[논문]샌드위치 패널의 화재확대 방지시스템 개발을 위한 실험적 연구

신현준; 인기호; 유용호

doi:10.6110/kjacr.2015.27.6.307

문제 정의

그러나 구조적인 측면에서 볼 때 항상 패널 단면을 감싸고 있으면서 내부 단열재의 노출방지 및 시공성·내구성 향상을 위해 설치되는 마감 캡을 사용하는 공통점을 가지고 있다. 따라서 본 연구에서 마감 캡을 이용한 소화 시스템을 개발하여 적용하고자 하였다.
따라서 실제 시공상태와 동일한 마감상태에서 소화용수를 공급하면서 최적의 소화용수량 결정을 위한 실험의 진행이 필요하였다. 또한 일반 샌드위치 패널의 화재 시 화염 확산과 연소특성에 대한 비교를 위하여 본 연구에서 개발한 소화설비를 장착한 일반패널과 소화설비를 장착 하지 않은 일반 패널 그리고 난연 패널을 대상으로 화재모형 실험을 진행하였다.
본 소화 시스템은 내부에 연소되고 있는 EPS 및 난연 EPS 보온재의 화원에 직접 주수하는 방법을 적용하여 패널 내부의 화염을 직접 소화하는 방법을 개발하고자 하였으며, 철판으로 막혀있는 패널 내부가 고온으로 연소되고 있는 과정에 Fig. 1와 같은 구조로 소화용수가 직접 투입 또는 수증기 입자가 연소 면에 부착되어 연소의 지연 및 소화를 목적으로 소화 시스템 기술을 개발하였다.
본 연구를 통해 샌드위치 패널의 화재 위험성에 대한 소화 시스템을 개발하였다.
본 연구에서는 샌드위치 패널 건축물에 적용된 주요 심재의 화재 대응방식을 위해 화재 시 특성을 고려한 직접분사 방식과 화재 하중에 대응 가능한 최적의 소화용수를 선정하였다.
본 연구에서는 이와 같은 문제를 해결하기 위해 샌드위치 패널 내부에 직접 소화 할 수 있는 소화 시스템을 개발하였다.

제안 방법

(2) 내장재의 화재 발생 시 필요한 소화용수량의 선정을 위하여 일반 샌드위치 패널과 난연 샌드위치 패널 총 10 CASE를 대상으로 SBI 시험을 진행하였으며, 이 시험을 통해 발열량 측정과 소화용수량을 선정하였다.
(3) 본 연구에서 개발한 소화 시스템의 샌드위치 패널과 일반 샌드위치 패널, 난연 샌드위치 패널을 대상으로 실규모 화재 실험을 진행하였다. 일반 샌드위치 패널과 난연 샌드위치 패널은 육안으로도 화재가 눈에 띄게 보였으며, 열화상 카메라를 통한 결과 온도 차이가 큰 것을 확인하였다.
Fig. 2의 구조도와 같이 각 시험체에 열전대를 2Point를 설치하여 샌드위치 패널 내부의 온도 변화를 데이터로거에 기록하였으며, 각 패널 전면부는 내부 심재의 연소 특성을 확인 할 수 있도록 시험체 면에 유리를 부착하여 실험 중 내부 변화를 관찰 할 수 있도록 제작 하였다. 또한 실험이 진행 되는 동안 Water Channel을 통해 공급되는 소화용수의 유량과 압력을 실시간으로 측정 기록하였다.
SBI 시험 장비를 활용한 발열량 측정 시험은 최근 샌드위치 패널 생산 및 소비 현황을 확인 한 결과 화재 위험성의 확산으로 난연 성능이 강화된 패널의 사용이 크게 증가하여 종류가 다른 9 CASE의 난연성 강화 패널과 1 CASE의 일반 패널 총 10 CASE를 시험을 실시하였다. 시험은 모두 동일한 조건으로 시편은 KS F 2835：2009⁽⁴⁾에 따라 전처리(온도 23℃, 습도 50% 상태에서 2주 동안 건조)된 시편을 절단하여 짧은 시편(495±5)×(1500±5) mm와 긴 시편 (1000±5)×(1500±5) mm로 시험설비에 부착하였다.
2의 구조도와 같이 각 시험체에 열전대를 2Point를 설치하여 샌드위치 패널 내부의 온도 변화를 데이터로거에 기록하였으며, 각 패널 전면부는 내부 심재의 연소 특성을 확인 할 수 있도록 시험체 면에 유리를 부착하여 실험 중 내부 변화를 관찰 할 수 있도록 제작 하였다. 또한 실험이 진행 되는 동안 Water Channel을 통해 공급되는 소화용수의 유량과 압력을 실시간으로 측정 기록하였다.
본 연구에서 개발한 샌드위치 패널의 소화시스템의 구조는 샌드위치 패널 내부로 소화용수를 공급하기 위한 Water Channel과 펌프, 배관, 비상시 소화용수의 원활한 공급을 위한 수조로 구성되어 있으며, 소화용수는 배관을 통해 샌드위치패널 상부의 Waster Channel을 채우고 내부 노즐을 통과 후 샌드위치 패널 내부로 침투하여 연소의 지연 또는 소화가 되도록 하였다.
샌드위치 패널 내부 화재를 진화 또는 지연시키기 위한 소화용수의 양을 계산하기 위하여 발생 열량과 물의 비열을 통해 계산하였다. 최대분당 약 150리터가 소요 될 것으로 산출이 되었다.
소화용수량 산정을 위하여 본 연구에서는 샌드위치 패널을 대상으로 SBI(Single Burning Item)Test 장비를 활용한 발열량 측성 시험을 진행하였다.
시험은 모두 동일한 조건으로 시편은 KS F 2835：2009(4)에 따라 전처리(온도 23℃, 습도 50% 상태에서 2주 동안 건조)된 시편을 절단하여 짧은 시편(495±5)×(1500±5) mm와 긴 시편 (1000±5)×(1500±5) mm로 시험설비에 부착하였다.
초기 소화 시스템의 소화용수의 분포도 문제를 보완 하기 위해 분사구를 마감 캡 방향으로 개선하였으며, 지속적인 개선을 통하여 마감 캡 2중 구조의 소화시스템으로 마감과 동시에 소화용수 공급이 가능하고 초기 소화 시스템 보다 편리한 시공성 및 편리성을 확보한 시스템이 개발되었다.

성능/효과

(1) 샌드위치 패널의 구조적 특징인 외장재가 화재 발생 시 소화용수로부터 화원이 있는 내장재를 보호하기 때문에 샌드위치 패널 내부로 직접 소화용수를 넣기 위한 소화 시스템의 구조 모델을 개발하였으며, 실험과 구조의 개선을 통하여 내장재에 대한 효과적인 주수와 편리한 시공성 및 편리성을 확보한 소화 시스템을 개발하였다.
(4) 일반 샌드위치 패널의 같은 경우 빠른 시간 내에 화재가 진행되어 자연 소화되는 반면, 난연 샌드위치 패널의 경우 화염이 샌드위치 패널 내에 지속적으로 화염이 확산되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 잠재적인 위험요소가 될 수 있으며, 이를 위한 제도적 개선이 시급한 것으로 판단된다.
W 형태인 2중 마감 캡으로 개발하였으며, 그 결과 분포도가 향상된 것을 확인하였다.
그러나 2중 구조 마감 캡의 성능 확인 결과 소화용수 분포도가 샌드위치 패널의 중앙으로 집중되어 소화성능이 균질성이 떨어짐이 확인되었다.
또한 설비의 개선을 통한 경량화와 제작비 최소화 연구를 진행하였으며, 화재모형 실험을 통하여 일반 샌드위치 패널과 난연 샌드위치 패널에 비하여 화재 위험성이 낮다는 것을 확인하였다.
소화용 수량의 산정을 위한 발열량 측정 시험 결과는 최대 880 kW까지 이르는 것을 확인되었다(Table 4).
(3) 본 연구에서 개발한 소화 시스템의 샌드위치 패널과 일반 샌드위치 패널, 난연 샌드위치 패널을 대상으로 실규모 화재 실험을 진행하였다. 일반 샌드위치 패널과 난연 샌드위치 패널은 육안으로도 화재가 눈에 띄게 보였으며, 열화상 카메라를 통한 결과 온도 차이가 큰 것을 확인하였다.
점화 후 9분과 같이 샌드위치 패널 소화 시스템을 장착하여 분당 20리터의 소화용수를 공급한 좌측 일반 패널은 내부 온도 상승과 연소가 거의 일어나지 않았음을 확인할 수 있으며, 소화설비를 장착하지 않은 난연 패널의 경우 700℃ 이상 내부 온도가 상승하며 연소되어 9분 이후 완전 연소되는 결과를 보였다. 점화 후 4분에서는 일반 샌드위치 패널 내부 심재의 경우 연소되기 시작하면서 먼저 열에 의해 수직으로 화염이 확산되어 좌우 방향으로 화염이 전파되는 특징을 확인할 수 있었으며, 심재가 용융되어 하단으로 흘러내리며 패널 하부를 타고 화염이 증가되는 양상을 보였으나 이 후 연소가 계속적으로 일어나지 않고 자연 소화 되었다. 반면 난연 샌드위치 패널의 경우 고온에 노출된 심재에서 용융되어 흐르는 것은 목격되지 않았으나 오히려 패널 형상을 유지하며 전체적으로 연소가 진행 되어 좌우 측면과 상하로 화염이 확산되는 결과를 보여 주었다.
점화 후 9분과 같이 샌드위치 패널 소화 시스템을 장착하여 분당 20리터의 소화용수를 공급한 좌측 일반 패널은 내부 온도 상승과 연소가 거의 일어나지 않았음을 확인할 수 있으며, 소화설비를 장착하지 않은 난연 패널의 경우 700℃ 이상 내부 온도가 상승하며 연소되어 9분 이후 완전 연소되는 결과를 보였다. 점화 후 4분에서는 일반 샌드위치 패널 내부 심재의 경우 연소되기 시작하면서 먼저 열에 의해 수직으로 화염이 확산되어 좌우 방향으로 화염이 전파되는 특징을 확인할 수 있었으며, 심재가 용융되어 하단으로 흘러내리며 패널 하부를 타고 화염이 증가되는 양상을 보였으나 이 후 연소가 계속적으로 일어나지 않고 자연 소화 되었다.
샌드위치 패널 소화 시스템 선행 실험 결과는 다음과 같다. 화재모형에 점화하여 화염발생 2분 후 가운데 위치한 일반 패널 내부에 화염이 발생하기 시작하였으며, 약 30초 후 난연 패널 내부에서도 연소가 시작되어 일반 패널에 비해 난연 패널의 연소 지연 효과는 약 30초 정도로 확인 되었다. 이후 3분 30초에는 두 비교대상 패널들의 화염이 축소되었으나 4분 이후 난연 패널의 화염이 급격히 성장하였다.

후속연구

최대분당 약 150리터가 소요 될 것으로 산출이 되었다. 그러나 이 산출 결과는 단순히 물의 비열을 통하여 샌드위치 패널 내부의 온도를 100℃ 이하로 떨어뜨리기 위한 유량이며, 실제 소화용수가 화염에 의해 가열되어 증발하고 증발한 수증기에 의한 화염 질식 효과를 고려하지 않은 수치로그 산출 값을 소화 시스템에 바로 적용하기에는 무리가 있을 것으로 판단되었다.
추후 이와 같은 결과를 통하여 소화설비 시스템의 초기모델의 시제품을 개발하여 최적의 소화용수를 확인하여 이를 실규모의 대형 화재시험에 적용하고자 한다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	샌드위치 패널는 어떻게 사용되고 있는가?	일반적으로 샌드위치 패널은 철판과 철판사이에 스티로폼, 난연 스티로폼, 우레탄 폼, 무기질울 보온재 등을 접착하여 건축물 내․외벽 시공에 사용되는 건축자재로 널리 사용되고 있다.
	샌드위치 패널이 인명 손실 및 소화활동의 저해요인인 이유는 무엇인가?	샌드위치 패널은 화재 하중이 크고 특정 보온재의 경우 용융 또는 연소 시 매우 유독한 가스를 다량으로 방출하여 인명 손실 및 소화활동의 저해요인으로 확인되고 있다. 샌드위치 패널의 단열재로 사용되는 재료가 가연성인 경우 건축물 화재 시 소화설비 및 주수를 통한 소화방법이 외부의 철판에 막혀 화원에 도달하지 않아 건축물전소 시 까지 진화를 하지 못하는 화재에 큰 취약성을 보인다.
	샌드위치 화재의 대표적인 사례는 무엇인가?	대표적인 사례는 2008년 1월 이천 냉동 창고화재(40명 사망)와 2013년 5월 광주 평동공단 화재(70억 원, 재산 피해) 또 같은 시기에 발생한 안성 냉동 창고 화재(9억 원, 재산피해)등이며, 대형 화재 참사의 원인은 샌드위치 패널(Sandwich Panel)로 시공된 구조물이라는 것이다.(2)

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