실내공간에서의 실화재에 노출된 강재기둥의 화재거동 = Fire behavior of steel columns exposed to natural fire in indoor spaces

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

To ensure the safety of buildings in fire incidents, the fire resistance performance of structural components is evaluated based on the standard fire curve in a heating furnace, considering factors such as compartment size, openings, and types and quantities of combustible materials. Although applying the standard fire curve is the most common method to assess fire resistance conservatively based on the temperature behavior of idealized building elements, there are significant differences between actual fire behavior and the standardized fire curve due to variations in compartment spaces and combustible materials. Therefore, the purpose of this study is to evaluate the fire behavior of steel columns in indoor spaces during real fire incidents and provide fundamental data.
In this study, experiments were conducted to investigate the fire behavior of steel columns exposed to real fire incidents in indoor spaces. The experiments were performed using a standard fire test chamber (2,400mm (W) × 3,600mm (L) × 2,400mm (H)) and standard opening size (800mm (W) × 2,000mm (H)) based on KS F ISO 9705, which represents the fire scenarios in compartment spaces. Additionally, the suitability and reliability of the Fire Dynamic Simulator (FDS) were verified for temperature distribution prediction using both the simple model and the pyrolysis model. The validated FDS model was then used to evaluate the fire behavior in indoor spaces, leading to the following conclusions.
(1) The quantitative assessment of fire characteristics and size was conducted for a compartment space, applying only half of the fire load of a single-family house. The maximum heat release rate (HRR) was measured as 1027.77kW at 5 minutes after ignition, and the total heat release (THR) was measured as 855MJ. The heat release rate increased rapidly with ignition and started decreasing at around 6minutes when the wood cribs began to burn. Based on the observed fire characteristics and the critical heat release rate, the fire behavior in this experiment was determined to be a local fire within the compartment without flashover.
(2) Examining the fire behavior at different locations within the compartment during the compartment fire, it was observed that the fire went through the growth phase until 6 minutes, the fully developed phase from 6 to 14 minutes, and the decay phase afterwards. The maximum temperature at the fire source location was measured as 1076.1°C at a height of 1.0m. The maximum temperatures at the front and rear locations within the compartment were measured as 661.6°C to 758.6°C during the fully developed phase. Particularly, at the front location where the opening was present, the temperature was distributed approximately 6-12% higher than at the rear locations due to heat flow.
(3) Investigating the fire behavior at different heights within the compartment, it was found that the temperatures were higher at heights of 1.0m, 1.5m, and 2.0m in ascending order for the fire source location. For the front and rear locations within the compartment, the temperatures were higher at heights of 2.0m, 1.5m, and 1.0m in ascending order due to heat accumulation from the ceiling. Furthermore, the condition for flashover, which is a temperature above 600°C, was measured at a height of 2.0m between 4.5 to 7 minutes. However, since the wood cribs started burning at 6 minutes, there was not enough combustible material to create a high-temperature layer, resulting in no flashover occurrence in this experiment.
(4) Examining the fire behavior according to the fireproofing methods for H-section steel and angle steel columns within the compartment, for the uncoated specimens, the surface temperature of the steel remained at ambient temperature for 3 minutes, and the maximum temperatures reached 383.8°C for H-section steel and 394.3°C for angle steel columns during the fully developed phase (14 minutes). For the specimens coated with 10mm fireproofing, the surface temperature remained at ambient temperature until 6 minutes during the fire growth phase, and the maximum temperatures reached 95.8°C for H-section steel and 91.5°C for angle steel columns during the decay phase. Based on this, it can be concluded that for steel columns in real fire incidents, regardless of the cross-sectional shape, the temperature can be reduced by up to 75-77% with a 10mm fireproofing coating.
(5) Examining the fire behavior according to mortar filling and finish mortar attachment for angle steel columns within the compartment, when mortar was filled inside the angle steel columns, the temperature rise trend was similar to the cases without filling, but it was approximately 20-23% lower. When finish mortar was attached, the temperature remained at ambient temperature until 7-8 minutes and then started rising. The maximum temperature reduction of approximately 73% was observed when finish mortar was attached. Therefore, based on the fire behavior according to the fireproofing methods, it was shown that attaching finish mortar along with 10mm fireproofing coating can reduce the temperature rise by up to 82%.
(6) Comparing the thermal heat release rate and temperature distribution predicted by the FDS model with different input methods to the results of the experimental study, the simple model showed an error of more than 50%, while the pyrolysis model predicted the heat release rate with an error of 6% and the spatial temperature distribution with an error of 5-12%. The large error of the simple model can be attributed to the fact that it calculates the heat release rate based on the surface temperature of the combustible material reaching the ignition temperature according to the input heat release rate per unit area. If the surface temperature of the combustible material does not reach the ignition temperature due to the fire source, combustion does not occur, resulting in significant discrepancies. Therefore, the reliability of the pyrolysis model in predicting the heat release rate and temperature distribution was considered valid within an acceptable accuracy range.
(7) Using the validated FDS model, the fire behavior in the living room of a single-family house was evaluated based on the fire load. The fire went through the growth phase until 4 minutes after ignition, the fully developed phase from 4 to 11 minutes, and the decay phase afterwards. The maximum temperature at the fire source location was measured as 1052.46°C at a height of 1m. The maximum temperatures at the front and rear locations within the compartment were measured as 713.90°C to 777.28°C at around 8-9 minutes. In particular, at the front location with the opening, the temperature distribution was higher by 4-10% compared to the rear locations due to heat flow and flame ejection through the opening.
(8) Comparing the fire behavior in real fire incidents with the standard fire, it was observed that in the compartment without flashover, the temperature measured was up to 26% higher than the temperature range of the standard fire between 3 and 7 minutes. In the compartment with flashover, the temperature measured was up to 24% higher than the temperature range of the standard fire between 1.57 and 11.4 minutes. Therefore, although there were some temperature ranges beyond the standard fire temperature, the temperatures were distributed within the standard fire duration (945°C), indicating that steel columns would be safe with appropriate fireproofing. Based on this study, continuous research on the fire behavior of building components exposed to real fire incidents is necessary to promote performance-based fire-resistant design in Korea.

국문 초록 (Abstract)

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)×3,600mm(L)×2,400mm(H))과 표준 개구부 크기(800mm(W)×2,000mm(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 최대온도는 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 중심위치의 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 표면 온도는 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 실내공간의 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.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 제1절 연구배경과 목적 2
• 제2절 연구범위 및 방법 5
• 제2장 건축물의 화재거동에 대한 이론적 고찰 7
• 제1절 건축물의 화재성상 분류 8
• 제2절 화재성상에 따른 화재거동 10
• 1. 표준화재(Standard fire)와 실화재(Natural fire) 10
• 2. 유로코드의 변수화재 (Parametric fire) 12
• 3. 국부화재(Localized fire) 15
• 제3절 건축물의 화재하중 17
• 제4절 소결 20
• 제3장 구획화재시 강재기둥의 화재거동 실험 22
• 제1절 개요 23
• 제2절 실험계획 24
• 1. 실험체 계획 24
• 2. 온도측정 위치 27
• 3. 구획공간 설정과 실험체 설치 30
• 4. 화원 설정 32
• 제3절 실험결과 및 분석 34
• 1. 화재성상과 열방출률 34
• 2. 공간 내 위치별 시간온도곡선 36
• 3. 강재기둥의 표면온도분포 39
• 제4절 소결 43
• 제4장 FDS를 통한 실내공간의 화재거동 평가 46
• 제1절 개요 47
• 제2절 FDS모델 및 해석조건 48
• 1. 해석방법과 FDS모델 48
• 2. 해석조건 49
• 제3절 해석결과 및 FDS모델 검증 54
• 1. 화재성상과 열방출률 54
• 2. 공간 내 위치별 시간온도곡선 55
• 제4절 실내공간의 화재거동 평가 59
• 1. 해석개요 59
• 2. 해석결과 및 분석 60
• 제5절 소결 64
• 제5장 결론 66
• 참고문헌 71
• 부 록 76
• ABSTRACT 94
• 감사의 글 101