1. 서 론
국내에서는 지역별로 대규모 산업단지가 구축되고 있으며, 다양한 업종의 제조⋅운영 및 창고시설 등으로 단지를 구성하여 운영되고 있다. 이와 같은 산업단지는 2022년 기준 총 1,274개가 구축되어있으며, 해당 산업단지에서 국내제조업 총 생산량의 약 62%를 차지하고 있다(1). 이와 같은 수치는 전국 곳곳에 위치한 산업단지의 공단에서 매우 활발한 제조활동이 이루어지고 있으며, 해당 과정에서 크고 작은 사고가 빈번하게 발생할 수 있음을 의미한다. 통계청의 국가통계포털에 따르면, 최근 10여 년 동안 국내에서 발생된 화재는 연간 약 40,000여건이 평균적으로 발생되었다. 다양한 화재발생 장소 중 상대적으로 막대한 피해를 유발할 수 있는 산업시설에서 발생된 화재는 평균적으로 연간 약 5,000건 이상 발생되고 있다.
산업공단을 구성하는 건축물들은 신속한 시공성과 유지관리의 용이성에 따라 대부분 철골구조 건축물로 구성되어 있으며, 일부 건축물에서만 철근콘크리트구조 건축물로 구성되고 있다. 상대적으로 낮은 내화성능을 갖는 철골구조 건축물의 경우, 다양한 내화보강 방법을 활용하여 건축물의 요구내화성능을 충족하고 있다. 일반적으로 활용되는 내화보강방법은 내화뿜칠과 내화도료를 통하여 철골부재를 코팅하는 방식이 있다. 두 방법 모두 골조시공 완료 후 추가적인 보강공법 적용절차를 통하여 이루어지며, 강재의 표면에 단열층을 확보함으로써 화염의 온도가 전달되는 것을 차단함으로써 내화성능을 확보할 수 있도록 하고 있다(2).
철골구조 건축물의 내화보강은 산업공단 건축물을 비롯한 모든 건축물에서 적용되고 있는 절차로써, 다양한 실험 및 이론적인 선행연구를 통하여 내화보강 공법의 특성분석 및 구조부재의 안정성 평가 등의 연구가 이루어지고 있다. Lee 등(3)과 Cho 등(4)은 일반적인 산업공단 보다 상대적으로 규모가 크며 위험물질을 활용한 대규모 플랜트시설물에 적용되는 내화도료에 대하여 표준화재곡선과 탄화수소화재곡선을 적용하여 실험적으로 성능평가를 실시하였다. Lee 등(3) 은 실험체에 적용된 내화도료 종류에 따라 단열성능 평가를 통하여 내화보강공법의 성능을 평가하였으며, KS F 2257(5)에서 제시하고 있는 비재하 시험방식을 적용하였다. Cho 등(4)은 0.3 m * 0.3 m의 크기를 갖는 강판에 다양한 내화도료 종류에 따라 각기 다른 보강 두께를 적용하여 실험을 실시하였으며, 실험 후 도료의 팽창두께와 단열효과를 분석하여 내화보강공법의 성능을 평가하였다. Kang 등(2)은 내화뿜칠재료를 합성보에 적용하여 시험을 실시했으며, KS F 2257(5)에서 제시하고 있는 재하가열시험을 실시하였다. 시험 중 부재에 작용된 하중은 상온상태 부재성능의 40%를 적용하였으며, 내화보강 두께에 따라 부재의 중앙부 처짐량이 각기 달랐으나 모든 시험에서 내화성능 3 h을 확보할 수 있었음을 확인할 수 있었다.
앞서 살펴본 바와 같이 기존의 선행연구는 다양한 온도에 노출된 내화보강재료의 거동특성에 따른 성능평가와 같은 재료고유 특성에 대한 연구는 수행되지 못한 것을 확인할 수 있었다.
이 연구에서는 국내외에서 내화구조인정을 받은 두 가지 타입의 내화도료를 대상으로 기존연구와는 달리 다양한 노출온도를 설정하여 가열실험을 실시하였으며, 각 목표온도까지 도달한 후 냉각된 도료의 색상, 육안상태 및 팽창 값과 같은 재료거동 특성을 분석해보고자 하였다. 또한, 이 연구를 통하여 도출된 내화도료의 노출온도에 따른 거동 특성은 추후 구조물의 화재손상에 대한 진단절차 개발의 기초 데이터로 활용하고자 하였다.
2. 내화도료 시편 가열실험
이 연구에서는 내화구조인정을 받아 국내에서 널리 사용되고 있는 두 가지 타입의 내화도료의 노출온도별 거동특성 평가를 수행하기 위하여 가열실험을 수행하였다. 실험체 제작은 Table 1과 같이 아크릴계와 에폭시계 타입의 도료를 사용하였으며, 각 타입의 도료는 내화구조인정을 받은 성능기준에 따라 아크릴계 도료는 내화구조인정 1 h (0.75 mm) 및 2 h (2.60 mm), 에폭시계 도료는 국내 인정 1 h (2.65 mm), 2 h (8.90 mm), 3 h (11.20 mm) 및 UL 인정 2 h (9.22 mm)를 적용하여 시편제작 변수를 설정하였다. 목표온도는 상온부터 100 ℃ 간격으로 900 ℃ 까지 설정하였으며, 각 실험 시 내화도료가 적용되지 않고 방청도료가 적용된 일반적인 철골 부재를 감안한 비교군 시편도 함께 배치하여 실험을 실시하였다. 각 실험 시 동일한 내화보강재료 시편을 3개씩 배치하여 실험을 실시하였으며, 1회 실험 시 총 21개의 시편이 사용되었다. 또한 모든 시편에는 평면 중앙부에 깊이 10 mm 지점에 K-type 열전대를 설치하여 실험 시 온도측정을 수행할 수 있도록 하였다.
Table 1
Specimen Variables
실험은 Figure 1(a)와 같이 1,500 * 800 mm의 평면을 갖는 ALC패널을 활용하여 동일 목표온도에서 실험을 실시할 시편을 배치고정하고, 1면 가열을 통하여 수행하였다. 일반적으로 구조물에 적용된 내화도료의 경우 외기에 노출된 부재의 모든 표면에 도료가 적용되기 때문에 동일한 조건을 구성하기 위하여 해당 방식으로 시편을 배치하였다. 동일 시편이 3개씩 배치되었으며, 각각 가열로의 중앙부와 측면부에 고르게 나누어 배치하였다. 실험은 Figure 1(b)와 같은 실험체 패널을 가열로 상부에 위치하여 1면 가열을 실시하는 방식으로 진행되었다. 시편이 강재임에도 불구하고 1면 가열로 진행하는 관계로 No. 7의 비교군 시편의 모든 단면이 목표온도 이상의 정상상태로 도달하기에 어려움이 있을 것으로 판단하여 Figure 2와 같이 가열속도와 목표온도 도달 후 온도유지 시간(120 min)을 설정하여 실험을 실시하였다.
상대적으로 낮은 목표온도이며, 내화도료의 팽창률에 큰 영향을 미치지 못하는 100 ℃ 및 200 ℃ 실험체 패널에 대하여 10 ℃/min 속도를 적용하였으며, 실험 중 No. 7 시편의 내부 온도가 목표온도에 도달하지 못하는 것을 확인 한 후 300 ℃ 시험부터는 5 ℃/min 속도를 적용하여 실험을 수행하였다. 또한, 각 목표온도에 따른 가열 및 온도유지구간이 종료되면, 가열로는 종료되고 상온상태까지 자연냉각이 이루어질 때까지 유지한 후 각 실험체의 거동평가를 실시하였다.
3. 실험결과 및 분석
Figure 3은 각 목표온도 실험 중 측정된 비보강 시편(No. 7) 중심부의 온도이력과 실험 중 가열로 내부에 설치된 열전대의 위치를 나타내고 있다. 앞서 소개한 바와 같이 목표온도 100, 200 및 300 ℃의 실험에서는 가열속도가 상대적으로 높았던 상황(100, 200 ℃)과 1면 가열이라는 실험적 환경(100, 200 및 300 ℃)으로 인하여 시편이 목표온도에 정상상태로 도달하지 못하는 것을 확인할 수 있었다. 반면에, 목표온도가 상대적으로 높은 실험에서는 가열속도에 의하여 가열시간이 상대적으로 길어지면서 목표온도 이상의 내부온도를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
Figure 4는 각 실험 시 측정된 시편의 최고온도 평균값을 각 목표온도 실험에 따라 측정된 가열로 최고온도와 함께 나타낸 그림으로써, 목표온도 700 ℃ (가열로 최고온도 797.6 ℃)실험에서부터 KS F 2257 에서 규정하고 있는 내화보강이 적용된 철골구조부재의 비재하가열시험 시 한계온도인 강재평균온도 538 ℃, 최고온도 649 ℃를 초과하는 것을 확인할 수 있다. 이와 같은 현상은 60 min 및 120 min (No. 1～3)내화구조인정을 받은 도료시편에서만 관찰되었으며, 모두 가열시간이 200 min이 넘는 가열속도와 온도유지구간을 적용되어 나타난 것으로 판단된다. 다만, 내화성능평가 시 적용되는 표준화재곡선은 실제 화재사고에서는 발현되기 어려우며, 상대적으로 최고온도는 낮지만 화재지속시간이 크게 나타날 수 있다. 관련하여, 지난 2월 1일 대구의 성서공단에서 발생된 화재의 경우에도 화재발생 후 약 4 h이 경과된 후에 진압이 완료되었으며, 과거 국내에서 발생된 다양한 공단화재를 비롯하여 창고화재 등에서도 화재발생 시점부터 진압까지 3 h 이상 소요된 사례를 빈번하게 확인할 수 있다.
실제 구조물의 경우에는 중력하중을 비롯한 다양한 조합하중이 구조부재 및 건축물에 작용하고 있으며, 화재발생 시에도 일부 가연성 적재물을 제외하고 지속적인 하중이 작용된다. 이 과정에서 구조부재를 비롯한 건축물에 변형이 발생될 수 있으며, 변형에 의하여 내화보강재료의 탈락현상이 발생될 수 있다. 보강재료의 탈락현상은 부재의 표면에 단열층이 파괴되어 부재에 화재온도가 직접적으로 전달되고, 급격한 성능저하를 유발하게 된다. 따라서, 내화보강재료의 성능평가 방법에 대한 보완 및 추가적인 평가항목에 대한 고려가 필요할 것으로 판단된다.
Figure 5는 가열실험 종료 및 냉각 후 측정한 내화도료의 팽창값을 나타내고 있으며, 팽창값은 1회 실험에 사용된 동일 시편 3개의 중앙부에서 측정된 평균값을 사용하였다. 목표온도 800 ℃ (가열로 실제온도: 917.3 ℃)까지는 노출온도가 상승할수록 팽창값이 커지는 것을 확인할 수 있으나, 실제 가열로의 온도가 1057 ℃ 실험에서는 일부 시편에서 팽창값이 감소하는 경향을 나타내었다. 모두 에폭시계 도료에서 2 h 이상의 내화보강을 적용한 시편에서 발생된 현상으로 해당 현상에 대하여 도료의 재료성분 및 구성물질의 노출온도에 대한 추가적인 연구가 필요한 것으로 판단된다. 모든 도료는 내화구조인정 과정에서 수행되는 시험규격(KS F 2257)에 따라 시험을 수행하며, 이 과정에서는 앞서 소개한 바와 같이 표준화재곡선에 각각 인정신청 시간인 1～3 h동안 노출시키는 과정에서 모재의 온도가 한계온도 이상으로 상승되는지에 따라 인정여부가 결정된다. 따라서 제조사에서는 재료의 개발 및 사전성능 검사 시에는 모두 동일한 시험방법을 활용하기 때문에 이 연구에서 실시한 방법의 시험을 진행하지 않고 있다. 이는 Cho 등(4)의 기존연구에서도 표준화재곡선과 탄화수소 화재곡선을 활용하여 실험을 수행한 것으로 확인할 수 있었다. 또한, Cho 등(4)이 사용한 내화도료와 이 연구에서 사용한 내화도료가 동일한 제품이었음에도 불구하고 팽창값에서 큰 차이를 나타내고 있는 것을 확인할 수 있었다. 기존 연구와 실험적으로 다르게 적용된 조건은 시편 크기, 목표온도 및 가열시간으로 Cho 등(4)은 표준화재곡선에 최대 30 min동안 시편을 가열시켰으며, 해당 실험의 최대온도는 약 846 ℃로(상온 25 ℃ 가정) 본 연구의 목표온도 700 ℃과 800 ℃에서 계측된 가열로 최고온도의 사이 값이다. 그 결과 기존연구의 팽창값은 No. 1과 3 시편에서 각각 약 40 mm로 계측되었으나, 이 연구에서는 No. 1 시편은 약 7～9 mm가 No. 3 시편은 약 12～13 mm가 팽창한 것으로 확인되었다. 이와 같은 현상은 앞서 시편의 단열효과에 대한 분석내용을 비롯하여 노출온도에 따른 팽창 경향성과 같이 도료의 재료적특성에 대한 세부적인 연구가 필요함을 재차 확인할 수 있었다.
Figure 6은 시험 종료 후 시편의 모습을 나타낸 것으로써, 아크릴계 도료(No. 1 및 2)의 경우 표면이 고르지 않게 팽창하는 것을 확인할 수 있었다. 모든 실험에 아크릴계 도료는 동일한 팽창형상을 나타내었으며, 에폭시계 도료(No. 3～6)의 경우에는 모든 면이 고르게 팽창하는 것을 확인할 수 있었다. 다만, 에폭시계 도료의 경우 일부 시편에서 한쪽 모서리 부분이 모재에서 탈락되어 들뜸현상이 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이는 해당 영역에서의 도료와 모재 사이의 부착력이 저하되어 나타난 현상으로 판단되며, 실제 구조물의 내화보강 현장에서는 도료도포 시 모재인 철골부재의 표면관리에 대한 필요성을 확인할 수 있었다.
이 연구에서 사용된 강재 플레이트는 일반적으로 널리 사용되는 구조용 강재(SS400)로써, 가열실험 후 별도의 잔존강도 실험을 수행하지는 않았다. 다만, 일반적인 H형강 등의 구조용 형강이 납품될 때 표면 녹막이 처리를 위하여 도포되는 붉은 색의 방청도료가 적용되어있었으며, Figure 7과 같이 실험 후 각 노출온도에 따른 다양한 상태변화가 관측되는 것을 확인할 수 있었다. 100 ℃에 노출된 시편의 경우 Figure 7(a)와 같이 상온상태와 동일하게 변화가 없었으며, 목표온도 300 ℃ 이상부터 표면 상태변화가 관측되었다. 일반적으로 철골부재의 방청도료의 화재노출온도에 따른 상태변화는 Table 2와 같이 제시하고 있으나, 이 연구에서 수행된 실험에서 관측된 방청도료의 표면변화와는 다소 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
Table 2
Anticorrosive Paint Condition According to Temperature(6)
| Condition | Exposed Temperature (°C) |
|---|---|
| No Change | Under 300 |
| Discoloration | 300~600 |
| Chalking | More 350 |
| Disappearance | More 600 |
건축법 제 50조에 의하여 건축물은 용도 및 규모에 따라 요구되는 내화구조로 구축되어야 하며, ｢건축물의 피난⋅방화구조 등의 기준에 관한 규칙(건축물방화구조규칙)｣제 3조에서는 내화구조에 관한 세부기준을 제시하고 있다. 이와 함께, 건축물방화구조규칙 제 20조의 2에서는 내화구조의 적용이 제외되는 공장건축물을 함께 제시하고 있다. 해당 규칙에 따라 일부 공장건축물의 경우 철골구조로 되어 있음에도 불구하고, 주요구조부재에 별도의 내화보강처리가 되지 않고 사용되고 있다. 이러한 경우 일반적으로 철골구조부재의 납품 시 방청도료처리만 되어있는 상태로 사용되고 있으며, 화재발생 시 급격한 구조부재의 성능저하로 인한 변형 등이 발생되기 쉽다. 앞서 살펴본 Figure 7은 이와 같이 내화보강되지 않은 철골구조물의 방청도료의 상태변화에 따라 화재규모를 간접적으로 추정해볼 수 있는 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
4. 결 론
이 연구에서는 산업공단 건축물을 비롯하여 다양한 건축물에서 사용되는 철골구조 건축물에 사용되는 내화도료의 화재온도에 따른 거동특성을 평가하고자 하였다. 이를 위하여 국내에서 대표적으로 사용되고 있는 내화도료를 적용한 시편을 제작하여 가열로 실험을 실시하였으며, 노출온도에 따른 도료의 팽창형상 및 팽창값을 측정하여 기존연구결과와 비교분석을 실시하였다. 또한, 실험 비교군으로 설정한 비 보강시편의 표면에 적용된 방청도료의 화재노출온도에 따른 상태변화를 확인할 수 있었다. 그 결과 아래와 같은 결론을 도출할 수 있었으며, 추후 후속연구에 대한 필요성 또한 확인할 수 있었다.
1. 이 연구에서 수행된 실험결과는 기존 연구와 같이 화재노출온도에 따라 내화도료의 팽창률이 증가하는 경향을 나타내었으나, 일부 시편에서 노출온도에 따른 선형비례 팽창률과 상이한 결과가 도출되었다. 이 연구에서 수행된 실험과 기존 연구에서 수행된 실험과의 차이점은 시료의 크기, 화재곡선 및 가열시간이었으며, 내화도료를 구성하는 재료의 노출온도에 대한 특성분석이 추가적으로 요구된다. 도료의 팽창률이 상이하게 나타난 것은 KS F 2257 시험규격에서 제시하는 시험조건의 경우 실제화재와는 차이가 있기 때문으로 판단되며, 이와 같은 추가연구는 화재진단과 같은 과정에서 내화도료의 재료적 특성이 주요 평가항목으로써 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
2. 일부 시편에서 관찰되는 내화도료의 팽창형상에서 모서리 부분 들뜸현상이 나타난 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 현상은 실제 구조물에 적용된 도료에서도 나타날 수 있는 현상으로, 철골구조에 적용되는 내화보강은 일반적으로 모재 표면에 단열층을 형성함으로써 온도의 영향을 가급적 차단하는 매커니즘으로 이루어진다. 보강재료의 부착에 대한 문제로 들뜸현상이 나타나게 된다면, 화재 시 해당 영역에서의 보강재료 균열 및 탈락현상이 발생될 수 있다. 따라서, 내화보강 시공 시 보강재료가 도포되는 철골부재 표면에 대한 관리가 필요할 것으로 판단된다.
3. 내화도료의 종류에 따라 팽창형상이 각기 다르게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 특히 아크릴계의 도료에서는 모든 표면이 고르게 팽창하지 않고 불특정 영역에서 상대적으로 높은 팽창률을 보이고 있었다. 이와 같은 현상은 화재 시 동일부재에 단열효과가 구역마다 달리 나타날 수 있으며, 특정 영역에서 요구내화성능을 충족하지 못하여 국부변형을 초래할 수 있다. 따라서 실험 시 모재의 심부온도 측정과 함께 모재표면의 온도데이터를 확보하여 단열성능을 점검할 필요가 있을 것으로 판단된다.
4. 일반적으로 철골구조부재에 적용되는 방청도료는 구성성분에 따라 다양하게 분류할 수 있으며, 화재손상에 따라 각기 다른 상태변화를 나타낼 것으로 판단된다. 따라서 내화구조 적용이 예외 되는 일부 철골건축물을 대상으로 효율적인 화재진단을 위하여 방청도료의 화재온도에 따른 상대변화 특성에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
이 연구를 통하여 도출된 내화도료 및 방청도료의 화재노출온도에 대한 거동특성과 상태변화는 철골구조물의 화재진단평가 절차개발과정에서 기초데이터로 활용될 예정이다. 또한, 본문 및 결론부분에서 후속연구에 대한 필요성을 제기한 부분에 대하여 이 연구에서 고려되지 못하였던 화재노출시간 및 가열속도 등의 추가적인 실험변수를 적용한 후속연구를 수행하고자 한다.
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