내화피복 종류에 따른 각형강관 구조부재의 내화성능평가

2.1 시험계획

본 연구는 내화피복제에 따른 각형강관의 구조부재로서 내화성능을 확인하기 위해 Fig. 1과 같은 수평, 수직 가열로를 이용한 비재하 가열시험을 진행하였다. 시험체는 보와 기둥으로 구분되며, 내화피복제의 종류는 방화석고보드, fiber plast, 내화페인트로 이루어졌다. 시험체의 가열시간은 국가법령정보센터에서 제시하는 고층 구조물의 내화구조의 성능기준에 따라 2시간, 3시간에 맞춰서 시험을 진행하였다.

Fig. 1.

Specimens

시험체는 한국표준협회(이하 KS)의 KS F 2257-1, KS F 2257-6, KS F 2257-7에 따라 열전대를 설치하여 Fig. 2처럼 제작하였다. 보 시험체는 3개의 section에 각각 8개의 열전대를 부착하였으며 기둥 시험체는 4개의 section에 각각 4개의 열전대를 부착하였다. 각형강관은 KS D 3568(일반구조용 각형강관)의 SRT355를 사용하였다. 보 시험체는 실제 모듈러 구조물에서의 화재 상황을 재현하기 위해 상부 모듈의 하부 보와 하부 모듈의 상부 보가 결합된 형태로 제작하였다^[8]-[10].

Fig. 2.

Specimens detail

Tables 1-2는 시험체 명칭과 그에 따른 변수를 정리한 것이다. 시험체는 총 8개로 보 4개, 기둥 4개로 구성되어 있다. 보와 기둥은 각각 내화피복의 종류와 내화시험의 시간에 따라 시험체가 분류되며 시험에 사용된 내화피복의 종류로는 방화석고보드, 내화페인트, fiber plast가 있다. 방화석고보드는 내화시험 1시간당 1겹 사용으로 2시간 내화시험에서는 2겹, 3시간 내화시험에서는 3겹을 피복하여 사용하였다. 내화페인트는 보 부재는 14.4 mm, 기둥 부재는 14.3 mm 피복하여 시험을 진행하였다. Fiber plast 피복의 경우 선행연구를 통해 2시간 내화성능을 유지하기 위해서는 20T의 피복 두께가 필요한 것을 유한요소해석을 통해 확인하였다^[11].

Table 1.

Test specimens (horizontal member)

Table 2.

Test specimens (vertical member)

2.2 시험방법

내화성능평가를 진행하기 위해서 시험체의 가열은 KS F 2257의 표준화재곡선, ISO-834의 표준화재곡선을 따라야 하며, 표준화재곡선을 이루는 그래프는 식 (1)을 따른다.

여기서, T: 가열로 내 평균온도(℃)
 t: 시간(분)
 t_o: 초기 온도

표준화재곡선은 실제 화재 상황을 재현하기 위해 시험 시작 약 90분 후 1,000 °C에 이르기까지 온도가 급격하게 상승하며 90분 이후 온도는 계속 상승한다. 이러한 가열 상황에서 내화성능을 만족하기 위해서는 시험이 끝날 때까지 각각의 단면의 열전대들의 평균온도는 허용온도(538 ℃) 이하, 각 단면에서의 모든 열전대의 최고온도는 한계온도(649 ℃) 이하로 유지하여야 한다^[12].

Fig. 3는 부재의 단면형상 및 열전대 부착 위치이다. 시험은 방재시험연구원에서 실시하였으며 부재의 온도측정을 위한 열전대는 KS F 2257-6, KS F 2257-7에 따라 보 부재에서는 3개 단면에 각 8개, 기둥 부재에서는 4개 단면에 각 4개 설치하였다.

Fig. 3.

Section shape and thermocouple attachment location

Figs. 4-5는 보와 기둥 부재에서 내화피복 재료에 따른 단면형상이다. 내화피복 종류로는 방화석고보드, fiber plast, 방화석고보드와 fiber plast 혼합, 내화페인트를 사용하였다.

Fig. 4.

Section shape of coating type (horizontal member)

Fig. 5.

Section shape of coating type (vertical member)

2.3 내화피복 비용 분석

모듈러 구조부재의 내화피복 비용의 비교분석을 위해 사양적 내화설계에 의한 내화피복 비용을 산출하였다.

Table 3는 내화피복의 종류에 따른 부재의 피복 비용이다. 내화피복 비용은 방화석고보드, fiber plast, 방화석고보드와 fiber plast 혼합, 내화페인트 순서로 적게 나타났다. 방화석고보드, 방화석고보드와 fiber plast 혼합피복의 경우 내화 목표 시간에 따라 2겹, 3겹 피복을 해야 한다. 반면에 fiber plast, 내화페인트 단일피복은 한 겹만 피복해도 된다. 따라서, 단위 면적당 피복 비용의 산출은 의미가 없다고 판단하였으며 총 피복 비용을 산출하였다^[13].

Table 3.

Cost for fireproof coating of specimens

또한, 방화석고보드와 fiber plast의 경우 시공기간이 2~3일 이내에 완료되는 반면 내화페인트는 시공기간이 약 한 달 정도 소요되었다. 목표 내화시간을 만족하기 위한 피복을 위해서는 방화석고보드, 방화석고보드 fiber plast 혼합, fiber plast, 내화페인트의 순서로 경제적이라고 판단된다.

3.1 수평 구조재

Table 4는 보 시험체의 내화시험 결과이며, Fig. 6는 내화시험 후 시험체 모습이다. 4개의 보 시험체에서 B-GB2와 B-PT3만 내화성능을 만족하였다. B-FP2는 120분 중 81분 내화성능 만족, B-GB3는 180분 중 150분 내화성능 만족으로 시험 결과 내화성능을 만족하지 못하였다.

Table 4.

Result for horizontal members

Fig. 6.

Specimens after fire test

Fig. 7은 B-GB2와 B-PT3의 내화시험 결과로 각 section에서 측정된 열전대의 평균온도이다. B-GB2는 약 80분이 경과하기까지 각형강관 표면의 온도가 약 100 °C 근처에 머무르고 있었다. 이후 빠르게 온도가 증가하는 것으로 보아 방화석고보드 성능이 2시간 내화성능을 만족하는 범위 안에서 서서히 잃어가고 있다고 판단된다. 내화시험 종료 시 Section 1에서 열전대의 평균온도는 435.8 °C, 전체 열전대의 최고온도는 600.9 ℃로 나타났다. Section 2에서 열전대의 평균온도는 471 ℃, 전체 열전대의 최고온도는 583.6 ℃로 나타났다. Section 3에서 열전대의 평균온도는 427.5 ℃, 전체 열전대의 최고온도는 535.2 ℃로 나타났다.

Fig. 7.

Temperature curves in B-GB2 and B-PT3

B-PT3는 시험 시작부터 종료까지 각형강관의 표면온도가 일정하게 증가하는 것으로 보아 3시간 내화시험 시간 동안 내화성능이 유지되었다고 판단된다. 내화시험 종료 시 Section 1에서 열전대의 평균온도는 374.3 ℃, 전체 열전대의 최고온도는 431.6 ℃로 나타났다. Section 2에서 열전대의 평균온도는 396.5 ℃, 전체 열전대의 최고온도는 438.6 ℃로 나타났다. Section 3에서 열전대의 평균온도는 388.6 ℃, 전체 열전대의 최고온도는 424.7 ℃로 나타났다.

두 시험체 모두 열전대의 평균온도의 최댓값 538 ℃, 각각의 열전대의 최대온도가 649 ℃를 넘지 않았으며 내화성능 기준을 만족하였다.

Fig. 8은 B-FP2의 내화시험 결과로 요구 내화성능을 만족하지 못하였다. B-FP2는 시험이 진행되는 동안 모든 단면에서 각형강관의 표면온도가 일정하게 증가하는 양상을 보였으며 전 단면에서 내화성능 기준을 만족하지 못하였다.

Fig. 8.

Temperature curves in B-FP2

Section 1에서 열전대의 평균온도는 92분 이후 541.5 °C, 전체 열전대의 최고온도는 96분 이후 649.6 °C로 내화성능 기준을 초과하였다. Section 2에서 열전대의 평균온도는 81분 이후 539.4 °C였고, 전체 열전대의 최고온도는 96분 이후 650.3 °C로 내화성능 기준을 초과하였다. Section 3에서 열전대의 평균온도는 81분 이후 540.9 ℃, 전체 열전대의 최고온도는 92분 이후 651.9 ℃로 내화성능 기준을 초과하였다.

시험 종료 후 fiber plast를 내화피복했을 때는 외관상 특이사항은 나타나지 않은 점을 보아 fiber plast는 차열성은 상대적으로 부족하다고 볼 수 있으나 차염성은 충분하다고 판단된다.

Fig. 9은 B-GB3의 내화시험 결과로 요구 내화성능을 만족하지 못하였다. B-GB3의 Section 1, Secion 2, Section 3에서는 각각 약 150분, 140분, 130분까지 100 ℃를 유지하다가 이후 각형강관의 표면온도가 급상승하는 양상을 보여주었다. 이는 내화성능을 만족한 B-GB2 시험체와 비슷한 결과이지만 B-GB2와는 달리 내화성능을 만족하지 못한 시험의 결과이다.

Fig. 9.

Temperature curves in B-GB3

Section 1에서는 내화성능 기준을 만족하였으나, Section 2와 Section 3에서 내화성능 기준을 초과하였다. Section 2에서 174분 이후 열전대의 평균온도는 560.3 ℃, 전체 열전대의 최고온도는 681.7 ℃로 내화성능 기준을 초과하였다. Section 3의 경우 151분 이후 열전대의 평균온도는 299.6 ℃로 낮은 온도를 기록하였다. 하지만 전체 열전대의 최고온도가 718.7 ℃로 내화성능 기준을 초과하였다. 내화시험 결과 B-GB3의 경우 Section 3에서 151분 이후 방화석고보드의 탈락이 발생했다고 판단된다.

B-FP2는 모든 section에서 내화성능을 만족하지 못했지만, 시험 종료 후 fiber plast의 외관상 특이사항은 나타나지 않았다. 이를 통해 fiber plast는 차열성능은 상대적으로 부족하나 차염성은 충분하다고 판단된다. Fiber plast의 단일재료로 40T를 피복하기 위해서는 시공 기간이 20T에 비하여 오랜 기간이 소모되어 시공 시 경제성이 떨어진다고 판단되었다. 따라서 추후 수직 구조재에서의 내화성능평가에서 C-FP3 시험체를 C-GBFP3로 변경하였으며 fiber plast 단일피복 40T에서 방화석고보드 19T 1장과 fiber plast 20T 혼용 피복으로 내화피복 방법을 변경하였다.

B-GB2 시험체 및 B-GB3 시험체의 온도는 방화석고보드가 내화성능을 유지하고 있을 때 약 100 ℃에 머물렀다. 하지만 내화성능을 잃기 시작하면 온도가 빠르게 증가하며 이후 내화성능을 완전히 상실하여 붕괴, 탈락 등의 현상을 보인다. 따라서 화재 발생 시 방화석고보드는 내화성능을 잃고 난 후 파괴, 탈락될 가능성이 있다고 판단된다.

3.2 수직 구조재

Table 5는 기둥 시험체의 내화시험 결과이며, Fig. 10은 내화시험 후 시험체 모습이다. 4개의 기둥 시험체에서 C-GBFP3와 C-PT3는 내화성능을 만족하였으나, C-FP2는 120분 중 87분 내화성능 만족, C-GB3는 180분 중 175분 내화성능 만족으로 시험 결과 내화성능을 만족하지 못하였다.

Table 5.

Result for vertical members

Fig. 10.

Specimens after fire test

Fig. 11은 내화성능을 만족한 C-GBFP3와 C-PT3의 내화시험 결과로 각 section의 열전대의 평균온도이다.

Fig. 11.

Temperature curves in C-GBFP3 and C-PT3

C-GBFP3는 약 70분까지 약 100 ℃에서 머무르다가 이후 온도가 상승하였다. 이는 약 70분 정도까지 fiber plast의 차열성능이 유지되다가 서서히 차염성능을 잃어감에 따라 각형강관의 표면온도가 증가하는 양상을 보인다. 하지만 각형강관의 표면온도가 급격하게 증가하지 않는 것은 fiber plast의 차염성능을 방화석고보드가 보완하여 내화성능을 유지하는 것으로 판단된다.

C-GBFP3의 내화시험 종료 시 Section 1에서 열전대의 평균온도는 537.9 °C, 전체 열전대의 최고온도는 544.1 ℃로 나타났다. Section 2에서 열전대의 평균온도는 533.2 ℃, 전체 열전대의 최고온도는 536.7 ℃로 나타났다. Section 3에서 열전대의 평균온도는 536.1 ℃, 전체 열전대의 최고온도는 539.9 ℃로 나타났다. Section 4에서 열전대의 평균온도는 517.6 ℃, 전체 열전대의 최고온도는 522.9 ℃로 나타났다. C-PT3는 시험 시작부터 종료까지 각형강관의 표면온도가 일정하게 증가하는 것으로 보아 3시간 내화시험 시간 동안 내화성능이 유지되었다고 판단된다.

C-PT3의 내화시험 종료 시 Section 1에서 열전대의 평균온도는 409.6 ℃, 전체 열전대의 최고온도는 470.4 ℃로 나타났다. Section 2에서 열전대의 평균온도는 422 ℃, 전체 열전대의 최고온도는 496.6 ℃로 나타났다. Section 3에서 열전대의 평균온도는 408 ℃, 전체 열전대의 최고온도는 441.2 ℃로 나타났다. Section 4에서 열전대의 평균온도는 395.6 ℃, 전체 열전대의 최고온도는 416.2 ℃로 나타났다.

두 시험체 모두 열전대의 평균온도의 최댓값 538 ℃, 각각의 열전대의 최대온도가 649 ℃를 넘지 않았으며 내화성능 기준을 만족하였다.

Fig. 12는 C-FP2의 내화시험 결과로 요구 내화성능을 만족하지 못하였다. C-FP2는 시험이 진행되는 동안 모든 단면에서 각형강관의 표면온도가 일정하게 증가하는 양상을 보였으며 전 단면에서 내화성능 기준을 만족하지 못하였다.

Fig. 12.

Temperature curves in C-FP2

Section 1에서 열전대의 평균온도는 96분 이후 539 ℃, 전체 열전대의 최고온도는 119분 이후 652.1 ℃로 내화성능 기준을 초과하였다. Section 2에서 열전대의 평균온도는 92분 이후 538.3 ℃, 전체 열전대의 최고온도는 117분 이후 650 ℃로 내화성능 기준을 초과하였다. Section 3에서 열전대의 평균온도는 90분 이후 540.9 ℃, 전체 열전대의 최고온도는 116분 이후 650.7 ℃로 내화성능 기준을 초과하였다. Section 4에서 열전대의 평균온도는 92분 이후 539.1 ℃로 내화성능 기준을 초과하였지만, 전체 열전대의 최고온도는 시험 종료 시 642.3 ℃로 내화성능 기준을 만족하였다.

C-FP2는 모든 section에서 내화성능을 만족하지 못했지만, B-FP2와 마찬가지로 시험 종료 후에도 fiber plast의 형상은 유지하는 것으로 보아 보 부재뿐만 아니라 기둥 부재에서도 차염성은 충분하다고 판단된다.

Fig. 13은 C-GB3의 내화시험 결과로 요구 내화성능을 만족하지 못하였다. C-GB3의 Section 1 - Section 4에서는 각각 130분, 150분, 150분, 140분까지 100 ℃를 유지하다가 이후 각형강관의 표면온도가 급상승하는 양상을 보여주었다. 이는 앞서 시험한 수평 구조재의 내화시험에서 나타난 B-GB2와 B-GB3 시험체와 비슷한 양상으로 각각의 시간 이후 방화석고보드가 내화성능을 잃기 시작하며 각형강관의 표면온도가 급상승한 것으로 판단된다.

Fig. 13.

Temperature curves in C-GB3

C-GB3는 Section 2와 Section 3에서 내화성능을 만족하였으며 Section 1과 Section 4에서는 내화성능을 만족하지 못하였다. Section 1에서 열전대의 평균온도는 179분 이후 611.5 ℃, 전체 열전대의 최고온도는 177분 이후 665.9 ℃로 내화성능 기준을 초과하였다. Section 4에서 열전대의 평균온도는 내화성능 기준을 만족하였지만, 전체 열전대의 최고온도는 179분 이후 660 ℃로 내화성능 기준을 초과하였다.

시험 종료 후 Section 1의 방화석고보드의 탈락과 시험 결과의 Section 1의 176분 이후 각형강관의 표면온도가 급상승하는 것으로 보아 176분에 방화석고보드의 탈락이 발생했다고 판단된다.