건축물에서 화재가 발생하였을 경우 가연물의 종류 및 크기, 실의 면적과 같은 복잡한 주변 환경 조건에 따라 다양한 화재 양상이 나타나게 된다. 이러한 화재 양상의 다양성은 화재 발생 시 사람들의 즉각적인 대응 방안 마련의 장애 요소가 되어 피해 규모를 증가시키는 원인이 되므로, 주변 환경 요소에 따른 화재 양상의 다양성을 파악하는 것은 필수적이다. 이와 관련하여 국내에서는, Yoo et al.(2009)이 공동주택을 대상으로 실물 규모의 화재 실험을 실시하여, 내부 가연물의 단위 품목별 그리고 단위 공간별 화재 확산 양상을 확인하였다. Yeon(2000)은 밀폐 모형 내에서 개구부의 위치 및 크기에 따른 화염 전파 양상을 확인하고자 화재 실험을 수행하였으며, Kim(2009)은 다양한 화재 하중 및 풍속의 변화가 지하생활공간에서의 화재 성상과 열 유동에 미치는 영향을 분석하고자 대구 (구)국세청과 만경관을 잇는 중앙 지하상가를 대상으로 축소모형실험을 수행하였다. 국외에서는, Beji et al.(2015)이 아파트를 대상으로 화재 실험을 수행하여, 화재실의 면적 및 벽 단열재의 존재 여부에 따른 화염의 높이, 전파 양상 등을 파악하였다. 이와 같이 건축물의 다양한 환경 조건에 따른 화재 양상을 파악하고자 실물 규모의 화재 실험이 수행되고 있으나(Kweon et al., 2012; Yoo et al., 2012; Yoo et al., 2013; Chae et al., 2015; Kweon, 2016), 화재 실험을 수행하는데 막대한 비용과 시간이 소요되어 현실적으로 어려움이 많다.

따라서 최근 CFD(Computational Fluid Dynamics) 기반의 화재 전파 예측 기술을 활용하여 화재 양상을 예측하고 열 및 연기의 유동을 파악하는 방향으로 연구가 진행되고 있다(Ahn et al., 2012; Ahn et al., 2014; Kweon and Chae, 2014). 이와 관련하여, Majdalania et al.(2016)이 개구부의 크기 차이가 화재 양상에 미치는 영향을 파악하고자, 모형실험을 진행한 후 CFD 해석을 수행하여 화염 전파 양상 및 온도 분포에 대하여 상호 비교 검증을 수행하였다. Xiao and Ma(2012)는 화재 시 목재 건물이 받는 영향을 확인하고자 화재 시뮬레이션 수행을 통해 다양한 위치에서의 시간에 따른 온도 분포를 파악하였으며, 그 결과를 실물 규모의 화재 실험과 비교, 분석하였다. 이와 같이 대부분의 선행 연구들은 화재 시 열 및 연기 유동의 예측에 초점을 맞추고 있어, 화재 양상이 건축물의 구조 성능 변화에 미치는 영향 파악에 관한 연구는 미미한 실정이다. 특히, 고온에 따른 개별 구조부재 성능 평가는 상대적으로 많은 연구가 되어 있음에도, 이를 건축물 전체의 구조거동에 적용해본 사례는 많지 않다. 그러나 화재 시 건축물 전체 레벨에서 구조물의 성능 변화는 인명 및 재산 피해와 직결되며 화재 후 보수보강에도 영향을 미치므로, 화재가 구조 성능에 미치는 영향을 파악하는 것은 필수적이다. 따라서 CFD 기반의 화재 전파 예측 기술을 활용하여 다양한 조건에서의 화재 양상을 파악하고 이에 따른 구조 거동을 예측하여, 건축물 설계 및 화재 시 대응 방안에 반영할 필요가 있다. 이때 개구부는 공기 유입의 통로가 되어 화재 확산의 주요 변수가 되므로, 개구부의 개폐가 화재 시 구조물에 미치는 영향을 파악하는 것은 중요한 의미를 갖는다.

따라서 본 연구에서는 화재 시뮬레이션 수행을 통해 화재 시 건축물 내의 온도 분포를 파악하고 이에 따른 구조물의 성능 변화를 예측하여, 개구부의 개폐 여부에 따른 건축물의 구조 거동 차이를 비교, 분석하고자 한다.

마지막으로, 각 부재의 구조 성능 변화로 인한 건축물의 구조적 안전성을 파악하고자, 상용 구조 해석 소프트웨어인 MIDAS GEN ver.785를 이용하여 구조 해석을 수행하였다. 기존 도면에 근거하여 Fig. 14와 같이 대상 건물을 모델링한 후, 유한 요소 해석에서 도출된 각 구조 부재의 시간에 따른 구조 성능 저감 정도를 모델에 적용하여, 화재 시 하중인 1.0D+0.5L의 하중 조합(EUROCODE 1, 2002)에서의 설계 요구조건을 만족하는지 검토하였다. 이때, 부재가 구조 설계 기준을 만족하지 못하는 경우 구조적으로 불안전한 것으로 판단하였다.

Table 1은 Wo_Do모델의 A_ZONE과 Wc_Do모델의 B_ZONE의 구조 성능 변화에 따른 구조 안전성을 검토한 결과로, 그림의 회색 부분은 구조 설계 기준을 만족시키지 못하는 구역을 나타낸다. 먼저 Wo_Do 모델의 경우 화재 발생 후 30분까지는 모든 부재가 설계 기준을 만족하여 구조적으로 문제가 없었으나, 90분 후 A_ZONE이 설계 기준을 만족시키지 못하여 구조적으로 문제가 발생하였다. 또한 120분 이후에는 화재 발생 구역인 A_ZONE과 인접한 구역들이 구조 설계 기준을 만족하지 못하는 것으로 확인되었다. 반면 Wc_Do 모델의 경우 화재 발생 후 30분까지는 구조적으로 큰 문제가 없으나, 90분이 경과하자 B_ZONE이 구조 설계 기준을 만족하지 못하는 것으로 나타나, Wo_Do의 경우보다 Wc_Do의 경우에 구조 설계 기준을 만족하지 못하는 면적이 적은 것으로 확인되었다.

본 연구에서는 화재 발생 시 개구부의 개폐 여부에 따른 구조물의 성능 변화를 파악하기 위하여, 화재 시뮬레이션 수행을 통해 실내 온도 분포를 예측한 후, 열해석 및 구조해석 수행을 통해 시간에 따른 부재별 잔존 구조 성능을 예측하고 이를 적용한 건축물의 구조 설계 기준의 만족 여부를 평가하였다.

서울특별시에 위치한 5개 층의 학교 건축물을 대상으로 개구부 개폐 여부를 변수로 한 화재 시뮬레이션을 수행한 결과, 개구부가 모두 개방된 모델의 경우 화재 발생 위치에서 최대 온도가 나타난 반면, 창문이 폐쇄되고 문이 개방된 모델의 경우 화재 발생 위치에서 계단실 방향으로 이동할수록 최대 온도가 증가하는 현상이 나타났다. 또한 구조물의 성능 변화에 영향을 미치는 유효 수열 온도를 확인하기 위하여 다양한 온도에서의 추가적인 변수해석을 수행한 결과, 짧은 시간 동안 노출된 최대 온도 보다는 오랜 시간 동안 지속된 온도가 구조 거동에 영향을 미치는 것으로 나타났다.

화재로 인한 온도 변화가 큰 구역에 대하여 잔존 구조 성능을 파악하고자 열해석 및 구조해석을 수행한 결과, 화재 발생 2시간 후 개구부 개폐 여부와 관계없이 기둥은 최대 70%, 보는 최대 50%로 구조 성능이 저감되었다. 마지막으로, 건축물 전체의 구조 안전성을 검토한 결과, 화재 발생 후 2시간이 경과하자 개구부가 모두 개방된 경우 설계 조건을 만족하지 못하는 면적이 증가하는 반면, 창문이 폐쇄된 경우는 설계 조건을 만족하지 못하는 면적이 매우 제한적인 것으로 나타났다.

본 연구는 화재 시 화재 영향 인자에 따른 건축물의 구조 성능 변화를 평가하는 기초 연구이다. 이를 바탕으로, 화재 시간에 따른 건축물의 구조 성능 저감을 파악하여 구조적 위험성에 관한 정보를 대피 활동 및 화재 진압 활동 시에 활용한다면 화재로 인한 피해를 줄일 수 있을 것으로 기대된다. 또한 화재 후 건물의 보수⋅보강 작업 시, 보수⋅보강의 필요 여부를 판단하고 정확한 보수⋅보강 설계를 수행할 수 있을 것으로 사료된다.