1. 서 론
1.1 연구의 배경 및 목적
방화문은 주택, 아파트, 공장, 사무실 등의 건축물 등에 화재가 발생 시 화재 번짐을 차단하기 위하여 출입구 또는 비상구 등에 설치되는 구조물로 4개의 면으로 형성되어 벽을 관통하여 설치되는 사각 형상의 문틀과 이러한 문틀 사이에 개폐가능하게 설치되는 문짝으로 이루어진다.
그러나 이러한 일반적인 방화문은 보행에 어려움 있는 장애인 또는 노약자 및 병원에서 휠체어 등으로 이동해야 하는 환자의 경우 문틀의 하부에 돌출된 턱으로 인하여 통행에 어려움이 있어 방화문이 설치된 후 하부 턱을 제거하여 사용하는 경우가 많다.
방화문에서 하부 턱을 제거하는 경우 실제 화재가 발생할 때 방화문의 기능은 상실되어 많은 인명사고가 발생될 수 있어 최근에는 하부에 문턱이 없는 무턱방화문이 병원, 학교, 백화점 등 다중이용시설의 보행통로를 중심으로 사용이 늘어나고 있는 실정이다.
방화문은 항상 닫혀 있는 구조이지만 계단실, 복도 등 보행인이 많은 장소에는 평상 시 열려 있다가 화재 시 자동으로 닫히는 구조인 상시개방형 방화문이 주로 사용되고 있으며 상시개방형 방화문의 경우 대부분 무턱방화문이며, 최근에는 일반 방화문에서도 보행의 편의성으로 인하여 상시개방형 방화문의 사용이 늘어나고 있는 실정이다.
한편 방화문에서 문틀의 무턱을 구현하기로 한 방법은 문짝 하부에 가스켓을 설치하는 방법이나, 문짝의 하부에 설치된 가스켓이 평상시에는 들려 있다가 문짝이 닫히면서 가스켓이 자동으로 하강하는 구조의 자동승강구조의 방법이 있는데 상시개방형의 구조의 경우 문짝 하부에 가스켓을 설치하는 방법을 주로 사용하고 있으며 일반적인 방화문의 경우 가스켓의 마모 등으로 인하여 자동 승강형 구조방식이 널리 사용되고 있다.
도어에서 무턱을 구현하는 방식은 일반적인 목재문에서 많이 사용되는 자동승강형 구조가 많이 사용되고 있으며 방화문에서는 상시개방형 구조의 경우 도어를 자주 개폐하지 않는 관계로 도어 개폐에 따른 가스켓의 마모가 적어 도어 하부에 가스켓을 부착하는 공법이 주로 사용되고 있으나 최근 방화문에서 무턱 구현방식은 유럽 국가를 중심으로 다양한 공법이 연구 개발되어 제품화되고 있으며 Fig. 1 방식은 도어에서 무턱을 구현 하는 가장 많이 사용되는 형식이다(Kim et al., 2020).
무턱을 구현하는 방법은 구조형식에 따라 다양한 형태로 개발되고 있지만 모두 가스켓을 사용하는 구조로 도어의 폭 및 높낮이 조절 기능이 가능한 자동승강형 구조로 연구개발이 활발하게 이루어지고 있으며, 무턱의 구조는 최근 일반도어에서 방음성을 유지하면서 사용의 편의성을 도모하기 위하여 문턱을 제거하고 오토 도어 버텀을 설치하는 구조가 널리 사용되고 있습니다. 무턱구조에 대한 방음성에 대한 성능실험 결과 방음 성능이 효과적으로 달성되어 무턱구조는 최근 방음뿐만 아니라 방화, 방음성능이 요구되는 병원, 학교, 호텔 및 기타 공공장소에서 광범위하게 적용되고 있다(Fei, 2021).
무턱방화문을 구현하면서 상시개방형 무턱방화문에서는 가스켓을 사용하고 일반방화문에서는 자동승강구조의 가스켓을 적용하여 무턱방화문을 구현하고 있지만 방화문을 닫았을 때 가스켓이 밀착하면서 틈새를 차단하는 데 한계가 있고, 또한 실제로 화재 발생 시 가스켓이 타면서 가스가 분출되어 문짝 하부 틈새를 통하여 화염이 외부로 통과되어 유출되기 때문에 내화성능의 확보에 어려움이 있다.
따라서 방화문의 기본 성능인 내화성능은 물론 기밀성능 및 단열성능을 유지하면서 화재발생 시 발생되는 가스 또는 화염이 외부로 유출되지 않도록 함으로써 위험한 상황에 대처할 수 있는 시간의 확보가 가능한 방화문에 대한 개발이 절실한 실정이며 Fig. 2는 일반적으로 널리 사용되고 있는 승강형 구조방식이다.
1.2 연구의 범위 및 방법
방화문은 일반적으로 닫혀있는 구조인 일반방화문과 평상시 향상 열려 있다가 화재 시 자동으로 닫히는 구조인 상시개방형 방화문으로 구분되고 있다. 무턱방화문의 구현은 일반적인 단열문이나 방음문과 같이 기밀성, 단열성, 방음성 이외에 내화성능을 유지하여야 함에 따라 방화문에서 하부턱이 없는 구조에서는 성능확보에 많은 어려움이 있다.
본 연구는 일반적인 방화문에서 하부에 문턱을 없애는 경우 기밀성 및 단열성은 유지되면서 화재발생시 가스 또는 화염이 외부로 유출되지 않도록 구조적으로 문제를 해결하여 내화성능을 향상할 수 있도록 하고자 한다.
일반적인 무턱방화문은 내화성능 향상을 위하여 도어하부에 오토버텀을 적용하면서 기밀성 및 단열성능을 향상하면서 내화성능을 확보하고 있지만 이러한 가스켓만의 사용으로는 내화성능을 확보하는 데는 한계가 있다. 이에 따라 무턱에서 내화성능을 근본적으로 향상 시킬 수 있는 구조에 대한 연구개발에 중점을 두고자 한다.
연구방법은 기술개발 후 시제품에 대한 설계를 진행하고 시제품을 제작하여 KOLAS 인증을 받은 국가공인 시험기관에 품질시험을 의뢰하여 성능을 충족하는 제품을 연구개발 하고자 한다.
2. 고내화 성능의 무턱방화문 구조 연구개발
2.1 개발의 범위 및 방향
방화문의 내화성능은 화재에 노출면과 노출되지 않은 면, 경첩 쪽과 경첩의 반대쪽에 따라 온도상승은 현저하게 차이가 나며, 화재가 발생한 경우 특정시간 동안 화재가 시작된 방이나 특정구역에서 화재의 확산을 방지하기 위해서 다른 구역으로 이동하는 화염을 제한하면서 사람들을 대피시킬 수 있는 구조로 설계가 반영되어야 한다(Izydorczyk et al., 2016).
방화문은 평상시 닫혀있는 구조의 일반적인 방화문을 비롯하여 복도나 계단실 등 많은 인원이 출입함에 따라 상시 개방되어 있는 방화문이 있으며, 상시개방형 방화문의 경우 화재 시 화재감지기에 의한 감지에 의하여 자동으로 닫히는 구조로 되어 있다.
일반적인 방화문은 늘 닫혀있는 구조이므로 힌지는 피벗힌지 또는 정첩으로 구성하고 있으나 상시개방형 방화문의 경우 화재 시 자동으로 닫히기 위하여 힌지는 오토힌지가 사용되고 있으며, 화재 시 자동으로 닫히는 구조를 위하여 도어릴리즈 또는 자동폐쇄장치가 사용되고 있다.
일반적으로 방화문은 60분 이상의 내화성능 및 차연 성능을 충족하면 된다. 그러나 무턱방화문의 경우 방화문의 기본성능인 내화성능의 성능확보의 어려움으로 인하여 이번 연구에서는 편개방화문에서 투시창을 적용하여 내화성능은 70분 이상의 도달하는 제품을 개발하고자하며, 연구개발 방법은 기술개발이 진행되면 시제품을 제작하여 국가공인 방화문 품질시험 기관에서 성능테스트를 하여 KS F 2846의 방화문의 차연시험에 따른 성능기준을 충족하는 내화성능이 향상된 무턱방화문을 연구 개발하고자 한다.
2.2 기존 제품 조사 분석
건축물의 방화구획을 위한 방화문에 있어 방화문 하부 문틀로 인한 보행 및 물류의 이동에 어려움의 이유로 문틀 하부를 제거하는 경우 방화문의 내화성능은 담보할 수 없으며, 방화문에서 문틀을 없앤 무턱구조의 방화문은 방화문 하부틀에 가스켓을 직접 부착하는 형식과 방화문 하부틀에 삽입되어 승강식 구조 방식을 주로 사용하고 있으며, 무턱방화문은 하부 틈새 차단의 어려움으로 제조사는 극히 제한적이다.
승강식 구조는 목재문에서 도어 자동바람막이 역할을 위하여 제조 생산하여 왔으나 무턱방화문에도 적용되면서 다양한 구조와 재질 및 형상을 적용하여 무턱방화문의 내화성능 향상을 위하여 끊임없는 연구개발이 진행되고 있다.
무턱방화문을 건물의 고층화, 대형화 등으로 인하여 수요는 늘어나고 있으나 국내에 성능 인증된 방화문이 존재하지 않아 그동안 수입에 의존하거나 일체형 방화셔터로 이를 대신하여 왔으나, 최근 국내 중소업체에서 문턱이 없는 승강식 방화문이 국내에서 개발되면서 국내 개발제품이 사용되고 있으나, 성능은 수입품에 비하여 떨어져 있는 것이 사실이다.
이러한 무턱방화문의 개발이 중소 방화문 제조업체에서 개발에 장기간 시간이 소요될 뿐 아니라 연구개발에 막대한 예산이 소요되어 중소업체인 방화문 제조사에서는 현실적으로 기술개발이 어려운 상황이기 때문이다.
우리나라의 방화구획 규정은 바닥면적, 층별, 건축물의 용도별로 구분되어 있으며 건물 용도에 따른 별도의 규정은 되어 있지 않다. 뿐만 아니라 방화구획 상 개구부에 설치되는 방화문 성능 기준도 용도와 부위별 구분 없이 일률적으로 비차열 60분 이상으로 규정하고 있다.
그러나 미국, 영국, 캐나다 등 외국에서는 방화구역 내 공간의 사용목적에 따라 내화성능을 1시간에서 4시간까지 세분화하고 있으며, 방화구획 상 설치되는 방화문에도 설치 장소와 용도에 따라서 3시간, 2시간, 1시간 30분, 1시간, 45분, 30분, 20분 등으로 세분화하고 있다(Yeo et al., 2017).
또한 국내와는 달리 화재 확산 방지설비의 요구 내화성능을 각각의 내화설비에 따라 세분화된 규정을 사용토록 하고 있으며, 적용되는 위치 및 용도에 따라 내화성능을 달리 규정하여 적용하도록 하고 있으며, 이와 같이 해외 선진국의 경우 방화문에 대하여 화재성능인 내화성능에 대하여 규정이 복잡하고 매우 까다롭다.
그러나 이러한 상황에서 영국, 독일 등 유럽의 선진국에서는 평상시 강철재도어가 방화성능을 확보하도록 하고 있어 도어 하부에 프레임이 없는 무턱방화문의 제조기술이 크게 발달되어 있으며, 영국, 독일 등 유럽의 EU국가는 방화문의 내화성능에 대하여 우리나라의 1.5배인 90분 이상 확보하도록 대부분의 국가에서 규정하고 있어 방화문 제조에 대한 기술이 크게 발달되어 있으며, 방화문 제조기술의 발달로 기본적인 방화문은 물론 도어하부에 프레임이 없는 무턱방화문의 제조기술이 발달하고 있다.
2.3 고내화 성능의 무턱방화문 구조개발
무턱방화문의 내화성능 확보를 위하여 가장 중요한 점은 방화문의 하부 구조에서 턱이 없기 때문에 문틀과 도어 사이의 공간을 최대한 밀폐시켜 가스나 불꽃이 발생하여 유출되지 않도록 하는 것이 가장 중요한 부분이며 내화성능을 확보하기 위하여 기밀성 및 단열성까지 확보해야 하는 점이 본 연구의 중요한 과제이다.
본 연구에서 고내화 성능의 무턱방화문의 구조 개발 연구는 크게 4가지 방식으로 발전했다. 개발 구조에 따라 Type “A”에서 Type “D”까지 명칭 하였다.
첫 번째 Type “A”는 일반 무턱방화문의 도어 하부에 일반가스켓을 적용한 방식이다. 일반 무턱방화문의 도어 하부에 일반가스켓을 적용하는 구조는 일반 무턱방화문의 기본적인 구조로써 본 연구를 진행하는데 기준이 되는 방식으로 연구개발을 진행했다.
두 번째 Type “B”는 도어하부 일반가스켓 적용 방식의 취약점인 문을 개폐 시 도어 하부 가스켓이 바닥과의 마찰로 가스켓의 마모 등으로 인해 틈새가 발생하여 화염이 통과되는 점을 보완하여 도어 하부의 승강식 구조인 오토버텀에 일반가스켓을 적용하여 내화성능을 만족할 수 있는 구조로 연구 개발했다.
세 번째 Type “C”는 같은 승강식 구조인 오토버텀을 사용하였으며 두 번째 구조의 승강식 구조에 일반가스켓을 적용한 방법을 보완하여 이중가스켓 구조로 가스켓을 이중으로 사용하여 틈새를 최대한 차단하여 화염이 외부로 유출되지 않도록 개발하여 연구를 진행했다.
마지막으로 Type “D”는 지금까지 진행했던 구조의 취약점을 보완하여 승강식 구조의 오토버텀을 사용하여 이중가스켓을 적용한 방식에서 팽창성 발포재인 탄소섬유계 그라파이트와 도어 하부의 오토버텀에 가스홀을 적용하여 화염이 발생 시 팽창성 발포제인 그라파이트가 발포하여 틈새를 차단하는 역할을 하며 내화성능 및 기밀성능을 만족하는 결과를 가져온다. 그리고 도어 하부에 가스켓 등의 재료가 연소되면서 가스가 생기는 경우에 가스가 도어 하부 틈새로 유출되어 불꽃을 발생시켜 내화성능을 확보하지 못하기 때문에 가스홀을 만들어서 가스가 외부로 유출되지 않고 내화성능을 향상시키는 역할을 하는 구조로 개발하여 연구를 진행했다. 상기 고내화 성능의 무턱방화문 구조의 연구개발과정 내용은 Fig. 5에서 확인할 수 있다.
2.4 시험 및 분석
본 연구과제의 개발제품 시험은 국가공인시험인증기관(KOLAS)에 의뢰하여 시험을 진행하였다. 방화문의 성능시험은 한국산업표준 KS F 2268-1 ｢방화문의 내화시험방법｣에 따른 내화시험, KS F 2846 ｢방화문의 차연시험방법｣에 따른 차연시험 및 KS F 3109 ｢문세트｣에 따른 문세트 시험을 해야 한다. 문세트 시험은 KS F 2630에 의한 ｢비틀림강도시험｣, KS F 2631에 의한 ｢연직하중강도시험｣, KS F 2236에 의한 ｢내충격성시험｣과 ｢개폐반복성시험｣, KS F 2237에 의한 ｢개폐력시험｣을 해야 한다.
본 연구과제의 개발 제품의 성능시험 분석결과 내화성능의 경우 비차열 성능 60분 이상의 내화성능 기준을 모두 만족하였으며 최종 연구개발 구조인 Type “D”는 비차열 성능 90분 이상을 확보하여 비차열 성능기준을 크게 상회하는 성능을 확보했다. 또한, 차연성능도 성능기준인 0.9 m3/min⋅m2 이하를 만족해야 하는데 최종 연구개발 구조인 Type “D”는 차연성능 0.09 m3/min⋅m2를 기록하여 성능기준을 크게 상회하는 차연 성능을 확보했다.
Table 1에서 확인할 수 있듯이 Type “A”는 25 Pa에서 0.3 m3/min⋅m2을 기록하였고 Type “B”는 25 Pa에서 0.66 m3/min⋅m2을 기록하였다. 마찬가지로 Type “C”는 0.4 m3/min⋅m2, Type “D”는 0.09 m3/min⋅m2을 기록하였으며 50 Pa, 100 Pa에서의 결과 값도 비교하면 시간에 따라 압력차가 증가할수록 공기 누설량이 증가함을 알 수 있는데 이는 압력차 대비 공기 누설량의 값은 비례함을 확인할 수 있으며, 최종개발단계인 Type “D”에서는 차연성능 기준 값에 충족하는 결과를 가져와 무턱방화문에서의 하부 공간을 통한 통기량에 대해 차단한다는 사실을 확인할 수 있다.
Table 1
Development Product Performance Test Analysis Result
또한, 차연성능의 경우 일반방화문에서 차연성능의 향상을 위해 하부 문틀이 사용되고 있는데, 본 연구에서처럼 무턱방화문의 경우에는 하부에 문틀이 없기 때문에 하부 공간을 통한 통기량 증가로 인해 차연성능을 만족하지 못하는 경우가 발생한다. 하지만 Fig. 5와 Table 1에서 확인할 수 있듯이 본 연구의 시험결과 무턱방화문에서 차연성능의 역할도 충분히 만족하는 결과를 가지고 있으며 고내화 성능의 무턱방화문 구조개발의 시험 분석 결과 본 연구개발제품의 최종 발전단계인 승강식구조와 이중가스켓과 팽창성발포제인 그라파이트 및 가스홀을 적용한 구조가 무턱방화문의 내화성능을 향상시키는 역할을 충분히 만족하고 있다.
3. 결 론
산업이 고도화되고 경제가 성장할수록 국민들의 안전에 대한 욕구는 증가하고 있으나 주거 안전을 위협하는 재난, 재해 등의 불안 요소는 지속적으로 증가하고 있으며, 특히 화재에 의한 생명 위험성 감소에 대한 국가적 대책 수립이 절실하며, 특히 고층 건물의 경우 화재진압 및 구조의 특이성으로 인해 화재발생시 많은 인명피해와 재산피해를 초래하고 있다.
최근 화재에 대한 안전성 논란이 사회 이슈화 되면서 방화문은 화재로부터 국민의 생명과 재산을 보호해야하는 직접적인 수단으로 대두되고 성능이 강조되고 있으며, 특히 병원의 경우 병실, 중환자실, 수술실 등은 다중이용시설의 경우 화재 시 피난구를 찾지 못하거나 방화문의 하부턱으로 인하여 안전사고의 사각지대로 화재 시 병실 내부 환자를 손쉽게 확인하여 환자를 안전하게 대피 시킬 수 문턱 없는 무턱방화문의 개발이 필요하게 되었다(Cha, 2014).
문턱 없는 무턱방화문은 병원뿐만 아니라 대학 및 연구소의 화학실험실 및 공장 등에서도 향상 대형 안전사고의 위험이 있어 필요하며, 이는 평상시 시약 등의 안전한 이동은 물론 편리한 보행 및 시야 확보로 안전사고의 위험을 막아줄 수 있기 때문이다.
그러나 이러한 무턱방화문은 건물의 고층화, 대형화 등으로 인하여 수요는 늘어나고 있으나 국내에 성능 인증을 받은 방화문이 많지 않아 그동안 수입에 일체형 방화셔터가 이를 대신하여 왔으나, 최근 일체형방화셔터의 사용금지로 문턱이 없는 승강식 구조의 무턱방화문이 부분적으로 사용되면서 사용이 늘어나고 있는 상황이다.
방화문에서 하부씰이 없는 무턱방화문의 경우 독일 등 유럽국가 및 일본 등에서는 오래전부터 실용화되어 널리 보급되어 왔으나 우리나라의 경우 방화문 제조를 대부분 영세한 소규모의 제조업에서 영위하다보니 투자나 기술개발이 이루어지지 않다보니 제품이 다양하지 않을 뿐 아니라 제품이 미약한 상황이다.
학교의 복도 및 계단실에 설치되어 있는 무턱방화문은 최근에 설치한 제품은 내화성능을 인정받은 제품이지만 오래전에 설치한 무턱방화문은 물품의 운반 및 이동과정에서 찌그러짐 현상으로 무단 제거했기 때문에 방화문으로 성능을 담보할 수 없다.
무턱방화문은 방화문이 평상시 열려 있다가 화재 시 자동으로 닫히는 상시개방형 구조인 경우 화재시만 개폐되어 일반적으로 도어하부에 가스켓을 고정하는 기법을 적용하지만 일반적인 상시 개폐하는 방화문에서는 도어하부에 승강식 구조로 도어가 닫히면서 가스켓이 하강하여 도어하부 틈새를 차단하는 구조로 대부분 개발되어 있다.
일반방화문과 달리 무턱방화문은 내화성능에 취약하여 이를 해결하고자 지금까지 승강식 구조에서 도어 하부 틈새 차단을 위한 다양한 형태의 가스켓을 적용하여 내화성능을 향상시키려고 하였으나 틈새 차단에 한계가 있다.
이는 일반적으로 국내에서 방화문 제작을 각 회사의 노하우에 의존한 단순한 시제품 제작으로 공인기관 성능검증만 적용되어 이론적인 사전안전성 검증하기 어렵고 장기적인 내구성능 확보를 위하여 다양한 실규모의 시제품 개발이 어려운 상황이기 때문이다(Park et al., 2018).
방화문은 일반문과 달리 KS F 2268-1에 의한 60분 이상의 내화성능을 충족하여야 하며, 방화문은 도어의 바깥쪽 4면에 도어 프레임이 설치되어 있으며 이 도어 프레임은 화재 시 도어의 변형을 방지해주는 중요한 역할을 함에 따라 도어 하부에 문틀이 없는 무턱방화문의 경우 내화성능이 가장 취약한 부분 중의 하나이다.
무턱방화문의 경우 도어 하부에 문틀이 설치되지 않아 화재 시 당기는 문의 경우 하부틈새가 바로 노출되고(3면은 간접노출) 가스켓으로는 내화성능을 충족하는데 한계가 있으며, 아울러 미는문의 경우 문의 경우는 3면의 문틀에서 도어의 변형을 바로 잡아주기 때문에 3면은 변형이 거의 없으나 무턱방화문은 도어하부에 문틀이 없어 상대적으로 매우 취약하다.
따라서 도어하부에 가스켓이 설치되지 않은 부분에 문틀 대신 팽창성 발포재인 그라파이트를 설치하여(문틀역할 수행) 무턱방화문에서 내화성능이 취약한 부분을 보강하려는 것이고 가스켓 등에서 발생하는 가스의 흐름을 외부로 유출되지 않도록 가스홀을 설치하여 내화성능을 극대화한 기술이다.
이러한 기술의 차이는 실제 동일한 시험체를 여러 개 모양을 제작하여 팽창성발포재인 그라파이트 및 이중가스켓을 적용한 시험체의 경우 90분의 내화성능이 충족되면서 가장 우수한 결과를 확인하면서 무턱방화문에서 하부문틀 역할을 하는 그라파이트의 중요성을 인지하였다.
방화문에서 무턱을 구현하기 위하여 내화성능을 확보하는데 가스켓으로는 한계가 있으며, 내화성능을 극대화하기 위해서는 도어하부와 바닥면과의 틈새차단을 위하여 팽창성발포재인 그라파이트를 적용함과 동시에 틈새 차단으로 인한 가스의 유출을 도어내부로 유도하는 가스홀을 설치하여 화염발생시 발생하는 가스의 흐름에 대한 차단이 매우 중요한 역할을 하게 된다.
이는 팽창성발포재인 그라파이트는 화재 시 온도 300~400도 정도에서 열팽창에 의하여 20~30배 팽창함에 따라 가스켓만으로 해결할 수 없는 틈새차단을 극대화 할 수 있으며, 또한 도어하부에 가스홀의 설치는 가스켓이 타면서 발생할 수 있는 가스의 도어내부로 유입을 차단함으로써 도어하부 틈새로 가스가 분출되면서 화염이 발생되는 것을 근본적으로 해결할 수 있었다.
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