철골 구조물에 대한 화재 방지 조치

1. 강구조물의 내화 한계 및 내화 성능

높은 강도와 연성이라는 장점 덕분에 강구조물은 자중이 가볍고 내진 성능이 우수하며 하중 지지력이 크다는 특징을 지닙니다. 또한, 강구조물은 현장에서 가공이 가능하고 시공 기간이 짧으며 재료를 재활용할 수 있다는 장점도 있습니다. 따라서 국내외를 막론하고 강구조 건축물은 널리 사용되고 있습니다.

하지만 철골 구조물은 내화성이 부족하다는 약점을 가지고 있습니다. 화재 발생 시 철골 구조물의 강도와 강성을 장시간 유지하고 인명과 재산의 안전을 보장하기 위해 실제 프로젝트에서는 다양한 방화 대책이 적용되고 있습니다. 방화 대책은 방화 원칙에 따라 내열법과 수냉법으로 나뉩니다. 내열법은 분무법과 캡슐화법(중공 캡슐화법과 고체 캡슐화법)으로 구분되며, 수냉법은 물 주입식 냉각법과 물 분사식 냉각법으로 나뉩니다. 본 논문에서는 다양한 방화 대책을 상세히 소개하고 각각의 장단점을 비교 분석할 것입니다.
강구조물의 내화 한계는 표준 내화 시험에서 부재가 안정성 또는 완전성을 잃고 단열 내화성을 상실하는 데 걸리는 시간을 의미합니다.

강철 자체는 불이 붙지 않지만, 강철의 물성은 온도에 따라 크게 영향을 받습니다. 250℃에서 강철의 충격 인성이 떨어지고, 300℃ 이상에서는 항복점과 극한 강도가 현저히 감소합니다. 실제 화재 발생 시 하중 조건은 변하지 않으며, 강철 구조물이 정적 평형 상태를 잃는 임계 온도는 약 500℃입니다. 그러나 일반적인 화재 온도는 800~1000℃에 달합니다. 따라서 고온의 화재 환경에서 강철 구조물은 급격한 소성 변형을 일으켜 국부적인 파손을 초래하고, 결국 전체 구조물의 붕괴로 이어질 수 있습니다. 강철 구조물 건물에서는 건물의 충분한 내화 한계를 확보하기 위한 화재 예방 조치를 반드시 시행해야 합니다. 화재 발생 시 강철 구조물이 임계 온도까지 급격히 가열되는 것을 방지하고, 과도한 변형으로 인한 건물 붕괴를 막아 화재 진압 및 인명 안전 대피를 위한 귀중한 시간을 확보하고, 화재로 인한 손실을 예방하거나 최소화해야 합니다.

2. 철골 구조물에 대한 화재 방지 조치

강구조물 화재 방호 조치는 원리에 따라 내열법과 수냉법 두 가지로 나뉩니다. 두 조치의 목적은 동일합니다. 즉, 특정 시점에 구성 요소의 온도가 임계 온도 이상으로 상승하지 않도록 하는 것입니다. 차이점은 내열법은 구성 요소로의 열 전달을 차단하는 반면, 수냉법은 구성 요소로 열이 전달되도록 한 다음 열을 외부로 방출하는 방식이라는 점입니다.

2.1 저항열

코팅 재료의 내열성 및 내열 특성에 따라 내열 코팅 방법은 스프레이 방식과 스프레이 코팅 방식을 혼합한 방식으로 나눌 수 있으며, 이를 통해 내화 코팅을 형성하여 보호하는 방식은 중공 코팅 방식과 고형 코팅 방식으로 구분할 수 있습니다.

2.1.1 분무 방법

일반적으로 내화 페인트 코팅이나 스프레이 방식으로 강재 표면에 내화 절연 보호층을 형성하여 강구조물의 내화성을 향상시킵니다. 이 방법은 매우 가벼운 내화재를 사용하여 장기간 내화성을 유지하며, 강재 부품의 형상에 제약이 없어 경제성과 실용성이 뛰어나 적용 범위가 넓습니다. 강구조물 내화 코팅의 종류는 다양하며, 크게 두 가지로 나눌 수 있습니다. 하나는 박막형 내화 코팅(B형)으로, 강구조물 팽창 내화재입니다. 다른 하나는 후막형(H형) B급 내화 코팅으로, 코팅 두께는 일반적으로 2~7mm이며 유기 수지로 만들어집니다. 미관 효과도 있으며, 고온 팽창 시 내화재 두께가 0.5~1.5H인 경우 얇고 가벼운 강구조물 내화 코팅을 적용하면 진동 저항성이 우수합니다. 실내 노출 강구조물이나 경량 지붕 강구조물의 경우, 내화 한계가 1.5H 이하일 때는 적절하게 후막형 H형 강구조물 내화 코팅을 선택하여 8mm 이상의 두께로 코팅합니다. 일반적으로 50mm 크기의 입자형 표면을 가진 무기 단열재는 주성분이 저밀도이며, 열전도율이 낮고 내화 한계가 0.5~3.0시간인 두꺼운 코팅 강구조물 방화 도료를 사용합니다. 이러한 도료는 일반적으로 연소 및 노화에 대한 저항성이 뛰어나며, 실내에 숨겨진 모든 강구조물 및 다층 공장 건물의 강구조물에 적용 가능하며 신뢰성이 높습니다. 규정상 내화 한계가 1.5시간 이상인 경우, 두꺼운 코팅 강구조물 방화 도료를 선택해야 합니다.

2.1.2 코팅 방법

1) 중공 코팅 방식: 일반적으로 방화판이나 벽돌을 사용하여 철골 부재의 외측 가장자리를 따라 철골 구조물을 감싸는 방식입니다. 국내 석유화학 산업의 철골 구조물 작업장에서는 대부분 벽돌로 철골 부재를 감싸는 방식을 채택하고 있습니다. 이 방식은 높은 강도와 충격 저항성을 제공하는 장점이 있지만, 공간을 많이 차지하고 시공이 복잡하며 내화 경량판(예: 섬유 강화 시멘트 석고보드 단층 슬래브)을 사용하는 것이 단점입니다. 또한, 대형 철골 부재를 박스 형태로 감싸는 방화 코팅 방식은 비용이 저렴하고 표면이 매끄럽고 평탄하며 환경 오염이 없고 노화에 강하다는 장점이 있어 보급 전망이 밝습니다. 2) 솔리드 코팅 방식: 일반적으로 콘크리트를 타설하여 철골 부재를 감싸는 방식입니다. 상하이 푸둥 세계 금융 센터의 철골 기둥처럼 철골 구조물 전체를 완전히 밀폐하는 방식이 장점입니다. 하지만 콘크리트 피복으로 인해 공간을 많이 차지하고 시공이 복잡하며, 특히 철보와 경사 브레이싱에 어려움이 있다는 단점이 있습니다.

2.2 수냉식 방식

수냉 방식에는 물 붓기 냉각 방식과 물 채우기 냉각 방식이 있습니다.

2.2.1 물 샤워 냉각 방식

분무 냉각 방식은 철골 구조물의 상부에 자동 또는 수동 분무 시스템을 설치하는 것입니다. 화재 발생 시 분무 시스템이 작동하여 철골 구조물 표면에 연속적인 수막을 형성합니다. 화염이 철골 구조물 표면으로 확산될 때, 물의 증발이 열을 흡수하여 철골 구조물이 한계 온도에 도달하는 것을 지연시킵니다. 분무 냉각 방식은 퉁지대학교 토목공학과 건물에 적용되었습니다.

2.2.2 수냉식 냉각 방식

수냉식 냉각 방식은 속이 빈 철골 부재에 물을 채우는 것입니다. 철골 구조물 내부에서 물이 순환하면서 철골 자체가 흡수한 열을 다시 흡수합니다. 따라서 철골 구조물은 화재 발생 시 낮은 온도를 유지할 수 있으며, 과도한 온도 상승으로 인한 내하력 손실을 방지할 수 있습니다. 또한 녹 발생 및 동결을 방지하기 위해 물에 녹 방지제와 부동액을 첨가합니다. 피츠버그에 있는 64층짜리 US Steel Company 건물의 철골 기둥도 수냉식 냉각 방식을 사용하고 있습니다.

3. 화재 예방 조치 비교

내열 공법은 내열 재료를 통해 구조 부재로 전달되는 열전도 속도를 늦출 수 있습니다. 일반적으로 단열 공법은 경제적이고 실용적이어서 실제 프로젝트에서 널리 사용됩니다. 수냉식 공법은 화재에 대한 효과적인 보호 조치이지만, 구조 설계에 대한 특별한 요구 사항과 높은 비용 때문에 엔지니어링 분야에서 널리 보급되지는 못했습니다.

열저항법은 강구조물의 방화에 널리 사용되는 방법이므로, 이하에서는 열저항 대책에 있어 스프레이 방식과 클래딩 방식의 장단점을 비교 분석하고자 한다.

3.1 내화성

내화성 측면에서 클래딩 방식이 스프레이 방식보다 우수합니다. 콘크리트, 내화벽돌 등의 외장재는 일반 방화 코팅보다 내화성이 뛰어납니다. 또한, 신형 방화판의 내화 성능은 방화 코팅보다 우수하며, 동일 두께의 철골 구조 방화 단열재보다 내화 한계가 훨씬 높고, 방화 코팅의 팽창률보다도 높습니다.

3.2 내구성

콘크리트와 같은 외장재는 내구성이 뛰어나 시간이 지나도 쉽게 열화되지 않습니다. 그러나 철골 구조물의 방화 코팅은 내구성 측면에서 항상 해결하지 못하는 문제점을 안고 있습니다. 실외든 실내든, 얇고 초박형 방화 코팅의 유기 성분은 분해, 열화, 노화 등의 문제를 일으켜 코팅이 벗겨지거나 방화 성능이 저하될 수 있습니다.

3.3 건설

강구조물 방화 스프레이 공법은 간단하고 복잡한 장비 없이 사용할 수 있다는 장점이 있습니다. 그러나 스프레이 방화 코팅 시공의 품질 관리가 미흡하고, 바탕재의 녹 제거, 방화 코팅 두께, 시공 환경 습도 등을 제어하기 어렵다는 단점이 있습니다. 반면, 피복재 시공 공법은 특히 경사 가새와 철근 보의 경우 복잡하지만, 시공 관리가 용이하고 품질 확보가 간편합니다. 피복재 두께를 정밀하게 조절함으로써 방화 한계를 제어할 수 있습니다.

3.4 환경 보호

분무 방식은 시공 중, 특히 고온 환경에서 유해 가스를 휘발시켜 환경을 오염시킬 수 있습니다. 반면, 일반 사용 환경이나 화재 시 고온 환경에서도 독성 물질이 방출되지 않아 환경 보호와 화재 발생 시 인명 안전에 유리합니다.

3.5 경제성

분사식 공법은 간단하고 시공 기간이 짧으며 시공 비용이 저렴합니다. 하지만 방화 코팅 가격이 높고, 코팅의 노화 등의 단점 때문에 유지 보수 비용이 많이 듭니다. 밀봉식 공법은 시공 비용은 높지만 자재 가격이 저렴하고 유지 보수 비용이 적습니다. 종합적으로 볼 때, 밀봉식 공법이 경제성이 뛰어납니다.

3.6 적용 가능성

스프레이 방식은 부재의 형상에 제한을 받지 않고 보, 기둥, 바닥, 지붕 등 다양한 부재의 방화에 널리 사용됩니다. 특히 경량 철골 구조물, 격자 구조물, 특수 형상 철골 구조물의 방화에 적합합니다. 반면, 클래딩 방식은 시공이 복잡하며, 특히 철골 보나 경사 브레이싱 부재에 적용하기 어렵습니다. 클래딩 방식은 주로 기둥에 사용되며 스프레이 방식만큼 널리 사용되지는 않습니다.

3.7 점유 공간

분무 방식으로 시공하는 경우 방염 코팅의 사용량이 적고, 외피 시공 방식은 콘크리트, 내화벽돌 등의 외피 재료를 사용하여 공간을 차지하므로 공간 활용도를 높일 수 있습니다. 또한 외피 재료의 품질도 더 우수합니다.

4. 요약

논의를 통해 다음과 같은 결론을 도출할 수 있습니다.

1) 강구조물의 방화 대책을 채택할 때에는 구성 요소 유형, 시공 난이도, 시공 품질 요구 사항, 내구성 요구 사항 및 경제적 이점과 같은 여러 요소의 영향을 고려해야 합니다.

2) 분사 방식과 캡슐화 방식을 비교해 보면, 분사 방식의 주요 장점은 시공 과정이 간단하고 분사 후 부품의 외관 변화가 크지 않다는 점입니다. 캡슐화 방식의 주요 장점은 저렴한 비용, 우수한 내화 성능 및 내구성입니다.

3) 모든 종류의 화재 예방 조치는 각각 장단점을 가지고 있습니다. 공학적 적용에 있어서는 서로에게서 배우고 서로의 단점을 보완할 수 있으며, 다양한 조치를 통해 다층적인 화재 방어 체계를 구축할 수 있습니다.

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