1. 서 론
1.1 연구 배경
건물의 외벽에 단열재를 시공하는 외단열 방식은 시공의 편리성과 경제성의 이유로 널리 사용되는 공법이다. 그러나 외단열을 위해 외벽에 사용되는 가연성 단열재는 화재 시 빠른 속도로 화염이 확산되어 대형화재로 이어질 가능성이 매우 크다(1). 외부 화재 확산으로 인한 국내의 대표 사례의 경우 울산 남구 아파트 화재(2020), 밀양 세종병원 화재(2018), 제천 스포츠센터 화재(2017), 의정부 대봉그린아파트 화재(2015), 부산 우신골든스위트 화재(2010)등이 있다. 국외의 경우 영국 그렌펠타워 화재(2017), 두바이 토치타워 화재(2017) 등이 가연성 외장재로 인한 대표적인 화재 사례이다. 외부 화재 확산은 외부 마감재료의 종류에 따라 빠른 전파성을 보이며, 수직 화재 확산의 중요한 요인으로 작용한다(2). 이에 따라 각 국에서는 건축물 외부 마감재료에 의한 급격한 수직화재 확산에 주목하고 있으며, 외부 마감재료의 실대형 수직 화재 확산 성능 평가 방법으로 국제표준인 ISO 13785-2를 적용한 연구가 활발히 진행되고 있다.
1.2 연구 동향 및 목적
국외에서는 실제 화재 사례에서 지원되는 외벽 화재 확산 현상의 중요성에 대한 인식이 높아짐에 따라 다수의 국가가 화재 시험 방법을 개발하거나 개정하였다. 국제표준방법을 규격화하기 위한 시도에도 불구하고 다양한 시험방법이 유럽 국가에서 증가하고 있다(3).
Delcour와 Marquis(4)은 다양한 외벽 화재 시험을 FDS를 통해 열유속 데이터에 대한 수치를 제안하였다. 단, 실대형 시험을 위한 운영비용을 감안할 때 시뮬레이션과 실험을 비교할 검증 데이터를 얻는데 한계가 있어 점화원의 정확한 HRR에 대한 다수의 실험 데이터의 필요성을 강조하였다.
Cho 등(5)은 외장재의 화재 확산을 평가할 수 있는 국외 규격을 조사하였으며 국제표준인 ISO 13785-2와 영국의 BS 8414-1 시험방법을 비교하였다. 동일 외장재를 시공하여 비교 시험을 진행하였으며, 시험결과 두 시험방법은 시험체의 크기, 화원의 크기 등에 있어 다소 차이가 나타났으며 시험 결과에서도 차이가 발생하였다.
Yoo 등(6)은 ISO 13785-2에서 사용되는 프로판 버너 이외에 대체 점화원에 대한 화원값을 확인하였다. 시험기준상의 화원에 대한 규정이 명확치 않아 큰 혼란을 초래하고 있어, 이를 위해 일본, 체코와 함께 공동실험을 수행하여 분석하였다. 실험 결과 열유속계의 교정범위인 ‘55 ± 5 kW/m2, 35 ± 5 kW/m2’를 2배 이상 상회하는 실험결과가 계측되었다. 이는 시험 규격에서 제시하는 주변공기 유속 조건에는 만족하나 개방형 칼로리미터와 포집 후드가 상부를 포위하고 있는 구조적인 형식에 기인하는 것으로 예측하였다.
Yoshioka 등(7)은 ISO 13785-2 시험체에 불연성 외벽 마감재를 적용하여 다양한 연료 조건을 매개 변수로 하여 외벽 화재의 정량적 평가에 기여할 수 있는 데이터 수집을 목적으로 연구를 진행하였다.
Kweon 등(8)은 국제시험규격인 ISO 13785-2 시험방법을 통해 외벽 마감재료의 수직화재 확산 특성을 판단하고자 실물 화재 실험을 실시하였고 이를 바탕으로 국내 표준 시험방법 제정 및 외벽 마감재료 성능 분류 등에 필요한 기초 연구를 진행하였다.
ISO 13785-2는 외부 화염 출화를 위해서 20~100 m3 크기의 단위 구획실을 설치하고 내부에서는 표준 점화원인 프로판 버너에 의해 화염의 외부 출화를 구현하게 되며, 프로판 버너 이외에 액체가연물 또는 목재크립을 대체 점화원으로 사용한다(6). 그러나 시험기준상 점화원에 대한 규정이 명확하지 않아 혼선을 초래하고 있다.
이에 본 연구에서는 외벽 화재 평가방법 중 국제표준 ISO 13785-2에서 제시하는 점화원의 종류에 대하여 살펴보고 주화원과 대체화원간의 상관관계 규명을 위해 실대형 시험을 통한 적정성 검토를 실시하였다.
2. 국내⋅외 외부 마감재료 시험 규격 비교
국내의 경우 외부 마감재료 실대형 수직화재 확산 성능 평가 시험관련 규격은 KS F ISO 13785-1 “건축물 외장 구성재에 대한 연소 성능 시험 방법-제1부: 중간 규모 시험”이 2006년에 제정되어 있다(9). 건축법 제 52조 및 건축물의 피난⋅방화구조 등의 기준에 관한 규칙 제 24조에서는 3층 이상의 건축물에 사용되는 외부마감재료에 대해 불연 또는 준불연 등급을 사용하도록 규정하고 있다(10).
국외의 경우 외장재 수직 화재확산의 안전성을 평가하기 위해 전 세계적으로 많은 시험방법이 존재한다. 시험방법에 따라 사용되는 점화원은 크게 프로판 가스 및 목재를 사용한다. 외벽 화재 확산은 점화원을 사용하여 일정 화재 강도에 의한 플래시오버 단계를 구현시켜 개구부 화염분출 시점을 본격적인 외벽 화재 확산으로 하여 평가를 진행한다. 실대형 시험의 경우 소규모, 중규모 시험에 비해 많은 시험 비용이 발생되므로 경제적인 측면에서 목재가 널리 사용되는 것으로 판단된다. 이에 각국에서 시행되고 있는 외벽 화재 시험평가 기준은 다음 Table 1(3)과 같다.
Table 1
Overview of Test Method Evaluating Facade Claddings(3)
3. ISO 13785-2 시험 개요
3.1 ISO 13785-2 fire test method(11)
ISO 13785-2 (2002) “Reaction-to-fire tests for facades-Part 2: Large-scale test”는 구획화재에서 열과 화염이 창문으로부터 출화되었을 때 건물 외부 마감재료 등의 화재에 대한 반응을 결정하기 위한 시험방법이다. 외부 마감재료의 수직화재 확산 성능 파악을 위해 연소실 개구부에서 방출되는 화염을 표면에 직접 노출시켜 평가한다.
측정에 사용된 라지콘칼로리미터는 순 연소열량은 연소에 필요한 산소의 양에 비례한다는 점을 기초로 하여 산소 1 kg이 소모될 때 13.1 MJ/kg의 열량을 발생한다는 기본원리에서 시작되며, 산소농도와 배출가스유량 등을 측정하여 계산할 수 있다(12).
각 점화원 별 시험장치, 화원의 종류 및 크기, 시험시간으로 구분하여 Table 2와 같이 비교하였다. 기본적인 시험체 구성은 단위 구획실과 90°의 코너를 갖는 시험체 틀이 있으며, 시험체 틀은 점화원에 따라 약간의 차이가 있으나, 개구부는 2.0(W) × 1.2(H) m 동일한 크기로 구성된다.
Table 2
Comparison of Test Method of ISO 13785-2
시험체 틀에는 열유량계와 열전대가 설치되고 실제 외부에서의 열유량과 온도 변화에 대한 시험 전 교정작업이 수행되며, 시험 동안 계측이 진행된다. ISO 13785-2의 규정에 따르면, 교정시험에서의 전체 화재 노출 동안 외관의 앞면은 개구부의 수평 중심선에 평행한 라인을 따라서 직상부 0.6 m에서 측정된 총 열유량은 55 ± 5 kW/m2로 측정되어야 한다.
개구부 위 1.6 m 에서의 총 열유량은 35 ± 5 kW/m2이어야 한다. 전체 화재 노출 시간은 프로판 가스의 유량이 최대인 5~20 min (총 15 min, 유량 120 g/s)으로 연소실 개구부 상단 각각의 열전대에서 측정된 온도가 15 min 동안의 평균으로 계산될 때, 800 ℃ 이상이어야 한다. 교정 절차의 목적은 시험 시편에 대한 화재 노출 수준을 확립하기 위한 것이다.
Figure 1과 같이 적색으로 표기한 부분에 K-Type 열전대를 설치한다. 본 실험에서는 ISO 13785-2 교정값의 적정성을 판단하기 위해 교정단계에서 제시하는 높이에 최소한의 열전대를 설치하여 분석을 실시하였다.
본 실험의 한계점으로 설치된 열유량계의 오류로 인하여 데이터 분석을 실시하지 못하여 연구결과 분석에서는 배제하였다.
3.2 ISO 13785-2 fire source
ISO 13785-2 시험방법에서 사용되는 점화원은 주화원으로 프로판 버너와 대체화원으로 액체(헵탄 또는 아세톤), 목재크립 총 3가지의 착화원을 사용할 수 있다. Table 2는 ISO 13785-2에서 제시하는 점화원의 종류와 점화원에 따른 시험체에 대해 구분하였다. 주요 점화원으로 사용되는 프로판가스와 대체점화원으로 사용되는 목재크립의 열방출율을 계산식을 통하여 산출하였다.
3.2.1 프로판가스
주 점화원으로 사용되는 프로판 가스를 기준으로 최대출력 120 g/s를 적용할 경우 최대열방출량은 약 5.6 MW이며, 도시가스(LNG)는 약 6 MW로 계산된다.
여기서∆He는 유효연소열을 의미한다.
3.2.2 목재크립 점화원
ISO 13785-2의 목재 화재 하중 밀도는 25 kg/m2로 전체량은 400 kg로 제시하고 있다. 목재는 450 kg/m3와 500 kg/m3 사이의 밀도를 가진 침엽수로 소나무과에 속하는 가문비나무(spruce)를 사용한다. 목재 함수율은 10~12%이며, 실험실 온도 23 ℃ 및 50% 습도의 표준 대기에서 저장해야 한다. 실험에 사용되는 목재크립은 총 16개로 1 min 이내에 모든 목재 크립이 점화되는 것으로 한다. 목재 점화 시 사용되는 점화원은 목재크립 당 200 ml의 이소프로판올(C3H8O)을 사용한다.
규칙적으로 쌓아올린 3차원 막대 배열을 갖는 정형목재의 연소율은 다양한 해석 방정식이 제시되어 왔다. 목재의 상응하는 열방출율 Qv는 식 (3)과 같다(13).
여기서Qv 는 열방출율[MW], ha는 목재연소열(20.4)[MJ/kg]을 의미한다.
전체적으로 균일하게 발화되는 정형목재의 경우 식 (4)~(6)과 같이 세 가지 연소형태로 분류되며, 세 가지 조건 중 하나에 의해 연소율이 좌우된다(14).
첫 번째로 가연물 표면에 의한 제어의 경우 식은 다음과 같다.
여기서 m· 은 질량유량[kg/s], D은 막대두께[m], m0 은 정형목재의 초기질량[kg], υp는 목재표면연소율( 2.2×10-6 ×D-0.6 [m/s]),t는 발화 후 경과 시간[s]을 의미한다.
두 번째로 정형목재의 다공성에 의한 제어로 식은 다음과 같다.
S는 막대간간격[m], hc는 정형목재의 높이[m]를 의미한다.
세 번째로 배기상태에서의 목재의 상태를 나타내는 것으로 식은 다음과 같다.
여기서Aυ는 개구부 면적[m2], hυ는 개구부 높이[m]를 의미한다.
식 (4)에 사용되는 ‘t’값의 경우 주화원으로 사용되는 프로판의 최대출력 5~20 min (총 15 min)의 경우로 적용하여 Table 3과 같이 대입하여 평균값으로 산출하였다.
Table 3
Average Value by Calculation Equation
| Time | Heat flux rate (Q) | Mean heat flux rate (Q’) |
|---|---|---|
| 5 min | 9.566 MW | 5.111 MW |
| 10 min | 6.746 MW | |
| 15 min | 3.925 MW | |
| 20 min | 1.105 MW |
상기 식 (2)~(4)의 최소치를 정형목재의 열방출율로 한다. 계산식에 따라 약 5.11 MW로 산출하였으며, 조건 별 열방출율은 다음 식 (7)과 같다.
4. ISO 13785-2 대체 점화원(목재크립) 화원실험
본 실험에 사용된 목재는 국내산 소나무로 밀도는 437 ㎏/m3로 측정되었으며, 함수량은 평균 10%대로 항온⋅항습실에서 함수율을 조절하였다. 기준에서 제시하는 25 kg/m2에 따라 전체량 400 kg을 기준으로 목재크립(40 mm × 40 mm × 500 mm)을 구성하여 Figure 2와 같이 배치하였다. 목재 크립 점화원의 발열량을 측정하기 위해 동일 조건으로 총 2회의 실험을 진행하였으며, 사용된 목재의 무게 및 개수는 Table 4와 같다.
Table 4
Weight and Unit of Wood. Crib
각 목재크립의 점화용으로 비중 0.785의 이소프로판올 대신 200 ml의 비중 0.688의 n-heptane을 사용하였다. 점화를 위하여 별도의 출입문을 설치하였고 점화 완료 후 출입문은 폐쇄한 상태로 실험을 진행하였다.
외벽은 목재화원만의 발열량을 측정하기 위하여 별도의 외부 마감재료를 설치하지 않고 방화 석고보드만 설치하여 실험을 진행하였다.
대체 점화원인 목재를 사용한 경우 사용되는 시험체의 크기는 표준 점화원인 프로판 가스를 사용한 시험체와 차이가 있어 별도의 연소실을 구성하였다.
개구부 상부층으로 올라가는 화염의 높이를 육안으로 관측하기 위하여 Figure 3과 같이 개구부 상단 높이에 가로⋅세로 500 mm 크기의 눈금을 표시하였다.
5. 시험결과
5.1 대체 점화원(목재크립) 열방출율
Figure 4와 Table 5에서는 1, 2차 화원실험의 열방출율을 나타내고 있다. 초기에 약 1.5 MW에서 하강되어 다시 상승되는 약 3 min 구간은 목재 착화원으로 사용된 n-heptane이 연소하면서 측정된 열방출율로 추정되며, 이후 목재가 착화된 후 상승되는 그래프를 확인하였다. Peak HRR은 Test 1의 경우 시험 시작 862 s에 2970 kW, Test 2의 경우 902 s에 3003 kW로 측정되었다. 이는 구획실 화재의 플래시오버 조건을 구현시키기 충분한 열량이지만 프로판 가스를 사용한 경우와 비교하였을 때 차이가 있는 것으로 나타났다. 또한, 계산식에 의한 목재크립의 열방출율과 비교에서도 차이가 있는 것으로 나타났다.
5.2 외벽 온도 측정
교정시험에서는 전체 화재 노출 동안 개구부 상단에 설치된 세 개의 열전대 각각의 측정된 온도는 15 min 동안의 평균으로 계산될 때, 800 ℃이상이어야 한다.
구획 화재 플래시오버를 구현하기 위한 프로판 가스 최대 유량 단계 시점에서의 평균 온도를 확인한 결과, Table 6과 같이 교정 기준 온도 800 ℃ 미만인 것으로 나타났다. 최대 유량조건인 5~20 min 구간에서 연소실 개구부 상단의 온도 세 개의 열전대(T1~T3) 각각의 평균온도는 Table 6과 같다.
Table 6
Average. Values of Temperature T1~T3
| T1 | T2 | T3 | ||
|---|---|---|---|---|
| Time | 5~20 min (15 min) | |||
| Test 1 | Average temp (℃) | 164.0 | 472.4 | 209.2 |
| Test 2 | Average temp (℃) | 277.0 | 514.9 | 501.4 |
교정범위에서는 800 ℃를 기준으로 하고 있으나, 이는 표준 점화원인 프로판가스의 최대 유량으로 계산된 5.5 MW를 기준으로 설정된 교정범위이다. 대체 점화원인 목재가 사용된 경우 위 5.1의 시험결과에서 제시된 열방출율에 맞는 교정범위가 재설정 되어야 하는 것으로 판단된다. 대체 점화원인 목재크립의 실대형 화재 시험에 따른 위치별 온도 변화를 Figure 5에 나타내었다.
개구부 상단의 온도 세 개의 열전대(T1~T3) 각각의 최고온도는 Table 7과 같다. Test 1의 경우 개구부 중심부인 T2에서 착화 938 s 최대온도 727.1 ℃에 도달하였다. Test 2의 경우 T2에서 착화 1141 s 714.6 ℃, T3에서 착화 1075 s 762.5 ℃로 최대온도가 측정되었다.
Table 7
Max. Values of Temperature T1~T3
| T1 | T2 | T3 | ||
|---|---|---|---|---|
| Test 1 | Max temp (℃) | 207.1 | 750.1 | 311.8 |
| Time (s) | 372 | 938 | 937 | |
| Test 2 | Max temp (℃) | 432.8 | 714.6 | 762.5 |
| Time (s) | 973 | 1141 | 1075 | |
Figure 6에서 보이는 바와 같이 개구부로 분출된 화염은 측면부로 확산되었으며 중심부인 T2 및 측면부와 가까운 T3에서 높은 온도가 측정되었다. Tset 1, 2 모두 약 1200 s가 경과된 시점부터 점진적으로 화세가 감소하며 온도가 하강하였다.
최상부에 설치되어 있는 T4~T7의 온도 분석 결과, 시험체의 중앙부인 T5에서 700 ℃ 이상으로 최대 온도를 보였고, 약 15 min 화염이 최성기에 도달하였을 때 측면부 최상부 측으로 화염이 전파되며 모서리 부부인 T4에서 600 ℃ 이상의 온도를 나타내었다. 화염이 직접 도달하지 않은 T7의 경우 400 ℃미만으로 비교적 낮은 온도를 나타내었다. 목재크립이 붕괴하는 약 900 s를 기준으로 급격하게 온도가 상승하는 것을 확인하였다.
5.3 외벽 연소성상
목재 착화원으로 사용된 n-heptane이 연소하면서 발생된 열로 인해 급격히 상승하던 초기 온도는 착화 이후 하강하였다. 이내 점화된 목재는 하부에서부터 서서히 화염전파가 진행되었으며 약 2 min 30 s부터 화염이 출화되었다. 목재 전체로 화염이 전파되는 동안 온도는 서서히 상승하는 형태를 보였다. 대체 점화원인 목재크립 화원실험 결과 착화 2 min 30 s 개구부로부터 화염이 출화되어 약 3 min 30 s 2 m까지 화염이 도달하였다. 약 6 min 30 s에 3 m 이상 도달하던 화염높이는 유지되다가 약 14 min 시험체 최상부까지 화염이 도달하였다. 목재크립의 붕괴 시점에서 급격하게 온도가 상승하여 직상부를 중심으로 전파되던 화염은 측면부로 확산되었고 약 15 min 측면부로 기울어진 형태를 나타내었으며, 이내 측면부의 최상부까지 화염이 도달하였다. 최성기 이후 화재는 서서히 감소하여 약 23 min 개구부로부터 분출되던 화염은 출화가 중단되었다. 시간대 별 화염 확산을 Figure 6에 나타내었다.
6. 결 론
ISO 13785-2는 표준 점화원인 프로판 버너 이외에 액체가연물 또는 목재크립을 대체 점화원으로 사용한다. 본 연구에서는 표준 점화원과 대체 점화원간의 상관관계 규명을 위해 실대형 시험을 통한 적정성 검토를 실시하였다. 동일한 방식으로 시험은 총 2회 진행하였으며, 교정범위에서의 온도 및 연소 특성을 분석하였다. 또한, 기존연구를 통한 계산식으로 산출된 값과 실험 결과값을 비교하였다.
최대출력 120 g/s를 적용할 경우 표준 점화원인 프로판의 경우 최대열방출량 약 5.6 MW이며, 도시가스(LNG)는 약 6 MW로 계산된다.
대체 점화원 중 액체의 경우 사용되는 풀(pool)버너의 직경에 따라 열방출율이 달라질 수 있으나 헵탄 또는 아세톤 60 ℓ의 양을 제시할 뿐 풀버너의 크기 등 명확한 기준은 명시하지 않고 있다.
대체 점화원 중 정형목재의 경우 세 가지 연소형태로 분류되며, 세 가지 조건 중 하나에 의해 연소 각 점화원을 열방출율로 계산할 경우 약 5.11 MW로 산출된다.
목재크립의 실대형 실험 결과 Test 1은 약 2.9 MW, Test 2은 3 MW로 측정되었다. 계산식과 비교하였을 때 오차가 발생하였으며, 대체점화원에 적정한 교정범위가 재설정 되어야 하는 것으로 판단된다.
또한, 연소실 개구부 상단의 세 개의 열전대(T1~T3) 평균 온도는 Test 1 T2에서 472.4 ℃, Test 2 T2에서 514.9 ℃로 교정 기준 온도 800 ℃ 미만인 것으로 나타났다. 본 실험에서 외벽은 목재화원만의 발열량을 측정하기 위하여 별도의 외부 마감재료를 설치하지 않은 점을 감안하여도 오차범위가 큰 것으로 나타났다.
ISO는 현재 관련 기준 개정작업을 진행하고 있으며, 본 논문의 결과가 기준 정립의 기초자료로 사용되고자 한다.
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