탄소섬유로 보강한 구조물, 화재에도 안전할까

오래된 건물의 보나 슬래브가 하중을 감당하지 못할 때, 요즘 가장 많이 쓰이는 보강방법 중 하나가 탄소섬유입니다. 검게 짜인 시트를 콘크리트 표면에 에폭시로 붙이는 공법인데, 단면을 키우지 않고도 부족한 인장력을 채울 수 있어서 리모델링 현장에서 널리 쓰입니다. 두께는 몇 mm에 불과하고 공사도 빠릅니다.

그런데 이 공법을 검토하다 보면 한 번쯤 이런 질문이 나옵니다. 여기 불이 나면 어떻게 되는가. 대개는 “탄소섬유는 불에 안 타니까 괜찮지 않나”라는 답이 돌아옵니다. 실제로 탄소섬유 자체는 상당히 높은 온도까지 견딥니다.

문제는 다른 곳에 있습니다. 붙여놓은 시트가 힘을 쓰려면 그 힘이 콘크리트로 전달되어야 하고, 그 통로가 바로 사이에 낀 얇은 에폭시 접착층입니다. 그리고 이 접착층은 섬유보다 훨씬 낮은 온도에서 물러지기 시작합니다. 국내 실험에서 아무것도 덮지 않은 시험체는 가열 후 3분 16초 만에 접착층이 80 °C에 도달했습니다.

이 글에서는 그 접착층에서 무슨 일이 벌어지는지, 위에 무언가를 덮어서 막는 방법이 실제로 통하는지, 그리고 국내외 연구가 지금 어디까지 와 있는지를 차례로 정리합니다.

CFRP 보강의 화재 취약성은 섬유보다 콘크리트와 CFRP 사이의 접착계면에서 먼저 나타납니다. (Illustration: WORKNOTES)

Bond Line — CFRP의 인장력이 지나가는 통로

외부부착 CFRP 보강을 단면으로 잘라보면 결국 세 개의 층입니다. 기존 콘크리트가 있고, 그 위에 에폭시 접착층이 얇게 깔리고, 맨 바깥에 탄소섬유 시트나 판이 붙습니다.

RC Concrete → Epoxy Adhesive → CFRP Sheet / Plate

벽에 붙인 테이프를 떠올리면 이해가 빠릅니다. 테이프 필름 자체가 아무리 튼튼해도, 뒷면의 점착제가 열에 녹으면 그대로 흘러내립니다. 필름이 멀쩡한지는 그때 중요한 문제가 아닙니다. CFRP 보강도 같습니다. 섬유가 아무리 강해도 접착층이 제 역할을 못 하면 보강효과는 성립하지 않습니다.

그래서 화재를 검토할 때 봐야 할 대상은 섬유의 내열성이 아니라 접착층의 상태입니다. 여기서부터 이야기가 시작됩니다.

Glass Transition Temperature — 접착층이 물러지기 시작하는 온도

에폭시는 굳으면 유리처럼 단단하지만, 온도가 올라가면 어느 지점부터 고무처럼 물러지기 시작합니다. 이 변화가 시작되는 온도를 유리전이온도(Glass Transition Temperature, Tg)라고 부릅니다. 부착공법에 쓰이는 에폭시의 Tg는 대체로 60 ~ 80 °C 수준입니다 (박형철 외, 2011). 한여름 옥상 표면 온도가 60 °C를 넘나든다는 점을 생각하면 결코 높은 값이 아닙니다.

강재와 비교하면 차이가 더 분명해집니다. 강재의 내화성능 인증은 열전대로 잰 평균온도 538 °C를 기준으로 하는데, 에폭시의 Tg는 그 10분의 1 수준입니다. 같은 화재를 겪어도 강재가 견디는 온도와 에폭시가 견디는 온도는 아예 다른 영역에 있는 셈입니다.

다만 Tg를 넘는 순간 보강효과가 사라진다고 읽으면 곤란합니다. Tg는 접착층의 거동이 바뀌기 시작하는 지점이지 붕괴가 시작되는 온도가 아닙니다. 실제로 얼마나 버티는지는 접착제 종류, 도달한 온도, 노출시간, 시트 끝단을 어떻게 정착했는지에 따라 달라집니다.

섬유와 접착계면의 온도 민감도는 다르다

두 온도를 나란히 놓으면 문제의 위치가 분명해집니다. 기존 연구에서 탄소섬유시트는 260 °C에 2시간을 두어도 인장강도가 떨어지지 않았습니다. 반면 붙어 있는 힘, 즉 부착강도는 약 180 °C부터 저하가 시작되어 210 °C에서 크게 떨어졌습니다 (이한승, 2002; 박형철 외, 2011 재인용). 재료는 버티는데 연결이 먼저 풀리는 구조입니다.

섬유가 아직 제 강도를 유지하고 있는 온도에서, 붙이는 힘은 이미 상당 부분 사라져 있습니다.

화재 시 FRP 기여를 배제하는 설계 — 기준이 출발한 지점

이 문제를 다루는 가장 단순하고 안전한 방법은 아예 계산에서 빼버리는 것입니다. 평상시에는 기존 RC와 CFRP가 함께 하중을 받지만, 화재 상황만큼은 기존 구조체 혼자 버틴다고 보고 검토하는 방식입니다. 관련 기준도 같은 개념을 두고 있습니다. FRP가 상실되더라도 최소한 사용 고정하중과 활하중에 대해서는 보강 전 구조체가 저항할 수 있어야 한다는 요구입니다 (박형철 외, 2011).

같은 자료에서는 내화 단열재로 CFRP를 보호하는 방법에 대해 요구되는 양이 현실적이지 않아 사실상 불가능하다는 취지로 적고 있습니다. 논리는 단순합니다. 에폭시가 버티는 온도가 강재의 10분의 1이니, 단순 비례로 계산하면 강재의 10배 두께를 발라야 한다는 결론이 나옵니다. 수십 cm짜리 내화피복을 보 밑에 붙일 수는 없으니 불가능하다고 본 것입니다.

그래서 “화재 때는 없다고 치자”가 오랫동안 표준적인 답이었습니다. 문제는 이 답이 통하지 않는 경우가 꽤 많다는 점입니다. 애초에 기존 내력이 부족해서 CFRP를 붙인 건물이라면, 화재 때 CFRP를 빼는 순간 보강하기 전의 부족분이 그대로 돌아오기 때문입니다.

국내 리모델링에서는 이런 상황이 드물지 않습니다. 중력하중에 대한 보강이 많고, 기존 벽체를 철거하면서 부모멘트 구간이 정모멘트 구간으로 바뀌기도 합니다. 이렇게 되면 보강효과가 사라지는 순간 사용하중조차 못 버티는 상태가 될 수 있습니다 (박형철 외, 2011).

그렇다면 CFRP를 화재로부터 일정 시간 지켜낼 방법은 없을까요?

Thermal Barrier의 효과 — 국내 실험 두 편

단열재로 덮는 것이 비현실적이라는 인식과 달리, 실제로 덮어본 실험은 다른 결과를 보여줬습니다. 국내에서 진행된 두 연구를 순서대로 보면 흐름이 보입니다.

2011년 — 강재용 내화피복재를 탄소판 보강부에 적용

내화피복은 철골 건물에서 흔히 보는 재료입니다. 주차장 천장의 회백색 거친 마감이 대표적인데, 시멘트나 석고계 재료를 수십 mm 두께로 뿜어 붙여 열을 막습니다. 이 연구는 그 재료를 탄소판 보강면에 그대로 시공해보고 온도가 어떻게 오르는지 측정했습니다. 뿜칠은 10 · 20 · 30 mm, 얇게 바르는 내화도료는 1.75 · 4.4 mm였습니다 (박형철 외, 2011).

앞에서 말한 3분 16초가 여기서 나온 값입니다. 아무것도 덮지 않으면 그만큼 빠르게 80 °C에 닿습니다. 반면 내화피복을 적용한 시험체는 80 °C 도달시간이 강재 기준 인증시간의 40 ~ 63% 수준까지 늘어났습니다. 쉽게 말하면 강재 기준 1시간짜리 두께를 발랐을 때 접착층이 80 °C에 닿기까지 30분 안팎이 걸렸다는 뜻입니다.

연구에서는 그 이유를 콘크리트의 성질에서 찾습니다. 콘크리트는 강재보다 열을 훨씬 느리게 전달하고 열을 머금는 능력도 커서, 같은 두께의 피복이라도 강재에 발랐을 때보다 유리하게 작동했다는 것입니다. 뿜칠과 도료의 거동도 달랐습니다. 도료는 가열되자마자 온도가 빠르게 올랐다가 부풀어 오른 뒤에야 저항하기 시작했고, 뿜칠은 부풀지 않고 두께 자체로 버텼습니다.

다만 이 실험은 하중을 걸지 않은 비가력 시험입니다. 시험체를 그냥 놓고 가열하면서 온도만 잰 것이지, 그 시간 동안 보가 하중을 버틴다는 것을 확인한 것은 아닙니다. 온도가 늦게 오른다는 사실과 구조가 버틴다는 사실은 다른 이야기입니다.

2013년 — CFRP 보강 RC보에 내화 모르타르 적용

두 번째 연구는 대상을 실제 보 형태로 옮겼습니다. 200 × 250 × 2,000 mm RC보에 탄소섬유를 3면 부착하고, 그 위에 내화 모르타르와 세라믹계 난연성 단열재를 각각 적용했습니다. 가열조건은 분당 13.3 °C씩 올려 800 °C에 도달한 뒤 2시간을 유지하는 방식이었습니다 (최광호 외, 2013).

결과를 보면 내화 모르타르를 쓴 경우 탄소섬유와의 경계면 온도가 가열온도를 1시간 30분 늦게 따라왔습니다. 난연성 단열재는 약 100 °C 낮은 수준을 유지해 효과는 있었지만 모르타르만큼은 아니었습니다. 무기질 재료를 일정 두께로 덮으면 계면 온도가 확실히 늦게 오른다는 것이 두 번째로 확인된 셈입니다.

Fire Rating — “내화 1시간”은 무엇을 의미하는가

여기서 용어를 정리하고 넘어갈 필요가 있습니다. 건축에서 말하는 내화성능은 “이 부재가 화재 중에 요구되는 역할을 몇 시간 동안 유지하는가”를 뜻합니다. 사람이 대피하고 소방활동을 할 시간을 확보하기 위한 개념이라, 불에 타지 않는다는 뜻의 난연과는 다릅니다.

그런데 화재는 매번 다르게 번지므로 시험마다 조건이 달라지면 결과를 비교할 수 없습니다. 그래서 국제적으로 온도와 시간의 관계를 미리 정해둔 곡선을 쓰기로 약속했습니다. 이것이 ISO 834나 국내의 KS F 2257 계열에 규정된 표준화재곡선입니다. 이 곡선대로 가열했을 때 1시간을 버티면 1시간 내화, 2시간을 버티면 2시간 내화가 됩니다.

이 기준으로 보면 앞의 1시간 30분은 90분 내화성능과 같은 말이 아닙니다. 2013년 연구의 가열조건은 표준화재곡선과 다르고, 논문에 모르타르를 몇 mm 발랐는지도 나와 있지 않습니다. 두께와 내화시간을 연결해서 읽을 수 있는 자료는 아니라는 뜻입니다. 이 실험이 알려주는 것은 “무기질 단열층이 계면 온도를 크게 늦춘다”까지입니다.

CFRP 바깥에 일정 두께의 내화보호층을 두면 접착계면으로 가는 열을 늦출 수 있습니다. (Illustration: WORKNOTES)

Full-Scale Fire Test — 검증 단계가 부재로 넘어오다

앞의 두 연구가 “온도가 얼마나 늦게 오르나”를 봤다면, 최근 해외 연구는 한 단계 더 나아갑니다. 실제 크기의 보에 하중을 걸어놓고 표준화재로 태우면서, 그 보가 무너지는지를 직접 확인하는 방식입니다.

2026년 연구에서는 RC보 7개를 제작해 이 가운데 4개를 ISO 834 표준화재곡선으로 시험했습니다. 내화보호는 20 mm 시멘트계 내화 plaster와, 2 mm 팽창형 도료에 모르타르계 내화층을 더한 hybrid 구성을 비교했습니다. 여기에 시트 끝단을 기계적으로 고정하는 Mechanical Anchorage와, 보 측면을 U자로 감아 잡아주는 CFRP U-Wrap 같은 정착방식을 변수로 함께 넣었습니다 (Lin et al., 2026).

공개된 Abstract에 따르면 내화보호를 적용한 시험체는 모두 최소 2.5시간 동안 파괴 없이 버텼습니다. 내화보호와 정착을 함께 적용한 쪽은 화재 중 처짐도 작았는데, 연구진은 CFRP가 인장력을 더 오래 분담한 결과로 보고 있습니다. 온도만 재던 단계를 지나 구조가 실제로 버틴다는 것까지 확인된 사례입니다.

다만 이 2.5시간을 “20 mm 덮으면 2.5시간”으로 옮겨 적으면 안 됩니다. 그 보의 단면과 하중, 쓰인 CFRP와 접착제, 정착상세, 내화보호가 모두 한 세트로 묶여서 나온 결과이기 때문입니다. 하나만 바뀌어도 숫자는 달라질 수 있습니다.

세 연구를 나란히 놓으면 검증 수준이 어떻게 올라왔는지 한눈에 보입니다.

구분	박형철 외 (2011)	최광호 외 (2013)	Lin et al. (2026)
대상	탄소판 부착 콘크리트 시험체 (비가력)	CFRP 보강 RC보	실대형 CFRP 보강 RC보
측정한 것	에폭시층 온도	CFRP 계면 온도	부재의 화재저항과 처짐
결과	무피복 3분 16초에 80 °C, 피복 시 인증시간의 40 ~ 63%	계면 온도 1시간 30분 지연	내화보호 시험체 최소 2.5시간 무파괴

공통점은 덮으면 늦춰진다는 것이고, 차이는 그 결과를 어디까지 일반화할 수 있느냐입니다.

Fire Protection의 선택 — 결국 두께의 문제

온도지연이 가능하다는 것이 확인되면 다음 질문은 무엇으로 덮느냐입니다. 여기서 중요한 것은 표면이 타지 않는 성질이 아니라 두께입니다. 열은 아래에서 위로 차례차례 전달되기 때문에, 열이 접착층에 닿기까지 통과해야 할 단열층이 두꺼울수록 시간을 벌 수 있습니다.

Fire → Fire Protection → CFRP → Epoxy → Concrete

2013년 연구에서 얇은 난연성 단열재보다 내화 모르타르가 훨씬 큰 효과를 낸 것도, 2011년 연구에서 1.75 mm 도료와 30 mm 뿜칠의 거동이 갈린 것도 같은 이유로 설명됩니다. 그래서 검토 대상이 되는 재료군 중 하나가 시멘트계 내화뿜칠입니다. 수십 mm 두께를 연속적으로 확보하기 쉽고, 보 밑면의 탄소판뿐 아니라 U-Wrap이 감긴 측면까지 이어서 덮을 수 있습니다. 보드형 재료처럼 잘라 붙이고 이음부를 만들 필요가 없어서, 보강면을 주변 콘크리트와 하나의 면으로 정리하기에도 유리합니다.

시멘트계 내화뿜칠의 예로는 MONOKOTE Z-106/HY 같은 제품이 있고, 공식 자료에서는 Portland cement based, medium-density cementitious fireproofing으로 설명됩니다. 다만 제품자료에 명시된 승인 적용대상과 CFRP 보강면 적용은 별개로 보아야 합니다.

CFRP 표면의 부착 — 별도로 검증해야 할 항목

실무에서 가장 먼저 확인해야 할 항목입니다. 완성된 CFRP 보강면은 경화된 수지로 덮여 있어 매끈합니다. 내화재가 거친 콘크리트나 프라이머를 칠한 강재에 잘 붙는다는 것과, 이 매끈한 수지 면에서도 그렇다는 것은 전혀 다른 이야기입니다.

2011년 연구에서도 내화재를 그대로 적용하지 않았습니다. 탄소판 표면에 피복재의 부착력을 높이려고 규사를 뿌려 거칠게 만든 뒤 내화피복을 시공했습니다 (박형철 외, 2011). 실험실 조건에서조차 별도의 조치가 필요했다는 뜻입니다.

결국 초기 부착강도부터 가열 중 균열과 박리, 내화층 탈락, 화재 후 남아 있는 부착상태까지 시스템 단위로 확인해야 답이 나옵니다. 내화재를 얼마나 두껍게 바르느냐 못지않게, 그것이 화재 내내 제자리에 붙어 있느냐가 중요한 문제입니다.

내화재의 부착성능이 좋다는 것과, CFRP 표면에서 그 성능이 나온다는 것은 별개의 문제입니다.

국내 시험체계와 성능인정 사이의 간극

이 주제를 다룰 때 “국내에는 CFRP 내화시험 기준이 없다”는 말을 종종 듣습니다. 정확한 표현은 아닙니다. 앞에서 본 KS F 2257-1을 비롯해 건축 부재의 내화 시험방법은 마련되어 있고, 보와 기둥의 내화성능을 평가하는 체계도 있습니다. 강재 내화피복재를 인증하는 절차도 운용되고 있습니다.

다만 이 체계들이 CFRP 보강부를 염두에 두고 만들어진 것은 아닙니다. 2011년 연구가 강재용 인증제품을 그대로 가져다 쓰고 결과를 인증시간 대비 비율로 환산해 제시한 것도, 기댈 만한 판정기준이 따로 없었기 때문입니다.

시험방법이 없는 것이 아니라, CFRP와 접착재, 정착, 내화피복을 하나의 시스템으로 평가해서 내화시간이나 설계두께로 연결해주는 체계가 아직 없습니다.

해외에서는 이 부분이 별도의 설계항목으로 정리되는 중입니다. ACI PRC-440.10-21이 FRP 보강 부재의 화재성능을 다루고 있고, ACI CODE-440.13-24에는 Chapter 10 — Fire Resistance가 독립된 장으로 들어가 있습니다. 2011년 자료에 인용된 ACI 440.2R-02가 단열재를 사실상 불가능하다고 적었던 것과 비교하면, 20여 년 사이에 화재안전성이 곁가지에서 정식 설계항목으로 옮겨온 셈입니다. 물론 ACI 기준이 국내 법정 내화구조 인정을 대신해주지는 않습니다.

[사진 3 삽입 · cfrp-fire-03.png] — CFRP 내화연구의 발전 흐름 타임라인

CFRP 내화연구는 재료 온도를 재는 단계에서 실제 부재의 화재거동을 검증하는 단계로 옮겨가고 있습니다. (Illustration: WORKNOTES)

핵심 정리

취약 지점 — 섬유가 아니라 접착시스템
섬유가 강도를 유지하는 온도에서 접착력은 이미 크게 떨어집니다. 화재를 검토할 때 봐야 할 대상은 탄소섬유가 아니라 접착시스템입니다.

온도지연 효과 — 국내 연구에서 반복 확인
내화 모르타르나 시멘트계 내화피복으로 접착계면의 온도상승을 지연시킬 수 있다는 결과가 국내 연구에서 반복적으로 나왔습니다. 두께를 가진 무기질 단열층이 핵심입니다.

검증 수준 — 재료 온도에서 부재 거동으로
ISO 834 표준화재를 적용한 실대형 보에서, 내화보호와 정착을 조합해 장시간 버틴 결과가 보고되고 있습니다. 온도 측정을 넘어 구조거동까지 확인되는 단계입니다.

남은 과제 — 설계기준과 성능인정으로의 연결
어떤 조합을 어떤 두께로 적용하면 1시간 또는 2시간이 되는지를 설계기준과 성능인정으로 잇는 체계가 아직 없습니다. 여기에 CFRP 표면에서의 내화재 부착이라는 별도 숙제가 더해집니다.

정리하면 탄소섬유보강의 내화문제는 답이 없는 문제가 아닙니다. 부족한 것은 대책 자체가 아니라, 확인된 결과를 반복 가능한 설계두께와 인정기준으로 옮기는 과정입니다. 그래서 앞으로의 CFRP 내화설계는 섬유 하나를 평가하는 것이 아니라 CFRP와 접착재, 정착상세, 내화보호재, 그리고 기존 구조체를 한 덩어리로 보는 방향이 될 것으로 보입니다.

참고자료

박형철, 이명호, 오보환, 「탄소판으로 보강한 철근콘크리트 부재의 내화대책」, 콘크리트학회지, 제23권 제1호, 2011, pp. 51–55.
최광호, 이중원, 이진용, 「탄소섬유 보강 RC보의 내화성능 향상기법」, 한국콘크리트학회 2013 가을 학술대회 논문집, 2013, pp. 425–426.
Lin, J.-C., Dong, K., Hu, K.-X., Liu, Y.-P., & Gao, W.-Y., “Fire performance of insulated CFRP-strengthened RC beams with different anchorage systems: Experimental and numerical investigation”, Advances in Structural Engineering, 2026. (DOI: 10.1177/13694332261430956)
ACI Committee 440, ACI PRC-440.10-21 — Fire Resistance of FRP-Strengthened Concrete Members, ACI, 2021.
ACI Committee 440, ACI CODE-440.13-24 — Strengthening Structural Concrete with FRP Systems: Code Requirements and Commentary, ACI, 2024. (Chapter 10 — Fire Resistance)
KS F 2257-1, 건축 부재의 내화 시험방법 — 일반 요구사항.
GCP Applied Technologies, MONOKOTE Z-106/HY Product Data Sheet.

이한승(2002)의 내용은 박형철 외(2011)에 인용된 범위를, Lin et al.(2026)의 내용은 공개된 Abstract에서 확인 가능한 범위를 기준으로 정리하였습니다.

Technical Index

Category · 구조보강

Topic · CFRP 보강부의 내화성능

Standards · KS F 2257-1 · ISO 834 · ACI 440.2R · ACI PRC-440.10-21 · ACI CODE-440.13-24

Systems · Externally Bonded CFRP · Cementitious Fireproofing · Intumescent Coating · Mechanical Anchorage · CFRP U-Wrap

Keywords · CFRP 내화 · 탄소섬유보강 · Glass Transition Temperature · 접착계면 · Thermal Barrier · Fire Insulation

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WORKNOTES는 건축자재와 공법에 관한 기술자료, 시험기준 및 현장 적용조건을 검토하여 실무자가 이해하기 쉬운 형태로 정리합니다.

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탄소섬유로 보강한 구조물, 화재에도 안전할까

Bond Line — CFRP의 인장력이 지나가는 통로