2.1. 해석방법 개요

화재 시 상층부로의 화염 및 연기 전파상황과 이에 따른 수열온도 평가를 위해 차양식 방화루버의 방화성능을 시뮬 레이션 하였다. 해석은 화재 시나리오를 작성하여 화재모델 링 하였다. 전산해석 툴은 NIST (미국국립표준기술연구소) 에서 90년대부터 개발되어온 FDS 프로그램을 사용하였다.

여기서 기체 유동은 비압축성 유동 (Incompressible flow) 인 Navier-Stokes 방정식을 가정하기 때문에, 오차를 줄이기 위해서 최대한 작은 요소로 분할하였다. 기체 유동방정식은,

여기서, t는 시간, ρ는 밀도, u 는 속도벡터, P 는 압력, EQ는 입자의 증발속도, f_b 는 외부의 힘벡터, τ_ij 는 응력텐 서이다. 또한 h_s 는 온도변화에 따른 엔탈피로,

여기서 C_p,a 는 열용량이다. 한편 q ⋅ m 는 단위부피당 열 방출 속도, q ⋅ b m 는 입자의 열 방출속도, q ⋅ m 는 전도와 복사에 의한 열 플럭스, ε 는 소산율, R 은 기체상수, W 는 혼합기체의 분자량을 나타낸다. 지배방정식의 매개변수는 주로 난류모델 인 k -ε모델을 적용하였다.

Fig. 3은 화재에 의한 열 및 연기거동 해석의 절차를 나타 낸 것이다. 수행과정은 화재시나리오 작성, 화재모델링, 화재 시뮬레이션, 화재모델링 검증, 결과분석의 과정으로 진행하 였다.

Fig. 3.

The flowchart of simulation

2.2. 해석 모델링

해석을 위한 모델은 Fig. 4와 같이 공동주택 단위세대 평 면을 사용하였으며, 임의로 중간층 4개 층을 선정하였다. 루 버 유무에 따른 수직화염전파 특성을 분석하기 위하여 해석 대상 루버 하부와 루버로부터 500mm 상부에 가상의 열전대 를 설정하였다. 또한 루버 하부의 가상 열전대의 수열온도가 70°C에 도달하면, 루버가 생성되는 것으로 구성하였다. 가연 물배치 상황은 주거시설 배치 표준모델을 사용하였다. Table 1은 해석 대상의 주요 변수를 나타낸 것이다.

Fig. 4.

Modeling and sensing point for simulation

그리드 (Grid)의 크기와 수 등의 공간조건은 화염플럼의 모델링을 위해 요구되는 최소격자 크기를 사용하였으며, 총 사용된 셀의 수는 288,000개이다. 또한 기존 문헌의 연소데 이터를 활용하였다.

2.3. 해석 결과 분석

Fig. 5와 Fig. 6은 루버 중앙 상부 500mm 위치에서 해석 수열온도와 화염전파 특성을 각각 나타낸 것이다. 화재 발생 초기의 온도 분포 및 외부 연기 배출은 유사하다. 그러나 루 버 중앙 상부 500mm 위치의 온도가 70°C에 도달하여 루버 가 생성되면, 루버 유무에 따라 100°C~550°C의 차이를 나타 내고 있다.

Fig. 5.

The analysis results

이것은 생성된 루버에 의해 복사에 의한 열전달이 차단되 고, 대류에 의한 열전달도 일부 억제되기 때문으로 판단되었 다. 이러한 특징은 Fig. 6의 수직화염 분출 시뮬레이션 결과 에서도 알 수 있는데, 생성된 루버에 의해 수직화염이 직접 측정위치에 닿지 않는 것을 알 수 있다.

Fig. 6.

The simulation results

3.1. 실험체 개요

앞의 방화 시뮬레이션에서는 이상적인 방화루버 조건을 가정하였다. 즉 일정 온도 (70°C)에서 루버가 생성되고 이후 루버 자체의 열전도 특성이나 화재에 의한 루버의 열변형을 고려하지 않았다. 그러므로 실제 방화루버의 수직화염 억제 뿐만 아니라 열전달 특성을 정량적으로 분석하기 위하여 실 대형 실험을 계획하였다. Fig. 7에 실험에 사용한 방화루버 의 형상을 나타냈다. 이 방화루버는 스테인리스 재질의 차양 식으로 크기는 900mm × 900mm × 175mm이다.

이 루버는 상온에서 Fig. 7(a)와 같이 루버 윗면이 열려있 어 채광용으로 사용하고, 70~100°C에서 온도감지 장치에 의 해 Fig. 7(b)와 같이 닫혀 방화 역할을 하게 된다. Table 2는 실험 변수를 나타낸 것으로 상부 방화루버의 두께를 1.5mm, 2.0mm로 설정하였다. 이것은 방화루버 자체의 열전도 특성 과, 지속하중 상태에서 루버의 방화성능 유지여부를 평가하 기 위한 것이다.

Fig. 7.

The prototype of the venetian blind louver

3.2. 실험방법

방화루버의 성능 평가방법으로 해석과 유사하게 실물 화 재를 상정한 모의 화재 상태에서 루버의 화염 억제특성을 검 토하는 방안이 현실적일 수 있다. 그러나 이 실험방법은 화 재 규모에 대한 정량적인 데이터를 획득하기 어렵다. 그러므 로 간접적인 방법으로 Fig. 8과 같은 간접적인 방법을 선택 하였다. 즉 그림과 같이 기존의 방화시험 조건에서 루버 상 부의 온도 전달 특성을 분석하고자 하였다. 한편 루버 상부 의 수열온도는 Table 3과 같이 각 위치에 열전대를 설치하여 수열온도를 측정하였다. 실험은 한국건설 기술연구원에 수행 하였으며 기타 조건은 방화성능시험 방법을 준수하였다. 즉, 전체 3m × 3m의 시험체 중 850mm × 1,800mm의 개구부 를 두고 상부에 실험용 방화루버를 설치하였다. 나머지는 내 화 벽돌을 1B쌓기로 밀폐하였다. 또한 ISO 834화재 하중에 근거하여 1시간 실험하였다.

Fig. 8.

The test of fire prevention at KICT & Thermocouple location

4.1. 전반적인 거동

상부층의 열전달 특성 및 방화성능 검토, 루버 자체의 내 화, 내열, 열변형 평가를 목적으로 한 실험 결과를 Fig. 9 및 Table 4, Table 5에 나타냈다. 방화 루버의 전반적인 거동 특성은 다음과 같다.

Fig. 9.

The test results of specimens

루버 두께가 1.5mm인 VBL-1.5 실험체는 가열 시작 이후 20초에 루버 윗면이 닫혀 차열성능을 발현하기 시작했다. 이 후 방화루버의 영향으로 상층부의 온도가 증가가 현저히 저 감되었다. 화재 초기 5분간의 대응에 따라 인명피해를 상당 부분 줄일 수 있다. 또한 플래시오버 상태를 상정한 로 내 온도 600°C를 기준으로 살펴보면, VBL-1.5 실험체는 실험 시작 7분 후, 로 내 610.5°C에 대하여 루버 상부 200mm, 500mm, 800mm 부분에서 각각 103.0~107.4°C, 39.5°C~59.7°C, 37.2~41.6°C로 나타나 하부 층의 화재에 대하여 상부층이 직접 영향을 받지 않는다는 사실을 알 수 있었다. 또한 노 내 최고 온도 900.1°C에 대하여 루버 상부 200mm, 500mm, 800mm 부분은 각각 215.5~297.1°C, 118.9~125.1°C, 82.6~86.9°C 로 나타났다. 한편 ISO 834 화재 규모 대비 노 내부의 온도 는 개구부가 개방되어 있기 때문에 최대 900.1°C에서 더 이 상 증가하지 않았다.

루버 두께가 2.0mm인 VBL-2.0 실험체는 가열 시작 이후 18초에 온도감지 장치가 작동하여 루버 윗면이 닫혔으며 2 분까지 루버 위쪽은 상온을 유지하였다. 이후에도 상층부의 온도 증가가 현저하게 저감되었으며 우수한 차열성능을 나 타냈다. 로 내 온도 600°C 기준에서는 실험 시작 6분 후, 로 내 601.3°C에 대하여 루버 상부 200mm, 500mm, 800mm 부분에서 각각 90.5~97.8°C, 40.5~58.2°C, 31.2~41.6°C로 나타났다. 화재 지속 60분 후에는 노 내 최고 온도 943.9°C 에 반하여 루버 상부 200mm, 500mm, 800mm 부분은 각각 168.4~192.2°C, 111.2~122.1°C, 99.8~124.1°C로 나타났다.

VBL-1.5, VBL-2.0 실험체 모두 측정위치 (방화루버 상부 200, 500, 800mm)에서 직접화염에 노출되지 않았다. 또한 두 실험체 모두 상층부로의 화재전이를 차단 및 차열하는 성 능에는 큰 차이가 없음을 알 수 있었다.

4.2. 방화루버의 차열효과 분석

Fig. 10은 방화 루버 상부의 시간별 수열온도 분포를 위치 에 따라 구배로 나타낸 것이다. 그림에서 각 점은 시험실 내 기류영향으로 루버 양 측면의 온도차가 나타나 평균값을 이 용하였다. 그림에서 방화루버 상부위치 800mm위치의 수열 온도 분포는 VBL-1.5과 VBL-2.0 실험체가 각각 82.6~86.9°C, 99.8~124.1°C로 나타나 유사한 특성을 보였다. 또한 상부위 치 500mm에서도 각각 118.9~125.1°C, 111.2~122.1°C로 나 타났다. 그러나 200mm위치에서는 루버 두께가 1.5mm인 VBL-1.5 실험체가 215.5~297.1°C인 반면, 루버 두께가 2.0mm 인 VBL-2.0 실험체는 168.4~192.2°C로 나타나 보다 우수한 차열 성능을 보였다.

Fig. 10.

Temperature distribution results by specimen height

이 이유는 방화루버 상부 0~500mm 부분의 온도분포는 루 버 자체의 차열성능에 영향을 받는 반면 500mm 이후에는 대류 등의 영향을 받기 때문으로 판단되었다.

일반적으로 공동주택의 경우 화재층과 상부층 창호와의 이격 길이가 1500mm 이상이기 때문에 방화 루버가 화재 중 변형 없이 형태를 유지한다면, 자체의 두께에 상관없이 차열 효과를 발현할 수 있을 것으로 판단된다. 한편 이 연구의 결 과를 통해 외벽 전체가 커튼월 방식으로 구성된 건물은 방화 루버 자체의 차열성능 까지를 반드시 검토해야 할 것으로 판 단되었다.

4.3. 방화루버의 두께에 따른 차열 유지성능

Fig. 11은 지속 화재하중 상태에서 일정 시간까지 열변형 에 따른 루버의 방화성능 유지여부를 평가하기 위한 것으로, 방화 루버 상부 500mm위치에서 Δ T /Δt의 추이를 나타낸 것이다.

Fig. 11.

Temperature increments vs. time increments of specimens in 500mm height

루버 두께가 1.5mm, 2.0mm인 VBL-1.5, VBL-2.0 실험체 모두 화재 시작 후 60분까지 유사한 Δ T /Δt를 보이고 있 는 이것은 두 실험체 모두 화재 지속 시간 열변형으로 인한 루버의 방화성능 저하가 나타나지 않음을 의미한다. 이를 통 해 상온에서 개방되어 있다가 화재 시 닫히는 개폐식 방화루 버도 충분히 차열성능을 지속적으로 발현할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 Fig. 11에서 나타났듯이 루버의 두께가 25% 작은 VBL-1.5 실험체의 경우도 상부 화재 전이층 간격이 500mm 이상일 경우 상층부로의 화재전이 차단 및 차열하는 성능에는 큰 차이가 없음을 알 수 있었다.