강재 화재 안전성

왜 배우는가: 철골 구조는 대공간과 고층 건축물에 널리 쓰이지만, 화재 시 강재 온도 상승으로 강도와 강성이 떨어져 붕괴 위험이 커진다. 그래서 내화 설계와 강재 화재 안전성 검토는 실무와 시험에서 반복해서 다뤄진다.

출제 이력: 제138회 2교시 4번, 제128회 1교시 10번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 강재 화재 안전성은 화재로 강재 온도가 올라가도 구조물이 하중을 지지하고 붕괴 없이 요구 시간을 버티는 능력이다.

핵심 키워드

• 강재 온도 상승: 화재 열이 부재 표면에서 단면 내부로 전달되어 평균온도가 오르는 현상이다. 강재는 열전도가 커서 단면이 빠르게 가열된다.
• 항복강도 저하: 온도가 높아질수록 상온 항복강도 Fy가 줄어드는 현상이다. 같은 하중도 견디기 어려워진다.
• 탄성계수 저하: 온도 상승으로 탄성계수 E가 줄어들어 부재 강성과 좌굴 강도가 함께 떨어진다.
• 임계온도: 화재 중 부재가 받는 하중을 저항이 감당하지 못하고 한계에 이르는 강재 온도다.
• 내화피복: 강재 표면을 단열재로 덮어 온도 상승 속도를 늦추는 방법이다.
• 하중비: 화재 시 작용 하중을 상온 설계 저항으로 나눈 비율이다.
• 좌굴 저항: 압축 부재가 고온에서 휘지 않고 버티는 능력이다.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 철은 불에 타지 않지만 뜨거워지면 물러진다. 그래서 철골 기둥과 보는 화재 중에 버티는 힘이 떨어진다.

정식 정의는 다음과 같다. 강재 화재 안전성은 화재 시 강재 온도가 상승하더라도 구조물이 요구되는 내화 시간 동안 하중을 지지하고, 과도한 변형이나 붕괴 없이 피난과 소화 활동을 가능하게 하는 구조 성능이다.

이 개념의 핵심은 온도 자체가 아니라 온도에 따른 강도 저하다. 강재의 항복강도와 탄성계수는 온도가 오르면 각각 감소계수를 곱해 줄어든다. 상온의 SM275 강재는 항복강도 275 MPa 이고, 상온 탄성계수는 210,000 MPa 이다. 고온 값은 이 상온 값에 온도별 감소계수를 곱해 얻는다.

고온에서는 항복강도와 탄성계수가 함께 떨어져 상온 설계식을 그대로 쓸 수 없다.

고온 설계에서는 부재를 축력만 받는 기둥으로 보고 좌굴 강도를 온도에 따라 다시 계산한다. 축강도는 항복강도가 낮아지는 항과 세장비 항의 탄성계수가 낮아지는 항이 동시에 줄어든다. 따라서 같은 단면이라도 고온 축강도는 상온보다 작다.

온도별 감소계수는 상온 값에 대한 고온 값의 비율이다. 항복강도용과 탄성계수용을 따로 쓴다.

임계온도는 부재의 하중비에 대응하는 강재 온도다. 하중비가 작은 부재일수록 임계온도가 높아져 더 오래 버틴다. 그래서 같은 단면이라도 작용 하중에 따라 필요한 피복 두께가 달라진다.

하중비는 화재 시 작용하는 설계하중을 상온에서의 설계 저항으로 나눈 값이다. 이 값으로 부재의 고온 거동을 상온 기준과 연결한다.

그림은 온도가 오를수록 강도 유지율이 떨어지는 대략의 모양이다.

3. 등장 배경과 필요성

철골 구조는 공장에서 부재를 제작하고 현장에서 조립하므로 공기가 짧다. 또 긴 스팬과 고층 골조에 유리해 대형 건축물에 널리 쓰인다. 그러나 강재는 불에 타지 않는 재료임에도 열전도율이 크고, 온도가 오르면 강도와 강성이 함께 떨어진다는 약점이 있다.

콘크리트 구조는 내부 철근이 콘크리트 피복으로 보호되어 열이 천천히 전달된다. 강재는 얇은 단면이 짧은 시간에 가열되어 같은 화재에서도 온도가 빠르게 상승한다. 이 차이 때문에 철골 구조는 별도의 내화 설계가 필요해졌다.

내화 시간은 표준 가열 조건에서 부재가 하중을 지지할 수 있는 시간으로 정한다. 설계자는 건물 용도와 층수에 따라 요구 내화 시간을 정하고, 그 시간 동안 강재 온도가 임계온도 아래에 머무르도록 피복이나 단면을 정한다.

화재 시 기둥이나 보가 먼저 무너지면 연쇄 붕괴로 이어질 수 있다. 피난 경로가 막히고 소방대의 진입 시간도 줄어든다. 화재 시 철골 부재의 붕괴는 피난 시간과 소화 활동 가능 시간을 줄이는 직접 원인이 된다.

그래서 건축법령과 소방 관련 기준은 건물 용도와 규모에 따라 주요 구조부에 내화 성능을 요구한다. 설계자는 화재 시나리오를 정하고, 부재별 내화 시간과 강재 온도를 검토하여 피복 두께나 내화 설계 방법을 정한다.

강재 화재 안전성 검토가 필요한 이유는 세 가지로 요약된다. 첫째는 고온에서 강도가 떨어지는 재료 특성이다. 둘째는 철골 골조가 한 부재의 붕괴로 전체 안정성을 잃을 수 있는 구조 특성이다. 셋째는 인명과 재산을 보호하기 위한 법적 요구다.

최근에는 내화 성능을 실험뿐 아니라 해석으로 검토하는 방법이 함께 쓰인다. 해석에서도 온도별 강도와 탄성계수 감소를 입력값으로 쓰므로, 상온 설계식과 고온 설계식의 차이를 이해하는 것이 필요하다.

4. 구성요소·원리·절차

강재는 온도가 올라가면 항복강도와 탄성계수가 함께 떨어진다. 그래서 화재 시 기둥의 안전성은 상온 내력이 아니라 고온에서 줄어든 강도와 강성으로 판정한다. 구성요소와 원리, 검토 절차를 순서대로 정리한다.

강재의 고온 강도 저감은 온도별 감소계수로 나타낸다. 감소계수는 온도가 높아질수록 작아지고, 고온 구간에서 상온 강도에 비해 크게 떨어진다. 이 때문에 내화설계에서 부재 온도를 내화시간 동안 관리하는 것이 핵심이다.

화재 시 기둥의 좌굴 판정 원리는 다음과 같다.

• 고온에서 탄성계수가 줄면 오일러 좌굴하중이 줄어든다.
• 고온에서 항복강도가 줄면 비탄성 좌굴 영역의 내력이 줄어든다.
• 두 효과가 겹쳐 화재 시 좌굴강도 Fcr,fi 가 상온 Fcr 보다 작아진다.
• 하중비(사용하중/상온 설계내력)가 작을수록 허용 온도가 높아진다.

화재 시 안전성은 고온에서 감소한 강도와 탄성계수로 좌굴하중을 다시 계산하여 판정한다

검토 절차는 다음과 같다.

• 화재 조건과 내화시간을 정하고 부재의 평균온도를 구한다.
• 온도에 따른 항복강도와 탄성계수의 감소계수를 적용한다.
• 세장비 \lambda = KL/r 을 구하고 좌굴 영역(탄성·비탄성)을 나눈다.
• 화재 시 좌굴응력 Fcr,fi 를 식으로 구하고 공칭 압축강도 P_{n,fi} = A \cdot F_{cr,fi} 를 계산한다.
• 화재 하중조합의 소요강도가 설계강도 이하인지 비교한다.
• 부족하면 피복 두께 증가, 단면 증가, 내화도료 적용 중 하나를 택한다.

화재 시 하중조합은 상온 하중조합과 다르다. 화재 상황에서는 고정하중과 활하중의 일부만 작용한다고 보는 것이 일반적이다. 소요하중은 P_{fi} = P_D + \psi P_L 형태로 두고 \psi 는 활하중 감소계수다.

$P_{n,fi} = A \cdot F_{cr,fi}$

A 는 단면적(mm²), F_{cr,fi} 는 고온에서의 좌굴응력(MPa)이다.

5. 관련 법령·기준·표준

강재 화재 안전성은 건축법 체계에서 내화구조 규정과 구조설계기준을 함께 따른다. 내화구조 기준은 부재별 내화시간과 내화성능 온도를 정하고, 구조설계 기준은 고온에서의 강도 저감과 좌굴 검토 식을 제시한다. 기준 이름을 먼저 확인하고 수치를 표로 정리한다.

• 건축물의 피난·방화구조 등의 기준에 관한 규칙: 기둥·보의 내화구조 적용 범위와 내화시간을 정한다.
• 건축물의 구조기준 등에 관한 규칙: 강구조 설계기준(KDS 14 계열)에 따라 상온 내력 검토를 하고, 화재 시 검토는 KDS 14 의 내화 설계 규정을 따른다.
• 강구조 설계기준(KDS 14 31 계열): 강재의 고온 감소계수와 화재 시 좌굴강도 식을 정한다.
• 화재안전기준(NFSC·NFTC) 의 내화구조 성능 기준: 내화성능 시간과 성능온도 기준을 정한다.

기준값 표는 다음과 같다.

개정 연혁은 확실하지 않은 부분이 있어 여기서는 내화구조 기준이 시행령과 규칙 체계로 정비되어 있다는 사실만 정리한다. 세부 개정 시점은 관련 고시와 법령 연혁에서 확인한다.