화재 시 실제구조물의 거동을 고려한 T형보의 내화성능 연구
글 이승재 화재보험협회 방내화팀, 공학박사
1. 머리말
현재 원자력발전소의 보조건물에 적용되고 있는 구조부재의 실제 내화성능을 파악하기 위하여 축이 구속된 보의 거동을 재현한 실험을 계획하였다. 원자력 발전소 보조건물의 보와 기둥은 전체 하중을 지지하는 중요부재인 동시에 슬래브의 하중을 전달하는 부분적인 힘의 분배 역할을 수행한다. 실제 구조물에서 보는 수평부재로써 화재발생 후 열에 의한 팽창이 주위 구조물(기둥과 접합부)에 의해 일정수준의 강성으로 발생하기 때문에 구속효과가 발생한다. 이러한 구속효과에 의해 보 단부에서는 큰 압축력이 생겨나는 compressive arch action이 발생하게 되며, 휨 성능의 한계에 도달한 후에는 단부의 압축력이 인장력으로 바뀌는 catenary action이 발생하게 된다.
이에 본 실험에서는 실제 신한울 1, 2호기 원전 보조건물 Electrical Penetration Room에 사용되는 보의 상세를 한국전력기술(주)로부터 제공 받아 실물구조물에 대한 내화 특성을 확인하고자 축소실험을 계획하였다. 실험방법은 실험여건(실물구조물의 큰 중량 및 실험설비의 재하 량 한계 등)을 고려하여, 이전에 실시한 실물구조물([그림 1](a))을 축소 설계하여 실험을 실시함으로써 화재 시 온도특성, 실험체의 거동 등을 확인하고자 하였다. 보의 단면 사이즈는 실험이 가능한 1,000㎜ × 150㎜ 슬래브와 H 형강(H-300×150×6.5×9)이 스터드로 접합된 합성보 형태인 실험체([그림 1](b))를 제작하여 실험에 활용하고자 하였다. 또한 예상 내화시간 1~2시간에 해당되는 내화피복을 실시한 실험체를 제작하여 내화피복에 따른 거동의 확인과 합성보의 철골부분만을 대상으로 한 순수철골의 거동도 확인코자 하였다.
2. 축 구속보 실험개요 및 온도해석
실물실험체는 합성보 형태로 강재 W30×261과 슬래브두께 18in.(457㎜)로 시험장치가 재하 할 수 있는 하중을 크게 상회하여 실험이 불가능하므로 [그림 1](a)와 같이 실물실험체를 축소 설계한 축소 실험체를 제작하여 실험을 진행하였다. [그림 1](b)는 실험체 길이 방향으로의 온도센서 설치위치를 나타낸 그림이며, 실험체 단면에 대한 센서의 위치는 2.4절에 있는 실험체 단면의 온도에 대한 예비해석을 통하여 선정하였다. 실험체는 설계압축강도 약 5,000psi 콘크리트, A36강재(H-300×150×6.5×9)와 HD10 철근을 사용하여 제작하며, 세부 상세는 [그림 1]과 같이 제작하였다.
원전구조물에 사용되는 철근은 ASTM A615 Grade 60 이 사용되나 국내에서는 원전구조물에만 사용되고 있어 실험체 제작을 위한 소량 수급이 연구일정 내에 불가능한 상태이기에 실험체에는 고 장력 철근인 HD10을 사용하였다. 이에 따른 구조검토를 보면, ASTM A615 Grade 60 철근의 최소 항복강도는 60ksi(약 414MPa)로 HD10 철근의 최소 항복강도인 400MPa 이상과 유사한 범위를 가지며, ASTM철근과 KS철근의 지름 및 중량이 유사한 값으로 대체 철근이 될 수 있다. 실험체에 축구속을 부여할 수 있는 실험장비는 현재 국내에서는 한국건설기술연구원의 수평가열로[그림 2]가 유일하다. 이 수평가열로는 축방향으로 한쪽에만 엑츄에이터(가력 용량 - compression : 40t, tension 50t)가 설치되어 있으며 [그림 2](a)와 같다. 본 실험에 사용될 보의 실험체 일람표는 <표 1>과 같으며, 실험체의 길이는 모두 5m 이다. 온도 해석결과는 [그림 3]과 같으며, 상부 슬래브 아래 철골보는 30분 이후 거의 열평형을 이루는 것으로 판단되며, 콘크리트로 이루어진 슬래브는 철골보와 달리 열전도율이 낮기 때문에 thermal curvature가 비선형으로 나타나는 것을 알 수 있다.
| 번호 | 실험체형태 | 수량 | 내화피복(mm) | 하중비(%) | 측정 및 관찰 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 합성보 | 1 | 무피복 | 70 |
- 내화피복이 없을 때 내화성능과 거동 변화 - 화재시 축구속보의 거동 |
| 2 | 합성보 | 1 | 무피복 | 50 | |
| 3 | 합성보 | 1 | 20 ㎜ | 70 |
- 화재 시 단면 깊이별 온도 확인 - 내화뿜칠의 두께차이에 의한 내화성능의 변화 |
| 4 | 합성보 | 1 | 10 ㎜ | 70 | |
| 5 | H-형강 | 1 | 무피복 | 70 | - 가장 기본부재인 강재보의 거동과 합성보 거동과의 차이 |
| 6 | H-형강 | 1 | 무피복 | 50 |
따라서 실험체 단면높이 방향으로 온도센서 위치는 thermal curvature가 비선형으로 나타나는 부분 즉, 온도 분포도가 바뀌는 곳에 설치하여 관찰하는 것이 타당하기에 슬래브 밑면으로부터 10㎜, 10㎜, 20㎜, 20㎜, 30㎜, 30㎜ 간격으로 온도센서를 설치하는 것으로 하였다. 평면상의 온도센서위치는 가운데와 1/4 지점에서 측정한다.
3. T형보의 수치해석
본 연구에서는 실험체의 길이방향으로 70% 및 50% 하중이 재하 된 상태에서 가열온도를 상승시키는 실험 시나리오를 바탕으로 수치해석이 이루어졌다. [그림 4]는 수치해석을 위한 하중조건과 경계조건을 보여준다. A점은 실험체 X축을 구속하는 지점을 표현하며 실제 실험에서는 실험체의 H형강 단면에 플레이트를 볼트 접합하였다. B 점은 Y축으로 구속되는 지점을 표현하였다. 하중은 70% 재하 시(24t) 실험체 상부 2,500㎜m 지점에 1점 가력으로, 가열 길이 또한 실험체 하부의 양 B지점사이에서만 가열하는 것으로 가정하였다.
[그림 5]는 보의 시간에 따른 축 반력과 시간에 따른 수직 처짐을 하중비 70%, 50%일 때의 결과를 비교하였다. 두 실험체의 하중비가 다르기 때문에 휨 파괴시의 시간이 서로 다르게 나타났다. 하중비는 화재 시 구조물에서 작용하중의 정도를 나타낼 수 있는 기존의 일반적인 연구들에서 수행되었던 변수이다. 이 연구에서 하중비는 축 구속이 없는 보의 최대 휨 모멘트를 이용하여 계산하였다. 하중비가 증가하면 보 실험체의 휨 성능을 잃은 때의 시간을 약 20분(50%)을 단축시켰다. 따라서 높은 하중비는 보의 휨성능을 저하시킨다는 것은 명확한 사실이다. 하지만 내화설계 시 일반 건축물의 건설비용을 줄이기 위해 보의 작용하중을 두드러지게 줄일 수는 없겠지만 보의 생존시간을 향상시키는데 도움을 주므로 안전을 중요시하는 원전 구조물이라고 가정한다면 고려해 볼만하다. [그림 6]은 실험체(하중비 70%)중 R.C구조인 슬래브 부분의 크랙패턴을 Catenary action이 발생하기 전 Compressive arch action이 작용하는 부분 중 단부에 압축지배 구간에 있을 때와 인장으로 바뀔 때(화재 후 20분~21분)로 나누어서 보여주는 그림이다. 압축지배 구간에서는 단순지지 보의 휨 거동할 때처럼 슬래브 하부에 인장균열이 발생하는 것을 볼 수 있으며, 이 후 실험체가 인장지배 구간으로 전환되며 슬래브 상부에 사인장 균열이 발생하는 것을 볼 수 있다. 이것은 Compressive arch action에서 Catenary action으로 전환되는 과정에 대한 메커니즘을 이해하는데 도움을 준다.
[그림 7]은 실험체(하중비 70%)중 R.C구조인 슬래브 부분에서 철근의 응력도(stress diagram)를 보여주는 그림이다. 압축구간에서는 단순보의 휨 거동과 거의 유사한 형태로 상부철근은 압축력을 하부철근은 인장력을 받는 것으로 나타난다. 하지만 인장구간으로 들어서는 화재 후 21분에서는 상부와 하부철근의 거동으로 특정되는 것이 아니라 단부의 철근은 인장력을 중앙부의 철근은 압축력을 받는 것으로 나타난다. 이 거동은 휨 성능에 최고에 달하는 시간이 20분이고, 이 때 compressive arch action중 압축력이 최대가 되는 시간이며 이 후 실험체는 팽창에서 수축으로 거동이 바뀌면서 실험체 단부에서는 압축력이 줄어들기 시작하는 구간이다. 또한 이후 축력은 점점 줄어들어 0에 도달하고 이후 catenary action이 발생하게 된다.
4. 맺음말
본 연구는 실제 건축물에서 반드시 존재하는 축 강성을 보에 적용함으로써 실제 거동을 알 수 있는 첫 단계이다. 일련의 시뮬레이션들은 본 실험에 앞서 거동에 대한 예측을 하기 위한 수단이며 실제 실험결과는 이 시뮬레이션과 차이가 있을 수 있다. 하지만 그 거동에 대한 양상은 크게 벗어나지 않을 것으로 판단되며, 이 양상을 통하여 실제 실험결과를 유추해 볼 수 있다.
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