화재가혹도·화재저항

왜 배우는가: 화재가혹도와 화재저항은 건축물의 피난 안전, 소방활동 시간 확보, 구조 붕괴 방지를 설명하는 기본 개념이다. 소방기술사 시험에서는 화재하중, 내화설계, 소화설비 설계를 묶어 반복적으로 출제된다.

출제 이력: 제138회 4교시 1번, 제109회 3교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

화재가혹도는 화재강도와 화재지속시간으로 정해지는 화재의 피해 정도이고, 화재저항은 표준 화재에 노출된 부재가 성능을 유지하는 시간이다.

답안 첫 줄은 이 정의 문장으로 쓴다. 화재가혹도는 '얼마나 세고 얼마나 오래 타는가'로 정해지는 피해의 크기다. 화재저항은 같은 화재 조건에서 부재가 버티는 시간으로 측정한다. 두 개념은 모두 화재의 조건을 먼저 정하고, 그 조건에서 건축물이나 설비가 어떻게 반응하는지를 본다는 점에서 한 체계에 속한다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 화재가혹도(Fire Severity)
• 화재강도(Fire Intensity)
• 화재하중(Fire Load)
• 화재저항(Fire Resistance)
• 내화성능
• 표준 시간-가열 온도곡선
• 내력·차염·차열

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 화재가혹도는 불이 건물에 주는 시련의 크기다. 같은 불이라도 탈 것이 많으면 더 오래 타고, 더 뜨겁게 타면 구조체가 빨리 약해진다. 정식으로는 화재가혹도를 화재강도와 화재하중(지속시간)의 조합으로 표현한다.

화재강도는 단위 시간당 열방출률(kW)로 나타내는 화재의 세기다. 연소가 빠르고 열이 많이 나올수록 화재강도가 커진다. 화재강도는 소화설비의 방수량과 제어 능력을 정하는 기준이 된다.

화재하중은 화재실 또는 건물 안의 모든 가연성 물질이 완전 연소할 때 나오는 전체 발열량이다. 화재하중 밀도는 이를 단위 면적당으로 나눈 값이며, 기준은 목재의 발열량으로 환산한 중량(kg/㎡)을 쓰는 방식이 일반적이다. 화재하중이 클수록 화재 지속시간이 길어진다.

화재저항은 부재가 표준 화재에 노출될 때 성능을 유지하는 시간이다. 성능은 세 가지로 나눈다. 내력(R)은 하중을 지지하는 능력, 차염(E)은 틈새로 화염이 넘어가지 않는 능력, 차열(I)은 비가열면 온도 상승을 제한하는 능력이다. 세 성능을 모두 만족하는 시간이 내화시간이다.

화재저항 시험의 기준은 표준 시간-가열 온도곡선이다. 국제표준 계열의 표준 시간-가열 온도곡선을 쓴다.

표준 시간-가열 온도곡선은 시간과 가열로 내부 온도의 관계를 나타낸다.

여기서 T는 가열로 내부 온도(℃), t는 가열 시간(분)이다. 이 곡선은 시간이 지날수록 온도가 완만하게 오르는 형태다. 가열 시간이 길어질수록 가열로 내부 온도가 상승한다. 실화재의 온도 곡선과 다르므로 시험은 기준 곡선으로 통일하여 부재 간 비교가 가능하도록 한다.

3. 등장 배경과 필요성

현대 건축물은 대형화와 고층화가 진행되었다. 화재가 발생하면 건물 안의 사람을 대피시키는 시간과 소방대원이 진입해 활동할 시간이 필요하다. 이 시간을 확보하려면 구조체가 일정 시간 무너지지 않아야 한다. 화재저항 개념은 이 요구에서 출발했다.

철골 구조는 강재가 고온에서 강도를 잃는다는 약점이 있다. 그래서 강재 표면에 내화피복을 설치하여 내력과 내화성을 시간적으로 늘린다. 피복재는 경량 콘크리트, 석고, 질석, 퍼라이트, 광물질 섬유 등을 쓰며, 뿜칠, 도장, 타설 공법으로 시공한다.

내화피복에는 두 가지 기능이 요구된다. 하나는 열이 전달되어 비가열면의 가연물이 착화되지 않도록 막는 차열성이다. 다른 하나는 부재에 균열이나 구멍이 생겨도 화염과 열기가 관통하지 않도록 하는 내력 기능이다. 건축 법규는 구조부재가 가져야 할 내화성능을 규정하여 방화대책의 기본으로 삼는다.

건축 법규에서는 구조 방식에 따라 방화구조와 내화구조를 구분한다. 방화구조는 목조 건물의 연소를 억제하는 구조이고, 내화구조는 화재를 당해도 구조체가 크게 손상되지 않는 구조다. 이 구분이 있어야 설계자가 건물의 용도와 규모에 맞는 내화성능을 선택할 수 있다.

4. 구성요소·원리·절차

화재가혹도는 화재의 세기와 지속 정도를 함께 나타내는 개념이다. 구성요소는 화재하중, 화재강도, 연소시간으로 나뉜다. 화재하중은 가연물의 양, 화재강도는 가연물이 타는 속도와 온도, 연소시간은 가연물이 소진되기까지의 시간에 해당한다.

화재하중은 가연물의 종류와 양으로 정해진다. 화재강도는 환기 조건과 가연물의 배열에 따라 달라진다. 세 요소가 함께 커질수록 화재가혹도는 커진다.

화재가혹도는 화재하중·화재강도·연소시간의 결합으로 정해진다.

가연물마다 발열량이 다르므로 화재하중은 목재 중량으로 환산한다. 식은 다음과 같다.

$q=\frac{\sum G_i H_i}{A\,H_o}$

여기서 q는 목재 환산 화재하중(kg/㎡), G_i는 i번째 가연물의 질량(kg), H_i는 그 가연물의 발열량(MJ/kg), A는 바닥면적(㎡), H_o는 목재 발열량(MJ/kg)이다. 목재 발열량은 적용 기준에 따라 정한다.

계산 예제: 가연물 총질량 2,000kg(목재 환산), 바닥면적 100㎡인 실을 본다. 총발열량은 가연물 질량에 적용 발열량을 곱해 산정한다. 단위 면적당 값은 총발열량을 바닥면적으로 나누고, 목재 중량으로 환산할 때는 목재 발열량으로 나눈다. 결과는 상식적인 범위의 값이다.

화재강도가 크면 열방출률이 커져 스프링클러 헤드의 작동이 빨라지고 살수 능력이 중요해진다. 화재하중이 크면 소화에 필요한 수원량과 지속시간이 늘어난다. 두 요소가 모두 크면 구조부재가 받는 온도가 높고 오래 유지되므로 내화 설계를 강화해야 한다.

화재가혹도 산정과 설계 절차는 다음과 같다.

• 공간별 가연물의 종류와 질량을 조사한다.
• 각 가연물의 발열량을 적용하여 총발열량을 구한다.
• 바닥면적으로 나누어 화재하중 q를 산정한다.
• 가연물 배열과 환기 조건으로 화재강도(열방출률, 최고온도)를 추정한다.
• 화재하중과 화재강도로 가혹도 등급을 정하고 소화설비 설계조건을 정한다.
• 구조부재의 내화시간을 표준 가열곡선으로 검증한다.

화재저항은 부재가 표준 가열 조건에서 설정된 시간 동안 내력, 차염, 차열 기능을 유지하는지로 평가한다. 내력은 하중을 지지하는 능력이고, 차염은 화염과 고온가스의 관통을 막는 능력이며, 차열은 비가열면 온도가 기준 이상 오르지 않게 하는 능력이다.

5. 관련 법령·기준·표준

화재저항을 직접 규정하는 기준은 건축 분야와 소방 분야로 나뉜다. 건축 분야는 건축법령과 내화구조 성능기준이 부재별 내화 요구를 정한다. 소방 분야는 2022-12-01부터 화재안전성능기준(NFPC)과 화재안전기술기준(NFTC) 체계로 설비 수치를 정한다. 두 분야 모두 화재저항 시험은 표준 가열곡선에서 부재의 성능을 확인하는 방식이다.

표의 첫 세 행은 방화재료의 두께와 가열시험 조건이다. 준불연 재료는 관련 기준에서 정한 가열 조건에 따른 반대면 온도와 잔염 여부로 판정한다. 위험물 설비의 내화범위는 관련 기준과 시설의 특성에 따라 정한다.

표준 시간-가열 온도곡선은 가열 시간에 따른 가열로 온도의 관계를 나타낸다. 이 곡선에 따라 가열 시간이 길어지면 가열로 온도가 상승한다. 부재의 내화성능은 이 표준 가열 조건에서 평가한다.

건축 내화성능은 표준 가열곡선에서 내력·차염·차열로 판정한다.

소방 설비 기준은 화재강도와 화재하중을 설계 조건으로 쓰고, 건축 내화 기준은 부재의 지속 성능을 정한다. 화재예방안전진단 고시는 화재위험 요인과 현장 관리 상태를 평가하는 제도이므로 부재의 내화 성능 자체를 정하지는 않는다. 개정 흐름은 2022-12-01 NFPC·NFTC 체계 전환이 대표적이다.