ISSN: 1738-7167
DOI: http://dx.doi.org/10.7731/KIFSE.2015.29.6.040
커튼월 이중 유리 외장재 파단에 대한 실험 및 수치해석 연구
남지우 · 유홍선 · 김동준* · 김성원* · 남준석** · 조성욱
†
중앙대학교 기계공학부, *(주)파라텍 기술연구소, **한국소방산업기술원
Experimental and Numerical Studies on the Failure of Curtain Wall Double Glazed for Radiation Effect
Jiwoo Nam · Hong-Sun Ryou · Dong-Joon Kim* · Sung-Won Kim* ·Jun-Seok Nam** · Seongwook Cho
†
Dept. of Mechanical Engineering, Chung-Ang University
*Paratec CO., LTD.
**Research and Development Laboratory, Korea Fire Institute
(Received September 19, 2015; Revised October 27, 2015; Accepted November 2, 2015)
요 약
국내외 유리 외장재에 대한 기준은 풍압 및 단열 성능에만 집중되어 있고, 화재 및 지진과 같은 재난에 대한 기준은 미비한 실정이다. 특히 초고층 건물의 화재 발생 시 유리 외장재의 파손으로 인한 상부층 화재 확산은 재산 및 인명 피 해를 극대화한다. 따라서 유리 외장재의 파손으로 인한 화재 확산을 축소하기 위해서는 유리 외장재의 화재 취약성을 검 토하고 파손 방지 기술 개발이 필요하다. 초고층 건물의 한정된 소방용수를 사용하여 효과적으로 파손을 막기 위해서는 유리 외장재의 파손 시점을 예측하고 원인 인자를 판단하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 이중 유리 외장재의 열적 특 성을 분석하기 위해 복사열 실험을 수행하고, 화염의 고온 · 고압에 직접적으로 노출이 되지 않았음에도 파단이 일어난 현상을 분석하기 위한 수치해석을 수행하였다. 구체적으로 ISO 9705 Room에 3장의 커튼월 유리 외장재를 설치하고, 방열판을 이용해서 유리 외장재를 복사열에 노출시키며 각 유리의 중요 위치에서 열전대를 이용하여 온도를 측정하였다.
최종적으로 현재 널리 사용되고 있는 이중 유리 외장재에 대한 화재 취약성을 분석하였다.
ABSTRACT
National and international standards for curtain wall glass are focused on wind pressure and insulation performance, but disasters such as fires and earthquakes are not considered. Failure of curtain wall glass during a fire in a skyscraper increases the loss of lives and property due to the spread of fire. Therefore, the fire resistance of curtain wall glass should be investigated, and technology to prevent glass failure should be developed to prevent fire damage due to spreading fire.
It is important to predict the starting point of cracks and the cause of glass failure to prevent it effectively using the lim- ited water in a skyscraper. In this study, double glazed glass was exposed to a radiator in an experiment performed to ana- lyze the thermal characteristics. The results show that glass that was not directly exposed to high temperature and pressure was broken. To identify this failure case, numerical analysis was performed. Three glass specimens were installed in an ISO 9705 room and exposed to radiation using a radiator, and a thermocouple was used to measure the temperature on the surface of the glass. Widely used double glazed glass was analyzed for weakness to fire.
Keywords : Curtain wallm double glazed glass, Thermal failure, Radiation effect, Finite element method
1. 서 론
최근 도시의 공간적 효율성을 증가시키기 위해 초고층 건물의 필요성이 증대되고 있다. 초고층 건물의 외장재는 대부분 유리 외장재가 차지하고 있지만, 유리 외장재에 대 한 관련 법규 및 기준은 풍압 및 단열 성능에 집중되어 있
고 화재, 지진과 같은 재난에 대한 연구는 미미한 실정이 다. 초고층 건물의 층간 화재 확산은 화재로 인한 커튼월 유리 외장재 파손으로 인하여 화염이 건물 외부를 통해 상 층부로 전파되는 특성을 가지고 있다(1). 따라서 유리 외장 재의 파손 방지 및 파단에 이르는 시간을 늦출 수 있다면 초고층 건물의 화재로 인한 재산 및 인명 피해를 획기적으
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Corresponding Author, E-Mail: [email protected]
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TEL: +82-2-820-5313, FAX: +82-2-816-4972
로 줄일 수 있다고 판단된다. 기존의 연구들은 유리 외장 재와 프레임 간의 구속에 대한 파손 원인을 분석하는데 집 중되어 있고(2-6) 널리 사용되는 이중 유리에 대한 파손 연 구 사례는 드물다.
이를 위하여 본 연구는 유리 커튼월 건축물의 층간 화재 확산 방지를 위한 수막시스템 개발의 초기 연구 단계로써, 이중 유리 외장재의 파손 특성을 분석하였다. 초고층 건물 의 경우 스프링클러의 소방용수 양이 제한되어 있기 때문 에, 한정된 소방용수를 효과적으로 사용해야 유리 외장재 가 파손에 이르는 시간을 늦출 수 있다. 따라서 유리 외장 재의 열적 특성 및 파손 원인을 분석하여 스프링클러의 작 동 조건 및 패턴에 반영하여 최적화 살수 패턴을 구성해야 한다. 따라서 본 연구는 이중 유리 외장재의 열적 특성과 파손 취약성을 분석하는 것이 목적이다.
2. 본 론
2.1 실험장치 구성
본 연구에서 사용된 실증 실험 공간은 IS0 9705 규격과 동일한 가로 3.6 m, 너비 2.4 m, 높이 2.4 m의 철재 구조물 로서 Figure 1과 같다. 유리 외장재의 열적 특성 분석을 위 하여 한쪽 벽면에는 3개의 유리 외장재를 설치하였다. 유리 의 크기가 파손에 미치는 영향을 분석하기 위하여 유리 외 장재는 850 × 850 mm의 유리 2장과 850 × 1910 mm 유리 1장을 사용하여 구성하였다. 유리 외장재는 현재 국내 초 고층 건축물에서 주로 사용되고 있는 Low-E 유리를 사용 하였으며 실제 현장에서 시공되는 Low-E 이중(Double- Glazed) 유리를 실험에 사용하였다. 일반적으로 이중 유리 는 단열 성능 향상 및 결로 방지를 위해 유리 사이에 알루 미늄 간봉으로 두 장의 유리를 접합하고 실리콘으로 마감 이 되어 있다. 두 유리 사이의 간극은 12 mm이고 최종적 으로 완성된 이중 유리의 두께는 24 mm이다. 실제 건축물 에서는 다양한 재료로 커튼월 프레임이 구성되지만 본 연 구에서는 차후 실험을 위해 내구성이 높은 철판을 이용하 였다.
본 연구에서는 유리 외장재 파손 분석을 위해서 유리 파 손에 영향을 미치는 온도 측정하기 위해 유리 외장재를 복
사열에 노출시키고 열전대(Thermocouple)를 설치하여 유 리 커튼월의 온도를 측정하였다. 사용되어진 열전대는 K- type 열전대로 허용 오차는 2.5 K로 알려져 있으며 Figure 2와 같이 유리 외장재에 열전대를 부착하였다. 구체적으로 이중 유리의 복사열 노출면에 18개, 프레임 4개, 유리 뒷면 에 5개를 포함한 총 27개의 열전대를 노출 부분이 유리에 직접 닿게 설치하였고, 알루미늄 테이프를 이용하여 부착 하였다. 알루미늄 테이프로 인한 복사열 비 노출 면적을 최 소로 하기 위하여 1 cm × 1 cm 크기를 가지도록 만들었다.
복사열을 발생시키기 위해서 최대 발열량이 35 kW이며 크기가 1 m × 1 m 방열판을 이용하였다. 방열판의 위치는 커튼월을 기준으로 중심에 정렬하였으며 커튼월 유리 외 장재와 1270 mm 떨어져 있는 곳에 위치 시켰다. 방열판의 최고 온도는 500oC이며 약 10분 후에 최고 온도에 도달 하였다.
2.2 실험 결과
복사열전달은 열원으로부터 가장 가까이에 있는 곳으로 제일 많은 에너지가 전달되기 때문에, 방열판에 5, 7, 14번 의 열전대가 각 유리면에서 가장 높은 온도를 나타내고 있 다. Figure 3은 각 유리에 대한 열전대의 온도 측정값과 유리의 파단 시간을 보여주는 그래프이다.
초기에 방열판의 예열로 인해 온도가 서서히 상승하는 것을 확인할 수 있으며, 왼쪽 하단 유리에서 약 1560 s에 균열이 발생하였고, 오른쪽 긴 유리에서 약 1260 s에서 균 열이 발생하였다. 균열의 위치는 바닥으로부터 약 50 cm 떨어진 위치에서 발생하였다. Figure 4는 커튼월 유리 외 장재의 파손 위치를 보여준다. 이는 방열판의 중심 부분으 로 복사에너지가 가장 많이 전달되는 위치이며 일반적으 로 추측할 수 있는 범위이지만, 균열이 발생했을 때의 온 도는 기존 연구들(7-9)에 비해 약 100oC 이상 낮은 구간임 Figure 1. Information of ISO 9705 model.
Figure 2. Location of thermocouple at inside surface.
을 확인할 수 있었다. 이는 일반적 화염과 비교하여 상당 히 낮은 온도이며 원거리에서 화염이 발생하여 직접적으 로 고온 고압에 노출되지 않아도 파손이 일어날 수 있음을 암시한다.
2.3 수치 해석
방열판을 이용한 실험에서 80~120oC 구간에 유리에 균 열이 발생함을 확인하였다. 기존의 연구들에서 유리의 파 손은 약 330~380oC에 도달하거나 화염 노출면과 비노출 면의 온도 차이가 높은 구간에서 균열이 발생한다고 알려
져 있다(7-9). 따라서 낮은 온도에서 파단이 일어난 실험 결
과를 검증하기 위해 ANSYS 14.0 APDL을 이용한 수치해 석을 통해 실험 결과를 검증하였다. 실험에 사용된 Low-E 유리는 일반 유리에 금속 또는 금속 산화물을 코팅함으로 써 낮은 방사율 및 복사능을 높인 유리를 말한다. 따라서 이러한 코팅은 유리 외장재 강성에 대한 영향이 미미하다 판단되어 일반적으로 알려진 유리의 물성을 사용하여 수 치해석을 수행하였다. 수치해석에서 사용된 유리와 알루미 늄 간봉의 물성 정보는 Table 1과 같다.
실제 실험에서 사용한 방열판은 코일로 구성되어 있는 데 복사열은 코일의 크기 및 형상 위치에 따라 온도 결과 에 영향을 받는다. 하지만 실험을 통해 유리 표면의 온도 값을 알고 있기 때문에 복사열 효과를 줄 수 있도록 단순 육면체로 방열판을 모델링하였고, 실험에서 측정된 온도 값과 열전달 해석을 통해 계산된 유리 표면 온도가 일치하 는 구간에서 열응력 해석을 수행하였다. 이중 유리는 유리 와 알루미늄 간봉과 함께 구성하여 수치 모델을 생성하였 다. 수치모델은 Figure 5와 같으며 93219개의 요소와 72336개의 노드가 사용되었다.
Figure 6은 수치 해석 결과 유리 외장재의 응력 분포를 보여주고, Figure 7은 유리 외장재와 알루미늄 간봉의 접 촉 노드의 von-mises stress 응력 분포를 유리 외장재의 높 이에 따라 표현한 그래프이다. Figure 6의 왼쪽 그림은 유 리 외장재의 전반적인 응력분포이며 높은 온도가 작용했 음에도 불구하고 유리 중앙 부분에서는 상대적으로 낮은 응력분포를 보여주는 반면에, 유리가 파손된 왼쪽 면을 살 펴보면 실험 결과와 유사한 위치에 알루미늄 간봉과 접착 된 부분에서 유리의 Modulus of Rupture(48 MPa) 이상의 높은 응력이 발생했음을 알 수 있다. 기존 연구에 비해 약 100oC 이상 낮은 온도에서 일어난 유리의 파단은 수치해 석을 통해 그 온도 구간에서 유리가 충분히 파단이 일어 날수 있음을 확인했다. 이는 실험으로 측정된 온도의 신뢰 성을 검증하고, 유리 외장재가 단일 유리에 비해 화재 등 Figure 3. Temperature on glass and failure time.
Figure 4. Location and shape of crack.
Table 1. Material Properties of Low-e Glass and Aluminum Material properties Glass Aluminum Thermal Conductivity (W/m · K) 1.38 210 Specific Heat Capacity (J/Kg · oC) 750 900 Coefficient of expansion (10−6) 1.0 19.2 Young’s Modulus (GPa) 68 68 Poisson’s Ratio 0.19 0.36 Density (Kg/m3) 2180 2698
과 같은 열에 의한 파손에 상당히 취약함을 시사한다.
3. 결과 분석
본 연구는 커튼월 이중 유리 외장재의 열적 특성 및 파 단을 분석하여 스프링클러의 작동 및 패턴에 반영하기 위
하여 실험과 수치해석 연구를 수행하였다. 실험에서 유리 외장재는 일반적으로 알려진 온도(7-9)보다 약 100oC 이상 낮은 온도에서 균열이 발생하였다. 열전대를 이용한 온도 측정은 측정 방법에 따라 실제 온도보다 낮은 온도를 표현 해 줄 가능성이 있다. 본 연구에서 사용한 방법으로 측정 된 온도 결과는 모든 열전대의 온도 증가량이나, 온도 분 포 경향이 고르게 나타남으로 신뢰할 수 있다 판단된다.
또한 알루미늄 테이프로 인해 복사에너지가 전달되지 않 는 문제를 최소화하기 위하여 1 cm의 작은 면적을 사용하 여 주변에서 전도로 전달되는 에너지가 충분하다고 판단 된다. 최종적으로 수치해석을 통해 상당히 낮은 온도 구간 에서도 이중 유리 외장재는 파손에 상당하는 열응력이 발 생했음을 확인하였기 때문에 측정된 온도 결과의 신뢰성 은 충분하다고 판단한다. 수치해석에 압력이나 대류 효과 를 적용하지 않았음에도 불구하고 낮은 온도 구간에서 파 손에 이르는 열응력을 확인하여 파손 인자는 복사열전달 로 인한 온도 상승 영향이 지배적이라 판단된다.
파손 원인은 이중 유리와 알루미늄 간봉간의 접합으로 불균일한 열팽창에 의한 열응력 발생으로 판단된다. 기존 의 연구들도(2-6) 불균일한 온도 분포, 프레임의 구속에 대 한 파단의 연구가 진행되었지만, 이러한 실험 및 수치해석 연구들은 프레임과 단일 유리에 대한 연구였다. 이러한 연 구에서는 프레임과 유리의 상호작용으로 인해 발생하는 열응력은 프레임이 변형하기까지 비교적 높은 온도가 필 요하지만, 이중 유리 외장재는 알루미늄 간봉과 직접적으 로 접합이 되어 있기 때문에 낮은 온도에서도 높은 응력이 나타난다.
4. 결 론
본 연구에서는 초고층 건물에 널리 사용되는 이중 유리 외장재를 대상으로 복사열전달 실험을 수행하였다. 이중 유리 복사열 실험에서 기존에 단일 유리에서 수행되어진 온도보다 약 100oC 낮은 온도에서 유리에 균열이 발생하 는 결과는 이중 유리 외장재의 심각한 화재 취약성을 보여 준다. 실험 결과를 검증하기 위하여 수치해석을 통해 이중 유리는 낮은 온도에서도 유리에 파단을 초래할 수 있는 상 당한 열응력이 발생함을 확인하였다. 따라서 단열 효과를 위해 초고층 건물에 널리 사용되어지는 이중 유리는 단일 유리에 비해 화재 확산에 취약하며 화재 발생 시 심각한 인명 및 재산 피해를 초래할 수 있다.
따라서 화재 확산을 막기 위해서는 유리 외장재에 수막 을 형성하여 유리 파손을 방지하는 기술을 개발하는 연구 를 수행하고 있다. 하지만 초고층 건물의 경우 한정된 소 방용수를 가지고 있기 때문에 파단에 이르는 시간을 최대 한 늦추기 위해서는 수막 살수 패턴이 최적화된 작동 조건 이 필요하다. 본 연구에서 수행한 실험 결과 및 수치해석 은 향후 수막 살수 최적화에 사용되어질 예정이다.
Figure 5. Numerical model of double glazed glass and radiator.
Figure 6. Contour thermal stress of double glazed.
Figure 7. Von-mises stress on contact node between alumi- num and glass.
우선적으로 본 연구를 통해 이중 유리 전면에 수막을 형 성하지 않고 알루미늄 간봉과 연결되어 있는 부분에 집중 적으로 수막을 형성시킨다면 적은 양의 소방용수로 이중유 리의 파손을 늦출 수 있다고 예측된다. 이외에도 알루미늄 과 연결된 부분이 화염에 직접적으로 노출되지 않도록 프 레임 내부 공간으로 이동시키는 방법도 고려되어진다. 향 후 수막설비를 구성한 실험 모델을 통해서 이중 유리를 직 접적으로 화염에 노출시키고, 수막 패턴 및 작동 시간에 따 른 유리 외장재 파손에 따른 화재 확산을 분석할 예정이다.
후 기
본 연구는 소방방재청 차세대핵심소방안전기술개발사업 (NEMA-차세대-2014-46)의 연구비 지원으로 수행되었습 니다.
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