강재 화재 안전성

정의와 핵심 개념

강재 화재 안전성은 화재로 강재 온도가 올라도 요구 시간 동안 하중을 지지하는 능력이다.

철은 불에 타지 않지만 뜨거워지면 물러진다. 그래서 강재는 화재 중에 강도가 떨어진다.

정식으로는 과도한 변형이나 붕괴 없이 피난과 소화 활동을 가능하게 하는 구조 성능이다.

이 개념의 핵심은 온도 자체가 아니라 온도에 따른 강도 저하다.

온도에 따른 강도 저하

강재의 항복강도와 탄성계수는 온도가 오르면 감소계수를 곱해 줄어든다.

상온 SM275 강재는 항복강도 275 MPa, 탄성계수 210,000 MPa이다.

고온 값은 이 상온 값에 온도별 감소계수를 곱해 얻는다.

고온에서는 두 값이 함께 떨어져 상온 설계식을 그대로 쓸 수 없다.

그래서 고온 축강도는 같은 단면이라도 상온보다 작고, 좌굴 강도를 온도에 따라 다시 계산한다.

기둥 검토 절차

화재 시 기둥 검토는 평균온도를 구하는 것부터 시작한다.

그다음 온도별 감소계수로 E와 Fy를 줄인다. 이어서 세장비로 좌굴 영역을 나눈다.

화재 시 좌굴응력 Fcr,fi로 공칭 압축강도 Pn,fi = A·Fcr,fi를 계산한다.

마지막으로 화재 하중조합의 소요강도가 설계강도 이하인지 비교한다.

화재 하중은 PD + ψPL로 두며, 부족하면 피복을 늘리거나 단면을 키우거나 내화도료를 쓴다.

624℃ 기둥 계산 예제

기둥은 H-400×400×13×21, 강재는 SM275, 평균온도는 624℃인 경우를 보자.

설계 하중은 고정하중 1,000 kN과 활하중 850 kN을 더한 1,850 kN이다.

양단 강접을 가정해 K를 1.0으로 보면 약축 세장비는 4300÷101, 약 42.6이다.

624℃에서는 항복강도가 상온 값보다 크게 줄므로, 온도별 감소계수를 곱해 설계강도를 구한다.

계산한 내력이 1,850 kN 이상이면 안전하고, 미만이면 피복 증가나 단면 증대가 필요하다.

흔한 실수와 채점 포인트

시험에서 자주 틀리는 실수는 네 가지다.

첫째, 화재 시 기둥을 상온 설계강도로 검토한다. 화재 시에는 Fcr,fi를 구해야 한다.

둘째, 화재 하중조합을 상온 조합과 같게 잡는다. 감소된 조합을 쓰는 것이 일반적이다.

셋째, 좌굴길이를 기둥 높이와 같게 두고 K를 생략한다. K는 골조 조건으로 판단한다.

넷째, 평균온도와 최고온도를 혼동한다. 문항이 평균온도를 주면 평균온도 기준을 적용한다.

정리

정리하자. 화재 시 강재는 온도가 오르면 탄성계수와 항복강도가 줄어든다.

기둥은 온도 저하를 반영한 Fcr,fi로 좌굴 강도를 구하고, 소요강도와 비교한다.

부족하면 피복, 단면, 내화도료 중에서 보강한다. 내화구조 생략은 성능기반 위험성 평가로만 입증된다.

시험에서는 평균온도, 하중조합, 유효좌굴길이계수 K를 함께 확인해야 한다.