2.1. ETFE(Ethylene Tetra Fluoride Ethylene)

ETFE는 열가소성 불소함유 고분자 재료로서 25%의 에틸 렌과 75%의 테프론으로 구성된 막재료이다. 높은 내구성 및 내화학성을 가지며, 자연발화하지 않는다. 에어쿠션인 경우 에는 통기량 및 차광, 투광 정도의 제어가 가능하여 자연광의 유효한 사용을 통해 에너지 절감을 가능하게 하는 동시에 보 온단열작용과 빛이 번지는 매우 우수한 라이팅 효과를 제공 한다. 시공 예로는 독일월드컵 결승전 경기장(알리안츠 아레 나), 베이징올림픽 주경기장(버즈 네스트) 등이 있다.

2.2. PVF(Poly Vinyl Fluoride)

PVF는 불소수지를 필름화 시킨 제품으로 수명은 15년 이 상으로 보고 있으며, 정전기 발생 억제 작용이 강하여 오염이 잘 되지 않는 특성이 있어 제품의 수명이 길고 오염이 되지 않 으므로 관리비가 들지 않고 항상 깨끗한 외관을 유지 할 수 있 다는 장점이 있다. 그러나 일반 천막지에 사용하는 고주파 발 생 기계를 이용하여 접합 할 수 없어, 불소층을 특수한 기계를 사용하여 깎아낸 후 접합을 해야 하므로 일반 공장에서 접합 하기가 어려우며 원단의 가격 및 가공비가 다소 비싸다는 단 점이 있다. 양산실내체육관 지붕, 성남중앙공원 야외무대 객 석에 사용되었다.

2.3. PTFE(Poly Tetra Fluoro Ethylene)

PTFE는 필라멘트 유리섬유로 기본 원단을 용제에 녹인 액 상의 불소를 수차례에 걸쳐 침투시켜 숙성시킨 원단으로 강 한 인장강도를 가지고 있다. 원단 전체의 구성이 유리섬유와 불소로 이루어져 있어 불에 타지 않으며, 테프론코팅 표면에 는 물이나 기름이 묻지 않아, 표면이 오염되지 않는 반면에 인 열강도가 PVF 등의 원단보다 현저하게 약해 초기의 파열 후 연속하여 찢어지며, 유리섬유의 약점인 굴절성이 나빠 원단 이 부러지는 경향을 보이는 단점이 있다. 상암월드컵경기장, 제주월드컵경기장, 대구월드컵경기장 등에 사용되었다.

3.1. 실험계획

막구조물에 사용하는 막재료의 변형 시의 온도를 파악하기 위해서 막재료를 실험장치에 설치한 후, 화원과 막재료의 거 리에 따른 막재료 표면의 변형 및 온도변화를 측정하였다. 실 험변수로는 Table 2에서 보는 바와 같이 일반적으로 사용하는 ETFE, PVF, PTFE 3종류의 막재료를 0.5×0.5 m로 재단하여 실험장치에 고정하였고, 화원과 막재료의 거리는 100, 200, 300 mm로 설정하고, 화원으로는 부탄가스를 사용하였다. 막 재료 표면의 변형 시 온도를 측정하기 위하여 열전대온도계 를 설치하고 데이터로거로 온도 변화를 측정하였다.

3.2. 실험결과 및 분석

육안으로 관찰된 실험진행 상황은 각 재료마다 특정온도에 도달하면 변형이 일어난 후 파단 되었다. Table 3과 같이 ETFE, PVF는 화원과의 거리가 멀어짐에 따라 시간이 지체되 었지만 최종적으로는 변형 후 파단 되었다. PTFE는 100 mm 에서만 파단되었으며, 200, 300 mm에서는 변형만 일어났다.

Fig. 1의 실험종료 후 상황에서 보는 바와 같이 막재료의 연 소특성은 불꽃이 막재료에 직접 안 닿으면 변형이 일어나지 않았으나 불꽃이 직접 닿는 순간 빠르게 변형이 일어난 후에 파단 되었다. 또한 막재료에 불꽃이 닿는 곳에만 파단 되고 주 위로는 불이 번지지 않았다. 화원과 거리가 가까울수록 막재 료가 더 빨리 변형 한 것을 알 수 있었으며, 실험을 수행하는 동안에 PVF, PTFE 막재료의 표면에서는 재가 떨어졌다. 각 재료별 파단온도는 Fig. 2와 같다.

Fig. 1

Situation after the end of the experiment

Fig. 2

Temperature at membrane fracture according to the distance

4.1. 실험계획 및 방법

막재료의 설치높이와 발열량에 따른 막재료의 화재연소특 성을 파악하고자 Table 4에서 보는 바와 같이 막재료의 종류 는 ETFE, PVF, PTFE, 막재료의 설치높이는 1.0, 1.5 m, 발열 재(등유)의 양은 1, 2 L로 선정하였다.

실물실험을 모사할 수 있는 장치를 Fig. 3과 같이 1.2×1.2× 3.6 m의 크기로 제작하고 하부에 송풍을 위하여 간격을 이격 하고 바닥에 화원 용기를 배치하였다. 실험 중 막재료의 변화 를 관찰하기 위하여 장치 가운데에 강화유리를 설치하였다.

Fig. 3

Combustion experiment device

막재료의 표면 및 실험장치의 높이별 온도를 확인하기 위 하여 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5 m 마다 열전대온도계를 설치하고 데이터로거를 통해서 온도를 측정하였다.

4.2. 실험결과 및 분석

4.2.1. 설치높이 1 m, 발열재량 1, 2 L

ETFE, PVF, PTFE를 설치높이 1 m에서 발열재량에 따른 온도변화를 분석해보면 앞선 실험에서 측정되었던 변형과 파 단 온도를 볼 수 있었다. ETFE, PVF는 전체적인 그래프가 비 슷하게 나타났지만, PTFE는 막 아래와 위에 설치된 열전대에 서 측정된 온도가 확연히 차이가 나는 걸 알 수 있었다. Table 5는 막재료의 높이 1m에서 막재료의 종류에 따른 파단시 온 도 및 시간을 정리한 것이다.

Table 5

Temperature and time at membrane fracture(installation height 1.0 m)

Type	ETFE		PVF		PTFE
Kerosene(L)	1	2	1	2	1	2
Time(s)	148	144	102	172	126	146
Temperature(°C)	370	599	429	558	503	737

Fig. 4(a)는 ETFE 막재료를 열원으로부터 1.0 m 떨어진 곳 에서 발열재양 1.0 L로 연소실험을 수행하여 열전대온도계 설치를 0.5~2.5 m에서 0.5 m 간격에서의 온도변화를 나타낸 것이다. 화재성상을 살펴보면 화염이 막에 닿아 변형하다가 54초 정도에서 찢어졌다. 이때 0.5 m에 설치된 열전대의 온도 는 410~420°C이고 찢어지면서 막 위에 설치된 1.5 m 열전대의 온도가 갑자기 상승하는 것으로 나타났다. 동시에 0.5~1.0 m 열전대의 온도는 감소하였다. Fig. 4(b)는 발열재양을 2.0 L로 하여 연소실험을 수행하였으며 37초 정도에 0.5 m 열전대에 서 측정된 온도가 400°C 이상에 도달하는 것이 관찰되었고, 찢어짐과 동시에 막 아래쪽에 설치된 열전대의 온도가 상승 하였다. 찢어진 후에는 열전대 설치높이마다 그래프의 형상 은 비슷하게 나타났다.

Fig. 4

Temperature changes on the heat source amount(ETFE – installation height 1.0 m)

Fig. 5(a)는 PVF 막재료를 열원으로부터 1.0 m 떨어진 곳에 서 발열재양 1.0L로 연소실험을 수행하여 얻은 온도변화이 며, 앞선 실험을 통해 측정된 온도와는 다르게 찢어졌을 때의 온도가 감소하였다. 막재료를 고정하여 일부 면에만 실험한 것과는 다르게 불꽃 온도뿐만 아니라 발생하는 유독가스의 온도, 주변온도 또한 내화실험 시 고려해야 할 부분인 것으로 사료된다. Fig. 5(b)는 실험 시 그래프에 나타난 온도 양상이 더 빨리 기울기가 가팔라지고 최고 온도도 높게 측정되었다. 하지만 전체적인 그래프의 양상은 발열재 1.0 L의 실험결과 와 비슷하게 나타났다.

Fig. 5

Temperature changes on the heat source amount(PVF – installation height 1.0 m)

Fig. 6(a)는 PTFE 막재료를 열원으로부터 1.0 m 떨어진 곳 에서 발열재량 1.0 L로 연소실험을 수행한 온도변화를 나타 낸 것이다. 다른 ETFE, PVF 막재료의 온도변화와는 극명하 게 다른 양상을 보였다. 우선 막재료에 약간의 변형만 있을 뿐 화염에 견뎠으며, 막 아래 열전대온도계와 막 위의 열전대온 도계와는 온도차의 대비를 보여줬다. 또한 최고온도가 600°C 이상으로 증가하였고, 그 이유는 막이 화염을 견디면서 막 아 랫부분의 열이 뻗쳐나가지 않고 집중되었기 때문인 것으로 판단된다. Fig. 6(b)에서는 측정된 최고온도가 발열재량 1.0 L 보다 더 상승하였고, 막 아래, 위 열전대에서 측정된 온도 분 포가 더욱 차이가 났다. 또한 변형된 시간이 발열재 1.0 L 실험 보다 오히려 늦어졌는데, 이것은 외기(바람)에 의한 영향이라 고 사료된다. Fig. 7은 실험 후 ETFE, PTFE의 모습을 나타낸다.

Fig. 6

Temperature changes on the heat source amount(PTFE – installation height 1.0 m)

Fig. 7

Situation after the end of the combustion experiment(installation height 1.0 m)

4.2.2. 설치높이 1.5 m- 발열재량 1, 2 L

ETFE, PVF, PTFE를 설치높이 1.5 m에서 발열재량에 따른 온도변화를 분석해보면 ETFE, PVF는 전체적으로 온도변화 가 비슷하게 나타났지만, PTFE는 막 아래와 위에 설치된 열 전대온도계에서 측정된 온도가 확연하게 차이가 났다. 그리 고 막재료의 설치높이 1.0 m보다 전체적인 온도분포가 높게 형성된 것을 알 수 있었다. Table 6은 막재료의 높이 1.5 m에 서 막재료 종류에 따른 파단 시 온도 및 시간을 정리한 것이다.

Table 6

Temperature and time at membrane fracture(installation height 1.5 m)

Type	ETFE		PVF		PTFE
Kerosene(L)	1	2	1	2	1	2
Time(s)	128	252	143	157	158	138
Temperature(°C)	254	413	280	539	453	614

Fig. 8(a)는 ETFE 막재료를 열원으로부터 1.5 m 떨어진 곳 에서 발열재양 1.0 L로 연소실험을 수행하여 온도변화를 나 타낸 것이다. 화염의 열기가 올라가다 막이 찢어지는 58초를 경계로 막 아래 설치된 열전대의 온도가 순간 감소하였고, 막 위의 온도는 증가하였다. 설치높이 1.0 m 실험보다 오히려 최 고 온도가 증가하였는데, 막재료가 1.0 m에 설치되었을 때는 오히려 화염을 가둬두고 산소를 차단하였지만, 막재료와 발 열재와의 간격이 보다 넓어지면서 화염이 더 세지는 역할을 한 것으로 판단된다. Fig. 8(b)는 58초를 경계로 막재료 아래 열전대온도계의 온도는 순간 감소하다가 이내 증가하는 경향 을 보였다. 그리고 발열재 2.0 L가 1.0 L보다 변형시간이 늦어 진 이유는 그래프의 형상을 보면 알 수 있듯이, 외기의 영향으 로 온도변화 곡선이 들쑥날쑥하게 보이듯이 화염이 집중되지 못한 것으로 사료된다. 최고온도는 발열재 1.0 L 실험보다 상 승하였으며, 이내 시간이 지나면서 온도변화 곡선의 양상이 비슷하게 나타났다.

Fig. 8

Temperature changes on the heat source amount(ETFE – installation height 1.5 m)

Fig. 9(a)는 PVF 막재료를 열원으로부터 1.5 m 떨어진 곳에 서 발열재양 1.0 L로 연소실험을 수행하여 온도변화를 나타 낸 것이다. 설치높이 1.0 m 실험보다 측정된 최고온도가 더 높 았으며, 0.5, 1.0 m에 설치된 열전대온도계의 온도가 순간적 으로 꺾이는 곳이 막재료가 변형되어 찢어진 순간으로 나타 냈다. Fig. 9(b)는 전체적인 온도변화가 발열재 1.0 L보다 상향 으로 조정되었고, 41초 부근에서 변형 후 찢어졌는데 이때 막 재료 아래 설치된 열전대온도계의 온도의 기울기가 순간 감 소하였다.

Fig. 9

Temperature changes on the heat source amount(PVF – installation height 1.5 m)

Fig. 10(a)는 PTFE 막재료를 열원으로부터 1.5 m 떨어진 곳 에서 발열재양 1.0 L로 연소실험을 수행하여 온도변화를 나 타낸 것이다. 발열재 1.0 m 실험결과보다 최고온도가 높아졌 다. 200°C 정도를 경계로 막재료 아래에 설치된 열전대온도 계의 온도는 위에 위치하고, 나머지는 막재료 위에 설치된 열 전대온도계의 온도이다. 전체적인 그래프 양상은 발열재 1.0 m 와 비슷하게 나타났다. Fig. 10(b)는 발열재 2.0 L의 곡선은 설 치높이 1.0 m 실험보다 최고온도가 높아졌다. 200°C 정도를 경계로 막재료 아래 설치된 열전대온도계의 온도는 위에 위 치하고, 나머지는 막재료 위에 설치된 열전대온도계의 온도 이다. 전체적인 그래프 양상은 발열재 1.0 m와 비슷하게 나타 났다. Fig. 11은 화재실험 후 ETFE, PVF, PTFE 재료들의 손상 정도를 나타내는 사진이다.

Fig. 10

Temperature changes on the heat source amount(PTFE – installation height 1.5 m)

Fig. 11

Situation after the end of the combustion experiment(installation height 1.5 m)