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해석적 연구를 통한 모듈 단위 성능기반 내화설계

  • 최준영 (Joon Young Choi, 아주대학교 일반대학원)

초록/요약

국내 모듈러 건축 시장은 지속적인 성장을 해왔으나, 앞으로의 성장을 위해서는 중고층 모듈러 건축물의 적용 확대가 필요한 시점이다. 하지만, 현재 국내 중고층 모듈러 건축물 사례는 2건 수준에 그치고 있으며, 이마저도 12~13층 수준으로 기존의 철근콘크리트 건물에 비해 매우 낮은 규모이다. 이렇게 모듈러 건축의 중고층 확대의 가장 큰 걸림돌로 내화규제가 가장 큰 화두로 떠오르고 있다. 국토교통부령 제931호 「건축물의 피난∙방화구조 등의 기준에 관한 규칙」 제3조 8항에 의거 주거시설 기준 12층, 최고높이 50m를 초과할 경우 보∙기둥 3시간, 내력벽과 간막이벽 2시간 성능을 만족해야 한다. 철근콘크리트 건물의 경우 당연내화구조로 별도의 내화성능을 검증할 필요가 없으나, 강재 기반 모듈러 건축은 이에 맞는 내화성능을 검증해야 한다. 이 방법은 주로 부재 단위 내화시험을 통해 인증을 받으며, 주로 내화재료에 초점을 둔 방식이다. 그러나, 모듈러 건축은 보-기둥 및 모듈간 접합으로 인하여 부재 단위 내화 방식을 적용할 시, 부재 간 간섭으로 인한 시공상 저하 및 물량 과도소요의 문제점이 발생한다. 하지만, 해외에서는 성능기반 내화 설계 및 모듈 단위 내화설계 방식 등을 적극적으로 도입하여 효율적인 내화 시스템을 구축하고 있다. 실제 그 성능 또한 기준을 만족하여 효용성을 검증하였다. 2023년 9월 POSCO에서 벽체와 천장 둘레로 방화 석고보드를 적용하고 1시간 및 2시간 성능의 모듈 단위 실대형 내화실험을 진행한 결과 골조온도는 한계온도 기준인 평균 538℃를 만족하였고, 차열성능도 평균 165℃ 이하를 보이며 기준을 만족하였다. 이를 통해 모듈 단위 내화로도 충분히 내화성능 확보가 가능함을 시사하였다. 1시간 실험체에서 천장 석고보드가 탈락하면서 골조온도가 최대 474℃까지 상승하여 이에 대한 개선이 필요함 역시 확인하였다. 본 연구에서는 모듈 단위 내화실험 결과를 바탕으로 이에 대한 유한요소 열해석 모델을 개발하고 해석결과를 실험결과와 비교하였다. 그 결과 해석모델은 실제 실험모델과 유사한 온도 분포를 보여 해석모델의 타당성을 검증하였다. 이를 바탕으로 1시간 내화 실험체에서 발생한 석고보드 탈락의 문제를 해결하고자 벽체 단위의 내화 방식을 제안하고 이에 대한 내화성능을 검증된 해석모델로 1시간, 2시간 및 3시간 내화성능을 평가한 결과 골조 온도는 한계 기준인 평균 538℃ 이하를 만족하였으며, 차열 성능도 평균 165℃ 이하를 만족하였다.

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목차

제 1장 서론 1
1.1 연구의 배경 및 목적 1
1.2 연구의 방법 및 범위 4
제 2장 이론적 고찰 5
2.1 국내외 내화구조성능 기준 5
2.2 모듈러 내화설계 사례 분석 20
2.3 소결 23
제 3장 모듈 단위 내화 실험 24
3.1 실험 개요 24
3.2 실험 결과 28
3.3 소결 32
제 4장 화재 해석모델 개발 및 검증 33
4.1 선행연구 분석 33
4.2 해석모델 개발 40
4.3 해석모델 검증 57
4.4 소결 67
제 5장 변수조정을 통한 최적의 내화상세 제안 68
5.1 내화 상세 제안 68
5.2 내화성능 시간 단위 최적화 결과 76
5.3 소결 91
제 6장 결론 92
참고문헌 94

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