1. 서    론

세계적으로 충돌, 테러, 화재, 폭발 등에 의한 사고는 빈번하게 발생하고 있으며, 한 번의 사고에도 수많은 인명 및 재산피해가 발생될 가능성이 높다. 더군다나, 최근 건설동향이 대형화, 초고층화, 고성능화, 특수화됨에 따라 충격 및 고온의 화재 등과 같은 극한하중에 대한 위험성이 더욱 증가되고 있다. 즉, 테러, 폭격, 차량 및 선박 등의 충돌사고 이후 2차적으로 발생 가능한 고온의 화재에 대한 사회적 관심 및 불안감이 고조되고 있으며, 그에 따라 국내의 경우 극한하중에 대한 구조물의 방재시스템의 중요성을 인식하여 충돌, 폭발, 화재 등의 위험도를 정량적으로 평가하기 위한 기술개발 및 재해제어개발에 대한 연구가 일부 이뤄지고 있다.^1-6) 그러나 이는 단지 충돌 혹은 화재 발생 등의 단일하중을 받는 콘크리트 구조물에 대한 제한적인 실험 및 해석적 연구에 국한되어 있는 실정이다.^7-19) 또한, 최근 주요 사회기반 구조물에 적용되는 프리스트레스 콘크리트(Prestressed Concrete, PSC)에 대하여 발생 가능한 순간 충돌 후 고온의 화재에 따른 복합손상 시나리오에 대한 실험 및 수치해석 연구는 상당히 부족한 상황이다.

순간적인 충돌 및 이후 발생되는 고온의 화재에 대한 구조물 손상연구는 지금까지 대부분 테러방지, 방위산업 등의 군사적 목적으로 국방 과학자 및 몇몇 공학도들에 의해 제한적으로 수행되어 왔다.^1,10-21) 그리하여, 충돌 후 발생되는 고온의 화재 문제에 대한 실험적, 수치적, 해석적 연구는 다른 연구 주제들과 다르게 국가 보안 등의 문제로 매우 드물게 보고되고 있다. 그러나 최근 국가 주요시설물에 집중적으로 발생되는 테러 및 충돌, 화재 등이 점차 증가함에 따라 방위산업이 민간 산업분야로 확대되면서 순간적인 충돌 이후 발생되는 고온의 화재와 같은 복합손상에 대한 사회기반 구조물의 파괴 메커니즘, 비선형 해석을 통한 손상도 평가 및 설계가 요구되고 있다.

그러나, 이와 같은 복합손상 관련 연구는 최근 몇몇 연구자에 의해 시도되고 있는 실정이다. Kakogiannis et al. (2013)은 차량 화재로 인한 폭발하중이 발생하였을 경우, 철근콘크리트 중공슬래브의 거동을 검토하기 위하여 실험 및 해석적 연구를 수행하였으며, 화재는 50분 동안 450℃를 적용하였으며, 폭발하중은 350g및 1.5kg의 C4폭발물이 1m 이격거리에서 폭발하는 것으로 가정하여 거동을 검토하였다.²²⁾ 또한, Huo et al.(2009)은 400℃ 고온에서의 CFT(Concrete-filled tubular)의 충돌저항성능을 검토하기 위하여, SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar)를 이용하여 실험적으로 검토하였으며, 400℃ 고온에서 시편의 항복강도가 상온에서의 시편에 비해 15%정도 감소하는 것을 확인하였다.²³⁾ 또한 Huo et al. (2013)은 700℃의 화재손상을 받은 일반 콘크리트 시편의 변형률 속도에 따른 동적거동을 평가하기 위하여 SHPB 실험을 수행하였으며, 온도와 변형률 속도에 따른 동적증가계수를 검토하였다.²⁴⁾ 이와 같이, 충돌 또는 폭발 후 화재에 대한 국내외 연구는 상당히 부족한 상황이다. 더불어, 기존 연구에서도 PSC구조물에 대한 충돌 후 화재에 대한 연구는 현재까지 수행된 자료는 없거나, 하중의 특수성으로 인해 공개된 자료가 없는 실정이다.

그러므로, 본 연구에서는 순간 충돌 후 고온의 화재에 따른 복합손상 하중에 대한 콘크리트 부재의 손상 파괴 메커니즘을 파악하기 위하여, 원전격납건물 벽체 또는 LNG탱크의 외부벽체, 쉴드터널용 콘크리트 세그먼트와 같은 이방향 PSC 구조물을 선정하여 충돌 후 화재에 대한 파괴형상 및 손상특성을 실험적으로 평가하고자 한다. 충돌 후 화재하중에 대한 충돌하중은 14kN의 충돌 추를 이용하여 10m와 3.5m로 낙하하여 거동을 검토하였으며, 화재는 극한 화재시나리오로 가장 대표적으로 적용되고 있는 RABT(Richtlinien für die Ausstattung und den Betrieb von Straβentunneln)화재 곡선을 이용하였다. 일반 철근 콘크리트(Reinforced Concrete, RC)와 프리스트레스트 콘크리트(Prestressed Concrete, PSC)의 거동을 실험적으로 비교 평가하여, 비부착 프리스트레싱 긴장력의 릴렉세이션과 구속압의 복합적인 거동으로 인한 구조물의 응력변화를 검토하고자 한다. 더불어, 충돌 후 화재하중에 의한 구조물의 잔존내력 구조실험을 수행하여 PSC 구조물의 복합손상 특성을 규명하고자 한다.

2. 충돌 후 화재 복합손상 실험구성

본 연구에서 선정된 이방향 PSC 구조물의 충돌 후 화재에 의한 복합 손상특성을 확인하기 위하여, 항공기 충돌로 인해 발생하는 항공유에 의한 화재가 발생한다는 가정 하에 화재시나리오로 구성하였다. 항공유는 그 발화속도가 매우 빠른 특징이 있으므로 외부 화재시 통상적으로 거의 초기 시점부터 최대온도 1100℃에 도달한다고 보수적으로 가정하고 있으며,^1,7) 그에 따라 본 연구에서는 가정한 화재시나리오와 가장 유사한 독일 교통성 도로건설부가 규정하고 있는 RABT 화재 시나리오로 설정하여 실험을 수행하였다. 또한, 충돌실험을 위한 추의 높이와 용량은 충돌실험 조건에 의해 10m, 3.5m 높이에서 14kN의 낙하추로 낙하되도록 선정하였다. 실제 발생 가능한 충돌 후 화재는 극한 복합하중이 연속적으로 발생하나, 본 연구에서는 실험적 제약으로 인해 충돌 하중을 발생 시킨 후 화재실험을 추가적으로 진행하는 방식으로 수행하였다.

2.1 시편제작

이방향 PSC 부재의 충돌 후 화재 복합손상 거동을 검토하기 위하여, 본 연구에서는 실험조건에 따라 실험시편을 Fig. 1과 같이 1400×1000×300mm으로 선정하였으며, 철근비는 0.024, PS 텐던비는 0.0107로 RC 시편 및 PSC 시편을 제작하였다. 시편에 사용된 콘크리트는 40MPa 강도의 콘크리트 배합을 사용하였으며, 대기양생에 대한 콘크리트의 압축강도, 할렬인장강도, 탄성계수, 프아송비는 각각 평균 44.3MPa, 3.9MPa, 32.98GPa, 0.196을 나타내었다. SD300의 D13철근을 100mm간격으로 양단 배근 하였으며, PS 긴장재는 시편사이즈에 효율적으로 구속효과를 발현시킬 수 있도록 ϕ 32 VSL Thread Bar을 사용하여, Fig. 1(b)와 같이 양방향으로 430kN으로 긴장하였다. 실제 PS 강봉에 도입된 긴장력은 360~440kN이 도입되었으며, 콘크리트에 발생된 응력은 9.62MPa만큼 증가한 것으로 계산할 수 있다.

본 연구에서는 충돌 후 화재의 복합손상 거동을 검토하기 위하여 Table 1과 같이 충돌, 화재, 충돌 후 화재시편과 각 하중별로 손상을 받은 시편과 잔류구조성능을 비교검토하기 위한 기준시편을 각각 제작하였으며, 시편은 Fig. 2와 같이 명칭 하였다.

2.2 충돌실험구성

이방향 프리스트레스트 콘크리트의 충돌저항성능을 검토하기 위해, 본 연구에서는 Fig. 3과 같이 국방과학연구소의 다락대시험장에서 14kN의 반구형 추를 이용하여 자유낙하 시험을 수행하였다.⁸⁾ 낙하높이는 10m의 예비실험과 3.5m의 본 실험으로 구성하였으며, Dewe 2600, 1201을 이용하여 500kHz의 sampling rate으로 데이터를 계측하였다. 또한 포텐셔미터를 통해 충돌에 의한 시편의 거동 및 로드셀을 통한 충돌하중, 가속도 및 변형률, 시편에 발생된 균열 및 손상형태를 측정하였으며, 계측센서의 위치는 Fig. 4와 같다.

2.3 화재실험구성

RABT 화재시나리오는 5분 내에 1200℃에 도달하여, 60분간 온도를 유지한 뒤에, 120분간 점진적으로 온도가 감소하는 특성을 가지고 있다. 본 연구에서는 RABT 화재이력곡선을 모사하기 위하여, Fig. 5와 같이 일산 한국건설기술연구원에서 수평 고온가열로를 이용하여 화재실험 및 충돌 후 화재시험을 수행하였다.⁷⁾ 시편은 가열로의 상부에 거치하여 충돌을 받은 시편 전면에 가열손상이 가해지도록 하였으며, 콘크리트 시편에 발생되는 열전달은 Fig. 6과 같이 열전대를 충돌을 받은 면에서부터 50, 100, 150, 250mm의 위치에 설치하여 측정하였다. 열전대의 위치는 충돌에 의한 손상을 방지하기 위하여, 측면에서 측정하였으나, 이는 전면 가열로의 특성으로 인해 위치상의 차이는 없다고 판단된다.⁷⁾

2.4 잔류구조성능 실험

충돌 후 화재 손상을 받은 이방향 프리스트레스 콘크리트의 잔존내력성능을 검토하기 위하여, Fig. 7과 같이 3000kN의 만능시험기를 이용하여 150kg/s의 하중속도로 구조성능실험을 수행하였다. 충돌 후 화재손상에 의한 가압위치를 고려하기 위하여 단순지지에 대하여 선하중으로 가압하였다. 또한, 손상을 받은 면을 압축구간으로 두었으며, 충돌 후 화재손상에 대한 구조성능을 검토하기 위해 충돌, 화재, 일반시편의 성능을 함께 비교 검토하였다.

3. 극한하중 실험결과 및 분석

충돌 후 화재의 손상을 검토하기 위하여, 충돌 및 화재의 각 하중에 대한 손상을 함께 비교 검토하고자 한다. 충돌하중은 14kN의 낙하추를 이용하여 10m, 3.5m의 높이에서 충돌손상을 가했으며, 화재하중은 RABT 시나리오에 따라 화재시나리오를 적용하였다. 충돌 후 화재는 충돌하중을 가한 후 화재하중을 가하는 방식으로 진행하였다.

3.1 충돌실험 측정결과

시편에 작용한 충돌하중은 설정한 높이에서 자유낙하 하여, 3~4번의 바운싱이 발생하였으며, 최대 충돌하중 및 충격량을 측정하면 Fig. 8과 Table 2와 같다. 최대 충돌하중은 12844~13496kN으로 시편 및 높이에 상관없이 그 크기가 유사하게 측정된 것을 확인할 수 있으나, 10m 낙하높이에서 수행한 예비실험에 대한 최대 충격량은 65.07kN-sec으로, 3.5m의 본 실험결과에 비해 약 10kN-sec의 충격량 차이가 발생한 것을 확인할 수 있다. 더불어, Fig. 9는 낙하추의 속도변화와 낙하추의 운동에너지 변화만큼 시편에 흡수되는 충돌에너지를 나타내었다. 자유낙하의 특성으로 3.5m와 10m 높이에서 낙하하는 추의 속도는 각각 28m/s과 14m/s로 측정되었으며, 시편과 충돌한 후에는 각 높이별로 추의 속도가 대략 3.8~4.6m/s만큼 감소하는 것을 확인하였다. 또한 시편이 흡수하는 충돌에너지는 3.5m 높이의 RC, PSC시편은 351.2kJ, 341.6kJ만큼 흡수하였으며 10m 높이에서는 755.05kJ만큼 흡수한 것을 확인할 수 있다. 즉, 높이에 따라 낙하추의 속도변화는 비슷하였으나 PSC-C-2시편과 같이 10m 낙하시편의 경우, 높은 낙하추의 운동에너지만큼 시편에 흡수한 충돌에너지가 큰 것을 확인할 수 있다. 그로 인해 10m에서의 PSC시편(PSC-C-2)은 Fig. 10(e)에서 보는 것과 같이 손상도가 커진 것을 확인할 수 있다. 한편, 본 실험의 경우, RC시편과 PSC시편의 흡수된 충돌에너지가 서로 유사한 것을 확인하였다. 이는 Fig. 10(a)~(d)의 균열 형상에서 RC와 PSC시편의 균열형상이 비교적 유사하게 손상된 것을 확인할 수 있다. 그러나, Table 2에서 볼 수 있는 것과 같이 발생된 표면 균열면적과 관통면적의 합을 시편표면적으로 나눈 손상율로 계산하면, RC시편은 평균 14.64%, PSC시편은 평균9.4%의 손상율이 발생한 것을 확인할 수 있다. 즉 PSC시편이 RC시편에 비하여, 대략 36%의 손상이 적게 발생한 것을 확인할 수 있다.

Table 2에서 보는 것과 같이 RC시편 중앙부의 최대 처짐은 -20.05mm, -21.24mm으로 잔류처짐에 대한 회복률은 0.82, 0.33만큼 회복하는 것을 확인할 수 있으며, PSC시편 중앙부의 최대 처짐은 -50.96mm으로 RC시편에 비하여 2.47배의 큰 처짐이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 그러나, PSC시편의 경우에는 획득한 데이터의 부족으로 인해, 최대 처짐에 대한 신뢰성은 상대적으로 떨어지나, 이를 통해 충돌하중에 대한 콘크리트 시편의 처짐은 콘크리트의 강성보다는 콘크리트 내부의 철근 및 쉬스관 등에 의한 계면과 공극량에 의해 크게 영향을 받는 것을 확인할 수 있다. Table 2와 같이 RC시편에 의한 철근과 콘크리트 사이의 계면을 1.0으로 정상화를 해보면, PSC시편은 RC시편에 비하여 1.404배의 계면이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 이는 콘크리트에 삽입한 철근은 콘크리트 시편의 연성을 증가시켜 충돌저항성능 및 회복력을 향상시키나, 비부착 쉬스관에 의한 콘크리트 시편내부의 계면 및 공극이 증가하여, 큰 최대 처짐이 발생하는 것을 확인할 수 있다.

더불어 측정된 최대가속도와 가속도를 적분하여 계산된 시편의 속도는 Table 2에서 보는 것과 같이 RC시편과 PSC시편이 유사한 것을 확인할 수 있다. 그러나, 시편 속도로 계산된 시편의 운동에너지는 PSC시편이 RC시편에 비해 1.25배의 운동에너지가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이는 앞서 확인한 추의 운동에너지 차이에서 발생한 시편에 흡수된 충돌에너지 중에 일부분은 균열이 발생하였으며, 일부분은 이와 같이 시편의 운동에너지로 변환된 것을 확인할 수 있었다. 즉, 시편에서 측정한 가속도에 의한 속도 및 운동에너지는 균열 및 변형 등의 변수들이 포함되어 있으므로, 시편에 흡수된 충돌에너지는 추의 운동에너지 변화에 의해 계산된 것이 보다 타당하다고 판단된다.

3.2 화재 및 충돌 후 화재 측정결과

Fig. 11~12는 RABT 화재시나리오 및 충돌 후 화재에 대한 RC시편과 PSC시편의 표면손상과 균열도를 나타내었다. Fig. 11(a)에서 보는 것과 같이 화재하중만 받은 RC-F-1시편은 폭렬에 의해 하부철근이 드러났으며, 최대 손상깊이는 Table 3에서 확인할 수 있듯이, 62mm으로 피복부분이 폭렬에 의해 손상되었음을 확인할 수 있다. Fig. 11(b)에서 보는 것과 같이 RC시편은 거북등균열이 발생하였으며, 이는 고온의 열에 의해 시편에 함유된 수분이 전반적으로 이동하였음을 확인할 수 있다.

그러나, Fig. 11(e)~(h)와 Table 3의 손상율과 같이 충돌 후 화재하중을 받은 RC-C-1시편은 8.36%으로, 화재하중만 받은 RC-F-1시편의 10.48%에 비하여 콘크리트 폭렬현상이 적게 발생하였는데, 이는 충돌하중에 의해 발생된 균열을 통해 고온의 열이 방출한 것이라고 판단할 수 있다. 여기서, 충돌에 의한 균열은 회색으로 옅게 표현하였으며, 화재에 의해 발생된 균열은 검은색으로 짙게 표현하였다.

한편, Fig. 12(a)~(d)에서 보는 것과 같이 화재하중에 대한 이방향 PSC시편(PSC-F-1)은 하부 철근 뿐 만 아니라 상부 철근까지 노출되었으며, 최대 손상깊이는 237mm으로 시편 높이의 80%가 폭렬에 의해 손상되었음을 확인할 수 있다. 또한, Fig. 12(d)에서 보는 것과 같이 하부철근은 12분에 철근이 노출되었으나, RC-F-1시편이 17분에 노출된 것에 비하여 PSC-F-1시편에서 폭렬이 5분 빨리 진행되었다. Table 3에서 보는 것과 같이 RC-F-1과 PSC-F-1은 유사한 손상면적을 가지나, 최대 손상깊이에 대하여 손상부피를 구하면 PSC-F-1은 89.38×10⁶mm³으로 RC-F-1의 44×10⁶mm³의 2배 이상의 손상부피가 발생한 것을 확인할 수 있다. RC-F-1시편과는 달리, PSC-F-1시편의 상부면에 발생된 균열은 중앙에서 균열이 찢어지듯이 발생하였으며, 실제 화재하중이 가해질 당시 PSC-F-1시편의 상부면에 솟음이 발생하였다. 이는 이방향 프리스트레스압과 고온의 열에 의해 최대 압축응력이 발생하는 시편 중앙부를 중심으로 폭렬 및 압축하중이 발생하였기 때문이라고 판단된다. 또한, 콘크리트와 철근, PS 쉬스관과 긴장재의 열팽창율의 차이로 인해 RC시편에 비해 폭렬에 대해 높은 가능성이 있음을 확인하였다.

Fig. 12(e)와 Table 3에서 보는 것과 같이, 충돌 후 화재를 받은 PSC시편(PSC-C-1)의 경우 프리스트레스에 의한 압축응력에 의해, RC-C-1시편에 비해 철근이 노출될 정도의 손상이 발생하였으나, PSC-F-1시편이 21.27%의 손상을 받은 것에 비하면 14.23%의 적은 손상이 발생하였다. 또한 10m 높이에서 낙하 후 화재하중을 받은 PSC-C-2시편은 3.5m에서 낙하 후 화재하중을 받은 PSC-C-1 시편보다 29.2%의 손상이 적게 발생한 것을 확인할 수 있다. 이는 충돌에 의해 발생된 균열과 박락된 곳 등으로 고온에 의한 열과 수분이 이동하여, 상대적으로 균열 및 폭렬이 적게 발생하였다고 판단한다.

RABT 화재시나리오에 따른 화재 및 충돌 후 화재를 받은 이방향 콘크리트 패널의 온도이력곡선은 Fig. 13과 같으며, Fig. 14는 열전대 위치별 온도분포를 나타낸 것이다. Fig. 13(a), (c)와 Fig. 14(a), (c)를 통해 RC-F-1시편은 가열면으로부터 50~100mm, PSC-F-1시편은 150~250mm사이에서 단면손실이 발생한 것을 확인할 수 있다. 특히, PSC-F-1과 PSC-C-1시편의 경우에는 가열면으로 부터 50mm(철근 피복두께)위치에서 콘크리트의 폭렬과 탈락으로 인해, 가해진 RABT 화재시나리오에 따른 건조로의 온도와 유사하게 거동하는 것을 확인할 수 있다. 이는 화재하중에 의해 콘크리트 가열면이 하부철근이 노출된 만큼 손상되었음을 의미하며, 250mm에서의 온도분포를 통해 RC-F-1시편과 달리 PSC-F-1시편에서는 상부철근까지 열전달이 이뤄졌음을 확인할 수 있다.

또한, Fig 13(b), (d), (e)와 Fig. 14(b), (d), (e)를 통해 충돌 후 화재를 받은 RC-C-1과 PSC-C-1, PSC-C-2시편은 화재하중을 받은 RC-F-1, PSC-F-1시편에 비하여 위치별 열전달이 적게 발생된 것을 확인할 수 있다. 이는, 충돌 후 화재 시편은 화재하중 시편에 비하여 충돌에 의해 발생한 균열 및 손상부위를 통해 고온의 열이 이동하였으며, 그로 인해 적은 단면손실이 발생한 것을 확인할 수 있다.

 4. 잔존내력 구조성능 평가

충돌 후 화재의 손상을 검토하기 위하여, 각 극한하중에 대한 손상을 비교 검토하였으며, 실제 충돌 후 화재의 경우, 충돌 시 발생된 균열로 인해 시편의 열과 수분이 빠져나가 화재저항성능에 대해서는 비교적 안정적인 성능을 가진 것으로 보인다. 그러나, 콘크리트와 철근, PS 긴장재와 같은 강재는 온도가 증가함에 따라 강도와 강성이 저하되므로, 충돌 후 화재시편의 강성을 검토하기 위해 각 하중 및 충돌 후 화재 손상을 받은 구조물의 잔존내력 구조성능을 평가하고자 한다.

4.1 하중-처짐 곡선

Fig. 15는 화재, 충돌, 충돌 후 화재에 의해 손상을 받은 이방향 RC, PSC시편의 잔존내력 구조성능을 검토하였으며, 구조성능을 비교검토하기 위해 손상 받지 않은 일반 RC시편과 PSC시편에 대하여 검토하였다. 일반 RC 시편은 사인장균열이 발생하지만, 충돌하중을 받은 RC-I-1시편은 전단파괴가 발생하였으며, 화재손상을 받은 RC-F-1시편에서는 화재에 의한 폭렬현상으로 인해 압축단면이 감소하여, 압축파괴가 발생하였다. 충돌 후 화재를 받은 RC-C-1시편은 사인장 압축파괴가 발생하였으며, Table 4와 같이 충돌, 화재, 충돌 후 화재 RC시편의 극한강도는 일반 RC 시편에 비해 0.81, 0.73, 0.76배만큼 감소한 것을 확인할 수 있다. 화재하중을 받은 RC-F-1시편이 충돌 후 화재를 받은 RC-C-1시편에 비해 극한강도가 낮으나, Fig. 15(a)에서 보는 것과 같이 강성이 다른 시편에 비하여 저하된 것을 확인할 수 있다.

Fig. 15(b)에서 볼 수 있듯이 일반 PSC구조시편은 RC구조시편에 비해 1.5~1.6배의 극한하중과 높은 강성을 지니고 있으며, 휨 균열이 발생하였다. 충돌하중을 받은 PSC-I-1시편은 전단균열이 발생하였으나, PSC 구조시편에 비해 0.87배의 극한하중을 나타내고 있다. 이는 PSC시편이 RC시편에 비해 비교적 높은 충돌저항 성능을 지니며, 충돌하중에 의해 강성의 감소는 발생하지 않는 것을 확인하였다. 화재하중과 충돌 후 화재하중을 받은 PSC-F-1과 PSC-C-1시편은 압축단면 감소로 인해 압축파괴가 발생하였으며, PS 긴장재 쪽으로 전단균열이 나타났다. 또한, 화재손상을 받은 PSC시편의 극한하중은 각각 0.536, 0.654배 감소한 것을 확인할 수 있다. PSC시편에 화재 및 충돌 후 화재를 받은 시편은 일반 구조시편 및 충돌하중을 받은 시편에 비해 낮은 강성을 나타내며, 이를 통해 PSC시편이 RC시편에 비하여 화재하중에 민감하게 반응하는 것을 확인할 수 있다. 더불어, 화재손상을 받은 PSC시편은 RC시편과 유사한 극한강도와 거동을 보이나, RC시편에 비해 취성적으로 거동하는 것을 확인할 수 있다. 이는 잔류 PS 긴장력에 의한 압축력과 화재손상에 의한 콘크리트의 강도저하 등으로 인해 취성적으로 거동한 것으로 판단된다.

4.2 하중에 따른 긴장력 이력 변화

비부착된 프리스트레스트 콘크리트 구조물에 사용되는 PS 강봉이나 강연선은 일반철근에 비해 온도상승에 대해 릴렉세이션이 크게 발생 가능함으로,^17-18) 화재하중을 포함하여 충돌, 충돌 후 화재, 잔류하중에 대한 긴장력의 변화를 Fig. 16과 같이 검토하였다. 긴장력의 변화를 측정하기 위해 강봉의 장방향(PL)과 단방향(PS)으로 변형률 게이지를 긴장부(TS), 중앙(C), 단부(ES)에 부착하여 긴장력을 확인하였으며, 게이지 손상으로 계측되지 않은 경우에는 긴장력을 0으로 표시하였다.

Fig. 16(a)~(b)에서 보는 것과 같이 일반 구조시편의 경우, 정하중에 대하여 시편의 단방향(PS-TS, PS-C1, PS-C2, PS-ES)에 대해서는 긴장력이 감소하나, 시편의 장방향(PL-TS, PL-C1, PL-C2, PL-ES)에 대해서는 긴장력이 초기 긴장력과 유사하거나 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이로 인해 릴랙세이션이 발생한 시편의 단방향을 중심으로 시편의 파괴가 주로 발생한 것을 확인할 수 있다. 또한, Fig. 16(c)에서 보는 것과 같이 충돌하중에 대한 긴장력은 프리스트레싱이 가해진 방향성과 상관없이 전반적으로 균일하게 증가한 것을 확인할 수 있다. 그러나, Fig. 16(d)의 화재하중을 받은 긴장력은 화재실험을 종료하는 시점이후 3시간과 20시간으로 나눠 측정한 결과, 시험이 종료된 3시간 이후에는 초기 긴장력에 비하여 시편의 길이방향과 상관없이 23kN~204kN의 릴랙세이션이 크게 발생한 것을 확인하였다. 또한 20시간 이후에도 손상을 받은 긴장력이 회복하지 않았으며, 이를 통해 긴장재는 고온의 화재하중에 대하여 취약한 것을 확인하였다.

이는 Fig. 16(e)~(f)의 충돌 후 화재시편에서도 확인할 수 있으며, 충돌에 의해서는 충돌하중에 의해 긴장력이 초기 긴장력보다 3~28.6kN이 증가하는 것을 확인할 수 있으나, 충돌 후 화재하중에 대해서는 시편의 장방향에 대해서는 100~210kN, 시편의 단방향에 대해서는 30~95kN의 긴장력의 손실이 발생하였다. 충돌 후 화재이후 잔류구조성능을 측정할 시에는 50~317kN의 긴장력이 감소하였으며, 이로 인해 PSC 충돌 후 화재시편이 RC시편과 유사하게 거동하는 것을 확인할 수 있었다.

5. 결    론

본 연구에서는 순간 충돌 후 고온의 화재에 따른 이방향 비부착 프리스트레스트 콘크리트(PSC) 패널의 복합손상을 실험적으로 검토하였다. 충돌 후 화재의 성능을 검토하기 위해 충돌, 화재하중에 대한 각 하중과 각 하중별 잔류구조성능을 비교 한 결과, PSC의 긴장력은 충돌 하중에 비해 고온의 화재에 의한 긴장력의 릴랙세이션이 크게 발생하며, 프리스트레싱에 의해 구속된 PSC시편은 RC시편에 비하여 폭렬과 탈락에 의한 손상이 크게 발생하는 것을 확인할 수 있다. 충돌 후 화재하중을 받는 PSC시편의 경우에는 충돌에 의해 발생된 균열을 통해 고온 및 수분이 이동하여 화재하중에 비해 상대적으로 적은 손상과 높은 잔류구조성능을 나타내고 있으나, 이는 실제 충돌 하중이 가해진 상태에서 화재하중이 발생한다면 더 큰 손상이 발생할 것이라고 판단된다. 그러나, 본 연구를 통하여 충돌 후 화재 복합하중의 순차적 저항성능을 통해 비부착 PSC 구조물의 손상거동을 검토하였으며, 충돌 및 화재해석을 위한 기초자료로서 활용이 가능하다고 판단된다. 추후 PSC 구조물은 충돌 후 화재와 같은 복합손상하중에 의한 취성적 거동을 방지하기 위해서는 반드시 이와 같은 PSC 구조물의 복합손상거동을 바탕으로 하여, 방호 및 방재 설계 검토가 필요하다고 판단된다.