 수 있다.
② 전문위원회에서는 다음 각 호의 사항을 심의․자문할 수 있다.
1. 관리대상 콘크리트의 표준내화공법
2. 기타 시험기관이 필요하다고 인정하는 사항 등

제8조(내화성능 관리) 관리대상 콘크리트를 사용한 기둥․보에 대한 내화성능은 다음과 같이 관리한다.
① 이 기준에 따라 국가표준기본법 제23조 제2항의 규정에 의하여 인정을 받은 시험기관에서 시험하여 제4조의 내화성능기준에 적합한 경우, 내화성능이 있는 것으로 본다.
다만, 관리대상 콘크리트중 설계기준강도 60MPa이하의 경우 제4조의 규정에 의한 내화성능기준에 적합하도록 구조보강을 하여 구조기술사가 이를 확인․서명한 경우에는 시험을 실시하지 않을 수 있다.
② KS F 2257-7 또는 ISO 834-7의 재하가열시험방법에 의하여 국외의 시험기관에서 성능이 확인된 경우, 해당구조의 내화성능이 있는 것으로 본다.
③ 이 기준에 의하여 관리대상 콘크리트 내화성능시험을 실시하여 내화성능이 있는 것으로 확인한 경우, 그 설계기준강도 이하의 콘크리트를 사용한 기둥 또는 보에 동일한 재료, 공법 등을 적용한 경우에는 별도의 시험을 실시하지 않을 수 있다. 다만, 기둥형 시험체의 단면적보다 작은 경우에는 적용에서 제외한다.
④ 관리대상 콘크리트의 내화시험 성적서 유효기간은 3년으로 하고, 동 콘크리트와 동일한 조건의 재료 또는 공법 등을 적용하는 관리대상 콘크리트는 내화시험을 실시하지 아니하고 유효기간 이내의 시험성적서로 갈음할 수 있다.
⑤ 감리자는 관리대상 콘크리트 부재의 내화성능 시험성적서 또는 제8조제1항 단서규정에 의한 확인서와 현장의 일치여부 등을 확인하여야 한다.

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