ISSN: 1738-7167
DOI: http://dx.doi.org/10.7731/KIFSE.2015.29.6.084
복합자재 화재확산방지구조에 대한 연구
조남욱
†
· 김도현 · 심지훈한국건설기술연구원
A Study on Flame Spread Prevention of Sandwich Panel
Nam-Wook Cho†
· Do-Hyun Kim · Ji-Hun ShimKorea Institute of Civil Engineering & Building Technology
(Received October 28, 2015; Revised November 24, 2015; Accepted December 2, 2015)
요 약
복합자재(샌드위치패널)는 불연성재료인 양면 철판 또는 이와 유사한 재료와 불연성이 아닌 재료인 심재로 구성된다.
단열재를 가연성 재료로 사용하는 샌드위치패널은 화재 시 철판 내부로 화염이 확산되어 외부에서 진화가 어렵고 화염 의 확산이 빠르게 진행되어 건물의 붕괴를 야기할 수 있다. 현행 건축법에 의해 샌드위치패널은 건축물의 용도 및 규모 에 따라 난연성능을 확보하도록 하고 있다. 본 연구에서는 일부 외벽에 적용되는 화재확산방지구조를 복합자재에 적용하 여 실제 규모의 화재시험을 통해 그 효과를 측정하였으며 향후 복합자재에서도 화재확산방지구조의 적용을 통해 복합자 재 건축물의 화재안전 확보 가능성을 제시하였다.
ABSTRACT
Multi-layered material (sandwich panel) consists of double-sided steel plate which is incombustible material or similar material and core material which is not incombustible material. In case of sandwich panel which uses combustible mate- rial as insulation, flames spread inside the steel plate at the time of fire so that it is difficult to extinguish fire from the out- side and flames spread rapidly and may cause the building to collapse. The current Building Act requires the sandwich panel to secure fire-retardant performance according to the purpose and size of building. In this study, the fire spreading prevention structure applied to partial exterior walls was applied to multi-layered material and its effect was measured through full scale fire test and the possibility to secure fire safety of buildings by applying the fire spreading prevention structure to multi-layered material in future was presented.
Keywords : Fire safety, Sandwich panel, Flame spread prevention, Large fire test
1. 서 론
국가화재정보센터 자료에 의하면 2014년 발생한 화재는 총 25,839건이며 공장 및 창고건축물에 널리 사용되고 있 는 샌드위치패널 건축물의 화재는 1,785건으로 전체 화재 의 약 7%에 해당한다. 건축법에서는 건축물의 용도 및 규 모에 따라 난연성능을 규정하며 시행령 61조 및 건축물의 피난 · 방화구조 등의 기준에 관한 규칙 제24조의 규정에 의해 공장과 창고 건축물을 대상으로 난연재료 이상의 성 능을 요구하고 있다. 샌드위치 패널은 용도별로 공장 65%, 창고 25%, 주택 10% 정도로 사용되고 있는 것으로 파악되고 있으나, 경제성, 편리성, 간편성 등의 장점으로 다양한 건축물에 적용이 확대되는 경향을 보이고 있다(1). 현재 국내에서 유통되고 있는 샌드위치 패널의 기본 구성
은 양면 칼라강판과 단열재로 이루어져 있으며, 구성 단열 재의 종류로는 스치로폼, 우레탄폼, 유리면 및 암면 등이 있다. 주요 단열재인 스치로폼, 우레탄폼 및 유리면의 종 류에 따른 샌드위치패널 시장규모는 업계마다 제시하는 내용이 다르지만 대략 40,000~105,000천 m2로 추정되고 있으며, 시장점유율은 스치로폼 73~89%, 유리면 2~6%, 우레탄폼 8~21%, 년간 시장규모는 1조 5천억원~3조원으 로 추정되고 있다(2). 샌드위치패널 중 유기 단열재의 사용 이 80% 이상을 차지하고 있는데 여러 가지 장점에도 불구 하고 화재에 취약한 단점도 계속 지속되고 있다. 조립식 건축물 형태의 샌드위치패널은 필연적으로 접합부위 (조인트부위)가 발생되며 조인트부위를 통해 화염이 유입 및 확산되어 화재피해가 계속되고 있다(1). 화재확산방지구 조는 건축법의 규정에 의해 현재 외벽에 적용되고 있으며
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Corresponding Author, E-Mail: [email protected]
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수직으로 화염이 확산되는 것을 방지하기 위하여 중간에 화염확산방지재료를 사용한 구조이다(3).
복합자재는 건축법 제52조의 3 및 동법 시행령 제61조 에서 불연성재료인 양면 철판 또는 이와 유사한 재료와 불 연성이 아닌 재료인 심재료 구성된 것으로 정의하고 있으 며 시중에서는 샌드위치패널로 알려져 있다.
본 연구에서는 일부 외벽에 적용되는 화재확산방지구조 를 특히 화재위험이 높은 유기단열재를 사용한 샌드위치 패널, 즉 가연성 발포폴리스틸렌(EPS) 샌드위치패널 및 난연 EPS 샌드위치패널에 적용하여 실제 규모의 화재시 험을 통하여 그 효과를 측정하였으며 향후 샌드위치패널 에서도 화재확산방지구조의 적용을 통해 건축물의 화재안 전 확보 가능성을 제시하였다.
2. 연구방법 및 절차
2.1 화재시험방법
샌드위치패널의 화재안전성능은 다양한 시험방법으로 평가될 수 있다. 현행 국토부 고시(2015-744호)에 의한 난 연재료등급의 성능시험은 콘칼로리미터법(KS F ISO 5660-
Table 1. Fire Test Scale
Classify ISO 5660-1 (Cone Calorimeter) EN 13823 (Single Burning Item) ISO 13784-1 (Sandwich panel) Specimen Size (m) 0.1 × 0.1 0.5 × 1.5
1 × 1.5 2.4 × 3.6 × 2.4 Ignition Source 50 kW/m2 30.7 ± 2.0 kW 100 kW (First 10 min)
300 kW (Further 10 min) Figure 1. ISO 5660-1 test.
1) 및 가스유해성시험(KS F 2271)이며 두 가지 시험방법 은 소규모시험으로 단일 재료에 대한 효과적인 평가방법
이다(4,5). 화재시험은 Table 1과 같이 규모에 따라 다양한
시험방법이 있다. 콘칼로리미터는 열방출률(Heat Release Rate)을 측정하는 소규모 시험방법이다(Figure 1). 열방출 률은 화재위험성을 결정하는 가장 중요한 변수 중 하나이 다. 시험체의 연소로부터 발생되는 열은 측정하기 어렵지 만 연소가스로부터 발생되는 산소농도를 측정하는 것은 비교적 간단하며 일반 가연물인 경우 공기 흐름으로부터 소비된 산소 1 kg은 13.1 × 103kJ과 동일한 열을 방출한 다는 기본원리를 이용하여 열방출률을 측정한다. 50 kW/
m2의 복사열량을 (100 × 100 × 50) mm 크기의 수평방향 시험체에 노출시키고, 발생되는 화재생성물은 후드 및 덕 트를 통하여 포집되며 덕트에 설치된 열전대, 압력센서, 가스샘플링장치에 의해 기록 분석하여 5분 또는 10분간 열방출율을 측정하며 각각 8 MJ/m2 이하를 난연재료, 준 불연재료에 적합한 것으로 한다(3). SBI시험은 유럽의 마감 재료에 적용되고 있는 중규모 화재시험이다(6,7).
ISO13784-1는 샌드위치패널에 적용하는 시험방법으로 실제 규모에 근접한 대형 화재시험이다. ISO13784-1은 ISO 9705, Room Corner Test에 근거하여 제정된 화재시 험방법이다. ISO 9705 시험방법은 길이 3.6 m, 나비 2.4 m, 높이 2.4 m의 방(Room)에 내부 마감재료를 시공하고 한 쪽 구석(Coner)화원을 설치하여 위험도를 평가한다. 그러 나 샌드위치패널의 경우 패널자체가 내부 및 외부 마감재 로 사용되어 그 자체로 방(Room)을 구성하게 되므로 패널 을 부착하기 위한 기존의 프레임이 필요하지 않으며, 패널 두께로 인해 내부 면적이 작아지는 문제가 발생하고 시험 을 진행할 때 외부에서 패널 붕괴 등을 관찰할 수 없다.
이러한 이유로 ISO 13784가 제정되었다(8).
장방형의 샌드위치패널 구조물에 대한 화재 연소성능을 평가하기 위한 것으로 본 연구에서는 자립형 패널구조로 시험체를 제작하였다(9). 시험체의 크기는 길이 3.6 m, 나 비 2.4 m, 높이 2.4 m의 크기이며 한 면을 선택하여 나비 0.8 m, 높이 2 m의 개구부를 설치하였다. 구성은 Figure 2 와 같다.
본 연구에서는 가연성 일반 EPS 샌드위치패널과 난연 EPS 샌드위치패널 및 화재확산방지구조가 설치된 일반 EPS 샌드위치패널, 난연 EPS 샌드위치패널을 대상으로 각각 2회씩 총 8회 대규모 화재시험방법인 ISO13784-1을 자립형으로 구성하여 실험하였다. 대형 후드를 사용하여
화재시험에서 발생된 발열량을 측정하여 플래시오버를 측 정하였으며 Figure 6과 같이 화원으로부터 개구부 좌측의 모서리까지 화염진행을 온도분포로 측정하기 위해 ISO 9705에서 규정하는 7개의 K Type 열전대를 설치하여 실시 간으로 플래시오버 이후까지(13분 전후) 측정하였다. 열전
대는 개구부 좌측에 벽면으로부터 각각 300 mm 이격하였 으며 바닥으로부터 670 mm, 970 mm, 1270 mm, 1420 mm, 1570 mm, 1720 mm, 2100 mm 높이에서 측정하였다(10).
패널과 패널의 이음부위는 화재 시 화염이 침투하여 확 산되는 가장 취약한 부위로 알려져 있으며 본 연구에서는 이음부위에 화재를 차단할 수 있는 재료를 설치하여 이음 부위의 화염차단효과를 플래시오버 시간으로 측정하였다.
플래시오버는 폐쇄 공간에서 가연성 재료의 화재가 전체 면적으로 확산되는 상태를 의미하며(11) ISO13784-1에서 플 레시오버는 점화원과 시험체의 열방출률 합이 1,000 kW에 이르는 시점으로 정의한다. 점화원은 프로판가스로 초기 10분에는 100 kW로 가열되며, 이후 10분 동안 300 kW로 사용된다(9).
2.2 시험계획
본 연구는 두께 100 mm의 난연성능이 없는 가연성 EPS 샌드위치패널과 난연 EPS 샌드위치패널 및 패널 이음부 위에 화재확산방지재료를 시공한 가연성 EPS, 난연 EPS 샌드위치패널에 대해 각각 2회씩 총 8회의 ISO 13784-1 시험을 수행하여 개구부 온도 및 플래시오버시간을 측정 · 비교하였다(Table 2).
패널의 이음부위는 화염의 침투가 용이하며 일단 침투 된 화염은 패널의 철판 내부에서 급속히 확산된다. 철판내 부에서 전파되는 화염은 외부에서 진화하기 어렵고 패널 건축물의 붕괴를 촉진시켜 재실자의 피난 및 구조활동에 도 위험요소로 작용한다. 화재 취약부위인 패널의 이음부 위(조인트부위)에 화염확산을 방지하기 위한 재료를 시공 하면 패널 내부에서 발화된 화염이 인접한 패널로의 전파 를 어느 정도 방지할 수 있다. 본 연구에서 사용된 화염확 산방지 소재는 흑연 및 인계 난연제 등의 첨가물로 구성되 었으며 테이프 형태로 제작하여 시공이 간편하도록 하였 다. 국토부 고시(2012-624호) “건축물 마감재료의 난연성 능 및 화재확산방지구조 기준”에서는 외벽마감재료의 화 재확산방지구조에 대해 규정하고 있다. 외벽의 수직화재확 산을 방지하기 위해 미네랄울 등의 재료를 매 층마다 최소 높이 400 mm 이상 밀실하게 채우거나 또는 한국산업표준 KS F 2257-8(건축 부재의 내화 시험 방법-수직 비내력 구 획 부재의 성능 조건)에 따라 내화성능 시험한 결과 15분 의 차염성능 및 이면온도가 120 K 이상 상승하지 않는 재
Table 2. Test Specimen
Classify Panel No. of specimen Flame Spread
Prevention not install
EPS Panel 2
Flame Retardant EPS Panel 2 Flame Spread
Prevention install
EPS Panel 2
Flame Retardant EPS Panel 2 Figure 2. ISO 13784-1 test specimen.
Figure 3. ISO 13784-1 test.
료로 정의하고 있으며 실제로 이러한 차단 재료의 사용은 화염의 확산을 효과적으로 방지할 수 있다. 외벽의 화재확 산방지구조의 적용은 올 해 초 발생한 의정부 아파트화재 사고를 통해 그 중요성이 더욱 부각되고 있다.
Figure 4는 샌드위치패널이 조립되는 단면사진이다. 샌드 위치패널은 조립이 용이하도록 단면이 구성되어 있으며 이 러한 단면구조는 화재 시 화염확산의 통로가 된다. Figure 5는 샌드위치패널의 조인트 부위에 화재확산방지를 위한 재료를 시공하는 사진이다.
Figure 4. Assembling of sandwich panel joint (left: before assembling, right: after assembling).
Figure 5. Installation of flame spread prevention material.
Figure 7. Test result of heat release rate.
Figure 6. Measurement of gas temperatures inside test room (ISO 9705).
3. 시험결과
Figure 7은 8가지 시험체에 대한 열방출율(Heat Release Rate) 측정 그래프이다. ISO 13784-1에 따라 열방출율이 1,000 kW를 초과하면 플래시오버가 발생한 것으로 한다.
일반 EPS 샌드위치패널(EPS)의 플래시오버 시각은 각각 3분30초와 4분21초이며, 난연 EPS 샌드위치패널(FR EPS) 은 각각 5분45초와 5분57초이다. 난연성능이 있고 없음에 따라 EPS 샌드위치패널의 플래시오버 시간 차이는 평균 115.5초로 측정되었다. 즉 난연성능의 유무에 따라 약 2분 간 피난 및 진화 등에 필요한 시간을 확보할 수 있다.
화재확산방지재료를 시공한 일반 EPS 샌드위치패널 (EPS_FSP)의 플래시오버 시각은 각각 12분30초와 12분 18초이며, 화재확산방지재료를 시공한 난연 EPS 샌드위치 패널(FR EPS_FSP)은 각각 12분54초와 13분33초이다. 즉 난연재료의 사용 및 화재확산방지재료의 적용으로 플래시 오버시간을 일정 시간 지연시킬 수 있다.
ISO 13784-1은 실제규모에 해당하는 화재시험방법이므 로 플래시오버시간에 따라 피난시간 확보에 중요한 근거 로 해석될 수 있다(Figure 3). 난연 EPS 패널의 플래시오 버 시간이 5분가량인 것에 비해 화재확산방지재료가 시공 된 패널은 12분 이상의 플래시오버시간을 확보한다. 특히 난연성능이 없는 일반 EPS 패널의 경우도 12분 이상의 플 레시오버시간이 측정되었으며 난연 EPS 패널에 화재확산 방지재료를 시공하는 경우 13분까지 플래시오버 시간이 길어진다. 플래시오버는 방출열량에 따라 결정되는데 특히 화재확산방지재료를 시공한 패널의 경우 100 kW의 화원 으로 가열하는 초기 10분 동안 화원에 의한 열량이 측정 되었으며 171초 부근 패널의 연소에 의한 열방출이 측정
되고 이후 인접한 패널로의 화염확산이 일어나지 않아 다 시 감소하는 경향이 확인되었다. 그러나 화재확산방지구조 를 설치하지 않은 경우 2분 미만에서 온도상승이 발생되 었으며 EPS 패널이 급격히 상승하여 3분대에 플래시오버 에 도달하였다.
Figure 8은 개구부의 좌측 천장부위(지면에서 2100 mm 높이, Figure 6 참고)에서 측정된 8개 시험체에 대한 각각 의 온도분포이다. 밀폐된 공간에서 100 kW의 화원은 실내 온도를 상승시키며 플래시오버가 일어나기 직전에 온도는 급격히 상승된다. 플래시오버 시간이 늦춰질수록 밀폐공간 의 실내온도는 일정 온도를 유지한다. 일반 EPS 패널의 경우 패널 자체가 가연성이므로 초기부터 지속적인 온도 상승이 관찰되며 3분 이후 급격한 상승으로 플레시오버가 관찰되었다. 난연 EPS 패널의 경우 일반 EPS 패널에 비 해 1~2분 늦은 5분 전후에서 급격한 온도상승이 관찰되었 다. 그러나 화재확산방지구조가 설치된 경우 화원의 영향 으로 약 10분간 250~280oC가 유지되며 이후 플래시오버에 따라 온도가 상승된다. 시험체의 내부 바닥면적 8.64 m2는 100 kW의 화원에 의해 개구부 상부 온도를 280oC 부근까 지 상승시킨다. 이는 화원과 개구부의 거리가 짧고 공간이 비교적 작은 영향인 것으로 사료된다. 실제 바닥면적이 수 백 내지 수천 m2인 경우 패널간 화염이 확산되지 않는다 면 10분 이상 피난에 큰 지장이 없을 것으로 추측된다.
Figure 9는 개구부의 좌측 바닥부위(지면에서 670 mm 높이, Figure 6 참고)에서 측정된 8개 시험체에 대한 각각 의 온도분포이다. 천장부위의 온도가 10분 동안 약 250~
280oC의 온도분포에 비해 바닥부위는 플래시오버가 측정 되기 전까지 20~50oC의 양호한 온도로 측정되며 화재확 산방지재료가 미시공된 패널의 경우 EPS 패널은 약 160 Figure 8. Gas temperatures (upper) inside test room.
초 부근에서 급격히 온도가 상승되고 난연 EPS 패널의 경 우 300초 부근에서 온도가 상승한다. 반면 화재확산방지 구조가 설치된 패널은 640초 부근까지 100oC 미만의 온 도를 유지한다. 즉, 개구부에서 피난하여 생존할 수 있는 가능성이 높아진다고 추측할 수 있다. 또한 실제 공장 또 는 창고 건축물의 바닥면적이 커지는 경우 패널간 화염의 확산 지연에 따라 10분 이상 피난에 큰 지장이 없을 것으 로 판단된다.
4. 결 론
샌드위치패널은 공장 및 창고건축물의 중심으로 사용이 보편화 되었다. 난연성능이 없는 제품과 현행 법령에 의해 난연성능이 확보된 제품 그리고 화재확산방지구조를 설치 한 두 종류 제품에 대하여 총 8회 ISO 13784-1에 의한 대 형 화재시험으로 플레시오버 시간을 측정한 결과 소재의 난연성능 확보의 중요성과 함께 화재확산을 방지하는 재 료의 설치에 따라 플래시오버 시간이 2배 이상 길어지는 결과를 확인하였다. 플래시오버 시간이 10분 이상이면 상 대적으로 재실자의 피난안전이 확보될 수 있다. 난연재료 에 대한 현행규정과 함께 화재확산방지구조를 복합자재인 샌드위치패널에 적용할 경우 초기 대피시간을 확보하고 패널 건축물의 구조적 붕괴시간을 늦춰 구조 및 화재진화 에 도움이 될 것으로 기대한다. 다양한 화재확산방지재료 의 개발 및 이를 활용한 화재확산방지구조 공법은 복합자 재의 화재안전확보에 중요한 요소로 작동될 것으로 예상 되며 확산방지용 최적의 소재 및 구조 개발도 필요하다.
또한 추가 연구를 통해 ISO13784-1의 플래시오버 시간을
재실자의 피난시간을 고려하여 10분 또는 15분 등 난연성 능의 기준으로 적용하면 패널건축물의 화재안전에 기여할 수 있을 것으로 사료된다.
후 기
본 연구는 한국건설기술연구원의 주요사업(20140169- 001-01, 20150430-001)으로 수행되었으며 이에 감사드립 니다.
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