화재시 철근과 콘크리트의 성질 변화

철근콘크리트를 구성하는 콘크리트와 철근은 화재로 고온에 노출됨에 따라 성질이 변화하여 상온에서 보다 강도가 낮아진다.

 

 

콘크리트의 성질 변화

콘크리트의 경우는 구성 물질과 배합비에 따라 영향이 다르게 나타난다.

밀도

일반적인 콘크리트의 밀도는 2.3~2.5t/㎥이지만, 배합설계에 따라 다르고, 골재의 종류에 따라 달라진다. 특히, 경량 콘크리트의 경우, 다공성 골재를 사용하면서 일반 콘크리트 밀도의 1/2~2/3 수준으로 줄어든다. 콘크리트가 고온에 노출되면, 자유수 및 혼합수가 증발하여 밀도가 감소하는데 400℃정도가 되면 5% 정도의 밀도가 감소하는데 온도에 따른 밀도의 산출식은 다음과 같다.

 

• 20℃≤T≤115℃,
• 115℃＜T≤200℃,
• 200℃＜T≤400℃,
• 400℃＜T≤1200℃,

 

 

 

비열

비열은 수분의 함유량에 따라 변하며, 온도 분포에 따라 달라진다. 이는 자유수 및 혼합수가 증발하기 때문이다.

 

• 20℃≤T≤100℃,
• 100℃＜T≤200℃,
• 200℃＜T≤400℃,
• 400℃＜T≤1200℃,

열용량

콘크리트의 열용량은 밀도와 비열의 곱으로 구한다 석회질 골재와 규산질 골재를 비교하는 경우, 석회질 골재의 열용량의 피크 포인트가 높게 나타나는데, 이것은 석회질 골재의 돌로마이트 분열 작용에 의한 것으로 고강도 콘크리트 부재의 폭열 현상을 일으키는 이유가 된다.

 

• 20℃≤T≤200℃,
• 200℃＜T≤400℃,
• 400℃＜T≤500℃,
• 500℃＜T≤600℃,
• 600℃＜T,

열전도율

콘크리트의 열전도율은 온도와 골재의 종류에 따라 다른데, 보통 금속재료에 비하여 40배 정도 낮은 편으로, 이는 콘크리트를 내화재로 인식하게 하는 큰 이유이지만, 고강도 콘크리트에서 내부 수분의 이동이 불가하여 발생하는 폭렬현상이 발생하는 등 더 이상 내화재료로 말하기는 어렵다. 석회질과 규산질 골재를 사용한 것을 비교하면, 규산질 골재가 석회질 골재에 비하여 열전달 성능이 크다.

 

• 20℃≤T≤800℃, k=-0.00085T+1.9
• 800℃＜T, k=1.22

 

온도에 따른 콘크리트의 성질은 해당 콘크리트의 배합과 골재의 종류, 함수량 등에 따라 달라지지만, 고온에 노출된 콘크리트는 구성 재료의 화학적 상변화와 물리적 특성 변화로 강도 저하가 발생하게 된다. 600℃에 노출되면, 강도는 급격히 저하되며, 800℃에 노출되는 경우, 강도는 약 80% 이상 감소한다.

 

 

 

철근의 성질 변화

철근은 금속의 특성상 열에 상당히 취약하며, 열전도율이 콘크리트에 비해 40배가량 높으며, 고온에서는 이완되기 때문에 강도 역시 상당히 저하된다. 이는 철근콘크리트의 철근뿐만 아니라, 프리스트레스 드 부재의 텐던이나, 철골부재에도 동일하게 적용된다.

밀도

철근의 밀도는 7850㎏/㎥이다. 이는 고온에서도 동일한데, 철근은 단일 재룔 구성되어 있어. 콘크리트의 재료분리, 탈수 등과 같은 현상이 일어나지 않기 때문이다.

비열

철근의 비열은 온도에 따라 변화하는데, 730℃부근에서 재료인 탄소강의 상변화로 인하게 급격히 높아진다.

 

• 20℃≤T≤600℃,
• 600℃＜T≤735℃,
• 735℃＜T≤900℃,
• 900℃＜T≤1200℃,

열전도율

철근의 열전도율은 800℃까지 조금씩 감소하고, 그 이상의 온도에서는 일정한 값을 나타낸다.

 

• 20℃≤T≤800℃,
• 800℃＜T,

 

철근은 약 600℃에서 프리스트레스드 콘크리트에 사용되는 텐던은 약 450℃에서 강도의 50% 이상을 잃게 되는데, 철근의 재료인 탄소강이 고온에서 변형 성능이 커지는 특성에 기인한다.