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문제 정의
- 본 연구를 위하여 내화구조 및 내화설계의 정의와 내화 설계 방법에 대하여 살펴보고, 건축 구조재료로 주로 사용하는 콘크리트, 강재, 목재에 한정하여 그에 대한 열적특성을 고찰하므로 열 손상 건축 구조물에 대한 구조안전성 판단 및 소방관의 안전 확보에 필요한 기술적 방법들을 모색하고자 한다.
- 본 연구에서는 건축구조재로 주로 사용되고 있는 콘크리트, 강재 및 목재에 대한 열적 특성을 살펴보고자 한다. 콘크리트는 다른 어떤 구조재료보다 내화성이 우수한 재료이다.
- 따라서 건축 구조물 붕괴로부터 소방관의 안전을 확보하기 위해서 화재 발생 시점에서 부터 소방관에 의한 실시간적이고 실질적인 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 평가절차와 신속한 평가방법을 제안하고자 한다.
- 그러나 화재 초기부터 화재 실제 상황을 반영한 실시간 화재저항성 평가 체계는 전무한 실정이다. 이에 화재 초기부터 실시간으로 건물 내부 화재 상황을 가장 잘 파악할 수 있는 소방관에 의한 열 손상 건축구조물에 대한 구조안전성 판단절차 및 평가방법에 대한 연구를 진행하였다.
가설 설정
- 강재 보의 화재에 의한 건축구조물 위험성평가는 Figure 1과 같은 절차로 진행하였으며, 화재 현장에서의 신속한 평가를 위하여 마이크로소프트 엑셀프로그램을 활용한 부재특성 입력시트와 계산결과는 Figure 2 및 Figure 3과 같다. 고정하중(16 kN/m)은 강재 보의 자중 및 150 mm 두께의 철근콘크리트 바닥 바닥에 마감 처리한 폭 4m의 슬래브가 4~8 m 보에 등분포 하중으로 작용하는 것으로 가정한 값이다. 적재하중(10~16 kN/m)은 바닥 슬래브에 250~400 kg/m2의 등분포 하중이 보에 등분포 하중으로 작용하는 것으로 가정한 값이다.
- 먼저 강재 보의 안전성 평가를 위하여 다음과 같은 강재보를 가정하였다.
- 목재 기중의 화재저항성 평가를 위하여 사용한 기둥부재는 내화성능을 가지고 있는 집성목재 보로서 다음과 같이 가정하였다.
- 목재 보의 화재저항성 평가에 사용된 목재는 두께에 따라 30 min~1 h 이상의 내화성능을 가지고 있는 집성목재(GLT) 보로서 다음과 같이 가정하였다.
- 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 편심하중이 발생하지 않는 단순 기둥 부재를 가정하여 연구를 진행하였다. 화재에 의한 건물붕괴 양상을 보면 기둥 및 보 뿐만 아니라 지붕과 벽체의 붕괴와 접합부 모멘트 저항능력 상실에 의한 붕괴 등 다양하며 하중의 종류 또한 다양하다.
- 고정하중(16 kN/m)은 강재 보의 자중 및 150 mm 두께의 철근콘크리트 바닥 바닥에 마감 처리한 폭 4m의 슬래브가 4~8 m 보에 등분포 하중으로 작용하는 것으로 가정한 값이다. 적재하중(10~16 kN/m)은 바닥 슬래브에 250~400 kg/m2의 등분포 하중이 보에 등분포 하중으로 작용하는 것으로 가정한 값이다. Figure 4와 같이 화재항복온도는 4 m 스팬에서는 하중 변화에 관계없이 800 ℃ 이상을 나타내었으며, 스팬이 커지고 하중이 증가할수록 하중비가 증가하여 고온평가에 부재 항복온도가 크게 감소하였다.
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