Study for the Method to Secure the Safety of Fire-fighters in the Building Damaged by a Fire by Using Fire-resistant Design Theories - Mainly about Suggesting the Process and the Method for a Real-time Safety Evaluation by a Fire-fighter -

ISSN: 1738-7167

DOI: http://dx.doi.org/10.7731/KIFSE.2016.30.1.086

화재손상 건축 구조물에서 내화설계 이론을 활용한 소방관 안전확보 방안에 관한 연구

- 소방관에 의한 실시간 안전성평가 절차 및 방법의 제안을 중심으로 - 권영배 · 권인규*

^†

대구광역시 강서소방서, *강원대학교 소방방재학부

Study for the Method to Secure the Safety of Fire-fighters in the Building Damaged by a Fire by Using

Fire-resistant Design Theories

- Mainly about Suggesting the Process and the Method for a Real-time Safety Evaluation by a Fire-fighter -

Yeongbae Kwon · In-Kyu Kwon*

^†

Gang-seo Fire Station, Daegu Metropolitan City

*Department of Fire Protection Engineering, Kangwon National University (Received November 4, 2015; Revised December 23, 2015; Accepted December 24, 2015)

요 약

화재는 건축구조물을 손상시키고, 궁극에는 붕괴될 수 있어 재실자 및 소방관의 생명을 위협한다. 따라서 화재 시에 구조물 내부의 재실자 및 소방관의 안전을 확보하기 위하여 구조물 안전성에 대한 과학적이고 공학적인 분석이 요구된 다. 그러나 현실적으로 화재현장에서 화재손상 건축구조물에 대한 실시간 구조물 안전성 평가, 소방활동 안전구역 설정, 붕괴 우려시 소방관 철수 결정 등에 관한 과학적이고 공학적인 평가 절차 및 방법은 전무한 실정이다. 이에 내화설계 및 화재저항성평가 이론 등을 활용하여 화재손상 건축구조물에 대한 실시간 안전성평가에 관한 절차 및 방법을 제안하 였다. 물론 이러한 안전성평가 절차 및 방법은 화재초기부터 실시간 화재건물 내부 상황을 가장 잘 파악 가능한 소방관 에 의하여 이루어져야 한다고 판단되어 소방관이 활용가능한 안전성평가 절차 및 방법을 제안하였다.

ABSTRACT

Weight-bearing building materials are substantially weakened under high temperatures, and this is evident through the collapse of structures once engulfed by fire. Currently, there is no scientific or technological process of evaluating the real-time structural stability of a building whcih is engulfed by flame., There are many building design specifications which aim to reduce the risk of fire, but little consideration given to fire officer safety while operating in a dangerous building. This paper aims to provide direction within building policy in order to ensure the safe evacuation of fire-fighters in case of an impending building collapse. This paper suggests evaluation criteria for buildings which are damaged due to fire, autilizing current information on fire-resistant building design and a fire-resistant capacity.

Keywords : Securing the safety of fire-fighters, Fire-resistance capacity, Fire-resistance building design, Building col- lapse, Real-time building safety evaluation by a fire-fighter

1. 연구의 필요성

화재는 건축구조물을 손상시켜 부분파괴 및 전체적 붕 괴를 유발하고 건물 내부의 재실자 및 소방관들의 생명을 위협한다. 화재에 의한 건물 붕괴로 인해 소방관이 사망한

피해사례로는 대표적으로 홍재동 화재(2001), 은평구 나이 트클럽화재(2008), 이천 물류창고화재(2009), 평택 가구전 시장화재(2011) 등을 들 수 있다⁽¹⁾. 이러한 사고 사례를 살 펴보면 화재 현장에서의 실시간 건축구조물 안전성 평가 는 이루어지지 않았다. 급박하게 펼쳐지는 화재현장에서

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Corresponding Author, E-Mail: [email protected]

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TEL: +82-33-570-6433, FAX: +82-33-570-6819

화재안전성 평가는 소방관의 몫이 아니라 건축구조기술자 들의 몫이라 생각하거나 화재로 인한 건물 붕괴에 의한 사 고는 업무상 피할 수 없다고 받아들이는 경우도 있다. 또 한 현행 건축법상 2층 이하 건물이나 2000 m²미만의 공 장건물 등은 내화구조로 설계하지 않아도 되므로 화재시 소방관은 건물 붕괴로 인한 위험에 처할 가능성이 커진다.

또한 현재적으로 내화구조 및 내화설계에 관한 연구가 활 발히 진행되고 있으나 연구의 관점이 대부분 화재에 안전 한 구조물을 만들기 위한 설계단계에 관한 연구로서, 화재 시 소방관의 안전을 확보하기 위하여 소방관이 활용 가능 한 열손상 건축구조물에 대한 실시간 안전성 평가에 관한 연구는 전무한 실정이다. 그로인하여 화재현장에서 열손상 건축구조물에 대한 실시간 안전성 평가와 관련된 매뉴얼 이나 기술력 부족으로 건축구조물 붕괴에 따른 소방관의 안전사고가 지속적으로 발생하고 있는 상황이다.

화재로 인한 열손상된 건축구조물 내에서도 소방관들은 화재진압 및 인명구조 활동을 하여야 한다. 내화구조로 설 계되어 있어 두어 시간은 붕괴위험이 없다 공학적 가정 하 에 소방관들은 생명의 위험을 무릅쓰고 건물로 뛰어든다.

구조기술자 및 구조전문가가 화재초기부터 안전성에 관한 정보를 제공하는 것은 불가능할 뿐더러 현장에 배치된다 하더라도 건물 내부 화재 양상을 직접 확인하고 실질적인 평가를 내리는 것 또한 어려운 실정이다. 따라서 건축 구 조물 붕괴로부터 소방관의 안전을 확보하기 위해서 화재 발생 시점에서 부터 소방관에 의한 실시간적이고 실질적 인 안전성 평가가 이루어질 수 있는 안전성평가 절차 및 방법이 고안되어야 한다. 이에 건축 구조재료별 열적 특성 변화 및 내화구조에 관한 기존연구에 대한 고찰을 통하여 화재현장에서 소방관의 안전 확보에 활용 가능한 공학적 이론 및 기술을 살펴보고, 건물 내부의 화재 상황을 가장 잘 아는 소방관 스스로가 활용 가능한 화재저항성 평가절 차와 신속한 평가방법을 제안하고자 한다.

2. 내화설계 및 구조재료의 열적특성

본 연구를 위하여 내화구조 및 내화설계의 정의와 내화 설계 방법에 대하여 살펴보고, 건축 구조재료로 주로 사용 하는 콘크리트, 강재, 목재에 한정하여 그에 대한 열적특 성을 고찰하므로 열 손상 건축 구조물에 대한 구조안전성 판단 및 소방관의 안전 확보에 필요한 기술적 방법들을 모 색하고자 한다.

2.1 내화설계 방법 및 절차에 관한 고찰

상기 피해 사례에서 알 수 있듯이 화재에 의한 고열은 건축 구조물의 주요구조부에 물리적 · 화학적 변화를 일으 켜 건물의 부분적 파괴 및 전체적 붕괴를 유발할 수 있다.

따라서 일정 규모 이상의 건축물은 구조적으로 일정시간 열에 견디고 안전을 확보하기 위하여 내화구조로 설계하

도록 되어 있다. 내화구조란 연소에 의해 발생되는 열에 저항하여 구조물 고유의 기능을 유지하는 구조로서, 재실 자의 생명과 재산 보호 및 소방관계자의 안전 확보를 위하 여 건축물 주요구조부가 구조적 한계에 도달하지 않는 구 조이며, 내화설계란 주요구조부를 화재로부터 견딜 수 있 도록 열에 대한 안전성을 평가하여 내화성능을 확보하고, 부재가 열에 취약한 것으로 판단될 경우에는 단면보강 또 는 내화피복재 시공 등으로 열에 대한 안전성을 확보하는 설계 절차이다. 내화설계 방법에는 시방적 내화설계와 성 능적(공학적) 내화설계로 나눌 수 있다.

우리나라는 시방적 내화설계 절차를 따르며, 내화설계 적용대상을 건축법시행령에 명시하고 있다. 내화성능 기준 은 건축물의 용도를 단순히 일반시설, 주거시설, 산업시설 3가지로 분류하고 대상건축물의 층수와 최고높이를 기준으 로 한 건축물 규모와 건축물 주요구성부재에 따라 30 min~

3 h로 국토교통부 고시에 규정하고 있다⁽²⁾. 내화성능 평가 는 표준시간온도곡선을 이용한 표준화재시험에 따르고 있 으며⁽³⁾, 내화시험 방법 및 성능판단 기준은 한국산업규격 에 규정하고 있다^(4,5). 내화구조의 종류에는 법정내화구조, 인정내화구조, KS내화구로 분류할 수 있다. 반면, 성능적 내화설계 분야의 선두주자인 뉴질랜드의 공학적 내화설계 절차를 살펴보면, 우선적으로 개구부 크기, 화재하중 등의 여러 가지 변수들을 고려하여 도출된 화재크기를 활용하여 해당 부재가 붕괴되지 않고 견딜 수 있는 한계온도를 계산 하여 부재 최고온도와 비교하여 안전성을 판단한다. 화재 에 대비한 고온 구조설계는 상온 구조설계와 달리 작용하 중 감소, 열변형에 의한 부재력, 재료의 기계적 특성변화, 부재단면 감소, 내화피복 등을 고려하여야 한다. 시방적 내 화설계는 법적 요구만 충족하면 내화성능이 확보되어 설계 절차가 간단한 반면 과대설계되는 경향이 있다. 반면, 성능 적 내화설계는 경제적이고 과학적인 설계가 가능하지만 이 를 위해서는 수준높은 공학적 인프라가 요구된다.

2.2 대표적 건축구조재료(콘크리트, 강재, 목재)의 열적 특성

본 연구에서는 건축구조재로 주로 사용되고 있는 콘크 리트, 강재 및 목재에 대한 열적 특성을 살펴보고자 한다.

콘크리트는 다른 어떤 구조재료보다 내화성이 우수한 재 료이다. 그러나 콘크리트 속에 매입되어 있는 철근에 열이 전달되면 구조물 안전성에 문제가 발생하므로, 적정한 콘 크리트 두께로 철근을 피복하여 철근의 온도상승을 방지 하여야 한다. 김성수(2011)의 연구에 따르면 콘크리트가 고열을 받을 경우 색상 및 압축강도 변화가 일어나는 것으 로 나타났다⁽⁶⁾. 압축강도 100 MPa 이상인 고강도 콘크리 트는 조직이 치밀하여 화재 시 폭렬현상이 발생하여 내력 저하가 급격히 발생한다. 고강도 콘크리트는 300^oC에서 폭렬이 발생하는 것으로 나타났다.

강재는 열에 취약하여 특별한 내화조치가 요구된다. 온

도에 따른 강재의 기계적 특성변화에 관한 연구에 따르면, 200^oC까지는 큰 내력저하가 없었으나 이후 내력이 감소 하기 시작하여 550^oC에서는 상온 내력의 1/2로 감소하였 다⁽⁷⁾. 내화성능을 향상시키는 방법으로는 내화피복을 하거 나 내화강재를 사용하는 방법이 있다. 내화강재는 500^oC 까지 항복강도가 유지되는 것으로 나타났다⁽⁸⁾.

목재의 경우는 구조용 집성재(Glued-Laminated Timber;

GLT)는 일반 목재와 달리 강도 및 내화성능이 인정되어 구조용 부재로 사용되고 있다. 구조용 집성재의 평균탄화 속도는 1000^oC에서 분당 대략 0.6~0.7 mm 연소하며, 탄 화되지 않은 내부 재질에는 아무런 변화가 일어나지 않는 특성이 있어 화재 시에도 강도를 유지할 수 있다.

3. 열손상 부재의 안전성 평가

본 연구에서는 내화설계 및 화재저항성평가 이론 등을 적용하여 소방관 스스로가 활용할 수 있는 화재손상 건축 구조물에 대한 실시간 안전성평가에 관한 절차 및 방법을 제안하기 위하여 등분포 하중을 받는 단순보와 편심하중 이 발생하지 않는 단순 기둥 부재를 가정하여 연구를 진행 하였다. 화재에 의한 건물붕괴 양상을 보면 기둥 및 보 뿐 만 아니라 지붕과 벽체의 붕괴와 접합부 모멘트 저항능력 상실에 의한 붕괴 등 다양하며 하중의 종류 또한 다양하다.

그러나 본 연구에서는 화재손상 건축구조물에 대한 안전 성평가에 관한 절차 및 방법을 제안하고자 특정 보와 기둥 에 대하여 대표성을 부여하여 연구를 진행하였으며, 이외 의 부재에 대하여는 차후 본 연구의 기본적인 틀 속에서 구체적인 연구가 필요하다.

3.1 보의 안전성 평가

먼저 강재 보의 안전성 평가를 위하여 다음과 같은 강재 보를 가정하였다.

- 재질 : 일반구조용 강재(SS400, H-410 × 202 × 10 × 18) - 스팬 : 4~8 m

- 하중 : 고정하중(16 kN/m), 적재하중(10~16 kN/m) - 내화피복의 경우 피복 두께 및 방법: 10~30 mm, 석고

보드 3면 박스노출 피복

화재시 구조부재가 내력을 유지하기 위해서는 화재시의 하중에 의한 부재 단면력(Ufire)이 화재시 부재 공칭항복강 도(Rfire)에 내화설계용 강도저감계수(φf)를 곱한 부재 항복 강도보다 작아야 하므로 식(1)과 같이 나타낼 수 있다. 강 재의 한계온도(T_l) 및 화재저항시간(t_r) 계산은 NZS Code 의 화재공학적 이론에 따라 식(2)를 적용하였다⁽⁹⁾.

(1) (2) 여기서 Rf는 하중비, λ는 세장비, d는 판두께, Hp/A는 U_fire≤φ_f×R_fire

T_l = 905 − 690R_f, t_r = 40 T( _l − 140) λ d---Hp

---A ^−0.77

Figure 1. Fire-resistance evaluation process for a steel beam.

Figure 2. Input and output data sheet of fire-resistance evaluation process for a steel beam.

단면형상계수를 의미한다.

강재 보의 화재에 의한 건축구조물 위험성평가는 Figure 1과 같은 절차로 진행하였으며, 화재 현장에서의 신속한

Figure 3. Fire-resistance capacity calculation for a steel beam by using MS Excel.

Figure 4. Yielding temperature of a non-covered steel beam.

Figure 5. Relation between a load ratio and a yielding temperature in a steel beam.

평가를 위하여 마이크로소프트 엑셀프로그램을 활용한 부 재특성 입력시트와 계산결과는 Figure 2 및 Figure 3과 같 다. 고정하중(16 kN/m)은 강재 보의 자중 및 150 mm 두 께의 철근콘크리트 바닥 바닥에 마감 처리한 폭 4 m의 슬 래브가 4~8 m 보에 등분포 하중으로 작용하는 것으로 가 정한 값이다. 적재하중(10~16 kN/m)은 바닥 슬래브에 250~

400 kg/m²의 등분포 하중이 보에 등분포 하중으로 작용하 는 것으로 가정한 값이다. Figure 4와 같이 화재항복온도 는 4 m 스팬에서는 하중 변화에 관계없이 800^oC 이상을 나타내었으며, 스팬이 커지고 하중이 증가할수록 하중비 가 증가하여 고온평가에 부재 항복온도가 크게 감소하였 다. 적재하중이 16 kN/m 이상으로 커지고 스팬이 7 m를 초과한 경우에는 상온평가에서조차 부재가 항복하는 것으 로 나타났으며, 이 경우의 고온평가는 제외하였다. Figure 5와 같이 하중비가 커질수록 항복온도가 감소하는 것으로 나타났다. 본 안전성 평가에서는 하중비가 4배 증가 시 항

복온도는 200^oC 이상 감소하는 것으로 나타났다. 즉, 화 재시 안전성 판단에 있어서 항복온도는 보 상부에 재하 되 는 하중에 큰 영향을 받음을 알 수 있다. 화재에 취약한 무피복 강재 보를 두께 20 mm 석고보드로 내화 피복한 경우는 Figure 6과 같이 화재항복시간이 평균적으로 5배 이상 증가하는 것으로 나타났다. Figure 7에서는 적재하중 이 10 kN/m 인 경우, 내화피복 두께가 10, 20 및 30 mm 로 두꺼워 질수록 약 1 h 정도씩 화재저항시간이 길어지는 것을 알 수 있다. 따라서 설계 초기부터 내화 설계되어 내 화 피복된 경우라 할지라도 유지관리가 부적절하여 어느 일부분이라도 탈락 또는 재 기능을 발휘하지 못할 경우에 는 초기 내화설계 항복시간보다 1/3~1/7 정도 감소할 수 있으므로, 강재보의 내화피복이 적정하게 유지 관리되고 있는지 여부가 화재현장 건축구조물 안전성 평가에 있어 서 중요한 부분이다.

철근콘크리트 보의 경우 안전성 평가에 앞서 철근콘크 리트의 응력 전달 메커니즘을 살펴보면, 하중에 의하여 발생하는 모멘트에 의한 상부 압축력은 보 상단부의 콘 크리트가, 하부 인장력은 보 하단부 철근이 부담한다. 강 재는 고온에 취약한 반면, 콘크리트는 강재에 비해 화재

저항성이 우수한 건축 재료이다. 즉, 콘크리트에 의해 적 정 깊이로 피복된 철근이 콘크리트의 박리 또는 폭렬에 의해 노출되지만 않는다면 적정 내화성능을 유지할 수 있다. 따라서 철근콘크리트 보 하단부의 철근 노출여부가 화재현장 건축구조물 안전성 평가에 있어서 중요한 부분 이다.

목재 보의 화재저항성 평가에 사용된 목재는 두께에 따 라 30 min~1 h 이상의 내화성능을 가지고 있는 집성목재 (GLT) 보로서 다음과 같이 가정하였다.

- 재질 : 집성목재(600 × 180), 항복강도 17.7 MPa - 스팬 : 10 m

- 하중 : 고정하중(1 kN/m), 적재하중(6 kN/m) - 탄화속도 : 0.65 mm/min

화재저항성 평가를 위하여 탄화두께(c) 계산 및 모서리 부분 탄화허용오차를 고려한 단면계수(Z) 계산은 NZS Code의 화재공학 이론에 따라 식(3, 4)를 적용하였으며⁽¹⁰⁾, 집성목재 보의 화재에 의한 건축구조물 위험성평가는 Figure 6. Comparison of yielding time between a non-covered beam and a covered beam.

Figure 7. Comparison of a yielding temperature according to

the thickness of a fire-proof covering. Figure 8. Process of fire-resistance evaluation for a GLT beam.

Figure 8과 같은 절차로 진행하였으며, 화재 현장에서의 신속한 평가를 위하여 마이크로소프트 엑셀프로그램을 활 용하였으며 계산결과는 Figure 9와 같다.

(3) (4) 여기서 t는 화재지속시간, d는 춤두께, b는 폭두께를 의 미한다.

집성목재보의 건축구조물 위험성 평가를 실시한 결과, Figure 10과 같이 목재표면 탄화에 의한 부재단면축소로 부재강도는 시간이 지남에 따라 감소하여 90 min 후에는 부재 단면력보다 작아져 항복하는 것으로 나타났다.

3.2 기둥의 안전성 평가

강재 기둥과 같이 세장비가 큰 부재는 상온 설계시 고려 되는 전체좌굴 및 국부좌굴 뿐만 아니라 온도 상승에 따른

실시간 고온 좌굴 위험성을 평가하여야 한다. 최현식 (2013) 등의 연구에 따르면 H형강 기둥의 파괴거동은 온 도상승에 따른 재료의 항복 또는 플랜지의 비탄성 국부좌 굴에 지배될 가능성이 큰 것으로 나타났다⁽¹¹⁾. 따라서 기둥 의 화재저항성 평가는 축력에 의한 재료의 항복 여부와 함 께 전체좌굴 및 웨브 · 플랜지의 국부좌굴에 대한 평가가 병행하여 이루어져야 한다. 본 연구의 화재저항성 평가에 사용된 기둥은 다음과 같이 가정하였다.

- 재질 : 건축용 H형 내화강재(FR490, 포아송비(ν) = 0.3) - 지지조건 : 단순 지지

- 국부좌굴계수 : (Flange) = 0.425, (Web) = 4.0

- 두께 : 플랜지 폭/두께비(b/tf) = 13~16, 웨브 춤/두께비 (d/t_w) = 40~49

평가에 필요한 온도에 따른 강재의 기계적 특성은 권인 규(2013)의 실험적 연구 결과를 활용하였으며, 온도(T)에 따른 항복강도(Y_p)와 탄성계수(E)를 식(5) 및 식(6)과 같이 제시하고 있었다⁽¹²⁾.

Y_p (Mpa) = 674,490− 720T (^oC) (5) E (Mpa) = 254,343.8− 211.73T (^oC) (6) 고온 좌굴을 평가하기 위하여 전체좌굴응력도, 플랜지국 부좌굴응력도 및 웨브국부좌굴응력도 계산은 Bleich (1952) 및 Timoshenko (1961) 등이 제시한 식(7) 및 식(9)를 활용

하였으며^(13,14), 강재 기둥 화재에 의한 건축구조물 위험성

평가는 Figure 11과 같은 절차로 진행하였으며, 화재 현장 에서의 신속한 평가를 위하여 마이크로소프트 엑셀프로그 램을 활용하였으며 계산결과는 Figure 12와 같다.

(7) c mm( ) = 0.65t

Z mm( ³) = 1

6--- b[( − 2c) d − c( )² − 1.29c²(d − c)]

σ_crθ = π²E_θ λ_e² --- Figure 9. Fire-resistance capacity calculation for a GLT beam using MS Excel.

Figure 10. Reduction of a bending strength in GLT beam according to time.

(8)

(9)

계산결과, H형강 기둥의 국부좌굴 계산결과는 기존연구 (강성덕 외, 2007)와 유사한 국부좌굴-온도 관계곡선을 얻 을 수 있었다⁽¹⁵⁾. Figure 13과 같이 플랜지는 폭/두께비가 13 이하에서는 국부좌굴이 발생하지 않으나 14, 15, 16으 로 증가할수록 국부좌굴이 발생하는 온도가 각각 430^oC, 330^oC, 200^oC로 낮아짐을 알 수 있었다. Figure 14와 같 이 웨브는 춤/두께비가 40 이하에서는 웨브 국부좌굴이 발 생하지 않으나 43, 46, 49로 증가할수록 국부좌굴이 발생

하는 온도가 각각 420^oC, 320^oC, 200^oC로 낮아짐을 알 수 있었다. 따라서 폭두께비에 따라 플랜지 및 웨브의 국 부좌굴에 의한 항복예상온도를 예측할 수 있다.

철근콘크리트 기둥의 화재저항성 평가를 위하여, 화재피 해를 입은 철근콘크리트 기둥의 내화성능에 관한 최근 연 σ_{crθ − f} = k_f π²E_θ

12 1 − ν( ²) b/t( _f)² ---

σ_{crθ − w} = k_w π²E_θ 12 1 − ν( ²) d/t( _w)² ---

Figure 11. Process of a fire-resistance evaluation for a steel column.

Figure 13. Local buckling evaluation for flange of a H- shaped steel column.

Figure 12. Fire-resistance capacity calculation for a fire-resistant steel column by using MS Excel.

Figure 14. Local buckling evaluation for web of a H-shaped steel column.

구에 따르면 기둥전체 면적에 대하여 열을 받은 후에도 강 도를 유지할 수 있는 면적의 비인 철근콘크리트기둥 유효 단면적비는 부재단면이 작아질수록 감소하는 것으로 나타 났다⁽¹⁶⁾. 또한 단면크기 및 피복두께에 따른 철근콘크리트 기둥의 내화성능에 관한 연구에 따르면 피복두께보다 단 면크기가 내화성능에 더 큰 영향을 미치는 것으로 나타났 다⁽¹⁷⁾. 즉, 기둥 단면이 작을수록 폭렬이 발생하지 않더라 도 미세한 균열 및 모서리부분의 취약성 등의 다양한 요인 에 의해 내부로의 열 유입이 빨라지기 때문인 것으로 나타 났다. 우리나라는 기둥의 지름이 25 cm 이상이면 3 h 이상 의 내화성능을 가지는 법정내화구조로 규정하고 있으나, 연구에 따르면 지름 25 cm 기둥의 내화시간이 3 h 기준에 미치지 못하는 것으로 나타났으며, 법정내화구조 내화성능 시간의 수정 및 세분화의 필요성이 제시되었다⁽¹⁸⁾. 따라서 화재에 노출된 기둥 중에서도 단면이 작은 기둥에 대한 화 재저항성 평가가 화재현장 건축구조물 안전성 평가에 있 어서 중요한 부분이다.

목재 기중의 화재저항성 평가를 위하여 사용한 기둥부 재는 내화성능을 가지고 있는 집성목재 보로서 다음과 같 이 가정하였다.

- 단면 : 각형(300 × 300, 400 × 400, 500 × 500), 원형(d = 564 mm)

- 탄화속도 : 0.65 mm/min

각형 기둥 모서리부분의 탄화를 고려하여 탄화반경(r) 및 잔존 기둥 두께(dr)에 의한 잔존 기둥 단면적(Ar)은 식 (10, 11)과 같이 가정하여 계산에 적용하였다.

(10)

(11)

집성목재 기둥의 화재에 의한 건축구조물 위험성평가 또한 화재 현장에서의 신속한 평가를 위하여 마이크로소 프트 엑셀프로그램을 활용하였으며 계산결과는 Figure 15 와 같다. 기둥이 감당할 수 있는 축력은 기둥 단면적에 비 례하므로 기둥 단면적의 감소율은 그 기둥이 감당할 수 있 는 축력의 감소율을 의미한다. 온도에 따른 집성목재 기둥 의 단면감소율은 Figure 16과 같이 나타났으며, 기둥 단면 이 작을수록 단면 감소율이 크게 나타났다. 화재에 2 h 노 출 후의 기둥 단면의 감소율을 살펴보면, 500 × 500 기둥 단면은 55%인 반면, 300 × 300 기둥은 70% 이상 감소한 것으로 나타났다. 즉, 단면적이 작은 기둥일수록 단면감소 율이 큰 것으로 나타났다. Figure 17과 같이 각형 기둥은 동일한 단면적을 가진 원형 기둥에 비해 단면적 감소율이 큰 것으로 나타났다. 이는 화재에 노출되는 면적이 크거나 연소하기 쉬운 모서리 부분을 가진 형상일수록 시간에 따 른 단면적 감소율이 커짐을 의미한다. 따라서 집성목재 기 둥의 화재저항성 평가에 있어서는 단면적이 작은 기둥 및 r = d_r/4

A_r = d_r² − r² 4 − π ---4

⎝ ⎠

⎛ ⎞

Figure 15. Fire-resistance capacity calculation for a GLT column by using MS Excel.

Figure 16. Reduction ratio of a section area according to a size of a column.

화재에 노출되는 면적이 크거나 연소하기 쉬운 모서리 부 분을 가진 형상의 기둥이 화재현장 건축구조물 안전성 평 가에 있어서 중요한 부분이다.

건물 내부에 재실자가 있는 경우에는 화재로 인한 붕괴 위험에도 불구하고 구조작업은 이루어져야 한다. 따라서 이러한 경우에 내화설계에 관한 기존연구와 Figure 18과 같은 화재저항성 평가절차 및 엑셀을 이용한 신속한 계산 방법은 붕괴 위험성 판단 및 안전구역 설정에 유용한 정보 를 제공할 수 있다.

4. 결 론

법정 내화설계 제외 대상이나 초기에 내화설계 되었다 할지라도 유지관리상 내화성능이 적절히 유지되지 못하는 경우, 당해 건물은 화재시 내화성능 시간을 충족시키지 못 하여 소방관의 희생으로 이어질 우려가 높다. 그러나 화재 초기부터 화재 실제 상황을 반영한 실시간 화재저항성 평 가 체계는 전무한 실정이다. 이에 화재 초기부터 실시간으

로 건물 내부 화재 상황을 가장 잘 파악할 수 있는 소방관 에 의한 열 손상 건축구조물에 대한 구조안전성 판단절차 및 평가방법에 대한 연구를 진행하였다.

1. 내화설계이론 및 화재저항성평가 이론을 활용하여 건 물 내부 화재 상황을 가장 잘 파악할 수 있는 소방관에 의 한 과학적 건축구조물 안전성판단 절차를 수립하고, 화재 현장에서 신속하게 위험성을 판단할 수 있도록 Microsoft 엑셀을 이용한 계산방법을 활용한다.

2. 각 시도본부 특수구조단 또는 각 소방서 기동지휘단 등에 건축구조물 안전담당관을 교육 배치하여 화재시에는 초기부터 실시간 건축구조물 위험성 판단 및 건물 붕괴에 대비한 안전한 현장활동에 관한 정보를 제공하고, 평상시 에는 현장에서 활용 가능한 여러가지 내화공학적 이론과 실무를 화재진압대원에게 교육하는 임무를 부여한다.

3. 현재적으로 활용하고 있는 소방대상물정보시스템에 현장에서 활용 가능한 건축구조 도면 또는 정보를 저장하 여 활용한다.

화재에 의한 건물 붕괴는 기둥과 보 이외에도 여러 부분 에서 다양한 형태로 발생하나 본 연구에서는 제한된 건축 재료, 부재 및 하중으로 대표성을 부여하여 화재손상 건축 구조물에 대한 안전성평가에 관한 절차 및 방법을 제안하 고자하였으며, 이외의 건축재료, 부재 및 하중형태에 대하 여는 본 연구의 기본적인 틀 속에서 차후 구체적인 연구가 필요하다.

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