구조 내화설계 — 표준화재 곡선, 세 파괴 기준, 화재 하중조합과 폭렬

구조 내화설계는 부재가 표준화재에 몇 분을 버티는지를 확인하는 일에서, 실제 화재 시나리오에서 구조물이 어떻게 거동하는지를 계산하는 일로 옮겨가고 있다. 두 접근은 요구 하중도, 판정 기준도 다르다.

이 글은 NIST Technical Note 1681, "Best Practice Guidelines for Structural Fire Resistance Design of Concrete and Steel Buildings"을 근거로 한다.

1. 표준화재 곡선

대부분의 국가는 대형 내화시험으로 재료와 구조부재의 화재 성능을 평가한다. 시험에 쓰는 시간-온도 곡선이 표준화재다. 실물 크기 시험이 축소 시험보다 선호되는 이유도 명시되어 있다 — 열팽창, 수축, 국부 손상, 하중을 받는 상태의 변형을 포함해 시공 방식 자체를 평가할 수 있기 때문이다.

가장 널리 쓰이는 시험 규격은 ASTM E119, NFPA 251, UL 263, ISO 834이며, 다른 모든 국제 내화시험 표준도 유사한 시간-온도 곡선을 규정한다. 두 곡선의 온도는 다음과 같다.

시간 (분)ASTM E119 (°C)ISO 834 (°C)

02020

5538576

10704678

30843842

60927945

12010101049

24010931153

48012601257

ISO 834는 식으로도 정의된다 — T = 345 log₁₀(8t + 1) + T₀ (t는 분). ASTM E119 곡선은 이산점으로 정의되며 근사식이 여럿 제시되어 있다.

유로코드는 두 가지 대안 곡선을 더 둔다.

곡선용도와 식

탄화수소 화재부재가 대형 액면화재의 화염에 완전히 잠기는 경우 — T = 1080(1 − 0.325e^(−0.167t) − 0.675e^(−2.5t)) + T₀

외부 부재연소 구획 바깥에 있는 부재 — 화염에 잠기지 않는 한 구획 내부보다 낮은 온도에 노출된다. T = 660(1 − 0.687e^(−0.32t) − 0.313e^(−3.8t)) + T₀

실제 화재는 다르게 전개된다. 개입이 없고 연료와 환기가 충분하면 임계 열유속에서 실내의 모든 가연물이 동시에 착화되며, 이 전이가 플래시오버다. 그 이후의 화재를 후기 플래시오버 화재, 완전발달 화재, full room involvement라 부른다. 후기 플래시오버 온도 이력은 환기 계수와 화재하중에 따라 매우 다른 곡선이 된다. SFPE 지침은 대부분의 적용에 Law 방법을, 특정한 경우에 Magnusson–Thelandersson 방법과 Lie 방법을 권고한다.

2. 세 가지 파괴 기준

먼저 용어가 정리된다. 내화성능은 건축요소의 성질이며 개별 재료는 내화성능을 갖지 않는다. 내화등급은 시험이나 다른 승인 체계에 근거해 건축요소에 부여되는 값이다.

기준내용

안정성(stability)구조부재가 시험 시간 동안 붕괴 없이 재하된 하중을 지지해야 한다

차염성(integrity)시험체에 화염이나 고온 가스가 통과할 수 있는 균열이나 틈이 생기지 않아야 한다

차열성(insulation)비가열면 온도가 한계를 넘지 않아야 한다 — 보통 평균 140 °C 상승, 한 지점 최대 180 °C 상승

차염성과 차열성은 구획이 화재를 가두어 발화실 밖으로 번지지 않게 하는 능력을 보는 기준이다.

국제적으로는 세 기준을 분리해 요구하는 방향으로 가고 있다. 표기는 예시로 설명된다.

내력벽 60/60/60 — 안정성·차염성·차열성 각각 1시간.

비내력벽 −/60/60 — 안정성 요구 없음.

유리가 있는 방화문 −/30/− — 차염성 30분만 요구, 안정성과 차열성 요구 없음.

등급의 출처는 세 갈래다.

구분내용과 한계

일반 등급(generic)여러 해에 걸친 실물 시험에서 도출 — 어느 나라에서나 구할 수 있는 재료에 적용 가능하지만, 화재에 노출된 부재의 크기와 형상, 하중 수준을 전혀 반영하지 않는다

제조사 등급(proprietary)특정 제조사 제품에 적용 — 더 정확할 수 있으나 다른 제조사의 유사 제품에는 적용할 수 없다

계산 방법유사 조립체의 실물 내화시험 결과에 근거해야 한다. 차열성과 내력 거동은 예측할 수 있지만 차염성은 예측할 수 없다

3. 화재 시 하중조합

화재 시점의 하중은 상온 설계하중보다 훨씬 낮다. 풍하중·적설하중·지진하중을 포함한 조합으로 설계된 부재나 처짐 제어 또는 건축적 이유로 단면이 정해진 부재에서 특히 그렇다. 그래서 화재 조건에는 임의 시점 하중(arbitrary point-in-time load)을 쓴다.

출처사하중창고 활하중그 밖의 활하중

미국 (ASCE 2005)1.2D_n0.5L_n0.5L_n

Ellingwood and Corotis (1991)D_n0.5L_n0.5L_n

유로코드 (EC1 1994)D_n0.9L_n0.5L_n

뉴질랜드 (SNZ 1992)D_n0.6L_n0.4L_n

화재로 인한 구조적 작용까지 포함한 조합은 다음과 같다.

U_d = (0.9 또는 1.2)D + T + 0.5L + (0.5L_r 또는 0.2S) — 여기서 T는 가정한 화재 시나리오로 생긴 구조적 작용(힘 또는 변형)이고, 0.5L, 0.5L_r, 0.2S는 화재 시점 하중의 최빈값이다. — NIST TN 1681, 식 3.11

U_d = (0.9 또는 1.2)D + T + 0.5L + (0.5L_r 또는 0.2S) — 여기서 T는 가정한 화재 시나리오로 생긴 구조적 작용(힘 또는 변형)이고, 0.5L, 0.5L_r, 0.2S는 화재 시점 하중의 최빈값이다. — NIST TN 1681, 식 3.11

계수의 근거와 예외도 붙는다. 이 조합은 결합 작용이 설계 작용을 초과할 확률이 약 0.05~0.1이 되도록 반복 조정해 얻은 것이다. 중력이 구조를 안정시키는 경우 사하중 계수는 1.2가 아니라 0.9를 쓰고 활하중은 0으로 둔다. 그리고 확률론적 사상 조합 해석은 풍하중과 지진하중을 함께 고려할 필요가 없음을 보여준다.

전제도 명시되어 있다. 화재와 함께 폭발이나 다른 구조 손상이 없다고 가정하며, 다른 부재가 제거되거나 손상되면 부재 하중은 훨씬 커질 수 있다.

4. 온도에 따른 강재 물성 저하

표 5.1은 상온(20 °C) 탄성계수 E와 규정 최소 항복강도 F_y에 곱하는 저감계수를 준다. 중간 온도는 선형 보간한다.

온도 (°C)k_E,T = E_T/Ek_y,T = f_y/F_y

20 ~ 1001.001.00

2000.901.00

3000.801.00

4000.701.00

5000.600.78

6000.310.47

7000.130.23

8000.090.11

10000.0450.04

12000.000.00

표에서 읽히는 것은 두 물성의 저하 시점이 다르다는 점이다. 탄성계수는 200 °C부터 떨어지기 시작하는데 항복강도는 400 °C까지 그대로이고, 500~600 °C 구간에서 급격히 무너진다. 간이 계산에서는 비례한도를 항복강도와 같게(f_p = f_y) 두어도 된다.

5. 콘크리트 폭렬

폭렬은 고온 노출로 콘크리트 표면층이 박리되거나 떨어져 나가는 현상이다. 구조적으로 중요한 두 형태가 있다.

형태거동과 원인

폭발성 폭렬화재 초기에 갑작스럽고 격렬하게 발생 — 주로 공극압에 의해 구동된다

모서리 폭렬기둥·보의 모서리를 따라 관찰 — 횡방향 열팽창이 구속되지 않아 생기며 더 완만하다

메커니즘은 이렇게 설명된다. 고온에 노출되면 공극 속 자유수와 매트릭스의 화학결합수가 액체에서 기체로 상전이하며 부피가 팽창하고 콘크리트를 통과해 이동하면서 내부 공극압이 상승한다. 고강도 콘크리트는 투수성이 낮아 이 압력을 해소하지 못하므로 보통강도 콘크리트보다 폭발성 폭렬에 취약하다.

구조적 영향은 피복 감소로 철근이 더 빨리 가열되어 내력이 조기에 상실되는 것이다. 부차적으로 슬래브 두께가 줄어 비가열면 온도가 더 빨리 상승한다. 그리고 폭렬 자체는 ASTM E119의 종료 기준에 포함되어 있지 않다.

설계와 모델링에 쓸 수 있는 값도 제시되어 있다.

폭발성 폭렬이 발생할 때 해당 깊이의 콘크리트 온도는 220~280 °C다.

폭렬 깊이는 통상 25~75 mm다.

완화 수단과 위험 증가 요인도 정리된다. 폴리프로필렌 섬유를 최소 1.5 kg/m³ 첨가하면 고강도 콘크리트의 공극압 상승과 폭발성 폭렬 경향이 크게 줄었고, 기둥 스터럽에 135° 내진 갈고리를 쓰는 것도 폭렬 경향을 줄이는 것으로 확인되었다. 반대로 폭렬 가능성이 커지는 조건은 화재 초기의 높은 입사 열유속, 규산질 골재 콘크리트와 고강도 콘크리트, 질량비 2%를 넘는 함수율, 얇은 부재의 높은 응력(프리스트레스트 콘크리트 등), 급격한 형상 변화와 다른 부재와의 접합부, 낮은 공극률·투수성이다.

6. 부재 하나가 아니라 골조로

단순 계산으로는 건물 전체나 큰 조립체를 경제적으로 설계할 수 없다. 그래서 화재에 노출된 구조의 해석을 위한 전용 컴퓨터 프로그램(유로코드의 "고급" 계산법)이 필요해진다. 이 프로그램은 구조에 변형을 부과하고 각 부재의 전체 변형률을 계산한 뒤, 응력 관련 변형률로 내력을 산출해 작용 하중과 비교한다.

여기서 핵심 문장이 나온다. 고급 방법은 구조적 여용성이 있는 모든 구조에 필수적이며, 개별 부재로 계산한 내화성능은 그 부재를 골조나 건물의 일부로 보고 계산한 내화성능과 매우 다를 수 있다. 실제로 대형 골조 구조의 화재 성능이 개별 부재의 내화성능보다 나은 경우가 관찰되었고, 광범위한 전산 해석이 이를 뒷받침한다.

7. 정리

표준화재는 시험 곡선이며 ASTM E119와 ISO 834는 서로 유사하다.

ISO 834는 T = 345 log₁₀(8t + 1) + T₀로 정의된다.

유로코드는 탄화수소 화재와 외부 부재 곡선을 추가로 둔다.

파괴 기준은 안정성·차염성·차열성 셋이고, 차열성은 평균 140 °C / 최대 180 °C다.

등급 표기 60/60/60은 세 기준 각각 1시간을 뜻한다.

일반 등급은 부재 크기·형상·하중 수준을 반영하지 않고, 계산으로는 차염성을 예측할 수 없다.

화재 하중조합은 U_d = (0.9 또는 1.2)D + T + 0.5L + (0.5L_r 또는 0.2S)이며 풍·지진은 함께 볼 필요가 없다.

강재 항복강도는 400 °C까지 1.00, 600 °C에서 0.47이다.

폭발성 폭렬은 220~280 °C에서 발생하고 깊이는 25~75 mm다.

여용성이 있는 구조에는 고급 해석이 필수이며, 부재 단위 값과 골조 단위 값은 다르다.

내화설계에서 어긋나기 쉬운 지점은 일반 등급표에서 고른 피복과 두께를 그대로 성능기반 설계의 근거로 쓰는 것이다. 그 표는 부재 크기와 하중 수준을 반영하지 않은 시험 결과이고, 실제 화재 시나리오에서는 하중조합도, 노출 곡선도, 골조의 재분배도 모두 다르다.