노후화 방화문의 누설량 분석에 관한 실험적 연구
Experimental Study on the Analysis of Leakage in Aged Fire Doors
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Abstract
노후화된 방화문은 장기간 사용으로 인해 손상이 발생하여 누설틈새가 생길 수 있으며, 이로 인해 급기압 설비의 기능 저하 등의 문제가 발생할 수 있다. 본 연구에서는 기존 연구 및 현장 조사를 기반으로 노후화 방화문의 누설틈새 경향을 분석하고, 실물 크기의 부속실을 가정한 실험을 통해 각 누설틈새에 따른 차압 및 누설량을 도출하였다. 연구 결과, 누설틈새의 증가는 설계 차압의 저하를 초래하여 방화문의 본래 역할을 수행하지 못하게 되는 경향을 확인하였다. 또한, 이는 누설량에도 영향을 미치는 것을 확인하였다.
Trans Abstract
Aged fire doors may develop leakage cracks owing to damage from long-term use, leading to issues such as declines in the functionality of pressurization systems. This study analyzes the trends of leakage cracks in aged fire doors based on existing research and field surveys and derives the differential pressure and leakage amounts corresponding to each leakage crack via experiments conducted in a full-scale ancillary room. The results indicate that an increase in the number of leakage cracks tends to result in a decrease in the design differential pressure, which thereby prevents the fire door from performing its intended functions. Moreover, the results confirm that an increase in the number of leakage cracks also affects the leakage amounts.
1. 서 론
제연구역은 연기의 유입을 차단하기 위한 적절한 성능을 가져야 하고, 특히 제연구역의 방화문은 연기가 유입되지 않도록 적정한 차연성능을 유지하도록 설계되어야 한다(You et al., 2011).
하지만 노후화된 방화문의 경우 장기간 사용으로 인해 문짝이 변형되면서 초기보다 틈새가 증가하게 되고, 이로 인해 누설량이 증가하여 제연구역내 필요한 차압보다 저하되는 요인이 될 수 있을 것으로 사료된다.
국내 관련 선행연구를 살펴보면, Lee (2017)는 노후화 방화문의 실태조사를 한 결과 방화문의 22%가 부식 및 변형이 심하게 나타났고 일부 방화문의 틈새 크기가 7.2 cm가 되는 것도 있었다. 이에 방화문의 틈새를 최소화할 수 있도록 설계・감리기준에 대한 강화를 제안하였다. 또한, Park (2019)은 공동주택의 실태조사 결과 과도한 틈새가 발생한 것을 확인하여 미비한 유지관리에 관하여 제도 및 운영체계의 정비가 필요하다고 제안하였다. Kim et al. (2022)은 사용연수에 따라 방화문의 노후화가 진행되어 문짝 변형 및 가스켓 마모 등으로 인하여 틈새가 커지는 경향을 분석하였는데, 누설틈새의 평균 크기는 5년 미만 방화문은 0 mm, 5~10년 미만 방화문은 12.25 mm, 10~15년 미만 방화문은 14.11 mm, 15~20년 미만 방화문은 13.95 mm, 20년 이상 방화문은 23.71 mm으로 나타났다. 또한, 최대 55 mm의 누설틈새도 확인하였다. 이에 주기적인 점검을 실시하여 성능에 지장을 주는 요소가 확인되면 수리 및 교체를 할 수 있는 기준적인 대책을 마련해야한다고 제안하였다.
위와 같이 대부분 육안검사를 통한 방화문 현장조사를 진행하여 나타난 문제점을 지적하고 있으나, 노후화된 방화문에서 발생되는 위험성을 실험을 통해 검토하지는 않았다. 특히 노후화 방화문에서 주로 나타나는 누설틈새 등은 제연구역의 차압을 유지하지 못하여 틈새를 통해 연기가 누설되어 피난활동에 지장을 줄 것으로 생각되지만 여전히 이러한 연구는 진행되지 않고 있다.
따라서, 본 연구는 실험을 통해 제연구역 내 설치된 노후화 방화문에서 발생할 수 있는 연기의 누설 위험성을 분석하고 유지관리 대책에 대해 고찰하는 것을 목적으로 한다.
2. 방화문 누설틈새 및 누설량 관련 기준 조사 및 계산
2.1 방화문 누설틈새 및 누설량 관련 기준 조사
방화문 누설틈새 및 누설량의 기준은 화재안전기준인 특별피난계단의 계단실 및 부속실 제연설비의 화재안전성능기준(이하 NFPC 501A (2022))에 따른다. 누설량이란 ‘틈새를 통하여 제연구역으로부터 흘러나가는 공기량’으로 정의되며 누설면적이란 ‘가압 또는 감압된 공간과 인접한 공간 사이에 공기의 흐름이 가능한 틈새의 면적’으로 정의된다. 같은 기준 제12조에 따라 Eq. (1)과 같은 식으로 누설틈새 면적을 도출할 수 있다.
여기서 A는 출입문의 틈새(m2)이고, L은 출입문 틈새의 길이(m)이며 L의 수치가 ℓ의 수치 이하면 ℓ의 수치로 한다. ℓ은 외여닫이문 설치 시 5.6, 쌍여닫이문 설치 시 9.2, 승강기의 출입문 설치 시 8.0이다. Ad에는 외여닫이문으로 제연구역의 실내 쪽으로 열리도록 설치 시 0.01, 제연구역의 실외 쪽으로 열리도록 설치 시 0.02, 쌍여닫이문은 0.03, 승강기의 출입문은 0.06의 값을 대입하여 계산할 수 있다.
누설량 산정식은 BS 5588-4 (1997)의 누설량 산정식을 바탕으로 제공된 NFSC 501A 해설서에 의해 Eq. (2)로 나타낼 수 있다.
여기서 Q는 누설량(m3/s), A는 누설면적(m2), P는 차압(Pa)이다.
2.2 누설량 계산
본 논문에서 누설량 계산을 위하여 2022년 현장조사 데이터(Kim et al., 2022)를 기반으로 방화문은 외여닫이 문으로 제연구역의 실내 쪽으로 열리도록 가정하였고, 크기는 0.875 m × 2.2 m (W × L)로 하였다. 차압은 NFPC 501A (2022) 제6조에 따르면, 최소 차압은 40 Pa 이상으로 유지하도록 제시되어 있다. 이에 따라 대부분의 실제 현장 적용 시에는 50 ± 10 Pa으로 동작하도록 제작 및 시공이 되고 있다(Park, 2007). 따라서 본 연구에서도 실무적으로 사용되는 차압인 50 Pa을 적용하여 계산을 실시하였다.
Eq. (1)의 L의 값은 (0.875×2+2.2×2=6.15)이고, ℓ의 값은 외여닫이 문으로 5.6, Ad의 값 또한 외여닫이문이고 제연구역의 실내 쪽으로 열리도록 설치하였으므로 0.01을 각 식에 대입하면 0.011 m2로 누설틈새의 면적을 도출할 수 있다. 계산된 누설틈새를 Eq. (2)에 대입하여0.827× (0.011 m2 ×√50 Pa=0.0643 m3/s)의 누설량을 도출하였다. 여기서 도출된 누설량은 3.5의 (2)에서 실험으로 도출된 누설량과의 비교에 사용된다.
3. 방화문의 틈새면적에 따른 누설량 예측실험
3.1 실험개요
본 실험에서는 제연설비 작동 시의 누설량 측정을 목적으로 Fig. 1과 같은 규격의 부속실에서 실험을 진행하였다. 실험실의 크기는 1.92 m × 2.92 m × 2.30 m (W × L × H)이며, 앞서 전술한 바와 같이 실험실 문의 크기는 2022년 현장조사 데이터(Kim et al., 2022)를 기반으로 0.875 m × 2.2 m (W × L)로 설정하였다.
Experiment Layout
또한, 실제 현장과 유사한 조건을 재현하기 위해 화재 감지기에 화재 신호가 발생할 경우 수신기를 통해 제연설비가 작동하여 가압이 발생하는 과정을 0.465 m × 0.715 m (W × L) 크기의 상향식 자동차압급기댐퍼를 통해 구현하였다. 자동차압급기댐퍼는 문 반대편 우측 하부에 위치시켰으며, 차압은 50 Pa을 유지하도록 설정하였다.
3.2 실험조건
본 실험은 방화문 누설틈새 위치 및 크기에 따른 누설량 및 차압을 분석하는 것을 목적으로 수행하였다. 실험 조건은 Fig. 2에 나타냈다.
Outline of Experimental Condition
먼저, Case 1의 경우, Kim et al. (2022)의 현장조사 결과를 토대로 방화문에서 가장 많이 나타난 위치인 상하부 모서리에 틈새가 발생한 것으로 설정하였다. 틈새의 크기 또한 현장조사 결과에 따라 한변의 길이가 12, 14, 24, 55 mm인 정방형 크기의 틈새면적을 설정하였으며, 더 나아가 한변의 길이를 10 mm 씩 증가시키며 50 mm 까지 진행하였다. Case 2의 경우, 비틀림이나 찌그러짐, 가스켓 누락 등으로 인해 방화문 한쪽이 틈새로 발생할 수 있는 상부, 하부, 측면부, 손잡이로 설정하였다. 상부와 하부의 틈새 면적의 한 변은 방화문의 가로 길이인 0.875 m로 고정시키고 다른 한변은 12, 14, 24, 55, 72 mm로 설정하였으며 추가적으로 10 mm 씩 증가하는 크기로 50 mm 까지 설정하였다. 다만, 측면부는 한변의 길이를 방화문의 세로 길이인 2.2 m로 하였고 누설틈새 크기는 현장조사 자료가 미흡하여 10 mm 씩 증가하는 크기로만 설정하였고, 손잡이는 현장조사 시 평균 크기를 참고하여 직경 75 mm로 설정하였다.
3.3 실험방법
본 실험은 방화문 틈새 위치 및 크기를 변수로 하며 누설틈새별 차압을 측정한 후 누설량 산정식인 Eq. (2)를 사용하여 누설량을 계산하였다.
Fig. 3과 같이 3 mm 합판을 이용하여 간이 방화문을 만들고 그라인더를 사용하여 실험에 필요한 틈새로 크기를 변경한 후 지지대를 이용해 고정하였다. 누설틈새가 고정되면 급기댐퍼를 활성화시키고 내부 기류가 안정화되었을 때 측면 차압측정공에서 차압을 3회 측정하였다. 한편, 본 실험에서 사용된 간이 방화문은 실제의 철제방화문과 폐쇄력이나 접합부의 물성치가 다르지만, 본 실험에서 측정하는 누설량 및 차압에 한하면 그 영향성은 적을 것으로 사료된다.
Leakage Crack Experiment
3.4 분석방법
본 실험에서는 측정된 차압을 Eq. (2)에 대입하여 누설량을 분석하였다.
예를들어, Case 1의 한 변의 길이가 10 mm인 정방향의 상부 누설틈새를 m로 단위변환 하면, (0.01 m×0.01 m = 0.0001 m2)으로 누설면적(A)이 계산된다. 그리고 실험 시 3회 측정한 차압의 평균값인 49.27 Pa을 차압(P)에 대입하여 계산하면 (0.827×0.0001 m2 ×√49.27 Pa=0.00058 m3/s)의 누설량을 도출할 수 있다. 따라서 본 실험의 데이터를 산정식에 대입하면 Case 1의 상부에서 누설면적이 0.0001 m2인 경우는 0.00058 m3/s의 누설량이 발생한다는 것을 알 수 있다.
Case 2의 누설틈새가 10 mm인 경우 m로 단위변환 후 문 상⋅하부의 가로 길이 0.875 m, 문 측면부의 세로 길이 2.2 m로 누설틈새 면적을 계산하였다. 또한, 손잡이는 원의 넓이 공식을 사용하여 누설틈새를 계산한 후 측정한 차압의 평균값을 대입하여 누설량을 도출하였다.
3.5 실험결과 및 고찰
3.5.1 차압
누설틈새에 따른 측정 차압의 평균값을 Fig. 4 에 정리하였다.
Differential Pressure
Case 1에서는 누설틈새가 있어 설정값인 50 Pa 보단 낮지만 상부와 하부 차압이 약 0.1~2.6 Pa 미만으로 크지 않고 NFPC 501A (2022) 기준인 40 Pa 이상을 충족한다.
반면, Case 2의 상부와 하부의 경우 누설틈새가 55 mm 까지 차압이 약 0.4~4.9 Pa 미만의 차이로 크지 않고 40 Pa 이상으로 기준을 충족하였지만, 누설틈새가 72 mm인 경우 차압은 약 9 Pa 이상의 차이가 나며 기준 이하로 내려갔으므로 차압유지를 하지 못했다. 이는 상향식 자동차압급기댐퍼의 개폐 각도가 상향으로 설정되어 있어 상부의 누설틈새를 통해 급기가 빠져나가 차압이 충족하지 못한 것으로 사료된다. 따라서, 하부보다 상부가 차압이 더 낮게 측정되었다고 판단된다.
측면부의 경우, 차압은 누설틈새가 20 mm 까지는 40 Pa 이상을 유지하였으나, 20 mm 초과시 40 Pa 이하로 떨어졌다. 이는 상하부와 틈새는 동일하나 누설면적의 차이가 있어서 차압이 크게 떨어지는 것으로 판단된다. 손잡이의 경우, 크기가 크지 않고 차압이 48.27 Pa로 설정값인 50 Pa보단 떨어졌지만, 법적 기준은 충족하고 있다.
Case 2의 상하부 누설틈새 55 mm 이상, 측면부 누설틈새 20 mm 이상인 경우, 차압이 급격하게 저하되는 구간이나 40 Pa 미만인 부분에서는 화재 시 연기가 구획 내부로 유입될 가능성이 높다고 사료된다. 또한, 차압이 높아진 부분에 대해서는 자동차압급기댐퍼의 위치와 관련된 실험 설정 때문인 것으로 사료되며, 이에 대한 추가 검토가 필요할 것으로 판단된다.
3.5.2 누설량
실험을 통해 측정한 차압을 누설량으로 계산한 결과를 Table 1에 나타냈다. 더 나아가 NFPC 501A (2022)의 계산에 따라 누설량과 비교하여 기준을 초과한 누설량을 표기하였다.
Leakage Amount According to Leakage Crack
그 결과 Case 1의 경우 기준치를 초과하지 않으며, Case 2의 경우는 상부와 하부에서는 누설틈새 14 mm에서부터 누설량 기준치를 초과하였으며, 측면부의 경우 10 mm 정도의 누설틈새만 생기더라도 기준치의 2배 이상의 연기가 누설될 수 있는 것으로 나타났다. 문손잡이도 마찬가지로 부착되어 있지 않은 상태라면 허용기준을 초과하는 것으로 나타났다.
추가적으로, 누설량과 누설면적과의 관계를 Fig. 5에 나타내었다. 차압이 설계차압인 50 Pa로 유지된다고 가정하고 각 누설면적을 대입하여 계산한 결과값을 실선으로 표현하였다. 그 결과, 누설면적이 0.048 m2 이하일 때는 누설량 산정식인 Eq. (2)로 예측이 가능하지만, 그 이상이 될 경우에는 예측 범위를 벗어나는 것으로 나타났다. 즉, 노후화 방화문의 경우 해당 산정식을 통해 누설량을 간접적으로 예측하는 것은 어려울 것으로 판단된다.
Leakage Amount
종합적으로 볼 때 노후화 방화문의 경우 비틀림 등으로 인해 문의 한쪽 전체에 틈새가 발생하거나 문 손잡이가 누락된 상태라면 방화문을 통해 연기의 누설은 막을 수 없는 것으로 나타났다. 이러한 실험 결과는 Kim et al. (2022)의 연구에서 나타난 바와 같이 10~15년 이상 경과된 방화문의 경우 연기로 인한 피난 위험성이 발생할 수 있기 때문에 불량 여부가 확인되면 신속하게 수리하거나 교체하는 등의 유지관리 대책이 요구되어야 한다는 것을 시사한다.
4. 결론 및 향후 연구방향
본 연구에서는 누설틈새에서 발생하는 차압과 누설량을 실험을 통해 분석하였으며, 결과를 바탕으로 유지관리 방안에 대해 검토하였다. 결론은 다음과 같다.
1) 차압 측정 결과 방화문이 비틀리거나 찌그러져 방화문 한쪽에 틈새가 넓게 발생한다면 상⋅하부에서는 누설틈새 55 mm 이상, 측면부에서는 누설틈새 20 mm 이상에서 기준 이하로 떨어지는 것으로 나타났다.
2) 누설량 계산 결과 방화문이 비틀리거나 찌그러져 방화문 한쪽에 틈새가 넓게 발생한다면 약 0.0001 m2 이상 누설면적이 발생하면 허용 기준을 초과하는 것으로 나타났다.
3) 누설면적이 0.048 m2 이하일 경우는 누설량은 산정식에 따라 예측이 가능하다. 그러나 방화문이 노후화되어 누설 면적이 이보다 클 경우는 예측 범위를 벗어나 누설량을 정확하게 예측하기 어렵다.
4) 노후되어 방화문에 틈새가 발생할 경우, 연기의 누설로 인해 피난활동에 지장을 줄 수 있기 때문에 사용 중 불량 여부가 확인되면 신속하게 수리하거나 교체하는 등의 유지관리 대책이 요구된다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원의 지원으로 수행되었음(RS-2022-00156237).
