1. 서론
유리 커튼월(Glass Curtain wall)은 하중을 지지하지 않는 외장용 건축 벽체에 유리 외장재를 장착하는 건축 방식을 말한다(Cho et al., 2010; Jeon, 2012). 최근 초고층 건축물은 건설의 용이성과 미적인 우수성으로 많이 사용하는 추세이나 유리 커튼월을 사용한 건물에서 화재가 발생할 경우 유리 외장재가 파손되면서 외부의 공기가 급격히 유입되어 화재가 상층부로 빠르게 전파되는 leapfrog effect가 발생하는 문제점이 있다. 또한, 고온의 열기류에 의해 커튼월 프레임과 층간 사이의 층간재가 파손되며 상층부로 화재가 전파되는 pork through effect가 발생하는 문제점이 있다(Rogan, 2010).
프레임을 가지는 유리커튼월 시스템의 파손은 고온의 ceiling jet의 영향에 의해 천장 부분의 프레임이 열팽창을 하며 굽힘 현상이 일어나고 이러한 프레임의 변형에 의해 유리재가 응력을 받아 유리재의 파손응력인 약 48 MPa에 도달하면서 유리재가 파손된다(Kim et al., 2016).
따라서 유리 외장재와 층간재 파손을 방지하는 것이 화재 확산을 방지함에 있어 매우 중요하며 많은 연구가 수행되었다.
유리 외장재 파손을 방지하기 위한 연구 중 적은 수량으로 기존 시스템보다 뛰어난 열 차단 효과를 보이는 수막 시스템은 최근 초고층 건축물에 적은 수량으로 높은 효과를 얻을 수 있어 많은 연구가 수행되어 지고 있다. 유리에 수막을 형성 하는 것은 약 1/3의 유량으로 약 100 °C로 유지 할 수 있으며 0.503 mm 이상의 수막 형성 시 90% 이상, 2 mm 이상 시 98%의 열차단을 할 수 있음을 보였다(WU et al., 2007; Shao et al., 2014; Sung, 2015).
현재는 수막을 형성하기 위해서 윈도우 스프링클러를 이용한 수막 시스템을 주로 사용하고 있다. 그러나 이러한 윈도우 스프링클러는 방화유리에 적용해 내화구조를 만드는 개념이라 유리외장재, 프레임과 층간재 등과 같이 복잡한 구조를 가지는 유리 커튼월 시스템 보호에 윈도우 스프링클러가 적합한 화재 방호 성능을 확보하는지 대한 연구는 미비하다.
따라서 기존의 윈도우 스프링클러의 단점을 개선하기 위해 워터 커튼 노즐에 유리면 살수부를 추가한 커튼월용 수막 노즐을 수치해석을 통해서 개발하였다. 커튼월 노즐은 유리재에 수막 형성을 위한 유리면 살수부와 내부 화재 성장 억제를 위한 워터 커튼 살수부로 이루어져 있다. 특히 수막 형성은 유리뿐만 아니라 프레임과 복잡한 구조를 가지는 유리 커튼월 시스템 전체에 비보호면이 발생하지 않도록 커튼월 전면을 덮는 유동 특성을 가진다(Kim, 2016).
하지만 커튼월용 노즐은 윈도우 스프링클러와 달리 워터 커튼 살수부가 있어 수막 생성에 윈도우 스프링클러에 비해 비교적 적은 유량으로 수막을 형성하지만 실제 화재시 열차단 성능 분석이 미비하다.
특히 상층부의 프레임은 고온의 ceiling jet의 영향을 받아 열팽창을 하여 유리재의 파손을 쉽게 야기할 것으로 판단되며 커튼월 노즐은 윈도우 스프링클러에 비해 비교적 적은 수량만이 커튼월 상부 부분으로 분무된다.
따라서 본 연구에서는 파손이 쉽게 발생 할 수 있는 커튼월 상층부 프레임에서 커튼월 노즐과 기존의 윈도우 스프링클러 노즐의 열차단 성능을 분석 하였다.
2. 실험장치 및 방법
2.1 실험 공간
Fig. 2는 실증 실험을 위한 실험의 개략도이다. 폭 3.2 m 높이 2.445 m 길이 3 m 크기의 철제 컨테이너 구조를 2층으로 쌓아서 제작하였으며 내부는 1000 °C 기준으로 0.37 W/m·K의 단열 성능을 가지는 고온 단열재를 부착하였다. 건축물의 한쪽 면에 유리 커튼월 시스템을 부착하였으며 유리 커튼월 시스템은 TPS 단열재를 넣은 2중유 리를 알루미늄 프레임으로 감싼 형태의 프레임을 가지고 30 cm 간격으로 폭 2 cm 길이 10 cm 두께 0.5 cm 고정단으로 길이 방향으로 2.5 cm 건축물과 2.5 cm 프레임과 용접하여 부착되어 있으며 커튼월과 건축물 사이에는 약 5 cm의 공간이 비어 있으며 이 부분은 pork-through 효과를 막기 위해 실제 시공 하는 것과 같이 세라크울로 끼워서 마감하였다.
실험 공간의 공기 유입구는 연소 시 좌우 대칭이 되는 유동을 얻으며 실제 문의 50%가 개방 되어 있을 때를 가정하였다. 공기 유입구는 Fig. 2 (11)의 문 부분에 폭 1.45 m 높이 0.5 m 크기로 정 가운데 위치하고 있으며 풍속 0.02 m/s 이하 20 °C의 유동이 거의 없는 제어된 상태의 공기에 노출되어 있다. 2층은 공기 유입구가 1층과 연결과 층간재 부분만 있고 문은 닫혀 있는 것으로 가정하였다.
2.2 실험 장치
Fig. 3은 실험에 사용된 윈도우 스프링클러 노즐과 커튼월용 노즐의 설치된 모습이다. 윈도우 스프링클러는 Paratech사의 K80의 상용 노즐을 사용하였으며 커튼월 노즐은 유량계수 K50으로 Fig. 1과 같이 직접 제작하여 사용하였다. 각 노즐의 설치위치는 양옆 벽으로부터 0.6m 프레임으로 부터 0.3 m 이격 하여 2개설치 하였으며 커튼월 노즐의 살수 패턴은 Fig. 4와 같이 유리면과 실내 측으로 2방향으로 분무한다. E-플러시 노즐은 정 가운데 1개설치 하였으며 각 노즐의 방수 시간은 30초에 하였으며 방수압력은 0.1 MPa(gauge)이다. 열전대는 K 형을 사용하였으며 Fig. 5와 같이 설치하였다. 1층 양 옆 프레임의 최상부에 2개 그리고 2층 프레임의 하단에 3개의 열전대를 설치하였다. 열전대는 프레임에 고 열전도성 접착제로 설치하였다.
2.3 화원
Fig. 6은 실험 전후 사진으로 화원은 유리 커튼월 시스템이 주로 설치되는 건축물의 용도가 사무실인 것을 감안하여 서울에 위치한 15층 이상의 빌딩 사무실 9개소와 5층 건축물 1개소를 대상으로 조사한 화재하중을 기초로 산출한 HRR을 바탕으로 산출하였다. 구석 화재 발생 시 가장 빠르게 깨질 수 있는 70 s 때의 HRR을 모사 할 수 있는 가로 0.5 m 세로 0.5 m 높이 0.15 m의 풀 화재를 Fig. 6과 같이 공간내 정 가운데에 위치하여 사용하였으며 연료 감소율을 실측한 결과를 바탕으로 HRR을 계산 하였을 때 70초에서 HRR이 최대 8% 오차로 적절한 화재 시나리오를 구현 한 것으로 판단하였다(Kweon et al., 2012; Shields et al., 2002; Shields et al., 2005). 연료는 n-Heptane을 사용 하였으며 안정적인 연소를 위해 1L 의물을 풀 안에 채운 후 연소를 하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 커튼월 1층 프레임 온도
유리 커튼월의 알루미늄 프레임의 열전도율과 열팽창률은 일반적으로 유리보다 매우 높으며 특히 상층부의 프레임 은 고온의 ceiling jet의 직접적인 영향을 받아 팽창하고 유리에 응력을 가하여 유리외장재를 파손 할 가능성이 있다.
Fig. 7은 유리 커튼월 시스템의 1층 프레임의 상부 온도 분포이다. N은 윈도우 스프링클러이며 W는 커튼월용 노즐이다. 커튼월용 노즐을 사용할 때는 프레임의 온도가 수온인 약 20 °C에 유지 되지만 윈도우 스프링클러는 프레임 중앙부의 온도가 시간에 따라 지속적으로 55 °C부터 상승 하며 약 25 °C 이상 차이가 발생 하는 것을 확인 할 수 있다.
Fig. 7
Temperature Profile and Temperature Difference Profile of Frame at First Floor, N: Curtain Nozzle, W: Window Sprinkler
이러한 원인은 커튼월용 노즐은 커튼월 전체에 넓게 덮는 형식으로 수막을 형성하고 내측으로 분사하여 열차단을 하는 반면 윈도우 스프링클러는 최상층부터 수막이 흘러 내려오나 중간의 프레임에 막혀 아랫면으로 수막은 형성되지 않기 때문이다.
따라서 화원으로부터 가장 많은 열량을 가진 ceiling jet의 영향을 가장 많은 받는 프레임 중앙부에서 윈도우 스프링클러는 시간에 따라 온도가 상승하므로 온도제어에 문제점이 발생 하여 파손될 가능성이 비교적 높아질 것으로 판단된다.
3.2 커튼월 2층 프레임 온도
2층 프레임에는 층간재가 있으며 화재 시 층간재가 탈락 및 파손되어 pork-through 현상이 발생하여 상층부로 화재가 전파된다.
Fig. 8은 유리 커튼월 시스템의 2층 프레임의 하부 온도이다. 방수 후 커튼월용 노즐은 수온인 20 °C부터 최대 30 °C로 제어 되지만 윈도우 스프링클러는 45 °C에서 55 °C 사이로 약 20 °C 가량 높은 온도에서 제어 되는 것을 확인 할 수 있다. 윈도우 스프링클러 사용 시에도 1층 프레임과 달리 2층 프레임은 시간에 따라 온도가 제어되며 이러한 원인은 대부분의 유량이 2층 가로방향 프레임에 막혀 다량의 물이 프레임에 고이기 때문이다. 하지만 윈도우 스프링클러는 유량계수 K80이며 유리면으로 80 L/min이 분사되어 대부분의 수량이 수막을 형성하는데 기여함에 불구하고 프레임에 수막의 흐름이 막혀 유량계수 K50이고 유리면으로 20 L/min 실내로 50 L/min인 커튼월용 노즐보다 높은 온도에서 온도가 제어된다.
Fig. 8
Temperature Profile and Temperature Difference Profile of Frame at Second Floor, N: Curtain Nozzle, W: Window Sprinkler
따라서 커튼월용 노즐이 윈도우 스프링클러에 비해 약 37.5% 적은 유량으로도 온도가 제어 되므로 열차단 성능이 우수하다.
4. 결론
본 연구는 유리커튼월 시스템을 사용하는 건축물에서 화재 시 유리커튼월 시스템의 파손 방지를 위해서 개발한 커튼월용 노즐과 기존의 윈도우 스프링클러의 열차단 성능을 비교하였다.
고온의 ceiling jet의 영향을 받아 가장 먼저 파손되는 상층부 프레임의 온도는 커튼월용 노즐이 유량계수 K50으로 유리면으로 분사되는 유량이 약 20 L/min이고 윈도우 스프링클러는 K80으로 전량 유리로 80 L/min 분사하지만 윈도우 스프링클러는 50 °C에서 지속적으로 온도가 상승하고 커튼월용 노즐은 윈도우 스프링클러에 비해 약 37.5% 적은 유량으로 25 °C 이하로 온도를 제어 하여 화재 방호 성능이 기존 윈도우 스프링클러에 비해 우수 한 것으로 판단되었다.
이러한 성능의 차이는 주로 커튼월의 프레임에 의해 수막형성에 문제가 발생 하는 것이 원인으로 분석되므로 향후 적절한 화재 방호 성능을 확보하기 위해서는 수막형성에 프레임의 영향을 충분히 고려해야 할 것으로 판단된다.
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