A Study on the Thickness of Fire-Resistant Spray of U-shaped Composite Beams through Fire Resistance Test and Analysis

민정 강; 성배 김; 상섭 김

doi:10.9798/KOSHAM.2023.23.3.13

Abstract

Building fires can lead to loss of human lives and economic damage, as well as secondary damage due to collapsing buildings. Consequently, fire resistance performance of structural members has been garnering considerable interest in Korea. Fireproof structures are applied on the basis of the specification design. However, recent research results that focus on application of performance design have been published through a research project by the Ministry of Land, Infrastructure, and Transport. Therefore, in this study, composite beam specimens coated with fire-resistant material were manufactured, and fire resistance tests were conducted for 3 h. Additionally, finite element analysis was performed under the same shape and conditions to verify the reliability of the fire resistance analysis, which was conducted by varying the thickness of the fire-resistant coating.

Keywords: Fireproof Structure, Composite Beam, Fire Resistance Test, Finite Element Analysis

요지

건축물 화재는 인적, 경제적 피해를 일으키며, 건축물의 붕괴를 유발하여 2차 피해를 야기할 수 있으므로 최근 국내에서 구조부재의 내화성능에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 우리나라의 내화구조는 사양설계를 기초로 적용되고 있으나, 최근 국토교통부 연구과제를 통해 성능설계를 적용할 수 있는 연구결과가 발표되고 있다. 이에 본 연구에서는 내화피복재를 도포한 합성보 실험체를 제작하여 3시간 내화시험을 진행하였다. 또한, 동일한 형상과 조건으로 유한요소해석을 수행하여 내화해석의 신뢰성을 검증하였으며, 다양한 두께의 내화피복재를 적용하여 내화해석을 진행하였다.

핵심용어: 내화구조, 합성보, 내화시험, 유한요소해석

1. 서 론

오늘날 건설기술의 한계에 도전하는 초고층 초대형, 고하중 건축물이 다수 설계되고 있다. 이러한 건축물은 도시의 랜드마크로서 도시 이미지 제고 및 새로운 업무⋅상권 형성으로 지역경제를 활성화한다(Kim et al., 2015).

철근콘크리트와 철골로 구성되는 합성보는 개별 재료의 장점을 극대화하여 단면의 효율성 증가, 물량, 터파기량, 층고 절감 등의 효과를 기대할 수 있으며, 처짐 및 진동 등의 사용성을 증가시킨다(Kang et al., 2023). 또한, 합성부재는 단일 재료에 비해 우수한 성능을 갖고 있어서, 고층⋅대형 건축물에 주로 사용된다.

최근 고층빌딩, 물류창고, 공장 등에서 건축물 화재가 다수 발생하였다. 화재는 인적피해뿐만 아니라 경제적으로도 큰 손해를 입히며, 건축물의 붕괴를 유발하여 2차 피해를 야기할 수 있다. 따라서 인명안전과 구조물 붕괴방지를 위해 주요 구조부재의 내화성능에 대한 관심이 증대되고 있다(Choi et al., 2021).

국내의 내화구조는 사양설계를 기초로 적용되고 있으나, 최근 국토부 연구과제를 통해 성능설계를 적용할 수 있는 연구결과가 발표되고 있다. ‘건축물의 피난⋅방화구조 등의 기준에 관한 규칙(국토교통부령 641호)’의 제3조 9항에 이미 내화구조 성능설계를 적용할 수 있도록 규정되어있으나, 아직까지 그 사례는 찾아볼 수 없다. 그러나, 유럽에서는 수십년 전부터 건축부재에 대한 내화성능 및 거동을 해석적 방법을 통하여 연구해왔으며, 그 결과를 성능설계에 적용하고 있다.

최근 국내에서도 유한요소해석 프로그램의 발달로 ABAQUS나 ANSYS를 사용하여 내화성능을 확인하는 연구가 증가하고 있다. Lim et al. (2006)은 합성보의 내화성능에 대한 해석적 연구를 수행하였다. 또한, Ahn and Lee (2015)는 사양적 내화설계가 노출된 모든 강재면을 피복하게 함으로써 시공성, 경제성을 저감시키는 단점을 지적하며, 무피복 합성보의 내화시험 및 해석을 수행하였다. Kwak and Choi (2019)는 ANSYS를 이용하여 화재 후 온도에 따른 합성보 성능에 관한 연구를 진행하였다. 이처럼 다양한 내화해석 연구가 있지만, 내화재료의 적합한 피복두께를 산정하는 내화해석 연구는 찾아보기 힘들다.

따라서 본 연구에서는 내화뿜칠로 피복된 U형 합성보의 내화구조 성능 인정을 위해 내화시험을 수행하였으며, 내화뿜칠의 적합한 두께를 산정하기 위해 유한요소해석을 진행하였다. 또한, 내화시험 결과와 비교하여 해석 결과의 타당성을 검증하였다.

2. 내화시험 계획

2.1 실험체 계획

본 연구의 U형 합성보는 기존 연구(Kim et al., 2015)를 통해 구조성능이 검증되었다. 실험체의 형상은 Fig. 1과 같이 HF - 300 × 270 × 5.8 사이즈의 합성보로 제작하였다. 강판은 SS275이고, 콘크리트 설계기준 강도는 24 MPa이며, 소재시험결과는 Tables 1, 2와 같다. 실험체의 길이는 4,700 mm이며, 19 mm 두께의 내화뿜칠을 적용한 실험체를 2개 제작하였다. 한국건설기술연구원으로부터 내화뿜칠 두께 21 mm로 3시간 내화구조를 인정받기 위해 실험은 0.9배인 19 mm로 진행하였다.

Fig. 1

Shape of Test Specimen

Table 1

Material Test Results of Steel

Division	Yield strength	Tensile strength	Elongation
SS275	329.07 MPa	476.96 MPa	31.73%

Table 2

Material Test Results of Concrete

Design criterion strength	Compressive strength test	W/C ratio	Slump	Max. size of coarse aggregate	Air content
24 MPa	24.5 MPa	55.2%	150 mm	25 mm	4.5 ± 1.5%

실험체 명은 내화뿜칠(Spray)의 S와 비재하 내화시험(Non-loading test)의 N 뒤에 내화뿜칠 두께(19 mm)를 나열하여 SN19-1, SN19-2로 정하였다.

2.2 내화시험 계획

화재에 노출된 상황을 재현하여 내화해석 결과와 비교하기 위해 내화시험을 진행하였다. 국내에서는 일반시설, 주거시설, 산업시설을 기준으로 층수가 12층을 초과하고 최고높이가 50 m를 초과하는 경우, 보 부재의 3시간 내화성능이 필요하다. 그러므로 본 연구에서는 내화뿜칠을 적용한 U형 합성보의 3시간 내화성능을 확인하기 위해 내화시험을 진행하였다.

실험은 KS F 2257-1 (2019)을 준용하여 비재하 내화시험으로 진행하였으며, KS F 2257-6 (2019)에 따른 강재 단면별 평균온도 및 최고온도 조건을 만족해야 한다. 내화시험은 Fig. 2의 표준 시간-가열온도 곡선에 따라 3시간 동안 실험체를 가열하였다. 또한, 합성보의 온도를 측정하기 위하여 Fig. 3과 같이 한 단면 당 4개씩 총 12개의 열전대를 설치하였다.

Fig. 2

Standard Time-Temperature Curve

Fig. 3

Location of Thermocouples

3. 내화해석 계획

3.1 내화해석 모델

철골부재에 적용하는 내화피복재의 종류는 내화뿜칠, 내화페인트, 내화보드 등이 있다. 그중 내화뿜칠이 시공비, 시공성, 작업성 등의 이유로 가장 많이 적용된다. 일반적인 경우 철골보의 3시간 내화뿜칠 두께는 35 mm 이상으로 계획한다. 그러나 본 연구의 U형 합성보는 실험을 통해 피복두께 19 mm의 내화뿜칠을 적용하여 3시간 내화구조로 인정받았다.

본 연구에서는 U형 합성보의 3시간 내화성능 확보를 위한 내화피복재의 적합한 두께를 산정하기 위해 내화해석을 진행하였다. U형 합성보의 형상은 Fig. 1과 같으며, 내화뿜칠 두께를 21 mm에서 16 mm까지 1 mm씩 변형시켜 총 6개의 내화해석 모델을 계획하였다. 편의상 해석모델명을 SN 뒤에 내화피복 두께를 붙여 SN21~SN16으로 정하였다.

3.2 내화해석 방법

유한요소해석 프로그램인 Abaqus/CAE 2021을 사용하여 내화해석을 진행하였다. 내화해석 절차는 Fig. 4와 같다. Autocad를 활용하여 U형 합성보를 3D로 구현한 후 Abaqus로 삽입하였다. 합성보를 구성하는 각 재료의 열적 특성을 입력하였다.

Fig. 4

Fire Resistance Analysis Procedure

내화해석을 위해 내화시험과 최대한 동일하게 화재에 노출된 상황을 재현하기 위하여 표준 시간-가열온도 곡선에 따른 온도분포를 Fig. 5와 같이 합성보의 내화뿜칠 외측면에 적용하였다. 온도에 대한 자유도를 가진 8개의 절점으로 이루어진 3차원 입방체 요소 DC3D8을 사용하여 모델링하였다.

Fig. 5

Heat Transfer Analysis Model

열전달의 기본적인 메커니즘인 전도, 대류, 복사를 경계조건으로 설정하였다. 내화해석 시 경계면의 가열조건은 EN 1991-1-2 (2002)의 권장값을 사용하여, 대류열전달계수는 25 W/m²K, 복사 경계조건으로 방사율 0.7, 스테판-볼츠만 상수는 5.67 × 10^-8 W/m²K⁴로 적용하였다.

열전달 해석은 가열시간동안 부재의 형상변화가 단면 내 온도분포에 영향을 주지 않는다는 것으로 가정한다. 또한, 합성보의 가열면이 전 구간에 걸쳐 화재에 균일하게 노출되어 있다고 가정한다.

국내에서는 열전달 해석을 수행하기 위한 재료의 열적 특성 연구가 미비한 실정이다. 그러나 유럽, 미국 등에서 광범위한 실험 및 해석적 연구를 통해 내화성능에 영향을 미치는 재료의 열적 특성을 규명하여 내화해석에 활용하고 있다(EC1~4). 따라서 본 연구에서도 내화해석 시 Eurocode를 적용하였다.

3.3 내화해석 변수 및 모델링 계획

3.3.1 콘크리트 모델링 계획

콘크리트의 기계적, 열적 물성치는 EN 1992-1-2 (2004)에 따라 적용하였다.

고온에 노출된 콘크리트는 온도팽창과 건조수축이 일어나고 수분손실로 인하여 질량이 감소된다. 따라서 노출 온도에 따라 밀도도 변화된다(Fig. 6, Eqs. (1)~(4)). 상온에서의 밀도(ρ(20°C))는 2,300 kg/m³을 적용하였다.

Fig. 6

Density of Concrete

(1)

ρ(θ)=ρ(20∘C) 20∘C≤θ≤115∘C

(2)

ρ(θ)=ρ(20∘C) · (1−0.02(θ−115)/85) 115∘C≺θ≤200∘C

(3)

ρ(θ)=ρ(20∘C) · (0.98−0.03(θ−200)/200) 200∘C≺θ≤400∘C

(4)

ρ(θ)=ρ(20∘C) · (0.95−0.07(θ−400)/800) 400∘C≺θ≤1200∘C

Eurocode에서는 콘크리트 열전도율의 상한과 하한을 제시하고 있으며, Fig. 7, Eqs. (5), (6)과 같다. 내화해석 시 열전도율의 상한과 하한의 평균값을 적용하였으며, 단위는 W/mK이다.

Fig. 7

Thermal Conductivity of Concrete

보통 콘크리트의 열전도율 상한 값

(5)

λc=2−0.2451(θ/100)+0.0107(θ/100)2

보통 콘크리트의 열전도율 하한 값

(6)

λc=1.36−0.136(θ/100)+0.0057(θ/100)2(20∘C≤θ≤1200∘C)

콘크리트의 비열은 Fig. 8, Eqs. (7)~(10)과 같으며, 단위는 J/kgK이다.

Fig. 8

Specific Heat of Concrete

(7)

Cc(θ)=900 20∘C≤θ≤100∘C

(8)

Cc(θ)=900+(θ−100) 100∘C≺θ≤200∘C

(9)

Cc(θ)=1000+(θ−200)/2 200∘C≺θ≤400∘C

(10)

Cc(θ)=1100 400∘C≺θ≤1200∘C

3.3.2 강재 모델링 계획

강재의 기계적, 열적 물성치는 EN 1993-1-2 (2005)에 따라 적용하였다. EC3에서는 강재의 밀도를 온도의 변화와 관계없이 7,850 kg/m³으로 정하고 있다.

강재의 열전도율은 온도의 범위를 나누어 Fig. 9, Eqs. (11), (12)와 같이 적용하였으며, 단위는 W/mK이다.

Fig. 9

Thermal Conductivity of Steel

(11)

λs=54−3.33×10−2×θ 20∘C≤θ≺800∘C

(12)

λs=27.3 800∘C≤θ≤1200∘C

강재의 온도상승에 따른 비열은 Fig. 10, Eqs. (13)~(16)과 같으며, 단위는 J/kgK이다. 대부분의 온도분포 구간에서 비슷한 값을 나타내지만, 700 ℃ 전후로 비열이 급격하게 증가한다.

Fig. 10

Specific Heat of Steel

(13)

Cs=425+7.73×10−1θ−1.69×10−3θ2 +2.22×10−6θ3 20∘C≤θ≺600∘C

(14)

Cs=666+13002/(738−θ) 600∘C≤θ≺735∘C

(15)

Cs=545+17820/(θ−731) 735∘C≤θ≺900∘C

(16)

Cs=650 900∘C≤θ≤1200∘C

내화피복재의 기계적, 열적 물성치는 Buchanan and Abu (2017)와 내화뿜칠 제조사의 자료를 참고하여 밀도 330 kg/m³, 열전도율 0.12 W/mK, 비열 1,200 J/kgK를 적용하였다.

4. 내화시험 및 해석 결과

4.1 내화시험 결과

표준 시간-가열온도 곡선에 따른 3시간 내화시험 종료 후 실험체 형상은 Fig. 11과 같으며, 내화시험 결과는 Table 3과 같다. KS F 2257-6 (2019)에서 비재하 내화시험의 성능기준은 각 단면별 강재의 평균온도 538 ℃, 최고온도 649 ℃를 초과하지 않는 것으로 규정하고 있다.

Fig. 11

Specimen after Fire Resistance Test

Table 3

Results of Fire Resistance Test

Specimens	Average Temperature	Maximum Temperature
SN19-1	298.4 ℃	372.7 ℃
SN19-2	295.6 ℃	371.5 ℃

Fig. 12는 실험체의 시간-온도 곡선을 최고온도와 각 단면의 평균온도로 나타낸 것이다. SN19-1과 SN19-2 실험체는 가열 시 온도가 안정적으로 상승하였으며, 내화성능 기준을 만족하는 것으로 확인되었다.

Fig. 12

Fire Resistance Test Curve

4.2 내화시험 및 내화해석 결과 비교

해석 결과에 대한 신뢰성을 검증하기 위해 해석모델인 SN19와 내화 실험체 SN19-1의 실험결과를 비교하여 Fig. 13과 같이 나타내었다. 내화시험 결과, SN19-1과 SN19-2는 거의 동일하게 나타났으므로, SN19-1만 내화해석 모델과 비교하였다. 내화시험 시 열전대를 설치한 위치의 평균온도와 최고온도를 내화해석 결과와 대조했을 때 평균온도의 경우 거의 흡사하며, 최고온도의 경우 약 6%의 오차가 있는 것으로 확인되었다. 또한, 내화해석 결과, 그래프의 시간-온도 곡선이 내화시험과 비슷하게 안정적으로 상승하는 것으로 나타났다.

Fig. 13

Results of Fire Resistance Test and Analysis

따라서 내화뿜칠 두께 19 mm를 적용한 U형 합성보의 내화해석 결과는 내화시험과 비교하여 신뢰성이 검증되었다고 사료된다.

4.3 내화해석 결과

내화뿜칠 두께를 변수로 유한요소해석을 수행한 결과는 Fig. 14와 같다. 내화구조로 인정받은 21 mm 내화뿜칠을 적용하면, 평균온도가 약 270 ℃, 최고온도가 약 320 ℃로 측정된다. 19 mm 내화뿜칠을 적용하면, 평균온도가 약 300 ℃, 최고온도가 약 350 ℃로 측정된다. 16 mm 내화뿜칠을 적용하면, 평균온도가 약 350 ℃, 최고온도가 약 400 ℃로 측정된다.

Fig. 14

Results of Fire Resistance Analysis

유한요소해석은 재료의 열적특성이 내화해석 결과에 크게 영향을 미치기 때문에 피복두께를 조정하더라도 실제와 다르게 안정적인 온도가 도출된다. 다양한 내화뿜칠 두께를 피복한 실험체로 내화시험이 수행된다면, 두께를 반영한 열방출량과 같은 외적 계수, 열유속계수 등의 변수를 추정할 수 있을 것이다.

5. 결 론

본 연구에서는 19 mm 두께의 내화뿜칠을 적용한 U형 합성보의 3시간 내화시험을 실시하였으며, 다양한 두께의 내화뿜칠을 적용하여 U형 합성보의 내화해석을 진행하였다. 연구결과를 정리하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.

(1) 19 mm 내화뿜칠을 적용한 U형 합성보는 3시간 내화구조 성능기준을 만족하였다. 각 단면별 평균온도와 최고온도가 매우 안정적인 상승곡선을 보였으며, 성능기준 온도의 60% 미만으로 관측되었다.
(2) 유한요소해석 프로그램을 사용하여 19 mm 내화뿜칠을 적용한 U형 합성보의 내화해석을 진행하였다. 내화해석과 내화시험 결과를 비교했을 때, 최고온도, 평균온도, 온도상승률 등이 유사함으로 19 mm의 내화뿜칠을 적용한 U형 합성보 내화해석의 신뢰성이 검증되었다.
(3) 내화뿜칠 두께를 21 mm에서 1 mm씩 줄이면서 내화해석을 진행하였다. 유한요소해석은 재료의 열적특성이 내화해석 결과에 크게 영향을 미치기 때문에 피복두께를 조정하더라도 실제와 다르게 안정적인 온도가 도출되었다.
(4) 추후 다양한 내화뿜칠 두께로 피복된 U형 합성보의 내화시험을 통해 내화해석 시 반영해야 하는 다양한 외적 계수와 변수를 추정한다면, 내화구조 성능설계에 이바지할 수 있을 것으로 사료된다.