막구조 건축물의 시공 증가에도 불구하고 국내에는 내화 및 방화기준이 마련되어있지 않고 일반 건축물의 내화기준을 적용하고 있어 막구조 건축물과 막재료의 특성을 반영하지 못하고 있다. 또한 막구조 건축물의 내화 및 방염성능을 확보하기 위해서는 막재료가 규정된 난연성능을 만족해야 한다. 따라서 본 연구에서는 건축용 막재의 고온에서의 안전성을 확보하기 위해 현무암섬유를 직포로 적용하였다. 그리고 막재의 강도특성과 방염 및 난연특성을 기존의 건축용 막재와 비교, 평가함으로써 막재료의 평가기준에 대한 참고자료로 삼고자 한다. 연구결과, 현무암섬유와 유리섬유 기반의 건축용 막재는 낮은 열방출율과 총방출열량을 나타내 화재안전성이 높은 것으로 확인되었다.
막구조 건축물의 시공 증가에도 불구하고 국내에는 내화 및 방화기준이 마련되어있지 않고 일반 건축물의 내화기준을 적용하고 있어 막구조 건축물과 막재료의 특성을 반영하지 못하고 있다. 또한 막구조 건축물의 내화 및 방염성능을 확보하기 위해서는 막재료가 규정된 난연성능을 만족해야 한다. 따라서 본 연구에서는 건축용 막재의 고온에서의 안전성을 확보하기 위해 현무암섬유를 직포로 적용하였다. 그리고 막재의 강도특성과 방염 및 난연특성을 기존의 건축용 막재와 비교, 평가함으로써 막재료의 평가기준에 대한 참고자료로 삼고자 한다. 연구결과, 현무암섬유와 유리섬유 기반의 건축용 막재는 낮은 열방출율과 총방출열량을 나타내 화재안전성이 높은 것으로 확인되었다.
Membrane structures which can be used large spatial structure are being expanded because of various advantages. However, despite the diverse membrane structure buildings and materials, the standard for membrane material performance that considering fire safety is still inadequate. Therefore, this st...
Membrane structures which can be used large spatial structure are being expanded because of various advantages. However, despite the diverse membrane structure buildings and materials, the standard for membrane material performance that considering fire safety is still inadequate. Therefore, this study applied basalt or glass woven fabric with flame resistance on architectural membrane, and report the fire safety for architectural membrane using the strength properties, flammability and incombustibility. From the test result, the architectural membrane using basalt or glass woven fabric showed a low heat release rate and total heat release. Therefore, it was confirmed that the fire safety is relatively high.
Membrane structures which can be used large spatial structure are being expanded because of various advantages. However, despite the diverse membrane structure buildings and materials, the standard for membrane material performance that considering fire safety is still inadequate. Therefore, this study applied basalt or glass woven fabric with flame resistance on architectural membrane, and report the fire safety for architectural membrane using the strength properties, flammability and incombustibility. From the test result, the architectural membrane using basalt or glass woven fabric showed a low heat release rate and total heat release. Therefore, it was confirmed that the fire safety is relatively high.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 건축용 막재의 고온에서의 안전성을 확보하기 위해 현무암섬유를 직포로 적용하였다. 그리고 막재의 강도특성과 방염 및 난연특성을 기존의 건축용 막재와 비교, 평가함으로써 막재료의 평가기준에 대한 참고자료로 삼고자 한다. 연구결과, 현무암섬유와 유리섬유 기반의 건축용 막재는 낮은 열방출율과 총방출열량을 나타내 화재안전성이 높은 것으로 확인되었다.
또한 막구조 건축물의 내화 및 방염성능을 확보하기 위해서는 막재료가 규정된 난연성능을 만족해야 한다. 따라서 본 연구에서는 건축용 막재의 고온에서의 안전성을 확보하기 위해 현무암섬유를 직포로 적용하였다. 그리고 막재의 강도특성과 방염 및 난연특성을 기존의 건축용 막재와 비교, 평가함으로써 막재료의 평가기준에 대한 참고자료로 삼고자 한다.
따라서 본 연구에서는 비교적 화재안전에 유리하다고 알려진 불연성 재료인 유리섬유 및 현무암섬유를 직포로 적용한 막재의 난연성능을 비교하였다. 또한, 현장에서 일반적으로 적용되는 건축용 막재와 현무암섬유를 직포로 적용한 막재의 방염 및 난연성능을 평가하여 건축용 막재의 난연성능에 대한 기초자료를 제시하고자 한다.
따라서 본 연구에서는 비교적 화재안전에 유리하다고 알려진 불연성 재료인 유리섬유 및 현무암섬유를 직포로 적용한 막재의 난연성능을 비교하였다. 또한, 현장에서 일반적으로 적용되는 건축용 막재와 현무암섬유를 직포로 적용한 막재의 방염 및 난연성능을 평가하여 건축용 막재의 난연성능에 대한 기초자료를 제시하고자 한다.
제안 방법
45° 연소성 시험기의 불꽃길이는 65mm로 하였고 1분간 가열하여 착화시간, 탄화길이 및 분진의 유무를 측정하였다.
또한, 180초에서의 AHRR보다 300초에서의 AHRR 값이 크다면 재료의 연소는 시간의 흐름에 따라 서서히 이루어진다고 할 수 있다[11]. 따라서 본 연구에서도 각 시간별 재료의 열방출 특성을 확인하기 위해 180초, 300초에서의 AHRR을 확인하였으며 Table 5와 같다. 현무암섬유가 적용된 BF와 GBF 막재는 180초 보다 300초에서의 AHRR 값이 크므로 재료의 열방출이 서서히 이루어지고 있음을 알 수 있다.
막재 끝부분의 150mm를 벗어난 지점에서 시험편을 채취하였으며 50×300mm의 크기로 정속 인장강도 시험기를 사용하여 실시하였다.
본 연구에서는 건축용 막재에 보다 높은 난연성능을 부여하기 위해 현무암섬유를 직포로 적용하였으며 강도시험, 방염 및 난연성능 시험을 실시하여 기존의 건축용 막재와 비교, 평가하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
송풍기의 배출량은 0.0024±0.002m3/s으로 하였으며 열방출율, 총 방출열량, 착화시간, 질량감소율 등을 측정하였다.
시험편의 크기는 100×100mm이며 23℃, 상대습도 50% 조건에서 항량이 될때까지 전처리한 후 10분간 복사열을 가하였다.
재료의 열 거동을 확인하기 위해 TGA-DSC 열분석을 실시하였다. 보호가스로는 N2를 30cc/min으로 사용하였고, 5℃/min의 승온속도로 측정 온도범위는 25∼1,000℃이다.
콘칼로리미터법의 콘히터 복사강도는 0∼100kW/m2의 범위에서 지정할 수 있으며 본 실험에서는 열효율이 가장 높은 50kW/m2으로 설정하였다[8].
45° 연소성 시험기의 불꽃길이는 65mm로 하였고 1분간 가열하여 착화시간, 탄화길이 및 분진의 유무를 측정하였다. 탄화길이는 가열 면을 기준으로 지지틀 방향의 최대 길이를, 탄화면적은 프라니미터를 이용하여 측정하였다.
대상 데이터
BF, GBF, PTFE 막재는 10분간 복사열을 가한 후에도 방화상 유해한 구멍이나 관통이 생기지 않고 형태를 유지하였으며 PVDF, PVF, ETFE 막재는 전소되었다. 방염성능 시험은 1분 이후에는 점화원이 제거되지만 콘칼로리미터법은 10분 동안 복사열을 계속해서 가하는 형태이다.
본 연구에 사용된 재료를 Table 1에 나타내었다. 시험편의 명명은 직포 및 코팅재의 종류로 분류하였고 시중에서 사용되고 있는 건축용 막재 4종과 현무암섬유에 PTFE를 코팅한 막재 2종을 사용하였다.
이론/모형
난연성 시험은 KS F ISO 5660-1 콘칼로리미터법을 적용하여 평가하였다[8]. 콘칼로리미터법은 시험편의 열방출율을 측정하여 연소성능을 평가함으로써 종합적인 화재 위험의 예측이 가능하다.
방염성 시험은 KS F 2819 건축용 얇은 재료의 방염성 시험방법에 의거하여 각 시혐편 별로 3회 실시하였다[7]. 이 표준은 두께 5mm 미만의 시트, 필름, 두꺼운 포지와 같은 건축용 평판 재료의 방염성 평가에 적용된다.
본 연구에서는 한국산업규격 KS K 0521 스트립법에 의거하여 건축용 막재의 인장강도를 측정하였다[6]. 막재 끝부분의 150mm를 벗어난 지점에서 시험편을 채취하였으며 50×300mm의 크기로 정속 인장강도 시험기를 사용하여 실시하였다.
콘칼로리미터법은 시험편의 열방출율을 측정하여 연소성능을 평가함으로써 종합적인 화재 위험의 예측이 가능하다. 콘칼로리미터를 이용한 재료의 난연성능은 국내뿐만 아니라 일본의 건축기준법, 캐나다의 NBC, 국제해사기구(IMO) 등에서 동일한 시험방법을 적용하여 판정한다[9]. 국내에서는 건축물 마감재료의 난연성능을 3등급으로 평가하며 준불연재료, 난연재료의 판정에 이 시험방법을 적용하고 있다.
성능/효과
1) 방염성 실험 결과 현무암섬유를 적용한 막재와 PTFE 막재는 착화되지 않고 불꽃에 의한 손상이 적어 우수한 방염성능을 가진 것을 확인하였다. ETFE 막재의 경우 기존의 막재와 달리 불꽃이 닿으면 곧바로 용융하는 형태를 가지므로 고분자 특성을 반영한 별도의 평가기준이 필요하다.
2) PVDF와 PVF 막재는 복사열을 가한 후 10초경에 착화되어 약 50초에 최대열방출율을 나타내었다. 또한, 총 방출열량이 약 22MJ/m2, 2분 이내에 질량의 70% 이상이 소실되었다.
3) 현무암섬유와 유리섬유를 사용한 건축용 막재는 실험 전체 가열시간 동안 낮은 값의 열량이 서서히 방출되었으며 2MJ/m2 이하의 총방출열량을 나타냈다. 그리고 시험 종료 후 코팅재는 연소되었지만 직포의 형태를 그대로 유지하였다.
4) 실 화재 시 현무암섬유나 유리섬유 기반의 건축용 막재는 화재의 성장속도나 크기가 비교적 작을 것으로 판단된다. 따라서 막구조 건축물의 연소 가능성이 높은 경우 현무암섬유나 유리섬유 기반의 준불연 막재를 사용함으로써 건축물의 화재안전성을 높일 수 있다.
PVF 막재는 실험 시작 후 1분에 질량감소가 가장 컸으며, 전체 질량의 80%가 감량된 것을 알 수 있으며 이때 HRR값이 최대로 나타났다. BF, GBF, PTFE 막재는 급격한 질량 감소는 없었지만 시간이 흐를수록 일정량이 조금씩 감소하는 형태를 보였다.
Figure 1, 2, 3은 TGA-DSC 열분석 결과이며 섬유별로 유사한 열 거동을 나타내는 것을 확인하였다. PTFE, BF, GBF는 약 500℃에서 감량이 시작되었으며 시험편 중 코팅재 비율이 가장 큰 GBF의 감량이 가장 많았다. PTFE의 녹는점은 300∼340℃으로 알려져 있는데[10], Figure 2를 보면 약 320℃와 500℃에서 흡열피크가 나타났으며, 이는 PTFE 코팅재의 상변화에 의한 것이다.
Figure 7에 시험에 사용된 6종 막재의 10분 동안 발생한 THR을 나타내었다. PVDF, PVF 막재는 시험 초기 200초 이내에서 값이 급격하게 증가하여 각각 21.2MJ/m2, 22.2MJ/m2으로 준불연재료의 요건에 적합하지 않은 것으로 나타났다. 나머지 4종의 막재는 모두 2MJ/m2 이하의 THR값을 나타내었고 GBF가 0.
PVF 막재는 실험 시작 후 1분에 질량감소가 가장 컸으며, 전체 질량의 80%가 감량된 것을 알 수 있으며 이때 HRR값이 최대로 나타났다. BF, GBF, PTFE 막재는 급격한 질량 감소는 없었지만 시간이 흐를수록 일정량이 조금씩 감소하는 형태를 보였다.
6MJ/m2으로 BF, GBF, PTFE 막재의 THR 값이 매우 낮은 값임을 알 수 있다[12]. 따라서 현무암섬유를 적용한 BF, GBF 막재와 유리섬유 기반의 PTFE 막재는 착화시간이 길고 재료의 열방출량이 낮으므로 폴리에스테르섬유 계열의 막재보다 화재안전성이 높은 것을 알 수 있다.
8kW/m2으로 그 이후의 시간보다 열방출량이 컸다. 또한, 50초 전후에서 PHRR 값을 나타내어 연소의 진행속도와 열방출이 빠른 것을 확인하였다.
2) PVDF와 PVF 막재는 복사열을 가한 후 10초경에 착화되어 약 50초에 최대열방출율을 나타내었다. 또한, 총 방출열량이 약 22MJ/m2, 2분 이내에 질량의 70% 이상이 소실되었다. 이에 따라 실화재 발생 시 폴리에스테르섬유 기반의 막재는 화재의 성장속도 및 전파속도가 빠를 것으로 판단된다.
건축용 막재의 방염성능 시험결과를 Figure 4와 Table 4에 나타내었다. 시험결과 PVDF 막재가 가장 큰 탄화길이와 탄화면적을 나타냈으며 약 45초경에 착화되어 전체면적의 1/2 이상이 소실되었다. PVF 막재 또한 착화되어 약 8cm 정도의 탄화흔적이 생겼다.
BF와 GBF 막재는 약 400초까지 긴 시간동안 열방출이 진행되었다. 실험에 사용된 막재 중 가장 낮은 PHRR 값과 늦은 착화시간 및 짧은 연소시간을 나타내어 높은 난연성능과 화재안전성을 가진 것을 확인할 수 있었다. PTFE 막재의 경우 200초 내에서 대부분의 열방출이 이루어지긴 했으나 그 값이 적으며 100초경에 최대값을 나타내어 실제 화재시 대형 화재확산 위험이 낮을 것으로 예상된다.
그리고 막재의 강도특성과 방염 및 난연특성을 기존의 건축용 막재와 비교, 평가함으로써 막재료의 평가기준에 대한 참고자료로 삼고자 한다. 연구결과, 현무암섬유와 유리섬유 기반의 건축용 막재는 낮은 열방출율과 총방출열량을 나타내 화재안전성이 높은 것으로 확인되었다.
건축용 막재의 인장강도 시험 결과를 Table 3에 나타내었다. 인장강도는 PTFE 막재가 364.3N/cm로 가장 높게 측정되었으며 GBF가 82.5N/cm로 가장 낮은 값을 나타내었다. Table 1과 Table 2에 따라 GBF막재는 직물의 두께가 상대적으로 얇기 때문에 BF, PTFE막재보다 낮은 인장강도를 나타낸 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
건축용 막재의 단점은?
이러한 많은 장점에도 불구하고 건축용 막재는 직물을 사용하므로 직물의 종류에 따라 화재에 취약한 단점을 가지고 있다. 미국, 일본과 달리 국내에는 건축용 막재 및 막구조 건축물의 특성을 반영한 구체적인 화재안전기준이 마련되어 있지 않아 일반 건축물의 내화기준을 따르고 있다.
건축용 막재의 구성은?
건축용 막재는 직포로 불리는 직물과 직물을 보호하는 코팅재로 구성된다. 막재의 직포는 주로 폴리에스테르섬유나 유리섬유가 사용되며 코팅재로는 PVC(Poly vinyl chloride), PVDF(Poly vinylidene fluoride), PVF(Poly vinyl fluoride), PTFE(Poly tetra fluoro ethylene) 등이 사용된다.
본 연구에서 사용한 PTFE를 코팅한 막재 2가지는 무엇인가?
BF(Basalt fiber)는 경사, 위사 모두 현무암섬유로 이루어진 직물을 적용한 시험편이며 GBF(Glass-basalt fiber) 는 위사는 유리섬유, 경사는 현무암섬유로 이루어진 직포를 적용한 시험편이다. BF와 GBF는 PTFE에 함침하여 제작하였다.
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