철근콘크리트의 화재 1

鐵筋 콘크리트의 火害

화재시 발생된 폭열로 인하여 콘크리트의 일부가 박락하는 현상이 생기면 콘크리트 구조물의 표면 가까이 있는 골재의 박락에서부터 철근까지 노출될 정도로 심하게 골재가 박리되는 수가 있다.   

Ⅰ. 火害

1. 火災性狀

(1) 1室火災

실무의 1/2 크기의 콘크리트 모형실을 사용하여 2Seires 7회씩 화재실험을 한 결과를 소개한다. 처음 4회는 창구를 크게 하였고 나머지 3회는 창구를 작게 하였다. 제1Series에서는 실내측을 콘크리트 그대로 노출시키거나, 베니아 합판 난연합판, 암면판 등 재료로 천장 및 벽체를 마감하였고, 바닥 점면에 3×3.5cm 크기에다 井字로 장작개비를 數段 쌓아 올려놓고 실내한 구석에서 불을 질러서 점화한다.

제2 Seires는 난연베니아판 내장만 제거하고는 제Seires와 같다.

제1 Seires에 의한 실험결과는 <그림1>에 나타냈다.

① 개구가 큰 제1Seires

(가) 합판 내장 마감의 경우

합판벽에 따라 타올라간 불꽃은 천장에 퍼지기 시작하는 동시에 바닥에도 인화되어 실내는 격열한 화재로 되었다.

이때 실의 중앙부 높이는 천장의 3/4인 지점에소 측정한 대표온도가 실선으로 표시되어 있다. 10분경까지는 100℃이하이지만 그 후 단숨에 900℃까지 상승하고 있다 이와같은 급속한 진전현상을 Flash Over라고 한다. 실 전체가 이 온도로 연소할 뿐만 아니라 연기도 급증되어 윗층의 피난의 어려움도 문제시 되고 있다. 합판이 모두 연소되면 온도는 600-700℃로 하강되어 얼마간 지속되었다가 25분경 온도가 떨어지기 시작한다.

(나) 난연 합판 내장 마감의 경우

합판에 燐酸암모늄계의 약품을 스며들게 한 난연합판으로 내장된 실험에서는 합판표층은 무처리 때문에 (가)의 경우와 같이 불꽃이 천장에 달하였고 합판연소되면서 표층이 타버리고 약품으로 처리된 부분이 노출되어 燐酸암모늄의 효과가 나타나기 시작하여 불꽃은 급속히 꺼지고 불씨도 장작불 상태로 되돌아왔다. 그러나 얼마지나서 약품의 효능이 없어지면서 재차 무처리합판인 (가)의 경우와 같이 불꽃이 격렬하게 되어 Flash Over 현상을 일으켰다. 破線은 이와 상황을 뚜렷하게 나타내고 있다 난연합판은 이와 같은 Flash over의 시간을 수분 지연시키는 효과를 가진다, 이 수분간의 Flash Over의 지연은 상당히 귀중한 시간으로서 이때 소화 작업을 할 수 있으므로 작은 불로 끝내게 하는 확률이 높아진다. 그러나 이와 같은 기회를 놓치면 난연이라는 문자에서 받은 것 처럼 천천히 불타는 것이 아니라 약기운이 없어졌을 때 오는 Flash Over의葡 격렬정도는 무처리한 합판의 경우와 동일하다.

(다) 콘크리트로 실내표면을 마감할 경우

이때는 (가)(나)의 경우와는 상당히 다르며 불은 바닥 위에서 무닥불 모양으로 옮겨 붙어가며 실전체가 일시에 화염에 쌓이지만 Flash Over 현상을 볼 수 없다.

온도도 가는 선으로 표시한 바와 같이 시간의 경과에 따라 천천히 상승되어 합판과 같은 Peak는 나타나지 않는다.

(라) 암면 내장 마감의 경우

암면은 불연재료이므로 자체가 연소되어 실 연소에 기여하는 것이 아니라 경향으로는 (다)의 콘크리트에 가까웠다. 그러나 온도는 쇄선으로 나타낸 바와 같이 콘크리트만된 실내의 경우보다 종국점이 높고 20분경이 되면 실전체가 화염에 쌓여 불연재료로 내장되었기 때문에 보온성이 좋아서 화재온도를 높이는 우려가 있다.

② 개구를 높이 90cm, 폭 30cm로 작게 만들고 마주보이는 벽면에도 개설한 경우로서 제2Series의 예이다.

(가) 합판 내장 마감의 경우

<그림2>의 실선에서 나타난 것과 같이 약간의 Flash Over현상을 일으키며 불은 실전체에 확산되었지만 큰 개구부를 가진 예와 같이 격렬하지 않고 600-700℃로 1시간 가까이 까지 지속되었다.

(나) 콘크리트만 내면마감한 경우

이 경우는 모닥불이 타는 것 처럼 진행되며 실내온도도 가는 선으로 표시한 것처럼 50분 걸려서 겨우 600℃에 달하였다. 실을 연소하기 어렵게 만들려면 어떤 방법으로 하여야 하는지를 가르쳐 주는 좋은 예라 생각된다.

(다) 암면 내장으로 마감한 경우

이 실험에서 아주 놀라운 사실을 알게 되었다. 개구부가 컸던 제1Series일 때와 같이 격렬한 Flash Over현상은 없었지만 화재는 점차로 격렬해져서 쇄선에서 알 수 있듯이 900-1000℃를 넘는 온도를 20분 가까이 지소하였다. 여러 가지 실험중에서 가장 심한 경우가 되었다. 작은 창에서의 불꽃은 엄청났다. 암면은 불연재로서 온성이 좋기 때문에 가끔 창구의 크기와 화재의 불꽃의 흐름과 죽이 맞으면 생각치 않은 격렬한 불이 된다 .따라서 내장 재료의 착화, 연소의 난이, Flash Over의 격렬도, 불꽃의 왕성기의 격렬도 등에 관하여 고려하여야 한다. 제1Series는 모두 25분경이면 불꽃이 잡히기 시작하고 온도의 하강을 목격할 수 있었는데 대하여 제2Series에서는 격렬하였다. 암면내장을 제외하고는 50분경부터 극히 느리게 불꽃이 잡히고 온도 하강을 알 수 있었다. 같은 연소량일 경우 창의 크기에 따라 화재시간의 장단을 알 수 있다.

③ 창의 크기와 연소 속도

모형이나 실물 크기의 방을 태워서 그 연소감량을 측정한 것이 <그림3>이다. 그림에서 알 수 있듯이 직선적으로 감소하여 그 연소속도는 개구의 크기에 따라 대체로 일정치를 지니고 있다는 것을 알 수 있다.

실내의 화재온도가 어느 곳에서나 일정하다면<그림4(a)>와 같이 실내 외압력차인 중성대가 생격서 그 상하로 높이에 비례하는 직선적 압력분포를 형성한다. 이 압력으로 인하여 창의 아래에서 공기가 들어가서 창 상부에서 화염이 뿜어 나오게 된다. 화성기에는 이와 같은 기류의 직선적 압력분포가 생기는 것을 여러 실험에서 확인할 수 있다. ②와 같은 압력에 의하여 생기는 유입 유출풍속을 나타내는 식을 다음과 같다.

다만 r₀, r₁ : 외기 실내 Gas의 화재당시의 온도에 대한 비중량(kgf/m³)

h',h" : 중성대에서의 연직 높이(m)

그리고 높이 방향의 풍속분포는 <그림4(b)>와 같이 이차곡선 분포의 나타내고 이것을 적분하므로서 유출입 풍량을 구할 수 있다. 그러나 중성대가 어디에 생기는지는 아직 알 수 없다. 화재시의 목재 단위중량당의 유입 공기량을 Lm₃(외기온도를 지닌)라면 유출입의 Balance에서

이다. 여기서 중성대의 위치가 결정된다. 다만 H'', H'는 중성대에서 창의 단부까지의 높이이다. 따라서 단위시간의 유입공기량 V는 다음 식에서 계산된다.

다만 α : 개구 수축계수

B : 창폭(m)

Vm'=유입 평균속도(m/sec)

유입공기에서 산화하면서 연소가 진행한다면 연소 속도 R은 다음 식에서 구할 수 있다.

그러나 이와 같은 계산을 실제 화제에 적응시키려면 대단히 어려운 문제들에 부딪치게 된다. 실내온도, 공기 과잉율, 완전 연소율, 개구계수를 결정하여야 한다.

그러나 다행히도 화재온도 600-800℃, 완전 연소율은 1.0-0.4로 대폭 변화시켜서 산출된 연소속도는 2% 정도의 변동에 그친다. 온도가 높아지면 분출 Gas의 체적 G의 증대 중성대가 내려가기 때문에 유입 풍속은 증가하지만 유입면적이 좁혀져서 유입 공기량은 대동소한하다. 따라서 적당한 화재온도를 채택하여 완전연소하는 것으로 보고 계산하면 광범위한 것까지 언급할 수 있다. 여기서 H'는 창고H에 비례한다고 보고 (r₀-r₁)를 일정하게 놓고

R=5.5A_B√H(kg/min) ..........................(5)

다만 A_B : 창 면적(m²)

H : (m)

이것은 식(4)의 연소속도식에 비하여 대단히 간단하다. 한편 영구 화재연구소의 P.H.Thomas도 차원해석에 의하여 다음 식을 제안하였다.

R=kA√H ....................................(6)

다만 k는 6.0 전후이며 <그림5>는 Thomas가 실험결과를 정리하여 식(6)을 입증한 유명한 도표이다.

<그림5> 추정연소속도와 공기유입후 수

이후 A√H가 1실 화제를 연구하는데 있어서 기초가 된 것이다. 연소속도를 알 수 있으면 실내 가연물 총량을 이것으로 나누므로 화재 계속시간을 예측할 수 있다. 화재발생한 건물의 내력진단에서 도대체 건물이 몇 시간동안 연소하였는지를 알고자 하는데 고생하였고 이에 관한 관계식만 알 수 있다면 훨씬 쉬울 것이다.

그러나 암면 내장에 마감한 개구부가 작은 실험에서는 대단히 온도가 상승하였기 때문에 유입 공기에 맞은 연소 이상으로 목재 분해가 진전되고 연소속도가 위식의 추정치보다 훨씬 커졌고 <그림2>에서도 알 수 있듯이 빨리 연소되었다.

이와 같은 특이한 모형 실험이 행하여졌고, 제1Series이상의 넓게 창을 설치하면 유입 공기가 남아서 연소속도는 A√H 에 비례하지 않고 연소의 총 표면적에 의존하게 된다. 여기서 10년전부터 각국에서는 여러 가지 개구조건하, 연료조건하 등 여러 가지 요건을 고려하여 CIB의 제14부회에서 8개국과 협력하여 320개 이상의 모형실험을 한 결과 영국의 화재연구소 JFRO에서 정식으로 Report가 작성되었다. 현실적으로 건물은 지하실을 제외하면 극단적으로 창이 작거나 바닥면적에 비하여 현저하게 창이 큰 예는 드물다. 공학적 입장에서 충분히 실용화할 수 있는 다음 식을 제시하였다.

R - (5.5~6.0) A_B · B ........................(7)

④ 화재온도곡선의 추적

화성기에 불꽃이 창에서 뿜어 나온다는 것은 실내에서 오나전 연소되지 않고 외부로 나와서 연소하고 있다는 것이다. 일반적으로 목재의 발열량은 약 3,600kcal/kg이다.

창부분에서 Gas분석한 결과 화성기 실내에서의 발열량은 6-7할 정도이다. 이와 같은 실내에서의 완전 연소율을 알게 되면 연소 속도에서 실내의 발열속도를 구할 수 있다. 이 발열량의 일부는 벽, 천장 등주변에 흡수되어 일부는 창에서 복사열로서 실내 Gas 온도를 높인다. 그리고 불꽃으로 창에서 분출된다. 따라서 실내 발열량의 행방을 더듬어 가면 실내 화재온도가 구해진다.

Q_H=Q_w+Q_B+Q_L+Q_R

다만 Q_H : 실내 발열량

     Q_W : 내벽, 천장 등의 흡수열량

     Q_B : 창에서의 분사열량

     Q_L : 분출 불꽃을 가지고 가는 열량

     Q_R : 실내 Gas 온도를 화재온도에 상승시키는 열량

Q_R는 극히 작은 것이므로 무시할 수 있다 주변벽에의 흡수 열량은

     Q_W=αt(θf-θw)A

여기서 αt : 불꽃에서 벽체표면에서의 총합 연전달율

     θf : 불꽃 온도

     θw : 벽체의 표면 온도

     A : 주변 벽의 표면적

주변벽에 흡수된 열량은 수차로 벽내에서 전도되어 침투하고 주변벽의 온도를 높여 간다. 이 열전도 계산은 가능하다. 또한 방사량 Q_B는 불꽃의 흑체로 본다면 간단히 계산된다. 따라서 열수지의 계산을 시간마다 적분하여 계산하여 가면 시시각각의 화재온도 Qf를 구할 수 있다. 전에는 손으로 계산하였던 것이 전산기에 의하여 복잡한 것까지도 계산 가능해졌다. 그리고 각각 연구소에서도 이에 관한 계산 Program을 만들고 있다.

주변벽의 열상수를 달리하는 계산예를 <그림6> 및 <그림7>에 나타냈다.

<그림6> 여러 가지 온도 인자에 따른 온도시간 곡선(λ=1.0, C=0.3, r=2,400)

<그림7> 여러가지 온도 인자에 따른 온도시간 곡선(λ=0.5, C=0.24, r=1,700)

같은 주변벽 열상수의 경우의 상승곡선을 결정하는 요소는 A_B√H/AT으로서 이것을 온도인자(Temperature Factor)라 칭하며 Ar는 실내 전표면이다. 실제 화재실험의 측정치와 계산치를 <그림8>에 표시하였다. 각국마다 거의 같은 내화시험용 표준곡선을 정하여 내화시험을 하고 있으나 이것은 콘크리트 내벽에 있어서의 온도인자는 <그림6>의 0.06곡선에 가깝다. Flash Over 시에 격렬한 상황을 나타내는 Peak를 추적하는 것은 이론적으로 곤란하다. 실험에 화성기를 대상으로 하면 좋으며 이때 온도추적으로 구한 온도상승곡선을 화재의 가열력으로 하여도 실용상 지장이 없을 것이다.

<그림8> 실험치와 온도추적계산치

⑤ 화재 계속시간

구미에서는 단위 바닥면적당의 가연물 차량을 화재하중이라 하며 이 양이 화재 계속 시간에 비례한다고 본다. 즉 50kg/m²인 화재하중이면 1시간, 100kg/m² 이면 2시간인 표준곡선의 가열력에 상당한다고 보아왔다. 연소속도가 일정치로서 끝까지 유지한다면 그때의 화재 계속시간은

여기서 W : 목재에 환산한 단위 바닥면적당의 가연물량(kg/m²)로서 화재하중이다.

     A_F : 바닥 면적(m²)

A_B√H/A_F를 화재 계속시간인자(Fine Duration Factor)라 하며 만일 화재하중 및 사고 H가 일정하다면 개구율 A_B/A_F의 대소로 화재의 계속시간이 장단한다. 실제로 연속속도는 일정치로 끝까지 유지하는 경우는 드물고 <그림3>과 같이 태반의 연료가 타버리면 점차로 연소속도가 감소해간다. 여기에 따라 화재 온도 상승도 정지되고 온도가 내려간다. 연소속도의 증감을 명확히 알 수 있다면 하강되는 온도의 추적도 가능하다. 그러나 건물의 내화성을 공학적으로 논하는 경우에는 연소속도가 일정치를 끝까지 그래도 유지한다고 하여도 실재상 크게 지장은 없다.

⑥ 화재온도곡선 및 상당 내화시간의 추정

현재 기둥, 보 등의 내화성은 내화시험 결과에서 1시간 보, 3시간 기동 등 시간으로 표시하고 있으며 각국마다 팽대한 시험결과를 축적하여 가지고 있다. 상기의 방법으로 구한 화재온도곡선의 추적과 표준곡선과의 관련을 가지고 있으면 편리하다.

<그림9>와 같이 강재의 위험온도 450%이상의 면적이 같아지게 표준곡선상의 부재를 선택하므로써 현재 시공하고 있는 내화설계보다 일보 진보된 방법이라 생각된다. <그림10>는 이와 같은 목적을 달성하기 위한 일례이다.

<그림10> 상당내화시험시간의 추정법

예제에서는 온도인자 0.08의 곡선에 따랐고 화재시간 57분이 된다. 그리고 표준곡선에 상당하는 내화시험시간은 66분 이라고 구해진다. 앞에서 온도곡선 추적때 실은 주변벽의 내부에의 열전도 계산도 하여야 한다. 기둥, 보 등 실제 단면을 여기에 도입하여 열수지계산을 하면 실은 앞서서의 상당 화재시간에서 내화시험에 합격한 부재를 추정할 수도 있고 동시에 각 부재 내부의 온도도 계산할 수 있으며 골조 구성의 열응력의 검토, 내화피복의 타당성도 같이 검토할 수 있다.

<예제>

<그림10>의 긴 벽면 쪽의 창 : h=2, W=4,   짧은쪽 벽면의 창 : h=1.5, W=2라면

  ∑√HㆍA_B=(5×2×4)√2+(3×1.5×2)√1.5=66.98

  Ar=(10×30)×2+(3×30)×2+(10×3)×2=840m²

  A_F=10×30=300

  Ff=300/8040=0.357

  Fo=66.98/840=0.08

이므로 <그림10>의 점선에 따르면 상당 내화시험시간 66분이 된다.

(2) 다실화재

건물 방화의 제1은 방화구획화(Compartmentation)이다. 그러나 往往 이것이 무시된다. 이와 같은 방호구획화의 완벽을 사람들은 좋아하지 않는다. 이와 같은 경향은 오늘날 사회적 문제로 되어 있다. 건물의 방연대책을 대단히 어렵게 생각하고 있다. 그러나 건물의 내화성을 논할 경우에는 다실로 불이 옮겨 붙어도 1실씩 옮겨가기 때문에 상기의 1실 연소과정을 1실화재의 집합이라고 생각하면 된다.

2. 火害조사 및 관찰

육안으로 관찰 또는 간단한 기구에 의하여 화재범위 내의 주요부재, 마감재료 등에 대한 화해상태를 조사한다.

현장 관찰결과를 그 구조물의 평면도, 천장 복도 등에 기록하여 두는데 그 주요한 관찰사항은 다음과 같다.

(1) 콘크리트의 균열, 파단 및 부각

콘크리트가 받을 화해의 대표적인 것은 균열, 폭열, 부각 등으로서 콘크리트의 표층과 심층의 온도차로 인한 열팽창에 의한 것이다. 가령 균열의 경우에는 대단히 미세한 것에서 균열폭이 수mm에 달하는 것도 있고 깊이는 표면에서 철근에 이르기까지 각색이다. 화재로 인하여 생긴 경우 조사순서로는 첫째로 균열이 발생한 위치, 폭, 깊이 등을 도면에 기입한다. 다음에 균열폭의 측정은 Crack Scale이나 Micrometer에 의하여 측정하면 된다. 만일 화재시 발생된 폭열로 인하여 콘크리트의 일부가 박락하는 현상이 생기면 콘크리트 구조물의 표면 가까이 있는 골재의 박락에서 부터 철근까지 노출될 정도로 심하게 골재가 박리되는 수가 있다. 때에 따라서는 바닥 Slab와 같이 얇은 부재는 상하가 완전히 관통되어 뚫리는 예도 있다.

(2) 철근의 노출, 좌굴

콘크리트의 폭열이나 파쇄 등으로 인하여 보강근이나 주근이 외부로 노출되는 수가 있다. 이와 같이 철근이 콘크리트와의 부착성을 잃고 노출로 화열을 직접 받기 때문에 콘크리트의 물성이 대단히 열화될 가능성이 깊다. 또한 열응력에 의하여 압축력을 받는 주근이 각 부재에 대하여 노출된 철근면적을 측정하는 동시에 철근의 상태를 관찰하여야 한다.

(3) 콘크리트의 착색

콘크리트 표면의 빛깔, 그을림 상태를 관찰하므로 콘크리트의 화해온도와 열호정도를 대략 추정할 수 있다. 표면이 화재로 인하여 검게 그을어져 있으면 콘크리트의 화해온도는 그다지 높지 않고 도색으로 띄워 있으면 콘크리트는 비교적 고온을 받고 강도나 탄성이 현저하게 저하되어 있다고 생각된다. <그림11>은 콘크리트의 빛깔, 화해온도 및 잔존강도 등의 상호관계를 표시하였다.

(4) 부재의 변형, 파괴

火害온도가 높아지면 보다 바닥 Slab의 탄성과 강도가 저하되어 주근이 降伏하는 경지에서 휨파괴를 일으키는 기구가 형성된다. 또는 열팽창으로 보아 횡으로 밀려서 기둥은 전단파괴를 일으키는 수가 있다. 이와 같은 부재의 변형으로 인하여 유발되는 파괴는 火害사건에서 가장 중대시하기 때문에 주의하여 관찰할 필요가 있다.