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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.8 No.2 pp.41-48
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2017.8.2.041

Allowable and Limits Temperature Effect with Intumescent Paint Covering

Sun-Hee Kim1, Chi Yeol Ok2, Sung-Mo Choi3
1Research Professor, Department of Architectural Engineering, University of Seoul, Korea
2Korea Institute of Construction Technology, Korea
3Professor, Department of Architectural Engineering, University of Seoul, Korea
Corresponding author:+82-2-6490-5416, smc@uos.ac.kr
April 24, 2017 May 30, 2017 June 8, 2017

Abstract

Among the Fire Protection in the interior representative case are spray coat, board, Paint. Intumescent paint has been developed that price competitiveness manufactures and Fire-resistances certificate was verified by experiment. Recent three-hour fire resistance performance developed Intumescent paint is applied as a high-rise, and major structures designed according to the refractory needs to be more efficient. However, domestic and outside the thermal properties of Intumescent paint materials are not proposed. Meanwhile, Intumescent paint in fire is built char layer since the 500∼60 0℃ and middle layer is formed by the decuple intumescent char more then cover thickness at room temperature. It is cut temperature flow off to the steel surface. Nonetheless, Bond Strength of steel and paint deprive as the intumescent char increases. and then steel surface are exposed to flame instantaneously. In this study, intumescent char estimate according to structural parameter(Fire resistance, cover thickness, shape ratio).


내화도료 두께에 따른 허용 및 한계온도 고찰

김 선희1, 옥 치열2, 최 성모3
1서울시립대학교 건축공학과 연구교수
2한국건설기술연구원
3최성모

초록


    Ministry of Land, Infrastructure and Transport
    15CTAP-C097355-01-000000

    1서 론

    1.1연구배경 및 목적

    국내 대표적인 건축용 내화 피복재는 뿜칠, 보드 그 리고 페인트로 구분될 수 있다. 그 중 내화페인트는 타 피복재에 비해 굴곡부와 협소한 공간피복이 가능 하며, 표면처리가 용이하다는 장점을 갖고 있다. 단가 측면의 단점이 대두되었지만, 이를 해결하기 위해 국 내 내화페인트 업계에서는 가격 경쟁력 확보를 위해 최적화된 내화페인트 제품을 개발하며 내화 인정 실 험을 통해 검증 받고 있다. 현재까지 내화인정을 받 은 페인트의 내화 성능시간과 피복두께를 조사해 보 면 Table 1과 같다. 3시간 내화인정 페인트가 2013년 도 개발, 발표되면서, 3시간 내화성능이 요구되는 구 조물(12층, 50m이상 건축물)에 적용범위가 확대되고 있으며 그로인해 건설현장에 국내 내화페인트 성장세 는 꾸준히 증가되고 있다.

    내화페인트의 가장 큰 특징은 고온에 노출됐을 때 팽창성을 갖고 있다. 즉 밀도변화가 크다고 할 수 있 다. 고온에 노출된 내화페인트는 약 500∼600℃부터 Figure 1과 같이 탄화층이 형성되고, 중도층이 기존 의 도포두께 보다 약 10배 가까운 발포층을 형성한 다. 풍선처럼 부풀어진 발포층은 Figure 2와 같이 강 재 부재에 온도를 차단하는 역할을 한다. 하지만 발 포층이 일정 수준 이상 두꺼워지면 자체 균열이 발생 되고, 심화된 균열은 일부 탈락하게 된다. 내화페인트 와 강재의 부착력은 상실되고, 순간적으로 강재는 화 염에 노출된다. 이렇듯 급격히 화염에 노출된 기둥은 내화성능에 큰 타격을 주게 된다. 그에 따라 내화페 인트의 발포두께와 구조적 안정성에 대한 상관관계 분석이 구축될 필요가 있다. 비재하 내화 인정 실험 에서 구조적 안전성에 결여된 한계상태는 강재표면 온도에 의해 결정된다. 국내의 경우 한계온도(649℃) 와 허용(평균)온도(538℃)에 의해 내화성능이 결정된 다. 따라서 본 논문에서는 가열시간, 도포두께, 강재 형상비에 따른 발포두께를 분석하여 구조변수에 따른 상관관계를 정량적으로 모색하고자 한다. 최종적으로 내화페인트 두께에 따른 단면 내 온도분포를 통해 국 내외에서 제시하고 있는 한계 및 허용온도 비교와 적 절성에 대해 분석하고자 한다.

    1.2강재의 국내⋅외 한계 및 허용온도

    강재에 대한 한계 및 허용온도에 대한 선행연구를 요 약해 보면, 강재가 갖는 허용내력은 온도 상승에 따 라 반비례 관계에 있으며 고온 시 크리프는 550∼60 0℃ 사이에서 구조물의 변형을 초래하는 거동을 보였 다. 또한 강재의 탄성계수의 경우 600℃에서 상온대 비 60∼65% 수준을 보이고, 600℃이상에서는 탄성계 수가 급격하게 떨어지는 현상을 나타냈다. 결과적으로 강재가 갖는 구조적 안전성 판단기준은 평균온도 550∼ 600℃ 수준에서 확보된다. 이러한 선행연구를 근거로 각 국가기관별 또는 협회에서는 Table 2와 같이 화재 시 강재가 갖는 허용 온도를 설정하여 내화성능 평가 에 활용기준으로 삼고 있다.

    보다 구체적으로 부재 또는 실험 경계조건에 따른 온도 규정사항이 제시되고 있다. FEMA에서는 각 부 재에 따른 임계온도를 제시하고 있는데 기둥은 538℃ (1000℉), 보와 철근은 593℃(1100℉), 그리고 프리스 트레싱 강선은 427℃(800℉)이다. 그 밖에 ASTM-E 119에서는 재하상태에서 강재 보의 최대 한계온도는 704℃(1300℉)이고 허용온도는 593℃(1100℉)로 규정 되어 있다. 그리고 870℃ 상태로 직접적인 노출된 강 재의 경우 재사용 여부를 필히 검토할 것은 권장하고 있다. 일본 건축마감학회에서는 비재하 가열 실험을 기준으로 피복된 부재 강재의 한계온도(450℃)와 허 용온도(350℃)를 별도로 규정하고 있다. 위의 내용을 Figure 3에 정리하였으며, 전반적으로 강재의 허용 및 한계시점의 온도는 500∼600℃내에 존재하는 것을 알 수 있다.

    2내화성능 실험

    2.1개요

    실험체는 총 10개로 무피복(1,2번) 그리고 내화피복(3∼ 10번) 실험체로 구분된다. 각 형상(Shape(단면크기), L(길이))과 재료 물성치(Fy(강재 항복강도), fck(콘크리 트 압축강도)), 재하량(C), 내화성능시간(FR), 피복두 께(IP cover thick.), 실험 종료 후 발포두께(Forming Thick.) 등을 Table 3에 정리 하였다. 실험체형상은 동일하고 크기를 2가지 타입으로 나뉠 수 있다. Figure 4에 실험체 상세도를 나타냈다. 실험체에 도 포된 내화페인트는 모두 동일한 제품으로 S사에서 개 발, 2015년도 내화인정을 받은 유기질불연재(아크릴 계)를 사용하였다. 또한 실험장비 가열로(1000ton UTM)는 동일하며, 표준화재가열곡선은 KS F 2257 에 의해 진행되었다. 실험체 5∼10번의 경우 인정실 험인 관계로 실험체의 한계상태의 내화시간이 아닌 인정 목표내화시간(120분 또는 180분)으로 기록하게 되었다. 그 중 5번 실험체의 경우는 인정 목표내화시 간에 미달되어 최종 내화성능시간인 112분으로 정리 하고 있다.

    2.2실험결과

    내화피복과 무 피복 실험체는 실험 종료 후 Figure 5 와 같이 확연한 거동차이를 나타냈다. 무 피복 실험 체의 경우 직접적인 화염에 노출되어 검붉은 강재표 면을 볼 수 있으며, 재하로 인해 좌굴형상을 쉽게 발 견 할 수 있었다. 실험체 중 내화피복 두께(1.3mm)가 가장 작은 3번 실험체인 경우 중앙 부위가 검게 숯이 그대로 남아 있고 단부에 갈수록 발포층이 그대로 남 아있었다. 한편, 4번 실험체(3.5mm)인 경우 내화페인 트가 하얗게 부풀어 오른 상태에서 잔 균열이 가해진 상태를 확인할 수 있었다. 단면 크기가 동일하고 내 화피복 두께만 상이한 5∼10번 실험체의 실험 종료 후 상태는 매우 유사했다. 실험체 전체에 발포층이 형성되어 있으며, 축 방향으로 수직균열을 시작으로 수평균열이 심화되어 나타났다. 내화 피복 실험체 총 8개의 평균 발포두께(Forming Thick.)는 Table 3과 같이 27.1mm로 나타났으며, 상온 도포두께 대비 발 포 두께비(B/A (Thick. ratio))는 약 10.9배로 평가되 었다.

    3분석 및 고찰

    3.1축 변형-시간관계

    재하 가열된 실험체 총 6개에 한에 Figure 6과 같이 축 변형-시간관계를 나타냈다. 무피복 1,2번 실험체의 경우 강관팽창 후 급격한 축 변형이 발생되어 40, 50 분의 내화성능에 도달되어 나타났다. 이때의 하중비 (콘크리트 단면이 받을 수 있는 압축내력 대비 재하 내력)는 0.6, 0.5 수준이다. 하중비 0.6으로 동일하지만 1.3mm 피복두께를 갖는 3번 실험체의 경우 매우 완 만한 강관팽창 구간을 갖고 있으며 약 90분 이후부터 강관수축구간에 도입되어 나타났다. 최종적으로 내화 성능은 169분으로 평가되었다. 강관 표면에 열전달이 서서히 진행되므로 급격한 열 응력양상을 보이지 않 는 것으로 보여진다. 하중비 0.6으로 동일하고 3.5mm 피복두께는 갖는 4번 실험체의 경우 목표내화시간 180분 동안 강관 팽창만 나타났으므로 최종적인 내화 성능 평가가 어렵다. 그럼에도 실험적 내화시간을 두 고 비교해보면 무피복 상태에서 내화피복 1.3mm 도 포했을 때 3.38배, 3.5mm 내화피복 했을 때, 3.6배의 내화성능이 향상된 것으로 분석된다. 한편, 7번,10번 실험체의 경우 하중비는 0.35, 0.25 수준으로 목표내화 시간 (120분, 180분)에 충분히 도달되어 축 변형-시간 관계에 있어 강관팽창구간만 지속된 것으로 나타났다.

    3.2강관표면 온도분포

    실험체의 강재표면 평균온도를 Figure 7에 중첩하여 표현 하였다. 먼저 1∼4번 실험체의 경우 재하가열 상태에서 측정된 온도결과 이므로 온도분포가 매우 불안정하게 나타났으며, 반면, 5,6,8,9번 실험체의 경우 비재하 가열상태에서 측정되어 비교적 안정적인 곡선 을 보이고 있다. 무피복 1,2번 실험체의 경우 초기부 터 가파르게 온도가 상승하는 것을 알 수 있으며, 50 분 안에 강재의 한계온도에 도달하였다. 피복두께 1.3mm인 3번 실험체의 경우 100분까지 450℃미만으 로 분포양상을 보이다가 그 이후 급격한 온도분포를 보이고 있다. 이는 내화페인트의 발포층이 균열되면서 강관에 화염이 노출된 것으로 보인다. 내화피복된 실 험체 중 가장 높은 온도분포 양상을 보였다. 3.5mm 피복된 4번 실험체의 경우 온도분포가 불안정한 경향 이 있지만 180분까지 강재 한계온도를 초과하지 않고 서서히 증가하였다.

    5, 6번 실험체는 피복두께가 2.0mm이인 부재로 내화목표시간 120분까지 강재 한계온도를 초과하지 않았지만 6번 실험체의 경우 일본 건축마감학회에서 제시한 450℃에 초과되어 나타났다. 온도분포에 의해 내화성능을 평가할 때 일본건축마감학회에서 제시한 피복부재의 한계 및 평균온도는 매우 보수적임을 알 수 있다.

    마지막으로 가장 두꺼운 피복두께를 갖는 8,9번 실험체의 경우 매우 안정적으로 180분 내화목표 도달 시간까지 400℃미만으로 분포되어 나타났다. 4번 실 험체와 비교했을 때, 실험방법에 따라 열 분포양상이 매우 상이한 결과를 갖는 것을 알 수 있다. 재하가열 을 할 경우 내화 페인트의 발포층의 균열이 보다 심 화되어 열 유입에 유리한 조건으로 발전된 결과로 보 인다.

    3.3발포두께와 구조변수의 상관관계

    부재의 온도증가 속도는 단위 길이당 부재의 면적에 대한 노출(Hp/A)에 따라 결정된다. 단위는 m-1이고, 단면계수(Section factor)로 정의된다. 열에 노출되는 단면이 클수록 Section factor는 커지게 되고 부재의 온도 상승도 큰 것이다. 이는 화재 시 필요한 내화페 인트의 두께가 두꺼움을 의미한다. 그밖에 전체 강재 노출부의 부피 대비 둘레비(Hp/V)를 Table 3에 같이 정리하였다. 경향성 분석을 위해 Figure 8과 같이 각 변수별로 실험값을 정리하였다.

    Figure 8(a)와 같이 피복두께가 클수록 발포두께 는 비례적인 양상을 보이고 있다. 또한 Figure 8(b)에 서 보여지듯이 도포 두께비는 내화시간과 반비례 관 계를 갖는 것으로 평가되었는데, 내화 목표시간이 길 어질수록 내화 피복두께는 상대적으로 두꺼워지는 반 면 발포두께는 일정수준 두께가 형성되면 자체 균열 되고 박리되는 점에서 이와 같이 분석된 것으로 판단 된다. 마지막으로 또한 Figure 8(c,d)와 같이 도포 두 께비에 따른 단면계수(Hp/A), 부피계수(Hp/V)를 살 펴보면 비례곡선이 완만하게 평가되어 뚜렷한 상관관 계성을 나타나고 있지 않는데 이는 분석된 실험체의 형상이 비교적 유사한 것으로 판단된다. 형상 치수가 3∼4배 차이가 있을 때 보다 명확한 상관관계성이 보 일 것으로 보인다.

    3.4적외선 열화상 카메라를 통한 주변온도 고찰

    내화실험은 Figure 9와 같이 표준가열 곡선(KS F 2257) 에 의해 가열된다. 일반적으로 초기온도(To)는 20℃로 설정하여 계산되어지고, 가열 10분이 지났을 때 678℃에 도달하고, 2시간 실험종료 시점에는 105 0℃가 된다.

    2시간 재하가열 실험과정(No.7 실험체)을 적외선 열화상 카메라(FLK -TI-400)를 통해 주변 온도를 관찰해 보았다. Figure 10에 실험 전 과정을 촬영하 여 대표적인 사진을 정리 하였다. 실험시작 전 상온 상태 온도를 보면 평균 86℉(30℃)로 나타났으며, 가 열로와 실험체가 만나는 상부측(가압판)에 열이 집중 되어 나타난 것으로 확인되었다. 실제로 실험은 초기 온도(20℃)보다는 높은 상태에서 진행되었다. 실험 시 작 10분 뒤 가열로 외부를 촬영해 봤을 때 내부 확인 용 창에서 약 220∼230℉(120∼130℃)온도가 측정되 었다. 실험종료시점(120분)의 가열로 온도는 약 100 0℃에 다다른다. 따라서 실험 종료 후 바로 개폐하는 것은 실험체와 장비모두 안전에 문제가 생길 수 있으 므로 실험 종료 후 약 10-20분 뒤 실험체 표면 온도 를 측정할 수 있었다. 실험체 표면 온도는 약 972℉ (530℃)로 측정되었으며, 가장 열이 높게 측정된 부위 는 실험체 중앙부로 표기되었지만 실제 실험체 표면 온도차는 거의 없었다. 즉 실험체는 4면에서 골고루 화염에 노출된 것으로 보인다. Figure10(c)에서는 피 복 여부에 따른 실험 종료 후 표면 상태를 비교하여 나타냈다. 앞서 언급됐듯이 피복된 실험체 표면온도는 약 530℃로 측정되었다. 한편, 무피복 실험체(No.1, Table 3참고)의 경우 약 50분에서 변형량 초과로 실 험이 종료되었고 가열로 온도는 약 950℃이다. 측정 된 표면 온도는 약 900℃로 강재의 표면이 화염에 그 대로 노출된 것을 알 수 있었다. 즉 내화피복재 역할 은 부재가 고온에 노출되지 않도록 열을 차단하는 것 으로 그 정도가 무피복 실험체 대비 약 50%이상으로 평가된다.

    4결 론

    합성기둥 총 10개의 내화실험을 통해 내화페인트 발 포두께와 구조적 안정성에 대한 상관관계를 분석 하 고 내화피복 두께에 따른 강관표면 온도분포도와 축 변형 특성을 고찰하여 다음 아래의 결과를 얻었다.

    • (1) 피복 여부에 따른 축 변형-시간관계에 있어 내화성능은 확연한 차이를 보이고 있다. 무피복 실험 체의 내화성능은 40∼50분으로 평가된 반면 동일한 경계조건에서 내화피복이 1.3mm인 경우 3.38배(169 분) 그리고 3.5mm 피복된 경우 3.6배(180분) 내화성 능이 향상되어 나타났다.

    • (2) 하중비 0.25, 0.35 수준에서 내화피복이 2, 3.8mm 인 합성 기둥은 목표내화시간(120, 180분)까지 강관팽창 상태로 유지되었는데 이는 내화페인트의 발 포층에 의해 강관의 열 유입이 매우 서서히 진행된 결과로 보여진다.

    • (3) 비재하 가열 시 강관표면 온도는 내화성능 판 단근거로 무피복 실험체의 경우 가열 40분 이후 강재 한계온도(649℃)에 도달되며, 1.3mm피복된 실험체 경 우 90분 이후 급격한 온도상승으로 강재의 한계 및 허용(538℃)온도에 도달되었고 2mm이상 피복된 실험 체의 경우 목표내화 시간까지 강재의 한계 및 허용온 도 범위 내에 존재하는 것으로 나타났다.

    • (4) 일본 건축마감학회에서 제시한 피복기둥의 강 재 한계(450℃) 및 허용(350℃)온도는 모든 피복실험 체의 강관 표면 온도에 제한되므로 온도분포에 의해 내화성능을 평가할 때 일본건축마감학회에서 제시한 피복부재의 한계 및 평균온도는 매우 보수적임을 알 수 있다.

    • (5) 피복두께와 발포층은 비례적인 양상을 보이며, 내화피복 발포층 두께비와 내화성능 시간은 반비례 관계임을 확인하였다. 이는 내화 목표시간이 길어질수 록 내화 피복두께는 상대적으로 두꺼워지는 반면 발 포두께는 일정수준 두께가 형성되면 자체 균열되고 박리되는 점에서 이와 같이 분석된 것으로 판단된다.

    ACKNOWLEDGMENT

    이 연구는 2016년 국토교통부 창의도전 연구개발사업 의 연구비 지원(창조형모험)으로 수행된 연구결과 입 니다. (과제번호: 15CTAP-C097355-01-000000)

    Figure

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    Forming Layer (Intumescent paint)

    KOSACS-8-41_F2.gif

    Intumescent Paint Cover Thickness Change

    KOSACS-8-41_F3.gif

    Allowable Temperature according to Boundary Conditions

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    Specimen Detail

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    Failure Mode (Covering Thick.)

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    Axial displacement - Fire Resistance Time Curve

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    Temperature Distribution Inside Cross-Section

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    Interrelation of Structures Parameters

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    Standard Fire Curve

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    Comparison of Ambient Temperature

    Table

    Status of Certification for Intumescent Paint

    Allowable and Limit Temperature (Steel)

    Specimen List (Shape, Material, Covering and Forming Thickness)

    Reference

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