소방 기술사 이젠 합격 : 폭렬(spalling)현상의 발생원인과 대책~

 

 

고강도 콘크리트의 우수성은 건축가로서 매우 높게 평가하고 있다. 하지만 오히려 화재시에는 그 고강도 콘크리트로 인해 신축적이지 못한 부분때문에 콘크리트 내부의 수분체적의 급격한 팽창으로 인해 폭발적인 폭렬이라는 현상까지 밸생하게 된다. 이번글에서는 폭렬현상에 대한 발생원인과 대책등에 대해서 알아보기로 한다.

 

출처 - 다음블로그

 

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폭렬현상을 알아보기 위해서는 먼저 철근콘크리트구조에서의 콘크리트와 강재의 화재성상을 알아봐야 한다.

 

콘크리트 및 강재의 화재성상

 

 

1. 화재시 일반적인 피해 형태

철근콘크리트 구조체는 화재로 인한 온도상승으로 인해 화해를 입게 되며 대표적인 피해형태로는 콘크리트의 균열, 박리․박락, 철근의 노출 및 파손, 부재의 변형 및 파괴 등이 있다.

⑴ 콘크리트의 균열, 박리․박락

① 콘크리트의 표층과 심층의 온도차에 의한 열팽창으로 균열이 발생

② 폭렬로 인하여 콘크리트의 일부가 박락할 수 있으며 표면 가까이 있는 골재 박락에서 철근까지 노출되는 박락현상

③ 슬래브와 같은 부재는 심한 경우 상하가 완전히 관통되어 파쇄되는 예도 있다.

⑵ 철근(강재)의 노출, 파손

① 콘크리트의 폭렬이나 파쇄 등으로 인하여 철근이 노출

② 철근의 열팽창으로 피복 콘크리트를 밀어내어 박리

⑶ 부재의 변형, 파괴

① 화재온도가 높아지면 수평부재는 콘크리트의 탄성과 강도가 저하되어 철근이 항복하면서 휨파괴를 일으킬 수 있다.

② 수직부재는 열팽창으로 인한 횡방향 변형으로 전단파괴가 되는 수도 있다.

 

2. 콘크리트의 화재성상

⑴ 콘크리트가 고온에 노출되면 물리적, 화학적 변화를 일으켜 골재는 팽창하고 시멘트풀은 수축해서 골재와 시멘트의 본드가 끊어지며, 기존의 실험결과에 의 하면 그림1,2 에서와 같이 500℃ 정도에서 콘크리트의 압축강도는 상온의 80% 정도로 저하하며 탄성계수 역시 같은 경향을 보임

⑵ 또한 콘크리트의 온도가 500℃ 이상인 경우는 냉각 후에도 강도가 회복되지 않 으나, 500 ℃ 미만인 경우 콘크리트 강도는 시간이 경과함에 따라 자연 회복됨

 

⑶ 콘크리트의 폭렬현상

① 화재시 급격한 가열에 따라 부재 표면의 콘크리트 표층이 탈락하거나 박리 되는 현상을 말한다.

② 폭렬현상은 화재시 콘크리트 내부의 수증기 압력이 증가하여 발생되는 것으로 콘크리트 표면의 탈락 및 박리 현상이 발생하여 단면감소와 철근의 노출 등 으로 콘크리트 구조물의 내력 저하가 나타나는 현상이다.

③ 폭렬의 형태는 내화성능에 큰 영향을 미치지 않는 골재에 의한 폭렬, 구조 적인 문제를 일으키는 폭발성 폭렬, 화재시간이 길어짐에 따라 나타나는 콘 크리트 표층의 박락으로 구분된다.

 

3. 강재의 온도에 따른 강도특성

⑴ 강재가 온도에 따른 강도저하를 그림에서 나타내면 다음과 같다.

⑵ 그림과 같이 강재의 인장강도와 탄성계수 변화에 관한 기존 실험결과에 의하면 300℃ 정도까지는 인장강도가 높아지고, 300℃ 이상에서는 강도 및 탄성계수가 저하하며 개략 500℃ 부근에서는 강도가 절반정도 저하된다. 더 높은 온도에서는 붕괴현상이 일어난다.

⑶ 철골 등 강재의 경우는 화재시 온도로 용융하는 일은 없으나 400℃이상에서는 인장강도, 항복점 등 모든 것이 저하되므로 어느 온도이상으로는 가열되지 못 하도록 보호할 필요가 있다.

 

4. 결론

대형 고층건물의 주요구조인 철골구조는 내화구조로 보강되어야 하고 철근콘크리트 구조도 화재하중에 따라 적정 내화시간에 견딜 수 있는 두께가 요구된다.

 

다음으로는 폭렬현상에 대해서 알아보자

 

폭렬(spalling)현상과 대책

 

 

1. 개요

폭렬(spalling)이란 화재시 급격한 가열에 따라 부재 표면의 콘크리트 표층이 탈락 하거나 박리하는 현상으로 고강도 콘크리트 사용에 따른 내화성능의 저하는 주로 폭렬현상에 기인한다.

 

2. 콘크리트의 폭렬 현상

⑴ 폭렬의 정의 및 발생원인

① 화재시 급격한 가열에 따라 부재 표면의 콘크리트 표층이 탈락하거나 박리 되는 현상을 말한다.

② 콘크리트 내부는 수분을 함유하고 있어 급격히 온도상승이 있을때면 수증기가 발생되어 콘크리트중의 틈새를 빠져나오는 방출속도보다 수증기발생 속도가 빠를때 발생한다.

③ 폭렬현상은 화재시 콘크리트 내부의 수증기 압력이 증가하여 발생되는 것으로 콘크리트 표면의 탈락 및 박리 현상이 발생하여 단면감소와 철근의 노출 등 으로 콘크리트 구조물의 내력 저하가 나타나는 현상이다.

⑵ 폭렬의 형태

폭렬의 형태는 내화성능에 큰 영향을 미치지 않는 골재에 의한 폭렬, 구조적인 문제를 일으키는 폭발성 폭렬, 화재시간이 길어짐에 따라 나타나는 콘크리트 표층의 박락으로 구분된다.

① 골재의 폭렬

고온시에 물리적 혹은 화학적 변화에 의해서 골재가 파열, 분쇄되는 현상이다.

보통 콘크리트에 있어서 골재의 폭렬은 일반적으로 부재의 표면에 국한되며 부재의 내화성능에는 영향을 주지 않는다.

② 폭발성 폭렬

폭발성 폭렬은 화재발생 후 30분 이내에 돌연 발생하는 것으로 부재의 내화 성능에 큰 영향을 준다. 폭발성 폭렬의 발생에 대하여는 다음과 같은 원인을 들 수 있다.

㈎ 고온시에 콘크리트 내부 수증기의 발산에 따라서 발생하는 인장응력

㈏ 화재시에 보통 발생하는 열응력으로써의 압축응력과 갑자기 발생하는 표면 균열 폭발성 폭렬은 위험한 현상으로써, 부재의 크기, 배근상태 등에 따 라서 달라질 수 있다.

㈐ 특히, 부재의 파괴는 T형 혹은 I형 보의 얇은 웨브부분에서 흔히 일어난다.

폭발성 폭렬은 얇은 부재 및 단면내의 압축력이 큰 부분에서 현저하게 발생한다.

출처 - 시장경제

③ 콘크리트 층의 박락

긴 화재기간 후에 콘크리트 층이 벗겨지는 것으로 화재시의 응력에 의한 피로, 균열로 인하여 증대된 변형에 의해서 발생한다. 화재시에는 다음과 같은 응 력이 생기게 된다.

㈎ 단면내의 불균일한 온도분포와 이에 따른 불균일한 팽창에 의한 열응력

㈏ 콘크리트와 철근의 팽창이 동일하지 않기 때문에 생기는 구속응력

이들의 응력에 의해 콘크리트에 균열이 발생하고 콘크리트 층이 벗겨지게 된다.

 

3. 폭렬에 대한 대책(강폴보와 철피단양)

⑴ 경량 골재보다 보통 골재를 사용한다.

⑵ 폴리프로필렌 섬유를 첨가한다.

⑶ 강섬유를 사용하여 인장강도를 증진시킨다.

⑷ 철근의 간격을 가깝게 하고 수평, 수직 배근을 실시한다.

⑸ 콘크리트의 표면 부착력 증가를 위한 와이어메시, 메탈라스 등을 설치한다.

⑹ 콘크리트 부재 표면부에 충분한 피복을 한다.

⑺ 콘크리트의 강도가 일정 강도를 넘어갈 때 폭렬을 방지하기 위한 적절한 사전 주의를 한다.

⑻ 부재내의 상대습도를 낮출 수 있도록 충분한 양생을 한다.

⑼ 부재크기를 크게 하며, 가열면적을 줄이기 위한 단면설계가 이루어지고, 모서리부 등의 처리에 주의한다.

 

 

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도시, 주택개발, 건축, 인테리어 설계, 시공 문의 b-studio@hanmail.net 이나 010-9162-6135로 문자요망
(주)여울 종합건축사사무소와 컨소시엄 작업수행중
건축 & 문화 프로젝트팀 STORY ONE에서 활동중, 26년차 건축가 주원태
홍익대학원 도시계획과 석사과정 
저서로는 [수인의 건축]  [집과 연필, 비례이거나 반비례거나]등이 있다