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Fire Sci. Eng. > Volume 34(6); 2020 > Article
수막형성기술을 활용한 가연성 복합패널 화재확산 방지 시스템 개발

요 약

복합패널은 철판재질의 강판에 스티로폼, 그라스울, 우레탄 등을 넣고 첩착제로 일체화하여 제작한다. 시공성, 경제성, 단열성이 뛰어나기 때문에 공장 및 창고 등의 건축물 재료로 많이 사용되고 있다. 그러나 최근까지 대형화재가 계속해서 발생하여 화재 안전성에 대한 문제가 계속해서 드러났다. 복합패널은 소화수가 심재에 직접 침투하기 어렵기 때문에 직접 소화가 어렵고, 심재는 불완전 연소하기 때문에 연소 시 다량의 유독가스가 방출되어 대규모 인명피해가 발생할 수 있으며, 붕괴의 우려가 있기 때문에 소화활동이 매우 어렵다. 기존 연구를 통해서 화재 발생 시 적극적인 화재 진압을 위하여 복합패널 전용 화재확산 방지 시스템을 개발하였다. 관련된 시험법을 검토하였으며 실물화재실험을 통해서 성능을 확인하였다. 개발된 시스템이 적용하지 않은 복합패널 구조물은 5 min 후에 전소되었으며, 개발된 시스템이 적용된 구조물은 15 min이 넘어도 그을림만 남았다. 가상의 공장건물에 개발된 시스템을 적용하여 설계하였으며, 시공 기준(안)을 검토하였다.

ABSTRACT

Composite panels are designed to be fabricated by adding Styrofoam, glass wool, and urethane into steel plates before integration with adhesive materials. As these panels exhibit good workability, cost efficiency, and heat insulation performance, they are widely used as building materials for plant or storage facilities. However, fire safety still needs to be addressed, because these panels can potentially cause large fires. As firewater cannot easily penetrate the material inside the panel, extinguishing any fires caused is difficult. Furthermore, the imperfect combustion of the core material tends to generate a large volume of toxic gas, resulting in serious damage to human life. In addition, the high risk of collapse makes fire-fighting activities more difficult. Flame spread prevention systems optimized for composite panels have been developed for more effective fire suppression based on accumulative research outcomes obtained thus far. Related test methods were reviewed before successfully demonstrating the performance of the developed systems. The existing composite panel structure—wherein the developed system was not applied-burned out after 5 min; however, when the developed system was applied to the composite panels, the structure was covered in soot after 15 min. The structure was designed by applying the developed system to a virtual factory building, and the construction standard was reviewed.

1. 서 론

복합패널은 샌드위치 패널, 조립식 패널, 발포 폴리스티렌 패널로 불리우며, 실리콘 폴리에스테르로 코팅 처리된 고강도 용융아연도금 칼라강판에 스티로폼, 그라스울, 우레탄 등을 넣고 접착제를 사용하여 일체화하여 제작한다. 1980년대 후반에 처음으로 국내에서 생산되었으며, 다른 재료보다 경량이고 조립이 간편하기 때문에 소수인원으로 시공이 가능하여 공사기간이 짧고 인건비가 낮아서 시공성이 우수하다. 또한 단열성능이 우수하고 저렴하기 때문에 최근까지 공장 및 창고 등의 상업건축, 냉장시설, 산업건설에 건축재료로 사용되고 있다. 그러나 최근 발생한 이천 물류창고 (2020년, 38명 사망, 10명 부상) 화재사고 이전에 화성 씨랜드청소년 수련원(1999년, 23명 사망, 7명 부상), 이천 냉동창고(2008년, 40명 사망, 9명 부상), 이천 물류창고(2008년, 8명 사망, 2명 부상), 인천 남동공단(2018년, 9명 사망, 6명 부상) 등 대형화재가 발생하여 복합패널의 화재 안전성에 대한 문제가 계속해서 드러났다.
복합패널은 화재 발생 시 화재하중이 크기 때문에 대형화재로 발달하기 쉽고 소화수가 가연성 심재에 침투하기 어렵기 때문에 직접 소화가 어렵고, 심재의 발포입자는 미세한 공극으로 이루어져 있기 때문에 공극이 보유하고 있는 공기 중의 산소로 인하여 외부에서 공기가 유입되지 않아도 연소할 수 있는 특징을 지니고 있다. 이에 따라 충분한 산소가 공급되지 않는 불완전 연소로 인하여 연소 시 다량의 유독가스를 방출하여 인명피해 및 소화활동의 저해요인으로 작용되고 있다. 따라서 표면을 구성하고 있는 철판으로 인하여 산소가 차단되며, 이로 인해 화재 시에는 복합패널 내부의 심재가 불완전 연소가 일어나 매우 유독한 가스를 발생시키며, 심재의 연소가 시작되면 소화수가 복합패널 내부로 침투하기 어려운 구조적 특성 때문에 화재진압에 상당한 어려움이 따른다.
기존 연구에서는 복합패널의 심재를 개선하여 화재저항성을 높이거나(1,2), 시공적인 측면에서 패널의 연결부에 철판을 설치하여(3,4) 화재확산을 지연시키는 연구를 하였다. 복합패널 화재 발생 시 적극적인 화재 진압을 위하여 복합패널 전용 화재확산 방지 시스템을 개발하여 소요유량 산정(5) 및 비교실험(6)을 통해서 성능을 확인하였으며, 본 연구에서는 관련 시험법을 검토하고 최종 실험을 통해 성능을 확인하고 복합패널을 사용하여 제작 가능한 공장(지상1층 규모)에 본 연구를 통해서 개발된 화재확산 방지 시스템을 적용하여 설계하였으며, 시공기준(안)을 검토하였다.

2. 본 론

2.1 국내 마감재료 성능기준 및 시험법

국내 건축물에 적용되는 마감재료(복합패널 포함)의 화재안전관련 법률은 건축법과 소방법에서 다루고 있다. 건축법에서는 「건축법 제52조(건축물의 마감재료)」와 「건축법시행령 제61조(건축물의 마감재료)」, 「건축법의 피난⋅방화구조 등의 기준에 관한 규칙」을 통해 규제관리를 하고, 소방법에서는 방염관련 규정인 특수 장소에서의 방염과 특수가연물 등으로 규정되어 있다.
국내 건축법에서는 건축물의 용도와 규모에 따라 거실, 통로, 계단 등의 실내에 면하는 부분의 마감 재료를 불연재료(난연 1급), 준 불연재료(난연 2급), 난연재료(난연 3급)로 구분하여 사용하도록 규정하고 있는 건축물 마감재료 규정은 이러한 주요 피난구역을 화재확산으로부터 일정수준 이상으로 막아 피난시간을 충분히 확보할 수 있게 하는데 그 목적이 있다. 복합패널로 구성된 건축물(공장, 물류창고 등) 내의 거실, 통로, 계단 등도 일정 수준 이상의 난연 성능을 확보하여야 한다.
국내 성능기준은 국토해양부 고시 제2020-263호 「건축물 마감재료의 난연성능 및 화재 확산 방지구조 기준」에서 건축물 마감재료의 난연성능 시험방법 및 성능기준, 화재 확산 방지구조 기준을 정하였다. 화재 확산 방지구조는 수직 화재확산 방지를 위하여 외벽마감재와 외벽마감재 지지구조 사이의 공간에 석고 보드(두께 12.5 mm 이상), 석고 및 섬유강화 시멘트판(두께 6 mm 이상), 인조 광물섬유(미네랄울 보호판 2호 이상), 수직 비내력 구획 부재의 내화 시험 합격 제품(15분 동안 차연성능 확보하고 이면온도가 120 K 이상 상승하지 않는 제품)을 매 층마다 최소 높이 400 mm 이상 밀실하게 채우도록 하고 있다.
난연 성능 기준을 규제하고 있는 국토교통부 고시 외에 한국산업표준 규격으로서 생산되는 제품의 난연 성능을 평가하는 방법이 있다. KS F 2271(7)에서는 총 네 가지 시험방법(기재, 표면, 부가, 가스유해성 시험)에 대하여 규정하고 있으며, 난연 등급별 세부 시험 내용은 Table 1과 같다.
Table 1
Classification of Noncombustible⋅Limited Combustible⋅Flame-retardant Materials
Category Test method Judgment
Non- combustible KS F ISO 1182(8)(Non-combustibility test)
KS F 22717(Gas toxicity test)
 - Maximum temperature in furnace shall not exceed final equilibrium temperature by 20 K for 20 min after starting the heating test (If not reached equilibrium temperature within 20 min, mean temperature for last 1 min shall be considered the final equilibrium temperature)
 - Mass attenuation rate shall be 30% or less.
 - (Gas toxicity) mean behavior suspension time shall be 9 min or longer.
Limited combustible KS F ISO 5660-1(9)(Heat release test)
KS F 2271 (Gas toxicity test)
 - Total calorie released for 10 min after heating shall be 8 MJ/m2 or less and maximum heat emission for 10 min shall not exceed 200 KW/m2 for 10 s in a row.
 - After heating for 10 min, no crack or hole penetrating the specimen and melting (including melting or extinction of core material in case of composite product) shall occur.
 - (Gas toxicity) mean behavior suspension time shall be 9 min or longer.
Flame- retardant KS F ISO 5660-1 (Heat emission test)
KS F 2271 (Gas toxicity test)
 - Total calorie released for 5 min after heating shall be 8 MJ/m2 or less and maximum heat emission for 5 min shall not exceed 200 KW/m2 for 10 s in a row.
 - After heating for 5 min, no crack or hole penetrating the specimen and melting (including melting or extinction of core material in case of composite product) shall occur.
 -(Gas toxicity) mean behavior suspension time shall be 9 min or longer.

2.2 화재확산 방지 시스템 성능 실험

본 시스템은 Figure 1의 구조로 시공 시 복합패널이 결합하는 곳의 복합패널 안쪽에 구멍이 뚫린 주수장치를 삽입하여 화재확산을 방지하는 시스템이다. 기존 연구(5)를 통해서 복합패널 화재확산 방지 시스템의 유량을 1 m 마다 1.8 LPM (1.5 LPM에서 안전율 20% 고려함)으로 제안하였다.
Figure 1
Schematic diagram of composite panel fire extinguishing system(5).
kifse-2020-34-6-31-g001.jpg
기존 연구의 연구결과를 토대로 아래와 같은 실물화재 실험을 수행하였다. 스테인레스 배관(직경 : 15 mm)에 주수 구멍(직경 : 3 mm, 간격 : 300 mm)을 뚫어서 사용하였으며, 3개의 배관을 복합패널의 높이 1 m (18 LPM), 3 m (1 LPM), 지붕(13 LPM)에 삽입하여 실험하였다.
복합패널(높이 : 2,400 mm, 폭 : 3,600 mm, 깊이 : 3,500 mm, 재료 : 난연2등급 EPS)은 지붕(기울기 : 1/6)이 있고 앞쪽이 개방된 건물형태이다. 온도 센서는 양쪽 벽(높이 : 1,000 mm, 3,000 mm) 중앙에 각각 2개씩, 천장 중앙에 1개를 설치하였다. 화원은 목재 크립(70 EA)을 사용하였으며, 목재 크립 하단에 액체 햅탄(0.3 L)을 철제용기(300 × 300 mm)에 넣고 점화하였다. Figure 2에서 왼쪽은 개발 공법이 적용되지 않았으며, 오른쪽은 개발 공법을 적용하였다.
Figure 2
A full-scale fire test (Left : Without fire extinguishing system, Right: With fire extinguishing system)
kifse-2020-34-6-31-g002.jpg
Figure 2와 같이 점화하고 5 min이 경과한 후에 일반 공법으로 제작한 복합패널 가건물이 붕괴되었으며, 복합패널 화재확산 방지 시스템을 적용한 복합패널 가건물은 15 min이 경과해도 붕괴되지 않았으며 구석 부분만 그을음이 생겼다.
온도는 일반 공법(좌)의 경우에는 800 °C까지 온도가 상승하였으며, 개발공법(우)의 경우에는 220 °C까지 온도가 상승하였다. 개발공법의 벽면은 주수배관에서 나온 물이 온도 센서에 닿아서 약 20 °C의 온도가 측정되었으며, 천장에는 대류현상을 통해 이동한 열에 의해서 약 200 °C의 온도가 측정되었다(Figure 3).
Figure 3
Temperature graph.
kifse-2020-34-6-31-g003.jpg

2.3 화재확산 방지 시스템 적용성 검토

실물화재 실험을 통해 얻은 결과를 중심으로 개발한 시스템의 적용성을 파악하기 위하여 소방 설계를 기준으로 실제 건축물에 Table 2와 같이 계획하여 검토하였다.
Table 2
Virtual Building Conditions
Items Description
Building floor area 1,000 m2
Building height 10 m
Installation A 3-step configuration (1st step from floor 1m, 2nd step: 3 m, 3rd step: 5 m)
Water flow 1.8 L/min per meter of the building in length
Main water pressure 1 kg/cm2 or more
Water pipe Stainless steel flexible pipe, diameter 15 mm
Water nozzle One nozzle per pipe 150 mm
Nozzle size Length 3 mm, Width 0.5 mm
Figure 4과 같이 지붕이 있는 건축물(30,000 × 35,000 × 10,000 mm)에 소화 펌프실을 설치하였다.
Figure 4
Virtual building plan.
kifse-2020-34-6-31-g004.jpg
수조(18 t)에서 소화전용 펌프를 이용하여 소화배관으로 Figure 5와 같이 연결이 된다. 복합패널 건축물 벽면(H : 1,000, 3,000, 5,000 mm)과 천장 중앙(H : 9,980 mm)에 주수배관이 삽입된다. 주수배관은 총 448,100 mm로서 1 m 마다 1.8 LPM을 분사한 경우에 약 22 min 동안 분사가 가능하다.
Figure 5
Extinguishing system ISO-METRIC.
kifse-2020-34-6-31-g005.jpg
소화 펌프실은 수조, 펌프, 배관을 중심으로 Figure 6과 같이 배치되다. 스테인레스 재질의 주름관에 150 mm 간격으로 구멍(직경 : 3 mm)을 뚫어져 있으며, U자형 클립과 핀을 500 mm 간격으로 사용하여 주수 배관을 고정하였다. 수조로부터 직경 100 mm의 배관을 지나서 4개의 배관(직경 50 mm)으로 소화수가 분배된다.
Figure 6
Fire pump room plan.
kifse-2020-34-6-31-g006.jpg

2.4 화재확산 방지 시스템 시공기준(안)

복합패널 화재확산 방지 시스템의 설비시공기준(안)을 항목별로 작성하면 다음과 같다.

2.4.1 적용범위

1) EPS, 우레탄 등 가연성 심재를 사용한 복합패널에 적용함을 원칙으로 한다.

2.4.2 소화수 공급관의 설치위치

  • 1) 복합패널이 겹치는 부위마다 설치하는 것을 원칙으로 하지만, 건축물의 용도와 가연성 물질의 양의 정도에 따라 적절히 조정하여 설치하되 다음의 기준을 참조하여 정한다.

    • - 화재위험성이 높은 곳을 중심으로 집중적으로 설치하되, 그 이후에는 2~3단 단위로 설치한다.

    • - 하단으로부터 첫 번째부터 세 번째까지 경계 및 최상부에는 필수적으로 설치한다.

    • - 다수 층으로 구성된 건물에 대해서는 건축 관련법에서 규정한 화재확산 방지구조와 동일하게 각층의 경계면에 설치한다.

  • 2) 경사지붕에 대해서는 복합패널이 겹치는 부위마다 설치하되 실외측의 철판에 위치하도록 배치한다.

2.4.3 소화수 공급관

  • 1) 허용압력 100 Pa을 확보할 수 있는 강, 동, 스테인레스 등의 금속관을 사용한다.

  • 2) 단면적 0.2~0.3 mm2 분사노즐을 200 mm~300 mm 간격으로 가공하여 사용한다.

  • 3) 소화수량은 복합패널 길이 1 m 마다 1.5 LPM 이상이 되도록 한다.

  • 4) 분사노즐은 소화수가 흐르는 방향을 향하도록 급수관을 설치한다.

  • 5) 복합패널이 직각으로 겹치는 부위에는 분사노즐이 위치하도록 하여야 한다.

  • 6) 열에 의해 용융된 심재가 응고되어 분사노즐을 폐쇄하지 않도록 적절한 조치를 취해야 한다.

  • 7) 전체 공급관에 일정한 압력이 형성되도록 환상배관을 원칙으로 한다.

2.4.4 분산판

  • 1) 심재단면에 균일하게 소화수가 분포되도록 분산판을 설치한다.

  • 2) 분산판은 흡수력이 좋은 섬유, 종이, 발포 다공판 등을 사용하며, 발수처리가 되지 않은 것이어야 한다.

  • 3) 급수관을 감싸는 구조로 하여야 한다.

  • 4) 심재의 단면 전체를 덮을 수 있는 폭을 가져야 한다.

2.4.5 기타

  • 1) 화재확산 추이에 따라 소화수를 공급할 수 있도록 급수구역을 구분하여 계획한다.

  • 2) 소화수 펌프는 소화수공급관 4개 루프에 동시에 소하수를 공급할 수 있는 용량을 기준으로 산정한다.

  • 3) 소화수 저장소는 소화수공급관 4개 루프에 20 min 동안 동시에 공급할 수 있는 수량을 확보하도록 한다.

3. 결 론

국내에서 건축물 화재사고의 주범으로 인식되고 있는 가연성 심재를 사용한 복합패널 건축물 화재는 초기진화에 실패할 경우 대형화재로 확산되어 막대한 인명 및 재산 피해를 유발하고 있다. 이러한, 화재특성으로 인해 가연성 복합패널 화재는 사회적인 문제로 부각되고 있으며, 건축자재로서 복합패널의 적정성 여부가 논란의 대상이 되고 있다.
그 동안 가연성 복합패널 건축물의 화재안전 문제를 해결하기 위하여 심재의 난연 성능을 개선하는 등 심재의 성능개선과 현장시공의 품질확보에 주력해 왔다. 그러나 최근까지 이어지고 있는 화재사고를 통해 이러한 노력은 커다란 성과를 내지 못하고 있음을 확인할 수 있다.
따라서 본 연구에서는 복합패널의 심재에 소화수를 공급하여 화점에 도달하게 함으로서 화재확산을 효과적으로 방지시킬 수 있는 복합패널 화재에 대응할 수 있는 심재소화기술을 제안하였으다. 가연성 복합패널의 화재안전을 위하여 건축물 관련 법에서 규정하고 있는 화재확산 방지구조에 대한 설비적인 대안으로 본 시스템이 반영되어 향후 기술이 보급될 수 있도록 기술적인 보완과 제도적인 개선이 필요하다.

후 기

본 연구는 과학기술정보통신부 한국건설기술연구원의 주요사업(2020년 기술료 연구개발재투자, 화장실 자진대피시설 활용을 위한 핵심요소기술 고도화)의 지원으로 수행되었으며 이에 깊은 감사를 드립니다.

References

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