출처: https://www.metlspan.com/resources/document-library/
8. 철골구조 프레임의 기본 화재보호
구조 프레임의 화재로부터 보호는 일반적으로 벽과 천장 설계자가 아닌 구조 설계자의 책임이지만, 이 장에서는 구조용 프레임 보호를 위한 화재보호 요건에 대한 기본 설명을 제공합니다. 구조용 철골조의 화재보호에 대한 심층적인 이해를 돕기 위해 AISC(American Society of Steel Construction)에서 발간한 Steel Design Guide의 Fire Resistance 장을 참고하시기 바랍니다.
참고: https://www.aisc.org/technical-resources/
① 구조 프레임 설명: 법규는 다음 부재(중력 하중을 전달) 으로 지정합니다.
ⓐ 기둥
ⓑ 기둥 직접 연결된 수평 부재(빔, 트러스 및 스팬드럴)
ⓒ 기둥에 직접 연결된 바닥 및 지붕 조립 부재
ⓓ 주 프레임을 안정시키는 버팀대 부재
법규는 다음을 보조 프레임으로 지정합니다.
ⓐ 기둥에 직접 연결되어 있지 않은 구조 부재
ⓑ 기둥에 직접 연결되어 있지 않은 바닥 및 지붕 부재
ⓒ 기본 프레임의 일부가 아닌 버팀대 부재
② 구조용 화재보호의 목적: 강철은 불연성이지만 고온에서는 강도가 떨어집니다. 예를 들어 1300℉(약 700℃)의 강철은 굽힘 강도의 약 80%를 상실합니다. 구조적 화재보호의 목적은 화재의 열로부터 구조 부재를 단열시키는 것입니다.
③ 내화 요건(내화등급): 법규는 건물 구조 유형에 따라 구조 프레임에 필요한 최소 ASTM E119 내화등급을 지정합니다.
④ 기둥 보호: 주 프레임이 내화등급을 요구할 때, 법규는 기둥이 전체 길이에 대해 완전하게 화재로부터 보호되어야 함을 명시합니다. 기둥이 내화등급의 천장을 통과하면, 기둥 보호는 천장 공간을 통하여 기둥 상단까지 연장되어야합니다. 기둥의 화재보호는 다른 구조 부재에 기둥이 연결되는 것을 보호해야합니다.
⑤ 수평부재 보호: 주요 프레임이 내화등급을 요구하고 수평부재가 하중 벽을 지지하거나 다층 구조(2층 이상, 하나 이상의 바닥과 지붕 또는 2층 이상의 높이에 있는 비 내력벽)를 지지할 때, 부재는 전체 길이에 대해 완전히 화재로부터 보호되어야합니다. 예외적으로 수평 구조 부재가 조립의 내화등급이 시험을 확인되는 경우 노출된 측면만 감싸 화재로부터 보호할 수 있습니다.
⑥ 보조 부재 보호: 보조 부재의 내화등급을 요구하는 경우, 부재는 노출된 측면 또는 내화등급 천장에 의해 보호될 수 있습니다. 두 가지 보호방법은 서로 다른 시공 영역을 통과하는 프레임 부재에 사용될 수 있습니다.
⑦ 6m 지붕 높이까지 바닥: 특정 거주 그룹을 제외하고, 지붕구조 부재, 지붕 프레임 및 지붕 데크의 화재보호는 전체 지붕 및 지붕 프레임 조립이 하부 바닥의 직접적인 기능보다 6m 이상 높으면 필요하지 않습니다.
⑧ 벽 및 천장 지지 부재: IBC 제7장은 외벽, 내벽, 방화벽 및 천장의 지지 부재에 대한 내화 요구 사항을 규정을 명시합니다.
일반적으로 벽 및 천장의 지지 부재는 각각의 벽 또는 천장 조립에 대한 법규에 규정된 내화등급으로 표시된 시간 동안 벽을 지속적으로 지지해야합니다. 이 요구는 벽을 지지하는 구조 부재는 벽이 요구되는 등급과 동등한 내화등급을 가져야합니다. 외벽이 이격 거리가 9m 이상인 경우, 벽의 구조용 지지 부재는 IBC 표 601에 따라 보조 부재에 대해 규정된 내화등급만을 필요로 합니다. 이것은 구조가 붕괴되더라도 벽을 유지해야한다는 요구 사항은 방화벽에만 적용됩니다.
9. 내화구조를 위한 설계 선택
건축법은 내화구조가 요구되는 곳, 요구되는 내화등급 및 시공 요구 사항을 명시합니다. 그러나 법규는 특정 건축 설계를 명시하지 않습니다. 건축 자재와 건축 설계(벽돌: 스터드 벽: 단열 샌드위치패널 등)의 선택은 건물 소유자와 설계자의 선택에 달려있습니다.
10. 내화구조 벽과 천장 설계 고려사항
건물을 위해 가장 적합한 내화 재료 및 설계를 결정할 때, 중요한 고려사항은 다음과 같습니다.
① 내화등급: 어떤 내화벽 설계 및 재료가 사용되든 상관없이, 시공에는 건축법에 명시된 시간별 내화등급이 있어야합니다. 내화등급은 ASTM E119 표준에 따라 설정되어야합니다.
② 규정 설계; 대부분의 건축법은 “규정하는” 내화벽 설계 목록을 제공합니다. 이것은 일반적으로 일반 건축자재를 사용하는 구형 현장 조립식 석조 및 스터드 벽 설계이며, 시간당 내화등급을 사전에 승인 받았습니다. 규정된 석도 및 스터드 벽 설계 중 일부는 ASTM E119 표준이 시작된 1930년대로 거슬러 올라갑니다.
건식벽 설계의 대부분은 석고보드가 상업용 건물에 일반적으로 사용되는 1950년대로 거슬러 올라갑니다. IBC 2012 건축법의 제7장에서는 규정된 벽 설계가 다양한 석조 건축물 및 건식 벽체 구조와 같은 표에 나열되어 있습니다.
③ 인증된 설계: 독점적인 재료를 사용하는 설계 및 새로운 설계는 ASTM E119 표준에 따라 시험을 하고, 시험한 시험기관에서 인증하고 게시합니다. Underwriter’s Laboratories 또는 Intertek Testing Services의 시험을 거쳐 내화인증을 받은 것과 같은 인증된 설계는 각각의 시험/인증기관에 게시되어있습니다.
④ 일반적인 내화재료: 다음은 내화구조에 사용되는 일반적인 불연성 재료를 비교한 것입니다.
ⓐ 스틸: 불연성, 고강도 및 경제적인 스틸은 내화구조용 프레임, 스터드 벽 프레임 및 천장 프레임에 일반적으로 사용됩니다. 스틸은 또한 내화벽 및 천장 구조를 위해 외장 또는 내부 표면재 및 불연성 외장재로 사용됩니다. 주의할 점은 고온에서 스틸은 약해지기 때문에, 스틸 프레임 부재는 화재로부터 스틸 부재로 열전달을 줄이기 위해 불연성 단열재로 덮을 필요가 있습니다.
ⓑ 석조물: 석조는 암석, 점토 벽돌 & 타일 및 콘크리트와 같은 재료를 사용하여 건축하는 일반적인 용어입니다. 콘크리트는 고형 또는 속이 빈 블록, 프리캐스트 패널 또는 주물 형태의 것일 수 있습니다. 벽은 석조만, 콘크리트 블록 또는 주물 콘크리트이거나 불연성 석고보드 내부 커버 및 미네랄울 단열재와 함께 스터드 프레임으로 지지되는 벽돌 또는 타일 베니어와 같은 다른 재료와 결합할 수 있습니다.
석조는 일반적으로 불연성, 내구성 및 미적 때문에 내화벽 구조로 규정됩니다. 다른 건축 자재와 비교하여 벽돌은 일반적으로 무겁고 고가이며 노동 집약적이기 때문에 전문적인 작업자와 날씨에 제약을 받습니다.
ⓒ 석고: 석고는 불연성이며 불과 같은 열을 받을 때, 석고는 열전달에 냉각효과가 있는 물을 방출합니다. 석고보드와 석고 미장은 일반적으로 내화벽 및 천장 구조의 내부 커버로 사용됩니다. 석고는 또한 화재의 열로부터 부재를 단열시키기 위해 스틸 프레임 부재를 덮는 커버로 사용됩니다.
석고보드는 상대적으로 약한 스팬 강도를 가지고 있기 때문에 400mm 또는 600mm 스터드 간격을 가진 스터드 벽 프레임과 같이 가까운 간격으로 지지해야합니다. 석고보드는 충격성과 내수성이 제한되어 있어, 직접적인 충격이나 습기가 많은 곳에서는 부적합합니다. 석고보드는 경제적이지만 설치에는 전문 작업자와 날씨로부터 보호가 필요합니다.
ⓓ 미네랄 섬유: 불연성이고 섬유질인 미네랄섬유는 스터드 벽 공간 및 콘크리트 블록 빈 공간을 통한 열전달을 줄이기 위해 일반적으로 사용되는 단열 재료입니다. 미네랄섬유는 또한 화재의 열로부터 스틸 프레임을 격리하는 데 사용하며 조인트와 관통 등에 일반적으로 사용되는 내화충전재입니다.
미네랄섬유는 천연의 불연성 암석과 스틸 슬래그로 구성되어 있으며, 이 슬래그는 함께 녹아서 섬유질로 만들어집니다. 미네랄섬유는 또한 “암면”과 “미네랄울”이라고도 합니다. 미네랄섬유는 경량이고 경제적이며, 느슨한 채움(loose fill), 배트(batts), 보드(boards) 및 회반죽에 혼합되어 사용할 수 있습니다. 기술적으로 유리섬유 및 세라믹섬유는 광물섬유이지만, IBC 규정은 섬유질 암석 및 슬래그를 나타내기 위해서 “광물섬유”라는 용어를 사용합니다.
유리섬유 단열재는 낮은 용융점을 가지고 있으며 일반적으로 1시간 내화구조로만 제한됩니다. 세라믹섬유 단열재는 높은 용융점을 가지고 있지만 높은 비용은 일반적으로 특수 적용에 대한 사용으로 제한합니다.
⑤ 미네랄섬유 단열 샌드위치패널(판넬): 이 샌드위치패널(판넬)은 불연성 스틸 외장재(외부 및 내부)와 공장에서 자체 장치로 조립되는 불연성 광섬유 단열재로 구성됩니다. 복합구조로 인해 긴 스팬이 구조적으로 가능하고, 내부/외부 표면재 및 단열재로 완성된 샌드위치패널(판넬)은 스터드 프레임, 추가 단열재 및 피복이 필요 없는 전체 벽 또는 천장 구조로 가장 많이 사용됩니다.
11. 내화구조 샌드위치패널(판넬) 시스템
샌드위치패널(판넬) 설치에는 전문화된 기술이 요구되지 않습니다. 구조 샌드위치패널(판넬)로 간주되기 때문에, 샌드위치패널(판넬)은 종종 구조 프레임을 세우는 동일한 작업자에 의해 설치될 수 있습니다. 미네랄울 샌드위치패널(판넬)은 내화등급의 벽과 천장을 빠르고 경제적으로 건설할 수 있는 효과적인 방법을 제공합니다.
12. 미네랄울 샌드위치패널(판넬)의 장점
이 장에서는 내화벽 및 천장 구조에 미네랄울 샌드위치패널(판넬)을 사용하는 경우에 특정 이점을 설명합니다. 다음 정보는 Metl-Span으로 설계된 내화 샌드위치패널(판넬)의 광범위한 기능을 기초로 합니다.
① 범용: Metl-Span 샌드위치패널(판넬)은 외벽, 내벽(방화구획 & 방화벽)과 같은 대부분의 내화등급 무부하 벽(비 내력벽) 적용에 사용할 수 있으며, 내화등급 천장에 사용할 수 있습니다. 샌드위치패널(판넬)은 1시간, 2시간 및 3시간 내화등급을 제공할 수 있으며, 천장과 벽에서 요구하는 건축법의 시간당 내화 요구사항을 충족시키기 위해 천장에 90분 내화가 가능합니다.
벽 샌드위치패널(판넬)의 최대 길이는 12m까지 가능하며, 더 높은 높이로 적층할 수 있습니다. 벽 샌드위치패널(판넬)은 수직 또는 수평으로 적용될 수 있습니다. 천장 샌드위치패널(판넬)은 최대 3.6m로, 이것은 완전히 매달린 천장시스템 내의 길이입니다.
② 단일 작업/단일 설치: 현장에서 조립된 구조물은 종종 여러 가지 재료와 복합적이고 전문화된 건축 작업을 필요로 합니다. 내화 샌드위치패널(판넬)은 공장 조립식 벽 및 천장 단위로 단일 작업으로 공급되며, 설치를 위해 단일 작업이 필요합니다.
③ 공장 보증 품질: 현장에서 조립된 구조물의 성능은 재료의 품질과 상태, 작업자의 질과 현장 상태에 의존합니다. Metl-Span 샌드위치패널(판넬)은 특별히 숙련된 기술자 및 관리되는 재료를 사용하여 특별히 설계된 자동화된 생산 라인으로 통제된 환경에서 생산됩니다. 이것은 벽 및 천장 샌드위치패널(판넬)의 일관되고 예측 가능한 품질 및 성능을 보장합니다.
④ 사전 검증된 성능: 구성 요소가 개별적으로 내화등급을 가지기 때문에 현장에서 조립된 구조물은 종종 작업별로 전체 내화성능 등급을 결정하고 인정을 받아야합니다. Metl-Span 샌드위치패널(판넬)은 표준화된 재질로 결합된 구조로 되어있기 때문에 완벽한 벽 및 천장 구조로 내화성을 시험하고 평가되었습니다. 이것은 시험/인증기관이 나열한 성능 인증으로 전체적인 벽 또는 천장 구조물에 대한 사전 검증된 성능 검증을 제공합니다.
⑤ 벽 프레임 요건: 대부분의 벽 설계는 횡방향 하중(예: 바람)에 견디고 벽 재료를 지지하는 구조 프레임이 필요합니다. 하중을 지지하는 벽돌 벽도 종종 횡방향 힘을 견디기 위해 구조 프레임이 필요합니다. 벽돌 베니어 및 석고보드와 같은 커버 재료를 사용하는 벽 설계는 일반적으로 재료를 지지하고 횡방향 힘에 견디기 위해 가까운 간격으로 스터드 프레임을 필요로 합니다.
샌드위치패널(판넬)의 복합 구조를 통해 프로젝트의 횡방향 하중 및 열응력 조건과 샌드위치패널(판넬) 구성(패널 두께 및 표면 선택)에 따라 벽 패널이 프레임 부재 사이에서 최대 6m까지 확장될 수 있습니다. 샌드위치패널(판넬)은 대부분의 다른 구조보다 지지 프레임이 적기 때문에 프레임 재료 및 설치 비용과 프레임 부재의 내부 공간으로 침투가 일반적으로 다른 구조보다 적습니다.
⑥ 천장시스템: Metl-Span 내화 천장 샌드위치패널(판넬)은 천장 패널을 지지하는 T-바와 행거 로드로 구성된 매달린 천장시스템에 통합되어 있습니다. 샌드위치패널(판넬)은 지지하는 찬넬 사이에서 3.6m만큼 연장될 수 있습니다.
⑦ 연결: Metl-Span 벽 샌드위치패널(판넬)의 끝은 패널을 관통하는 나사를 통해지지 프레임에 간단하게 연결됩니다. 이것은 샌드위치패널(판넬)을 설치할 때 특별한 도구나 내부 비계가 없이 외부에서 수행할 수 있음을 의미합니다. 샌드위치패널(판넬)을 관통하는 나사가 바람직하지 않거나 적합하지 않은 경우, 다른 연결을 사용할 수 있습니다. 천장 샌드위치패널(판넬)의 바닥면을 지지하는 부재를 통과하는 나사로 T-바 및 주변 지지 부재에 간단히 연결됩니다.
⑧ 열효율: 현장에서 조립되는 설계는 일반적으로 사용 가능한 열효율을 달성하기 위해 추가 단열재 및 두꺼운 스터드 공간 등을 적용해야합니다. Metl-Span 샌드위치패널(판넬)을 사용하는 벽 및 천장 구조는 추가 단열재 없이도 14.5에서 29 “R”(두께에 따라 다름)의 효율적인 열 저항을 제공합니다.
⑨ 기밀성: 현장에서 조립된 벽 설계는 벽구조 및 건물 내부 안으로 물과 증기가 침투하는 것을 방지하기 위해 종종 추가 외장 및 방습막을 필요로 합니다. 물과 증기는 Metl-Span 샌드위치패널(판넬)의 비 침투성 스틸 표면을 통해 침투할 수 없습니다. 인접한 샌드위치패널(판넬)은 스틸 외장의 정밀한 맞춤 암/수 결합에 의해 결합되며, 이 외장재는 자외선 및 풍화 부식으로부터 보호되는 조인트 내에 실리콘 실란트에 의해 비 침투성으로 만들어집니다.
⑩ 특수 용도: Metl-Span 샌드위치패널(판넬)은 다른 내화성 구조가 적합하지 않은 위생, 충격 및 세척 등에 따라 사용할 수 있습니다. Metl-Span 샌드위치패널(판넬)의 표면은 내구성이 뛰어나고 침투성이 없으며 세척이 가능하고 곤충, 곰팡이 또는 기타 오염 물질이 번식할 수 있는 포켓이나 균열이 없습니다. 샌드위치패널(판넬) 표면은 USDA를 준수하는 공장에서 도장된 표면을 사용할 수 있습니다.
⑪ 미학: 내화 벽 구조에 사용되는 불연성 재료는 인접한 비 내화성 벽과 미학적으로 호환되지 않는 경우가 많습니다. Metl-Span 샌드위치패널(판넬)의 표면은 다양한 색상으로 도장됩니다. 이것은 대부분의 상업, 산업용 및 많은 건물에 적합한 매력적인 외관을 샌드위치패널(판넬)에 제공합니다.
⑫ 재사용 가능한 건축: 설비의 발전과 기능이 변화함에 따라 종종 벽을 재배치하는 것이 바람직합니다. 다른 구조물과 달리 Metl-Span 샌드위치패널(판넬)은 기존 위치에 프레임에서 패널을 분리하여, 새 위치에서 지지 프레임에 패널을 다시 연결하면 재배치될 수 있습니다. 샌드위치패널(판넬) 재사용으로 기존 자재를 폐기하는 데 추가 비용이 발생하지 않으며, 패스너와 실란트를 제외한 새로운 자재에 대한 추가 비용이 발생하지 않습니다.
⑬ 개구부 보호: 내화 중공 금속 도어 및 창 프레임 설계는 Metl-Span 샌드위치패널(판넬)용으로 특별히 개발되었으며, 샌드위치패널(판넬) 시스템의 이름으로 내화인증을 받았습니다. 이것은 샌드위치패널(판넬) 제조업체에서 Metl-Span 벽에 적용하기에 가장 적합하고 내화등급이 지정된 도어 및 창을 쉽게 선택할 수 있다는 의미입니다.
[도어/창 조립의 변화]
[프레임 조립]
⑭ 관통 내화충전재: 관통 내화충전재는 Metl-Span 샌드위치패널(판넬) 시스템을 위해 특별히 개발되었으며, 패널시스템의 이름으로 내화인증을 받았습니다. 이것은 샌드위치패널(판넬) 벽면에 적용하기에 가장 적합하고 내화등급이라는 확신을 가지고 적절한 관통 내화충전재를 쉽게 선택할 수 있다는 의미입니다.
이러한 관통 내화충전재 시스템은 Metl-Span 샌드위치패널(판넬) 벽면을 통한 설치에 최적화된 판금 덕트뿐만 아니라 단열재가 있거나 없는 매우 광범위한 금속 및 플라스틱 파이프 유형 및 크기를 포함합니다.
13. 지지 프레임의 화재예방을 위한 고려사항
수직형 Metl-Span 내화 샌드위치패널(판넬)의 경우, 샌드위치패널(판넬) 상단 및 하단을 지지하는 수평 프레임은 화재가 지속되는 동안 패널을 계속 지지하기 위해 화재로부터 보호되어야합니다. 측면 하중에 대해 샌드위치패널(판넬)만 지지하는 중간 수평 지지 부재는 화재로부터 보호가 필요하지 않습니다.
수평방향 샌드위치패널(판넬)의 경우, 샌드위치패널(판넬)의 각 끝을 지지하는 수직 프레임은 화재가 지속되는 동안 샌드위치패널(판넬) 지지를 계속하기 위해 화재로부터 보호가 필요하지 않습니다. 또한 기초 또는 바닥 구조물에 의해 지지되는 샌드위치패널(판넬)의 베이스에 있는 수평 지지 부재는 화재로부터 보호가 필요하지 않습니다. Metl-Span 천장시스템의 경우 천장 T-바 및 매달린 하중시스템의 화재보호는 천장 조립에 통합되어 있습니다.