1. 서 론
구획 공간에서 발생한 화재는 실내온도를 상승시키며 성장하고 급격한 산소의 소모로 인해 불완전 연소가 발생함과 동시에 플래시오버가 일어난다. 플래시오버가 발생하게 되면 연료지배형 화재에서 환기지배형 화재로 화재성상이 전환되며 구획 내 불완전 연소에 의해 발생한 미연소가스가 외부의 산소와 반응하며 폭발적인 화염이 발생하는데 이를 분출화염이라고 정의한다(Shin, 2018). 이러한 폭발적인 분출화염은 외벽을 거쳐 상층부 연소 확대에 큰 영향을 미치게 된다. 이러한 화재사례 중 가장 피해가 컸던 사례는 2010년 부산 주상복합 화재로서 최초 4층에서 발생한 화재가 창문을 파괴하며 외부로 분출되고 최상층까지 화재가 확대되었다.
구획 내에서 발생한 화재는 외부로 분출되는 과정에서 외기가 실내로 유입되기 위한 일종의 통로가 발생하게 된다. 외벽의 구조를 고려했을 때 개구부를 보호하는 창문이 외벽에서 가장 약한 부분이고 구획 내 온도상승에 따라 창문이 탈락하면 개방된 개구부를 통해 외기가 유입될 것으로 판단된다. 하지만, 창문의 경우 유리 및 프레임의 결합체로서 프레임의 방화성능이 낮은 경우 유리의 내화성능과 무관하게 창문 전체를 탈락시킬 수 있어 이에 대한 대책이 요구된다(Lee et al., 2019).
또한, 최근의 창문은 단순 개구부를 보호하는 수준을 넘어 커튼월(Curtain Wall)과 같이 외벽 자체가 유리와 프레임으로 구성되는 경우도 증가하고 있기 때문에 현행의 시험기준을 적용하기 어려운 사례가 지속적으로 늘어날 것으로 판단되며 이에 대한 대책을 마련할 필요가 있다.
이에 대한 대책으로 구조부재의 온도상승을 바탕으로 한 위험성 평가 방법을 고려할 수 있다. 구조부재의 온도상승에 대한 기계적 성질의 변화와 해석의 경우 강재를 중심으로 한 내화설계에서 주로 활용되고 있으며, 성능기반 내화설계의 실용화 기반 구축 역시 이러한 기초적 데이터를 확보하는 것에 주력하고 있다(Kwon, 2007; Kim et al., 2018). 이에 따라, Lee and Kwon (2023)은 기초적 데이터를 DB화 하기 위한 목적으로 창호 프레임 재료의 열적 성질과 더불어 재질에 따른 프레임의 인장강도 저하에 관한 연구를 실시한 바 있다(Lee and Kwon, 2023).
본 연구에서는 전보에 이어 기존의 시험 결과를 바탕으로 열해석을 실시하고 이를 실물 실험 결과와 비교해 창호의 탈락에 영향을 주는 요소를 검증하고 열해석 프로그램을 이용한 창호 탈락 위험성 평가 가능 여부에 대해 검토하였다.
2. 창호 프레임에 관한 기존 연구 정리
2.1 열적 성질 및 인장강도에 관한 기존 연구
Lee and Kwon (2023)은 창호 프레임의 종류에 따라 국내 사용 비율이 높은 PVC와 알루미늄(Al6063-T5) 두 가지를 대상으로 시험을 실시했다.
온도에 따른 재료의 인장강도는 재료가 가지고 있는 열전도율, 비열, 밀도 등의 특성에 영향을 받는다. 따라서, 고온 조건에서 실시한 재료의 온도별 열특성에 대한 시험을 진행했으며, 시편의 온도별 시험 결과는 Table 1과 같다.
Table 1
Result of Test (Mechanical Property)
Lee and Kwon (2023)은 각각의 재료가 가지고 있는 용융점에 의해 가열 온도는 상이하지만 시작 온도를 기준으로 용융점까지 일정 지점마다 온도를 상승시키는 과정에서 나타나는 열전도도 및 열확산 계수의 변동성을 조사하고자 했다. 이를 통해 PVC는 열전도도가 온도에 따른 차이가 10% 내외로 어느 정도 일정한 수치를 보인 반면, 알루미늄 시편의 경우 특정 온도에 도달하면 열전도도 및 열확산계수가 크게 변동해 상온 기준 2배에 가까운 증가를 보이는 것을 시험을 통해 도출하였다. 다만, 열전도도의 급격한 변화는 재료가 가지고 있는 용융점과 별개로 강도의 저하와 관련될 가능성이 있다고 판단해, 고온에 노출되었을 때 직접적인 강도 저하가 발생하는지 검토했다. 이에 대한 결과는 Tables 2, 3과 같다.
Table 2
Tensile Test Results of Al6063-T5
Table 3
Tensile Test Results of PVC
2.2 창호 화재실험에 관한 기존 연구
Lee et al. (2019)은 구획 내에서 발생한 화재로 인해 창호의 탈락이 유발되는 요인이 창호 프레임의 연소 특성이라고 추정하였고 이에 대한 검증을 위해 창호 프레임을 대상으로 Cone Calorimeter와 SBI (Single Burning Items) 시험을 진행했다. 시험결과 재료가 가지고 있는 연소성능에 따라 프레임이 붕괴되는 현상이 발생하여 창호 탈락에 영향을 미칠 것으로 예측했다.
Lee et al. (2021)은 1시간 내화유리에 동일한 두께 및 크기의 창호 프레임을 각각 PVC와 알루미늄으로 제작하여 유리구획의 내화성능시험 기준에 따라 실험을 진행한 바 있다. 해당 실험에서는 유리창의 내화성능이 1시간임에도 불구하고 프레임 부분에서 유해한 관통 및 연화 현상이 발생하여 PVC 9분, 알루미늄 26분에 시험이 종료되어 창호 프레임의 연소특성이 창호 탈락에 직접적인 영향을 미치는 것으로 검증되었다(Lee et al., 2021). 다만 PVC 창호 프레임의 경우 완전히 구조체가 붕괴되는 시점까지 시험이 이뤄졌는데 약 12분이 경과하는 시점에 창호가 붕괴되는 것으로 나타났다.
3. 실물 규모 화재실험과의 비교를 위한 열응력 해석
3.1 해석개요
본 장에서는 2장의 기존 연구결과를 바탕으로 창호의 탈락 시점을 추정할 수 있는지 검증하기 위해 열응력 해석 시뮬레이션을 구동한다. 입력변수는 Table 4와 같다. 해석에 사용된 Tool은 MIDAS NFX 2021 R1 버전으로 해석 순서는 과도상태 열전달 해석을 통해 구획 내부의 창호에 전달된 온도 조건을 계산한다. 이후 선형/비선형 정적 해석을 통해 온도에 따른 변위 및 응력-변형률을 계산하고 이를 실제 화재실험과 대조해 창호의 탈락에 영향을 주는 요소를 도출하는 것에 목적이 있다. 따라서 모델은 방화유리창 시험기준인 Fig. 1과 같이 기존 연구에서 사용했던 실험체 규격에 맞춰 Fig. 2와 같은 형태로 모델링을 진행했다. 본 연구에 사용된 Tool의 경우 착화모델이 반영되지 않아 착화 여부와는 별개로 해석이 이뤄지기 때문에 창호 프레임의 탈락 및 전단 현상이 발생하는 것에 대한 검증만이 가능하다.
Table 4
Input Variables for Calculating the Displacement of a Frame
또한, 화재 실험에 적용된 프레임의 항복강도 등이 창호의 구조적 붕괴를 야기하지 않을 정도라면 유리의 물성에 영향을 받아 창호의 구조에 영향을 미칠 수 있기 때문에 변수를 반영하고자 유리의 성능조건은 일반유리, 1시간 내화유리 2가지로 구분하고 각각 알루미늄 및 PVC를 대상으로 해석을 진행했다.
해석에 필요한 조건은 최대한 실제 실험과 유사하게 구현하고자 접촉 파라미터를 이용해 유리-창틀, 창틀-벽체 순으로 접촉시켜 해석을 실시하는 일체거동접촉(Welded Contact)으로 설정했다.
접촉은 면-면 접촉(Surface to Surface Contact)으로 설정했으며, 점-면 접촉(Node to Surface Contact)에 비해 계산 시간이 비교적 증가하나 비 관통 조건을 상대적으로 정확하게 구현하기 때문에 구조물의 거동 평가를 비교적 정확하게 모사할 수 있다.
3.2 선형 해석을 통한 계산
구획 공간에서 발생하는 화염의 발생을 방지하기 위해서는 연화 온도 또는 용융점 등의 온도를 통한 창호의 탈락을 방지하는 것도 존재하나 고온에 노출되었을 때의 재료가 가지고 있는 인장강도 및 항복강도를 통해 구조체의 변위를 통해서도 위험성을 판단할 수 있다. 변위(Displacement)란 물체가 위치를 바꾸거나 크기와 방향을 나타내는 양으로 정의되며, 방향과 크기를 가지는 벡터량이자 두 점 사이의 최단 거리로 정의된다. 따라서 변위가 커질수록 구조체의 변화가 커지며 안전성이 떨어진다고 판단할 수 있다.
기계적 성질에서 나타난 바와 같이 재료의 용융 또는 연화가 발생하는 특정 온도에서 변형이 발생할 것으로 추정되나 미소 변형의 범위 내에서는 선형해석을 수행하는 것으로도 비선형해석과 유사한 결과를 얻을 수 있는 경우가 있다. 따라서 먼저 선형해석을 통한 해석을 실시한다.
선형 해석을 통한 변위 계산 결과 일반유리는 Fig. 3과 같고 내화유리는 Fig. 4와 같다. 일반유리를 대상으로 한 해석결과 PVC 프레임의 경우 최대 변위는 약 16.22 mm가 발생한 것으로 나타났으며, Al6063-T5 프레임의 경우 약 12.7 mm의 변위가 발생하는 것으로 계산되었다.
내화유리를 대상으로 한 해석결과 PVC 프레임의 경우 최대변위가 약 15.85 mm로 나타났으며, Al6063-T5 프레임의 경우 약 12.63 mm의 변위가 발생하는 것으로 계산되었다. 프레임이 고정된 벽체의 두께는 100 mm, 프레임의 두께는 40 mm이기 때문에 선형 해석 상 두 재료 모두 어느 정도 변위는 발생하지만 이로 인해 프레임의 붕괴가 발생하지 않는 것으로 나타났다. 다만, 선형 해석의 경우 시간에 따른 온도 변화를 반영하지 않기 때문에 금속이 아닌 PVC의 경우에는 추가적인 검토가 필요할 것으로 생각되어 비선형 정적해석을 통해 변위와 응력-변형률에 대해 검토했다.
3.3 비선형 해석을 통한 계산(일반유리)
일반유리를 대상으로 한 해석 결과는 Fig. 5와 같다. PVC 프레임의 최대변위는 약 3.81 mm가 발생한 것으로 나타났으며, Al6063-T5 프레임의 최대변위는 약 12.74 mm의 변위가 발생하는 것으로 계산되었다. 변위를 비교해보면 PVC는 선형 해석결과와 큰 차이를 보인다. 이에 반해 Al6063-T5는 선형 해석과 거의 유사한 수치를 보인다.
이를 좀 더 상세히 해석하고자 전단이 발생한 지점의 응력-변형률에 대해 추가적인 계산을 실시했다. 변형률은 초기 길이 대비 하중에 의해 얼마나 길이가 변화했는지를 의미하기 때문에 무차원 수로 표현된다.
다만, 직관적인 이해를 위해 변형률은 백분율로 표현했다. Fig. 6은 응력-변형률을 나타낸 것이다. 이를 시간에 따른 변화값으로 나타낸 결과는 Figs. 7, 8과 같다. PVC 프레임의 경우 시간에 따른 온도 변화를 반영한 결과 최대 변형률은 약 11.04%로 계산되었으며, Al6063-T5 프레임의 경우에는 약 9.55%로 계산되었다.
시간에 따른 최대응력은 약 32.97 MPa로 계산되었으며, Al6063-T5 프레임의 경우에는 약 254.94 MPa로 계산되었으며, PVC 프레임은 약 722초가 경과하는 시점에 전단으로 계산이 정지했으며, 알루미늄 프레임은 약 1,710초가 경과하는 시점에 전단으로 계산이 정지됐다.
3.4 비선형 해석을 통한 계산(내화유리)
내화유리를 대상으로 한 변위 해석결과는 Fig. 9와 같다. PVC 프레임의 최대변위는 약 4.73 mm가 발생한 것으로 나타났으며, Al6063-T5 프레임의 최대변위는 약 12.73 mm의 변위가 발생하는 것으로 계산되었다.
일반 유리와 같이 내화 유리를 대상으로 한 해석에서도 선형해석과 큰 차이를 보이고 있다. 이를 일반 유리와 같이 응력-변형률에 대해 계산한 결과는 Fig. 10과 같다.
Figs. 11, 12는 시간에 따른 응력, 변형률을 나타낸 것이다. PVC 프레임의 경우 시간에 따른 온도 변화를 반영한 결과 최대 변형률이 약 13.54%로 계산되었으며, Al6063-T5 프레임의 경우에는 약 9.55%로 계산되었다. PVC 프레임의 경우 시간에 따른 최대응력은 약 33.02 MPa로 계산되었으며, Al6063-T5 프레임의 경우에는 약 254.94 MPa로 계산되었다.
내화유리를 대상으로 했을 때 PVC 프레임은 약 750초가 경과하는 시점에서 프레임의 전단으로 계산이 정지되었으며, 알루미늄 프레임은 약 1,710초가 경과하는 시점에서 전단으로 인해 계산이 정지됐다. PVC의 경우 입력된 인장 강도의 약 73% 수준의 강도에서 전단이 발생했으며, Al6063-T5의 경우 약 101% 수준의 강도에서 전단이 발생하는 것으로 계산되었다.
다만, 이는 PVC가 가지는 고분자 재료의 특성과는 별개로 용융점 자체가 Al6063-T5에 비해 지나치게 낮기 때문에 고온에 노출되었을 때 강성이 저하되며 연신율이 증가해 변형이 발생한 것으로 생각된다. 또한 이러한 현상은 인장 시험에서도 동일하게 확인되었기에 PVC는 고온에 노출될수록 열화에 의한 강성 저하가 비교적 크게 발생하고 이에 따라 항복응력이 낮아져 좀 더 빠르게 전단이 발생한 것으로 추정된다.
4. 해석결과 및 고찰
실물 실험에서는 PVC 약 540초, 알루미늄 약 1,560초 이후 창호의 변형이 발생했는데 연소현상을 반영하지 않는 열응력 프로그램 해석 결과에서는 내화유리 기준 PVC 약 750초, 알루미늄 약 1,710초로 구조체 변형에 의한 전단이 발생하는 것으로 나타났다. 다만, 2장에서 언급한 바와 같이 PVC를 대상으로 한 시험에서 구조가 완전히 붕괴 되는 것을 측정한 결과 역시 약 720초 전후였던 것을 고려한다면 Al6063-T5 재질의 창호 프레임 역시 해석 결과와 유사한 시점에 붕괴 되었을 것으로 추정된다. 그러나, 실제 실험에서는 재료 자체의 용융점에 도달해 착화가 발생하며 프레임의 변형이 이뤄졌으나, 열응력 해석에서 재료의 착화까지는 고려하지 못해 실제 실험 결과와는 차이가 발생했다는 점에 있어 추후 착화모델을 적용한 검증이 추가적으로 요구될 것으로 판단 된다.
다만, 추가적인 검증이 요구되는 것과는 별개로 응력에 의한 재료의 변형은 연소 현상과는 별개로 고온 조건에서 재료가 가진 기계적 성질에 의해 발생하는 것으로 추정되므로 창호 자체의 탈락을 유발한다는 점에 있어 열해석 결과를 적용한 평가 가능성은 높다고 판단된다.
또한, 유리의 경우 PVC 프레임에 한정하여 탈락까지 소요 되는 시간이 약간 지연되는 것을 제외한다면 프레임의 탈락 자체는 방지할 수 없는 것으로 나타났고, Al6063-T5 역시 유리의 내화성능보다 이른시간에 창호의 변형이 발생했다.
이는 기존의 실험결과 및 본 해석에서도 동일한 결과인 것을 고려한다면, 창호의 방화성능 및 탈락을 방지하기 위해서는 유리의 성능 향상과 동시에 프레임의 성능 개선 역시 이뤄질 필요가 있다고 판단된다.
5. 결 론
본 연구에서는 기존 창호 프레임의 기계적 성질에 대한 시험 결과를 바탕으로 열해석을 실시하고 이를 실물 실험 결과와 비교해 창호의 탈락 요소를 검증하고 열해석 프로그램을 이용한 창호 탈락 위험성 평가 가능 여부에 대해 검토하였다. 이에 대한 결론은 다음과 같다.
1) 기존 연구 결과를 바탕으로 유리의 내화성능이 창호 탈락에 영향을 미치는 지 검증하고자 일반 유리와 내화 유리를 대상으로 열해석을 실시했다. 일반유리는 PVC 722초, Al6063-T5 1,710초에 전단이 발생했으며, 내화유리는 PVC 750초, Al6063-T5 1,710초로 계산되었다. PVC에 한정해 약간의 지연시간은 발생하나 유리 자체는 창호 프레임의 탈락에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났으며, 프레임의 기계적 성질이 가장 주요한 요소로 나타났다.
2) 해석 결과를 실물 실험과 비교한 결과 PVC 540초, Al6063-T5 1,560초로 어느 정도 차이가 있는 것으로 사료되나 2장에서 언급한 바와 같이 PVC 프레임이 완전히 붕괴되는데 약 720초가 소요된 것을 고려한다면 유사한 결과를 도출할 수 있을 것으로 판단 된다. 다만, 현재 국내에서 창호의 비차열성능을 판정하는 기준을 상회하는 시점만 유추할 수 있다는 점에 있어 향후 실험 및 해석을 통해 판정구간을 선정할 필요가 있다.
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