철근콘크리트의 화재 2

3. 화재 특성

(1) 고온에서의 콘크리트, 철근의 성상

① 서론

고열을 받는 콘크리트는 가열온도의 상승과 더불어 그 이론적 성질이 현저하게 변한다. 강재는 온도 상승과 동시에 300-400℃에서 역학적 특성에 큰 변화를 일으킨다.

(가) 콘크리트는 일반적으로 온도 상승과 더불어 강도가 저하하지만 탄성은 현저하게 소성화된다.

(나) 보통 잘 이용되는 강모래, 강자갈 콘크리트는 500℃이상에서는 탄성을 거의 소실한다.

(다) 콘크리트는 일반적으로 온도가 상승하고 고온도가 되면 열전율이나 온도 전달율이 감소한다.

(라) 보통 강모래.강자갈 콘크리트는 500℃이내에서는 강도가 시간이 경과함에 따라 자연 회복한다.

(마) 고온도의 열팽창보다는 20℃ 정도 작다. 고온도로 상승하면 콘크리트와 철근과의 협동작용은 어렵게 된다.

(바) 강재는 강도와 탄성의 저하는 작지만 콘크리트의 큰 고온팽창과 함수율 때문에 화재가열을 만나면 국부적인 폭열 현상이 발생되며 부재의 포면 콘크리트는 파편과 같이 파쇄되어 비산한다.

② 철근콜크리트 구조물의 火害

일반적으로 철근콘크리트 구조의 화재에서는 구조에의 표면이 800-1,200℃의 수시간동안 접촉하게 된다. <그림12>는 구조재에 상정되는 三種類의 화재가 열의 온도가 계속되는 시간을 예시하였다. 철근콘크리트 구조체가 화재가열을 받으면 부재는 콘크리트 및 철근도 온도가 상승되어 火害를 일으키는데 크게 둘로 나누어 생각할 수 있다.

(가) 직접적인 火害

주로 화재가 발생한 중앙부에 현저하게 나타내며 보의 하단에서 급열되어 국부적으로 고온도가 되어 콘크리트는 강도를 위시하여 탄성도 잃고 주근도 온도 상승과 동시에 탄성이 저하되므로 보 전장에 걸쳐서 처지게 된다. Rahamn의 우각부도 강성을 잃고 마치 Pin 접합에 가까운 상태가 된다. 천장의 바닥면이나 보의 주면은 폭열한다. 또한 보의 주근은 큰 열팽창 때문에 피복콘크리트를 밀어내고 콘크리트를 박리시킨다.

이로 인하여 주근은 외부에 노출된다. 화염이 집중되는 기둥의 상단부분에서의 우각 콘크리트는 박리되며 축극은 노출되어 국부적으로 굴곡한다. 단면이 작은 작은보에서는 주근이 전장에 걸쳐서 노출되어 하단 콘크리트만 약간 남게 되는 현상이 일어난다. 이외에도 보 하단에서 급열되어 상부 비가열측으로 향하여 이차 곡선적인 온도분포곡선이 형성되기 때문에 콘크리트보 Web부의 인장균열을 발생하며 보전주에 걸쳐서 연직균열의 병렬이 일어난다. 한편 보의 만곡과 열팽창의 동반으로 주근의 이음이 2-3cm 정도 밀리게 된다. 따라서 보통 이음공법으로는 불안하며 이것이 콘크리트보의 처짐이 되는 큰 원인이 된다.

(나) 이차적 火害

이차적 火害라는 것은 주로 열응력에 의하여 일어나는 화재의 피해로서 화재시에 주로 보의 하부 또는 측면에서 급열된 보는 열 만곡과 큰 열팽창을 일으키므로 가구나 벽체에는 비교적 큰 열변형과 열응력이 일어난다. 즉 화재가 발생된 실 주변에 있는 회측주의 각부에는 큰보가 늘어날 때 동반되는 휨 모멘트로 굵은 수평균열이 발생하거나 가열보와 직결된 기둥 상단부 가까이에 전단 균열이 斜方向으로 생긴다.

③ 고온도에서의 콘크리트의 성질  

(가) 열팽창

고온도에서 있어서의 시멘트 몰탈이나 콘크리트의 열팽창은 <그림13>∼<그림16>의 도표에서 110-140℃를 변화의 경계역으로 생각한다.

<그림13> 고온시의 순시멘트멀탈콘크리트 및 철근의 열팽창

<그림14> 각종 골재콘크리트의 열팽창

<그림15> 각종 콘크리트용 골재의 원암의 열팽창

<그림16> (a) A지산골재 콘크리트의 열팽창

         (b) B지산골재 콘크리트

         (c) C지산골재 콘크리트의 열팽창

         (d) D지산골재 콘크리트의 열팽창

         (e) E지석회암쇄석 콘크리트의 열팽창

(a) 저온팽창

상온선 팽창계수에서 시작되는 저온도의 팽창곡선은 <표1>∼<표4>에서 80∼90℃를 제1차의 정점으로 하고, 함유하는 순시멘트 몰탈의 고온 수축성에 의하여 (<그림13>에서) 온도의 상승과 더불어 팽창율을 감소하여 이행정 110∼140℃에 이른다. <그림13>∼<그림16> 참조

<표1> 시멘트몰탈의 상온선팽창계수(α×10^-6)

<표2> 각종 골재 콘크리트의 열팽창

<표3> 각종골재 콘크리트의 상온선 팽창계수

<표4> (a) 각종 골재 콘크리트의 조합표

<표4> (b) 각종 경량골재 콘크리트의 조합표
석회각콘크리트

천간경석콘크리트

(b) 고온팽창
이행점에서 시작되는 시멘트 몰탈의 고온팽창은 (<그림16>(a)의 A-1∼A-5)골재의 주성분인 사암일 때 크다. 그리고 빈배합 몰탈 일수록 크며 1:5 몰탈인 A-5dlf 때 가장 크다. 이 실험에서 사암질 사를 사용한 A-5는 300∼500℃에서 원암의 A곡선의 70∼80%의 팽창율을 나타낸다. 반대로 당 배합인 경우에는 점차로 팽창이 감소하여 1:1몰탈인 A-1dlfEosms 고온도의 팽창은 대단히 적어져서 콘크리트 곡선은 원암곡선에 접근한다.

A産의 사암질 골재 콘크리트 A-6 및 A-7 곡석은 원암인 A 및 빈배합인 A-5에 가깝다. <그림14> 및 <그림15>는 각종 콘크리트용 골재의 원암의 열팽창과 각종 골재 콘크리트 열팽창곡선을 표시하였다.

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(2) 고온에 있어서의 열전도

콘크리트의 큰 열팽창에 동반하는 열응력의 발생을 산출하는 것은 화재시의 가열부재의 내부온도의 분포를 확인할 필요가 있다.

① 열전도율 및 온도 전도율

시멘트 몰탈 및 콘크리트쎁 고온에 있어서는 열전도율, 온도 전도율의 값은 콘크리트의 온도 자체에 의하여 변화하는 복잡한 값이지만 내부에 포함되어 있는 수분의 이동이나 증발, 또는 결정수에 관한 문제도 있어서 물리적, 화학적인 변화도 복합되는 등 온도 상승에 따른 조직의 변화의 복잡성으로 결정하기 매우 어렵다. <그림19> a 및 b에 의하면 상온 내지 90℃ 부군의 측정치를 채택하여도 공극이나 함수율에 의한 복잡한 변화가 수반된다. 다음<그림20> 및 <그림 21>은 상온에서 고온까지 일관된 측정방법에 따라 고온 전도율 K 및 열전도율 λ의 측정치를 제시한 것이다. 이들 측정방법은 물리시험에 흔히 이용되는 것이다. 원주법에 의한 열전도율 및 원판의 주기적 가열에 의한 온도 전도율의 측정법이다. 시험체는 모두 가열로 속에 설치되고 목표로 하는 온도(정온)까지 천천히 (1.5∼2.0℃/매분)정도로 가열하고 정온을 일시간까지 계속한 후에 측정한 결과치이다. 따라서 함유수도 증발하고 화학적 변화도 상당히 진행한 후에 구한 열상수이다. 그림속에 나타난 콘크리트의 골재는 강 모래, 강 자갈을 사용한 콘크리트의 열상수의 보고는 Illinois 대학의 Carman과 Nelson 그리고 Bush에 의한 것이다. 이들의 측정치도 골재의 암질이나 산지 시험체의 함수율 등 차이를 보이고 있다.

<그림19> (a) 기포콘크리트의 열전도율(O.Kvishen)

         (b) 고온도의 콘크리트의 열전도율(E.Raisobl)

<그림20> 열전도율의 측정장치

<그림21> 고온도에 있어서의 콘크리트의 열전도율의 변화

② 화재시의 콘크리트 부재의 내부 온도의 분포곡선

고온도에 있어서의 콘크리트의 온도 전도율 K(㎡/h)나 열전도율 λ(C.G.S) 등의 측정을 한 후에 콘크리트 부재의 화재시에 있어서의 내부 온도의 분포곡선을 구하여야 한다. 이 분포곡선은 Schmit법에 의한다. 지금 기둥이나 보 등의 단면의 이차원적인 온도분포를 확인하기 위하여 주의점 (x, y)의 시각t에 있어서의 온도를 μ라면
 

다만, c, p : 비열 및 밀도

λ_x, λ_y : x, y방향의 열전도율

일반적으로 λx=λy=λ라고하여 푸면 된다. 원점에 의한 해법은 고온에 있어서의 콘크리트의 λ와 K의 변화를 <그림22> 및 <그림23>라 가정하고 해석한 결과가 <그림24>이다 그 결과 일방향에서 화재 가열을 받은 부재는 <그림25>에 표시된 바와 같은 화재가열에 따른 고온의 온도분포 곡선을 얻게 된다. <그림26(a), (b)>는 이향에서 가열하였을 때의 내부 온도 분포를 그린 것이다. 또한 화성곡선에서 화재의 전경역을 겪은 것이 큰온도곡선을 취하고 있다는 것에 유의하여야 한다. 그림속에서 Δ=열전도율/흡열계수는 가상의 표면까지의 거리이다.

<그림22> 고온도에 있어서의 시멘트 몰탈 및 콘크리트의 열전도율의 변화

<그림23> 고온도에 있어서의 시멘트 몰탈 및 콘크리트의 온도전도율의 변화

<그림24> 온도-계속시간

<그림25> 최고경하 온도분포곡선 3급화재(1방향에서 가열)

<그림26> (a) 화재 최성기에 있어서의 내부온도의 분포

         (b) 3급화재를 2방향에서 받는 부재의 내부온도 분포

(3) 고온서의 콘크리트 강도 및 탄성

가열된 콘크리트의 강도와 탄성의 저하는 골재와 시멘트 페이스트와의 열팽창율이 현저하게 상이한 콘크리트 조직의 이완과 온도상승에 동반하는 자유수와 수화물의 탈수, 기타 물리적 화학적 변화에 의한 것이다. 탄성의 저하도 현저하는데 가열시보다 가열후 냉각된 콘크리트의 경우의 저하가 심하다. 그리고 더욱 더 심한 것은 장기간 계속 가열에 의한 저하이다. <그림27> 및 <그림28>는 피복없는 콘크리트를 2개월간 계속 가열한 실험결과를 나타낸 것이다. 110℃에서의 잔존비율은 강도가 50% 탄성계수는 20%에 가깝다. 그리고 350℃에서 8개월간 가열하면 강도나 탄성의 저하가 극단적으로 심하다는 것도 알 수 있다. 특히 <그림27>에서 점선으로 표시된 것은 보통 공사장에서이용되는 강 모래, 강 자갈 콘크리트로서 Slump 15∼20㎝인 경우로서 화재가열을 목표로 한 단기가열 콘크리트의 강도 F, 탄성계수 Es(1/4)의 저하율을 보이고 있다.

<그림27> 장기가열 콘크리트의 강도, 탄성계수의 저하(80℃, 110℃ 피복 없을 때)

<그림28> 반복 장기가열 콘크리트의 강도 탄성계수의 저하(8개월간 가열피복 없을때)

철근콘크리트 구조의 화재시의 열응력을 계산한 것이 <그림29>이다. 시료로서 잘 이용하고 있는 석회암 쇄석 콘크리트, 안산암 콘크리트 또는 경암 콘크리트, Alumina Cemant콘크리트를 사용하였다. 이들 결과를 정리해 보면 경량콘크리트는 강도도 탄성도 모두 작게 떨어져 내화성이 풍부한 콘크리트이였으며 Aluming Cement Concrete로서 강 모래, 강 자갈을 사용한 경우와 석회암 쇄석콘크리트는 탄성의 저하가 비교적 현저하였다. 이 시험에 적용한 배합은 Slump 15∼18㎝로서 계획된 <표5>와 같다.

<표5> 콘크리트의 배합표

<그림29> 가열된 콘크리트의 잔존강도(下)와 탄성계수

4. 내력진단법 및 보수대책

(1) 화해조사 및 방법

철근 콘크리트조 건물에 화재가 일어났을 경우 그 건물을 철거하느냐 보수하여 재차사용하느냐는 화해의 정도,안전성, 내구성, 경제성을 검토하는 것으로서 결정된다. 즉 화재를 만난 건물이 화재온도가 몇 도 정도이며, 각 부재가 어느 정도의 열을 받았으며, 강도가 어느 정도 저하되었는지를 추정 또는 재하시험을 행하여 안전성을 확인한 후에 결정하여야 한다. 그리고 다음 순서에 따라 조사 검토를 하게 된다.

① 화재범위의 조사

화재 건물의 각층마다의 평면도에 관찰한 화재범위를 가연물, 마감재료의 피해정도까지 포함하여 기록하여둔다.

② 화재하중의 산출

화재의 계속시간, 수열온도의 추정, 구조체의 강도 저하 등 火害度 추정에 참고가 자료는 건물관리자, 사용자에게 정보를 얻도록 한다. 실제로 가연물량은 가연물의 발열량으로 바꾸어지기 때문에 이것을 바탕으로 한 Fire Load를 생각한다. 재료의 발열량은 종류에 따라 다르며 木 재료에서는 4,000∼4,500 kcal/kg 정도이지만 Polyethelene 등 Plastic나 Gasoline는 약 10,000kcal/kg 이다. 여기서 기준재료로서 목재를 대상으로 생각하고 각종 가연물량을 이것과 동 발열량의 목재의 중량으로 나타내고 단위 바닥면적당의 등가 목재중량을 화재하중으로 하여 다음식으로 산정한다.

w=Σ(Gi·Hi)/HoA-----------------------------(10)

다만 w :화재하중(kg/㎡)

Gi : 가연물 중량(kg)

Hi : 가연물의 단위 발열량 kcal/kg

Ho : 목재의 단위 발열량(kcal/kg) 약 4,500kcal/kg

A : 화재구획의 바닥면적(㎡)

가연물에는 바닥재료, 마감재료 등 설계시에 결정되는 고정 가연물과 가구, 서류 등의 적재가연물의 경우는 산정하기 곤란하다. 기둥, 보의 입면도 및 천장에 균열, 폭열, 좌굴 등의 상태를 나타내기 위하여 길이, 폭, 면적을 측정하여 기록하고 위치별로 화길도를 3∼4등급으로 나누어 기호를 사용하여 도시한다.

③ 화재온도를 추정하는데 역할을 하는 시료의 채취

(가) 화재를 입은 부분, 입지 않은 부분의 콘크리트를 철근부근까지 채취하여 추정시험을 하게 된다.

(나) 금속, 유리 등의 용융상태를 관찰 기록하는 동시에 시료를 채취하여 시험한다.

(다) 석고보드, 석면 Slate, 시멘트 판 등의 마감재를 관찰하는 동시에 시료를 채취하여 시험한다.

(라) 내력시험

화재를 입은 철근콘크리트 구조물의 내력판정에는 콘크리트, 철근의 강도저하를 시험하는 재료시험과 구조부재 구면의 내력시험 등의 구조적 시험으로 나누어 생각한다.

ⅰ) 재료시험

이것은 콘크리트의 강도시험과 철근의 인장시험이 있다. 콘크리트의 강도, 탄성에 관한 현장시험을 하게 되는데 Schmidt Hammer, 초음파 시험기를 사용하여 시행하는 비파괴 시험과 Core를 따내여 이것을 실험실에 가지고 가서 시험하는 수도 있다. 콘크리트의 압축 강도를 가장 간단하게 알 수 있는 방법은 Schmidt Hammer를 콘크리트 표면에 타격하여 반발경도를 구하고 미리 구하여 두었던 반바경도와 압축강도와의 관계에서 타격한 콘크리트는 표면열화가 현저하므로 특히 주의하여야 한다. Mortar나 Plaster 등 마감은 완전히 제거되고 균열이나 부각된 부분이나 폭열면, 기둥이나 보의 우각부 등의 타격을 피하고 쇄분을 제거한다. 초음파 시험은 소형이며 가반식 시험으로서 개발되어 현장에서 간단히 시행하게 된다. 시험으로서 개발되어 현장에서 간단히 시행하게 된다. 이 방법은 콘크리트속에 전도된 초음파 Pulse속도를 측정하고 그 값에서 강도, 탄성, 균열, 기타 결함의 유무 등을 조사하는 것이다. 이 방법으로는 탄성계수를 추정하는 것은 비교적 간단하지만 초음파 Pulse 속도가 콘크리트의 배합, 재령, 골재의 종류나 크기 등에 영향되므로 강도 추정은 대단히 복잡하다.

강도추정을 하기 위해서는 콘트 Core에 의한 파괴시험과의 비교 Data가 필요하게 된다. 비교시험을 하지 않고 강도를 추정하는 방법으로는 Schmidt Hammer시험과 초음파 시험의 결과를 조합하여 추정하는 방법이 제안되고 있다. 비파괴 시험에 의한 추정치를 절대시하는 것은 피하여야 한다. 중점적으로는 콘크리트 Core를 채취하여 강도시험을 하는 것이 좋다. 그러나 비파괴시험은 화해를 입은 부분과 입지 않는 부분에 관하여 시행하고 양자를 결과를 비교하면 정성적으로 화해도를 알 수 있다. 철근의 강도는 가열후 거의 회복되기 때문에 콘크리트와 같이 재료시험을 할 필요는 없으나 필요한 경우에는 절취하여 인장시험을 하면 된다. 그리고 콘크리트 강도는 500℃에서 약 20%정도라는 보고가 있으며 화재사례 <표6(c)>의 경우, 화해가 심한 장소에서는 보통 1/6∼1/2 정도로 저하되고 있다. 철근강도는 앞서서도 언급하듯이 가열후 저하된다는 것은 SS41를 예로 들어 보면 <그림30>에서 알 수 있듯이 냉각후에는 거의 강도의 저하를 볼 수 없다는 것을 알 수 있다.

<표6> 화해를 입은 RC건물의 조사결과와 추정수열량의 일례

<그림30> SS41의 가열후의 강도

ⅱ) 재하시험

이것은 보의 연직 재하시험, Slab연직 재하시험 구면의 수평하중시험등이 있다.

이중에서 가장 잘 채용되고 있는 방법은 보의 연직 재하시험이다. 이것은 시멘트 푸대 등을 사용하여 4시간 정도 비교적 자시간 재하후의 잔류 변형도를 측정하여 진단하는 방법이 있다. 다음은 중앙부에 Oil Jack를 사용하여 설계하중의 2배되는 재하를 하고 그 때 중앙부의 처짐량을 정도 1/100mm인 Dial로서 측정하여 잔류처짐의 백분율 10% 이하일 때만 합격으로 한다. 이때 잔류처짐의 백분율은 다음 식에서 구한다.

화재사례(c)는 <표6>인 경우는 후자의 재하방법을 채용한다. 재하방법은 <그림31>과 같다.

<그림31> 보의 재하시험

이때 윗층의 보도 피해를 받기 때문에 Jack의 반력의 윗층 보 중앙부에 걸 수 없으므로 <그림31>와 같은 가열법을 채용한다. 그 결과 화해가 심한 부분에서는 잔류처짐이 10∼15%, 때로는 20%를 넘었던 경우도있었다. 수평재하법은 구조물 전체에 가력하는 방법과 큰 구조물의 일부를 절단하여 원래 구조물에 지지하여 수평력을 가하는 시험법은 <그림32>에서 볼 수 있다.

<그림32> 수평가압시험 예

(2) 화해온도의 추정

화해온도의 추정은 콘크리트를 각종 분석을 함으로써 추정할 수 있지만 콘크리트 이외의 금속, 유리, 석고 Board등 마감재는 열로 인하여 생기는 용융상태에서도 추정하게 된다. 그러나 1항목을 가지고 추정한 다는 것은 위험한 판단이다.

① 콘크리트에서의 추정

(가) 중성화 깊이

콘크리트의 중성화 깊이는 Mortar나 Plaster 등 마감재 두께나 품질에 따라서 크게 좌우되므로 중성화의 값에서 화해온도를 정확히 추정할 수 없으나 정성적으로는 가능하다. 즉 다음과 같은 화학반응에서 추정은 가능하다. 무수 알콜용액을 사용하여 적색으로 물들지 않는 부분(Ca O의 존재)과 물드는 부분(CA(OH)₂의 존재)를 조사하여 적어도 적색으로 물드는 부분은 적어도 500℃이하라고 추정할 수 있다.

Ca(OH₂) 500∼580℃ CaO+H₂O↑

또한 훼놀푸 다렌에 의한 발색은 화재로 이하여 탈수되어 콘크리트속에 수분이 함유하지 않은 경우에는 발색이 어렵지만 실제의 경우에는 소화하기 위하여 적수하거나 열일 냉각후 공기중에서 수분을 흡수하게 되므로 중성화 조사는 문제되지 않는다. 화재를 입은 콘크리트의 중성화를 조사하는 것은 화해도를 조사하는 것이 목적이지만 그 건물을 건설하여 시일이 경과하면 잔연풍화로 중성화하게 된다. 따라서 화재가 일어나기 전에 풍화로 인하여 중성화 되었다면 그 정도를 알 필요가 있다. 여기서 화재가 일어났다면 화해를 입지 않은 부분 또는 화해정도가 작은 부분을 찾아서 수개소에 대한 중성화 깊이를 측정하여야 한다. 우선 화재가 나면 피해부분의 콘크리트를 긁어내고 그 부분에 훼놀푸다렌의 에딜 알콜 용액 1%를 산포하고 재빨리 착색되는 부분까지의 깊이를 측정한다. 그리고 부재 1개에 대하여 상중하 각 점에 대하여 사면을 측정하는 것이 바람직하다.

(나) 중성화 깊이와 탄산가스량

중성화된 부분은 화재에 의한 가열로 CO₂의 방출이 없는 한 통상 Mortar분에 대해서는 15% 정도의 CO₂량이 존재하게 된다.중성화된 부분의 CO₂량을 정량분석하여 CaCO₃가 가열로 인하여 CO₂를 방출하였는지의 여부에 따라 화해온도를 추정하여 Mortar대해 15% 이하이면 화재를 입는 것이 되고 CO₂가 전혀 없을 때에는 다음 식에 의하여 적어도 825℃인 화해온도를 입은 것으로 한다.

CaCO₃ 825℃ CaO+CO₂↑

탄산가스의 부분은 (가에서 중성화 깊이를 측정한 장소에서 훼놀푸타렌 용액을 뿌리지 않은 부분을 탄산 가스 측정시료로 채취하여 비닐 봉지에 넣어 분석하는데 사용할 때까지 밀봉해 두었다가 분석시에 60∼120mesh에 분쇄하여 쓰는데 이때 자갈은 제거하고 시멘트와 모래만을 분석하는데 사용한다. 미리 탄산가스량의 정량방법은 <그림33>에서 볼 수 있는 장치에 의하여 시행한다. 미리 중량을 측정하여둔 가리포(C)를 기밀히 접속한 후에 분해 푸라스크(A)를 사용하여 시료 약 1gr를 정확히 넣고 끊은 물 25∼400cc를 첨가하여 시료를 젖히는 동시에 플라스크 벽에 붙은 시료를 떨어뜨린다. 다음에 콕크(S)를 열어 (h), (g)를 닺이고 점적노과 (f)속에 15∼25cc인 염산 1:1로 넣은 후 조심스럽게 콕크(g)를 사용하여 염산을 흘러내린 후 곧 콕크(S)를 닫는다.

잠시 후 콕크(h)를 열면 (A) 속이 다소 감압하여 구상의 노과(C)의 아랫부분에서 거품이 나온다. 이런 현상이 완만하게 될 때 장치 앞부분에서 천천히 흡인한다. 1∼2분후에 조심스럽게 콕크(S)를 열러 전장치를 통하여 탄산가스를 포함하지 않은 공기를 통과시키는데 다만 그 속도가 가리포를 1초간에 약 2개의 거품을 셀 수 있는 정도로 한다. 공기를 통과시킨 후 흡인을 중지하고 콕크(S) 및 (h)를 닫고 가리포를 풀어서 그 양단을 유리봉이 붙은 고무관으로 막고 데지게이터(Desicator)속에 30분간 방치한 후에 측정한다. (가리포에는 수산화 카리움용액 1:1인 적량을 넣는다.)

(다) 탄산가스 재흡수량

시험하기 위하여 1:2 시멘트 몰탈을 여러 가지 온도에서 가열소성하여 얻는 결과를 이용하는 것이다. 이것은 다음에 기술한 과정을 걸쳐서 CaCO₃가 되는 것을 이용하는 것으로서 화해온도의 추정이 가능하다.

Ca(OH)₂ 500∼580℃ CaO+H₂O

로 되며 더욱이

CaCO₃ 825℃ CaO+CO₂↑

CaO+H₂O→Ca(OH)₂

를 걸쳐서

Ca(OH)₂+CO₂→CaCO₃+H₂O

<그림34> 가열온도와 탄산가스 재흡수량

실험에서 얻은 가열온도와 CO2 재흡수량과의 관계는 <그림34>와 같고 직선관계가 성립한다. 그리고 <표6>은 화재사례를 조사한 결과를 나타낸 것으로서 (A)사례는 2지하2층 지상7층인 건물로서 화재원은 지하1층이며, (B)사례는 건축중에 일어난 화재로서 단열재 포리스티렌이 연소하였고 콘크리트 거푸집이 약간 소실한 예이다. (C)사례는 지하3층 지상8층인 건물로서 화재원은 1층부근으로서 5층까지 전소하였다. 화재의 계속시간은 약4시간으로서 4층이 심하게 화해를 입었다. 또한 이 건물은 (A)사례와 (B)사례와는 달리 철골철근콘크리트조로서 증축을 하기 위하여 4기로 나누어 시공하였다. (D)사례는 지하1층, 지상1층인 제품창고로서 약 7시간 연소하였고 저장된 가열물은 발포 포리에지렌, 나이론 등이 소실되었다.

탄산가스 재흡수량 측정시료는 (나)의 경우와 같이 시료를 채취하였다. 탄산가스재흡수량 측정은 훼놀푸타렌 용액으로서 착색되지 않은 부분에 대하여 시행하였다.

여기서 시표표면에서 5∼10mm 간격마다의 시료를 채취하여 탄산가스 및 탄산가스 재흡수량의 분석을 하였다. 이것은 화해가 콘크리트표면에서 몇 ㎝ 깊이에 몇 ℃로 입었는지를 고나찰할 필요가 있기 때문이다. 탄산가스의 재흡수를 시행하는 경우 화학반응을 일으키게 되므로 반응속도는 농도 또는 온도 등에 의하여 달라진다. 만일 시간적인 여유가 없을 경우에는 35∼40℃인 탄산가스 속에서 촉진시키는 방법을 취한다.

(라) X선 회석

화재를 입은 콘크리트를 X 선 회석하여 화해온도를 추정하는 방법이다. Ca(OH)₂ 및 CaCO₃가 존재하기 때문에 정성적으로는 온도를 추정할 수 있으나 정략적으로 정확히 파악하기 힘든 처지이다.

(마) 시차열 천평분석

재령 1년이상 경과된 1:2, 1:3인 시멘트 몰탈을 각 온도에서 가열연소하여 부착수 결정수의 탈수, Sio2의 변태, 탄산가스방출을 조사하여 그 결과를 실제 화재를 입은 콘크리트의 수열온도 추정에 이용하게 된다.

<그림35> 온도별 가열시료의 시차열천칭분석결과

예비시험에서 <그림35>와 같은 결과를 얻지만 실제 화재가 발생할 때에는 방수 등에 의한 수분이 있기 때문에 부착수의 유무로소는 추정할 수 없으나 고온역에서의 CO₂ 방출 등 열분해에서는 추정할 수 있다. 중요한 곳에서는 콘크리트 Core, 철근의 강도시험 및 재하시험을 한 자료를 종합하여 구조물 전체 또는 부재의 화해도를 판단한다. 이와 같은 판단 내용에 따라 건물을 보수하거나 재건하는 조치를 취하게 된다. <표7>은 건물이 화재를 만났을 때의 화해도 등급을 나타낸 것이다.

<표7> 철근콘크리트 구조의 화해도급별

일반적으로 화해도가 4급정도의 부재가 구조물 전체에 많이 존재할 경우에는 보수 재사용은 안전성이라는 점에서 문제가 있으며 건물을 헐게 되는 수도 있다. 그러나 지층 또는 1층이 심하게 화해를 입지 않을 뿐만 아니라 그 이상층이 건전한 경우에는 헐려서 재건축하는 것은 불경제적이다. 다소 공사비가 들어도 충분히 보수 보강하면 전체적으로 경제적일 것이다. 종합적으로 화해도를 판단하기 위하여 다음과 같은 자료를 작성해 두면 좋다.

(a) 기둥 보 등의 균열, 폭열 상태를 등급별로 명시한 도면으로 된 자료를 작성하여 화재건물의 화해정도를 장소별, 부위별로 나누어 한눈에 볼 수 있게 평면도에 정리하여 둔다.

(b) Duct, 내장재, 저장물의 용융열연상태에서 화해도를 등급별로 나누어서 자료로 한다.

(c) Schmidt Hammer에 의한 강도를 등급별로 나누어 둔다.

(d) 중성호, CO₂량, CO₂ 재흡수량 X선, 시차열 등에 의한 화해온도를 추정하고 장소별, 부위별에 따른 화해온도를 한눈에 볼 수 있게 한다.

(e) 관찰에 의하여 화해도가 눈에 띄게 심한 장도 부위를 명기하여 둔다.

이상과 같은 자료를 종합적으로 검토하여 건물의 내구상 위험하다고 추정되는 장소 부위 또는 안전성을 확인하기 위하여 필요하다고 생각될 때에는 Core 철근 등에 대하여 설계강도, 안전율, 내구성 등을 검토한다. 그 결과 보수하거나 재건하는가를 결정하면 된다.

(4) 보수대책

보수는 화해도에 따라 새로운 콘크리트에 의한 피복이나 철근과 콘크리트에 대한 보강을 하는 등 방법이 있다. 우선 균열이나 폭열이 미미한 경우에는 콘크리트를 주근과 보강근의 표면까지 긁어내어서 Shut Concrete 또는 새로이 거푸집을 대고 콘크리트를 부분적으로 타설한다. 피복전체가 화해를 입어서 균열이나 폭열이 클때에는 Shell Concrete를 완전히 파내어 새로이 콘크리트 타설한다. 콘크리트를 파낼 때 철근에 직접적인 타격을 주어서 손상시키는 일이 없도록하여야 한다. 새로이 타설하는 콘크리트 경량콘크리트를 사용하여 고정하중을 경감시켜서 적재하중에 대하여 보다 효과가 있다. 그리고 콘크리트의 화해이 깊은 곳까지 미치거나 보 및 바닥 Slab에 큰 처짐이나 휨파괴를 나타내고 열응력에 의한 주근의 좌굴이 커서 보를 밀어 내므로서 기둥에 파단 파괴를 일으키는 경우에는 보강근량을 증가시키거나 새로이 주근 또는 보강근을 설정하는 등 보강근량을 증가시킨 후에 콘크리트를 타설한다.

<그림36>은 기둥과 보의 보강예이다.

기둥과보를 보강하므로서 이들과 긴결시키는 내력벽을 설치하는 방법도 있다. 바닥 Slab는 기둥과 보와는 달리 보강보다는 부재전체를 새로이 타설하는 측이 때에 따라서는 간편할 것이다. 끝으로 입은 건물의 피해는 다음과 같은 단계로 분류하고 이에 대한 구체적인 보수방법을 정리하고자 한다.

(가) 기둥, 보 등의 중요한 구조부분에 대해서는 500℃이상의 온도에 노출된 부분이 표면뿐이고 주근 위치까지 화해를 입지 않고 벽, 바닥 등 내력상 건전한 경우

(나) 콘크리트의 피복부분이 거의 500℃이상의 고열에 노출되어 있으나 표면에 끄슬여질 정도이고 폭열이 작은 경우

(다) 콘크리트 표면이 500℃이상의 고온에 노출되고 화재발생시 심하에 끄슬여지고 폭열이 커서 콘크리트 피복이 여러 군데 벗겨지는 경우

(라) 콘크리트부분까지 고온이 작용하여 부재전체의 강성이 저하(주로 콘크리트내부의 탄성계수의 저하가 현저할 때)와 열응력에 의하여 압축력이 주근을 좌굴시켜 피해가 커질 때 보가 열팽창으로 밀려나오는 현상 때문에 기둥이 전단파괴, 보, Slab 주근이 고온으로 가열되기 때문에 일어나는 휨파괴등이 일어나서 어떤 부재는 교체하여야 하는데 특히 (다)와 (마) 정도의 화해를 입은 부재가 많고 구조물 전체로서 붕괴직전에 있는 경우

이상과 같이 5단계의 화해를 입은 건물은 경제적으로 보수하거나 해체하느냐를 결정하는 것도 중요하지만 화해를 받은 장소가 어디인가가 더욱 중요하다. 가령 지하 및 1층이 심하게 화해를 입지 않을 경우에는 재건한다는 것은 대단히 불경제적이다.

따라서 구체적인 모든 조건을 고려하여 검토할 필요가 있다. 그리고 이와 같은 화해단계에 대한 보수대책을 기술하고자 한다.

(가)의 경우는 마감처리만 잘 끝내면 별문제 없다.

(나)의 경우는 (가)의 별다른 것이 없을 것 같으나 피복콘크리트가 중성화되었기 때문에 주근 전단보강근 표면까지 파내어 Shut Concrete 또는 거푸집을 대고 새로운 콘크리트 피복을 하는 것 등의 대책을 세워야 한다.

(다)의 경우는 기둥, 보 등이 어떤 원인으로 간에 현행 구조계산규준에 합격된 배근방식으로 되어 있을 때에는 보강하여야 한다. 또한 새로이 피복된 콘크리트에 의하여 고정하중이 증대되는 것을 방지하거나 재하 하중에 대하여 보다 안전하게 경량콘크리트를 사용하면 유효하다.

(라)의 경우는 콘크리트의 보강, 탄성의 저하 등을 고려하여 보강근량을 증대시킨다.

그리고 기둥, 보 가운데서 약한 부분은 벽체를 설치하여 강성을 증대시키는 보강대책을 세운다.

(마)의 경우는 일반적으로 보강이 불가능하다. 철근이 가열되었다가 상온으로 되돌아 왔을 때의 강도는 가열전과 변화하지 않으므로 특수한 경우를 제외하고는 철근을 교체하는 것은 불필요하다. 그러나 화재시에 인장철근이 500℃를 초과하여 고온을 받아 강복하였을 경우에는 압접부분의 파단이 생겼을 때 주근의 보강도 필요하다. 또한 열팽창에 의한 기둥, 보의 밀려나오는 현상이 일어나서 철근이 좌굴하거나 모좌굴 등의 변위가 철근경의 1/2이상인 때에는 전단보강근을 증강할 필요가 있다.