출처: https://www.metlspan.com/resources/document-library/
내화구조 샌드위치패널(판넬) 벽 및 천장 구조
1. 서론
2. 내화구조의 목적
3. 내화구조란?
4. 내화구조 요건의 결정
5. 내화구조 성능 측정방법
6. 건축법에서 내화구조 지정
7. 내화구조 벽 및 천장의 기본 요건
1) 외벽
2) 내벽
3) 방화벽
4) 천장
8. 철골구조 프레임의 기본 화재보호
9. 내화구조를 위한 설계 선택
10. 내화구조 벽과 천장 설계 고려사항
11. 내화구조 샌드위치패널(판넬) 시스템
12. 미네랄울 샌드위치패널(판넬)의 장점
13. 지지 프레임의 화재예방을 위한 고려사항
14. 일반 디테일
1. 서론
건물 화재는 인명, 재산 및 상업에 중대한 위협을 줍니다. 미국에서만 매년 1백만 건의 건물 화재가 발생하여 수천 명의 사망, 부상 및 직접적인 재산 피해로 110억 달러(일반적으로 허리케인, 홍수, 토네이도 또는 지진으로 인한 것보다 많음)가 발생합니다.
이러한 화재의 대부분은 주거용 화재인 반면 비주거용 화재의 발생률은 점차 감소하고 있다는 점에 유의해야합니다. 현재 매년 약 98,500 건의 비주거용 화재로 25억 달러가 넘는 직접 재산 피해가 발생합니다. 비거주용 화재의 감소로 인해 상업용 내화 재료 및 건설의 지속적인 개선과 보다 효과적인 화재안전 규제의 유효성이 입증되었습니다.
[참고] 국내는 2017년 전국 44,178건으로 약 5,000억의 재산 피해가 발생했습니다.
내화재료 및 건축 개선의 예는 광물섬유 금속 샌드위치패널(판넬)의 발전이 있습니다. 이러한 공장 조립 복합 샌드위치패널(판넬)은 내화성 벽 및 천장 구조에 중요한 성능 및 비용 효율적인 해결방법이 되었습니다. 이 요약 정보는 일반적인 스틸 프레임, 상업 및 산업 건물의 비 주거용 건축에 중점을 둡니다.
이 요약 은 내화구조가 무엇인지, 어디서 왜 필요한지, 요구 사항을 결정하고 규제하는 사람, 일반적인 내화구조 벽 및 천장 구조가 무엇인지 등에 대한 기본적인 질문에 대답을 합니다. 이 요약은 또한 내화구조를 위한 선도적으로 설계된 미네랄울 샌드위치패널(판넬) 시스템의 실제 이점을 설명합니다.
2. 내화구조의 목적
① 분리 제공: 내화구조 벽이나 천장은 건물의 다른 구역 또는 다른 건물 안으로 화재가 확산되는 것을 방지하기 위한 분리 장벽을 제공합니다. 이 기능은 “구획화” 또는 “내화 차단”으로 언급할 수 있습니다.
② 안전한 출구 제공: 내화구조 벽과 천장은 화재가 발생한 건물에서 사람의 안전한 탈출을 위해 출구 복도와 피난 구역을 둘러싸도록 명시되어 있습니다.
③ 붕괴 방지: 내화구조 벽이나 천장은 화재 발생시 벽이나 천장의 붕괴로부터 사람의 부상이나 재산 손실을 최소화하도록 명시되어 있습니다.
④ 소방 접근 제공: 내화구조 벽이나 천장은 소방 요원과 소방 장비가 건물 내에서 화재를 진화할 수 있는 안전한 통로를 제공하기 위해 명시됩니다.
3. 내화구조란?
“내화구조 건축물”로 인정을 받으려면, 건물의 벽과 천장이 화재에 노출되었을 때, 다음의 조건에 만족해야합니다.
① 화염 또는 고온가스의 통과 방지: 벽 또는 천장 구조는 화재 화염과 고온 가스가 건축물을 통과하지 못하도록 차단하는 장벽이어야 하며, 이를 통해 다른 쪽의 공간에 있는 재료에 점화되거나 거주자가 다치지 않도록 해야 합니다.
② 과도한 열전달 방지: 벽 또는 천장 구조는 다른 쪽 공간에 있는 재료를 점화하거나 거주자를 다치게 할 수 없는 화재 열전달을 줄이는 열 절연체이어야 합니다.
③ 타거나 붕괴되지 않음: 벽 또는 천장 구조는 제자리를 유지하면서 화염과 고온 가스의 통로를 계속 차단하고 화재가 지속되는 동안 열전달을 지속적으로 줄여야합니다.
④ 진화 중 붕괴되지 않음: 벽 또는 천장 구조는 계속해서 화염 및 고온 가스의 통과를 차단해야하며, 소방관의 물 호스 압력 및 열 충격을 받는 동안 붕괴하지 않아야합니다.
4. 내화구조 요건의 결정
① 건축법 또는 화재안전 법규: 대부분의 경우, 정부는 관할 구역 내의 건물이 특정 건축법 및/또는 화재안전 법규에 의해 규제됩니다. 1997년 이전에는 주 및 지방 건축법의 대부분이 UBC, BOCA 및 SBC와 같은 다양한 모델 규격을 기반으로 했습니다. 1997년 모델 규격이 IBC(International Building Code)에 통합되었습니다. 현재는 대부분 IBC에 특정 건축법을 사용합니다.
이 지침서의 정보는 일반적으로 2012년 IBC를 기초로 합니다.
② 주의: 이 지침서의 정보는 특정 건축법 또는 화재안전 규격과 다를 수 있으며, 특정 규격에 포함된 모든 설명 및 예외를 제시하지 않습니다.
③ 관리 기관: 내화구조의 승인 및 규제는 관할 주 또는 지역사회 건축법 집행 사무소 또는 소방서의 책임입니다. 제안된 모든 내화구조는 승인을 받아야합니다.
5. 내화구조 성능 측정방법
① 화재 모델: 국가표준국은 1917년과 1918년에 건물에서 발생하는 일반적인 화재의 측정 방법을 개발하기 위해 전체 규모의 화재시험을 실시했습니다. 이 시험으로부터, 화재하중 개념과 온도/시간 곡선이 도출되었습니다. 화재 모델은 일반적으로 가연성 재료의 표준화된 대표의 연소 효과를 기초로 합니다.
② 화재하중 개념: 일반적인 화재의 지속 시간은 바닥 면적 단위당 가연성 물질의 질량에 비례합니다. 화재의 강도는 가연성 물질의 잠재적인 열값과 동일합니다. 화재 모델을 근거로 바닥 면적의 평방 피트 당 10파운드의 가연성 물질이 1시간 화재를 일으키고, 20파운드는 2시간의 화재를 일으키며, 30파운드는 3시간 화재를 일으킬 것입니다.
③ 시간/온도 곡선: 건물에서 일반적인 화재가 발생하는 동안, 화재에 의해 생성된 열은 화재가 시작한 후 몇 분 동안 급격하게 상승하고, 가연성 물질이 소비될 때까지 보다 느린 일정한 속도로 계속 상승합니다. 화재 모델에 따라 화재의 지속 시간과 강도는 아래 그래프와 같이 시간/온도/시간으로 구분됩니다.
[시간/온도 곡선]
④ ASTM E119: 1933년 화재 모델의 화재하중 개념과 온도/시간 곡선을 기반으로 미국재료시험학회(American Society of Testing Materials, ASTM)에서 ASTM E119 테스트 표준인 “건축 재료 및 건축물의 화재 테스트”를 발표했습니다.
이것은 모델 화재에 대한 건축물의 저항 기간을 측정하고 건축물을 통한 열전달을 측정하는 실물크기 시험입니다. 또한 소방용 호스의 압력 및 열 충격에 대한 구조의 저항성을 평가합니다.
[참고] UL 263, NFPA 251 및 UBC 표준 7-1로 지정된 시험표준은 ASTM E119와 동등한 것으로 인정됩니다. 캐나다의 경우 동등한 시험표준은 CAN/ULC S101이며, 이는 ASTM E119와 유사하면 동일한 시간/온도 곡선을 사용합니다. UL 1709는 유사한 시험이지만 고속 연소 가연성 액체 화재에 대한 시험을 위한 상승시간/온도 곡선이 더 빠릅니다.
⑤ 시간당 등급: IBC 건축법의 요구 사항을 충족시키려면, 내화구조 벽 및 천장 구조를 ASTM E119 시험표준에 따라 시험해야합니다. ASTM E119 시험표준 내에서 시험된 건축물 또는 재료의 내화성능은 시간 단위로 평가됩니다. 이것은 건축 또는 재료가 지정된 기간 동안(1시간, 2시간 또는 3시간) 전형적인 화재의 조건에 저항할 수 있는 것으로 평가된다는 것을 의미합니다.
건물의 용도 및 기타 요인에 따라 건축법 또는 화재안전 규격은 건물의 건축 요소(구조, 벽, 지붕 및 바닥시스템)를 필요한 시간당 내화 등급에 따라 지정합니다. 미국과 캐나다에서는 ASTM E119 및 CAN/ULC S101 시험이 독립적인 연구소에서 수행되고 평가됩니다.
⑥ 시간당 등급의 대체 방법: 건축법은 법규 또는 공인된 공학 분석에 의해 정의된 사전에 검증된(규정된) 설계를 기초로 내화구조의 승인을 허용할 수도 있습니다. 두 방법 모두 ASTM E119에 명시된 화재 노출 및 허용 기준에 기초로 해야 합니다.
6. 건축법에서 내화구조 지정
건축법의 주목적은 거주자, 주변 건물 및 재산 등 건물의 화재보호 요건을 규정하고 명시하는 것입니다. 법규는 화재위험 잠재성에 따라 먼저 건물을 분류하는 것입니다. 그런 다음 화재위험 분류 및 관련 요인에 따라 건물 요소(구조용 프레임, 벽, 지붕, 천장 및 바닥 조립)에 필요한 내화 등급을 지정합니다.
건물의 화재위험 잠재성은 다음에 의해 결정됩니다.
① 건물에서 활동의 유형
② 건물 내에서 거주자의 유형과 밀집도
③ 건물 내에 포함된 가연성 재료의 유형 및 밀집도
④ 건물의 크기(높이와 면적)
다음은 건물의 화재위험 잠재성과 건물의 내화성 요건을 분류하는 주요 요소입니다.
① 사용과 점유: IBC 제3장은 건물의 의도된 사용 및 점유의 화재위험 잠재성에 따라 건물을 분류합니다. 분류는 하위 그룹이 있는 10개 그룹으로 지정됩니다. 예를 들어
그룹 A1~A5: 집합(극장, 식당, 교회 등)
그룹 B: 업무(사무실, 매장, 저장고 등)
참고: https://codes.iccsafe.org/content/IBC2018/chapter-3-occupancy-classification-and-use
② 점유 분리: IBC 제5장은 각각의 거주 및 사용의 화재위험 잠재성에 따라 건물 내의 다른 점유 및 부수적인 사용 영역의 물리적인 분리를 명시합니다.
참고: https://codes.iccsafe.org/content/IBC2018/chapter-5-general-building-heights-and-areas
③ 높이와 넓이: 건물이 넓을수록 재산 피해, 거주자 부상 및 화재 진압의 어려움의 잠재성이 커집니다. IBC 표503은 건물의 사용, 건축 유형 및 점유 그룹의 화재위험 잠재성에 따라 건물의 크기(높이 및 바닥 면적) 제한을 지정합니다.
④ 건설 유형: IBC 표503은 건물 사용 및 거주 그룹에 따라 건물의 필요한 유형을 유형 I~V로 분류합니다. 이러한 건물 유형은 건물 높이 및 면적 제한에 따라 A 또는 B로 다시 분류됩니다.
참고: https://codes.iccsafe.org/content/IBC2018/chapter-5-general-building-heights-and-areas
⑤ 분리 거리: 건물 외벽과 인접한 건물 또는 물건 사이에 충분한 공간(화재 분리 거리)이 있을 경우 인접한 건물 또는 물건 사이에 화재가 확산될 잠재성이 줄어듭니다. IBC 제2장은 “화재 분리 거리”를 정의하고 이격 거리를 결정하는 요소를 명시합니다.
참고: https://codes.iccsafe.org/content/IBC2018/chapter-2-definitions
⑥ 요구되는 내화등급: 건물의 건축 요소(구조용 프레임, 벽, 바닥, 지붕 및 천장)에는 법규에 명시된 시간당 내화등급이 필요할 수 있습니다. IBC 표601은 건물의 건축 유형에 따라 건물의 건축 요소에 필요한 내화등급을 규정합니다. IBC 표2는 건물의 유형, 거주 그룹 및 이격 거리에 따라 비내력 외벽에 대해 요구되는 내화등급을 규정합니다. 이 법규는 건물 및 건물 요소의 불연성 및 가연성이라고 언급할 수 있습니다.
참고: https://codes.iccsafe.org/content/IBC2018/chapter-6-types-of-construction
⑦ 스프링클러 시스템: 화재위험이 잠재적으로 큰 지역에서는 법에서 자동 스프링클러를 요구할 수 있습니다. 법에서 스프링클러가 필요하지 않은 경우, 스프링클러를 사용하면 건물 요소의 시간당 내화구조 요건이 줄어듭니다.
⑧ 대피 방법: IBC 제10장에서는 건물 사용의 화재위험 잠재성과 거주자의 및 건물 크기 및 사람의 밀집도에 따라 방화문 및 복도의 수량, 위치 및 크기를 지정합니다.
⑨ 건물 요소를 위한 건물 요건: IBC 제7장에서는 외벽, 내벽, 방화벽, 천장 및 구조 부재와 같은 건물 요소에 대한 내화구조 요건을 지정합니다. 엘리베이터 및 계단 손잡이, 출입구 및 복도 등과 같은 특정 조건에 대한 요구 사항이 포함됩니다.
참고: https://codes.iccsafe.org/content/IBC2018/chapter-7-fire-and-smoke-protection-features
⑩ 개구부 보호: IBC 716은 특정 조건에 따라 도어과 창문(창유리)의 내화 요건을 규정합니다. 도어는 UL 10B 또는 UL 10C(또는 NFPA 252) 표준에 따라 내화등급이 지정됩니다. 창문은 UL 9(또는 NFPA 257) 표준에 따라 정격화된 내화등급입니다.
⑪ 침투 화재차단: IBC 714는 내화성 벽을 관통하는 파이프, 도관 및 덕트의 관통부를 벽의 등급과 같은 내화등급으로 관통해 내화충전재로 보호해야한다고 규정하고 있습니다. 내화충전시스템은 ASTM E814(ANSI/ UL 1479) 표준에 따라 등급이 지정됩니다.