1. 서론

글라스 섬유를 소재로 하는 클로스는 불연 재료로 건물물의 방재설비에서 수지 코팅 된 글라스클로스가 롤식의 방연벽의 구성부재로 사용되고 있다. 단, 글라스클로스는 500~600℃ 정도에서 용융되어, 건축기준법에서 정하고 있는 1시간의 차염성을 가진 특정방화설비의 구획재료로 사용하기에는 내열성능이 불충분하다. Wet Screen은 이러한 문제를 해결하기 위해 개발된 것으로, 수지 코팅된 글라스클로스 양면에 도포하여 내열성능을 높이기 위해 초고층 오피스빌딩의 고층면적구획에 적용되었다.

Wet Screen 개발과 병행하여 2산화규소(SiO2)를 주성분으로 하는 1000℃이상의 내열성을 가진 내열 글라스클로스(실리카 클로스)에 착안한 강재의 방화방연 셔트를 대체하는 가볍고 유연한 구획재료개발이 시작되었다.

이 보고서에서는 지금까지 수행한 내열 글라스크로스를 이용한 연소방지기술의 개발 변천을 소개하고, 내열 글라스클로스에 의한 연소방지기술의 신기술개발을 위한 각종 성능검증 실험에 대하여 보고한다.

 

2. 내열 글라클크로스를 이용한 연소방지기술

포렴형의 내화스크린 : 포렴형 내화스크린은 16년 전 개발착수 때에 고안된 시스템이다. 바닥으로부터 1800㎜높이까지 300㎜간격으로 잘게 잘린 형태로 사람은 자유롭게 통과 가능하다(사진1). 내열글라스클로스 하단부에는 자석을 내장한 추를 달아 바닥에 설치된 강재의 플레이트에 부착한다. 또한 잘린 조각들은 서로 겹치게 하여 압력차이가 발생하여도 벌어짐이 최소화 하도록 하였다.

 

사진1. 포렴형 내화스크린그림1. 스크린도어의 기본 개념도

내회성능 실험은 실험용 방을 만들어 실시하였고 실험결과 내열 글라스클로스는 강재의 방화셔트에 필적하는 내화성능을 가지는 것을 확인하였다. 단, 기밀성능에 대하여는 폐쇄시의 류량계수가 0.01로 방화셔트나 방벽문의 류량계수 0.005와 비교하여 틈새 량이 큰 것을 알 수 있었다.

스크린도어의 개발 : 포렴형 스크린은 사람이 통과할 때 천이 서로 얽혀 통과 후에 기밀성능이 회복하지 못하는 경우가 있다. 이에 스크린 면에 L자형 대각선 축을 만들어 문과 같이 개폐하는 스크린도어를 고안하였다(그림1). 개발된 스크린도어는 내화성능, 기밀성능, 피난자의 인지성, 피난자의 이동특성 등에 관한 검증 실험을 실시하였다. 더불어 기밀성능에 대하여는 내외의 압력차가 30Pa정도까지 방화방연 셧트와 동등의 기밀성능이 확보되는 것을 확인하였다. 이 스크린도어는 계획건물 별로 특정성능평가기관에서 방재성능평가를 받고, 건축기준법 38조에 근거한 대신(장관)인정을 취득하고 실제 프로젝트에 적용되었다.

제품별 대신(장관)인정 취득을 위한 활동 : 2000년에 일본 건축기준법이 개정되어, 건축기준법 38조가 폐지되었다. 내열글라스클로스를 이용한 스크린셔트에 대하여는 건축기준법에서 정하는 특정 방화설비·방화설비로써 국토교통대신의 인정을 제품 별로 취득하여 일반적 사용이 가능하게 되었다. 단, 내열 글라스클로스와 같이 유연한 재료에 대하여는 시험체사이즈를 초과하는 제품에 대한 평가방법이 정립되어 있지 않았다. 이에 (사)일본셔트·도어협회(JSDA)와 공동으로 성능평가기술지침의 원안 작성을 하고 평가검증식의 타당성을 확인하기 위해 대형사이즈(폭4.3m, 높이3m)의 성능실험을 실시하였다. 실험결과 개구부 폭 10m까지는 기술지침의 타당성을 확인하였다. 새로이 작성된 성능평가방법은 최종적으로 각 평가기관에서의 업무지침서 및 JSDA의 기술표준으로 정리되었다.

 

 

연락통로 내화 스크린 : 사무소 빌딩의 고층면적구획에서는 일반적으로 구획 1개 소당 길이는 15~20m정도이다. 건축 설계에서는 가능하면 별도 기둥 추가 없이 한 대의 셔트로 구획하는 것이 요구된다. 이에 개구부 폭이 20m를 초과하는 연락통로 내화 스크린 대신인정 취득을 최종목표로 기술적 검증을 실시하였다. 차염 성능 실험에서는 개구부 하단부를 제외하고 내측에서 보이는 틈이 발생하는 것을 허용하지 않는다. 과거의 38조 인정시에 개발된 스크린 도어는 이 조건을 만족하지 못하였다. 따라서 그림2와 같은 3장 겹침 스크린 도어를 고안하였다.

고안한 내화스크린은 개구부 폭이 10m를 초과하기 때문에 막 구조물의 응력해석에 활용하는 3차원 응력해석수법으로 검토를 실시하였다. 이들 실험·검증에 의해 차염성능에 대하여는 최대 개구부 높이 6m, 개구부 폭 25m구획사이즈에 적용할 수 있는 제품의 대신인정을 취득하였다. 차연성능에 대하여는 실험체 사이즈의 5배까지, 개구부 폭에 대하여는 최대 14.5m까지 인정 취득하였다.

그림3. 코너 조인트 스크린의 투시도

 

코너 조인트 스크린 : 지금까지의 방화셔트와 내화스크린은 평면적으로 직선의 구획으로 구성되어 있으나, 에스컬레이터나, 복층 등 공간을 구획하는 경우에는 코너부에 반드시 가이드레일을 설치하여야 하였다. 가이드레일은 건축 의구적으로 불필요한 구조이며, 사람들의 동선에도 방해가 되는 시설물이다. 따라서 직교하는 내화스크린을 서로 지퍼로 접합함으로써 평면적으로 보아 L형이나 ㄷ자형으로 구획하는 방법을 고안하였다. 개발에서 지퍼부분에 대한 내화성이 요구되기 때문에 스테인레스 실로 봉제된 제품을 사용하였다. 제품에 대하여는 내화글라스클로스 기술표준에서의 클로스의 열에서의 인장강도실험을 실시한 결과, 상온·열 속(주변 온도 720℃)의 지퍼부분의 인장강도는 봉제부의 인장강도와 거의 동등하게 나타났다.

실시한 실험은 차염 성능 실험과 개구부 확대 검증을 위한 3차원 응력해석을 실시하였다. 결과 화재시의 온도 및 압력 조건에 따른 틈 발생이나, 가이드레일부분에서 손상이 발생하지 않음을 확인하였다. 더불어 1500회의 연속 상승에 의한 내구실험, 차연성능실험 등 차연성능을 가진 특정방화설비에서 요구되는 제반 성능을 확인하기 위해 시험 및 해석을 실시하였다. 결과 개구부 높이 2m~6m, 피난입부에서는 각 변의 합계 폭이 2.4m~14.5m의 구획 사이즈까지 대응 가능한 대신인정을 취득할 수 있었다.

 

3. 도로터널의 연소방지기술에의 기술적용

화재시의 연소방지를 위해, 도로터널을 일정간격 별로 구획한 실제 예는 기존의 장대 터널에서는 없고, 현재 기술기준에서도 구획의 설치는 의무화 되어 있지 않다. 그러나 대심도 지하의 장대터널에서는 화재시의 리스크가 크고 이에 대한 대비 기술이 필요하다.

최근 터널연소방지 기술로는 수막에 의한 구획기술이 제안되어 왔으나, 내열 글라스클로스도 소재의 유연성을 살리면 터널내부의 구획재료로 활용할 수 있다고 생각한다. 터널 내부의 내화성능을 평가할 때는 건축공간에서의 표준가열 곡선(ISO834)에 상당하는 곡선으로 RABT곡선을 이용하다. 그러나 이 곡선에서는 5분 후에 최고온도 1200℃가 되고, ISO834에서의 1시간 후의 최고온도 945℃와 비교하여 최고온도가 255℃ 높다. 따라서 도로터널에서의 내화클로스에 의한 구획재료를 적용하는 경우에는, 먼저 내화 클로스의 고온시 강도를 확인 할 필요가 있다.

검토에서는 최고 1200℃까지의 열에서의 강도실험을 실시하고, 내화클로스의 고온시 강도를 확인하고, 실제 구획부재에서 발생할 것으로 예상되는 최대강도와의 비교를 실시하고, 도로터널 구획 재료에의 적용가능성을 검토하였다.

실험방법 : 열간강도의 시험방법은 앞에서 기술한 JSDA기술표준에 의하였다. 시험은 초극고온재료시험기(MTS808)을 이용하였으며, 시험은 상승온도 50℃/min으로 시험온도까지 상승시킨 후 , 10분간 유지한 다음에 인장실험을 실시하였다.

 

그림4. 터널에서의 포렴형의 구획 시스템

 

실험결과 : 시험체의 열간강도의 평균값은 봉제 없는 경우에 상온강도의 30%정도, 봉제 있는 경우 상온강도의 105정도 수준이었다. 봉제 있는 경우가 열간의 강도저하가 큰 결과가 나타났다.

터널 구획 부재로의 적용검토 : 터널에 적용하는 경우 한 장으로 자동 낙하하는 방법과 여러조각으로 나누어 포렴형으로 방화구획을 하는 방법이 있다. 두 방법 모두 압력 차이에 의해 내화클로스에 작용하는 인장력은 안전측으로 확인되었다.

도로터널 구획기술의 제안 : 내열글라스클로스를 이용한 터널 구획기술의 한례로 포렴형의 구획시스템을 고안하였다. 화재시에는 중앙관제실에서 조닝하여 구획하는 방법이다(그림4). 적용시 어느 정도의 연소방지 효과와 더불어 재료가 유연하여 차량이 충돌하여도 피해를 최소한으로 억제할 수 있다. 구획을 형성 후에도 사람과 차량의 통행은 가능하다.

 

4. 내화 글라스클로스의 단열성능에 관한 검토

건축기준법에 규정된 방화설비에 관하여는 단열성능에 관한 요구조건이 없으나, 비 가열측에 투과하는 열류가 큰 경우, 비 화재측의 가연물에 착화할 가능성이 있다. 또한, 피난경로와 소방활동 거점이 방화설비에 의해 구획되는 경우에는 피난자와 소방활동에 끼치는 영향을 작게 하기 위해 단열성능 확보가 중요하다. 내열글라스클로스는 강판보다도 단열성이 뛰어나나, 한 장 만으로는 안정성을 확보하기 곤란하다. 해결을 위한 가장 간단한 방법은 여러장을 겹쳐 구성하는 것이나, 필요로 하는 단열 성능에 대하여 몇 장을 어느 간격으로 설치하는 가를 판단하는 정량적 데이터는 없었다. 이에 따라 정량적 파악을 위한 실험을 실시하였다.

그림5. 온도 및 방사의 측정위치(종단면도)

 

실험방법 : 오바야시구미 기술연구소 보유 장비를 사용하여 각 스크린의 가열측 및 비가열측의 표면온도를 측정하였다. 가열방법은 건축기준법의 특정방화설비의 차염 성능 실험에서의 ISO834 표준 가열온도 곡선을 사용하였다. 그림 5에 열전대 및 방사계의 설치위치를 나타내었다. 각 온도 및 방사열유속은 10초 간격으로 데이터로거에 의해 기록하였다.

실험케이스 : 스크린의 매수, 종류, 설치간격을 바꾸어 합계 12가지의 기열시험을 실시하였다.

 

 

 

 

실험결과

- 시험체 뒷면 온도의 비교 : 각 스크린의 표면온도는 비가열측에 가까울수록 저하하고 있고, 가열 온도에 따라 상승·감쇄하고 있음을 알 수 있다. 측정된 각 실험케이스의 시험체 뒷면온도(비가열온도측)를 나타내었다. 시험체의 뒷면온도는 스크린 매수가 증가할수록 낮아졌다. 또한 같은 매수로 이루어졌어도 간격이 클수록 뒷면 온도는 낮은 경향을 나타내었다.

- 방사열유속의 비교 : 보고서에서는 가열 10분 후와 가열 60분 후의 각 실험체의 방사열유속을 나타내고 있다. 뒷면 온도의 경우와 동일하게 스크린 매수가 증가할수록 간격이 클수록 방사열유속은 작아진다. 3장의 스크린 중 1장을 알루미늄을 부착한 글라스클로스로 한 경우 알루미늄을 부착한 경우가 방사열유속은 작아지나, 10분 후보다 60분 후 쪽이 열유속 차이가 작았다. 관찰결과 알루미늄 증착막이 500℃를 넘으면 가열 20분 후부터 단열효과가 없어짐을 확인하였으며, 알루미늄 증착막의 방사저감 효과는 막 부근 온도가 500℃까지는 지속된다고 사료되었다.

- 케이스 스터디 : 실험에 의해 얻어진 각 케이스의 60분 후의 비가열측 스크린의 표면온도 실측값을 이용하여, 스크린으로부터 일정 거리 떨어진 수열점에서의 방사열유속을 계산하고, 연소방지 및 피난 안전의 관점으로부터 성능을 만족하는가를 확인하였다. 계산결과 1장의 스크린으로는 6m떨어지지 않으면 연소방지와 피난안전 모두 만족하지 않으나, 3장을 겹쳐 설치하면 3m떨어진 거리에서 연소방지와 피난안전 모두 성능을 만족하는 것을 알 수 있었다.

 

5. 휠체어 이용자를 위한 스크린 도어의 개량

2장에서 소개한 스크린 도어는 문턱의 금속부재에 의한 단차가 발생하고 휠체어가 혼자서 통과할 때 지장이 있었다. 연락통로 내화 스크린은 현재, 병원과 노인복지시설에도 많이 적용되고 있기 때문에 휠체어의 재난시에 자력 피난능력을 향상 시킬 필요가 있다.

이 장에서는 휠체어 통과성능의 향상을 위한 각종 시제품 개발과 그 성능을 정량적으로 평가하기 위한 피험자 실험에 대하여 논한다.

스크린도어의 좌판부의 단차에 관한 문제 : 현재 시판되는 연락통로 내화 스크린의 스크린 도어 문턱의 단차는 높이 28~30㎜이다. 보행자가 통과시에 걸려 넘어지지 않도록 45°의 각도가 설치되어있다. 이 경우 휠체어의 앞바퀴가 단차를 넘어야 하나 앞바퀴는 직경이 작아 넘어갈 때 지장을 받게 된다.

시작품의 검토 : 휠체어의 앞바퀴가 넘기 힘든 것을 해결하기 위해 5종류의 시작품을 제작하였다(사진2). A형태는 단차앞에 미끄럼 방지 부재를 설치하였다. B형태에서는 단차 중간에 스텝형태의 부재를 설치하고 단차를 2단계로 나누었다. C형태에서는 단차 완충형태의 개량부재이다. 천정에 수납할 때 방해되지 않도록 부드러운 실리카클로스를 적용하였다. D형태에서는 단차 완충형태의 개량부재이다. E형태에서는 길이 150㎜의 알루미늄판을 경사지게 설치한 것이다.

 

사진2. 형태별 5종류의 시작품

통과성능평가 실험

- 실험개요 : A~E 5종류의 시작품의 통과성능을 정량적으로 평가하기위해 피험자실험(40~50세대의 남녀 5명)을 실시하였다. 실험에 사용된 휠체어의 앞바퀴 직경은 90㎜이며, 일반적인 휠체어보다 약간 작은 형태이다. 통과성능 평가는 ①휠체어로 좌판을 넘을 때의 통과 시간 ②피험자에 의한 [통과하기 쉬운] 주관적 평가 ③신체부하 항목에 대하여 평가하였다.

- 통과시간 : 통과시간은 스톱위치로 측정하였다. 통과는 앞바퀴부터 뒷바퀴가 통과할 때까지로 하였다.

- 주관평가 : 통과할 때 피험자는 7단계 (①매우 힘들다. ②통과하기 힘들다. ③비교적 통과하기 힘들다. ④보통. ⑤비교적 통과하기 쉽다. ⑥통과하기 쉽다. ⑦매우 통과하기 쉽다.)의 항목으로 평가하였다.

- 신체부하 : 신체부하의 지표로는 표면근전위(EMG : Electromyography)를 이용하였다. 피험자의 계측대상 근육에 장치한 근전센서와 피험자의 흉부에 고정한 와이어레스 EMG로거에 의해 표면 근전위를 측정하였다.

-실험조건 : 실험은 대책 있음의 5종류(A~E)와 대책 없음(N)의 합계 6종류로 하였다. 실험횟수는 대책 있음의 5종류를 각 5회, 대책 없음을 15회로 하여 전체 75회 실시하였다.

- 실험결과 : 통과시간의 평균값은 E>D>B>C>N>A 순서로 짧아졌다. [통과하기 쉬움]에서는 E>D>C>B>N>A의 순서로 통과하기 쉬운 결과가 나왔다. 즉, 모든 평가 항목에서 E형태의 시험체가 가장 통과하기 쉬운 평가를 받았다. A형태에 대해서는 대책 없음의 N형태와 비교하여 통과성능이 악화되었다. 표면 근전위는 통과성능이 좋아질수록 작은 값을 나타내었다.

- 시작품의 개량 : 피험자실험에서 가장 평가가 높았던 E형태의 시작품에 대하여 전문 디자인가로부터 의견을 받아 개량을 가하였다. 개량은 슬로프 판의 폭을 스크린도어 폭 보다도 크게 하고, 슬로프 양단부는 곡면을 두어 단부로부터의 진입에 대하여도 통과하기 쉽도록 개선하였다(사진3).

 

 

6.정리

내열 글라스클로스를 화재시의 연소·연기확산 방지를 위한 구획부재로 이용하기 위해서 지금까지 실시한 기술개발을 소개하였다. 화재시 만 폐쇄하는 상시개방형의 방화설비로는 지금까지 강재의 방화셔트가 이용되어 왔다. 내열 글라스클로스는 강재보다도 경량이며 유연하며, 1200℃의 환경에 폭로되어도 용융, 현저한 강도저하가 없는 뛰어난 내열성능을 가진 재료이다. 따라서 향후에는 건축물 방화설비 뿐 만 아니라 토목구조물에도 적용이 가능하다고 생각된다. 단, 극단적으로 압력차가 발생하는 장소나, 옥외에서 사용 시의 내후성 문제와 더불어 제조 비용이 비싼 점 등 해결해야 할 문제는 많고, 앞으로 지속적인 기술개량이 필요하다.

또한, 내열 글라스크로스는 개발초기보다도 경량화가 추구되는 구획재료로 적용을 추진하여 왔으나, 건축기준법에서 규정하는 방화설비로서의 성능을 만족시키기 위해 좌판중량이 점차 증가하는 결과가 되었다. 현재 인정품의 총중량은 당초 제품중량 목표보다도 극단적으로 증가하였다.

제품의 경량화는 작동시의 위해방지성능향상을 위해서도 중요한 과제이다. 장래적으로는 클로스의 이점이 최대한 살릴 수 있는 유연하고, 경량의 연소방지 시스템이 적용될 수 있도록 성능평가기준이 검토될 것을 희망한다.