석재와 알루미늄 판넬 마감재에 따른 실대형 수직화재확산에 관한 연구
A Study on the Diffusion of Vertical Fire in a Real Scale Type by Stone and Aluminum Panel Finishing Materials
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Abstract
화재 시 최성기 단계에 도달하면 개구부를 통해 건축물 내부에서 외부로 확대되고, 건축물 외부 마감재로 화재가 확산하여 인명 및 재산피해가 높게 발생되고 있다. 이에 건축물 단열재와 마감재료의 구성요소와 시공방법의 적용에 따라 화재안전 성능에 영향을 주므로 단열재(폴리우레탄)의 성능과 마감재료의 종류에 따라 내⋅외부 화재 확산 성능을 비교⋅분석하였다. 본 연구에서 는 KS F ISO 5660-1의 기준에 따라 콘칼로리미터 시험을 수행하였고, KS F 8414의 기준에 따라 외벽 복합 마감재료의 실물모형시험 을 수행하였다. 이에 폴리우레탄은 가열 개시 후 10분간 총방출열량(total heat release, THR)이 5.51 MJ/m2로 나타났고, 석재패널과 알루미늄시트 판넬을 적용한 시험체 모두 수직화재확산은 발생하지 않았지만, 중공층으로 화재가 확산되어 온도가 상승하였다.
Trans Abstract
When a fire is completely developed, it expands from the inside of the building to the outside through any opening (s) and spreads to the building exterior, resulting in the loss of many lives and properties. As fire safety performance is affected by the construction methods applied and components of building insulation and finishing materials, this study compared and analyzed the internal and external fire spread performances according to the performance of the insulation material (polyurethane) and types of finishing materials. In this study, a cone calorimeter test was conducted according to the KS F ISO 5660-1 standard, and a full-scale mock-up test of exterior wall composite finishing materials was conducted based on the KS F 8414 standard. Consequently, the total heat release (THR) of polyurethane for 10 min after the start of heating was 5.51 MJ/m2. No vertical fire spread occurred in both test specimens to which a stone panel and an aluminum sheet panel were applied; however, the fire spread to the cavity, causing a temperature rise.
1. 서 론
화재 발생 시 피난 시간 확보와 인명 및 재산 피해 감소를 위해 건축물의 화재안전 성능을 강화해야 한다. 건축물의 외벽은 크게 벽체, 단열재, 중공층, 마감재료로 구성되어 있다. 단열재는 외부로의 열손실과 열의 유입을 방지하고, 중공층은 단열성을 확보하는 역할을 하며, 마감재는 단열재 의 손상방지와 난연성능 확보를 위해 적용하고 있다.
하지만 건축물 내부에 발생한 화염이 최성기 단계로 도달 할 경우 개구부를 통해 화재가 성장하면서 2차 가연물인 외부 마감재로 인해 매우 빠르게 수직 확산되어 건축물의 안전성뿐만 아니라 상당한 인명 및 재산피해로까지 이어진 다. 이에 단열재와 마감재료의 구성요소와 시공방법의 적용 에 따라 화재안전 성능에 영향을 준다.
건축물 외부 마감재의 화재 확산 사례로는 2005년 스페인 마드리드 Windsor Tower, 2009년 중국 베이징 TVCC Tower, 2012년 두바이 Tamweel Tower, 2017년 런던의 Grenfell Tower 등이 있으며, 국내의 경우 대표적으로 2010년 부산 우신골든 스위트 화재와 2020년 울산 삼환아르누보 아파트 화재가 있다. 이 사례들은 단열재의 난연성능, 중공층 유무, 시공방 법의 적용 등의 복합적인 문제로 인해 화염이 외벽을 타고 빠르게 수직으로 확산되어 피해가 크게 발생하였다(Chae and Kim, 2018; Park and Cho, 2018). 이에 건축물의 화재확산 방지, 난연성능 확보 그리고 국내 건축물 외벽의 화재 안전 성능 향상을 위해 단열재의 난연성능을 확보하는 데 중점을 두고 있으며, 최근 단열재 연소특성과 화재확산의 원인 분석 을 위한 연구가 이루어져 왔다.
Tewarson (2002)은 단열재는 연소 시 자체 특성, 두께, 표면적, 화재 크기나 위치 등에 의해 영향을 받는다는 것을 보여 주었다. Xie et al. (2008)은 열가소성 단열재의 연소 거동, 용융 유속 그리고 재료의 두께가 각각 화재 확산에 어떤 영향을 미치는지에 대한 기초연구를 하였다. Park and Cho (2017)은 유기단열재가 무기단열재에 비하여 단열성능 이 좋고 성형성이 뛰어나며 공사비용이 저렴한 경제적인 장점이 있지만, 화재에 취약하여 난연성능 확보의 중요성을 강조하였으며, Zhang et al. (2016)은 화재 시 높은 열방출률 과 빠른 화재 성장 속도를 보이는 유기 고분자 물질의 연소는 다량의 연기와 독성 가스를 생성하여 유기물 단열재의 위험 성에 대해 연구하였다. Sonnier et al. (2016)은 물질이 연소하 는 동안 물질을 구성하는 각 구성요소(폴리머, 유기나 무기 물, 불활성이나 반응하는 내연제)의 자체 속도에 따라 열분해 가 진행된다고 하였다. 그리고 Anderson et al. (2018)은 건축 물의 수직 화재 확산은 바닥 슬래브와 외벽 사이의 틈새를 통한 화염 전파와 적재물로 인해 화재가 발생하여 개구부 및 외벽의 마감재 및 단열재로 전파되는 현상을 화재 확산의 원인으로 보고 있다고 하였다.
이처럼 무기단열재의 사용량에 비해 사용량이 약 80% 이상인 유기 단열재의(Park and Cho, 2017) 열적 위험성과 수직 화재 확산의 원인을 분석하여 반복되는 화재사고로 인한 인명 및 재산피해를 줄이고자 본 연구를 수행하였다. 따라서 본 연구는 건축물 외벽에 사용률이 높은 폴리우레 탄 보드를 선정하여 난연성능을 평가하였다. ｢Ministry of Land, Infrastructure and Transport, Notice, Recognition of Quality and Management Standard of Building Materials｣ 건축물 마감재료의 성능기준 및 화재 확산 방지구조에 따라 KS F ISO 5660-1 (2021)의 기준에 따라 Cone Calorimeter 장비를 이용하여 총열방출률(total heat release, THR)을 분석 하고, KS F 8414 (2019)를 이용하여 폴리우레탄과 마감재료 의 종류에 따라 단열재의 성능과 내⋅외부 화재 확산 성능을 비교⋅분석하였다.
2. 콘칼로리미터 시험(KS F ISO 5660-1)
2.1 시험 방법
폴리우레탄 보드의 난연성능을 평가하기 위해 dual cone calorimeter (Fire Testing Technology)의 장비로 KS F ISO 5660-1의 방법으로 열유속(heat flux) 50 kW/m2 조건으로 수행하였다. 시험편은 100 mm × 100 mm (
시험 환경 조건은 온도 (23 ± 2) ℃, 상대습도 (50 ± 5)%를 유지하였고, 콘히터의 열량 ± 2% 이내, 산소농도 (20.95 ± 0.01)%으로 교정하였다. 그리고 배출유량을 (0.024 ± 0.002) m3/s의 범위로 설정하여 수행하였다. 시험 후 고밀도 세라믹 판을 두어 시편 홀더의 열손실을 방지하였다. 장비 내의 콘히 터는 외부 열유속을 유지할 수 있게 하였고, 스파크 점화기 (Igniter)로 시험체를 점화시켜 시험을 시작하였으며, 복사열 에 노출된 시험편의 총방출열량을 10 min 동안 측정하였다.
2.2 시험 결과
콘칼로리미터 장비는 현재 실제 화재 조건을 가장 잘 모사 한 시험 방법으로 산소 1 kg이 소모되면 약 13.1 MJ의 열이 방출되는 산소 소비 원리를 바탕으로 하고 있다. 총방출열량 (total heat release, THR)은 연소되는 재료로부터 방출되는 열량으로, 화재 시 발생하는 전체 열량을 나타내며, 이것은 시험체의 표면적당 열방출률을 시간에 적분하여 계산한 값이다(Chung, 2013). 여기서 열방출률은 표면적당 발생하 는 순간적인 열량의 크기로, 연소 위험성을 가장 잘 나타내며 (Babrauskas and Grayson, 1992; Babrauskas, 2008), 열방출 률이 낮은 건축 재료를 사용할 경우 화재 발생 시 피난시간과 난연성능을 확보할 수 있다.
우레탄은 일반적으로 다기능의 알코올과 분자를 운반하 는 활성 수소 그룹에 다관능(Polyfunctional)의 이소시아네이 트(Isocynate)를 첨가하여 형성된다(Gahlen et al., 2021).
우레탄의 열분해 과정에서 첫 번째 단계는 빠르게 반응한 다. 먼저 우레탄 결합을 절단하여 폴리올과 이소시아네이트 기를 분리한다. 두 번째 반응에서 이량체화는 기체 이산화탄 소와 카르보디이미드를 방출한다. 삼량체화는 이소시아누 레이트를 생성하는 반면, 물과의 반응에서 방향족 아민과 이산화탄소를 다시 생성한다. 모든 반응 단계에서 열이 방출 되어 숯이 남을 때까지 계속 열적 안정성을 저하시킨다 (Amado, 2019).
Fig. 1과 Table 1에 나타낸 바와 같이 3회의 시험을 한 THR 값을 각각 나타내었다. Ministry of Land, Infrastructure and Transport (2022)의 건축물 마감재료의 성능기준에 따르 면, 가열 개시 후 10분간 총방출열량이 8 MJ/m2 이하일 것으로 규정되어 있는데, 이를 만족하는 것으로 나타났다. 이것은 우레탄에서 주로 사용된 terephthalic acid (TPA)는 P = O, P-O-C 구조를 갖고 있는데, P-O와 P-C 결합은 열적 안정성이 있어(Zhao et al., 2003; Yang et al., 2021) 총방출열 량이 8 MJ/m2 이하로 나타났다. 그리고 우레탄은 연소 후 숯을 형성하는데, 숯은 주로 작고 균일하며 조밀한 미세구조 를 가진 다환 방향족종으로 구성되어 산소, 열 그리고 가연성 인 휘발성 물질을 방지하므로(Zhao and Wang, 2017) THR 값이 낮게 나타난 것으로 판단된다.
The Total Heat Release Curves at 50 kW/m2 External Heat Flux
The Value of Total Heat Release for Polyurethane at 50 kW/m2 External Heat Flux
3. 외벽 복합 마감재료의 실물모형시험(KS F 8414)
3.1 시험체 제작 및 시험 방법
외부 마감 시스템의 난연성능에 따라 폴리우레탄 보드 단열재의 화재확산을 평가하기 위해 국내 건식마감재 중 대표적인 자재인 알루미늄 시트 판넬(준불연성능)과 화강암 석재(불연성능)를 대상으로 수직화재 확산을 평가하였다. 석 재 마감 폴리우레탄 단열재로 구성한 외벽 시험체 S30-P120과 알루미늄판넬 마감 폴리우레탄 단열재로 구성한 외벽 시험 체 A3-P120의 성능평가를 비교⋅분석하였다. S30-P120 시 험체와 A3-P120 시험체의 구성 및 단면은 Figs. 2와 3과 같으며, Tables 2와 3은 시험체의 구성재료와 두께를 나타내었다. S30-P120은 폴리우레탄 단열재 120 mm를 부착하기 위해 화스너 앙카를 시험체 벽면에 설치하여 고정하였으며, 석재 마감을 위해 화스너 앙카에 T.B CYLINDER와 T.B BRACKET 을 설치하여 중공층 80 mm를 확보하고, 석재로 마감하였다. A3-P120은 알루미늄 판넬의 고정을 위해 60 mm × 80 mm × 5 mm ST’L 브라켓으로 120 mm 폴리우레탄 단열재를 고정하 였으며, 중공층 107 mm와 3T 알루미늄시트 판넬을 적용하였다.
Schematic for S30-P120
Schematic for A3-P120
S30-P120 Material Properties
A3-P120 Material Properties
시험은 한국건설기술연구원의 실물모형 시험체를 통해 수행하였으며, KS F 8414 기준으로 시방에 따라 시공하였다. Fig. 4에 나타낸 바와 같이 열전대 측정 위치는 개구부 중앙 상단에서 2,500 mm 간격을 두어 Levle 1 (외부)으로 하였고, 개구부 중앙 상단에서 5,000 mm 간격을 두어 level 2 (외부, 중공층과 단열재의 중심부)로 구성하여 Main Wall과 Main Wing에 설치하였다. Main Wall의 열전대 간격은 500 mm로 Level 1 (외부)에 5 point, Level 2 (외부, 중공층, 단열재의 중심부)에 5 point를 타공하였다. 그리고 Main Wing의 열전 대 간격은 450 mm로 시험체의 Level 1 (외부)에 3 point를 타공하였고, Level 2 (외부, 중공층, 단열재의 중심부)에 3 point를 타공하여 총 16 point인 32개의 열전대를 일정 간격으로 설치하였다. Fig. 5는 각 시험체의 시공 후 모습을 나타내었다.
Thermocouple Measurement Location
Test Specimen
실물모형 시험체를 통해 외벽을 통한 마감재의 화재 확산, 마감재의 용융 및 탈락을 통한 중공층의 화재 확산 그리고 중공층 화재 확산에 대하여평가하였다. 시험 평가 기준은 Level 2 (외부, 중공층과 단열재)의 온도가 시작온도 + 600 ℃를 30 s 이상 유지할 경우 성능을 확보하지 못한 것으로 판단하 였다. 화원은 밀도 400~650 kg/m3, 함수율 10~15%인 뉴질랜 드 소나무 목재로 50 × 50 × 1,000 mm, 150개와 50 mm × 50 mm × 1,500 mm, 100개를 격자로 쌓았다. 헵탄 2 L, 물 2 L를 배합하여 착화하였고, 30 min간 4,500 MJ 열량과 순간 방출 열량 3 ± 0.5 MW이 방출되도록 하였다.
3.2 평가 기준
Ministry of Land, Infrastructure and Transport (2022) 제27 조, 외벽 복합 마감재료의 실물모형시험 평가기준과 KS F 8414 시험방법을 대상으로 수행하였다. 평가 기준은 점화 하기 전 5 min 동안 Level 1 (외부)의 열전대 8개의 평균온도 를 측정하여 시작온도로 하였다. S30-P120과 A3-P120의 점화하기 전 평균온도는 각각 10.5 ℃와 20.8 ℃로 나타났고, 이것은 시작온도로 한다. 이 시작온도에서 + 200 ℃, 30 s 이상 유지할 경우 시험기준에 의해 시작온도 + 200 ℃가 시작된 시각을 시험 평가 시작시각으로 표현하며, 시작시각 을 기준으로 15 min간 성능평가를 수행하였다. 각 시험체의 성능평가 기준은 Level 2의 온도가 시작온도 + 600 ℃를 30 s 동안 초과하지 않아야 한다.
3.3 시험 결과
각 시험체의 성능평가 결과는 Table 4와 같고, Figs. 6과 7은 평가 시간에 따른 시험형상 결과이며, Fig. 8은 각 시험체 의 위치별 온도를 나타내었다. S30-P120 시험체의 시작시각 은 180 s였으며, 최대온도는 488.4 ℃ (외부)와 223.7 ℃ (내부)였다. A3-P120 시험체의 시작시각은 170 s로, 최대온 도는 596.7 ℃ (외부)와 223.7 ℃ (내부)였다.
Test Result
S30-P120 Test Result
A3-P120 Test Result
Measurement Temperature of Vertical Diffusion
모든 시험체에서 수직화재 확산이 이루어지지 않았다. 석재를 마감재로 적용한 S30-P120 시험체가 알루미늄시트 판넬을 마감재로 적용한 A3-P120 시험체보다 내⋅외부 온 도가 낮게 측정된 원인은 알루미늄시트 판넬이 화강암 석재 보다 용융 및 탈락이 빠르게 발생하여 중공층의 온도가 상승하고, 중공층을 통해 내부로 화염확산이 발생하여 A3-P120 시험체의 온도가 빠르게 상승한 것으로 판단된다.
S30-P120 시험체에서 석재 마감재가 712 s 이후로 탈락하 였다. Fig. 8(a)의 Level 1 (외부) 열전대 No.2에서 712 s 이후 온도가 급격하게 하강한 것은 외부마감재의 탈락으로 인해 화염이 내부 중공층으로 침투하여 화염이 분산된 것으로 판단된다. 이로 인해 Fig. 8(b)에서 808 s에 Level 2 중공층과 단열재에서 급격하게 온도가 상승한 원인은 중공층으로 화염이 침투한 것으로 판단된다.
그리고 A3-P120 시험체의 경우 Fig. 8(a) Level 1 (외부) 열전대 No. 2~No. 4에서 알루미늄시트 판넬의 용융으로 인한 내부 중공층의 화염확산으로 인해 급격한 온도 하강이 발생한 것으로 판단된다. 내부의 화재확산으로 인해 Fig. 8(b) Level 2 (중공층, 단열재)의 온도가 S30-P120보다 높게 측정 되었으며, 이는 개구부 상부 마감재의 용융 및 탈락 시간부터 내⋅외부 온도 상승에 영향을 미치는 것으로 판단 된다. 이는 불연 화강암 석재 마감재를 적용한 S30-P120 시험체가 알루미늄시트 판넬을 적용한 A3-P120 시험체보다 개구부 상부 마감재의 탈락 및 용융이 더 늦게 발생하여 전체적인 온도가 더 낮게 나타난 것으로 확인할 수 있었다.
4.결 론
본 연구는 Ministry of Land, Infrastructure and Transport (2022)의 건축물 마감재료의 성능기준 및 화재 확산 방지구 조의 기준을 적용하였다. 건축물 외벽에 사용률이 높은 유기 단열재인 폴리우레탄을 선정하였고, KS F ISO 5660-1 기준 에 따라 콘칼로리미터 장비를 사용하여 폴리우레탄의 난연 성능(total heat release, THR)을 평가하였고, KS F 8414 기준에 따라 석재와 알루미늄시트 판넬을 적용한 실물모형 시험체를 구성하여 외벽의 수직 화재 확산에 의한 영향을 평가하였다.
1) 폴리우레탄의 난연성능은 ｢Ministry of Land, Infrastructure and Transport, Notice, Recognition of Quality and Management Standard of Building Materials｣에 따라 가열 개시 후 10 min간 총방출열량이 5.51 MJ/m2 이하 (평균값)로 나타났다. 이는 폴리우레탄의 P-O와 P-C 결합의 열적 안정성과 숯 형성으로 인해 폴리우레탄의 난연성능을 우수하게 한 것으로 판단된다.
2) 화강암 석재 마감재를 적용한 S30-P120 시험체의 경우 석재패널의 마감을 위한 방화용 실리콘의 용융으로 인한 개구부 상부의 석재 탈락을 기점으로 내부 중공층 으로 화염이 침투하여 내부 온도 상승이 발생하였으나, 외부 및 내부 수직화재확산은 발생하지 않았다.
3) 알루미늄시트 판넬을 적용한 A3-P120 시험체의 경우 화강암 석재보다 용융 및 탈락이 빠르게 발생하였으며, Level 1 외부 열전대에서 급격한 온도 하강이 발생한다. 이는 알루미늄시트 판넬의 용융에 의한 S30-P120 시험 체와 동일한 내부 중공층으로의 화염의 분산 및 화재확 산이 발생한 것으로 판단된다. 하지만 알루미늄시트 판넬을 적용한 A3-P120 시험체 또한 외부 및 내부 수직화재확산은 발생하지 않았다.
4) 따라서 폴리우레탄의 난연성능 향상과 외벽 시험체의 마감재료가 일정 시간동안 열을 차단하여 수직화재확 산이 발생하지 않았다. 하지만 마감재의 용융 및 탈락의 시점부터 중공층으로 화염 확산이 이루어져 건축물의 화재안전 성능에 영향을 줄 것으로 판단되어 추후 중공 층이나 접합부에 관한 실험적 연구가 필요할 것으로 사료된다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원(22RMPP- C163162-02 연구사업)에 의해 수행되었습니다.