화학설비 내화구조

왜 배우는가: 화학설비가 있는 공장에서 폭발과 화재가 겹치면 건축물 기둥과 설비 지지대의 붕괴가 피해를 키운다. 내화구조의 대상, 범위, 성능 판정 기준은 법령 근거와 함께 묻는 주제라 기술사 시험에서 반복해 출제된다.

출제 이력: 제135회 3교시 5번, 제108회 4교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에는 다음 정의를 쓴다.

내화구조는 화재 시 일정 시간 동안 강도와 성능을 유지하도록 만든 기둥·보·지지대의 구조이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 내화구조
• 내화성능
• 내화재료
• 내화시간
• 폭발위험장소
• 비재하 가열시험
• 강재 평균온도
• 위험물 저장·취급용기 지지대

이 여덟 개를 답안에 쓰면 정의, 대상, 성능 판정 기준이 모두 드러난다. 답안은 대상 구조물을 먼저 적고, 그다음 성능 기준을 적는 순서가 자연스럽다.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면 내화구조는 불이 나도 쉽게 무너지지 않는 뼈대다. 가스나 분진이 폭발할 수 있는 장소에서는 폭발과 화재가 함께 일어나기 쉽다. 이때 건물의 기둥과 보, 위험물 용기를 받치는 지지대가 먼저 무너지면 사고가 커진다. 그래서 산업안전보건기준에 관한 규칙은 이런 장소의 일정 부분을 내화구조로 하도록 정한다.

정식 정의는 다음과 같다. 내화구조는 건축물의 기둥 및 보, 위험물 저장·취급용기의 지지대, 배관·전선관 등의 지지대가 화재 시 일정 시간 동안 강도와 그 성능을 유지할 수 있는 구조를 말한다. 여기서 핵심은 두 가지다. 대상이 정해져 있다는 점, 그리고 시간이라는 요소가 들어간다는 점이다.

내화성능은 정해진 가열시험방법에 따라 시험했을 때 기준 온도를 넘지 않는 성능이다. 강재 기둥의 경우 각 단면에서 측정한 강재의 평균온도가 538℃ 를 넘지 않아야 하고, 온도를 측정한 어느 곳도 649℃ 를 넘지 않아야 한다. 강재는 온도가 올라가면 강도가 떨어지므로, 강재 온도를 기준 이하로 묶어 두면 구조의 강도 유지를 간접적으로 판단할 수 있다.

내화재료는 내화구조를 만들 때 쓰는 재료다. 내화 콘크리트, 내화 뿜칠재, 내화 도료 등이 여기에 해당한다. 내화재료는 한국산업표준으로 정하는 기준에 적합하거나 그 이상의 성능을 가져야 한다. 강재는 열전도율이 높아 불꽃에 노출되면 단면 전체가 빠르게 가열된다. 그래서 강재 표면에 내화 뿜칠재나 내화 도료를 입혀 온도 상승을 늦춘다. 뿜칠재의 두께가 늘수록 같은 시간 동안 강재 온도가 덜 오른다.

내화시간은 정해진 가열시험에서 내화성능이 보장되는 시간이다. 내화성능은 온도 기준을 만족하는지에 대한 판정이고, 내화시간은 그 판정을 만족한 시간의 길이다. 둘을 섞어 쓰면 감점이 되므로 구분해 쓴다.

폭발위험장소는 인화성 액체의 증기나 인화성 가스, 또는 가연성 분진이 존재하여 폭발이 우려되는 장소다. 기준은 이 장소에 설치하는 건축물과 설비 지지대에 내화구조를 요구한다.

비재하 가열시험은 부재에 하중을 걸지 않은 상태에서 정해진 온도 곡선에 따라 가열하고, 부재의 온도 변화를 측정하는 시험이다. 하중을 걸지 않으므로 시험 결과는 온도 기준으로 판정한다. 시험체 여러 단면에 열전대를 설치해 온도를 측정하고, 평균 온도와 최고 온도 두 기준을 함께 본다. 강재 기둥의 내화성능을 이 방식으로 판정하는 이유가 여기에 있다.

표에서 보듯 불연재료는 재료의 성질이고, 내화구조는 시험으로 확인하는 구조의 성능이다. 불연재료로 만들었다고 해서 자동으로 내화구조가 되지는 않는다.

3. 등장 배경과 필요성

폭발은 순간적으로 압력을 올리고, 그 압력은 건물 기둥이나 설비 지지대를 흔들어 무너뜨릴 수 있다. 여기에 화재가 겹치면 지지대가 약해져 저장용기나 배관이 넘어지고, 새어 나온 인화성 물질에 불이 옮겨붙는다. 이렇게 피해가 연쇄로 커지는 전개가 화학 플랜트 사고를 설명할 때 자주 쓰는 패턴이다.

내화구조를 요구하는 목적은 세 가지다. 첫째, 구조물이 버텨 주는 시간 동안 작업자가 대피할 수 있다. 둘째, 설비와 배관의 지지가 유지되어 누출과 확산을 줄일 수 있다. 셋째, 소방대가 진입해 진화하고 설비를 차단할 시간을 확보할 수 있다.

이 세 목적은 모두 시간과 관련된다. 그래서 내화구조는 불이 나도 바로 무너지지 않는 것이 핵심이며, 단순히 불에 타지 않는 재료를 쓰는 것과는 요구 수준이 다르다.

모든 구조물을 내화구조로 할 필요는 없다. 법은 대상을 기둥과 보, 위험물 용기 지지대, 배관·전선관 지지대로 좁히고, 높이도 지상 1층이나 1단 등으로 한정한다. 이렇게 범위를 정해 두면 설계와 시공 비용을 관리하면서도 핵심 부재의 붕괴를 막을 수 있다. 가스폭발·분진폭발 위험장소에 설치되는 건축물 등의 주변에 물 분무시설 또는 폼 헤드설비 등 자동소화설비를 설치해 화재 시 2시간 이상 안전성을 유지하면 내화구조로 하지 않을 수 있다.

법적 근거는 산업안전보건기준에 관한 규칙 제270조(내화기준)다. 이 조문은 가스폭발 위험장소와 분진폭발 위험장소에 설치되는 건축물 등을 대상으로 한다. 「내화구조에 관한 기술지침」은 인화성 액체의 증기 또는 가스에 의한 폭발위험장소와 분진에 의한 폭발위험장소를 적용 범위로 두고, 내화구조의 정의와 성능 판정 기준을 제시한다. 과거에는 이 내용이 제290조로 인용되었으나 현행 조문 번호는 제270조다.

4. 구성요소·원리·절차

화학설비 내화구조는 가스·분진 폭발위험장소에 설치하는 건축물과 설비 지지물을 화재 시 일정 시간 동안 강도와 성능을 유지하도록 만드는 구조다. 구성요소는 건축물의 기둥·보, 위험물 저장·취급용기의 지지대, 배관·전선관 등의 지지대 세 가지다. 이 세 부분은 화재 때 무너지면 폭발 피해가 확대되므로 내화구조 대상이 된다.

위 표는 「산업안전보건기준에 관한 규칙」 제270조제1항의 적용 범위다. 세 구성요소 모두 설치 위치가 폭발위험장소 안이라는 조건이 붙는다.

원리는 강재의 온도 상승을 억제하는 것이다. 철골은 온도가 높아질수록 강도와 탄성계수가 급격히 떨어진다. 내화재료(내화 콘크리트, 내화 뿜칠재, 내화 도료 등)가 열을 차단하거나 흡수하여 강재 온도 상승을 늦춘다. 그 결과 설계 시간 동안 부재가 하중을 지탱한다.

절차는 다음과 같다.

• 폭발위험장소(가스·분진)를 설정하고 설치 건축물과 지지대를 구분한다.
• 각 구성요소의 내화 적용 높이 범위(1층, 지지대 끝, 1단)를 정한다.
• 내화재료를 선정한다. 내화재료는 한국산업표준 기준에 적합하거나 그 이상 성능이어야 한다.
• 내화구조로 시공하고 성능이 유지되도록 점검·보수한다.
• 건축물 주변에 물분무설비나 폼헤드설비 등 자동소화설비를 설치하면 내화구조를 생략할 수 있다. 이때 화재 시 2시간 이상 안전성을 유지해야 한다.

5. 관련 법령·기준·표준

내화구조의 근거는 「산업안전보건기준에 관한 규칙」 제270조(내화기준)다. 적용 대상은 제230조제1항의 가스폭발 위험장소 또는 분진폭발 위험장소에 설치되는 건축물 등이다. 기술지침은 인화성 액체 증기·가스 및 분진 폭발위험장소의 건축물 기둥·보, 위험물 용기 지지대, 배관·전선관 지지대를 내화구조로 하는 경우에 적용한다.

내화성능의 판정기준은 가열시험 결과로 정한다. 기술지침의 정의에 따르면 각 단면에서 측정한 강재의 평균온도가 538℃ 이하, 온도가 측정된 어느 곳에서도 649℃ 이하이어야 한다. 이 조건을 만족하는 시간이 내화시간이다.

위 표의 값 가운데 제외 높이·1층 기준·2시간은 조문의 값이다. 538℃와 649℃는 내화성능의 정의에서 온 값이다. 단위와 적용 조건을 함께 기억해야 한다.