H형강 기둥의 내화피복 최적설계 방안: 개방형 주차장 전기차 화재 시나리오 기반 사례연구

1. 서 론

강구조는 현대 도시 인프라의 핵심 구성요소로서, 높은 강도 대비 중량비, 내구성, 경제성, 그리고 재활용성 등의 이점을 바탕으로 널리 활용되고 있다. 그러나 고온에 대한 취약성은 화재 시 구조 안전성에 심각한 위협을 초래할 수 있으며, 이는 강재의 기계적 성능이 고온 노출로 인해 급격히 저하되기 떄문이다^[1]-[3]. 일반적으로 이러한 문제를 완화하기 위해 뿜칠, 방화석고보드, 팽창성 도료 등과 같은 내화피복재를 적용하여 구조적 안전성을 일정 시간 동안 유지하도록 하고 있으나, 기존의 일반적인 내화피복 방식은 시공 비용 증가 및 이산화탄소 배출 확대와 같은 경제적, 환경적 한계를 수반할 수 있다^[4],[5]. 따라서, 시공 효율성을 높이면서도 환경 영향을 줄일 수 있는 고도화되고 지속가능한 내화 설계 전략의 필요성이 증대되고 있다. 강재의 내화 성능은 Mo, Cr, Nb 등의 합금 원소를 첨가함으로써 현저히 향상될 수 있으며, 이를 통해 개발된 재료가 바로 내화강(FR: Fire-resistant steel)이다^[4]. 첨가된 원소들은 고온 환경에서 전위 이동에 대한 저항성을 증가시키고, 상변화를 지연시킴으로써, 고온 기계적 성능을 향상시킨다^[6]-[10]. 그 결과, 내화강은 기존 탄소강에 비해 탄성계수, 항복강도, 인장강도, 파단 이후 연신율 등의 고온 기계적 특성이 현저히 우수하다. 특히 FR355 내화강은 고온에서도 안정적인 성능을 유지하는 특성으로 인해, 기존 탄소강을 기반으로 하는 일반 설계기준과는 구별되는 별도의 설계 기준 마련이 요구되고 있다^[11]. 현재의 내화설계 기준은 비재하(차열성능 중심) 조건 또는 재하(하중지지력 중심) 조건에서의 내화성능 평가를 기반으로 하고 있다. 실무에서는 재하 조건 시험에 비해 비용 및절차상의 제약이 적은 비재하 조건 시험이 일반적으로 활용되고 있다^[12]. 한편, 최근 국내에서는 13층 이상의 중·고층 모듈러 건축물의 시공이 본격적으로 추진되는 가운데, 3시간 이상의 내화성능 확보가 주요 기술적 과제로 대두되면 서재하 조건 시험과 성능기반 구조 내화설계에 대한 관심이 점차 확대되고 있다^[13]. 이러한 기술적 과제는 내화 피복에 따른 비용 부담과 맞물려, 구조적 안전성을 확보하면서도 요구되는 내화피복 물량을 최소화할 수 있는 실용적이고 효율적인설계 방안의 필요성을 더욱 부각시키고 있다.

본 연구는 개방형 주차장(Open car parking building)에 설치된 H형강 기둥이 전기차 화재에 노출되는 시나리오를 대상으로 구조 화재 해석을 수행하고, 세가지 내화설계 접근방식(① 비재하 조건+표준화재, ② 재하 조건+표준화재, ③ 재하조건+실화재)에 따른 내화피복 두께를 비교·분석하였다. 분석은 유한요소해석(FEA: Finite Element Analysis)과 전산유체해석(CFD: Computational Fluid Dynamics)을 병행하여 수행되었으며, 그 결과는 향후 구조 및 방재 엔지니어가 실무적으로 활용 가능한 내화설계 방안으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 연구의 전반적인 방법론과 구성은 Fig. 1에 제시하였다.

Fig. 1.

Research flow chart

2. 열-기계 유한요소해석모델

유한요소해석은 다양한 변수 조건에서 구조부재의 거동을 파악하는 데 효과적인 수단으로 활용된다. 본 연구에서는 상용 해석 프로그램인 Abaqus^[14]를 사용하여 강재 기둥 실험체의 내화성능을 시뮬레이션하였으며, 해석 절차는 Fig. 2에 제시하였다. 해석의 계산 효율성을 높이기 위해 열-기계 순차 연성해석(sequentially coupled thermal-mechanical analysis) 기법을 적용하였다. 먼저 열전달 해석(heat transfer analysis)을 통해 모델의 온도 분포를 도출하고, 이를 기반으로 후속 기계 해석(mechanical analysis)을 수행하여 구조적 응답을 평가하였다.

Fig. 2.

FE analysis procedure

2.1 재하가열실험

본 실험에서는 내화성능 비교를 목적으로 총 6개의 실물 크기 H형강 기둥 실험체(H-400 × 400 × 13 × 21)를 제작하였다. 실험체는 내화강재(FR355)와 일반 구조용 탄소강(SHN355)으로 각 3개씩 구성되었으며, 모든 실험체는 길이 3,000 mm, 외형 단면은 H형강(H-단면)으로 설계되었고, 외부에는 두께 20 mm 또는 25mm의 뿜칠형 내화피복재(SFRM: Spray-Applied Fire-Resistive Material)가 균일하게 도포되었다.

실험은 한국건설기술연구원(KICT) 내화시험동에 설치된 원통형 수직 가열로를 활용하였으며, ISO 834 표준화재 곡선^[15],[16]을 기준으로 하는 비정상 가열 방식(Transient heating method)에 따라 수행되었다. 실험체의 온도는 직경 1.6 mm, 최대 사용온도 1270℃의 Type-K 열전대를 세라믹 섬유로 피복한 후 기둥 외측 표면에 6개 부착하여 측정하였다. 실험체에는 일정한 축하중이 지속적으로 작용되었으며, 축변형이 기둥 길이의 1/100 초과(C>0.01L)하고 동시에 축변형률이 3/1000 초과(dC/dt>0.003L)할 경우 구조적 파괴로 간주하여 실험을 종료하였다. 또한, 하중비(load ratio)는 실험체에 작용한 축하중과 기둥의 전체좌굴내력(global buckling load) 간의 비율로 정의되며, 구조물의 하중 조건을 모사하기 위한 주요 변수로 설정되었다. 실험 결과, 모든 실험체는 국부좌굴을 주요 파괴모드로 나타냈으며, 하중비 증가에 따라 임계온도는 저하되는 경향을 보였다. FR355 강재 기둥은 SHN355 대비 높은 임계온도를 나타내었고, 하중비 0.5 조건에서는 약 75℃의 차이를 보여 내화피복 두께 절감 가능성을 제시하였다. 각 실험체의 축방향 변위 및 평균 단면 온도 이력은 Fig. 3에 나타내었으며, 그래프에는 붕괴임계온도(T_Cr)와 내화성능시간(t_R)이 함께 표기되어 있다.

Fig. 3.

Axial displacement and average sectional temperature histories of steel columns under ISO 834 fire conditions

2.4 해석모델 검증

본 연구에서 개발된 유한요소 해석모델의 유효성은 실험결과와의 정량적 비교를 통해 검증하였다. 하중비 0.5 조건의 기둥 실험체에 대해 축변위–온도 응답을 Fig. 4에 나타내었으며, T_Cr와 t_R은 Table 1에 정리하였다. 전반적으로 실험값과 해석값간의 차이는 ±5 % 이내로 수렴하였고, T_Cr,FEA/T_Cr,Test는 평균 1.01, COV는 0.022로 나타났다. 또한, t_R,FEA/t_R,Test는 평균 1.00, COV는 0.034로 분석되었다. 이 결과는 개발된 해석모델이 H형강 기둥의 붕괴임계온도 및 내화성능시간을 신뢰성이 있게 예측할 수 있음을 입증한다.

Fig. 4.

Axial displacement and average sectional temperature histories of steel columns under ISO 834 fire conditions

Table 1.

Fire resistance test parameters

3. FDS 기반 전기차 화재시뮬레이션

본 절에서는 개방형 주차장에서의 전기차 화재 시나리오를 가정하여, 화재 확산 및 열전달 특성을 정량적으로 평가하기 위해 Fire Dynamics Simulator (FDS) ^[19],[20]를 활용한 수치해석을 수행하였다.

3.1 CFD 시뮬레이션

FDS는 미국 국립표준기술연구소(NIST)에서 개발한 오픈소스 기반의 시뮬레이션 소프트웨어로, 실내외 공간에서의 화재 확산 및 열전달 거동을 평가하는데 화재안전 분야 전문가들이 널리 활용하고 있다. 본 연구에서는 Fig. 5(a)에 나타낸 바와 같이 FDS를 이용하여 길이 60 m, 폭 32 m 높이 3.0 m 규모의 개방형 8층 주차장 일부 구간을 모델링하였으며, 계산 효율성을 고려하여 바닥 면적 20 m×32 m의 축소 영역을 대상으로 시뮬레이션을 수행하였다. 화재 시나리오는 개방형 주차장 구조물을 대상으로 성능기반 구조화재안전설계의 적용 기준을 제시한 ISO/TR 24679-3^[21]에 따라 설정되었다. Fig. 5(b)에 도시된 바와 같이, 4대의 차량이 하나의 기둥(Central structural column)을 중심으로 배치되었으며, 최초 화재는 한 차량에서 시작된 후 12분 간격으로 두 번쨰와 세 번째 차량이 연속적으로 착화되고, 네 번째 차량은 24분 경과 시점에 착화되는 시나리오가 적용되었다. 이러한 단계적 착화 시나리오는 화재 확산의 점진적인 특성을 반영하며, 자연 환기가 가능한 주차장 조건에서의 실제 차량 화재 거동을 효과적으로 재현한다. 여기서 차량 간 12분 간격의 연쇄 착화 시점은 1990년대 수행된 내연기관 차량 화재에 대한 통계적 조사 분석 결과를 근거로 설정된 수치이며, 해당 시나리오는 ISO/TR 24679-3에서도 성능기반 내화설계를 위한 대표 시나리오로 제안되고 있다. 전기차 화재는 Fig. 6에 나타낸 바와 같이 Lim et al.^[22]이 수행한 실대형 차량 화재 실험에서 도출된 열방출율(Heat Release Rate, HRR) 곡선을 기반으로 시뮬레이션되었으며, 해당 실험에 사용된 전기차는 배터리 용량이 20 kWh이고, 실험 당시 충전 상태는 85 %였다.

Fig. 5.

Open car park building

Fig. 6.

HRR curve of an electric vehicle equipped with a 20 kWh battery

3.2 FDS 기반 전기 화재 시뮬레이션 결과 분석

Fig. 7과 Fig. 8은 전기차 화재시나리오에서 전체 열방출률 곡선과 시뮬레이션된 가스 온도 분포를 나타내며, 이들 결과를 통해 각 시간대별 화재 전개의 특성을 종합적으로 분석할 수 있다. 특히 HRR 곡선에 나타난 두 번의 주요 화재 확산은 앞서 설정된 시나리오에서 차량 간의 순차적 착화 간격(12분)에 따라 발생한 것으로, 첫 번째 확산은 최초 차량에서 인접 차량으로 화재가 번지는 시점(720초), 두 번째 확산은 4번째 차량이 착화되기 직전인 약 1440초에 나타난다. 이 두 시점 모두 화재가 급성장하며 HRR 피크를 형성하였고, 이는 Fig. 8의 온도 분포에서도 공간 내 고온 영역이 급격히 확대되는 양상으로 확인된다. 또한, 다수 차량의 동시 연소 시점에는 HRR이 급증하고 천장면을 따라 고온 연기가 광범위하게 확산되는 현상이 공통적으로 나타나며, 이는 화재 하중의 축적 및 열확산의 공간적 양상을 효과적으로 반영한다.

Fig. 7.

Total heat release during electric vehicles fire simulation

Fig. 8.

Simulated gas temperatures along longitudinal section during fire development

Fig. 9은 중심 기둥 부근의 가스온도 분포를 시간에 따라 시각화한 결과를 나타낸다. 시점별로 관측된 온도 분포는 기둥 주변의 열적 영향이 점진적으로 누적되는 양상을 보이며, 특히 2349초 시점에서 현행 내화성평가 기준에서 허용온도로 간주되는 538℃를 초과하는 고온 가스에 노출된 기둥 표면이 다수 확인된다. 이는 기둥이 내화 성능 한계를 초과하여 손상 가능성이 매우 높은 상태임을 시사한다.

Fig. 9.

Numerical results of column wall temperature over time

4. 내화피복설계

현행 『건축물의 피난·방화 구조 등의 기준에 관한 규칙^[23]』에 따르면, 구조부재에 요구되는 내화성능은 건축물의 용도, 층수 및 높이에 따라 차등적으로 규정되어 있다. 특히, 층수가 5개 이상이거나 높이가 20 m를 초과하는 주차장 건축물의 경우, 기둥은 최소 2시간 이상의 내화성능을 확보해야 하며, 이는 화재 발생 시 구조적 안전성 확보를 위한 필수 설계 조건으로 적용된다.

따라서 본 절에서는 2시간 이상의 내화성능 확보를 목표로,개방형 주차장 건축물에 적용된 H형강 기둥에 대해 내화피복 두께를 산출하고 비교하였다. 비교 대상은 현행 내화성능평가 기준에서 제시하는 ISO 834 표준화재를 적용한 ① 비재하, ② 재하 조건 적용, 그리고 성능기반 구조내화설계의 일환으로 설정한 ③ 실화재 시나리오(전기차 화재) 하에서의 내화피복 설계이다.

4.1 비재하 vs 재하시험 기반 내화피복설계

강재기둥에 대한 현행 내화성능평가 기준에 따라 재하시험과 비재하시험의 두가지 대표적인 방식으로 평가된다^[24],[25]. 두 시험 방식 모두 법제상 허용되지만, 재하시험에 대한 세부적 절차가 명확히 제시되어 있지 않아 실제 설계 및 평가에서는 비재하시험이 주로 활용되고 있다. 비재하시험에서는 t_R을 평균 강재 온도가 538℃를 초과하지 않거나, 개별 열전대 중 어느 하나라도 649℃를 초과하지 않는 시간으로 정의한다.

Fig. 10(a)는 ISO 834 표준화재 조건 하에서 하중을 받지 않는 조건(비재하)에서의 H형강 기둥의 평균 온도 변화 거동을 나타낸다. 무피복 상태에서는 약 13분 경과 시점에 평균 온도 538℃를 초과하였으며, SFRM을 30 mm 두께로 적용한 경우에는 2시간 내화시간 동안 평균온도가 허용한계 이하로 유지되어 내화성능이 확보됨을 확인할 수 있다. Fig. 10(b)는 다양한 하중비 조건(n=0.2–0.6)에서의 SHN 355 및 FR355 기둥에 대해, 2시간 내화성능 확보를 위해 요구되는 SFRM 두께를 비교한 것이다. 하중비가 증가할수록 요구되는 내화피복 두꼐도 증가하는 경향을 보였으며, 모든 하중 조건에서 FR355 기둥은 동일 하중비 기준 SHN355 기둥보다 더 얇은 두께로도 동일한 내화성능을 만족시키는 것으로 나타났다. 특히 하중비 0.6 기준에서 FR355는 25 mm, SHN355는 29 mm로 4 mm의 차이를 나타내며, 이는 FR355의 우수한 고온 강도 유지 특성을 반영한다. 나아가 비재하 조건에서는 최소 30 mm의 SFRM 두께가 요구되었던 반면, 재하 조건에서는 보다 얇은 피복 두께로도 목표 성능을 충족할 수 있는 가능성을 시사한다. 이러한 결과는, 실제 구조 설계에서 내화강 적용시 내화피복량 절감 측면에서의 실질적인 이점을 제공할 수 있음을 보여준다.

Fig. 10.

Determination of required SFRM thickness for 2-hour fire resistance

4.2 표준화재 vs 실화재 기반 내화피복설계

성능기반 구조 내화설계는 ISO 834와 같은 표준화재가 아닌, 실제 화재 시나리오에 따라 정의된 열하중과 구조재료의 고온 환경에서 나타내는 열역학적 거동을 반영함으로써 구조 부재의 화재시 안전성을 보다 정밀하게 평가하고 확보하는 설계방식이다. 특히 실화재 기반의 열하중의 도입은 표준화재 대비 현실 조건을 정밀하게 반영할 수 있다는 점에서 구조화재 안전설계의 실효성과 신뢰성을 크게 향상시킨다. 이 설계 접근법의 핵심 전략은 각 구조부재에 요구되는 내화성능 수준을 충족하기 위해 필요한 내화피복의 두께를 합리적으로 산정 및 최적화 시키는 것이다.

본 절에서는 개방형 주차장 구조물에 적용된 강재 기둥을 대상으로, 실화재 시나리오를 활용한 성능기반 구조 내화설계의 적용 사례를 제시한다. 앞서 수행된 전기차 화재 해석 결과를 바탕으로, 해당 열환경을 Abaqus 기반 유한요소해석 모델에 경계조건으로 적용하여 기둥의 실제 열응답 및 기계적 거동을 반영한 내화피복 두께를 산정하였다. Fig. 11은 FDS 해석결과로부터 도출된 AST (Adiabatic Surface Temperature) 분포와 이를 경계조건으로 적용하여 수행된 Abaqus 열-기계 해석결과를 종합적으로 보여준다. 회색 곡선은 AST(가스온도)를 나타내며, 플랜지 및 웨브 위치에서 도출된 Abaqus 열해석 결과는 다른색상 곡선으로 표현하였다. 해석 결과, 화염에 직접 노출된 웹 면에서 플랜지보다 온도 상승이 빠르고 최고 온도가 높게 나타났으며, 이러한 경향은 기둥 전체 높이에서 일관되게 확인되었다. 상부 기둥에서의 온도 집중도가 하부보다 현저히 높게 나타났으며, 이는 화염의 부력(buoyant flow)에 의해 발생하는 고온 연기의 상향 이동에 기인한 것이다. Fig. 12는 전기차 화재 조건에서 H형강 기둥의 축방향 거동을 나타낸다. 해석에는 하중비 0.6(N_F=4,367 kN)이 적용되었으며, 주변 구조체로부터의 구속 효과는 고려하지 않았다. SHN 및 FR355 강재 기둥은 내화피복이 없는 조건에서 각각 20분, 27분에 파괴되었으며, SHN355 기둥은 화재가 인접한 두 차량으로 확산되었을 때, FR355 기둥은 4대의 차량이 모두 전소된 이후 파괴되었다. 2시간 내화성능을 확보하기 위해 SFRM 두께는 SHN355의 경우 약 3 mm, FR355의 경우 약 2 mm로 산정되었다.

Fig. 11.

Simulated temperature-time histories of H-section steel column at three different heights under EV fire exposure

Fig. 12.

Axial displacement response of steel columns under EV fire exposure

Fig. 13은 2시간 내화성능 확보를 위해 요구되는 내화피복 두께를 세 가지 상이한 구조 내화설계 방식에 따라 정량적으로 비교한 결과를 보여준다. Design Ⅰ는 비재하 조건과 ISO 834 표준화재를 기반으로 한 전통적인 설계 방식이며, 이 경우 SHN355과 FR355 모두 동일하게 30 mm의 내화피복이 요구된다. Design Ⅱ는 구조 하중 조건을 반영함으로써 각각 SHN355과 FR355의 내화피복 두께를 29 mm와 25 mm로 감소시켜, 기존 설계안 대비 각각 약 3 % 및 17 %의 저감 효과를 보였다. Design Ⅲ는 실화재 시나리오를 반영한 성능기반 접근법으로, SHN과 FR355에 대해 각각 3 mm, 2 mm의 피복만으로 내화성능을 확보할 수 있었으며, 이는 Design Ⅰ 대비 각각 약 90 %, 92 %의 현저한 내화피복 저감 효과를 의미한다. 성능기반 구조 내화설계가 내화성능 확보는 물론, 자재 사용과 시공 효율성 측면에서도 효과적인 설계 방안을 제공할 수 있음을 시사한다.

Fig. 13.

SFRM thickness reduction under different fire and load conditions

5. 결 론

본 연구는 다양한 화재 시나리오와 구조 하중 조건을 고려하여, FR355 강재 기둥의 내화성능을 정량적으로 평가하기 위한 실험, 수치해석, 사례연구를 수행한 결과를 제시한다. FR355는 기존의 일반 탄소강인 SHN355 대비 향상된 내화성능을 나타내며, 이를 바탕으로 내화피복 설계의 효율적 최적화 가능성을 제안하였다. 주요 연구 결과는 다음과 같다.

• (1) 실험결과, 하중비가 증가할수록 임계온도는 낮아지는경향을 보였으며, FR355는 SHN355에 비해 전구간에서 일관되게 더 높은 임계온도를 나타내었다. 이러한 특성은 FR355를 활용할 경우 내화피복(SFRM) 두께를 보다 효율적이고 합리적으로 설계할 수 있음을 확인하였다.
• (2) 개방형 주차장 건축물에 적용된 H형강 기둥을 대상으로 한 내화성능평가 결과, 비재하 조건에서는 허용온도 기준을 적용할 경우 30 mm 이상의 SFRM 두께가 요구되는 것으로 나타났다. 반면, 구조 하중 조건을 반영할 경우 SFRM 요구 두께가 감소하는 경향을 보였으며, 하중비 0.6 조건에서 FR355 기둥은 비재하 조건 대비 5 mm 얇은 피복두께로 동일한 내화성능 확보가 가능한 것으로 분석되었다.
• (3) 연쇄 차량화재 시나리오 분석 결과, 화염에 직접 노출된 웨브 부위는 플랜지 보다 온도 상승속도가 빠르고 최고온도도 더 높게 나타났다. 특히, 기둥 상부에는 부력 유동에 의해 고온 연기가 집중되어 하부보다 현저히 높은 온도 분포가 관측되었다. 이는 실화재 조건에서 기둥의 열응답이 상부에 집중되는 국부 가열 양상을 보이며, 기존 내화성능평가에서 전제하는 전 단면의 균일한 온도 분포 가정과 상이함을 보여준다.
• (4) 전기차 화재 조건에서는 FR355 강재 기둥이 2시간 내화성능을 확보하기 위해 요구되는 SFRM 두께는 2 mm에 불과하였다. 이는 현재 표준화재를 기반으로 한 사양기반 내화설계가 전기차 화재 조건에서도 구조적 안전성을 확보할 수 있으나, 실화재를 반영한 성능기반 내화설계와 비교할 경우 지나치게 보수적인 경향을 보이며, 경제성과 시공 효율 측면에서 설계 최적화의 여지가 충분함을 보여준다.

본 연구에서 활용된 전기차 화재 시뮬레이션은 배터리 용량이 20 kWh인 소용 전기차의 HRR 데이터를 기반으로 단순화된 조건을 설정한 것으로, 대부분의 현대식 전기차가 이보다 훨씬 큰 배터리 용량을 갖는다는 점에서 보수적인 조건으로 간주된다. 또한, 전기차 화재는 일반 내연기기관 차량에 비해 확산 속도가 빠른 경향을 보이지만, 본 시나리오에서는 전기차 특유의 확산 거동이나 열 발생 특성을 충분히 반영하지 못하였다. 이로 인해 실제 화재 상황에서 구조물에 작용하는 열하중이 과소평가 될 수 있다. 따라서 전기차 화재로 인해 구조물에 가해지는 열적 부담을 보다 정량적으로 규명하고, 연쇄적으로 확산되는 전기차 화재의 전파 특성과 그에 따른 구조적 영향을 규명하기 위한 후속 연구가 필요하다.

Acknowledgments

본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원의 지원으로 수행되었음(과제번호 RS-2021-KA163162).

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