3.2.1 실험 방법

대상 실험체의 내화성능 평가하고자 KS F 2257-1 ^｢건축 부 재의 내화 실험방법 ─ 일반 요구사항_｣ 및 KS F 2257-4 ^｢건축 부재의 내화 실험방법 ─ 내력 수직 구획 부재의 성능 조건_｣에 서 제시하고 있는 성능 평가 방법을 적용하여 내화성능 실험 을 수행하였다.

각 실험체 크기는 3,000mm x 3,000mm(유효면적 : 3000mm x 2,920mm)이며, 가열실험 동안 실험체에 작용하는 하중의 크 기는 Table 7에 제시하였다. 하중 산정에는 탄성 좌굴하중 및 KBC 2012기준에 따른 설계 압축강도를 계산하여 적용하였으 며, 각형강관 1개소에 대한 허용 하중 및 시험체 하중은 Table 7과 같다.

Table 7

Apply load for specimens

차열성능을 측정하기 위하여 Table 8과 같이 실험체의 비 가열면 석고보드에 5개의 열전대(1~5)를 설치하여 평균온도 를 측정하였으며, 최고온도를 측정하기 위하여 차열 성능이 취약할 것으로 판단되는 석고보드의 조인트 부위에 6개의 열 전대(6~11)를 추가로 설치하였다. 하중지지력에 대한 성능평 가를 위하여 LVDT를 사용하여 실험체 중앙 및 좌우측에서의 수직 변위(12~14)을 측정하였다.

Table 8

Temperature measurement position

3.2.2 성능 판정기준

모듈러 벽체의 내화성능 판정기준은 KS F 2257-1에서 제 시하는 하중지지력, 차염성능, 차열성능에 의해 결정된다. 하 중지지력에 의한 판정기준은 축변형 및 축변형율에 의해 결 정된다. 본 실험체의 유효 높이(2,920mm)에 의해 축변형 기 준은 29.2mm, 축변형률 기준은 8.8(mm/min)으로 평가 기준 이 결정된다. 차염성능의 경우, 실험체의 비가열면에 면패드 를 설치하여 비가열면의 착화발생 시간을 측정하거나, 균열 게이지를 사용하여 실험체의 균열이 기준 이상으로 벌어진 시간을 측정하는 방법, 비가열면에 10초 이상 지속적인 화염 이 발생한 시간 등의 방법으로 결정된다. 차열성능은 실험체 비가열면의 초기온도에서 평균온도가 140°C 이상 증가하거 나, 최대온도가 초기온도로부터 180°C 이상 증가했을 때의 시간으로 결정된다. 최종 성능판정은 상기에서 언급된 3가지 평가기준 중 한 가지라도 해당 성능기준을 만족하지 못하는 최초의 시간으로 결정된다. Table 9는 내화성능 평가기준을 나타내고 있다.

Table 9

Fire resistance performance evaluation criteria

3.3.1 차염성능

KS F 2257-1 및 KS F 2257-4에 의한 실험 조건에 의해 모듈 러 내력벽체의 내화성능을 수행하였으며, 내화성능 판정기준 중 차염성능에 관한 각 실험체의 특이사항은 Table 10과 같다.

Table 10

Results of integrity for specimens (unit: min)

내력벽체의 차염성능은 비가열면에 발생한 구멍이나 화염 에 면패드 접촉시 착화되지 않고 균열게이지가 해당 구멍을 관통하지 않고 실험체 이면에 화염이 발생하지 않는 조건에 의해 결정된다. IW-01 및 OW-03 실험체의 경우 2시간 이상의 충분한 차염성능을 갖는 것으로 나타났으나 OW-01 및 OW-02 실험체의 경우 면외 변위가 크게 발생하여 보드가 탈 락하거 화염이 발생하는 현상이 나타났다. 이는 온도상승으 로 강재의 강도가 저하되어 상온시 발생하지 않았던 좌굴이 각형강관에 발생하여 보드가 탈락한 것으로 분석되었다.

내벽 벽체인 IW-01 실험체의 경우 비가열면과 가열면에 2 겹의 19T내화 석고보드가 적용된 내력벽체로서 내화성능 120분 동안 차염성 측정기준인 면패드 착화 및 균열 발생 등 이 발생하지 않았다. 그러나 실험 시작 후 약 60분 경과 후 약 간의 면외 좌굴이 발생하기 시작하였으나 이로 인한 실험체 손상은 발생하지 않았다. Fig. 2(a)는 IW-01 실험체의 실험 종 료 후 가열면을 나타내고 있으며 내화석고보드가 실험체로부 터 탈락되지 않은 것을 확인할 수 있다.

Fig. 2

Specimens after experiments

외벽 벽체인 OW-01 실험체의 경우 비가열면에 9.5T 일반 석고보드, 가열면에 3겹의 15T 내화석고보드, 75x75x2.3T의 각형강관으로 구성된 실험체로써 실험 시작 50분 경과 후 비 가열면에 면외 변위가 발생하여 비가열면 보드가 탈락하여 관통부가 발생하는 현상이 발생하였다. 이는 온도상승으로 인한 각형강관의 급격한 강도 저감 현상 따른 좌굴 발생에 의 한 것으로 나타났다. Fig. 2(b)는 OW-01 실험체의 실험 종료 직전 비가열면을 나타내고 있으며 비가열면의 일반 석고보드 가 탈락과 화염이 실험체 외부 및 전체로 확산되는 것을 확인 할 수 있다.

OW-02 실험체는 비가열면에 9.5T 일반 석고보드, 가열면 에 3겹의 15T 내화석고보드, 75x75x3.2T의 각형강관으로 구 성된 실험체로써 OW-01실험체에 비해 구조적 성능을 향상 시키기 위해 각형강관의 두께를 0.8mm 증가시켜 실험을 수 행하였다. 그러나 실험 결과 OW-01실험체와 유사하게 실험 시작 후 115분 경과 후 실험체 중심부에서 좌굴이 발생하였으 며, 이로 인해 비가열면의 석고보드가 탈락하여 관통부가 발 생하여 실험이 종료되었다. Fig. 2(c)는 실험 종료 후 OW-02 실험체의 구조체인 각형강관 좌굴을 나타내고 있다.

OW-03 실험체는 비가열면에 9.5T 일반 석고보드, 가열면 에 3겹의 19T 내화석고보드, 75x75x3.2T의 각형강관으로 구 성된 실험체로 차열성능을 향상시키기 위하여 19T-3겹의 방 화 석고보드를 적용하여 실험을 수행하였다. 실험 결과 OW-01 및 OW-02에서 발생한 좌굴현상은 나타나지 않았으 며 비가열면의 그을음 및 급격한 온도상승도 발생하지 않았 다. OW-03 실험체의 경우, 2시간 이상의 충분한 내화성능을 확보한 것으로 평가되었다. Fig. 2(d)는 OW-03 실험체의 실 험 종료 후 가열면을 나타내고 있으며 내화석고보드가 실험 체로부터 탈락되지 않은 것을 확인할 수 있다.

3.3.2 하중지지력

내력벽체의 하중지지력은 KS F 2257-1 기준에 따라 변형량 과 변형율 측정으로 평가되며, 변형량은 실험체 중앙과 양측면 3개소에서 측정하였다. 측정된 변형량과 변형율의 결과는 측 정 부위 3개소 중 최대 변형량이 발생한 부위를 기준으로 하였 으며 실험체별로 Fig. 3(a)는 IW-01 실험체의 수직/수평변위, Fig. 3(b)은 OW-01 실험체의 수직/수평변위, Fig. 3(c)는 OW- 02 실험체의 수직변위, Fig. 3(d)는 OW-03 실험체의 수직/수평 변위를 나타내고 있다. Fig. 3에서 (12)는 실험체 중앙위치의 변 형량을 나타내며 (13)은 좌측, (14)는 우측의 변형량을 나타낸 다. 추가적으로 수평 변위를 측정하기 위해 실험체 중앙부에 LVDT를 설치하였다. 단, OW-02 실험의 경우 온도상승으로 인해 보드가 탈락하여 중앙부 변위만을 나타내었다.

Fig. 3

Vertical and horizontal displacement of Specimens

총 4가지 실험체의 2시간 재하가열 실험 결과, 실험체 모두 내화실험 시간 동안 하중 지지력 성능 기준을 초과하지 않은 것으로 나타났다. 그러나 상기에서 언급한 바와 같이 각 실험 체 별로 면외 좌굴현상이 발생하였으며 특히 OW-01 실험체 와 OW-02의 경우 실험 시작 80분 이후 급격한 변위가 발생하 여 차염성능에 영향을 준 것으로 분석되었다.

3.3.3 차열성능

비가열면에 부착된 열전대를 통해 차열성능 평가 기준인 평균온도 및 최대온도를 측정하였다. IW-01실험체의 경우 2 시간 재하가열 실험 결과 최대온도 및 평균온도 기준을 초과 하지 않아 120분의 차열성능을 갖는 것으로 나타났다. 이는 IW-01실험체의 방화 석고보드가 충분한 차열성능 갖고 있어 구조체의 변형 및 석고보드 손상 등을 최대한 방지하는 것으 로 판단할 수 있다.

OW-01 실험체의 경우 급격한 Fig. 3(b)에서 나타난 바와 같 이 각형강관의 수평 변위가 실험 시작 80분 경과 후 발생하였 으며 실험 시작 114분에는 각형강관의 좌굴 현상으로 인해 비 가열면의 일반 석고보드가 탈락하여 관통부가 발생하였으며, 관통부를 통해 열기가 노출되어 차열성능 기준인 최고온도를 초과하는 결과를 나타내었다. 추가적으로 OW-02 실험체의 경우 OW-01 실험체와 유사한 결과 값이 나타났다.

OW-03 실험체의 경우 2시간 재하가열 실험 결과 최대온도 및 평균온도를 초과하지 않아 120분의 차열성능을 갖는 것으 로 나타났다. 이는 가열면의 방화석고보드의 두께를 증가시 켜 구조체 및 비가열면으로 전달되는 열을 최대한 방지한 것 으로 분석되었다. 그러나 Fig. 4와 같이 OW-03 실험체의 비가 열면 온도가 평가 기준인 평균, 최고온도의 절반에 그쳐 보다 합리적인 내화피복 두께를 확보하는 것이 추가적으로 필요한 것으로 판단하였다. Table 11

Fig. 4

Surface temperature of OW-03

Table 11

Results of insulation for specimens

3.3.4 내화성능 종합

중고층형 모듈러 건축물에는 2시간 이상의 내화성능을 확 보한 벽체가 사용되어야 하며 이에 따라 본 연구에서는 KS F 2257-1 및 KS F 2257-4의 기준에 의거하여 2시간 재하가열 실 험을 수행하였다. 하중지지력, 차염성능, 차열성능을 분석하 여 각 실험체의 최종 내화성능을 평가하면 Table 12와 같다.

Table 12

Fire resistance performance time of specimens

IW-01 실험체는 모듈러 건축물의 내부에 사용되는 벽체로 써 가열면과 비가열면에 19T 방화석고보드 2겹과 125x75x 2.3T 각형강관으로 구성되어 있다. 재하가열 실험결과, 실험 시작 60분 경과 후 면외 좌굴이 발생하였으나 하중지지력, 차 염성능, 차열성능의 성능기준을 초과하지 않아 2시간의 내화 성능을 확보한 것으로 평가하였다.

OW-01 실험체는 모듈러 건축물의 외부에 사용되는 벽체 로써 가열면에 15T 방화석고보드 2겹, 비가열면에 9.5T 일반 석고보드 1겹과 75x75x2.3T 각형강관으로 구성되어 있다. 재 하가열 실험결과, 실험 시작 80분 경과 후 면외 좌굴이 급속도 로 발생하여 114분 후 수평변위에 의해 비가열면 보드에 관통 부가 발생하여 실험이 종료되었으며 이로 인해 120분의 내화 성능을 확보하지 못한 것으로 평가되었다.

OW-02 실험체는 OW-01실험체와 같은 방화 석고보드 두 께로 구성되어 있으나, 구조적인 성능을 확보하고자 각형강 관의 두께를 약 0.8T 증가시켰다. 재하가열 실험 결과 OW-01 실험체와 유사하게 실험 시작 90분 경과 후 면외 좌굴이 급속 도로 발생하였으며 115분 후 수평변위에 의해 비가열면 보드 에 관통부가 발생하여 실험이 종료되었다. 이러한 결과는 각 형강관의 두께를 증가시켜 구조적인 성능을 보완하였으나, 가열면 석고보드의 차열성능 부족으로 인해 각형강관에 열전 달이 빠르게 진행되었고 이로 인해 강도가 급격히 저감되어 면외 좌굴이 발생한 것으로 분석되었다.

OW-03 실험체는 가열면에 19T 방화석고보드 3겹, 비가열 면에 9.5T 일반 석고보드 1겹, 75x75x3.2T 각형강관으로 구성 되어 있다. OW-02 실험체 평가 결과, 가열면 방화석고보드의 차열성능이 부족한 것으로 판단하여 방화석고보드의 두께를 약 12T 증가시켰다. 2시간 재하가열 실험결과 실험 종료 전까 지 급격한 면외 좌굴이 발생하지 않았으며 내화성능 평가 기 준인 하중지지력, 차염성능, 차열성능의 성능기준을 초과하 지 않아 최종적으로 2시간의 내화성능을 확보한 것으로 나타 났다.