내화구조

왜 배우는가: 내화구조는 화재 때 건축물이 일정 시간 버티도록 하는 기본 조건이어서, 산업안전보건과 건축법 양쪽 시험에 반복해서 나온다. 폭발위험 장소에서 기둥과 보가 무너지지 않아야 대피와 진화 시간이 확보되므로 정의와 기준 수치를 정확히 알아야 한다.

출제 이력: 제133회 3교시 4번, 제92회 4교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

내화구조는 화재 시 일정 시간 동안 강도와 성능을 유지하도록 기둥·보·바닥·벽 등 구조체를 구성한 구조이다.

핵심 키워드

• 내화구조: 화재 시 구조체의 강도와 성능을 일정 시간 유지하는 구조
• 내화성능: 정해진 가열시험에서 강재 온도 기준을 만족하는 성질
• 내화시간: 내화성능이 보장되는 시간
• 내화재료: 내화 콘크리트, 내화 뿜칠재, 내화 도료 등 구조체를 피복하는 재료
• 주요구조부: 내력벽(耐力壁), 기둥, 바닥, 보, 지붕틀 및 주계단(主階段). 다만 사이 기둥, 최하층 바닥, 작은 보, 차양, 옥외 계단 등 구조상 중요하지 않은 부분은 제외
• 내화피복: 강재 표면을 내화재료로 감싸 온도 상승을 늦추는 공법

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 불이 나도 건물의 뼈대가 쉽게 무너지지 않도록 뼈대를 불에 견디게 만드는 것이다. 불에 타지 않는 재료를 쓰는 것과 불에 견디는 구조를 만드는 것은 다른 개념이다. 불연재료는 연소하지 않는 재료이고, 내화구조는 가열 상황에서 구조 성능을 유지하는 구조이다.

정식 정의는 「산업안전보건기준에 관한 규칙」 제270조(내화기준)에 따른 내화구조에 관한 기술지침에 있다. 이 지침은 건축물의 기둥 및 보, 위험물 저장·취급용기의 지지대 및 배관·전선관 등의 지지대가 화재 시 일정 시간 동안 강도와 그 성능을 유지할 수 있는 구조를 내화구조로 정의한다.

내화성능은 정해진 가열시험방법에서 각 단면 강재의 평균온도가 538℃ 이하, 측정된 어느 곳에서도 649℃ 이하를 지키는 조건이다. 두 조건을 함께 만족해야 내화성능이 인정된다. 내화시간은 이 조건이 보장되는 시험 시간이다.

건축법에서 말하는 내화구조도 같은 취지다. 철근콘크리트조나 벽돌벽 철근콘크리트 바닥구조 등 내화구조 또는 내화재료로 충분히 피복된 구조로서, 건축법이 정한 내화성능을 갖춘 구조를 뜻한다. 한편 방화구조는 화염이 옆 부위로 번지는 것을 막는 구조로, 목조 건물이 불에 잘 타지 않도록 처리된 것, 모르타르·회반죽 등 기타 불연재료를 두께 2.5cm 이상으로 피복한 것을 말한다. 방화구조는 구조체의 내력 유지가 목적이 아니므로 내화구조와 구분해 쓴다.

3. 등장 배경과 필요성

철골구조는 재료 자체가 불연이지만 열에 약하다. 강재는 온도가 올라갈수록 강도가 떨어지므로 설계에는 적용 기준을 따른다. 그래서 화재 때 강재가 허용온도를 넘지 않도록 표면을 내화재료로 피복하는 내화피복 공사가 필요하다.

화재로 구조체가 무너지면 두 가지 피해가 생긴다. 첫째, 재실자의 피난 시간이 줄어든다. 둘째, 소방대의 진입과 진화 활동이 위험해진다. 내화구조는 이 시간을 벌어 주는 장치다.

산업현장에서는 필요성이 더 커진다. 가스·증기나 분진이 있는 폭발위험 장소에서는 화재가 폭발로 이어질 수 있다. 이때 건축물의 기둥과 보가 버티지 못하면 피해가 확대된다. 「산업안전보건기준에 관한 규칙」은 이런 장소의 건축물 구조를 내화기준으로 관리한다.

건축법도 용도와 규모에 따라 주요구조부를 내화구조로 하도록 정한다. 예를 들어 3층 이상인 건축물 및 지하층이 있는 건축물은 주요구조부와 지붕이 대상이다. 다만 단독주택(다중주택 및 다가구주택은 제외), 동물 및 식물 관련 시설, 발전시설(발전소의 부속용도로 쓰는 시설은 제외), 교도소·소년원 또는 묘지 관련 시설(화장시설 및 동물화장시설은 제외), 철강 관련 업종 공장의 제어실 증축 부분 등은 예외다. 또한 일정 기준 이상 규모의 공장 등이 대상이다. 세부 조건은 시행령 제56조에서 확인한다.

내화구조는 피난 시간과 소방 활동 시간을 확보하는 기본 수단이다. 시험에서는 정의, 내화성능 수치, 적용 대상을 함께 답해야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

내화구조는 건축물의 기둥, 보, 바닥, 벽 등 구조체가 화재 시 일정 시간 동안 강도와 형태를 유지하도록 만든 구조다. 구조체 자체를 내화 성능이 있는 재료로 만들거나, 내화재료로 구조체를 피복하는 방식으로 확보한다. 핵심 원리는 강재의 강도 저하를 늦추는 것이다. 강재는 온도가 올라가면 강도가 크게 떨어지므로, 열이 강재 내부로 전달되는 속도를 줄이는 피복 두께와 재료 선택이 성능을 좌우한다.

내화구조 구성요소를 재료와 역할로 나누면 다음과 같다.

표의 구조체와 피복재는 같은 목적을 다른 방식으로 달성한다. 구조체형은 공사 초기에 확보되고, 피복형은 철골을 세운 뒤 마감 공정에서 덧씌운다. 설계자는 부재의 종류와 요구 내화시간에 따라 방식을 고른다.

내화구조가 성능을 내는 원리는 세 가지다. 첫째, 열 전도 지연이다. 피복재의 두께와 열전도율이 클수록 강재 온도 상승이 느리다. 둘째, 강도 유지다. 강재의 허용 온도 이하로 내부 온도를 묶어 두면 하중을 버틴다. 셋째, 구조 안정이다. 부재가 무너지지 않아야 피난과 소화 활동 시간이 확보된다. 내화피복은 강재의 온도 상승을 늦춰 강도 저하를 억제한다.

내화구조는 화재 시 강재 온도를 허용 온도 이하로 묶어 구조 강도를 일정 시간 유지하는 구조다

내화시간은 가열시험에서 내화성능이 보장되는 시간을 뜻한다. 요구 내화시간은 층별·부위별 관련 기준에 따라 정해진다.

시공 절차는 다음과 같다.

• 요구 내화시간과 부재 종류를 설계도서에서 확인한다.
• 내화시험 인증을 받은 재료와 공법을 선정한다.
• 부재 표면을 청소하고 녹과 기름을 제거한다.
• 설계 두께대로 피복재를 시공한다.
• 두께와 밀도를 측정하여 시공 기준과 대조한다.
• 공사 완료 후 시공 확인서를 작성하여 보관한다.

철골 내화피복의 두께는 재료의 열전도율과 부재의 단면 형상(하중 대비 표면적, 즉 형상계수)에 따라 달라진다. 이 값은 인증서와 설계도서가 정하는 값을 쓴다.

5. 관련 법령·기준·표준

내화구조의 근거는 「건축법」과 그 시행령, 「산업안전보건기준에 관한 규칙」 및 「내화구조에 관한 기술지침」이다. 「건축법」은 용도와 규모별로 주요구조부와 지붕을 내화구조로 하도록 정한다. 「건축법 시행령」 제56조는 용도별 바닥면적과 층수 기준을 두고, 건축물의 주요구조부와 지붕에 대한 내화구조 적용 범위를 정한다. 「건축법」 제50조는 대통령령 대상 건축물의 주요구조부와 지붕을 내화구조로 하도록 규정한다.

산업안전 측면에서는 가스 또는 분진 폭발위험 장소의 건축물 기둥·보와 위험물 용기 지지대를 내화구조로 하도록 기술지침이 정한다. 이 지침은 「산업안전보건기준에 관한 규칙」 제270조(내화기준)에 근거한다.

기준 수치와 조건은 다음 표로 모은다.