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J. Korean Soc. Hazard Mitig. > Volume 18(2); 2018 > Article
BS 8414-1 시험방법을 적용한 외단열 시스템의 단열재 난연 성능 등급별 화재안전성 비교 실험

Abstract

Fire incidents at high-rise buildings which have occurred overseas recently show the importance of external cladding system in fire safety. In this study conducted to establish institutional strategies to enhance the fire safety of external cladding materials, full-scale tests to evaluate external cladding system were employed to overcome the limits of material safety tests using small-sized test pieces provided in existing building laws. Therefore, fire spread was evaluated in the full-scale tests for materials of different fire ratings. In the full-scale tests conducted in accordance with BS 8414-1, fire spread through the external insulation finishing system using PF boards classified to be limited combustible by the UK standards. The internal fire spread was not confirmed because the tests were terminated due to the risk associated with the external fire spread. Fire did not spread through the external insulation finishing system employing noncombustible mineral wool and both exterior and interior satisfied the evaluation standards.

요지

최근 국외에서 발생된 일련의 고층건물 화재 사고는 건물 외장재 화재안전의 중요성을 보여주는 사례들이다. 본 연구는 이러한 화재 사고로 인해 대두되는 외부 마감 재료의 화재안전성을 높이기 위한 제도적 장치를 마련하기 위한 것으로, 현행 건축법에서 제시하고 있는 소형 시험편을 이용한 재료적 차원의 안전성 테스트의 한계를 보완하기 위해 외부 마감재 시스템을 실규모에서 평가할 수 있는 실대형 시험방법을 도입하고자 소형 시험편의 난연 성능 등급 별 실대형 시험의 화재확산을 평가하였다. 실대형 시험방법은 BS 8414-1에 따라 시험하였으며, 영국 평가 기준에 따른 결과 난연 재료인 PF 보드를 단열재로 적용한 외단열 시스템은 외부 화재 확산을 확인하였으나 내부는 외부 화재 확산에 따른 위험으로 시험을 조기 종료하여 확인하지 못하였고, 불연 재료인 미네랄 울을 단열재로 적용한 시스템은 내·외부 모두 평가기준에 부합하여 화재 확산이 이루어지지 않은 것으로 확인되었다.

1. 서 론

국내의 부산 해운대 우신 골든 스위트 화재, 의정부 대봉 그린 아파트 화재, 최근 영국 런던 North Kensignton의 Grenfell Tower 화재는 많은 사상자와 건축물의 피해를 발생시킨 사건으로 가연성 외장 재료의 화재확산으로 인해 인명 및 재산상의 큰 피해를 입힌 사례로 볼 수 있다.
국내 건축법에서는 건축물의 마감 재료를 내부와 외부로 구분하여 규정하고 있다. 건축물의 외벽에 사용하는 마감 재료는 건축물의 용도 및 높이에 따라 대통령령으로 방화에 지장이 없는 재료로 하도록 하였으며, 건축물의 피난·방화구조 등의 기준에 관한 규칙에서 건축물의 외벽에는 불연재료 또는 준불연 재료를 마감재료(단열재, 도장 등 코팅재료 및 그 밖에 마감 재료를 구성하는 모든 재료를 포함한다)로 사용하는 것으로 하고 있다. 다만, 외벽 마감재료를 구성하는 재료 전체를 하나로 보아 불연재료 또는 준불연 재료에 해당하는 경우 마감재료 중 단열재는 난연재료로 사용할 수 있도록 하였다. 즉, 건축물의 주요 구조부 외부에 설치되는 외벽 마감 재료를 하나의 시스템으로 볼 때 전체시스템은 불연재료 또는 준불연 재료로 사용되어야 하고, 시스템 내부의 단열재만 난연재료 이상으로 사용하도록 완화하였다.
현행 건축법에서 규정하는 난연, 준불연, 불연재료에 대한 성능기준은 소형시험편(100×100 mm) 크기로 열방출량과 가스유해성을 측정하여 성능을 평가하고 있으며, 이는 지지구조, 단열재, 접합부, 표면 마감재 등 다양하게 구성되는 외부 마감재 시스템 전체의 화재안전성을 평가하는 데에는 다소 무리가 있는 것으로 판단된다.
따라서 이전 연구에서 BS 8414-1과 ISO-13785-2 국외의 실대형 외장재 시험 규격의 비교 검토를 연구하였으며(Cho et al., 2017), 본 연구에서는 시험방법과 함께 평가기준이 있는 BS 8414-1 실대형 외장재 시험 방법을 이용하여 동일 외단열 시스템을 적용하나 단열재의 난연 등급을 달리 적용한 외단열 시스템(EIFS, External Insulation Finishing System)에 대한 성능을 평가하여 단열재의 난연 성능에 따른 국내의 외단열 시스템의 화재안전 성능 수준을 파악하고자 한다.

2. 외부 마감재료 화재확산 성능 평가

2.1 연구 동향

국내의 외장재 실대형 시험은 ISO 13785-2 시험장비가 2011년 국내에 구축이 되면서 시작되었다(Kweon et al., 2011). 이후 장비 도입으로 외부마감시스템에 대한 다양한 실대형 실험이 시도되었다(Kweon et al., 2012; Choi et al., 2012; Kim et al., 2013; Lee et al., 2015; Lee et al., 2016).
그러나 ISO 13785-2의 경우 시험방법은 제시하고 있으나 외벽 마감 시스템의 안전성을 평가할 수 있는 평가 기준이 없어 재료별 혹은 시스템별 상대적 비교만 가능한 것으로 안전성에 대한 정량적 판단 기준을 가지고 있지 않아 이를 제도화 하는데 있어 걸림돌로 작용하고 있다. 이후 외장재 실대형 시험방법과 평가기준을 국내에 적용하기 위한 시도로 ISO 13785-2와 BS 8414의 비교 연구를 실시하였으며(Cho et al., 2017) 국내에 적용 가능한 실대형 외장재 시험 방법과 평가 기준 도입을 시도하고 있다.

2.2 BS 8414-1 시험방법 및 평가기준

2.2.1 BS 8414-1을 적용한 시험 방법

BS 8414-1 Fire performance of external cladding systems Part 1: Test method for non-loabearing external cladding systems applied to the masonry face of a building의 시험장치는 연소실과 두 개의 wall(main face, wing)로 구성되어 있으며, fire source는 timber crib(50 mm × 50 mm × 1000 mm 150 sticks, 50 mm × 50 mm × 1500 mm 100 sticks)을 이용하여 화재의 크기를 재현하고, 점화는 16개의 저밀도 섬유판을 백유 5 ℓ에 5분 동안 침지시킨 후 점화를 한다. 그러나 국내에서는 BS에서 규정하는 저밀도 섬유판의 수급이 불가능하여 헵탄을 이용한 착화를 진행하였다. 점화 후 30분까지 시험을 진행 후 시험체에 손상이 가지 않는 범위내에서 화원의 소화가 이루어지고 이후 30분 동안 시험체의 상태를 관찰하여 총 60분 동안 시험을 진행한다.

2.2.2 성능 확인을 위한 평가 기준

외벽 마감 시스템의 화재안전성을 평가하기 위한 평가기준은 BRE에서 발행된 BR 135 Fire Performance of External Thermal Insulation for Walls of Multistorey Buildings에서 규정하고 있으며, 여기에 명시된 평가기준에 따라 평가한다.
BS 8414-1은 Fig. 1과 같이 Level 1(연소실 상부 끝단에서 2.5 m)과 Level 2(연소실 상부 끝단에서 5 m)에 K type 열전대를 설치하는데, Level 1은 시험체 외부, Level 2는 시험체 내부와 외부 모두 열전대를 설치하여 온도를 측정하며, 높이별 온도 측정부위는 main face에 5부위, wing에 3부위 총 8부위를 측정하여 평가한다.
평가방법은 점화전 5분 동안 Level 1에서 시작온도(Start Temperature, Ts)를 측정한다. 점화 후 Level 1 외부 열전대 중에서 어느 지점에서든 시작온도에서 200 ℃ 이상을 30초 이상 유지하는 시점을 시작시간(Start time, ts)으로 설정한다. 외부 화재 확산의 경우, 시작시간에서 15분 내에 Level 2에서 외부 열전대 중 어느 지점에서든 시작온도에서 600 ℃ 이상을 30초 이상 유지하는 경우 확산이 이루어진 것으로 판단하며, 내부 화재 확산의 경우도 Level 2의 내부 열전대 중 어느 지점에서든 시작온도에서 600 ℃ 이상을 30초 이상 유지하는 경우 내부 화재 확산이 이루어진 것으로 간주한다.
점화 후 30분이 경과된 시점에서 화원의 소화가 이루어진 이후에는 외장재의 붕괴, 탈락 등을 관찰하도록 되어 있으나 성능을 판단하는 기준은 아니다.

3. 외부 마감재 실대형 시험 계획

3.1 외부마감시스템 선정 및 시험 인자 설정

외단열시스템은 Fig. 2와 같이 구조 부재의 외부에 단열재를 부착하고 마감재를 마감하는 공법(Lee et al., 2015)으로 국내에서 자주 적용되는 외부 마감재 시스템의 일종이다. 외단열 시스템은 크게 단열재 부분과 인장 보강을 위한 유리섬유망, 표면 마감 재료로 구성된다.
본 실험에서는 두 가지 타입의 단열재를 선정하였다. 건축법에서 규정하고 있는 기준을 토대로 난연 등급을 받은 단열재와 불연 등급을 받은 단열재를 이용하여 단열재 등급에 따른 화재 확산 정도를 파악하고자 하였다.

3.2 시험체 제작

3.2.1 외단열 시스템 상세

다음 Figs. 3, 4는 본 연구에서 적용한 외단열 시스템의 단면을 나타낸 것으로 시공 방법은 바탕체위에 단열재를 부착하고 인장 보강을 위한 유리 섬유망 보강과 표면 마감재로 구성된 것이며, 각각의 단열재는 열관류율 기준에 따라 중부지방을 기준으로 두께를 정하였다. PF Board는 90 ㎜, Mineral Wool은 160 ㎜로 시공하였다.

3.2.2 재료별 물성

외단열 시스템에 적용된 재료의 물성은 Tables 1~5와 같으며, 재료별 크기는 Table 1, 재료별 혼합비는 Tables 2~4와 같다.
바탕체에 단열재 부착을 위한 접착제는 Table 2의 재료를 사용하였다.
PF Board를 포함한 외단열 시스템의 경우 유리 섬유망 보강을 위해 Table 3의 접착제를 사용하였으며, Mineral Wool의 경우 유리 섬유망 보강을 위해 Table 2의 접착제를 사용하였다. 이는 현장에서 주로 유기단열재인 PF Board의 접착성능을 높이기 위해 유기접착제를 사용하는 것으로 파악되어 유기 접착제로 시공하였으며, Mineral Wool의 경우 무기단열재이므로 무기 접착제를 사용하였다.
재료별 조성비를 살펴보면, 단열재와 바탕체의 접착제로 사용된 Table 2의 접착제는 주된 성분은 시멘트와 이산화규소로 구성되면, 접착력 증대를 위해 VAE가 8~10 %가 함유되어 있는 것으로 파악되었다. 그에 반해 PF Board의 유리섬유망 함침을 위해 사용된 Table 3의 접착제는 주성분은 백운석과 이산화규소이고 접착력 증대를 위해 사용된 아크릴 소재가 16~18 %로 확인되어 Table 2의 접착제 보다 약 2배의 플라스틱 계열의 유기재료가 사용된 것으로 확인되었다.
단열재별로 난연 성능을 확인하기 위하여 시료를 채취하여 Table 5와 같이 국내 시험기준에 따라 시험을 실시하였다. 시험 결과 PF Board는 난연 성능을 만족한 것으로 확인되었고 Mineral Wool의 경우 불연 시험에 모두 만족한 것으로 확인되었다.

3.2.3 시험체 제작

시험체의 시공은 BS 8414-1의 시험규격에 따른 시험장치에 재료별 시방기준에 따라 시공하였다. 시험체별 시공은 동일한 시공자에 의해 시공되어 최대한 품질기준이 동일하도록 하였다. Fig. 5는 시공과정 및 시공 완료 된 시험체를 나타낸 것이다.
시험체의 화재 확산을 정략적으로 평가하기 위하여 연소실 상부를 기준으로 2.5 m(Level 1) 높이에 외부 8개, 5.0 m(Level 2)에 내부(단열재 중간_45mm 지점) 8개, 외부 8개의 열전대를 설치하였고 온도 측정 결과를 분석하여 평가하였다.

4. 외부 마감재 실대형 시험 결과

BS 8414-1의 시험방법에 따라 단열재 종류별 외단열 시스템의 화재 확산을 평가하였으며, 그 결과는 Table 6과 같다. 시험 전 시험체 별로 5분동안 시작 온도(Start Temperature)의 평균값을 산출하였으며, 점화 후 Level 1에서 시작 온도를 초과하여 200 ℃를 30초 동안 유지한 시작 시간(Start Time)을 측정하였다. PF Board의 경우 점화 후 4분 15초에서 229.3 ℃를 초과하여 30초 동안 유지하였으며, Mineral Wool은 4분 20초에 시작 온도에 도달하였다. 두 시스템 모두 4분대의 비슷한 시간에서 시작 온도에 도달하였다. 시작 온도를 기점으로 15분 내에 시작온도를 초과하여 600 ℃를 넘어가는 경우 확산이 이루어진 것으로 판단하는데, PF Board의 경우 외부에서의 화재 확산은 시작시간 이후 3분 10초, 점화 후 7분 25초에 외부 마감재의 화재확산이 이루어졌다. 내부 화재 확산의 경우 시험 진행 동안 외부 화재 확산이 크게 일어나 실험실 내부의 위험 발생을 우려하여 조기 소화함으로 인해 내부 단열재의 화재 확산을 확인하지 못하였다. 소화 당시 Level 2에서의 단열재 내부 최고 온도는 148.5 ℃로 측정되었다.
Mineral Wool의 경우 시작 시간 측정 후 15분내에 시작 온도를 초과하여 600 ℃를 넘어가는 온도가 측정되지 않아 내부 및 외부의 화재 확산이 이루어지지 않은 것으로 확인되었다. 온도 데이터 측정에서 최고 온도는 내부의 경우 점화 후 27분경에 약 181 ℃에 도달하였고, 외부의 경우 점화 후 21분경에 498 ℃가 측정되었다.
Figs. 7~8은 시간 경과에 따른 시험체별 연소상태를 나타낸 것이다. Fig. 7은 PF 보드를 적용한 것으로 (c)에서 보이는 것과 같이 점화 후 7분 25초에 Level 2에서 600 ℃ 초과하여 외부 확산이 이루어져 시험체 전체 크기 이상으로 화염의 길이가 길어진 것을 확인하였으며, 반면에 Fig. 8 (c)에서는 Level 2에서 최고 온도일 때의 화염 길이가 전체 시험체의 약 2/3 정도까지인 것으로 관찰되었다.
이는 PF보드와 유리섬유망의 접착성능을 높이기 위해 사용한 유기계 접착제와 비슷한 성분의 외부 표면마감재가 빠르게 연소함으로 인해 외부 화재 확산이 이루어졌으나, Mineral Wool의 경우 유리섬유망 접착을 포틀랜드 시멘트가 주성분인 무기계 접착제를 사용함으로 외부 연소 확대가 지연된 것으로 판단된다.

5. 결 론

현행 건축법 규정에서는 단일재료의 화재안전성 평가에 적합한 시험방법으로 마감 재료의 난연성능 등급을 분류하고 있어, 외부마감재 전체를 시스템으로 평가하기에는 다소 무리가 있어왔다. 이를 보완하기 위하여 BS 8414-1 실규모의 외장재 실험방법과 평가기준을 이용하여 국내에 적용되고 있는 외장재 시스템을 단열재 난연 성능 등급에 따라 평가한 결과는 다음과 같다.
  • (1) 단열재 난연 성능 등급이 불연 재료인 Mineral Wool의 경우 내·외부 모두 화재 확산이 일어나지 않았으나 난연 재료인 PF 보드의 경우 외부 화재 확산을 확인하였다. PF보드와 유리섬유망의 접착성능을 높이기 위해 사용한 아크릴계 접착제의 영향으로 내부 단열재의 난연 성능과 관계없이 화재 확산이 이루어진 것으로 판단된다.

  • (2) 건축물 외벽에 부착되는 외부마감재는 시스템의 구성에 따라 다양한 방법과 구성으로 이루어지며 단일재료 중 단열재의 난연 성능이 확보된다고 해서 외부마감재 시스템 전체의 안전성을 확보할 수 없는 것으로 확인되었다. 실규모의 안전성 평가를 통해서 재료 차원의 안전성 확인을 넘어서 시스템 전체를 평가할 수 있는 시험방법의 도입이 필요한 시점이다.

  • (3) 향후 실규모 외부마감재 시스템의 평가 방법과 평가기준의 건축법적 도입을 통해 외부마감재에 의한 화재 확산을 효율적으로 저감하는데 역할을 할 것으로 판단된다.

감사의 글

본 연구는 국토교통부 도시건축연구사업의 연구비지원 (17AUDP-B100356-03)에 의해 수행되었습니다.

Fig. 1.
Location of Thermocouples
kosham-18-2-185f1.gif
Fig. 2.
Schematic for EIFS (External Insulation Finishing System)
kosham-18-2-185f2.gif
Fig. 3.
Schematic for EIFS with PF Board
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Fig. 4.
Schematic for EIFS with Mineral Wool
kosham-18-2-185f4.gif
Fig. 5.
Specimen Installed of EIFS with PF Board
kosham-18-2-185f5.gif
Fig. 6.
Specimen Installed of EIFS with Mineral Wool
kosham-18-2-185f6.gif
Fig. 7.
Test of EIFS with PF Board
kosham-18-2-185f7.gif
Fig. 8.
Test of EIFS with Mineral Wool
kosham-18-2-185f8.gif
Table 1.
Material Size of EIFS
Materials Specimens
EIFS_PF Board (㎜) EIFS_MW (㎜)
Bond for Insulation 10-20 10-20

Insulation 90 160

Reinforcing Mesh 2 2

Bond for Mesh 2 2

Finishing 1-2 1-2
Table 2.
Material Composition and Content of Bond for Insulation
Material Composition Content (wt%)
Water 9-12

VAE (Vinyl Acetate-Ethylene Emulsion) 8-11

Silicon Dioxide 45-50

Portland Cement 25-10

etc 1-5
Table 3.
Material Composition and Content of Bond for Reinforcing Mesh (only for PF Board)
Material Composition Content (wt%)
Water 6-9

Acryl Emulsion 16-18

Rutile (TiO2) 0-1

Limestone 8-10

Dolomite 40-45

Silicon dioxide 15-18

etc 1-5
Table 4.
Material Composition and Content of Finishing
Material Composition Content (wt%)
Water 6-10

Acryl Emulsion 16-22

Rutile (TiO2) 0-5

Limestone 7-12

Dolomite 41-46

Silicon Dioxide 20-25

etc 1-5
Table 5.
Fire Performance of Insulation Materials According to Fire Classification in Korea
Insulation Materials Test Results
PF Board No Heat Release Rate (MJ/㎠)

1 0

2 3.4

3 5.2

≤ 8MJ/㎠

Mineral Wool No Mass loss (%) Temp. Rise (℃)

1 4.29 16.4

2 2.27 11.9

3 3.85 14.3

≤ 30% < 20K
Table 6.
Fire Performance Criteria of External Cladding System According to BR 135
Performance Criteria PF Board Mineral Wool
Start Temp. (Ts, ℃) 29.3 29.5

Start Time (ts, min) 4:15 4:20

Internal Fire Spread Time n/a Pass

External Fire Spread Time 03:10 (07:25) Pass

References

Cho, K.S., Chae, S.U., Choi, J.H., and Kim, H.Y. (2017) A Study on Comparison Test for Application of a Full-Scale Fire Spread Test Method of External Cladding System of Building. J. Korean Soc. Hazard Mitig, Vol. 17, No. 3, pp. 1-10.
crossref
Choi, C.K., and Min, S.H. (2012) A Study on the Large Experiments (ISO 13785-2) for Vertical Fire Behavior Analysis of Aluminum Composite Panels in General and Flame-retardant Material. Fire Science and Engineering, Vol. 26, No. 6, pp. 92-98.
crossref pdf
Kim, B.C., Kim, D.E., Koo, I.H., Seo, D.G., Lim, N.G., and Kwon, Y.J. (2013) An Experimental Study on the Vertical Fire Spread of Aluminum Composite Panel. Journal of the Architectural Institute of Korea Structure & Construction, Vol. 29, No. 5, pp. 35-42.

Kweon, O.S., Yoo, Y.H., and Kim, H.Y. (2011). The Study on Real Scale Fire Test of Building Exterior Wall Assemblies. Proceedings of 2012 Spring Annual Conference. Korea Institute of Fire Science & Engineering; pp. 295-300.

Kweon, O.S., Yoo, Y.H., Kim, H.Y., and Min, S.H. (2012) Experimental Study of Vertical Fire Spread of Exterior Wall Finishing Materials. J. Korean Soc. Hazard Mitig, Vol. 12, No. 5, pp. 1-6.
crossref pdf
Lee, J.C., and Park, J.C. (2015) Fire Property of Exterior Wall Applied Exterior Insulation System with Mineral Multi Pore Type Lightweight Insulation. Journal of the Architectural Institute of Korea Structure and Construction, Vol. 31, No. 7, pp. 75-82.
crossref
Lee, J.C., Park, J.C., and Song, H. (2016) Effct of External Thermal Insulation Composite System with a Non- combustible Calcium Silicate Based Mineral on the Mitigation for Reduction Fast Spread of Flame. Journal of Korea Institute of Building and Construction, Vol. 16, No. 5, pp. 397-403.
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