Research Paper

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association. November 2020. 669-680
https://doi.org/10.9711/KTAJ.2020.22.6.669

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 시험체 제작 및 시험방법

  •   2.1 시험체 제작

  •   2.2 시험방법

  • 3. 내화시험결과

  •   3.1 시험체 내부 온도분포

  •   3.2 시험체 내부 온도분포의 변화

  • 4. 결 론

1. 서 론

풍도슬래브(duct slab)는 횡류식 또는 반횡류식 환기방식을 사용하는 장대터널 또는 장대지하차도에서 차량통행에 따른 배기가스와 터널 내 화재 발생에 의해 발생하는 유독가스 및 연기를 배출하기 위해 사용된다. 풍도슬래브는 일반적으로 난형으로 시공되는 터널 천정부(crown) 좌우측의 어깨부에 브라켓(bracket)을 설치하고 슬래브(slab)를 브라켓에 거치하여 시공한다. 시공성을 위해 슬래브는 프리캐스트 방식으로 공장에서 제작하여 현장에서 설치하며, 슬래브를 연속적으로 맞대어 설치함으로서, 터널천정부와 슬래브 사이의 공간을 형성하고 이 공간이 덕트(duct)역할을 하게 된다.

국내의 터널과 지하차도가 장대화되는 추세이고, 장대터널과 장대지하차도는 일반적으로 중차량(화물차) 통행이 제한되지 않기 때문에 내부에서의 화재발생 위험이 상존한다. 국내의 대표적인 터널 내 화재는 대구지하철 사고(2004)을 말할 수 있으며, 유럽의 몽블랑 터널 화재사고(1999), 일본의 니혼자카터널 화재사고(1979) 등이 대표적이다. 이 밖에도 크고 작은 터널 내 화재가 국내 ‧ 외에서 발생하고 있다. 터널 내 화재는 스폴링(spalling)에 의해 발생하는 구조물의 단면손실로 인하여 내하력 저하와 응력 불균형을 발생시켜 터널의 안정성에 심각한 영향을 주는 원인이 된다(Choi et al., 2010).

터널 화재에서 직접적인 영향을 받는 구조물은 콘크리트 라이닝이다. NATM터널, TBM터널, 지하차도를 막론하고 지하구조물 공간의 마지막 층(layer)은 콘크리트를 사용하기 때문에 많은 연구자들이 콘크리트의 화재저항성능에 대한 연구를 수행하였다. 앞서 말한 바와 같이 화재가 콘크리트 구조물에 주는 가장 큰 영향은 스폴링이라고 할 수 있다. 스폴링은 박락형태로 나타날 수 있고 폭렬(explosive spalling)로 나타날 수 있다. 폭렬의 가장 널리 알려진 원인은 화재에 의한 급격한 온도상승이 콘크리트 내부의 수분을 가열하여 수증기압이 증가이다. 콘크리트의 골재와 시멘트 사이의 수증기압이 콘크리트의 인장강도를 넘어서게 되면 콘크리트 표면이 터져 나가는 현상이 나타나고 이것이 폭렬이다. 반면 온도증가에 의해 콘크리트 시멘트가 수분을 잃고 박락형태로 떨어지는 스폴링이 나타날 수 있다(Khoury, 1992; Hertz, 2003). 스폴링은 콘크리트 재료에 따라 달리 나타나는 것으로 알려져 있고 일반적으로 콘크리트 경화체 조직이 치밀한 고강도 콘크리트에서 보통강도보다 더 크게 나타난다(Phan, 1996; Khoury et al., 2002; Chang et al., 2007; Kodur and Phan, 2007; Choi et al., 2014).

이러한 콘크리트의 손상을 막기 위해 침매터널과 같이 화재가 발생할 경우 매우 심각한 피해가 발생할 수 있는 구조물을 대상으로 내화재가 적용되고 있고, 그 대상이 확대되고 있는 추세이다. 하지만, 건축 부재와는 다르게 터널구조물에서는 MOLIT (2020)의 ‘도로터널 방재시설 설치 및 관리지침(국토교통부)’에서는 제연, 환기, 조명 등 터널의 시설물에 대해서만 규정하고 있어 어떤 경우에 내화재를 사용해야하는지와 성능조건에 대한 규정이 미비한 실정이다. 따라서 현재는 각 중요 구조물을 대상으로 별도의 내화시험을 통해 내화성능을 평가하고 있으며, 그 성능기준으로 ITA (2004)에서 제시하고 있는 가이드라인을 따르고 있다.

본 연구에서는 풍도슬래브의 내화성능을 확보하기 위해 내화재에 대한 화재저항시험을 수행하였다. 일반적으로 슬래브 및 벽면에 설치하는 내화재는 구조물이 완성된 이후 스프레이(spray)방식 또는 패널(panel)을 이용하여 시공되지만, 이번 연구에서는 프리캐스트 슬래브를 만드는 것과 동시에 내화재가 시공되는 슬래브와 내화재 일체형 시험체를 대상으로 하였다.

2. 시험체 제작 및 시험방법

2.1 시험체 제작

프리캐스트 방식 내화풍도슬래브의 화재저항성능을 평가하기 위해 Fig. 1과 같이 시험체를 제작하였다. 시험체는 슬래브의 밑면(underside), 즉 화재 발생 시 접촉하는 터널 내측면에 내화재를 먼저 시공(Fig. 1(a))하고 내화재가 일정강도에 도달하면 이어서 Fig. 1(b)와 같이 철근과 열전대를 설치한 다음, 콘크리트를 타설한다(Fig. 1(c)).

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Fig. 1

Preparation of test specimens

시험체는 Table 1과 같이 내화재의 두께에 따라 총 3개 제작하였고, 화재시험을 위한 가열로 크기에 맞도록 1,400 × 1,000 × 300 mm (가열면 1,100 × 700 mm)로 제작하였다. 시험체의 내부 온도를 측정하기 위한 열전대는 직경 3.2 mm 시스형 열전대(sheathed thermocouples)를 시험체의 중앙부에 설치하였고, 열원(heat source)에 가까운 내화재 부분에는 10 mm 간격으로 설치하고 내화재와 콘크리트 블록의 연결부에 2개, 그리고 콘크리트 블록에서는 20 mm 간격으로 설치하였다(Fig. 1(d)).

Table 1.

Position of thermocouples in the test specimens

Thermocouple No. Position of thermocouples
FM-1 (t = 25 mma)) FM-2 (t = 30 mma)) FM-3 (t = 35 mma))
TC-1 10 mm 10 mm 10 mm
TC-2 20 mm 20 mm 20 mm
TC-3 25 mm 30 mm 30 mm
TC-4 25 mm 30 mm 35 mm
TC-5 45 mm 50 mm 35 mm
TC-6 65 mm 70 mm 55 mm
TC-7 65 mm 70 mm 75 mm
TC-8 75 mm

a) Thickness of fireproofing

내화재는 골재와 수화반응재(석고 및 시멘트)에 고로슬래그 또는 플라이애쉬와 같은 포졸란재를 혼합하고 폭렬방지를 위한 셀룰로오스(Cellulose)와 계면활성제 같은 혼화제를 포함한 재료로서, 압축강도는 25 MPa 이상이고 휨강도는 5~7 MPa, 부착강도는 1.2 MPa 이상이다. 내화재 위에 시공된 콘크리트 블록의 배합설계는 Table 2와 같다.

Table 2.

Concrete mix design

Design
strength
(MPa)
Gmax
(mm)
W/B
(%)
S/a
(%)
Slump
(mm)
Unit weight (kg/m3)
Water
(W)
Cement
(C)
Sand
(S)
Aggregate
(G)
AD1
(%)
AD2
(%)
50 25 27.3 46 180 88 582 836 869 1.16 6.98

2.2 시험방법

시험체는 28일간 양생한 후, Fig. 2(a)와 같이 지하공간 화재모사용 고온가열로에 설치하였다. 가열로는 수평가열로 방식이고 Fig. 2(b)와 같이 가열로 상부에 화재시험을 위한 시험체를 설치하는 구조로 되어 있다. 시험체와 가열로 사이에는 세라믹 섬유 내화단열재를 사용하였다.

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Fig. 2

Furnace and specimen

지하공간에서의 화재는 지상과 달리 급격한 온도상승을 특징으로 한다. 지하공간 화재모사에서 가장 많이 사용하는 화재시나리오는 Fig. 3과 같이 RABT (Richtlinien für die Ausstattung und den Betrieb von Straßentunneln)와 RWS (Rijkswaterstaat)이며, 본 연구에서는 RWS (Rijkswaterstaat) 화재시나리오를 사용하였다.

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Fig. 3

Fire scenarios

화재시험동안 내화재와 콘크리트 블록시험체의 내부 온도는 각 열전대 위치에서 매 1초 간격으로 측정하였다.

3. 내화시험결과

3.1 시험체 내부 온도분포

내화재 두께가 25, 30, 35 mm 인 내화풍도슬래브 시험체에 대하여 Fig. 4와 같이 RWS 화재시나리오 하에서 화재저항 성능시험을 수행하였다.

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Fig. 4

Fire resistance test

화재시험이 완료된 시점(120분)에서 시험체 내부의 온도는 Table 3과 같다. 각 시험체에 대해 화재시험이 완료된 시점(120분)에서 콘크리트블록의 밑면(내화재와의 계면)을 기준으로 t = 25, 30, 35 mm 위치에서의 온도는 Table 3의 ‘*’가 표시된 결과와 같이 내화재 두께가 25 mm인 경우를 제외하고 모두 ITA (2004) 가이드라인에서 제시하는 콘크리트의 손상온도인 380°C 미만으로 나타났다. 또한 철근의 피복두께를 고려할 때, 열전대 번호 TC-5부터 TC-7까지의 온도는 철근의 손상온도인 250°C 미만으로 나타났다(내화재 두께가 35 mm인 경우는 TC-6~TC-8).

Table 3.

Peak temperature of test specimens

Thermocouple Peak temperature
FM-1 (t = 25 mm) FM-2 (t = 30 mm) FM-3 (t = 35 mm)
Time (min) Temp. (°C) Time (min) Temp. (°C) Time (min) Temp. (°C)
TC-1 98.2 1,113.7 103.6 1,081.1 98.1 1,087
TC-2 116.13 853.6 117.15 799.4 120 774.4
TC-3 120 502.3* 120 367.8* 120 486.9
TC-4 120 476.5* 120 334.1* 120 287.7*
TC-5 120 145.8 120 149.4 120 315.1*
TC-6 120 118.2 120 109.5 120 100.1
TC-7 120 119.5 120 104.9 120 92.6
TC-8 120 93.1

Fig. 5부터 Fig. 7까지는 화재저항시험 동안 내화재 두께가 25, 30, 35 mm 인 내화풍도슬래브 시험체 내부의 온도분포를 보여준다. 가열면으로부터 10 mm위치의 온도는 모든 경우 1,000°C 이상으로 측정되었으며, 가열면으로부터 멀어질수록 온도가 감소하는 것으로 나타났다. 최대온도는 대부분 시험종료시간인 120분에서 나타났으며, 내화재 두께가 두꺼울수록 온도가 증가하는 경향으로 마무리되었다. 이것은 RWS화재시나리오가 60분 이후에 온도가 감소하는 형상이고 고온일수록 열전도도(thermal conductivity)가 감소하기 때문으로 판단된다.

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Fig. 5

Temperature-time relationships in FM-1 (t = 25 mm) specimen (RWS)

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Fig. 6

Temperature-time relationships in FM-2 (t = 30 mm) specimen (RWS)

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Fig. 7

Temperature-time relationships in FM-3 (t = 35 mm) specimen (RWS)

Fig. 8은 내화재 두께가 30 mm인 시험체의 화재저항시험 전과 후 내화재의 모습 예이다. 내화재 표면에 망상균열이 발생하였고, 최초의 회색 콘크리트 빛깔에서 부분별로 밝은 갈색(베이지색)과 짙은 갈색으로 변색이 되었다.

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Fig. 8

Surface of fireproofing material before and after fire test under RWS scenario (example, t = 30 mm)

3.2 시험체 내부 온도분포의 변화

내화재의 화재저항성능을 파악하기 위한 시험에서는 내화재와 콘크리트블록의 계면에 열전대를 설치하고 콘크리트 블록의 철근 피복두께 위치에 철근의 온도를 파악하기 위해 열전대를 설치하는 것이 일반적이다. 본 연구에서는 내화재와 콘크리트블록 내부의 온도분포를 더 정확하게 파악하기 위해 내화재와 콘크리트블록 모두에서 열전대 간격을 좁게 설정하여 설치하였다. 특히 내화재 내부의 온도에 대한 알려진 시험결과가 부족한 점으로 고려하여 내화재 내부의 온도측정을 10 mm 간격으로 설정하였다.

Figs. 9,10,11은 각 시험체의 열전대별로 측정된 온도결과를 1분 간격으로 온도의 변화율로 계산한 결과이다. 온도변화가 거의 발생하지 않는 TC-5~TC-8에서는 파악하기 어렵지만, 모든 시험체의 TC-1~TC-4 열전대에서 온도 변화율이 초기에 증가했다가 감소하고 다시 증가하는 경향을 찾을 수 있다. Table 4는 온도변화율이 증가하고 감소했다가 다시 증가하는 시점에서의 시간(분)과 온도를 나타낸다. 이러한 변곡이 발생하는 시간은 일정하지 않지만, 발생한 온도를 살펴보면 110°C 내외에서 발생함으로 찾을 수 있다.

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Fig. 9

Rate of temperature change-time relationships in FM-1 (t = 25 mm) specimen

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Fig. 10

Rate of temperature change-time relationships in FM-2 (t = 30 mm) specimen

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Fig. 11

Rate of temperature change-time relationships in FM-3 (t = 35 mm) specimen

Table 4.

Time and Temperature at inflection point

Thermocouple Time & Temperature (at inflection point)
FM-1 (t = 25 mm) FM-2 (t = 30 mm) FM-3 (t = 35 mm)
Time (min) Temp. (°C) Time (min) Temp. (°C) Time (min) Temp. (°C)
TC-1 8 111 11 111.9 8 109.9
TC-2 19 109.5 24 110.1 23 108.5
TC-3 44 107.2 56 108.9 47 108.4
TC-4 43 108.1 65 111.3 74 109.6
TC-5 68 107.5

콘크리트와 같이 시멘트가 물과 반응(수화반응)하여 생성된 C-S-H (Calcium Silicate Hydrate, CaO-SiO2- H2O)상이 가열에 의해 온도가 상승되면 110°C 이상에서 탈수(dehydration)발생한다. 경화된 시멘트 페이스트(hardened cement paste)의 탈수는 시멘트를 구성하는 겔(CSH)의 붕괴와 마이크로 크랙을 유발한다(Khoury, 1992; JCI, 2002; Khoury, 2002). 본 연구에서 사용한 내화재와 콘크리트는 모두 수화반응이 발생하는 재료이고 Figs. 9,10,11과 같이 내화재와 콘크리트블록의 특정온도에서 변곡점이 발생하는 것은 이러한 원인이 있는 것으로 판단된다.

4. 결 론

프리캐스트 방식으로 슬래브와 내화재가 일체화되어 제작되는 내화풍도슬래브는 내화재 시공시간을 단축할 수 있다는 점에서 효과적이다. 본 연구에서는 풍도슬래브의 내화성능을 확보하기 위해 RWS화재시나리오 하에서 내화시험체에 대한 화재저항시험을 수행하였다.

내화재로서의 성능시험결과는 내화재 두께가 25 mm인 경우에서는 콘크리트의 손상온도기준인 380°C를 충족하지 못하였으나, 내화재 두께가 30, 35 mm에서는 380°C 미만으로 나타났다. 또한 모든 시험체의 철근피복두께 위치에서 철근의 손상온도기준인 250°C 미만으로 나타났다.

내화재 내부의 온도를 측정한 결과, 가열면으로부터 10 mm위치의 온도는 모든 경우 1,000°C 이상으로 측정되었으며, 가열면으로부터 멀어질수록 온도가 감소하는 것으로 나타났다. 최대온도는 대부분 시험종료시간인 120분에서 나타났으며, 내화재 두께가 두꺼울수록 온도가 증가하는 경향으로 마무리되었다.

내화재와 콘크리트 모두에서 온도 변화율이 초기에 증가했다가 감소하고 다시 증가하는 경향이 나타났으며, 다시 증가하는 변곡점에서의 온도가 모든 내화재와 콘크리트에서 110°C로 측정되었다. 이것은 내화재와 콘크리트가 모두 수화반응에 의해 생성된 CSH가 탈수되면서 발생하는 것으로 판단된다. 내화재와 콘크리트에서 발생하는 온도변화율은 추후 해석에 의한 온도변화 연구에서 활용할 필요가 있다.

Acknowledgements

본 연구는 한국건설기술연구원 민간수탁사업 “2020년 지반설계 정수산정 및 분석사업” 중 (주)홍지의 “내화몰탈 일체형 터널 슬래브에 대한 RWS시험”의 지원으로 수행되었습니다.

저자 기여도

최순욱은 연구 개념 및 설계, 원고작성을 하였고, 강태호와 이철호는 데이터분석을 하였고, 김세권과 김태균은 데이터 수집을 하였으며, 장수호는 원고검토를 하였다.

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