Experimental Study to Estimate the Required Flow of Fire Extinguishing System for Flame Spread Prevention on Composite Panel

복합패널 화재확산 방지를 위한 소화시스템의 소요유량 산정을 위한 실험적 연구

Abstract

Composite panel refers to the particular plywood produced in a way of stacking the different kinds of material in sandwich form and adhering them using adhesives and is widely used as building material for its constructability and cost efficiency. But as the surface is finished with steel plate, fire extinguishing agent cannot reach to the core material because of such steel plate on surface which causes the difficulties in suppressing the fire as well as in fire-fighting activities due to collapse. This study, to deal with such problem, is intended to set the fire pipe in core material to prevent the fire from spreading and in a bid to achieve this using minimized fire water, water supply test device was fabricated to estimate the required water flow of fire extinguisher and consequently, optimal water flow (0.5 L/min) was determined through a full-scale fire test.

복합패널은 다른 종류의 재료를 샌드위치 모양으로 쌓아 올려 접착제로 접합한 특수 합판으로서, 시공성 및 경제성이 좋기 때문에 건축물 재료로 많이 사용되고 있다. 그러나 표면판은 철판 재질로 되어 있기 때문에 화재 시 일반적인 소화설비를 이용한 소화방법이 외부의 철판에 막혀 심재 부분의 화원에 도달하지 못하여 소화를 하는데 어려움이 있으며, 화재 시 붕괴에 따른 소화활동에도 어려움이 많다. 본 연구에서는 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 복합패널의 심재에 소화배관을 설치하여 화재 시 화재확산을 방지할 수 있는 소화설비시스템에 대하여 연구하였다. 소화시스템의 소화용수의 소요유량을 산정할 수 있도록 수공급 시험 장치를 제작하여 최소량의 소화수를 사용하여 화재확산을 방지할 수 있게 하였다. 또한 실물화재 실험을 통하여 최적의 공급유량(0.5 L/min)을 설정하였다.

1. 서론

우리나라는 EPS 및 우레탄 등 가연성 심재를 사용한 복합패널을 건축자재로 허용하는 소수국가 중의 하나이며, 적용할 수 있는 건축물의 용도, 규모를 제한하고 있지만 사용량은 가장 많을 것으로 예측하고 있다. 복합패널은 철판, 보드 등 불연성 보드사이에 심재를 설치하고, 이들을 접착제로 일체화 시킨 건축자재이다. 가격이 저렴하고, 단열성이 높으며, 경량으로서 취급이 용이하여 시공성이 높기 때문에 국내에서 창고, 공장 등의 건축물을 중심으로 매우 흔하게 사용되고 있다. 그러나 이들 패널은 상기에서 언급한 바와 같이 건축자재로서 많은 장점을 갖고 있음에도 불구하고 화재 발생 시 화재하중이 크기 때문에 대형화재로 발달하고, 소화수가 가연성 심재에 침투하기 어려워 소화가 어렵고, 심재의 발포입자는 미세한 공극으로 이루어져 있으며, 공극이 보유하고 있는 공기 중의 산소로 인하여 외부에서 공기가 유입되지 않아도 연소할 수 있는 특징을 지니고 있다. 따라서 충분한 산소가 공급되지 않는 불완전 연소로 인하여 연소 시 다량의 유독가스를 방출하여 인명손실 및 소화활동의 저해요인으로 작용되고 있다. 즉, 표면을 구성하고 있는 철판으로 인하여 산소가 차단되며, 이로 인해 화재 시에는 복합패널 내부의 심재가 불완전 연소가 일어나 매우 유독한 가스를 발생시키며, 심재의 연소가 시작되면 소화수가 복합패널 내부로 침투하기 어려운 구조적 특성 때문에 화재진압에 상당한 어려움이 따른다.^(1,2) 이에 따라 국내에서는 내화 및 난연 심재 개발을 중심으로 연구가 진행되었으며, 패널 사이에 철판을 삽입하여 화재확산을 방지하는 연구도 진행되었다.^(3,4) 본 연구에서는 복합패널 소화설비의 소화수 소요유량을 산정하기 위하여 시험 장치를 제작하였으며, 실물화재 실험을 통하여 성능을 검증하였다.

2. 본론

2.1 성능평가 시험장치 제작

본 시험에서는 기존 소화설비와의 비교를 통하여 소화설비 기준을 분석하여 적용 하였다. 기존 법규를 살펴보면일정 규모의 건축물에 적용되는 화재진압 설비는 화재안전기준(NFSC 103)과 화재예방, 소방시설 설치유지 및 안전관리에 관란 법률 시행령에 의해 수용인원 100인 이상의 문화 집회시설, 종교 시설과 수용인원 500 인 이상의 판매 및 물류시설 등 다수의 건축물에 대한 화재진압 설비의 설치를 규정하고 있다. 그러나 복합패널 소화시스템은 기존 선행 연구와 법규가 존재하지 않는 새로운 시스템으로 기존의 소화설비와의 비교는 불가하나 배관 및 소화용수 확보 등의 공용 부분에 대한 적용은 가능할 것으로 판단된다.⁽⁵⁾ 이에 본 연구에서는 기존 법규 및 기준을 참고하여 Figure 1과 같이 복합패널 소화시스템을 설계하였다.

Figure 1. Schematic diagram of composite panel fire extinguishing system.

급수배관은 수원 및 옥외송수구로부터 스프링클러헤드에 급수하는 소화배관의 사용 압력과 재질을 기준으로 하였다. 가압송수 장치의 경우에도 스프링클러 화재안전기준(NFSC 103)에 따라 정격토출압력은 하나의 헤드선단에 0.1~ 1.2 MPa의 방수압력이상을 유지하도록 권장하고 있다.

소화설비시스템 시험장치의 세부사양을 정리하면 다음 Table 1과 같다.

Table 1. Specification of Fire Extinguishing System Test Device

다음 Figure 2(a∼d)는 본 소화설비시스템 시험장치의 외관 및 주요부품의 사진을 나타낸 것이다.

Figure 2. Appearance and main parts of test equipment.

상부 고정 캡을 이용하여 소화수를 공급하도록 하였으며, 이는 소화수의 급수관에 해당하는 것으로 Water Channel이라 칭하였다(Figure 3(a)). Water Channel은 수 공급 장치로부터 공급받은 소화용수를 연소중인 복합패널 내부에 침투시키기 위한 핵심 부품으로서 Figure 3(b)과 같이 각 구조물의 형태에 따라 적절하게 설계 제작 될 수 있도록 기존 복합패널 건축물 마감재 종류와 동일 한 형태로 제작 하였으며, 직접 화염에 노출될 개연성으로 인하여 내열성을 강화하기 위한 금속재질을 선택하여 Water Channel을 제작 하였다. 또한 챔버 내부의 수압을 유지하기 위하여 내열 실리콘을 이용하여 밀폐를 시켰으며, Figure 3(c)과 같이 복합패널 내부로 분사를 위하여 50 mm 간격으로 30 개를 직경 5 mm 크기로 천공하여 소화 용수를 심재에 주입하였다. 소화용수의 인입은 Figure 3(d)과 같이 기존 소화설비 배관 기준의 최소 구경과 재질을 적용하여 25 A의 강관을 선정하여 제작되어 수 공급 장치에 연결되었다. Water Channel의 내압성능 확보를 위하여 각 접합 부위는 용접과 리벳으로 처리되어 가압된 소화용수의 공급으로 인한 누설 발생 방지를 위하여 1.5 MPa 의 수압에 견딜 수 있도록 제작하였다.

Figure 3. Fire water supply device

2.2 실물화재실험을 통한 성능검증

본 실험은 소화시스템의 최적 소요 유량을 산정하여 경제성을 확보하기 위한 목적으로 실시되었다. 시험 시편은 각각 단변 (500×1500 mm) 장변 (1000×1500 mm) 크기로 KS F2835 규격(2015년 7월 폐지)에 따라 전처리(온도 23 ℃, 습도 50% 상태에서 2주 동안 건조)되어 사용하였으며, 복합패널 심재는 난연 2등급 EPS (Expanded Poly-Styrene)를 사용하였다. 점화원으로는 액화석유가스(Liquified petroleum gas) 중에서 프로판(발열량 : 50,0407 kJ/kg, 연소범위 2.2~ 9.5%)을 연료로 하는 모래 상자 버너를 단변과 장변이 만나는 부분의 안쪽 하단에 배치하였다.

소화 시스템의 작동은 시험체 좌측 열전대 온도가 100℃에 이르면 자동으로 소화용 펌프가 가동하도록 구성 하였으며, K-Type 열전대를 설치하여 시험체 좌우 측면과 중앙에서의 온도 변화를 측정 하였으며, 소화 펌프 기동 후의 유량을 데이터로 저장하였다. Figure 4은 유량 산정을 위한 시험 전경이며 전체 시험체의 면적은 약 2.25 m²이며 점화 후 분당 0, 0.2, 0.4, 0.5, 0.6, 0.8, 1.0 리터(L)의 소화수를 살수하여 시험을 실시하였다.

Figure 4. Large Scale Calorimeter

소요유량의 선정은 최소 단위로 시작하여 복합패널 내부의 화염 감소와 소화능력이 확보 되는 유량까지 증가시켜 시험을 실시하였다. 최적 소요 유량 산정 시험은 한국건설기술연구원 화재안전연구소에서 운영하고 있는 Large Scale Calorimeter에서 수행 되었다. Large Scale Calorimeter는 실물 화재 시 연소가스(CO, CO₂) 발생량, 화재하중측정, 특정 유독가스(HCL, HCN 등) 측정 등이 가능한 장비이다.

Figure 5(a)는 실험 수행 전경으로 후면에 열전대를 부착하여 실시간 온도 변화를 저장하고 있는 모습이다. Figure 5(b)는 점화원으로 부터 복합패널 내부의 착화를 위한 점화전경이며 패널 내부 온도가 설정된 온도에 도달하여 소화용수를 공급하고 있는 장면이다. 시험은 10 min 이상 진행하였으며 내부 온도의 변화가 없는 구간에서 점화원의 연료 공급을 중단하였다. Figure 5(c)는 시험 종료 후의 모습이며, 복합패널을 철거하여 Figure 5(d)와 같이 내부 심재의 연소 정도를 확인하면서 복합패널 내부의 연소 특징을 사진으로 기록하는 것으로 시험을 종료 하였다.

Figure 5. Fire test view

Table 2는 최적 소요 유량 산정을 위한 시험 결과를 보여주고 있다. 각 Case에서 점화원 측의 온도는 모두 600 ℃를 넘는 것을 확인 할 수 있었다. 소화용수를 공급하지 않은 시험체 1번의 경우 시간의 흐름에 따라 중앙과 우측으로 Figure 6과 같이 연소가 진행되어 완전 연소되었으며 약 13 min의 시간이 소요되었다. 그때 시험체 우측의 최고 온도는 650 ℃에 이르렀으며 시험 종료 후 내부를 조사한 결과 심재는 모두 연소되어 탄화된 흔적만이 남아있었다.

Table 2. Test to Estimate the Optimal Water Flow

Figure 6. Flame spreading at the bottom.

시험체 2번은 분당 0.2 리터(L)의 소화용수를 공급하여 시험을 수행한 결과로 점화원과 가까운 좌측 열전대에서 초기 온도가 600 ℃를 넘어 섰으나, 중앙과 좌측 부위로 화염이 전파 되지는 않아 측정 부위의 온도는 증가 하지 않았다. 그러나 Figure 7에서와 같이 시험체 하단으로 용융된 심재가 번져 연소되는 것을 알 수 있었으며, 이는 소요 유량이 부족하여 복합패널 하단부에 직접 도달 하지 않아 발생 한 것으로 판단되었다.

Figure 7. Core material melted.

이 후 분당 0.5 리터(L) 이상의 소화용수를 공급한 시험체 4번 부터는 시험체 하단의 연소 확대가 발생 하지 않았으며 대부분 패널 내부 심재의 연소가 중단 되는 결과를 얻을 수 있었다.

3개의 시험체^(4,5,6)에서 좌측면의 중앙부근의 온도가 계속 증가하거나 유지되는 결과를 확인 할 수 있었으나, 이는 점화원으로 부터 직접 화염에 노출되어 나타난 결과로 판단되었다.

본 실험의 결과로부터 단위면적의 복합패널의 내부 심재 연소 방지 및 소화를 위한 소요 유량은 0.5 L/min로 산정되었다.

3. 결론

국내 건축물 화재사고의 주범으로 인식되고 있는 가연성심재를 사용한 복합패널 건축물 화재는 초기진화에 실패할 경우 대형화재로 확산되어 막대한 인명, 재산피해를 유발하고 있다. 이러한 화재안전의 문제를 해결하기 위하여 난연성능을 개선한 심재 등의 연구가 진행되어왔지만 큰 성과를 내지 못하고 있다. 이에 따라 화재 시 심각한 사회문제를 야기하고 있는 종래의 문제를 해결하기 위해서는 기존에 수행하고 있는 심재에 대한 성능개선뿐만 아니라 심재소화를 위한 소화설비 기술을 동시에 확보하여야한다. 본 연구는 이러한 소화설비 기술의 소화용수를 산정하기 위한 실험 연구로서 물공급 시험장치를 제작하고 이를 활용하여 실물화재 실험을 수행하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

1. 소화설비 시스템 시험장치는 0.1∼150 L/min 의 소화유량을 공급하고 측정오차 1% 이내에 데이터를 순서대로 기록할 수 있도록 설계되었다.

2. 단변 (500×1500 mm) 장변 (1000×1500 mm) 크기의 시험시편에 소화시스템을 가동하지 않은 경우에는 점화 후약 2 min 후에 600 ℃까지 온도가 상승하며, 13 min 후에 전소하게 된다.

3. 0.5 L/min의 소화용수를 소화시스템에 적용한 경우에는 내부 심재 연소 및 화재확산을 방지할 수 있다.

실제 규모의 복합패널의 화재확산 방지를 위한 소화시스템 적용에 관한 추가적인 연구가 필요하며, 복합패널 시공시 현장에서 적용될 수 있도록 경제성 분석이 필요하다.

후기

본 연구는 국토교통부(국토교통과학기술진흥원) 2017년건설기술연구사업의 ‘고수압 초장대 해저터널 기술 자립을 위한 핵심요소 기술 개발(17SCIP-B06632-05)’ 연구단을 통해 수행되었습니다. 연구지원에 감사드립니다.