방화댐퍼의 이격 설치에 따른 화재안전성에 관한 연구
Dependence of Fire Safety on the Spaced Installation of Fire Dampers
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Abstract
관련 건축법에서 방화댐퍼는 덕트의 방화구획 관통부분 또는 이에 근접한 부분에 설치되도록 규정되어 있다. 이에 따라 현장에서는 방화댐퍼를 방화구획 벽체 또는 바닥에 매립하여 설치하거나 인접하여 설치하고 있는데, 법에서 규정한 ‘근접한 부분’에 대해서는 명확한 기준이 없어 대부분의 현장에서는 방화구획 벽체 또는 바닥에서 이격하여 설치하고 있다. 방화댐퍼를 방화구획 벽체에서 많이 이격하여 설치하게 되면 이격된 부분의 덕트, 슬리브 등이 화재로 인한 고열로 변형될 수 있으며, 이를 통해서 연기 및 화염 등이 이웃 구획 공간으로 직접 전달될 수 있으므로 화재안전성이 확보되지 않을 수 있다. 이에 본 연구에서는 성능검증을 통하여 방화댐퍼의 이격 설치에 따른 화재안전성을 확인하고자 하였다. 성능검증 결과, 화재안전성 확보를 위해서는 방화댐퍼의 이격 거리를 최소화(벽체에 접합하여 설치)하여야 하는 것으로 나타났다.
Trans Abstract
According to building regulations, fire dampers should be installed in or close to the part of the duct that penetrates the fire compartment. Accordingly, in construction sites, fire dampers are installed in or adjacent to the fire compartment wall and floor. However, they are often installed too far away from the fire compartment wall and floor because the law does not stipulate a clear standard for “close”. If this occurs, the duct and sleeve in the spaced part may be transformed by the high heat of a fire. Through this, smoke and flames can be directly transmitted to the neighboring compartment space, failing to ensure fire safety. Therefore, this study investigated the dependence of fire safety on the spaced installation of fire dampers by performance verification. From the performance verification results, it was found that the separation distance of the fire damper should be minimized (i.e., attached to the wall) to ensure fire safety.
1. 서 론
방화댐퍼의 설치 위치와 관련하여서 ‘건축물의 피난⋅방화구조 등의 기준에 관한 규칙(MOLIT, 2022a)’(이하 ‘규칙’이라 한다)에서는 환기 또는 냉⋅난방 덕트가 방화구획을 관통하는 경우에는 그 관통부분 또는 이에 근접한 부분에 방화댐퍼를 설치하도록 규정되어 있다.
이에 따라 현장에서는 방화댐퍼를 방화구획 벽체 또는 바닥에 매립하여 설치하거나 인접하여 설치하고 있는데, 법에서 규정한 ‘근접한 부분’에 대해서는 명확한 기준이 없어 대부분의 현장에서는 방화구획 벽체 또는 바닥에서 이격하여 설치하고 있다. 방화댐퍼를 방화구획 벽체에서 많이 이격하여 설치하게 되면 이격된 부분의 덕트, 슬리브 등이 화재로 인한 고열로 변형될 수 있으며, 이를 통해서 연기 및 화염 등이 이웃 구획 공간으로 직접 전달될 수 있으므로 화재안전성이 확보되지 않을 수 있다.
한편, 방화댐퍼의 성능인정제도 도입과 관련하여 방화댐퍼 성능인정 시에 방화댐퍼의 설치 위치는 방화댐퍼의 성능에 큰 영향을 주게 되므로 설치 위치를 설정하여 성능인정을 받아야 할 필요성이 있다. 그리고, 내화채움구조의 인정제도 운영과 관련하여서도 방화댐퍼의 설치 위치에 따라 내화채움구조의 성능에 큰 영향을 주게 되므로 설치 위치를 설정하여 내화채움구조에 대한 인정서를 발급하여야 할 필요성이 있다.
본 연구에서는 방화댐퍼가 방화구획 벽체에 매립되어 설치된 경우, 방화구획 벽체 상부에 설치된 경우 및 방화구획 벽체에서 각각 50 mm, 100 mm 이격되어 설치된 경우에 대해서 비가열면 온도 측정 등을 통해 화재안전성을 확인하고, 방화댐퍼 및 내화채움구조의 성능인정 시 방화댐퍼의 설치위치 규정 필요성을 제시하고자 하였다.
2. 방화댐퍼 설치 기준 및 사례
2.1 설치 기준
규칙 제14조 제2항 제3호에서는 ‘환기⋅난방 또는 냉방시설의 풍도가 방화구획을 관통하는 경우에는 그 관통부분 또는 이에 근접한 부분에 다음 각 목의 기준에 적합한 댐퍼를 설치할 것.’이라고 정하고 있으며, ‘건축자재등 품질인정 및 관리기준(MOLIT, 2022b)’(이하 ‘고시’라 한다) 제35조 제4항 제3호에서는 ‘부착 방법은 구조체에 견고하게 부착시키는 공법으로 화재시 덕트가 탈락, 낙하해도 손상되지 않을 것’이라고 정하고 있다. Fig. 1은 ‘배연설비의 검사표준(KS F 2815, 2001)’에 실려 있는 방화댐퍼의 올바른 설치 예이다. 그러나, 여기서 검토해야 할 사항이 있는데, 방화댐퍼가 방화구획 벽체 또는 바닥으로부터 이격거리를 얼마까지 할 수 있는가가 그것이다. GBG 81 (2011)에서는 Fig. 2와 같이 방화댐퍼의 설치위치가 잘못된 경우 화재확산의 경로가 형성될 수 있음을 나타내고 있다.
Adequate Installation Example of a Fire Damper
Creating a Further Path for Fire Spread
2.2 설치 사례
Fig. 3은 GBG 81 (2011)에 실린 영국 현장에서의 설치 사례로 댐퍼가 방화구획 벽체에 밀접하여 설치된 모습을 나타내고 있다. 반면에 Fig. 4는 국내 일반적인 현장에서의 설치 사례로 댐퍼가 방화구획 벽체에서 약 100 mm 정도 이격되어 설치되어 있는 것을 볼 수 있다. 설치 사례에서 볼 수 있는 바와 같이 국내에서는 명확한 이격거리 규정이 없어 이에 대한 검토가 필요하다고 판단된다.
Damper Supported by Steel Hanger Rods and Channel Supports
Damper Installed Away from the Wall
한편, 내화채움구조의 인정제도 운영과 관련하여서 덕트 관통부 내화채움구조 성능평가 시 Fig. 5와 같이 방화댐퍼를 설치하고 내화채움재(차열재 등 포함)를 시공하게 되는데, 방화댐퍼의 설치 위치에 따라 내화채움구조의 성능에 큰 영향을 끼칠 수 있다. Fig. 5와 같이 방화댐퍼가 바닥에 매립되어 설치되지 않고, 바닥 상부에 설치되거나 바닥 상부에서 이격되어 설치된다면 내화채움구조를 둘러싼 차열재 등에 직접적인 열전달이 이루어져 내화채움구조의 성능이 저하될 수 있다.
Penetration Sealing System of Duct Opening
3. 방화댐퍼 이격 설치에 따른 내화성능 평가
3.1 성능평가 방법
방화댐퍼의 요구성능과 관련하여 규칙 제14조제2항제3호에서는 ‘국토교통부장관이 정하여 고시하는 비차열(非遮熱) 성능 및 방연성능 등의 기준에 적합할 것’이라고 규정하고 있으며, 고시 제35조제1항에서는 방화댐퍼에 대하여 비차열 1시간 이상의 내화성능 및 방연성능을 확보하도록 규정하고 있다. 한편, 내화성능 평가 방법은 ‘[별표 10] 방화댐퍼의 내화시험 방법’, 방연성능 평가 방법은 ‘방화댐퍼의 방연시험방법(KS F 2822, 2014)’으로 규정되어 있다. 내화성능 평가는 방화댐퍼를 폐쇄 상태로 하여 Fig. 6 ‘건축 부재의 내화 시험방법 ― 일반 요구사항(KS F 2257-1, 2019)’의 표준 시간-가열온도 곡선에 따라 가열하면서 차염성을 측정하여 Table 1의 성능기준을 만족하는지 여부를 확인하는 방법이다.
Standard Time-Temperature Curve
Integrity Performance
3.2 시험체
건축현장에서는 다양한 크기의 방화댐퍼가 사용되고 있으며, 방화댐퍼는 단면의 크기와 무관하게 통상 방화구획 벽체로부터 50 mm~100 mm 정도 이격 설치되고 있다. 보통 방화댐퍼 크기가 커질수록 내화성능 확보에 불리하나 방화댐퍼 크기의 영향을 배제하고, Table 2 및 Fig. 7과 같이 너비 3,000 mm, 높이 3,000 mm, 두께 100 mm인 경량기포콘크리트(ALC) 벽체에 너비 560 mm, 높이 560 mm, 깊이 200 mm (개구부 크기 : 너비 500 mm, 높이 500 mm)인 방화댐퍼를 벽 매립(깊이 100 mm) 설치, 벽 상부(접합) 설치, 벽 상부 50 mm 이격 설치, 벽 상부 100 mm 이격 설치로 하여 시험체를 제작하였다. 벽 매립 설치를 제외한 방화댐퍼에는 가열로 내부 방향으로 슬리브가 부착되도록 하였다.
Fire Damper Specimen
View of Installation of Fire Dampers and Thermocouples
한편, 모든 방화댐퍼에 액츄에이터로 동일한 모터를 설치하였으며, 벽 매립(깊이 100 mm) 설치 방화댐퍼는 모터에서의 화염 노출을 방지하기 위하여 모터 보호 케이스로 밀폐하였다.
그리고, 각 방화댐퍼의 온도 측정을 위하여 Fig. 7 및 Table 3과 같이 방화댐퍼 프레임 및 슬리브에 열전대를 설치하였다. 방화댐퍼 프레임에 설치하는 열전대는 벽체 또는 댐퍼 양쪽 말단으로부터 25 mm 이격한 위치에 설치하였으며, 슬리브에 설치하는 열전대는 벽체로부터 25 mm 이격한 위치에 설치하였다.
Position of Thermocouples
3.3 성능평가 결과
3.3.1 비차열(차염) 성능
내화성능 평가 결과, 모든 방화댐퍼가 5분부터 날개 부분이 변색되기 시작하였으며, 18분부터 날개 접합 부분이 적열되기 시작하여 시험종료 시까지 적열 부분이 확대되었다. 그리고, 27분부터 모터가 용융되기 시작하였으며, 35분부터 모터에서 연기가 발생되기 시작하였다. Fig. 8에서 보는 바와 같이 가열종료 시까지 비가열면에서 화염 발생 및 개구부 발생이 없어 차염 성능 기준을 만족하였으며, 벽 매립(깊이 100 mm) 설치 방화댐퍼의 경우 적열이 명확히 나타났으나, 그 외 방화댐퍼는 유사한 적열 상태를 나타내었다. 한편, Fig. 9는 시험종료 시의 모터 및 벽체와 슬리브 접합부의 모습을 보여주고 있는데, 벽체와 방화댐퍼와의 이격 거리가 가까울수록 모터의 융융 정도가 더 큰 것으로 나타났으며, 슬리브에 적열이 많이 되었고, 벽체와 슬리브 접합부에 열 변형으로 틈새 등 개구부가 발생한 것을 확인할 수 있었다.
View of Fire Test
View of Motor and Joint of Wall and Sleeve at the End of Fire Test
3.3.2 온도 측정 결과
내화성능 평가 결과, 각 방화댐퍼에서의 비가열면 온도 측정 결과는 Fig. 10과 같다.
Result of Unexposed Temperature Measurement
벽 매립(깊이 100 mm) 설치 방화댐퍼의 경우, 벽체로부터 25 mm 이격된 프레임 부분에서의 온도는 400 °C 내외로 나타났으며, 댐퍼 우측 말단으로부터 25 mm 이격된 프레임 부분에서의 온도는 300 °C 내외로 나타났고, 모터 보호 케이스 상부 부분의 온도는 250 °C 내외로 나타났다.
벽 상부(접합) 설치 방화댐퍼의 경우, 벽체로부터 25 mm 이격된 프레임 부분에서의 온도는 600 °C 내외로 나타났으며, 댐퍼 우측 말단으로부터 25 mm 이격된 프레임 부분에서의 온도는 250 °C~280 °C로 나타났고, 모터 보호 케이스 내측 부분의 온도는 400 °C 내외로 나타났다.
벽 상부 50 mm 이격 설치 방화댐퍼의 경우, 벽체로부터 25 mm 이격된 슬리브 부분에서의 온도는 750 °C~830 °C로 나타났으며, 댐퍼 좌측 말단으로부터 25 mm 이격된 프레임 부분에서의 온도는 650 °C 내외로 나타났고, 댐퍼 우측 말단으로부터 25 mm 이격된 프레임 부분에서의 온도는 300 °C 내외로 나타났으며, 모터 보호 케이스 내측 부분의 온도는 350 °C 내외로 나타났다.
벽 상부 100 mm 이격 설치 방화댐퍼의 경우, 벽체로부터 25 mm 이격된 슬리브 부분에서의 온도는 680 °C~750 °C로 나타났으며, 댐퍼 좌측 말단으로부터 25 mm 이격된 프레임 부분에서의 온도는 630 °C~650 °C로 나타났고, 댐퍼 우측 말단으로부터 25 mm 이격된 프레임 부분에서의 온도는 250 °C~280 °C로 나타났으며, 모터 보호 케이스 내측 부분의 온도는 300 °C 내외로 나타났다.
이러한 비가열면 온도 측정 결과를 분석한 결과, 댐퍼 또는 슬리브의 벽체 근접 부분에서의 온도가 매우 높은 것을 확인할 수 있었으며, 벽체에서 멀어질수록 온도가 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 한편, 방화댐퍼의 날개 설치 부분을 기준으로 350 °C~400 °C의 대단히 큰 온도차가 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
4. 결 론
본 연구에서는 방화댐퍼의 이격 설치에 따른 화재안전성을 확인하고자 하였으며, 방화댐퍼와 내화채움구조의 성능인정 시 방화댐퍼의 설치 위치 명시의 필요성을 제안하고자 하였고, 다음의 연구 결과를 도출하였다.
(1) 비차열(차염) 성능 및 비가열면 온도 측정 결과에서 볼 수 있듯이 방화댐퍼를 방화구획 벽체로부터 이격하여 설치할 경우 화재 시 이격 부분(슬리브 또는 방화댐퍼 프레임)의 온도가 매우 높아져 주위에 복사열 등에 의한 화재 확산이 발생할 수 있고, 벽체와 슬리브 접합부에 열 변형으로 틈새 등 개구부가 발생할 수 있으므로, 화재안전성 확보를 위해서는 방화댐퍼를 구조체(벽체, 바닥)에 매립하여 설치하거나 방화댐퍼의 설치 이격 거리를 최소화(구조체에 접합하여 설치)하여야 하며 방화댐퍼 성능인정 시 설치 위치를 명시하여야 한다.
(2) 내화채움구조도 방화댐퍼의 설치 위치에 따라 성능 확보에 큰 영향을 받을 수 있을 것으로 판단되므로 내화채움구조의 인정 시 방화댐퍼의 설치 위치를 명시할 필요성이 있으며, 이에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
(3) 방화댐퍼를 매립 설치하는 경우에는 보호 케이스로 엑츄에이터를 완전히 감싸도록 하여 모터에 화염이 발생하였을 경우에도 화염이 노출되지 않도록 할 수 있을 것으로 판단된다.
(4) 방화댐퍼의 점검, 수리 및 교체 등을 위해서는 방화댐퍼를 벽체로부터 일정 거리를 이격할 필요성이 있는데, 방화댐퍼를 이격 설치할 경우에도 화재안전성을 확보할 수 있는 방안을 마련할 필요성이 있으며 이를 위한 추가적인 연구를 진행하여 관련 건축법에 반영할 필요성이 있다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원의 지원으로 수행되었음(RS-2022-00156237).