건축물 개구부의 연소특성과 성능시험 방법에 관한 연구
Study of the Combustion Characteristics and Flame Retardant Assessment of Windows in Buildings
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Abstract
국내 건축물의 규모가 증가하고 밀집되면서 화재 시 개구부에서 인접 건축물로 화재가 확산되어 화재 피해가 증가하는 사례들이 빈번하게 발생되고 있다. 이러한 개구부의 화재확산은 화염이 반복적으로 실내로 유입되면서 수평 및 수직확산의 원인으로 창호가 지목되고 있다. 본 연구에서는 기존 건축물의 화재위험도평가를 통해 화재 위험성이 높은 건축물을 선정하였다. 이에 상업용(숙박시설)과 공업용(창고시설과 공장시설)이 비교적 위험성이 높은 건축물로 분류되었다. 그리고 대상 건축물에 주로 활용되고 있는 PVC창호와 AL창호를 선정하여 난연성능평가 기준으로 화재확산 위험성을 평가하였다. 화재 시 창호의 노출되는 단면과 재질 등이 달라 현재 규정된 난연성능시험으로 창호의 위험성을 평가하기에 부적하며, 창호에 적합한 난연성능시험 방법이나 기준 등이 정립될 필요성이 있을 것으로 사료된다.
Trans Abstract
With the increasing size and density of domestic buildings, the spread of fire from one building to adjacent ones has become a significant concern, leading to greater fire damage. The openings in these buildings have been identified as the main cause of horizontal and vertical fire diffusion, as flames repeatedly enter adjacent compartments. In this study, we focused on buildings with a high fire risk by conducting a fire risk assessment of existing structures. Commercial facilities (such as accommodation facilities) and industrial facilities (including warehouses and factories) were classified as buildings with a relatively high risk. We specifically selected PVC and AL windows, which are commonly used in buildings, to evaluate the risk of fire spread based on flame retardant assessment. However, during a fire, the exposed cross-section and quality of windows differ, making it inappropriate to evaluate their fire risk using the currently regulated flame retardant assessment test. Therefore, there is a need to establish methods and standards for flame retardant assessment tests that are specifically designed for windows.
1. 서 론
급속한 경제성장과 더불어 건축물의 고층화와 대형화로 인해 건축물의 규모가 증가하고 밀집되는 현상이 발생하고 있다. 이러한 건축물 양상의 변화로 인해 화재 시 인명 및 재산 피해가 증가하고 있다(Yang et al., 2020; Kim et al., 2022).
대표적인 화재사례로는 2015년 의정부 대봉 그린아파트에서 발생한 화재로 좌측 드림타운과 해뜰마을 아파트로 화재가 확산되었으며, 이는 건축물의 이격 거리가 외벽 기준으로 1.5 m 이상 확보되지 않아 피해가 증가된 것으로 판단된다. 그리고 2020년 이천 물류센터 화재 사고에서 건물과 반대 방향으로 맞바람이 강하게 불면서 개구부로 분출되던 검은 연기가 건물 안으로 다시 유입되어 화재 피해가 크게 발생한 것이라는 다수의 목격자 진술이 있었다(Choi et al., 2017; Seo et al., 2018).
이처럼 화재확산은 개구부를 통해 상층으로 확산되고, 일부 화염이 반복적으로 실내로 유입되거나 개구부를 통해 다른 층이나 인접 건축물로 수평 및 수직으로 확산된다. 이처럼 화염 확산의 주요 통로중 하나로 개구부가 지목되면서 건축물 개구부의 화재 확산 연관성에 대한 연구가 지속적으로 수행되어 왔다.
Lee et al. (2016)은 개구부로 주로 사용되는 PVC, AL, 단판유리 창호를 대상으로 방화문 시험 방법인 KS F 2845 (2023) 시험 방법 기준에 따라 창호의 방화성능 평가를 수행하였으나 성능평가 기준이 접합하지 않아 창호의 방화성능 평가방법의 필요성에 대해 제안하였으며, Zhou (2014)는 건축물의 화재안전설계에서 가장 취약한 부분으로 창호와 유리를 지적하였으며, 내화성능이 없는 창호와 유리를 통해 화염이 수직으로 확산된다고 제안하였다. Koohkan et al. (2021)은 Grenfell Tower의 화재확산 원인 중 창호가 파손되어 화재 확산의 영향성을 CFD 해석을 통해 제안하였으며, Dembele et al. (2012)은 화염에 의해 유리가 파손되는 것을 방지하고 열팽창을 수용할 수 있는 창호의 필요성을 언급하였으며, 창호와 유리의 이격 거리 및 접합성에 따른 방화성능에 대해 제안하였다.
현재까지 건축물 창호에 관한 연구는 창틀, 창짝 그리고 유리를 포함한 전체 시스템에 대한 전반적인 연구가 수행되어 왔다. 하지만 화염 확산을 방지할 수 있는 대안으로 창호의 난연성을 확보해야 한다는 의견이 제기되고 있다. 따라서 본 연구에서는 건축물 용도별로 화재위험도평가를 수행하고, 위험성이 높은 건축물 내 창호가 화재확산을 방지할 수 있는지 난연성능 평가를 수행하고자 한다.
2. 기존 건축물의 화재위험도평가
본 연구에서는 화재통계분석을 통해 건축물의 용도별 화재위험등급을 선정하였으며, 기존 건축물의 화재위험도 맵(Map)을 제시하였다. 화재통계는 소방청 국가화재정보시스템의 최근 3년(2019~2021)간 화재건수, 사상자수, 재산피해액 데이타를 활용하였으며, 국토교통부 세움터의 3년(2019~2021)간 자료를 활용하여 건축물 현황을 분석하였다. 이러한 통계 자료를 활용하여 IPA 기법, SFPE 기법과 ArcGIS 기법을 통해 화재위험도를 분류하고, 건축물 용도에 따라 화재 위험성이 가장 높은 건축물을 선정하였다. 즉 IPA 기법을 활용하여 화재 위험성이 높은 건축물을 선정하였고, SFPE 기법을 활용하여 화재발생건수/대상시설물 모집단 수로 건축물의 화재위험도를 정량적으로 표준화하여 건축물 용도별 화재 위험도 등급을 선정하였다. 그리고 ArcGIS 기법을 통해 5단계의 범위를 risk matrix에 적용하여 화재위험도를 등급화하였다.
2.1 IPA 기법을 활용한 위험도평가
IPA (Importance Performance Analysis) 기법은 다속성 모델(Multi-Attribute Model)을 대상으로 각 속성의 상대적인 중요도와 성취도를 동시에 비교 분석하는 평가기법이다(Hammitt et al., 1996; Lee and Seo, 2013). 간단한 수치인 평가 속성의 평균값으로 분석하기 때문에 쉽고 빠르게 결론을 도출할 수 있다는 장점을 갖고 있다. IPA 기법의 위험도평가는 Fig. 1과 같이 사분면을 형성한다. Ⅰ사분면은 재산피해와 사상자가 모두 높은 속성, Ⅱ사분면은 재산피해는 높지만 사상자가 낮은 속성, Ⅲ사분면은 재산피해와 사상자가 모두 낮은 속성, Ⅳ사분면은 재산피해는 낮지만, 사상자가 높은 속성을 나타낸다.
Importance Performance Analysis
이러한 속성을 고려하여 화재 위험성이 높은 건축물을 선정하고자 화재건수, 사상자수, 재산피해액으로 분석하였다. Fig. 2는 화재건수 대비 사상자 수와 화재건수 대비 재산피해액으로 위험도가 높은 건축물을 선정한 결과이다. 분석 결과 창고시설, 공장시설은 Ⅱ사분면으로 나타났고, 숙박시설은 Ⅳ사분면으로 분류되어 창고시설, 공장시설, 숙박시설이 중위험도 건축물로 나타났다. 그리고 저위험도 건축물은 공동주택, 판매시설, 연구학원, 단독주택으로 분류되었다.
Buildings with High Risk Using IPA Techniques
2.2 SFPE 기법을 활용한 위험도 평가
미국 소방기술사회(SFPE, 2016)에서 활용하는 방법은 화재발생건수를 대상시설물의 모집단 수로 나눈 값(f = 화재발생건수/대상시설물 모집단 수)으로 건축물의 화재위험도를 정량적으로 표준화할 수 있는 방법이다. 이러한 SFPE 화재위험도 정량적 지표는 A (Anticipated), U (Unlikely), EU (Extremely Unilkely), BEU (Beyond Extremely Unlikely)로 4등급으로 세분화된다(NFPA, 2002; Shin et al., 2012). Table 1에 나타낸 바와 같이 주거용, 산업용, 문교사회용, 공업용으로 크게 분류하였다. 이를 좀 더 세분화하여 살펴보면, 주거용은 단독주택과 공동주택을 포함하였고, 상업용은 판매시설, 일반업무시설, 위락시설, 오락시설, 숙박시설을 포함하였다. 그리고 문교사회용은 학교, 종교시설, 운동시설, 연구학원, 관람장, 공연장이 포함되었고, 공업용은 창고시설과 공장시설을 포함하였다. 화재 위험성이 높은 건축물을 선정하고자 하였다. 국토교통부 건축행정시스템의 세움터에서 건축물현황 자료(단위: 동, m2)에 따라 세분화하기보다 큰 범주인 주거용, 산업용, 문교사회용, 공업용으로 분류하여 수행하였다. 건축물을 크게 4가지 유형으로만 분류하여 SFPE 위험도평가를 수행하였기 때문에 화재 발생가능성이 희박하다고 나타났다.
Quantitative Indicators of F-value and Fire Risk of SFPE
2.3 ArcGIS 기법을 활용한 위험도 평가
SFPE의 화재위험도 분석방법을 통해 화재위험도를 정량적으로 표준화한 값을 ArcGIS의 자연적 구분법을 통하여 위험도를 5단계로 구분하고 있다(Lee et al., 2020). 이에 자세한 빈도구간은 Fig. 3과 같다. 화재위험도 맵(Map)을 활용하여 화재발생빈도 대비 사상자수(명/건수)와 화재발생빈도 대비 재산피해액(억원/건수)을 대입하여 화재 위험도를 5단계(Ⅰ~Ⅴ)로 세분화하였다(Natural Breaks of Jenks). Table 2에 나타낸 바와 같이 발생빈도를 5단계의 구간으로 세분화하여 표준화하였다(SFPE, 2016). 이러한 SFPE의 정량적 화재위험도를 표준화하여 건축물의 용도별로 분류한 화재위험도는 Fig. 4와 같다. ArcGIS 기법을 통해 건축물의 용도별 화재위험도를 평가한 결과 건축물의 용도 중 공업용이 가장 위험성이 높은 것으로 나타났다. 이는 공업용 건축물에 내재되어 있는 위험 요인들에 의한 것으로 판단되며, 위험요인들을 면밀히 관리할 필요가 있을 것으로 판단된다.
Fire Hazard Map through ArcGIS Natural Classification Method
Frequency Section Classfied the Risk into Five Stages through the Natural Classification Method of ArcGIS
The Use Risk Measurement Result through the Natural Classification Method of ArcGIS
따라서 건축물 용도별에 따라 창고시설, 공장시설과 숙박시설이 상대적으로 위험성이 높은 건축물로 나타났다. 국토교통부의 건축물 현황 통계자료와 소방청 화재 통계자료에서 공통적으로 일치되는 범위로만 한정하여 선정하였기에 건축물 수는 동수로 산출하였다. 그리고 국토교통부의 세움터 자료를 기준으로 주택 현황을 파악하여 건축물 용도별인 주거용, 산업용, 문교사회용, 공업용으로 세분화하였다. 이것은 SFPE 기법에서 동일하게 U등급(화재발생가능성 희박)으로 나타났다. 이에 SFPE 기법을 제외하고, IPA 기법과 ArcGIS 기법을 종합하여 분석하였다. 중위험도 건축물(IPA 분석)이면서, Ⅳ등급(ArcGIS 분석)인 건축물은 창고시설과 공장시설로 나타났다. 또한 중위험도 건축물(IPA 분석)이면서, Ⅲ등급(ArcGIS 분석)인 건축물은 숙박시설로 나타났다. 따라서 ArcGIS 기법에 의해 건축물 용도별로 구분하자면, 상업용(숙박시설)보다 공업용(창고시설과 공장시설)이 비교적 위험성이 높은 건축물로 분류되었다.
3. 개구부의 난연성능 시험에 관한 적합성 검증
3.1 난연성능 및 위험성 평가
건축물 용도별 화재위험성평가를 수행하여 도출된 화재위험등급이 높은 건축물 내 개구부(PVC 창호와 AL 창호)를 대상으로 수행하였다. 현재 창호의 위험성을 평가할 수 있는 시험방법이 전무한 관계로 국토교통부고시, 건축자재등 품질인정 및 관리기준에 따라 창호의 화재확산 위험성에 대해 평가하고자 콘칼로리미터(KS F ISO 5660-1)와 가스유해성시험(KS F 2271) 장비를 이용하여 평가하였다.
시험체의 선정 방법은 실제 현장에서 주로 시공되고 있는 각 10개의 시제품 총 20개를 대상으로 하였으며, 선정된 20개의 시험체를 콘칼로리미터 시험 규격인 100 × 100 mm 크기로 3개씩 재단하였으며, 가스유해성시험 규격인 220 × 220 mm로 시험체를 각 2개씩 재단하였다. 실제 현장에서 주로 시공되고 있는 창호의 단열바의 유무에 따라 재질과 구조 등을 변형시키지 않고 제작하였다. 하지만 창호의 경우 복합자재로 둘 이상의 재료로 구성되어 있어 각 재료별로 난연성능을 시험해야 하지만, 창호의 어느 부분을 가열면(콘히터에 노출되는 면)으로 할 것인지에 따라 난연성능시험 결과의 신뢰성 확보 및 시험방법, 평가 기준의 문제점 등이 발생할 수 있다. 그러나 각 측면을 구성하고 있는 재질 등이 달라 난연성능 등이 상이하지만, 창호의 재질을 모두 구성하고 있는 윗면(노출되고, 레일이 있는 단면)을 가열면으로 선정하였다. 또한, 콘칼로리미터의 규격인 50 mm를 충족하지 않더라도 레일이 있는 단면의 높이가 실제 외부 노출되는 높이만큼만 재단하여 난연성능 시험을 수행하였다.
따라서 현재 국내에서는 창호에 적용되는 시스템의 시험방법과 평가 기준이 전무하므로 현재 재료의 난연성능평가를 수행할 수 있는 국토교통부, ‘건축자재등 품질인정 및 관리기준’의 제25조(난연재료의 성능기준)에 따라 콘칼로리미터시험과 가스유해성시험을 수행하였다.
Figs. 5와 6은 총방출열량(total heat release, THR)이 최소값과 최대값인 시험체를 선정하여 콘칼로리미터 및 가스유해성 시험 전⋅후 형상을 나타내었다. 또한, Tables 3과 4는 PVC와 AL 시편의 총방출열량과 실험용 쥐의 평균행동정지시간을 제시하였다. KS F ISO 5660-1의 기준에 따라 3회 시험한 후 평균값이 PVC-⑤ 14.8 MJ/m2과 PVC-⑩ 28 MJ/m2의 값으로 나타났으며, Fig. 5와 같이 PVC 창호의 시험 후 형상은 표면의 탄화가 발생된 것을 확인할 수 있었다. PVC 창호의 THR 값이 높게 나타난 원인으로 PVC 창호 표면에서 탄화층이 형성됨에 따라 열이 축적되어 재연소 과정을 반복하면서 THR 값이 비교적 높게 나타난 것을 확인할 수 있었다. 반면 AL 창호에서 3회 시험한 후 평균값이 AL-⑩의 THR 값이 0.1 MJ/m2과 AL-⑧의 THR 값이 11.8 MJ/m2로 나타났으며, 시험 기준에 적합한 시험체는 표면의 그을림 현상 외 시험 전 형상을 유지한 것을 확인할 수 있었다. 준불연재료의 성능기준에 적합하지 못한AL 시험체는 PVC 시험체와 동일하게 표면이 탄화된 것을 확인할 수 있었으며, 이는 AL 시험체의 단열성능을 향상시키기 위한 단열바의 연소로 인해 THR 값이 높게 나타난 것으로 판단된다. 콘칼로리미터 시험과 상이하게 가스유해성시험은 모두 준불연재료의 성능기준에 적합하였다.
Shape Before and After Corncalorimeter Test
Shape Before and After Gas Toxicity Test
PVC Fire Risk Assessment Test Result
AL Fire Risk Assessment Test Result
3.2 난연성능시험의 한계성 및 신뢰성 검토
국내에서 생상되는 창호는 창틀과 창짝이 주요 구성요소로 이루어져 있으며, 프로파일, 크리센트, 완충구, 핸들, 개스킷, 단열보강재 등이 복합적으로 구성되어 있다. 또한, 고정창, 미서기창, 턴앤틸트창, 폴딩도어 등 개폐방식에 따라 창호의 구성 또한 다양해진다. 따라서 창호의 성능평가는 복합적으로 이루어진 재료들을 하나의 시스템으로 구성하여 성능이 평가될 필요가 있다. 따라서 본 연구에서 수행한 콘칼로리미터 시험과 가스유해성 시험은 창호의 성능을 평가하기에 부적합한 요인이 있다. 또한, 국토교통부 건축자재등 품질인정 및 관리기준 제28조 2항 2호에 따라 둘 이상의 재료로 구성된 경우 각 재료에 대해 난연성능 시험을 수행해야 한다. 하지만 창호의 경우 레일 및 단열바의 유무에 따라 단면의 형태가 다르며, 난연성능 시험 시 화재에 노출되는 면이 달라 데이터의 신뢰성 여부와 가열면의 선정 기준 및 시험체 제작에 관한 논란의 여지가 있어 창호와 난연성능시험의 한계성이 존재한다.
따라서 창호의 난연성능평가에 대한 신뢰성이 부족하여 창호를 시험할 수 있는 기준 및 방법 등이 필요할 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 다양한 건축물에 대해 화재위험성을 평가하고, 건축물에 주로 적용되는 PVC 창호와 AL 창호의 화재확산의 위험성에 대해 건축물 마감재료의 성능기준에 따라 준불연재료의 성능기준의 적합여부를 평가하였다.
1) 건축물의 화재위험성을 평가하기 위해 IPA, SFPE, ArcGIS 평가 방법을 활용하여 화재위험등급이 높은 건축물을 도출하였다. IPA 기법의 경우 창고시설과 공장시설이 위험등급이 가장 높게 나타났으며, 숙박시설이 두 번째로 나타났다. SFPE 기법은 주거용, 상업용, 문교사회용, 공업용이 모두 동일하게 나타나 화재위험등급이 높은 건축물을 도출하기가 어려웠다. 그리고 ArcGIS 기법은 IPA 기법과 동일하게 창고시설과 공장시설이 위험성이 높았으며, 다음으로 주거용, 상업용, 문교사회용으로 나타났다. 따라서 화재위험등급이 가장 높은 건축물은 창고시설과 공장시설로 나타났으며, 다음으로 숙박시설이 높은 것으로 나타났다.
2) 창호의 난연성능 및 위험성 평가에서 PVC 창호에서 PVC-⑤의 THR 값은 14.8 MJ/m2로 나타났고, PVC-⑩의 THR 값은 28 MJ/m2로 나타났다. 이것은 표면에 탄화층이 형성되어 열이 축적되어 재연소 과정을 반복하면서 THR 값이 높게 측정된것으로 판단된다. 반면 AL 창호에서 AL-⑩의 THR 값은 0.1 MJ/m2로 나타났고, AL-⑧의 THR 값은 11.8 MJ/m2로 나타났다. 시험 후 형상에서 준불연재료의 성능기준에 적합한 시험체는 표면의 그을림 현상 외 시험 전 형상을 유지한 것을 확인할 수 있었다. 하지만 창호는 레일 및 단열바의 유무에 따라 단면의 형태 및 난연성능 시험 시 화재에 노출되는 단면 및 재질 등이 달라 현재 국토교통부고시에 따른 난연성능시험으로 평가하기에 부적합하다고 판단된다. 이에 데이터 신뢰성을 확보하기 어려워 창호에 적합한 난연성능시험 방법이나 기준 등이 정립될 필요성이 있을 것으로 사료된다.
감사의 글
본 연구는 산업화형(R&BD) 민간연구사업의 연구비지원(20230052-001 민간연구사업)에 의해 수행되었습니다.