화재사고에서 건축물의 안전을 위해 화재시 건축부재의 내화성능은 가열로에서 표준화재곡선에 따라 시험하고 차열성, 차염성, 하중지지력을 평가한다. 표준화재곡선을 적용하는 것은 가장 보편적인 방법으로 이상화된 건축부재의 온도거동에 근거하여 가장 보수적으로 내화성능을 평가할 수 있지만, 실제 화재는 구획공간과 개구부의 크기, 가연물의 종류와 양에 따라 공간 내 온도분포가 달라지기 때문에 실제 화재거동과 많은 차이점이 있다. 따라서, 실내공간에서의 실화재시 강재기둥의 화재거동에 대해 평가하고 그에 대한 기초자료를 제시하고자 한다.

본 연구에서는 실내공간에서의 실화재에 노출된 강재기둥의 화재거동을 확인하고자, 구획공간의 화재시나리오를 대표하는 KS F ISO 9705의 표준 화재시험실(2,400mm(W)x3,600mm(L)x2,400mm(H))과 표준 개구부 크기(800mm(W)x2,000mm(H))를 기준으로 실화재실험을 수행하였다. 또한, FDS((Fire Dynamic Simulator)를 통해 입력방식에 따라 단순모델과 열분해모델의 적정성과 온도분포예측에 대한 신뢰성을 검증하고, 검증된 FDS모델을 사용하여 실내공간 내 화재거동을 평가하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.

(1) 가장 화재발생이 단독주택의 화재하중을 1/2만 적용하여 구획공간에 대한 화재성상과 크기를 정량적으로 확인한 결과, 최대 열방출률(HRR)은 점화 시작 5분 경과 후 1027.77kW, 총 열방출량(THR)은 855MJ로 측정되었다. 열방출률은 착화와 함께 급격하게 증가하고 목재크립이 전소되기 시작한 6분부터 감소되기 시작하는 것을 확인하였다. 또한, 임계열방출률과 관찰된 화재성상을 토대로 본 실험의 화재성상은 플래시오버가 발생하지 않은 화재성상인 구획 내 국부화재로 판단된다.

(2) 구획화재시 공간 내 위치별 화재거동을 확인해 본 결과, 화재 발생 후 6분까지는 화재의 성장기, 6분 이후부터 14분까지는 화재의 최성기, 그 이후는 화재의 감쇠기로 확인되었다. 화원 중심위치의 최대 온도는 높이 1.0m에서 1076.1℃로 측정되었으며, 그 외 구획공간 내 전면과 후면 위치들의 최대온도는 화재의 최성기인 약 6분에서 661.6℃~758.6℃로 측정되었다. 특히 개구부가 위치되어있는 전면의 경우 열 유동으로 인해 후면 위치보다 6~12% 높은 온도로 분포되는 것으로 판단된다.

(3) 구획화재시 공간 내 높이별 화재거동을 확인해 본 결과, 화원 중심 위치의 경우 화원과 가까운 높이 1.0m, 1.5m, 2.0m 순서대로 높게 온도가 측정된 것으로 확인하였으며, 그 외 구획공간 내 전면과 후면 위치들의 경우 천장면으로부터 열이 축적되기 때문에 높이 2.0m, 1.5m, 1.0m 순서대로 높게 측정되었다. 또한, 플래시오버 발생 조건인 600℃ 이상의 온도는 높이 2.0m에서 4.5분~7분 사이에 측정되었지만, 6분부터 목재크립이 전소되기 시작했기 때문에 플래시오버가 발생하기 위한 충분한 가연물이 없어 고온의 공기층을 만들어 내지 못해 본 실험에서는 플래시오버가 발생하지 못한 것으로 판단된다.

(4) 구획 내 국부화재시 H형강과 각형강관의 내화뿜칠에 따른 화재거동을 확인한 결과, 무피복된 실험체의 경우, 화재 발생 후 강재 표면온도는 3분까지 상온상태로 완만하게 유지되었으며, 화재의 최성기인 14분까지 최대 H형강은 383.8℃, 각형강관은 394.3℃까지 상승하였다. 두께 10mm의 내화뿜칠로 피복된 실험체의 경우, 화재 발생 후 화재의 성장기인 6분까지 상온상태로 유지되었으며, 화재의 최성기부터 완만하게 온도가 상승하다가 화재의 감쇠기가 시작되는 시점에 H형강은 95.8℃, 각형강관은 91.5℃까지 최대온도가 측정되었다. 이를 통해 실화재시 강재기둥의 경우 단면형상과 무관하게 두께 10mm의 내화뿜칠시 최대 75~77%까지 온도가 감소하는 것으로 판단된다.

(5) 구획 내 국부화재시 각형강관의 모르타르 충전과 마감용 모르타르 부착 따른 화재거동을 확인한 결과, 각형강관 내 모르타르를 충전할 경우 비충전과 비교시 온도상승의 경향성은 비슷하나, 20~23% 낮은 온도경향를 확인하였다. 마감용 모르타르를 부착할 경우 7~8분까지 상온상태를 유지하다가 온도가 상승하는 것을 확인하였으며, 마감용 모르타르 부착시 최대 73%의 화재영향을 감소시키는 것을 확인하였다. 따라서, 내화피복방식에 따른 화재거동을 확인해보았을 때 마감용 모르타르를 부착하는 것보다 모르타르 충전과 함께 두께 10mm의 내화뿜칠시 최대 82%까지 온도상승을 저감할 수 있는 것으로 나타났다.

(6) 실증실험과 비교하여 입력방식에 따른 FDS모델의 열방출률과 온도분포 예측에 대한 신뢰성을 검증한 결과, 단순모델의 경우 50% 이상의 오차를 보였으며, 열분해모델의 경우 열방출률은 6%, 공간 내 온도분포는 5~12%의 오차 내로 예측되었다. 이는 단순모델의 경우 착화원에 의해 가연물의 표면온도가 발화온도에 도달하게 되면 입력한 면적당 열방출률에 따라 계산되는 모델이기 때문에 착화원에 의해 가연물의 표면온도가 발화온도에 도달하지않게 되면 연소되지 않아 큰 오차를 보인 것으로 판단된다. 따라서, 열분해모델의 열방출률과 온도분포 예측에 대한 신뢰성은 정확도를 갖는 범위 내에서 검증되었다고 판단하였다.

(7) 검증된 FDS모델을 통해 단독주택의 거실의 화재하중에 대한 실내 공간의 화재거동을 확인한 결과, 화재 발생 후 4분까지는 화재의 성장기, 4분 이후부터 11분까지는 화재의 최성기, 그 이후는 화재의 감쇠기로 확인되었다. 화원 중심위치의 최대온도는 높이 1m에서 1052.46℃로 측정되었으며, 그 외 구획공간 내 전면과 후면 위치들의 최대온도는 약 8~9분에서 713.90℃~777.28℃로 측정되었다. 특히 개구부가 위치되어있는 전면의 경우 후면 위치보다 4~10% 높은 온도로 분포되는 데, 이는 열 유동과 개구부를 통한 화염의 분출로 인해 구획공간 내 전면의 온도분포가 높은 것으로 판단된다.

(8) 실내공간의 실화재시 화재거동과 표준화재를 비교한 결과, 플래시오버가 발생하지 않은 구획 내 국부화재시 3분에서 7분 사이에 표준화재의 온도의 범위를 벗어나 최대 26%까지 온도가 높게 측정되었다. 플래시오버가 발생한 구획화재의 경우 1.57분에서 11.4분 사이에 표준화재의 온도의 범위를 벗어나 최대 24%까지 온도가 높게 측정되었다. 따라서 단독주택의 거실에 대한 실화재시 화재거동은 표준화재의 온도의 범위를 벗어나는 구간이 있지만, 표준화재 1시간 기준(945℃) 내에 온도가 분포되어 있어, 적절한 내화피복할 경우 강재기둥은 안전할 것으로 사료된다. 또한, 본 연구를 기반으로 국내의 성능기반 내화설계의 활성화를 위해 실화재에 노출된 건축부재의 화재거동에 대한 지속적인 연구가 필요하다.