HILTI의 후설치 철근의 화재저항 설계화재

후설치 철근을 이용한 콘크리트 부재 간

화재 안전 강성 접합 설계 및 검증 솔루션

소개

화재는 전 세계 어에서나 빈번하게 발생하는 재해이며, 모든 유형의 구조물에서 발생할 수 있는 불가피한 현실로서 생명과 자산에 심각한 위험을 초래할 수 있습니다.

화재 발생 시, 구조물은 일정 시간 동안 열을 견딜 수 있지만, 화재 지속 시간이 길어지면 콘크리트 구조물의 안정성이 약화되어 결국 부분 또는 전체 붕괴로 이어질 수 있습니다. 따라서 화재 안전은 매우 중요한 요소이며, 이는 모든 국가의 구조물 건축 규정에서 구조 요소 및 시스템(연결부 포함)에 대해 요구되는 화재 저항 시간을 통해 필수 요건으로 명시되어 있습니다. 이는 건물 이용자의 대피, 구조 활동, 화재 진압에 필요한 시간을 확보하기 위함입니다.
기존 건축 규정은 일반적인 철근 콘크리트 시스템의 설계를 위한 가이드를 제공하지만, 후 설치 철근(post-installed rebar)과 같은 비 전통적 시스템을 사용하는 경우에는 충분한 화재 안전 지침이 제공되지 않는 경우가 많습니다. 이 경우, 구조 설계자가 해당 솔루션이 규정된 화재 저항 성능을 충족하도록 별도의 전문적인 고려와 전문 업체의 협업을 통해 설계를 수행해야 합니다.
후 설치 철근은 시간차를 두고 타설된 콘크리트 부재 간의 연결을 위해 현장에서 널리 사용되는 효과적인 솔루션입니다. 이는 기존 구조물의 보강 또는 리노베이션뿐 아니라 신축 건물의 시공 최적화, 설계 또는 시공 오류 수정에도 활용됩니다. 이러한 구조 연결은 정적 하중, 내진, 화재 등 다양한 하중 조건에 대해 설계되어야 합니다. 하지만 후 설치 철근을 이용한 강성 접합부의 화재 설계는 현재의 기준 및 가이드라인에 포함되어 있지 않습니다.
Hilti는 이러한 한계를 인식하고, 보다 안전한 건축 환경을 위해 하드웨어, 설계 방법, 설계 소프트웨어를 개발하여 화재에 안전한 접합부 솔루션을 제공합니다.

배경

후 설치 철근 접합은 기존 부재를 연장하거나(예: 슬래브 연장, 벽체 연장) 간단히 지지하는 용도로 사용할 수 있습니다. 그러나 두 부재가 서로 수직 방향(예: 기초에서 기둥/벽체, 기둥 위에 보 접합 등)으로 연결되는 강성 접합부의 경우에는, 말단 정착(end anchorage)이 필요하며 이는 Eurocode EN 1992-1-1에서 제공하는 랩 스플라이스(lap splice) 방식으로 제한됩니다. 그러나 이미 기존 부재가 시공된 상태에서는 랩 스플라이스가 불가능하거나 비효율적인 경우가 많습니다.
이를 해결하기 위해, EOTA는 TR 069 기술 보고서를 통해 스플라이스 없이도 모멘트를 전달하는 구조 부재 간의 강성 접합 설계가 가능하도록 했습니다. 이를 통해 말단 정착 방식의 강성 접합 적용 범위가 확장되었습니다.


TR 069는 철근 항복, 콘크리트 콘 파괴, 인발 저항, 균열 파괴 등 다양한 파괴 모드를 고려하며, Eurocode보다 높은 결합 강도를 고려할 수 있도록 제품 특성에 따른 강도 평가(예: EAD 332402)를 반영합니다
. 

강성 접합부 화재 설계의 한계

유럽 코드 EN 1992-1-2 및 EN 1992-1-1에서는 스플라이스 연결 및 단순 지지 연결의 화재 설계를 허용하지만, TR 069는 정적 및 내진 하중 조건 하에서의 설계만을 다루고 있으며, 화재 조건 하에서의 설계 규정은 포함되어 있지 않습니다. 이는 설계자에게 있어 중요한 설계 조건을 누락하게 하며, 완전한 설계를 위한 장애 요소였습니다.

Hilti 솔루션 – 화재 저항 접합부 설계 솔루션

Hilti는 EOTA TR 069의 한계를 보완하기 위해 고온에서의 사후 설치 철근의 결합-균열 거동에 대한 실험을 수행하였고, 그 결과로 Hilti 방식을 개발하였습니다. 이 방식은 TR 069에서 정의한 파괴 모드에 대한 설계 강도 검증 방정식을 활용하되, 일부 세부 조정을 적용한 스마트한 설계 접근 방식입니다. 여기서 핵심은 화재 조건에서 케미컬 모르타르의 부착 강도 감소 계수를 적용하는 것으로, 이는 EOTA EAD 330499-02-0601 기준에 따라 결정됩니다.

설계 흐름 

화재 설계에는 다음 단계가 적용됩니다:

설계 절차

재료 강도 및 작용에 대한 부분 안전 계수

EOTA TR 069에 따른 재료의 부분 안전 계수(정적하중용) 및 Hilti 방법(화재용)에 따른 재료의 부분 안전 계수 및 하중 작용에 대한 부분 계수는 다음 표에 나와 있습니다. 이는 각각 정적 및 화재 하중 사례에 대한 EN 1992-1-1 및 EN 1992-1-2의 원칙을 따릅니다.



참고: 화재에 노출되면 재료의 저항 성능은 감소하지만, 하중에 대한 증가 계수는 낮고 재료 저항에 대한 부분 안전 계수가 1로 적용되기 때문에, 이 설계 조건이 항상 가장 불리한(지배적인) 경우는 아닐 수 있습니다.

파괴모드

주어진 정착 길이에 대해, 다음 세 가지 파괴 모드 중 가장 낮은 설계 저항을 확인해야 합니다.
정적 하중과 화재 하중 두 조건에서 요구되는 설계 저항을 만족하는 정착 길이가 최종 설계 정착 길이가 됩니다.




EOTA TR 069에 따른 접합부 설계용 Hilti 인증 제품들도 이 새로운 설계 방법과 함께 사용할 수 있습니다.

PROFIS ENGINEERING 소프트웨어를 이용한 접합부 화재 설계

EOTA TR 069에 따른 정하중, 내진하중 및 Hilti의 화재 저항 접합부 방법으로 여러 말단 앵커리지 적용을 설계하는 것은 반복적인 작업 특성상 매우 시간이 많이 소요될 수 있습니다.
Hilti의 클라우드 기반 설계 소프트웨어인 PROFIS Engineering은 정하중과 화재 하중 조합을 한 번의 설계 과정에서 고려하여 보다 안전하고 효율적인 작업 흐름을 보장하는 코드 준수 설계를 신속하게 생성할 수 있도록 도와줍니다.
PROFIS Engineering은 화재 노출 및 기타 설치 조건에 적합한 인증 제품(케미컬 앵커)을 사용하여 적절한 솔루션을 선택하는 데 도움을 줍니다.
아래는 PROFIS Engineering을 이용한 강성 접합부(벽체-슬래브) 화재 설계 예시입니다:




참고: 이 설계 예시는 모든 설계 사례를 대표하지 않습니다. 각 접합부 설계는 형상, 화재 노출 조건, 지속 시간, 재료 특성 등 다양한 요소에 따라 달라지며, 이 모든 요소는 단일 도구인 PROFIS Engineering을 사용하여 설계할 수 있습니다.

Hilti 방법을 사용한 PROFIS ENGINEERING으로 화재 안전 강성 접합부 설계
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링크 : Profis engineering