[논문]고층건물용 배연창의 성능기준 및 시험평가연구

곽지현; 최정민; 안병호; 김범규; 박용환

고층건물용 배연창의 성능기준 및 시험평가연구
Performance requirement and Evaluation of Natural Smoke Exhaust Ventilator for High rise building 원문보기

곽지현 (방재시험연구원) , 최정민 (방재시험연구원) , 안병호 (방재시험연구원) , 김범규 (호서대학교) , 박용환 (호서대학교)

화재발생시 가장 주요한 사망원인인 유독가스의 제어와, 소방관의 소화활동을 돕기 위한 제연설비는 각 구성품이 유기적으로 동작하는 시스템을 이루기 때문에 전체의 조화도 중요하지만, 기본적으로 각 설비요소가 제 기능을 발휘할 때 전체 시스템의 제연성능을 확보할 수 있게 된다. 그러나 현재 법으로 규정된 국내기준은 주요 구성품별 성능을 제대로 평가할 수 있는 방법 및 기준이 없어 본 연구를 통하여 배연창의 성능평가기술을 개발하고 항목별 성능시험을 실시하여 평가방법의 적합성을 검토하고 국가표준을 만들기 위한 기초 자료로 제공하고자 한다.

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문제 정의

바람이 불거나 눈이 내려 배연창에 부하가 작용할 때 개방 및 개방유지 능력을 확인하기 위함.
바람이 불어 배연창에 흡입압력이 가해질 때 폐쇄상태가 유지되는지 또는 그런 힘이 가해지고 난 뒤 정상적으로 동작하는지 확인하기 위함.
본 연구과제의 목적은 유독가스와 연기의 효과적인 제어와 배출을 위한 배연창의 성능평가기술을 개발하고 성능시험장치의 구성과 항목별 성능시험을 실시하여 국가표준을 제정하기 위한 기초자료로 제공하고자 한다.

가설 설정

가) 고온가열로 속에 시험체를 설치한다.
가) 시험체를 제조자의 설치사양대로 시험체틀에 고정 설치한다.
가) 시험체를 제조자의 설치사양대로 시험체틀에 고정 설치한다.
가) 제조자의 설치사양대로 시험체를 틀에 고정 설치한다.
라) 1회 왕복동작 사이의 간헐시간은 전동기에 무리가 가지 않도록 적절히 조절한다.
라) 목표온도에 도달한 후 계속 같은 온도를 유지한다. 총 가열시간은 30분이다.
마) 반복작동시험 및 부하개방시험은 같은 시험체를 사용하여야 한다.

제안 방법

내열시험은 시험체를 가열용 챔버 안에 투입하고 고온의 분위기에서 동작여부와 개방 거리의 변화율을 평가하는 것으로 고온가열로와 챔버를 이용하여 시험을 수행하였다. 가열온도는 최고 600 ℃를 적용하였으며 300 ℃에 도달 시 참고로 시험체 상태를 확인하였다.
눈, 바람 등의 부하 작용 시 배연창의 개방 유지능력을 확인하기 위한 부하개방시험은 모래주머니를 이용하여 시험체에 부하를 가하였다. 아래 그림은 본 시험에 사용한 부하용 모래주머니이며, 각 시험압력에 따라 무게를 계산하여 해당하는 부하를 가하였다.
다) 주전원을 이용해 부하를 가한 후 시험체를 동작시켜 60초 이내에 완전개방여부를 확인한다.
부하개방시험이 화재로 창이 개방되어야 할 때 창에 가해지는 부하를 이기고 정상동작하는 성능을 확인하는 시험이라면 이 시험은 화재가 아닌 정상상태에서 배연창이 강한 바람에 노출되어 흡입부하가 작용 시 창이 열리지 않고 폐쇄상태가 유지되는지를 확인하는 일종의 부작동 시험이다. 또한 부하가 제거되고 난 후 정상동작 여부 및 동작시간도 확인한다.
라) 개방 후 외부전원 없이 개방상태가 유지되는지 확인 후 총 3회 반복시험한다.
배연창은 열림 방식에 따라 슬라이딩 방식부터 틸트 방식, 프로젝트 방식, 케이스먼트 방식, 피봇 방식 등이 있는데 이 연구에서는 우리나라에서 가장 많이 사용하고 있는 슬라이딩 방식과 틸트 방식을 선정하였으며 각 시험체는 제조자별 성능 비교를 위해 2개사(D사, Y사)에서 두 가지씩 총 4개를 모두 전동식으로 동작하는 자동식 배연창으로 제작하였다.
이 시험에서는 국내 환경조건에 적합한 -15 ℃ 등급을 적용하였다. 시험체 4개를 저온실 내에 설치하여 만 하루 동안 방치하고 앞 장의 부하개방시험과 같은 방식으로 시험하였다. 각 시험체에 대해 부하개방시험에서 시험이 가능했던 부하를 가하여 각각 동작시험을 실시한 결과, 저온에서의 동작시간은 상온에서의 결과에 비해 평균동작시간이 다소 증가된 것으로 나타났는데 기계장치의 수축에 의한 마찰력의 증가가 주요 원인인 것으로 사료된다.
카운터가 달려있는 개폐동작 제어기를 이용하여 50회 및 1000회 반복하여 실시하였다. 모터의 과열방지를 위해 사이클 간 30초의 휴지시간을 두었으며, D사와 Y사의 슬라이딩 방식과 틸트아웃 방식의 시험체 모두 1000회 반복시험 결과 동작에 이상이 없었고 모두 60초 이내에 정상위치까지 동작하여 국내 제품의 내구성 및 신뢰성은 양호한 것으로 나타났다.
다) 나.항의 부하개방시험에서의 부하를 가하고 3회의 동작시험을 실시한다.

대상 데이터

이 시험에서 부하를 가하는 방법은 나. 부하개방시험과 같은 모래주머니를 이용하였고, 1500Pa의 압력을 적용하였다. 시험체에 가해지는 부하 1500 Pa에 해당하는 모래주머니의 무게는 각각 슬라이딩 방식이 84 kgf, 틸트방식이 48 kgf 이다.

성능/효과

시험체에 가해지는 부하 1500 Pa에 해당하는 모래주머니의 무게는 각각 슬라이딩 방식이 84 kgf, 틸트방식이 48 kgf 이다. 10분간 부하를 가한 결과 흡입부하에 대한 폐쇄유지능력과 부하제거 후 3회 평균동작시간은 4개 시험체 모두 양호하게 나타났다.
1500 Pa의 압력을 가한 본 시험에서 10분간의 부하작용에 대해 슬라이딩 방식은 거의 변화가 없었는데 비해 틸트 방식은 미세한 틈새가 벌어지기도 했으나 부하제거 후 곧바로 복귀되었으며 동작시험결과 이상이 없는 것으로 나타났다.
가열온도는 최고 600 ℃를 적용하였으며 300 ℃에 도달 시 참고로 시험체 상태를 확인하였다. 4개의 시험체에 대한 내열시험 결과 금속성 재질의 시험체는 고온의 영향으로 오히려 늘어나 개방거리가 시험 전보다 약간 증가하였다.
시험체 4개를 저온실 내에 설치하여 만 하루 동안 방치하고 앞 장의 부하개방시험과 같은 방식으로 시험하였다. 각 시험체에 대해 부하개방시험에서 시험이 가능했던 부하를 가하여 각각 동작시험을 실시한 결과, 저온에서의 동작시간은 상온에서의 결과에 비해 평균동작시간이 다소 증가된 것으로 나타났는데 기계장치의 수축에 의한 마찰력의 증가가 주요 원인인 것으로 사료된다. 아래 그래프는 두 조건에서의 동작시간을 비교한 것이다.
건물에 화재신호가 있을 때마다 동작해야 하는 배연창은 반복작동에 대한 충분한 내구성 및 신뢰성이 요구되므로 국제규격에서 요구하고 있는 1000회 반복시험이 필요하며, 이 연구에서 4가지 시험체에 대한 시험결과는 모두 30초 이내에 동작하여 양호하게 나타났다.
마찬가지로 동작시간이 상대적으로 짧은 D사의 틸트방식 시험체도 고부하에서 성능이 좋지 않게 나타났는데, 전동장치의 감속비를 키워 동작시간을 적당히 느리게 하고 대신 토크를 증가시켜 고부하에서도 안정적인 동작을 확보하는 것이 바람직하다고 판단된다.
카운터가 달려있는 개폐동작 제어기를 이용하여 50회 및 1000회 반복하여 실시하였다. 모터의 과열방지를 위해 사이클 간 30초의 휴지시간을 두었으며, D사와 Y사의 슬라이딩 방식과 틸트아웃 방식의 시험체 모두 1000회 반복시험 결과 동작에 이상이 없었고 모두 60초 이내에 정상위치까지 동작하여 국내 제품의 내구성 및 신뢰성은 양호한 것으로 나타났다.
위에서 구한 무게의 모래주머니를 이용하여 각 부하별로 3회씩 개방시험을 실시한 결과 125 Pa의 가벼운 부하에서는 양사의 시험체 두 방식 모두 60초 이하의 개방시간과 개방 유지능력을 보이며 양호한 성능을 나타내었다.
이 연구에서 2개 회사의 두 가지 형식의 배연창에 대해 부하개방시간을 실시한 결과 슬라이딩 방식의 배연창은 비교적 창에 가해지는 부하(압력)에 대해 원활히 동작하는 것으로 나타났으나, 창문이 열리는 방향의 정반대로 압력이 가해지는 틸트 방식의 배연창은 저항력이 크게 작용하므로 D사 시험체의 경우 250 Pa의 부하에서 기능을 상실하였고, 또한 상대적으로 동작시간이 짧은 시험체의 성능이 불안정하게 나타났다.
위 항목에서 언급한 것처럼 외부환경에 밀접한 영향을 받는 배연창은 혹한의 날씨에도 안정적으로 동작하여야 하므로 본 시험항목은 필수적이다. 이 연구에서 국내 환경에 적합한 -15 ℃ 조건을 적용하여 시험을 실시한 결과 동작시간은 모두 국제기준에서 규정하고 있는 60초 이내에 들어 내한성능은 양호한 것으로 판단된다.
하지만 Y사의 시험체는 체인접합 방식이 양호하여 500 Pa의 부하에서도 거뜬히 동작하였다. 한편 동작시간이 무척 짧은 Y사의 슬라이딩 방식 시험체는 부하가 증가할수록 동작시간의 증가가 뚜렷하였고 부하 500 Pa의 시험에서는 가끔 전동장치의 레일이 탈락하는 불안정함을 보여주었다.

후속연구

본문에서 배연창 대한 시험항목을 선정하고 성능시험을 실시한 결과 위와 같은 시험방법을 국내에 적용하는 것은 전반적으로 가능할 것으로 판단된다. 다만 일부 항목에 있어서 국내 시험기준으로 도입할 시 이에 대한 성능 보완이 필요한 것으로 나타났으며 이의 보완은 기술적으로 큰 어려움이 없을 것으로 사료된다. 또한 성능위주의 시험방법을 올바로 적용하기 위해서는 각 시험항목에 대한 객관적이고 과학적인 근거의 마련을 위한 연구 노력이 더욱 가속화 되어야 할 것이다.
다만 일부 항목에 있어서 국내 시험기준으로 도입할 시 이에 대한 성능 보완이 필요한 것으로 나타났으며 이의 보완은 기술적으로 큰 어려움이 없을 것으로 사료된다. 또한 성능위주의 시험방법을 올바로 적용하기 위해서는 각 시험항목에 대한 객관적이고 과학적인 근거의 마련을 위한 연구 노력이 더욱 가속화 되어야 할 것이다.
본문에서 배연창 대한 시험항목을 선정하고 성능시험을 실시한 결과 위와 같은 시험방법을 국내에 적용하는 것은 전반적으로 가능할 것으로 판단된다. 다만 일부 항목에 있어서 국내 시험기준으로 도입할 시 이에 대한 성능 보완이 필요한 것으로 나타났으며 이의 보완은 기술적으로 큰 어려움이 없을 것으로 사료된다.
이러한 결과로부터 동력을 전달해주는 체인접합부를 더욱 견고하게 보완하고, 전동장치의 감속비를 키워 동작속도를 적당히 낮추고 토크를 증가시키는 것이 성능향상을 위해 필요하다고 판단된다.
한편 틸트 방식의 시험체는 양사 모두 체인결합부분이 열에 취약해 파손되었고 전동장치도 손상되었으나, D사 제품은 가이드레일 방식을 채택하고 있어 개방상태가 유지되었다. 이상에서 보다 양호한 배연창의 내열성능을 확보하기 위해서는 체인결합부를 보완하고 전동장치 케이스를 금속재질로 대체할 필요가 있으며, 기구학적인 동작원리를 개선하여 기능 정지 시에도 본래 목적인 개방상태가 유지되도록 하는 것이 바람직하다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

현재 제연설비와 관련하여 제정되어 있는 국내 관련시험기준이나 한국산업표준, 법규 등은 무엇인가?

· NFSC 501 - 제연설비의 화재안전기준 : 소방방재청고시 제2008-46호 · 건축법 시행령 제94조 배연설비 · 건축물의 설비기준 등에 관한 규칙(국토해양부령 제33호) 제14조 배연설비 · KS F 2815 배연설비의 검사표준

소방관의 소화활동을 돕기 위한 제연설비의 전체의 조화가 중요한 이유는?

화재발생시 가장 주요한 사망원인인 유독가스의 제어와, 소방관의 소화활동을 돕기 위한 제연설비는 각 구성품이 유기적으로 동작하는 시스템을 이루기 때문에 전체의 조화도 중요하지만, 기본적으로 각 설비요소가 제 기능을 발휘할 때 전체 시스템의 제연성능을 확보할 수 있게 된다. 그러나 현재 법으로 규정된 국내기준은 주요 구성품별 성능을 제대로 평가할 수 있는 방법 및 기준이 없어 본 연구를 통하여 배연창의 성능평가기술을 개발하고 항목별 성능시험을 실시하여 평가방법의 적합성을 검토하고 국가표준을 만들기 위한 기초 자료로 제공하고자 한다.

화재발생시 가장 주요한 사망원인은?

화재발생시 가장 주요한 사망원인인 유독가스의 제어와, 소방관의 소화활동을 돕기 위한 제연설비는 각 구성품이 유기적으로 동작하는 시스템을 이루기 때문에 전체의 조화도 중요하지만, 기본적으로 각 설비요소가 제 기능을 발휘할 때 전체 시스템의 제연성능을 확보할 수 있게 된다. 그러나 현재 법으로 규정된 국내기준은 주요 구성품별 성능을 제대로 평가할 수 있는 방법 및 기준이 없어 본 연구를 통하여 배연창의 성능평가기술을 개발하고 항목별 성능시험을 실시하여 평가방법의 적합성을 검토하고 국가표준을 만들기 위한 기초 자료로 제공하고자 한다.

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