KR20100082968A - 건축부재의 내화 시험장치 및 이를 이용한 건축부재의 내화시험방법 - Google Patents

건축부재의 내화 시험장치 및 이를 이용한 건축부재의 내화시험방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가열로, 재하장치, 시험체의 경계 및 지지조건을 실현하기 위한 시험체 틀, 온도와 재량량 등을 측정하기 위한 측정장치를 이용하여 건축부재인 시험체의 내화성능을 시험하기 위한 내화 시험장치에 있어서, 상기 재하장치를 시험체 내부에 배치된 PC 강연선을 포함하는 긴장재 및 유압잭을 포함하는 긴장수단에 의하여 긴장시킨 긴장재를 시험체에 정착되도록 하는 정착구를 포함하는 긴장장치가 이용되도록 하여,상기 시험체 틀에 유압, 기계적 치구 또는 추와 같은 재하장치가 별도로 설치되지 않아도 시험체에 재하량이 재하될 수 있도록 한 건축부재의 내화 시험장치에 관한 것이다.
내화시험, 시험장치

Description

건축부재의 내화 시험장치 및 이를 이용한 건축부재의 내화 시험방법{FIRE RESISTANCE TEST APPARATUS FOR MEMBER OF BUILDING AND METHOD OF FIRE RESISTANCE TEST FOR ELEMENTS OF BUILDING CONSTRUCTION}
본 발명은 건축부재의 내화 시험장치 및 이를 이용한 건축부재의 내화 시험방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로 건축부재의 내화성능을 시험할 수 있는 건축부재의 내화 시험장치에 있어서 특히 시험체에 소요의 재하량을 보다 용이하게 재하할 수 있는 재하장치를 이용한 건축부재의 내화 시험방법에 관한 것이다.
콘크리트로 제작되는 건축부재(보, 기둥, 벽, 바닥 등)는 실제 사용시에 화재로 인하여 내화성능이 상당량 저하되는 문제점이 발생하게 된다.
이에 건축부재의 다양한 조합으로 시공되는 건축물의 내화성능은 기본적으로 건축부재가 화재에 의한 내화성능을 일정시간 이상 확보할 수 있도록 함으로써 건축물 내부에 있는 사람이 대피할 수 있는 시간을 벌어주도록 하는 기능을 가지도록 법제화(또는 규정화)되어 있는 것이 일반적이다.
예컨대, 미국의 경우에는 도 1a와 같이 건축 구조물별 갖추어야할 내화성능을 구체적으로 규정하고 있음을 알 수 있다.
특히 도 1b에 의하면, 콘크리트가 화재에 의하여 접하는 온도별로 발생하는 영향을 표로 정리한 것인데, 이에 의하면 도 1c와 같이 500℃ 이상에 콘크리트가 노출될 경우, 골재까지 변태됨에 따라 콘크리트가 취성적으로 거동하여 매우 위험한 상태로 노출되고 있음을 알 수 있다.
우리나라에 있어서도 관련 규정은 예컨대, "고강도 콘크리트 기둥, 보의 내화성능 관리기준(이하 "관리기준" 이라 한다.)"과 같은 것을 들 수 있다.
상기 관리 기준에 의하면 설계기준강도 50MPa 이상의 콘크리트(고강도 콘크리트)를 사용한 기둥, 보의 내화성능 확인기준과 방법을 정하고 있는데 이를 특별히 정하는 이유는 고강도 콘크리트의 경우 화재에 노출되었을 경우, 폭렬에 의하여 고강도 콘크리트 표면에서부터 일정층이나 조각 등이 파괴되는 현상이 폭발적으로 발생할 수 있기 때문이다.
즉, 고강도 콘크리트 표면의 폭발적인 폭열발생은 고강도 콘크리트로 제작되는 건축부재가 갖추어야 할 내화성능이 갑자기 소실될 수 있도록 한다는 점에서 상기 폭열발생이 발생하지 않도록 특별히 법적으로 관리될 수 있도록 법제화 하는 것이라 할 수 있다.
이에 상기 관리 기준에 의하면 고강도 콘크리트의 내화성능기준을 KSF2257-1(건축부재의 내화시험방법 일반요구사항)에서 제시한 표준시간-가열온도곡선에 의하여 시험을 시험한 결과 시험체 모두 내화구조 성능기준(국토해양부 고시 제2005-122호)에서 규정한 시간까지 주철근의 온도가 평균 538℃, 최고 649℃ 이하이어야 한다고 규정하고 있다.
따라서, 이러한 규정에 맞는 건축부재가 설계 및 제작되어야 하는데, 이러한 설계 및 제작은 시험에 의하여 입증된 시험성적서를 작성하여 제출하도록 하고 있다.
이러한 시험성적서는 일정한 조건을 갖춘 시험장치에 의하여 시험결과를 기재하도록 되어 있는데, 이러한 시험장치는 예컨대 한국산업규격 KSF 2257-7(건축부재의 내화시험방법-기둥의 성능조건) 또는 KSF 2257-1(건축부재의 내화시험방법-일반 요구사항)에 의하도록 되어 있다.
도 1d는 특히 상기 KSF 2257-7(건축부재의 내화시헙방법-기둥의 성능조건)에 의한 건축부재의 내화성능 시험장치를 도시하고 있다. KSF 2257-1(건축부재의 내화시험방법-일반 요구사항)를 참조하면 이러한 시험장치는 가열로, 재하장치(유압장치, 재하판), 시험체(기둥)의 경계 및 지지조건을 실현하기 위한 시험체 틀(재하틀), 미도시된 온도와 재량량 등을 측정하기 위한 측정장치를 이용하여 건축부재인 시험체의 내화성능이 시험될 수 있도록 되어있다.
특히 상기 재하장치는 재하틀에 설치되는 유압장치에 의하여 축력(미리 결정된 재하량)이 시험체(기둥)에 재하되도록 하고 있으며, 재하판의 경우에는 시험체(기둥)의 상단 및 하단의 구속과 경계조건을 만족하도록 설치되도록 하고 있다.
하지만, 상기 재하장치를 시험체 틀에 설치할 때는 유압장치의 용량, 작용방향 및 재하량을 조절할 수 있는 조절 또는 별도의 측정장치가 필요하게 되는데 시험체의 크기가 클 경우 소요의 재하장치(특히 유압장치 및 작용방향을 조절할 수 있는 장치)를 일일이 구비하는 것은 사실상 비경제적이고 효율적이지 못하다는 문 제점이 있었다.
물론 시험체의 크기를 일정한 비율로 축소할 수도 있지만 이는 실제 시험체에 의한 시험과 대비하여 그 결과치에 대한 신뢰성을 확보하지 못할 수도 있다는 문제점이 지적되었고 상기 관리기준에서도 실제의 크기와 동일한 시험체를 제작하도록 규정하고 있어 실제 비재하 가열시험으로 진행하는 경우가 많았다.
이에 본 발명은 건축부재의 내화 시험장치용 재하장치를 시험체 틀에 직접 설치하지 않아도 시험체에 필요한 재하량을 재하할 수 있도록 함으로써 보다 효과적인 건축부재의 내화 시험장치 및 방법을 제공함을 그 제공하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 다음과 같이 구성된다.
첫째, 건축부재의 내화 시험장치에 있어서 재하장치를 시험체 내부에 배치된 PC 강연선을 포함하는 긴장재 및 유압잭을 포함하는 긴장수단에 의하여 긴장시킨 긴장재 및 정착판을 시험체에 정착되도록 하는 정착구를 포함하는 긴장장치에 의하여 대체할 수 있도록 하였다.
결국, 시험장치에 장착해야 하는 종래의 재하장치를 굳이 설치하지 않고서도 간단하게 시험체에 필요한 재하량이 재하될 수 있도록 하는 발상의 전환을 한 것이다.
둘째, 상기 긴장재는 시험체 내부에 긴장재 설치개수 및 긴장재 배치 위치에 의하여 재하량의 크기 및 편심이 결정될 수 있도록 할 수 있도록 함으로서 보다 효율적인 재하량 조절이 가능하도록 하였다.
이로써, 본 발명에 의하면 건축부재의 내화 시험장치용 재하장치를 구성함에 있어서, 보다 경제적이고 효율적인 재하량 재하가 가능하여 보다 신빙성을 확보할 수 있는 건축부재의 내화 시험장치용 재하장치 제공이 가능하게 됨을 알 수 있다.
앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 일 실시예는 본 발명의 기술적사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
본 발명을 보다 명확하고 용이하게 설명하기 위해서 이하 본 발명의 최선의 실시예를 첨부도면에 의하여 상세하게 설명하며, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으므로, 본 발명의 범위가 아래에서 설명되는 실시예에 한정되지 않는다.
먼저, 본 발명에 의한 내화 시험장치는 기본적으로 한국산업규격 KSF 2257-7(건축부재의 내화시험방법-기둥의 성능조건) 또는 KSF 2257-1(건축부재의 내화시험방법-일반 요구사항)에 따라 제작된 것을 이용하게 된다.
예컨대 "고강도 콘크리트 기둥, 보의 내화성능 관리기준(이하 관리기준 이라 한다.)"에 의하면 설계기준강도 50MPa 이상의 콘크리트(이하 “관리대상 콘크리트”라 한다)는 관리대상 콘크리트 기둥형 시험체의 내화성능을 평가하기 위한 시험방법은 수직부재용 가열로를 이용하는 경우 KSF 2257-7의 시험방법에 의하되 비재 하 가열시험인 경우 수평부재용 가열로를 이용하도록 되어 있으며, 상기 KSF 2257-7의 시험방법은 KSF 2257-1을 인용하고 있어
결국, 본 발명에 의한 내화 시험장치도 KSF 2257-7 및 KSF 2257-1에 의한 규정을 기본으로 제작된다.
이에 상기 KSF 2257-1에 의하면 내화 시험장치는
a) 시험 조건에 따라 시험체를 구속할 수 있도록 설계된 가열로
b) 가열로 온도를 조정할 수 있는 조정 장치
c) 가열로 내에서 고온의 가스 압력을 조절 및 관측할 수 있는 장치
d) 시험체를 설치할 수 있고 가열로에 부착할 수 있으며, 가열, 가압 및 지지 상태를 계속 유지할 수 있는 시험체 틀
e) 하중의 조절 및 관측과 적절하게 시험체에 재하 및 구속을 할 수 있는 장치
f) 노(爐) 내 온도, 시험체 비가열면 온도 및 필요시 시험체 내부의 온도를 측정하는 장치
g) 시험체의 변형을 측정하는 장치
h) 시험체의 차염성을 평가하고 성능 기준의 적합함을 입증하며, 경과 시간을 입증할 수 있는 장치를 구비하도록 하고 있는바,
이를 정리하면 크게 온도 조정이 가능한 조정장치와 가스압력 조절/관측할 수 있는 장치가 설치된 가열로(상기 a,b,c, 이하 간단히 가열로), 재하장치(상기 e), 시험체의 경계 및 지지조건을 실현하기 위한 시험체 틀(상기 d), 온도와 재하 량 등을 측정하고 성능기준의 적합함을 입증하는 장치를 포함하는 측정장치(상기 f,g,h, 이하 간단히 측정장치)로 구성되게 된다.
이러한 본 발명에 의한 내화시험장치의 예(단면도)를 도시한 것이 도 2이다.
상기 도 2에 의하면, 먼저 시험체 틀(200)이 제작되어 설치되고 있음을 알 수 있는데, 이러한 시험체 틀(200)은 예컨대 철골을 이용하여 설치될 수 있다.
즉, 바닥체(100)에 수직철골(210)을 설치하고 상기 수직철골(210) 상부를 서로 연결하는 수평철골(220)로 시험체 틀(200) 구성되도록 하되, 그 형성높이는 적의 조정되도록 한다.
이러한 시험체 틀(200) 내측에는 가열로(300)가 설치되는데, 이러한 가열로는 KSF 2257-1에 의하면 액체 또는 가스 연료를 사용하며, 다음의 능력( a) 수직 또는 수평 구획 부재의 한쪽 면 가열, b) 벽의 1면 이상 가열, c) 기둥의 모든 면 가열, d) 보의 3면 또는 4면 가열 )을 가진 것으로 하도록 규정되어 있으며,
위에서 살펴본 것과 같이 미도시된 온도 조정이 가능한 조정장치와 가스압력 조절/관측할 수 있는 장치가 설치되어 있게 된다.
결국, 가열로(300)는 시험체(400)에 화재가 발생한 상태를 만들기 위한 가열수단임을 알 수 있다.
이러한 가열로(300) 내부에는 예컨대 건축부재인 기둥부재로서 시험체(400)가 상하방향으로 설치되는데, 이러한 시험체는 건축부재로서 축력을 실제 받는 상태로 설치되게 때문에 반드시 축력이 재하된 시험체로서 가열로 내부에서 가열되어야 한다.
하지만, 도 1d와 같은 종래의 내화시험 장치에 의하면, 유압장치 및 재하판에 의하여 상하단이 구속되도록 한 상태에서, 시험체의 상단을 유압장치가 하방으로 눌러주도록 하기 때문에 만약 시험체의 높이가 커지고, 축력이 크게 발생되어야 할 경우에는 상당한 용량의 유압장치 및 재하판이 구비되어야 한다.
특히 고강도 콘크리트에 의하여 제작된 시험체의 경우에는 그 시험체의 높이가 더더욱 커질 수밖에 없으므로 소요의 축력(재하량)이 재하되도록 하는 재하장치를 구비하기가 현실적으로 매우 어렵기 때문에 비재하 가열시험으로 대체하는 경우가 많았다.
이에 본 발명에서는 상기 종래의 재하장치(유압, 기계적 치구 또는 추와 같은 재하장치)를 대신할 수 있는 긴장장치가 이용될 수 있도록 하였다.
즉, 시험체를 PC 부재로 미리 제작하는 것이라 할 수 있다.
이러한 PC 부재로 시험체를 제작하기 위해서 도 3a 및 도 3b와 같이 시험체 내부에 배치된 PC 강연선을 포함하는 긴장재(510) 및 유압잭을 포함하는 긴장수단(520)에 의하여 긴장시킨 긴장재를 시험체에 정착되도록 하는 정착구(530)를 포함하는 긴장장치(500)가 이용된다.
상기 긴장재는 PC 강연선을 이용할 경우 미리 (고강도)콘크리트로 제작되는 시험체용 거푸집 내부에 철근과 같이 미리 쉬스관을 이용하여 배치되도록 하게 되며, 상기 시험체용 거푸집 내부에 (고강도)콘크리트를 타설한 후, 양생시키고, 거푸집을 해체한 후, 시험체의 단부에 노출된 긴장재를 유압잭과 같은 긴장수단(520)을 이용하여 긴장시킨 후, 시험체에 긴장된 긴장재가 정착판, 쐐기와 같은 정착 구(530)에 의하여 정착되도록 하여, 최종 소요의 축력(재하량)이 재하된 상태로 시험체(500)를 제작할 수 있도록 하게 된다.
이러한 긴장장치(500)를 이용하는 이유는
첫째, 긴장재의 설치개수를 조절하여 프리스트레스 도입을 용이하게 조정할 수 있으며, 대용량의 프리스트레스도 긴장재에 의하여 경제적으로 도입할 수 있기 때문이다.
둘째, 긴장재의 설치위치를 조절하여 시험체에 편심이 작용되도록 하여 보다 다양한 현장조건을 시험체에 반영시킬 수 있다는 점이다.
예컨대, 시험체의 일측으로 긴장재의 설치위치를 집중시키게 되면, 집중된 긴장재에 의하여 프리스트레스가 집중되어 시험체의 축력(재하량)이 편심작용 될 수 있도록 할 수 있게 됨을 알 수 있다.
셋째, 이러한 긴장장치는 시험체 틀에 설치하지 않고 별도로 시험체에만 설치될 수 있도록 할 수 있어 시험체 틀에 고가의 재하장치, 측정장치의 설치를 생략할 수 있기 때문에 보다 경제적인 내화 시험장치의 구축이 가능하게 됨을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 기술적 특징은 내화시험 장치에 있어서, 재하장치를 긴장장치로 대체한다는 점이 핵심을 이루게 되며 이로써 종래 비재하 가열시험에 의한 문제점을 일거에 해결할 수 있게 됨을 알 수 있다.
측정장치는 미도시 하였으나, 온도/가열로 압력/변형/차염성을 측정할 수 있도록 장치로서 열전대, 센서, 기계적/광학적/전기적 변형측정기/게이지가 될 수 있 을 것이다.
이와 같은 장치적 구성을 이용하여 최종 시험체의 내화성능을 측정하여 결과를 도출해야 하는데, 이러한 도출방법은 다음과 같이 이루어진다.
가) 시험체의 크기에 따라 2개 또는 1개의 시험체를 설치하고, 온도측정 부위별 열전대를 연결하고,
나) 내화시험은 KS F 2257-1(건축부재의 내화시험방법-일반요구사항)의 표준시간-가열온도곡선(도 4 참조)을 이용하여 해당성능의 시간까지 가열하고,
다) 시험중 시험체에 설치된 열전대를 이용하여 시험체 내부의 온도를 측정하고,
라) 시험중 시험체의 온도가 성능기준을 초과할 경우 그 직전을 내화성능으로 하며 성능기준을 초과하지 않을 경우, 종료시간을 내화성능으로 하는 과정을 거쳐 도출하게 되며,
최종 실험결과는 다음의 항목을 가진 시험성적서로 완성될 수 있도록 하게 된다.
a) 시험 기관명 및 주소, 시험 일자
b) 의뢰자명, 주소, 시험체 제품 및 관련 부품(확인된 경우) 제조자명
c) 시험체의 구조 상세와 사진(사진은 가능할 경우)
d) 시험체의 내화 성능과 관련된 사용 재료의 특성, 수분 함유량 및 양생 상태의 결정 방법
e) 내력 부재의 경우, 시험체에 적용된 재하량 및 계산 근거
f) 시험체의 지지, 구속 조건 및 이론적 선정 근거
g) 열전대 위치, 변형 및 압력 측정 장치의 위치와 관련 자료, 시험 중 이러한 장치로부터 산출한 자료의 그래프 또는 표
h) 성능 기준을 근거로 한 시험 종료 결정 사항과 시험 중 시험체의 중요한 관찰 사항
i) 시험체의 내화 성능
j) 비대칭 구획 부재의 경우, 시험을 실시한 시험체의 방향과 그 시험체의 반대면을 시험하였을 경우의 시험 결과의 적합성
도 1a는 건축부재로서 구조물의 내화성능을 표로 정리한 것이고,
도 1b는 콘크리트의 온도별 영향을 표로 정리한 것이고,
도 1c는 고강도 콘크리트의 온도에 따른 하중-변형률 곡선이고,
도 1d는 종래 내화성능 시험장치의 예를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 의한 시험장치의 예를 도시한 것이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 의한 긴장장치의 예를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 의한 내화시험방법의 일예를 도시한 것이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100:바닥체
200:시험체 틀
300:가열로
400:시험체
500:긴장장치

Claims (5)

  1. 가열로, 재하장치, 시험체의 경계 및 지지조건을 실현하기 위한 시험체 틀, 온도와 재량량 등을 측정하기 위한 측정장치를 이용하여 시험체의 내화성능을 시험하기 위한 건축부재의 내화 시험장치에 있어서,
    상기 재하장치를 시험체 내부에 배치된 PC 강연선을 포함하는 긴장재(510) 및 유압잭을 포함하는 긴장수단(520)에 의하여 긴장시킨 긴장재를 포함하는 긴장장치(500)가 이용되도록 하여, 상기 시험체 틀에 유압, 기계적 치구 또는 추와 같은 재하장치가 별도로 설치되지 않아도 시험체에 재하량이 재하될 수 있도록 한 건축부재의 내화 시험장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 긴장장치는 시험체 제작 시 미리 시험체에 설치되도록 하여 미리 재하량이 재하된 시험체가 시험체 틀에 설치되어 내화성능이 시험되도록 한 건축부재의 내화 시험장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 긴장재는 시험체 내부에 긴장재 설치개수 및 긴장재 배치 위치에 의하여 재하량의 크기 및 편심이 결정될 수 있도록 할 수 있는 건축부재의 내화 시험장치.
  4. 시험체의 내화성능을 시험하는 건축부재의 내화 시험방법에 있어서,
    시험체의 경계 및 지지조건을 실현하기 위한 시험체 틀을 설치하는 단계;
    상기 시험체 틀 내측에 건축부재로써 재하량이 미리 재하된 시험체(400)를 제작하여 설치하되, 상기 재하량의 재하는 시험체 내부에 배치된 미리 배치된 PC 강연선을 포함하는 긴장재(510) 및 상기 긴장재를 긴장시키기 위한 유압잭을 포함하는 긴장수단(520)를 포함하는 긴장장치(500)에 의하도록 미리 이루어지도록 하는 단계; 및
    상기 시험체 틀에 내화시험을 위한 가열로, 온도 등의 측정장치를 설치한 후, 상기 시험체의 내화성능을 측정하는 단계를 포함하여, 상기 시험체 틀에 유압, 기계적 치구 또는 추와 같은 재하장치가 별도로 설치되지 않아도 시험체에 재하량이 재하될 수 있도록 한 건축부재의 내화 시험방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 재하량의 재하크기는 긴장재의 설치개수로 조절될 수 있도록 하고, 상기 재하량의 재하에 의한 편심상태는 시험체 내부의 긴장재 배치위치로 조절될 수 있도록 한 건축부재의 내화 시험방법.
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