방화구획 내 스틸창호의 내화성능에 관한 실험적 연구
An Experimental Study on the Fire Resistance Performance of Steel Windows for Fire Compartments
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Abstract
본 연구는 방화구획 내에서 방화문을 대체하여 사용할 수 있는 새롭게 개발된 방화창호의 내화성능을 평가하기 위하여 수행되었다. 내화실험은 KS F 2845에 따라 이중 PVC 창호, 이중창호, 단판유리 창호를 대상으로 실험하였다. 실험 결과, 이중 PVC 창호 및 이중 창호는 3분, 단판유리 창호는 22분의 비차열 성능을 기록하였다. 분석 결과, 스틸창호의 경우 실런트 팽창 및 프레임의 이격거리에 의해 시험체가 파괴되었으며, 이를 보완하면 30분 이상의 차열 성능을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
Trans Abstract
This study was performed to evaluate the fire resistance performance of newly developed fire windows, which can be used instead of fire doors in a fire compartment. To evaluate fire resistance performance, fire resistance tests were conducted by KS F 2845. The experiments were PVC windows, double steel windows and single steel windows. As results of tests, PVC windows and double steel windows were 3mins on the fire resistance time respectively. On the other hand, single steel windows was 22 mins on the fire resistance time. In the case of the steel windows, the fire insulation performance can be secured over 30 min by consideration on the expansion of the silent and the separation distance between the window frame and glass.
1. 서론
건축물 내 방화구획은 방화벽 및 셔터, 방화문 등을 이용하여 화염확산을 방지하고 화재로 인한 인명의 손실 및 건축물의 안전에 기여하도록 하는 역할을 한다. 그러나 현대 건축물의 경우 구획별로 다양한 역할을 하며 시각적인 요소를 중요시하기 때문에 기존에 사용 중인 방화벽, 방화문을 사용하여 설계자 또는 사용자의 요구사항을 충족시키는데 한계가 있다.
기존 방화문의 경우 내화성능과 단가 경쟁력에 초점을 맞춘 철제 방화문이 대다수를 차지하고 있다. 따라서 심미성을 고려한 방화문에 대한 요구가 지속적으로 증가함에 따라 프레임과 유리가 결합된 방화창호에 대한 관심이 증가되고 있다. 그러나 Lee(2011), Yang(2013)의 연구 결과와 같이 기존 건축물에 주로 사용되는 일반 창호의 경우 알루미늄 또는 PVC재료를 사용하여 프레임을 제작하기 때문에 강도 및 내화성능 확보에 어려움이 있다.
본 연구는 건축물 방화구획에서 요구되는 내화성능 및 창호의 심미적 요소를 고려한 스틸창호를 개발하고 이에 대한 사전 내화실험을 수행하여 내화성능을 검증하는 것이다. 이를 위해 선진외국에서 적용하고 있는 방화창호의 내화성능에 관한 법규 및 실험방법을 정리하였고, 국내에서 적용되고 있는 방화창호의 법규 및 실험방법과 비교하였다. 국내·외 법규 분석을 통해 검증된 기준으로 실험 계획을 수립하여 내화실험을 수행하였다. 실험은 PVC 창호, 이중유리 스틸창호, 단판유리 스틸창호에 대해 수행되었으며 실험을 통해 얻어진 데이터의 분석을 통해 차염성능 및 차열성능을 평가하였다. 개발 및 평가된 스틸창호는 단점 보완을 통해 방화문을 대체하여 방화구획 내 방화창호로 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
2. 법규 분석
2.1 국내 법규
국내의 경우 건축물의 내화에 대한 법적 근거는 건축법 제50조(건축물의 내화구조와 방화벽)와 제51조(방화지구 안에 건축물)에서 제시하고 있다.
외벽에 설치된 창문 및 방화구획의 내화성능에 관한 법규는 하위법인「건축물의 피난·방화구조 등의 기준에 관한 규칙」제23조(방화지구안의 지붕·방화문 및 외벽 등)에 제시되어 있다. 이에 의하면 방화구획 내 건축물의 인접 대지 경계선에 접하는 외벽에 대해 연소할 우려가 있는 부분은 갑종 방화문을 설치하거나 한국건설기술연구원장이 실시하는 품질 시험에서 그 성능이 확인된 방화문을 사용하도록 되어 있다. 비차열 성능이 요구되는 방화문은 성능기준에 따라 갑종 방화문(60분), 을종 방화문(30분)으로 구분되며 성능기준으로는 차염성능, 차열성능으로 평가된다. 추가적으로「발코니 등의 구조 변경 절차 및 설치기준」제4조에 따르면 발코니를 확장한 경우, 발코니 끝부분에 바닥판 두께를 포함하여 높이가 90 cm이상의 방화판 또는 방화유리창을 설치해야 하며, 방화유리창의 방화유리는 KS F 2845에 따라 실험하고 비차열 30분 이상의 성능을 확보하여야 한다고 제시하고 있다. 「자동방화셔터 및 방화문의 기준」제5조는 방화문의 상부 또는 측면으로부터 50 cm 이내에 설치되는 방화문 인접창은 KS F 2845에 따라 시험하도록 되어있다. Table 1은 방화구획 내 창호에 대한 관련 법규를 정리한 것이다.
Domestic Laws and Regulations
2.2 미국 법규 (IBC, IFC, NFPA)
미국의 IBC에서는 건축물의 용도, 규모 및 구조방식에 따라 방화구획의 요구 내화성능을 제시하고 있다. 특히 구획의 벽에 설치되는 개구부 시스템의 경우에는 성능시간을 최소20분 이상으로 두고 있으며, NFPA 및 UL에서는 이를 판정할 수 있는 시험방법과 절차를 제시하고 있다.
미국 건축법규에서는 방화창호에 설치되는 유리의 크기와 면적을 사양 기준으로 제시(한 변의 길이: 1.37 m, 최대면적: 0.84 m2)하여 사용하도록 규정되어 있다. 또한 실험을 통해 정해진 평가기준을 통과한 재료에 한하여 사양 기준 이상의 크기와 면적을 갖는 유리의 사용을 허용하고 있다. 방화창호의 경우 비차열/차열로 구분하여 평가하도록 되어있다. 비차열 방화창호는 차염성에 의해 평가되며, 차열 방화창호의 경우 차염성, 차열성, 복사열에 의해 평가된다. Table 2는 미국 방화문 및 창호의 시험방법을 정리한 것이다.
Evaluation Methods of Window in USA
2.3 유럽 법규 (EN)
현재, 유럽의 경우 대형 건축물에 내화성능을 인정받은 여러 방화창호가 사용되고 있다. 독일의 Jansen, 영국의 Dortak에서 제작된 방화창의 경우에는 EN 1364-1 Fire Resistance Tests for Non-Loadbearing Elements Walls의 기준에 따라 평가하여 내화성능을 인정받고 있다.
미국과 달리 EN 1364-1은 비내력벽을 평가하기 위한 절차로서 방화창호에 대한 평가를 함께 다루고 있다. 그 외 독일의 Jansen, Forster, 영국의 Dortak사는 EN 1363과 EN 1634-1 Fire Resistance Tests for Door and Shutter Assemblies의 기준에 따라 방화창을 평가하고 있다. Table 3은 유럽에서 사용되는 방화창호의 제품 및 내화성능 인정시간을 보여준다.
Products and Certification Criteria of Fire Window in Europe
2.4 뉴질랜드 법규 (NZS)
뉴질랜드의 경우는 유럽의 EN 코드와 매우 유사하며Acceptable Solution에서는 유리를 포함한 방화문의 내화성능은 NZS 4520의 코드를 따른다고 명시하고 있으며, NZS4520은 방화창호를 NZS 476.22 (Fire Tests on Building Materials and Structure – Methods for Determination of the Fire Resistance of Non-load Bearing Elements of Construction)에 따라 평가해야 한다고 제시되어 있다. 뉴질랜드 법규 및 NZS 4520은 1) 파티션 (Partitions), 2) 전체 단열된 문과 셔터, 3) 부분 단열된 문과 셔터, 4) 단열성능 없는 문과 셔터, 5) 지붕구조 (Ceiling Structures), 6) 유리요소 (Glazed elements)로 구성되어 있다. 적용범위를 살펴본 결과 미국, 영국과 마찬가지로 비내력벽 성능실험에 유리요소(방화창호)를 포함하여 평가할 수 있도록 제시하고 있다. 유럽과 마찬가지로 비내력벽 일부가 유리로 구성되어 있거나 혹은 전체가 유리 및 프레임으로 구성되어 있는 경우에도 NZS 4520의 평가 방법을 통해 실험하도록 제시하고 있다.
2.5 창호관련 법규 비교 분석
국외 방화창호의 내화기준과 국내 기준을 비교해 본 결과, 미국에서는 국내와 유사하게 방화창호(유리+프레임)에 관한 개별적인 내화성능 평가방법을 제시하고 있다. 평가기준은 비차열/차열 창호에 따라 차열성, 차염성, 복사열 평가를 선택적으로 사용하도록 되어있다. 유럽과 뉴질랜드의 경우에는 방화창호의 차염성능을 비내력벽 내화성능 시험방법에 포함하여 평가하고 있다. 추가적으로 차연 성능실험, 주수실험 등을 수행하고 있다. 이와 달리 국내의 경우, KS F 2257-8 「건축부재의 내화시험방법- 수직 비내력 구획부재의 성능조건」에서는 문 또는 유리를 포함한 벽에 대하여 KS F 2257-8에 따라 내화 성능평가를 할 수 없다고 명시하고 있다. 창호에 관한 실험방법은 ISO 기준에 의거한 KS F 2845에서 따로 제시하고 있으며, 2.1절에서 언급한 바와 같이 방화문의 상부 또는 측면으로부터 50센티미터 이내에 설치되는 방화문의 인접창은 KS F 2845에 따라 시험하도록 되어있다. 평가 기준은 비차열/차열 창호에 따라 차염성, 차열성, 복사열(선택)로 정하고 있다. 성능평가는 유럽의 커튼월에 대한 평가방법과 유사하다. 주의할 점은 KS F 2845의 적용범위에는 “문의 일부 또는 전부가 유리로 구성된 문에 대해서는 이 표준을 적용하지 않는다.”라고 제시하고 있으므로 유리가 포함된 방화문은 KSF 2845의 기준으로 실험할 수 없다. Table 4는 국내·외 방화창호 관련 법규를 정리한 것이다.
Regulations for Fire Windows
3. 실험계획 및 실험결과
3.1 실험체 계획
실험은 KS F 2845「유리구획부분의 내화시험방법」에 따라 이중유리 스틸창호, 단판유리 스틸창호, PVC 창호에 대하여 실시하였다. 이중창호의 경우 가열면은 방화유리 8T 1겹/강화유리 1겹, 단판유리 창호의 경우 방화유리 8T를 단독으로 사용하였다. 창호의 규격은 가로, 세로 각 3 m이다. Table 5는 차열성능을 평가하기 위한 열전대의 위치를 보여준다. 평균온도를 측정하기 위한 열전대는 실험체의 면적 각 1.5 m2마다 1개의 열전대를 설치하되, 각 유리에 최소 2개의 열전대가 설치되도록 계획하였다. 또한 2개의 열전대는 각 유리를 4등분하여 2개 등분에서 대각선으로 마주하도록 중앙지점에 설치하였다. 최고온도를 측정하기 위한 열전대는 수직 수평방향틀의 중앙, 중간 선틀의 중앙, 중간막이의 중앙, 중간 선틀과 중간막이의 교차지점, 유리와 유리이음부의 중앙지점에 최소1개 이상 설치하였다.
Locations of Thermocouples
3.2 평가방법
KS F 2845에서 제시한 내화성능 평가는 차염성능, 차열성능으로 구분된다. 차염성은 비가열면의 화염, 면 패드의 착화, 균열게이지의 관통으로 결정되며, 차열성은 비가열면에 설치된 열전대의 평균온도 140도시 또는 최고온도 180도시를 초과하는 시점으로 결정된다. 다만, 비차열 창호의 경우, 차염성 기준에 의해서만 평가되며 차열 유리의 경우, 차염성, 차열성, 복사열(선택)에 의해 평가된다. Table 6은 창호의 내화성능에 대한 평가기준을 보여준다.
Evaluation Criteria of Windows Fire Test Performance Criteria (KS F 2845)
3.3 실험 결과
3.3.1 차염성
PVC, 스틸창호의 내화실험 평가기준 중 차염성능을 평가하기 위하여 시간에 따른 실험체의 특이사항을 관찰하였다. Table 7은 시간에 따른 실험체의 특이사항을 정리한 것이다. PVC의 경우 실험 시작 후 2분 뒤 실런트의 발화로 인해 내부의 연기가 외부로 누출되었으며, 동시에 외부 유리가 파손되었다.
Integrity by the Fire Test Duration
4분 뒤 내부유리가 파손되어 3분의 차염성능을 기록하였다. 이중 스틸창호의 경우 실험시작 후 3분 뒤, 외부유리가 파손되고 4분 뒤 내부유리가 파손되어 3분의 차염성능을 기록하였다. 단판 스틸창호의 경우 실험 시작 후 11분 뒤, 비가열면에 연기가 누출되었으며 23분 뒤 유리가 파손되어 22분의 차염성능을 기록하였다.
3.3.2 차열성
차열성 평가는 비가열면에 설치된 열전대의 평균온도, 최고온도를 측정하여 정해진 기준을 통과하는 시간으로 결정된다. PVC의 경우 초기온도는 2°C이며 평균온도 기준은 142°C, 최고온도 기준은 182°C이다. 평균온도 측정은 1~6번 열전대의 평균온도로부터 결정되었다. 평균온도는 시험 종료 전 평가기준 온도를 초과하지 않았으나, 1번 열전대의 경우 실런트 발화로 인해 다른 열전대에 비해 급격하게 온도가 상승하였다. 최고온도 측정은 1~13번 열전대 중 최고온도가 성능 기준을 초과하는 시간으로 결정된다. 최고온도는 시험 종료와 동시에 184°C를 기록하여 4분의 차열성능을 기록하였다. Fig. 1은 시간에 따른 PVC창호의 온도변화를 보여준다. 이중 스틸창호의 경우 초기온도는 2°C이며 평균온도 기준은 142°C, 최고온도 기준은 182°C이다. 평균온도 측정은 1~8번 열전대로부터 측정되었다. 평균온도는 시험 종료 전 평가기준 온도를 초과하지 않았다. 최고온도 측정은 1~15번 열전대로부터 측정되었으며, 평균온도와 유사하게 실험이 종료될 때까지 평가기준온도를 초과하지 않았다.
PVC Window Temperature Data
단판 스틸창호의 경우 초기온도는 21°C이며 평균온도 기준은 161°C, 최고온도 기준은 201°C이다. 평균 온도는 실험 시작 6분경과 후 161°C를 기록하였다. 최고온도 측정은 1~16번 열전대로부터 측정되었으며, 약 6분에 3번 열전대가 194°C를 기록하여 5분의 차열성능을 기록하였다. 7분 뒤, 절반 이상의 열전대가 최고온도 평가기준을 초과하였다. Fig. 3은 시간에따른 단판 스틸창호의 온도변화를 보여준다.
Single Steel Window Temperature Data
Section of the Steel Window
3.4 실험 분석
차염성능 및 차열성능 평가를 통한 내화성능 시간은 Table 8, 9와 같다. 시험 평가는 비차열 창호 및 차열 창호에 따라 평가기준이 달라진다. 비차열 창호의 경우 차염성에 의해 평가되며, 차열 창호의 경우 차염성, 차열성, 복사열(선택)에 의해 평가된다. 차열 창호의 경우, 이중 PVC 창호 및 이중 스틸창호는 차염성능에 의해 3분의 내화성을 기록하으며 단판 스틸창호의 경우 차염성능은 22분을 기록하였으나, 차열성능에 의해 4분의 내화성능을 기록하였다.
Fire Resistance Time of Insulation Steel Windows
Fire Resistance Time of Non-Insulation Steel Windows
비차열 창호의 경우, 이중 PVC 창호 및 이중 스틸창호는 차염성능에 의해 3분을 기록하였으며 단판 스틸창호의 경우 차염성능 기준에 의해 22분의 내화성능을 기록하였다.
총 3차례의 실험 결과, 주로 유리의 파괴(차염성 기준)로 인하여 성능시간이 결정되었다. 유리가 파괴되는 동일 시간에서의 PVC창호 및 스틸창호의 프레임은 큰 변화를 보이지 않았다. 특이 현상으로는 유리와 프레임을 결속하는 방화 실런트의 박리현상 및 화염이 발생하였다.
단판 스틸창호의 경우 차염성능은 22분(가열온도 750°C)을 기록하였으나 유리면의 급격한 온도상승으로 인하여 차열성능은 4분을 기록하였다. 실험 시작 후 10분 뒤 가열로 내부의 온도는 700°C 정도로 온도가 급상승하였으나 스틸(45 kcal/mhr°C)에 비해 매우 낮은 열전도율(0.65 kcal/mhr°C)을 지닌 유리의 표면 온도는 약 300°C 정도의 낮은 온도를 기록하였다. 이는 연화점(높은 열에 의해 물질이 녹는점으로 유리의 경우 약 650°C에서 발생함)에 의한 파괴가 아닌 열충격(Thermal shock)에 의한 파괴로 판단할 수 있다.
열충격은 유리의 한부분이 급열되거나 급냉되었을 때 온도차에 의해 깨지는 성질이다. 다시말해 물체가 갑자기 가열 또는 냉각되는 경우 내/외부 사이의 온도 차이에 의해 열응력 또는 열변형이 생기는 것을 의미한다. Fig. 1과 Fig. 2의 경우가열로 내부온도가 580°C인 경우 비가열면 열전대 100°C 이하를 기록하고 있다. 이러한 점으로부터 가열로 내부 온도가 600°C이상인 경우 비가열면 단판 스틸창호 유리 표면과 유리내부의 열팽창계수 차이로 인해 표면에는 압축력이 발생하고 내부에는 인장력이 발생하여 유리가 깨진 것으로 분석된다. 또한 이러한 열팽창계수를 고려하여 유리와 프레임 접합부에 연신율이 뛰어난 실런트를 사용하여 결속하였으나, 프레임과 유리의 이격거리가 짧아 응력이 추가적으로 유리에 가해져 예상보다 더 낮은 온도에서 파괴된 것으로 판단된다. 이는 실험 중 유리에 면외 좌굴이 발생한 이유로도 설명이 가능하다. 그림 4는 스틸창호의 단면을 나타내고 있으며 실험체에 사용된 실런트는 약 160°C에서 발포하며 40~50배의 팽창율을 지닌 제품을 사용하였다.
Doble Steel Window Temperature Data
이중 PVC 창호 및 이중 스틸창호의 경우는 단판 스틸창호와 달리 낮은 온도에서 파괴되는 현상이 보였다. 실험 시작후 3분경에 외부유리(강화유리)가 파괴되었으며 그 뒤 1분 후 내부유리(방화유리)가 파괴되었다. 이와 같은 결과는 비가열면에 부착된 열전대 온도를 통해 파괴원인을 분석할 수 있다. 일반적으로 강화유리의 경우 180°C이상 온도를 기록하면 열충격에 의한 파괴되는 현상을 보인다. 따라서 이중 PVC 창호의 강화유리와 이중 스틸창호의 강화유리는 180°C를 넘는 시점에서 파괴되었다. 이중 스틸창호 내부에 설치된 방화유리의 경우는 단판 스틸창호의 방화유리와 같이 300°C가 넘는 고온에서 견딜 수 있는 열충격 저항능력을 갖고 있으나, 외부유리(강화유리)의 파괴로 인한 충격이 방화유리에 전달되어 짧은시간 내에 함께 파괴된 것으로 판단된다. 이는 외부 유리 파괴 시 열팽창에 의해 큰 폭음과 함께 유리 파편이 내 외부로 터져나가면서 내부 유리에 강한 충격을 가한 것을 통해 알 수 있다.
4. 결론
본 연구에서는 국내 유리구획 내화성능 평가방법인 KS F2845와 대비되는 미국(NFPA 251), 유럽(EN 1364-1), 뉴질랜드(NZS 467.22)의 유리 내화성능 평가방법을 조사한 후 개발된 스틸창호의 내화성능을 평가하기 위해 실물실험을 실시하였다. 본 연구를 통한 결론은 다음과 같다.
1) 국내 유리구획의 내화성능시험은 KS F 2845「유리구획부분의 내화 시험방법」으로 평가하고 있으며 이는 ISO 3009「Fire-resistance tests - Glazed elements」를 인용한 것이다. 그러나 유럽, 뉴질랜드의 경우 방화 구획 내 창호 또는 방화창호의 내화성능 시험을 비내력 시험에 포함하여 예외적인 상황에 대한 대안적인 실험방법을 제시하고 있다. 그러나 KSF 2845의 경우는 같이 문의 일부 또는 전부가 유리로 구성된 문에 대해서는 평가할 수 없다고 제시하고 있기 때문에 이를 보완할 수 있는 실험 기준이 추가적으로 제시되어야 할 것으로 판단된다.
2) 본 연구에 사용된 스틸창호의 경우 접합부의 실런트의 높은 신율을 이용하여 열팽창을 감소시키려 하였으나 프레임과 유리의 적절하지 못한 이격거리로 인하여 방화유리 자체가 지닌 성능보다 낮은 내화성능 시간(온도)을 기록하였다. 또한 방화유리와 강화유리를 사용한 이중창호의 경우에도 강화유리의 파괴영향이 방화유리까지 전달된 것으로 나타났다. 이러한 관점에서 볼 때 방화창호의 내화성능을 향상시키기 위해서는 열팽창을 고려한 프레임에 관한 연구가 우선적으로 필요하며, 이러한 문제점을 해결한 경우 스틸창호의 내화성능이 크게 향상되어 방화 구획 내 방화문을 대체할 수 있을 것으로 판단된다.
감사의 글
이 논문은 2016년도 한남대학교 학술연구조성비 지원에 의해 수행되었으며, 이에 감사드립니다.
