KR100432335B1 - 콘크리트 고온특성 실험용 이동식 가열로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기존의 콘크리트 고온 열적 특성시험 장비에 탈착이 가능하도록 제작되어 콘크리트 관련 시험장비의 설치장소에 구애받지 않고 콘크리트의 고온 압축강도, 고온 크리프, 고온 탄성계수, 고온변형등과 같은 다양한 시험을 수행할 수 있는 이동식 소형 가열로에 관한 것이다.

본 발명은, 소정크기의 프레스 다이; 상기 프레스 다이의 상부에 설치되며, 내부공간이 형성되어 있는 가열로 본체; 상기 가열로 본체의 내부 공간에 위치되는 공시체; 상기 가열로 본체의 내주면에 설치되어 소정의 가열온도를 제공하는 가열수단; 상기 가열로 본체의 상,하부에 설치되며, 상기 공시체를 지지하면서 그에 소정크기의 하중을 가하는 재하용 치구; 및 상기 히터의 가열온도를 소정 온도범위에서 조절하는 온도조절수단을 포함하는 이동식 가열로를 제공한다.

Description

콘크리트 고온특성 실험용 이동식 가열로{The Portable Furnace for the Thermal Properties Testing of Concrete at High Temperature}

본 발명은 콘크리트 고온 특성 실험용 이동식 소형 가열로에 관한 것으로, 특히 기존의 콘크리트 관련 시험장비에 탈착가능하게 구성되어 콘크리트의 고온 열적특성과 관련된 고온압축강도, 고온 크리프, 고온 탄성계수, 고온 변형등을 실험할 수 있는 이동식 소형 가열로에 관한 것이다.

일반적으로, 화재는 콘크리트 빌딩 구조물을 비롯하여 도로 고가부분, 교량, 터널등 콘크리트와 관련된 거의 모든 구조물에서 발생될 수 있는데, 화재의 발생시 열을 받은 콘크리트는 급격한 온도상승에 따른 폭열, 온도응력에 기인하는 부재의 파괴, 콘크리트와 철근의 강도, 탄성계수의 저하에 기인하는 부재의 변형등을 발생시킴으로써 콘크리트 구조물의 안전에 심각한 저해요인으로 작용하고 있다.

따라서, 이러한 구조물에는 통상 화재에 대한 콘크리트가 내화성능을 만족할 수 있도록 고온 가열에 따른 콘크리트 압축강도, 압축강도 저감계수, 탄성계수 저감, 크리프, 변형량등과 같은 콘크리트에 대한 고온 열적 특성값의 평가 및 분석을 통한 재료 및 공법이 선택되어져야 한다.

그러나, 현재 국내에서는 이와 같은 고온 가열시 콘크리트에 대한 평가방법이 부재하기 때문에, 화재발생이 예상되는 콘크리트 구조물의 안전확보를 예측하고나 평가하는 것은 불가능하였다.

현재 콘크리트의 내화성능을 판정하는 방법으로서는 "건축구조부재의 내화시험방법-KS F 2257 - 1, 4, 5, 6, 7"의 표준시간 - 가열온도 곡선에 따라 재료 및 부재를 가열하여 그 성능을 평가하도록 하고 있으며, 도1에 도시된 표준시간 - 가열온도 곡선은 실제 건축물의 화재시의 온도를 다양한 실험을 통해 모델화한 온도곡선이다.

하기의 식은 표준가열온도을 곡선을 산출하기 위한 식이다.

T = 345log10(8t + 1) + 20

여기서, T = 로내 평균온도(℃), t = 시간(분)

상기의 식은 현재 전세계적인 표준규격인 ISO(International Organization for Standardization)에서 건축부재(기둥, 보, 벽 등)의 내화실험시 사용되는 표준가열온도곡선을 식으로 나타낸 것이다. ISO 834(Fire Resistance Tests - Elements of Building Construction)의 표준가열온도곡선은 다양한 건축재료(목재, 섬유재 등)에 따른 건축물 용도별(주거시설, 업무시설, 창고시설 등) 화재실험을 통하여 화재시의 재료나 실내 온도상승을 상기 식과 같은 표준적인 형태로 제시하고 있으며, 이러한 식을 도식화한 표준가열온도곡선은 국내의 KS(Korean Standard)를 비롯하여 미국의 ASTM(The American Society for Testing and Meterials)과 영국의 BS(British Standard) 등에서 그대로 적용되는 표준가열온도곡선이다. 현재 국내를 비롯한 전 세계에서 건축부재의 내화실험시 실험체를 가열하는 온도가 상기 식에 따른 표준가열온도곡선에 맞게 가열되어져야 한다.

ISO 834에서 사용하고 있는 표준가열온도곡선은 다양한 실험을 통하여 화재시의 온도상승을 표준화한 가열곡선으로서 시간대별로 가열온도의 상승속도가 표준가열온도곡선과 시간대별로 다르게 나타난다. 즉, 0∼2분(0℃∼400℃)까지는 거의 수직에 가까운 온도상승을 보이다가 2∼87분(400℃∼1,000℃)사이는 반원형의 온도상승으로 가열되다가 87분(1,000℃) 이후부터는 완만한 온도상승으로서 실험체를 가열하도록 하고 있다.

그러나, 기존에 개발·사용되고 있는 대부분의 콘크리트 가열용 소형 가열로는 시간대별 온도상승이 동일하고 가열시작시점부터 종료시점까지 거의 수직에 가까운 온도상승으로 실험체를 가열하고 있기 때문에, 실제 화재상태의 온도조건을 충분히 반영할 수 없어 화재시 콘크리트의 열적평가 특성에 있어 미흡한 실정이었다.

또한, 종래의 콘크리트 가열로는 대부분 고정형 가열로이며, 이러한 고정형 가열로는 실험체를 가열한 후 실험체를 상온에서 냉각하고 냉각된 실험체를 콘크리트 실험장비에 다시 설치하여 가열하는 방식을 사용하기 때문에, 화재시 구조부재의 조건과 맞지 않고, 상기 가열로의 이동 및 운반이 어렵기 때문에 고온 가열된 콘크리트에 관한 극히 제한적인 시험만이 가능한 문제점이 있었다

따라서, 본 발명은 상기한 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 기존의 콘크리트 고온 열적 특성시험 장비에 탈착이 가능하도록 제작되어 콘크리트 관련 시험장비의 설치장소에 구애받지 않고, 화재시의 구조부재(콘크리트 부재)의 조건과 동일하게 실험체를 가열하면서 일정 온도가 도달되었을 때, 콘크리트의 고온 압축강도, 탄성계수, 반복하중, 크리프 등, 고언변형등과 같은 다양한 실험을 수행할 수 있는 이동식 소형 가열로를 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 온도조절 콘트롤러를 사용하여 ISO의 표준가열곡선에 맞게 가열되도록 함으로써 콘크리트의 고온 가열시 콘크리트의 열적특성값에 대한 시험, 분석을 통해 화재시 콘크리트 건축물의 붕괴에 따른 인명피해를 저감할 수 있는 콘크리트 고온특성 실험용 이동식 가열로를 제공함에 다른 목적이 있다.

도1은 일반적인 표준시간-가열온도곡선과, 본 발명에 의한 가열로의 온도곡선 분포도.

도2는 본 발명에 의한 콘크리트 고온특성 실험용 이동식 가열로의 일실시예 구성을 나타낸 단면도.

도3은 도2의 A-A단면도.

도4는 본 발명에 사용되는 콘크리트 고온 열적특성 시험용 공시체의 구성도.

도5 내지 도8은 콘크리트의 고온 열적특성시험의 결과를 나타낸 그래프도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1: 프레스 다이 2: 가열로 본체

3: 공시체 4: 히터

5: 재하용 치구 6: 온도 조절 콘트롤러

7: 힌지 8: 단자

9; 온도감지기

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 소정크기의 프레스 다이; 상기 프레스 다이의 상부에 설치되며, 내부공간이 형성되어 있는 가열로 본체; 상기 가열로 본체의 내부 공간에 위치되는 공시체; 상기 가열로 본체의 내주면에 설치되어 소정의 가열온도를 제공하는 가열수단; 상기 가열로 본체의 상,하부에 설치되며, 상기 공시체를 지지하면서 그에 소정크기의 하중을 가하는 재하용 치구; 및 상기 히터의 가열온도를 소정 온도범위에서 조절하는 온도조절수단을 포함하는 이동식 가열로를 제공한다.

이하, 첨부된 도2 내지 도8의 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 콘크리트 고온 열적특성 시험용 이동식 가열로는 기존의 콘크리트 열적특성 시험장비에 탈착가능하게 제작되어 설치장소에 상관없이 콘크리트 내화성능을 위한 다양한 시험을 수행할 수 있도록 구현한 것으로, 본 발명은 도1에도시된 바와 같이 1000℃ 이상의 가열은 가열로의 안전상 무리가 있기 때문에 0℃∼1000℃까지는 ISO 834의 가열식(T = 345log10(8t + 1) + 20)에 따른 표준가열온도곡선과 동일하게 가열할 수 있도록 제작하였으며, 1000℃ 이후부터는 동일한 온도인 1000℃로 계속 가열할 수 있도록 제작한 것이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 구성을 도2 및 도3을 통하여 살펴보면 다음과 같다.

도면에 도시된 바와 같이, 소정크기의 프레스 다이(1)와; 상기 프레스 다이(1)의 상부에 설치되며, 후술할 콘크리트 공시체를 위치시키기 위한 내부공간이 형성되어 있는 가열로 본체(2)와; 상기 가열로 본체(2)의 내부 공간에 위치되며, 상면에 다수의 열전대(3a)가 돌출되게 구비된 공시체(3)와; 상기 가열로 본체(2)의 내주면에 설치되어 소정의 가열온도를 제공하는 히터(4)와; 상기 가열로 본체(2)의 상,하부에 설치되며, 상기 공시체(3)를 지지하면서 그에 소정크기의 하중을 가하는 재하용 치구(5); 상기 히터(4)의 가열온도를 조절하는 온도조절 콘트롤러(6) 및 상기 가열로 본체(1)를 관통하여 설치되며, 일단이 열전대(3a)에 연결되어 가열로 본체의 내부 온도를 감지하여 온도조절 콘트롤러(6)에 인가하는 온도감지기(9)로 구성된다.

여기서, 상기 가열로 본체(2)는 원통을 수직으로 절개한 두 개의 제1 및 제2 반원 원통부(2a, 2b)와, 상기 제1 및 제2 반원원통부(2a, 2b)의 일면에 각각 장착되어 그들을 분리 및 결합하기 위한 힌지(7) 및 상기 제1 및 제2 반원원통부(2a, 2b)의 외주면에 돌출되게 장착되어 상기 온도조절 콘트롤러(6)와 전기적으로 연결하기 위한 단자(8)로 구성되어 있다.

이와 같은 가열로는 우선 기존의 콘크리트 실험장비에 제1 가열로(2a)를 올려놓은 후 나머지 제2 가열로를 올려 놓고, 제1 및 제2 가열로의 절개부위에 힌지를 장착하여 결합된다.그리고, 상기 가열로 본체는 온조조절 콘크롤러(6)를 전선으로 연결하고 온도조절 콘트롤러(6)가 실험실의 전원과 연결되면 가열로의 코일이 가열되면서 실험체가 가열되게 된다. 또한 실험체가 어떠한 온도로 가열되는 지는 가열로 좌우에 설치된 3곳의 온도 감지기(9)를 통해 가열온도를 감지하여 상기 온도조절 콘트롤러(6)의 표시판에 온도를 표시하게 된다.

상기 가열로 본체와 히터(4)는 통상의 어랜덤 몰드(Arandam Mold)형으로 제작되는데, 이는 , 크롬, 알루미늄 및 코발트로 이루어진 직경 3mm의 가열코일(재료명 : Kanthal A-1)이 세라믹 단열재에 매몰된 구조이다. 즉, 가열로 내부를 싸고 있는 단열재(세라믹)에 히터용 코일이 매몰된 구조이다.

상기 공시체(3)는 도4에 도시된 바와 같이 굳지 않은 콘크리트를 몰드물에 담고, 상기 콘크리트가 초결(1시간정도)이 이루어지기 전에 콘크리트 시험장비와 접하는 표면에 적어도 3개 이상의 열전대(3a)가 돌출되게 구비하여 제작된다.

상기의 콘크리트 공시체 제작방법은 KS F 2425 '실험실에서 콘크리트 시료를 만드는 방법'에서 규정하고 있는 방법으로서 공시체 표면의 평활도에 관한 규정이다. 강도시험에 있어서 하중을 가하는 실험장비의 재하판과 맞닫는 실험체의 표면이 평활하지 않고 기울어지는 경우, 실험체에는 편심이 생겨서 정확한 강도시험이 되지 않게 된다. 따라서, 공시체의 표면은 공시체의 표면에서 가장 높게 튀어나온부분과 가장 낮게 부분과의 거리가 0.02mm이내여야만 한다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 이동식 가열로와 공시체를 통하여 콘크리트의 고온 열적특성에 관련된 시험을 도5 내지 도8을 참조하여 살펴본다. 먼저, 고온 압축강도 및 고온 탄성계수 시험의 경우, 도5 내지 도7에 도시된 바와 같이 이동식 소형 가열로를 콘크리트 압축강도 시험기에 부착한 후, 히터를 통해 콘크리트를 소정 온도범위(20 ∼ 1000℃)에서 가열한 후, 원하는 온도에 도달된 공시체를 가압하여 압축강도와 탄성계수를 구한다. 상기 콘크리트를 가열하는 동안의 콘크리트 내부온도는 콘크리트 내부온도 측정용 열전대로부터 얻어지는 온도값을 별도의 온도측정장치(도시하지 않음)를 통해 확인한다.

또한, 고온 크리프 시험의 경우, 도8에 도시된 바와 같이 이동식 소형 가열로를 콘크리트 크리프 시험기에 부착한 후, 공시체를 상기 가열로 내부에 삽입하고, 히터를 통하여 콘크리트를 소정 온도범위(20 ∼ 1000℃)에서 가열한 후, 원하는 온도에 도달된 공시체에 일정 하중을 가압하여 크리프 변형 및 강도를 구한다. 상기 크리프 시험에서는 공시체에 가하는 하중이 최소 3시간 이상 일정하게 가압되어야 하며, 이때의 콘크리트 내부온도도 일정온도(적용온도 ±25℃)를 유지할 수 있도록 하여야 한다. 또한, 시험기간중의 콘크리트 내부온도는 콘크리트 내부온도 측정용 열전대로부터 얻어지는 온도값을 별도의 온도측정장치(도시하지 않음)를 통해 확인한다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형및 변경이 가능함은 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

전술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 내부에 공시체를 위치시켜 가열할 수 있는 가열로를 기존의 콘크리트 고온 특성 관련 장비에 탈착되게 구성함으로써 필요에 따라 이동하면서 콘크리트의 고온 열적특성과 관련된 고온압축강도, 고온 크리프, 고온 탄성계수, 고온 변형등을 시험할 수 있는 효과를 가진다.

또한, 본 발명은 한국산업규격(KS)에서 제시하고 있는 시간대별 온도상승 조건을 충분히 실현할 수 있어 추가적으로 수직상승 가열온도조건, 수직상승 후 등온 가열온도조건등 다양한 온도조건을 실현할 수 있는 다른 효과가 있다.

Claims (5)

1. 소정크기의 프레스 다이;

   상기 프레스 다이의 상부에 설치되며, 내부공간이 형성되어 있는 가열로 본체;

   상기 가열로 본체의 내부 공간에 위치되는 공시체;

   상기 가열로 본체의 내주면에 설치되어 소정의 가열온도를 제공하는 가열수단;

   상기 가열로 본체의 상,하부에 설치되며, 상기 공시체를 지지하면서 그에 소정크기의 하중을 가하는 재하용 치구; 및

   상기 히터의 가열온도를 소정 온도범위에서 조절하는 온도조절수단

   을 포함하는 이동식 가열로.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 가열로 본체는

   원통을 수직으로 절개한 두 개의 제1 및 제2 반원 원통부;

   상기 제1 및 제2 반원원통부의 일면에 각각 장착되어 그들을 분리 및 결합하기 위한 힌지; 및

   상기 제1 및 제2 반원원통부의 외주면에 돌출되게 장착되어 상기 온도조절수단과 전기적으로 연결하기 위한 단자

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동식 가열로.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 공시체는 굳지않은 콘크리트를 몰드물에 담고, 상기 콘크리트가 초결(1시간정도)이 이루어지기 전에 콘크리트 시험장비와 접하는 표면에 적어도 3개 이상의 열전대가 돌출되게 제작된 것을 특징으로 하는 이동식 가열로.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 공시체의 표면은 공시체의 표면에서 가장 높게 튀어나온 부분과 가장 낮게 부분과의 거리가 0.02mm이내가 되도록 제작되는 것을 특징으로 하는 이동식 가열로.
5. 제1 항에 있어서,

   상기 온도조절수단은

   상기 가열로 본체를 관통하여 설치되며, 일단이 열전대에 연결되어 가열로 본체의 내부 온도를 감지하는 온도감지센서; 및

   상기온도감지센서의 신호를인가받아 소정온도로 가열로 내부의 온도를 조절하기 위한 온도조절 콘트롤러

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동식 가열로.