책임연구원 김정진 - safetynetwork.co.krsafetynetwork.co.kr/home/data/file/data10/2040640939_VMnAYo4b_B7D4B5A5... · 구조 3D 해석 및 최적화 설계 ......

초고층용

고강도콘크리트의

내화성능확보에

관한

연구

책임연구원

김정진

““Creative Innovation R&D strategyCreative Innovation R&D strategy””창조적창조적

혁신을혁신을

통한통한

글로벌글로벌

기술력기술력

강화강화

20092009경영방침경영방침 내실경영

신성장동력확보

창조경영

기술기술

연구원연구원

경영경영

전략전략

20092009기술기술

트렌드트렌드

Value Chain확대

Creative R&D기반

구축GLOBAL

기술기반강화

Total Solution기술

제공

창조

R&D

패러다임

전환

글로벌

기술네트워크

글로벌

기술 트렌드조사

지식기반

글로벌기술정보

관리

글로벌

거점별프로세스

구축

전사적

창조경영지원

전사적

창조경영지원

글로벌기술경쟁력강화

글로벌기술경쟁력강화

미래성장동력확보

미래성장동력확보

원가절감및

공기단축

원가절감및

공기단축

비전경영

녹색성장친환경기술

글로벌 선도기술

기술정보력강화

초고층 기술

창조

R&D

프로세스

해외

초고층 사업진출

신

재생에너지

적용기술

연구

토양

및

지하수오염정화

사업수주

해외

장대터널

및교량

사업

진출

내외부

전문 기술

인력을

통한

Total Solution

제공

기술연구원

연구기획

담당

기술연구팀

건축

담당토목

담당

연구

기획

건축

환경

건축

구조

건설

재료

토목

구조

지반

연구

초고층

구조

및 재료

초고층

담당

미래기술개발팀

건축

분야

건축

분야

초고층기술연구

▪

초고층

구조

3D 해석

및

최적화

설계

기법

▪

초고층

풍진동

제어

연구

▪

해안구조물용

해양콘크리트

시공기술

개발

연구

▪

초고층 RC 구조물

폭열방지

및

내화성능

향상에 관한

연구

▪

초고층

구조물

기초콘크리트

타설

연구

▪

철골조

초고층아파트

시스템

개발

▪

잠실수퍼타워용

고강도

콘크리트

요소기술

확보에

관한

연구

▪

초대형

대각가새(Diagrid

구조설계

및

시공기술

개발)

▪

철골부재

양중

및

시공

측량을

위한

GPS현장

적용에

관한

연구

▪

풍진동

제어

제진장치

실증

실험

연구

▪

초고층

구조물

기둥축소량에

관한

연구

▪

초고층

구조물

건전성

평가에

관한

연구

건축기술연구

▪

건축설계자동화를

위한

통합

데이터베이스

개발

▪

고속화

공정

Cycle을

위한

시스템

거푸집

연구

▪

구조물

장수명화

기술연구

▪

철근콘크리트

구조물의

손상추정에

관한

실험적

연구

▪

콘크리트

테스트

프로그램

▪

내화성

고강도

콘크리트 개발연구

환경

분야

환경

분야

건축환경

기술연구

토목

분야

토목

분야

토목구조

기술연구

지반분야기술연구

▪

일체형

삽입식

연결구를

이용한

스테인리스

배관연결

기술

개발▪

공동주택

내부소음(실외기, 바닥충격음) 개선

방안

연구▪

실내공기질

개선을

위한

설계시공지침

연구▪

결로방지

및

단열성능

개선방안연구▪ 건축물 실내공기 향상 연구▪

지능형

이중외피

시스템

기술

개발▪

신재생에너지

이용기술

건물적용

실용화

기술

개발

(초고층

태양광

채광기술

적용을

위한

연구)▪

에너지

절약형

환기장치

시스템

적용방안

연구▪

신축공동주택

실내공기질

개선방안

연구▪

철근콘크리트

구조물을

이용한

지열교환장치

설치공법

개발▪

차음성능

향상방안

연구▪

주택성능

등급

제도개선

및

대책

연구

▪

폴리프로필렌

섬유보강

폴리머

시멘트

콘크리트의

개발

연구▪

교량, 터널

및

복합건축구조물의

진동저감

신공법

개발(교통하중을

중심으로)▪

강교설계도서검토

및

제작기술자문

연구▪

열차진동에

의한

인접구조물의

진동계측

연구▪

방화대교

기초

및

교각

매스

콘크리트

수화열

제어에

관한

연구▪

광안대교

기초

및

교각

매스

콘크리트

수화열

제어에

관한

연구▪

암거

벽체수직균열

제어

연구▪

서울외곽순환도로

파이프쿨링을

이용한

교량기초

매스콘크리트

수화열

제어에

관한

연구▪

한일해저터널

▪

베트남

기술

프로세스

작성

연구▪

부산

제2월드

부지의

초고층부

굴착방법에

대한

연구▪

원형

Slurry Wall 적용

굴착방안에

대한

적용성

연구▪

동전기를

이용한

점토에서의

염해제거방안

연구▪

측량기술

활용

건설조면

작성

및

검증기술

개발

연구

건축환경기술연구

토목구조기술연구

지반분야기술연구

420.5m

810m

Steel StructureComposite/RC

Structure

순위 이 름 소재지 준공년도 층수 강도(Mpa) 높이(m)

1 Marina City Chicago 1962 60 34 182

2 One shell Plaza Houston 1969 50 41 221

3 Water Tower Place Chicago 1975 74 62 262

4 Trump Tower New York 1982 68 55 202

5 780 Third Avenue New York 1983 50 41 173

6 City Spire New York 1987 72 55 248

7 311 South Wacker

Drive Chicago 1990 79 83 292

8 Baynunah

Tower Dubai 1995 42 75 160

9 Jin Mao Tower Shanghai 1998 88 60 420.5

10 Petronas

Twin Tower Kuala Lumpur 1998 88 80 452

11 Burj

Dubai Dubai 2009 160 80 810

고강도콘크리트가 사용된 초고층 구조물 (전세계 기준)고강도콘크리트가 사용된 초고층 구조물 (전세계 기준)

1970년 1980년 1990년 2009년2000년

남산

타워(1975년)

236.7 M아셈

타워(2000년)

174.29M(41층)

63 빌딩(1985년)

249 M(69층)

서초

현대

슈퍼빌(2003년)

236.7 M(46층)목동하이페리온2차(2006년)

152 M(41층)

타워팰리스(2002년)

256M(66층)

부산롯데타운(2014년)

510 M(107층)

위브더제너스(청주) (2009년)

168M(41층)

초고강도

콘크리트의

요소기술초고강도

콘크리트의

요소기술

강도증진펌프압송

성능유동성증진

수화열저감

내화성능증진

2008년 7월 1일부터 시행시 행 일

동일 현장에서 고강도 콘크리트를 사용하는 경우 높은 설계기준강도의 시

험체를 시험하여 내화성능을 확인하며, 성적서 유효기간은 3년성 능 확 인

KS F 2257-1 에 준한 비재하가열시험을 실시하여 해당 성능의 시간까지주철근의 온도가 평균 538℃, 최고 649℃ 이하

내화성능기준

고강도 콘크리트와 철근으로 구성되며 기둥 또는 보에 내화성능 개선을위한 재료 및 공법을 포함한 것으로 하며, 단, 최종 마감재는 제외

시 험 체

고강도 콘크리트 기둥 및 보 (코어월 예외)대 상 부 재

설계기준강도 50 MPa 이상의 고강도 콘크리트강 도 범 위

건축법시행령 제2조 내화구조와 건축물의 피난⋅방화구조 등의 기준에 관

한 규칙 제3조의 규정 중 고강도 콘크리트를 사용한 기둥, 보의 내화성능

확인방법 등을 정함을 목적

기 준 목 적

2008년 7월 1일부터 시행시 행 일

동일 현장에서 고강도 콘크리트를 사용하는 경우 높은 설계기준강도의 시

험체를 시험하여 내화성능을 확인하며, 성적서 유효기간은 3년성 능 확 인

KS F 2257-1 에 준한 비재하가열시험을 실시하여 해당 성능의 시간까지주철근의 온도가 평균 538℃, 최고 649℃ 이하

내화성능기준

고강도 콘크리트와 철근으로 구성되며 기둥 또는 보에 내화성능 개선을위한 재료 및 공법을 포함한 것으로 하며, 단, 최종 마감재는 제외

시 험 체

고강도 콘크리트 기둥 및 보 (코어월 예외)대 상 부 재

설계기준강도 50 MPa 이상의 고강도 콘크리트강 도 범 위

건축법시행령 제2조 내화구조와 건축물의 피난⋅방화구조 등의 기준에 관

한 규칙 제3조의 규정 중 고강도 콘크리트를 사용한 기둥, 보의 내화성능

확인방법 등을 정함을 목적

기 준 목 적

•폭렬발생 원인과 방지 방안

폭렬발생 상관도

급격한 온도상승 억제

내부 수증기 배출(유기질섬유혼입)

콘크리트의 비산방지

함수율 3% 이하로 건조

폭렬발생

용이

2005년

2월

Spain Madrid Windger

Building 화재

고강도 콘크리트의 폭렬성상

고온에 의한 고강도 콘크리트의 폭렬모식도

Consolazio등 국외학자들의 폭렬이론

1차폭렬

2차폭렬3차폭렬

연차적폭렬현상

주근위치

▣ 고강도콘크리트의 내화대책 종류

표층 온도상승 억제

내화보드내화보드, , 내화뿜칠내화뿜칠,,내화도료내화도료, , 내화모르타르내화모르타르

• 내화 성능 우수• 추가 공정 필요• 재료 선정 주의 필요-

박리, 박락, 내구성 등• 단면 두께 증가

폭렬억제형 피복Con’c

폭렬억제형폭렬억제형

영구거푸집영구거푸집

• 내화성능 우수• 개발단계로서 실적 없음• 재료 선정 및 생산 방법검증 필요

내부 수증기압 저감

합성섬유합성섬유

혼입혼입

• 강도에 따른 검증 필요• 가장 경제적인 공법• 시공성 저하 고려 필요• 화재 발생 후 성능 저하• 수열온도 제어는 곤란

폭렬 비산 방지

와이어메쉬와이어메쉬, , 메탈라스메탈라스, , 강판강판

등등

보강보강

• 단순히 비산 방지 효과• 내화성능 관리기준

대응 곤란• 다른 공법과의 병용

수증기

이동

Bleeding에

의한

이동

섬유

습윤상태

가열

잔골재

굵은

골재

섬유

습윤상태

가열

습윤상태건조상태

가열

1단계 : 가열 후 초기 2단계 : 가열 후 중반 3단계 : 가열 후 종반

PP 섬유-0.9kg/m3 CL 섬유-1.2kg/m3

PP 섬유-1.8kg/m3 CL 섬유-1.8kg/m3 PVA 섬유-2.5kg/m3

PVA 섬유-1.2kg/m3

섬유의 네트워크효과로 강도증진과 함께 고강도콘크리트의 점성증가

가열 초기 폴리론분말의 융해로 수증기의 응집공간 확보에 따른 수증기압 감소

PP섬유 융해에 의해 발생한 통로를 통해 수증기 외부로 이동

NY섬유 융해에 의해 발생한 통로를 통해 내부 및 외부 잔여 수증기 외부로 이동

가열 전 가열 후(120℃) 가열 후(160℃) 가열 후(220℃)

폴리믹스(복합섬유 + 폴리머분말) 내화공법의 폭렬방지 개념도

실험진행 관련 사진

콘크리트

비빔 유동성실험

프리믹싱후

시멘트&섬유프리믹싱용

믹서

공시체

제작 내화실험

표2. 고강도

내화

콘크리트의

배합사항

폭렬방지재밀도

(g/cm3)길이(mm)

직경(mm)

용융점(℃)

분말 폴리머분말 0.93 - 0.25 127

복합섬유

PP섬유 0.91 19 0.07 162

NY섬유 1.15 12 0.02 220

제1섬유(%) 제1분말(%) 제1섬유:분말(%) 복합섬유:분말(%)

0 0 0 0

5 5 100 : 0 100 : 0

10 10 75 : 25 75 : 25

15 15 50 : 50 50 : 50

20 20 25 : 75 25 : 75

- - 0 : 100 0 : 100

표1. 고강도

내화

콘크리트의

배합사항

W/B(%)

S/a(%)

SP/C(%)

질량배합(kg/m3)

W C FA SF S G

22.5 43 1.8 152 507 135 34 660 882

표3. 섬유

및

분말

혼합비

구분

• 섬유

혼입율이

증가할수록

유동성

감소

•섬유와

분말의

혼입율이

1:1일

때 유동성이 가장 양호

1섬유(PP섬유)&분말

혼입율별압축강도

변화복합섬유(PP+NY)&분말

혼입율별압축강도

변화

• 최적비

섬유

: 분말

= 0.05 : 0.05

시험체 제작과정

<철근제작> <철근조립>

<게이지설치>

<거푸집

설치> <콘크리트

타설> <양생>

내화로 기둥부재 설치 후 가열

<내화실험

전> <내화실험

후>

<보-바닥가열로

시험체

설치> <보바닥가열로

시험체

설치>

50, 80MPa 고강도콘크리트 내화실험 결과 실험진행 관련 사진 (피복두께 40mm)

0

200

400

600

800

1000

1200

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

가열시간(분)

온도

(℃)

가열로온도

모서리주근1

모서리주근2

표면주근1

표면주근2

내화인증

규정

최고온도 (649℃)

내화인증

규정

최고온도 (538℃)

0

200

400

600

800

1000

1200

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

가열시간(분)

온도

(℃)

가열로온도

모서리주근1

모서리주근2

표면주근1

표면주근2

내화인증

규정

최고온도 (649℃)

내화인증

규정

최고온도 (538℃)

50MPa 폴리믹스

내화공법(복합섬유

+ 폴리머분말)

80MPa 폴리믹스

내화공법(복합섬유

+ 폴리머분말)

a) 50MPa 폴리믹스공법

(복합섬유+폴리머분말)

b) 80MPa 폴리믹스공법

(복합섬유+폴리머분말)

플레인 내화도료

1mm 내화도료

2mm 내화도료

3mm 내화뿜칠

20mm

내화

PC판-실무조건

시공 내화

PC판

-

밀착식 내화

PC판-이격식 미장

내화보드

25T

(일반보드공법)

내화보드

19T+19T

(일반보드공법)

내화보드

19T+경량기포

(복합피복공법)

내화보드

19T+철판+내화도료

(복합피복공법)

콘크리트 콘크리트 콘크리트 콘크리트스터드 스터드 스터드 스터드

내화보드

25T 내화보드

19T 경량기포모르터내화보드

19T 내화보드

19T철판

내화도료

표2. 피복공법 적용고강도콘크리트 실험계획

실험진행

관련

사진

센서설치 콘크리트

비빔

유동성실험 시험체 제작 및 양생

가열시험체 가열로

표1. 고강도 내화 콘크리트의 배합사항

W/B(%)

S/a(%)

SP/C(%)

질량배합(kg/m3)

W C FA SF S G

22.5 43 1.8 152 507 135 34 660 882

콘크리트

강도

내화 피복재 공법

변수 내용 시험체 수

플레인 - 2EA

내화보드 15T 국내산 내화보드 2EA

내화보드 19T 국내산 내화보드 2EA

내화보드 25T 국내산 내화보드 2EA

내화보드 12.5T 프랑스산 내화보드 2EA

내화보드 15T 프랑스산 내화보드 2EA

내화보드 15T

+ 내화도료 2mm

국내산 내화보드

국내산 내화도료2EA

내화보드 19T

+ 내화도료 2mm

국내산 내화보드

국내산 내화도료2EA

80MPa

가열로 플레인

시험체의

폭렬콘크리트

시험체 국내산

내화보드

국내산

내화보드(15~25mm 설치)

복합내화보드(내화보드

+ 내화도료)프랑스산

내화보드(12.5T 2EA)

복합내화보드

내화

실험후

피복재 15T+도료 2mm를

도포할 경우 일반 방화석고보드 25T와 동등한 효과 발휘

시간(분)

D) 보드15T+도료2mm

시간(분)

온도

(℃)

시간(분)

온도

(℃)

F) 보드19T+도료4mm

온도

(℃)

A) 보드15T

B) 보드19T C) 보드25T

시간(분)

온도

(℃)

시간(분)

온도

(℃)

D) 보드15T+도료2mm

기둥부재 내화보드 설치 상세(2008년 10월 1일 시행, 장소:경기도 이천 방재시험센터)

실기둥

부재(스터드

이용) 실기둥

부재(콘크리트

밀착공법)

고강도콘크리트

(80MPa)

내화보드

(19T)

나사못

C-STUD32X32mm

고강도콘크리트

(80MPa)

고강도콘크리트용타카핀

내화보드

(25T)

내화로 기둥부재 설치 후 가열

<방화석고보드

설치> <보-바닥가열로

시험체

설치>

<내화실험

진행> <내화실험

완료>

강도

80MPa 내화보드

19T실험진행 관련 사진

60MPa 고강도콘크리트

+ 내화보드(19T 2EA)

0

200

400

600

800

1000

1200

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

가열시간(분)

온도

(℃)

가열로내 온도

모서리 주근

표면 주근

내화인증

규정

최고온도

(649℃)

내화인증

규정

최고온도

(538℃)

60MPa 고강도콘크리트

+ 내화보드(25T 1EA)

0

200

400

600

800

1000

1200

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

가열시간(분)

온도

(℃)

가열로내 온도

모서리 주근

표면 주근

내화인증

규정

최고온도

(649℃)

내화인증

규정

최고온도

(538℃)

a) 방화석고보드

25T 1EA

:주철근

최고

온도

: 353℃

b) 방화석고보드

19T

2EA

:주철근

최고

온도

: 274℃

60MPa 고강도콘크리트 내화보드 실험 결과

b) 방화석고보드 15mm 2EA

:주철근 최고 온도 : 220.6℃

80MPa 고강도콘크리트 내화보드 실험 결과

0

200

400

600

800

1000

1200

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

가열시간(분)

온도

(℃)

가열로온도

모서리주근1

모서리주근2

표면주근1

표면주근2

0

200

400

600

800

1000

1200

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

가열시간(분)

온도

(℃)

가열로온도

모서리주근1

모서리주근2

표면주근1

표면주근2

내화인증

규정

최고온도 (649℃)

내화인증

규정

최고온도 (538℃)

내화인증

규정

최고온도 (649℃)

내화인증

규정

최고온도 (538℃)

80MPa 내화보드공법(15mm 2장)

80MPa 내화보드공법(15mm 2장)

폭열발생폭열발생

실험진행 관련 사진 (접합상세 변경 전후)

a) 방화석고보드 15mm 2EA

:주철근 최고 온도 : 878.3℃

내화인증통과

내화인증통과

메가칼럼

B6

38F

66F

89F

105F

코어월

외주부기둥

B1

24F

고층부 구간(40층 이상)

▶

복합 내화피복(내화보드 + 내화도료)공법

-

55~70MPa 메가칼럼부재

내외부

마감상태에

따라

복합내화피복공법

적용

-

55~70MPa 초고강도

콘크리트의

펌핑압송

문제를

고려한

공법

저층부 구간(38층 이하)

▶

복합 섬유(폴리론섬유 + 폴리머분말)공법 적용

-

외주부기둥

단면이

원형이므로

보도적용

불가

-

60~80MPa 초고강도

콘크리트의

펌핑압송

문제를

고려한

공법

(섬유의 엉킴현상을 폴리머분말 첨가로 저감시켜, 유동성 향상시킴)

▶

복합 섬유(폴리론섬유 + 폴리머분말)공법

-

55~70MPa 코아월부재

복합섬유공법

적용

-

55~70MPa 초고강도

콘크리트의

펌핑압송

문제를

고려한

공법

(섬유의 엉킴현상을 폴리머분말 첨가로 저감시켜, 유동성 향상시킴)

60~80MPa

70MPa

60MPa

55MPa

구 분 자 재 명 규 격단 가(원)

수량(M2, M3)

금 액(원)

기둥 부재 제작 비용(1M*1M*3.5M)

기존마감

(일반석고2P)

재료비 일반석고보드 12.5T 1,840 2 3,680

158,760원노무비Dry wall 구조틀 Stud 150미만 4,920 1 4,920

보드설치 두께별 단가 동일 1,370 2 2,740

계 11,340

내화보드

(방화석고2P)

재료비 내화석고보드 15T 2,940 2 5,880

189.560원(+30,800원

추가)노무비

Dry wall 구조틀 Stud 150미만 4,920 1 4,920

보드설치 두께별 단가 동일 1,370 2 2,740

계 13,540

섬유혼입

콘크리트

계복합섬유

(폴리머분말+섬유)19mm,

폴리머 수지5,000

0.1%/M3

(1.0kg)5,000 +17,500+17,500원원

추가추가

부산 롯데타운 (기준 층고 3.5m 기준)

2009년 05월 방화보드 2장으로 80MPa 고강도콘크리트의 내화인증

초고층 마감을 고려한 내화공법 경제성 분석

콘크리트

내화보드

(12.5T)

나사못

C-STUD32X32mm

실내공간

마감

상세(일반석고보드) 석고보드

체결

상세 석고보드

마감

현황

●

콘크리트

구조물의

기둥설계시

피복두께

40mm는

내화성능

확보

불가

●

내화실험

실시

결과(피복두께

40mm 대상)

-50MPa (폴리믹스섬유

0.1%혼입) -> 120~160분

-80MPa (폴리믹스섬유

0.1%혼입) -> 130~160분

●

콘크리트

구조물의

기둥설계시

피복두께

40mm는

내화성능

확보

불가

●

내화실험

실시

결과(피복두께

40mm 대상)

-50MPa (폴리믹스섬유

0.1%혼입) -> 120~160분

-80MPa (폴리믹스섬유

0.1%혼입) -> 130~160분

피복두께(40mm)

피복두께

40mm

고강도콘크리트

폭렬

현황

(피복두께

40mm)

피복두께(50mm)

피복두께

50mm

주철근

및

띠철근10mm 내부로 이동

피복두께

변경(안)

3시간 기준

미만족

기존 실험 결과

대상공법 => 폴리믹스혼입 콘크리트를 활용한 내화성능 확보 공법

복합내화보드(내화보드

+ 내화도료)복합내화보드

내화

실험

후

복합피복공법(내화보드+내화도료)의 내화성능 실험

폴리믹스공법 및 피복두께 증대를 통한 내화성능 향상

고온가열에

의한

미세조직의

파괴

(80MPa급)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0.001 0.01 0.1 1 10

Poro

sity

（V

ol.%

)

Pore diameter （㎛）

Temperature 20℃

Heating Temperature 800℃

Dried from ages of 28days

W/C 25%

0.001 0.01 0.1 1 10 100

고온가열

후

파괴된

미세조직

공극

충전

(80MPa급)

섬유+철분

혼입 시험체

양생 간이가열로

실험

Plain (20℃) Plain (400℃) 섬유+철분(400℃)

콘크리트

내부 철분부식

-> 공극충전 철분부식

-> 공극충전

0

0.3

0.6

0.9

1.2

1.5

0.001 0.01 0.1 1 10 100

Pore diameter(㎛)

Poro

sity

(Vol.%

)

PP+철분(온도 20)

PP+철분(온도 400)

PP+철분 (중성화시험)

PP+철분 (염수침지시험)

Cl

ClCl

-

--

염화물이온

응집현상