1. 서 론
국가물류통합정보시스템을 통한 연도별 물류창고업 등록현황으로는 코로나가 시작한 2019년부터 연간 400개 이상의 물류창고가 생기고 있다. 이러한 물류창고에서 발생하는 화재건수는 매년 꾸준히 약 100건 이상이 발생하며, 물류창고 화재에 의한 재산피해규모는 급격하게 증가하고 있으며 2020년 이후로 매년 100억 원이 넘는 재산피해가 발생하고 있다. 이러한 물류창고의 경우, 수용물품의 대량 집중화, 대공간 고천장화, 대규모 설비 등일반건축물과 큰 차이점을 보이고 있어 일반건축물과는 차별화된 소방설비, 방화구획 및 화재확산방지설비가 요구된다.
한편, 화재확산방지설비 중 방화셔터의 경우 국토교통부 고시에 따라 방화셔터의 내화성능은 실제 구조물에 설치되는 것과 동일한 재료 및 구성의 3 m × 3 m 크기의 시험체로 시험을 하도록 되어 있으며, 너비 8 m × 높이 4 m 중 어느 하나라도 초과하는 경우 대형방화셔터로 분류된다. 이러한 대형방화셔터의 경우 방화셔터의 성능 인증을 위해서는 구조기술사의 검토를 하도록 하고 있다. 그러나, 현행 국내 기준에는 대형셔터의 적용을 위한 구조검토 항목은 명시되어져 있지만, 구조검토에 대한 구체적인 세부항목은 명시되어 있지 않다. 또한 방화셔터는 철재셔터와 스크린셔터로 셔터면의 종류에 따라 구분되는데 이를 고려한 검토기준이 없다. 특히, 대형스크린셔터는 방화 성능이 확보된 실리카 및 글래스섬유 기반의 원단을 사용는데 화재 시 원단 수축 및 화재압으로 인해 셔터면의 이탈, 찢어짐 등의 물리적 손상이 발생할 수 있다. 따라서, 셔터면의 구조적 건전성을 확보하기 위해서는 엔드락과 가이드레일 간 이격거리, 응력 분포 등에 대한 정량적 실험 및 분석이 필수적일 것으로 판단된다.
방화구획 및 스크린셔터와 관련해서 선행 연구에서는 다음과 같은 사항들이 검토되었다. Lee et al. (2023)은 기존 물류시설 화재사례를 통해 소화설비가 정상 작동했음에도 화재가 진압되지 않은 사례를 통해 방화구획을 구성하는 요소인 방화문, 방화셔터, 방화댐퍼, 내화채움구조 등 화염 및 연기의 확산방지를 위해 내화성능 상향등의 조치가 필요한 것으로 분석하였고, Yeo et al. (2017)은 방화구획의 개구부 및 관통부분은 연기와 화염을 인접공간으로 확대시키는 주요한 통로가 될 수 있음을 연구를 통해 확인하였다. Seo et al. (2017)은 현장품질관리 확인사항 중 스크린방화셔터에서 빈도가 가장 높은 부적합 사항으로 틈새발생이 전체 부적합 사항의 약 55%를 차지하고 있음을 확인하였으며, Lee (2018)는 성능시험기관의 가열로가 3 m × 3 m의 크기까지만 시험할 수 있어서 성능시험에 의한 시험성적서 임에도 대형방화셔터가 좌판이나 가이드레일 등을 보강하지 않고 시공되어 셔터의 크기가 커질수록 성능시험서에 기재된 성적이 검증되지 않을 가능성이 높다는 연구를 수행하였다.
이에 본 연구는 직선면에 해당하는 대형방화스크린셔터에서 수평 및 수직 하중 특성을 반영한 검토를 목적으로 성능평가 방법론을 고찰하고, 검증실험을 통해 스크린셔터의 안전성을 검토할 수 있는 방안을 목적으로 도출하고자 하였다.
2. 대형방화셔터 성능평가 방법론
2.1 스크린셔터 구조적 특성
방화셔터는 셔터면의 종류에 따라 크게 스크린셔터, 철재셔터로 구분된다. 스크린셔터의 경우 Fig. 1과 같이 대표적으로 케이스(배럴 및 모터 등의 외부 케이스), 배럴, 셔터면, 하단마감재, 측면 가이드레일 등으로 구성되어 있다. 상부의 배럴은 평상시 스크린셔터가 감겨 있다가 화재 시 배럴의 회전에 의해 스크린셔터를 하강시키는 역할을 한다. 배럴은 샤프트에 고정되어 있고, 샤프트는 엔드플레이트에 의해 지지된다. 모터에 의해 샤프트가 회전하게 되고, 이 회전이 배럴의 회전으로 전달된다. 배럴에 감겨 있던 셔터면은 셔터면 끝단에 설치된 엔드락을 통해 벽면에 고정된 가이드레일을 따라 내려오게 된다. 이러한 가이드레일은 스크린셔터의 상하 진행 방향을 유도하는 역할을 수행하게 된다. 셔터면은 가이드레일에서 빠지지 않도록 충분한 깊이 및 유격을 가지고 있어야 한다. Table 1에서 각 부재의 명칭을 정리하였다.
Table 1
Name of Each Part
방화스크린셔터는 내화성능이 있는 원단을 사용한 것으로 뛰어난 차염⋅차연성과 투광성을 가지는 실리카 원단 등을 사용하여 용도 및 개구부 크기에 대응하여 자유로운 설계가 가능한 장점을 가지고 있다. 원단의 중량은 약 0.7 kg/m2로 방화철재셔터에 비해 약 1/20로 매우 경량이기 때문에 건축물에 전가되는 하중이 적고, 시공의 효율성이 높아 물류시설, 아트리움과 같은 대형공간에 주로 설치되고 있다.
2.2 대형스크린셔터 관련 국내⋅외 기술 기준
일반적인 자동방화셔터와는 달리 너비 8 m × 높이 4 m를 초과하는 대형 방화셔터의 경우, 통상적인 가열로의 규격(3 m × 3 m)을 초과함에 따라 직접적인 내화시험이 불가능하다. 이러한 대형방화셔터의 직접적인 내화시험을 거치지 않고 대형방화셔터의 규격산정 기준의 도출을 목적으로, 국내와 국외 기준 현황을 고찰하였다. 국외 기준으로는 영국 및 일본에서 대형방화셔터의 성능평가를 공학적으로 수행하였고, 이러한 셔터면의 특성을 반영한 검토 기준과 관련하여 국외에서 적용되어 시행되고 있는 기술을 참고하고자 영국 및 일본의 기술기준을 검토하였다.
2.2.1 국내 기준
물류시설과 같은 대형공간에서는 해당 공간의 특성상 8 m × 4 m를 초과하는 방화셔터를 시공해야 하는 경우가 발생하게 된다. 8 m × 4 m를 초과하게 될 시 ｢건축자재등 품질인정 및 관리 세부운영지침 대형셔터 검토 절차｣ 및 ｢건축자재등 품질인정 및 관리 세부운영지침 성능평가 기준｣에서는 이를 대형셔터로 분류하고 부가시험 및 성능기준 등을 정하고 있다. 기준에서는 부가시험 및 성능기준 등을 만족할 경우, 구조기술사의 검토 및 운영위원회 심의를 통해 설치 크기를 조정할 수 있다고 규정되어 있다(MOLIT, 2024a).
｢건축자재등 품질인정 및 관리 세부운영지침 대형셔터 검토 절차｣에서 요구되는 항목으로는 최종제품의 최대 길이의 휨 강도 검토서, 각 구조재 최대 길이의 휨 강도 검토서(샤프트/각파이프 등) / 연결되는 구조재는 연결부가 포함된 검토서, 풍압에 따른 슬랫 및 셔터면을 이루는 재료의 변형 검토서, 슬랫 및 셔터면의 변형에 따른 셔터 끝단의 이탈 검토서(엔드락 이탈 방지 포함), 슬랫 및 셔터의 면을 이루는 재료의 인장강도 검토서, 하단마감재의 중량에 따른 슬랫 및 셔터면 추락방지 등 안전성 검토서, 구동 모터의 구조적(전기적) 결함(체인 단락, 전기차단 등)에 대한 추락방지 등 안전대책 검토서, 고온(538 ℃)에서 최대 길이의 샤프트 처짐량 검토서로, 철재셔터와 스크린셔터로 구분하여 검토 절차가 마련되어 있지 않다(MOLIT, 2024b) 이러한 셔터면의 특성을 반영한 검토 기준과 관련하여 국외에서 적용되어 시행되고 있는 기술을 참고하고자 영국 및 일본의 기술기준을 검토하였다.
2.2.2 영국 기준
대형방화셔터의 성능평가 검증을 위해 참고한 기술 기준은 BS EN 15269-10, 11로, 방화셔터를 철재셔터와 스크린셔터로 구분하여 확장적용(Extended Application)에 대한 검토 방법을 제시하고 있다. 철재셔터와 스크린셔터 모두 3 m × 3 m 규격의 수직가열로를 통해 성능평가를 수행할 수 없을 경우, 3 m × 3 m의 내화시험 결과의 확장적용 방법을 통해 그 이상 크기 방화셔터의 내화성능을 검증하는 것으로, 기본적으로 각각 부재의 응력값에 대한 비교⋅검토가 이루어지게 된다. 기본적인 비교 방법론은 철재셔터와 스크린셔터 모두 동일하며, 스크린셔터의 경우 원단의 인장력에 관하여 추가적인 계산이 요구된다.
스크린셔터의 경우, 셔터의 구조체는 동일하지만 스크린셔터면의 원단 특성상 화재로 인한 압력 발생시 스크린셔터면은 인장력을 받게 된다. 발생하는 인장력은 원단의 손상, 셔터면과 가이드레일 사이의 이탈, 또는 하단마감재의 들림 현상 등을 야기할 수 있으며, 이는 방화구획 형성에 실패가 되는 원인이 된다. 따라서 시험체보다 큰 대형스크린셔터를 현장에 설치시에는 셔터면에 가해지는 인장력을 고려하여 원단 지지력에 대한 성능평가가 추가적으로 수행되어야 한다. 화재 시 스크린셔터면의 수축으로 인해 인장력이 가해지는 곳의 구조적 건정성을 확보해야 한다. 따라서 스크린셔터의 내화성능을 위한 평가는 수평방향으로 전달되는 인장력과 수직방향으로 전달되는 인장력의 계산을 토대로 수행된다.
2.2.3 일본 기준
일본 기준의 경우 일본 셔터 문 협회의 “방화 방염 스크린의 기술 표준”(이하 일본 기술 표준이라 칭함)은 내화시험을 통해 얻은 스크린셔터의 성능을 시험체의 크기와 다른 현장적용 스크린셔터에 적용하는 절차를 정리하고 있다. 일본 기술 표준에서는 이를 ‘대신인정’이라는 용어로 표현하고 있으며, 스크린셔터의 시험 방법, 측정 항목, 대신인정시 계산 절차 등이 하나의 표준에 모두 정리되어 있다. 일본 기술 표준에 명시된 스크린셔터의 성능 평가 항목은 방염 기능, 제연 기능, 균열 손상 및 틈새 발생 여부로써, 이를 판정하기 위한 시험 방법 및 시험 결과를 인정하기 위한 절차가 정리되어 있다(Japan Shutter & Door Association, 2001).
2.3 원단 팽창에 따른 응력 계산 방법론
BS EN 15269-11 (2018) 고찰에 따른 대형스크린셔터에서의 응력 계산 방법론은 수평방향과 수직방향에서 발생하는 인장력을 고려하여 성능평가를 수행하는 것으로, 3 m × 3 m 크기 시험체에 대한 내화시험을 통해 측정된 결과를 Eq. (1)에 대입하여 수평방향 수축률(δh)을 계산한다.
Eq. (1)에서 Ct,h,o는 환기시설 가동시 발생한 압력 20 Pa에 의해 수평방향으로 변형하는 원단의 길이로1 3 9 w t 2 + 48 U t , 0 2 1 3 9 w t 2 + 48 U t , m 2
이때, Wt, Ut,0, Ut,min,는 각각 시험체의 수평방향 폭, 내화시험 전 환기시설만 가동하였을 때의 수평방향 변위, 내화시험시 셔터면이 최대로 수축하였을 때의 수평방향 변위이다.
이후, 후술할 Eqs. (2)~(8)을 통해 최종적으로 수평⋅수직응력에 가산해야 할 응력은 1 m × 1 m 소형시험체에 시험을 수행한 후, 셔터면의 건전성 여부를 확인한다. 이때 시험체는 Fig. 5와 같이 수평응력의 영향을 가장 많이 받는 가이드레일과 Fig. 6과 같이 수직응력의 영향을 가장 많이 받는 셔터박스 부분의 시험을 통해 건전성을 확인한다.
2.3.1 수평응력에 따른 계산
δh를 통해 수평방향 응력 σs,h,, 시험체의 내화시험 후의 반경 rs, 시험체가 내화시험에 의해 발생한 수평방향 변형량Us, 시험체의 내화시험 후 원호의 길이 Cs,h를 각각 Eqs. (2), (3), (4) 및 (5)를 통해 계산하게 된다.
이때, Ps는 20N/mm2의 압력이고, t는 원단의 두께, Ws는 측면 가이드레일간의 거리, sh는 엔드락과 가이드레일사이의 이격거리, δh는 수평방향 수축률이다.
2.3.2 수직응력에 따른 계산
수직응력의 경우 원단면 및 하단마감재의 무게 ms,ges,, 원단면의 두께 t, 스크린셔터의 폭 Ws그리고 중력 가속도 g에 의해 수직응력 σs,v를 Eq. (6)에 의해 계산하게 된다.
이때, 원단면 및 하단마감재의 무게 ms,ges는ms,f+ms,BB을 통해 계산할 수 있으며, ms,f와ms,BB는 각각 원단면의 무게, 하단마감재의 무게이다.
Eqs. (1)~(5)의 계산결과를 바탕으로 Eq. (2)인 수평응력 σs,h를 도출하고, Eq. (6)의 계산 결과를 바탕으로 수직응력인 σs,v를 도출하여 스크린셔터 내화시험 후 소규모 내화시험(원단 지지력 실험)을 수행하기 위해 수평방향 하중량 Ft,v 및 수직방향 하중량 Ft,h를 Eqs. (7), (8)을 이용해서 도출한다. Eqs. (7), (8)에서의 W는 소형시험체의 폭과 높이로, 모두 1 m에 해당한다.
최종적으로 계산되는 하중량을 실제 대형방화스크린셔터의 수평⋅수직 방향에 가해지는 인장력으로 적용하여 스크린셔터의 원단 건전성을 소규모 내화시험으로 검증하는 것이 가능하게 된다.
3. 스크린셔터 원단 지지력 실험
3.1 개요
대형방화스크린셔터의 성능평가를 수행하기 위한 목적으로 BS EN 15269-11 (2018)의 실험 방법을 토대로 검증실험을 진행하였다. 실험 방법으로 성능평가를 수행하고자 하는 대형방화스크린셔터와 동일한 재료 및 조건으로 3 m × 3 m 크기의 실험체를 수직가열로를 통해 내화시험을 수행한다. 이후, 내화시험을 통해 스크린셔터의 원단면의 수축률을 산출한 후, 가이드레일 및 셔터박스와 인접해있는 스크린셔터 원단면에 실제 대형방화스크린셔터에서 가해지는 하중을 계산하여 가중한 후 1 m × 1 m 시험체를 제작하여 내화시험을 수행한다. 이후, 2시간 내화시험 간 1 m × 1 m 규격의 소형 시험체의 양상을 관측하여 성능평가를 실시한다.
3.2 스크린셔터 수축률 실험
원단의 수직 및 수평 수축률을 도출하기 위해 3 m × 3 m 크기의 스크린셔터 시험체를 제작하였다. 해당 시험체에 사용된 원단은 경우 실리카 0.5 mm, 탄화매트 3 mm, E-Glass 0.6 mm의 3중 복합재료로 구성되었다. 성능 검증을 수행하고자 가정한 대형방화셔터의 규격은 10 m × 6 m로, 대형셔터의 면적은 60 m2, 셔터면 원단의 중량은 90 kg, 하단마감재의 중량은 107.5 kg으로 산정하였다. 한편, 가이드레일 내부 여유 길이(엔드락과 가이드레일 내부 끝단 간 거리)는 산업체에서 주로 사용되는 15 mm에 여유율을 가산하여 25 mm로 선정하여 설계하였다. 이후 3 m × 3 m 시험체를 2시간 가열하여 스크린셔터의 수평⋅수직 수축률을 측정하였다. 본 연구에서는 레이저 포인터에 따른 거리측정을 토대로 스크린셔터의 수축률을 5분 간격으로 측정하였다.
3.3 수평⋅수직 실험
수평⋅수직 수축률을 기반으로 동일 재료(실리카 0.5 mm, 탄화매트 3 mm, E-Glass 0.6 mm로 이루어진 3중 복합재료)를 사용하여 수평응력을 받는 가이드레일 부분과 수직응력을 받는 셔터박스 부분을 상부로 하고 셔터면을 포함한 1 m × 1 m 크기의 소형시험체를 제작하여 실험을 수행하였다. 소형시험체는 각각 지지구조인 경량기포콘크리트(ALC) 패널 벽체(크기: 3 m × 3 m) 중앙에 1 m × 1 m의 개구부를 형성하여 제작되었다. 셔터면 끝단에는 수축률 및 Eq. (10)을 통해 가해지는 하중을 kgf으로 변환하여 가력할 수 있는 함을 설치하였다. 수평 실험 및 수직 실험은 Figs. 7 및 8과 같다.
4. 결과 및 고찰
4.1 실험 결과
방화스크린셔터의 수축률 도출을 위해 내화시험을 수행한 후 5분 간격으로 셔터면 중심으로부터의 거리 변화를 측정하였다.
산정된 수축률을 토대로 계산한 소규모 내화시험 수평방향 결정 하중은 1,786.04 N으로, 이를 중량으로 변환한 182.06 kgf의 추로 가력하여 실험하였다. Fig. 10과 같이 수평방향 실험은 내화시험 시작 후 12분 만에 가이드레일과 엔드락 부분에서 찢어짐이 발생하였다. 이는 방화스크린셔터의 요구 내화시간인 60분에 비해 1/5 정도 되는 시간으로, 상당히 짧은 시간에 스크린셔터가 찢어진 것을 확인할 수 있었다.
산정된 수축률을 토대로 계산한 소규모 내화시험 수직방향 결정 하중은 193.75 N으로, 이를 중량으로 변환한 19.75 kgf의 추로 가력하여 실험하였다. Fig. 11과 같이 수직방향 실험은 내화시험 종료인 2시간동안 셔터면의 찢어짐 현상이 발생하지 않았다. 계산에 의해 수직방향으로 발생하는 응력의 경우 수평방향과 비교하여 발생하는 응력의 크기가 작을뿐더러 내화시험에서 2시간동안 셔터면의 건전성이 확보된 것을 확인할 수 있었다.
4.2 가이드레일과 엔드락 이격거리별 수평⋅수직 응력
3 m × 3 m 스크린셔터의 내화시험을 통해 측정한 수평⋅수직 수축률을 기반으로 가이드레일과 엔드락 이격거리에 따른 수평⋅수직 방향으로 가해지는 하중을 Fig. 12로 나타내었다.
Fig. 12
Change in Horizontal and Vertical Stress as the Distance between the Guide Rail and End-Lock
Fig. 12는 가이드레일과 엔드락 이격거리에 따른 가이드레일 부분과 셔터박스 부분에 가해지는 인장력을 kgf로 변환한 그래프로 실험에 따라 가이드레일과 엔드락의 이격거리가 25 mm일 경우 가이드레일에 가해지는 중량은 182.06 kgf로 계산되었고, 가이드레일과 엔드락의 이격거리가 늘어남에 따라 가이드레일에 가해지는 중량이 작아지는 것을 확인할 수 있었다.
셔터박스의 경우 가이드레일과 엔드락의 이격거리와는 상관없이 모두 19.75 kgf로 일관되게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이는 동 크기의 스크린셔터 건전성을 확보하는데 있어 가이드레일과 엔드락의 이격거리는 가이드레일에 가해지는 하중에 큰 영향을 미치고, 이격거리를 늘리는 것 만으로도 발생하는 응력을 줄여서 셔터면의 가이드레일 이탈 및 찢어짐으로 이어지는 응력을 완화할 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 셔터박스에 가해지는 중량은 19.75 kgf임을 감안하였을 때, 가이드레일에 가해지는 중량은 최소한 30.5 kgf인 48 mm 이상은 확보되어야 가이드레일 부분에서의 건전성이 확보될 수 있을 것으로 판단된다.
5. 결 론
본 연구는 대형방화스크린셔터의 가이드레일과 엔드락 간의 이격거리에 따른 셔터면 원단의 건전성 및 성능평가 확인을 위해 실화재 실험을 수행한 것으로서 대형방화스크린셔터와 관련한 규격 산정 기준을 제안하기 위한 기초 자료를 제공하기 위하여 수행되었으며, 다음과 같은 연구 결과를 도출하였다.
(1) 물류시설과 같은 특수한 공간에서 효율적인 방화구획을 형성하기 위함을 목적으로 대형방화셔터, 특히 대형방화스크린셔터가 사용되고 있는데 국내의 경우 스크린셔터를 대형으로 사용할 때 구조적 안전성을 검토하기 위한 기술기준이 구체적으로 규정되어 있지 않았다. 이에 국외기준의 고찰을 통해 영국 기준인 BS EN 15269-11 (2018)에 따라 스크린셔터의 성능평가에 관하여 방법론을 성립하는 것이 합리적이라고 판단하였으며, 해당 기술기준을 기반으로 스크린셔터의 성능평가를 위한 방법론을 수립하였다.
(2) 현재 스크린셔터와 관련하여 엔드락과 가이드레일의 이격거리에 관한 시방은 없는 실정으로, 업계에서 보편적으로 사용되는 규격은 약 15 mm이다. 본 연구에서는 가이드레일과 엔드락 이격거리를 10 mm에 여유율을 고려하여 25 mm로 하여 실화재 실험을 수행하였는데, 스크린셔터 가이드레일에 가해지는 하중이 너무 커 요구 내화시간(60분) 에 한참 못 미치는 12분 만에 스크린셔터의 찢어짐이 발생하는 것을 확인하였다. 이는 최소한 가이드레일과 엔드락의 이격거리가 25 mm 이상 확보되어야 하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 셔터면 건전성 확보를 목적으로 가이드레일과 엔드락 이격거리에 관한 검토가 필요할 것으로 판단된다.
(3) 본 연구는 대형방화스크린셔터의 성능평가 수행 방법 제안을 목적으로 엔드락과 가이드레일의 이격거리에 따른 셔터면 원단의 건전성을 확인한 기초연구로서 추후 실험을 통해 여러 가지 원단의 특성 및 추가적인 엔드락과 가이드레일 이격거리에 따른 셔터면 원단의 건전성 확보를 위한 연구를 수행할 필요성이 있는 것으로 판단된다.
PDF Links
PubReader
ePub Link
Full text via DOI
Download Citation
Print
