화재에 의한 콘크리트 열변형과 건물의 안전성 검토 방법

1. 개요

(1) 콘크리트의 열적 특성 한계

1) 콘크리트는 내화성이 우수한 불연재료이나, 화재로 인해 고온에 장시간 노출될 경우 내부 수분 기화 및 화학적 분해로 인해 열변형 및 폭렬(Spalling) 현상이 발생함

2) 이로 인해 콘크리트의 압축강도가 저하되고 철근이 노출되어, 구조물의 붕괴 위험이 높아지므로 정확하고 체계적인 검토가 필수적임

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2. 목적

(1)구조물의 잔존 내력 및 안전도 평가

1) 화재 후 구조물이 설계 하중을 계속해서 지지할 수 있는지 평가하여, 추가 붕괴로 인한 인명 피해를 예방하고 사용 재개 가능 여부를 판단함

2)합리적인 보수 및 보강 방안 수립

3) 부재별 손상도(안전도)를 정량적으로 등급화하여, 철거, 단면 보수, 혹은 구조적 보강 중 가장 안전하고 경제적인 복구 방안을 결정하기 위함

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3.온도에 따른 콘크리트의 표면 색상 변화 및 강도 저하

​(1) 수열 온도(받은 온도)별 상태 변화 메커니즘

1)300℃ 이하 (그을음 발생 단계)

① 표면 색상: 가연물의 연소로 인해 표면이 짙은 흑색(그을음)을 띰

② 상태 및 강도: 콘크리트의 압축강도 저하 및 열적 변형은 거의 발생하지 않은 상태이며, 미관상 오염이 주를 이룸

2)300℃ ~ 600℃ (변색 및 강도 저하 시작 단계)

① 표면 색상: 콘크리트 내 산화철의 화학적 변화로 인해 표면이 분홍색(Pink)으로 변색됨

② 상태 및 강도: 수산화칼슘이 열분해되어 중성화가 시작되며, 온도가 500℃를 넘어서면 압축강도가 본래의 50% 이하로 급격히 저하됨

3) 600℃ ~ 900℃ (심각한 손상 및 폭렬 발생 단계)

① 표면 색상: 분홍색에서 점차 탁해져 회갈색 또는 회백색으로 변함

② 상태 및 강도: 극심한 열응력으로 팝콘이 터지듯 콘크리트 표면이 떨어져 나가는 폭렬 현상이 발생해 철근이 직접 노출되며, 잔존 강도는 약 20~30% 수준으로 떨어짐

4)900℃ ~ 1200℃ (완전 파괴 단계)

① 표면 색상: 표면이 담황색(연노랑색)으로 변하며 조직이 완전히 푸석푸석해짐

② 상태 및 강도: 화재 진압 시 물과 접촉하면 급랭 수축으로 인해 조직이 산산조각 나며, 구조적 성능을 100% 상실함

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4 화재 피해 건물의 안전성 검토(진단) 방법

(1) 1단계: 예비 조사 및 육안 조사

1) 수열 온도 및 피해 규모 추정

① 소방서의 진압 기록, 가연물 적재량, 부재의 표면 변색 상태(흑색, 분홍색, 회백색 등)를 종합하여 부재별 최고 도달 온도를 추정함

2) 외관 결함 조사

① 거북등 균열의 폭과 깊이, 폭렬에 의한 피복 두께 손실량, 보 및 슬래브의 과다한 처짐 발생 여부를 정밀하게 실측함

(2) 2단계: 비파괴 조사 및 파괴 조사 (정밀 조사)

1)비파괴 시험에 의한 결함 평가

① 슈미트해머를 이용해 화재 피해부와 비피해부의 표면 반발도를 비교하여 강도 저하율을 확인하고, 초음파 탐상법으로 내부 보이지 않는 균열 깊이를 측정함

2)파괴 조사 및 화학적 시험

① 주요 부재에서 원주형 코어(Core) 공시체를 채취하여 실제 잔존 압축강도를 만능시험기로 확인함

② 채취한 단면에 페놀프탈레인 용액을 분무하여 고온 열분해에 의한 중성화 진행 깊이를 측정함

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5.안전도 평가 기준 및 후속 조치 방안

(1) 화재 피해 손상도(안전도) 등급 분류 및 조치

1)경미한 손상​ (안전도 '상' / 300℃ 이하)

① 평가: 강도 저하가 거의 없고 구조적으로 안전한 상태

② 조치: 고압 살수 등을 통한 표면 그을음 세척 및 재도장 작업만으로 사용 가능함

2)중간 손상 (안전도 '중' / 300~600℃ 구간)

① 평가: 분홍색 변색 및 얕은 균열이 발생하여 피복 콘크리트의 내구성이 저하된 상태

② 조치: 손상된 콘크리트 층을 깎아내고(치핑), 부착력이 우수한 에폭시 수지나 폴리머 몰탈을 이용해 단면을 복구하는 보수 공사가 필요함

3)심각한 손상 (안전도 '하' / 600~900℃ 구간)

① 평가: 회백색 변색, 심각한 폭렬, 철근 노출 및 처짐이 발생하여 구조물이 하중을 견디기 위험한 상태

② 조치: 뼈대의 힘을 보충하기 위해 단면 복구 후 탄소섬유시트 부착, 철판 압착 보강, 단면 증설 등 강력한 구조 보강재 시공이 필수적임

4)붕괴 위험 (안전도 '최하' / 900℃ 이상)

① 평가: 담황색 변색 및 굵은 골재까지 파괴되어 기둥, 보 등 주요 구조재가 내력을 완전히 상실한 붕괴 직전의 상태

② 조치: 보강으로 안전성을 확보할 수 없으므로, 해당 구역 또는 건물 전체를 철거하고 재시공해야 함

(2) 구조 해석을 통한 최종 안전성 검증

1)해석 프로그램 적용

① 정밀 진단에서 얻어낸 부재별 '잔존 단면적'과 '잔존 압축강도' 수치를 구조 해석 프로그램에 입력하여 전체 건물의 재해석을 실시함

② 산출된 결과를 토대로 보강 설계도면을 작성하여 시공함으로써, 건물의 장기적인 안전성을 최종 확보함