2.1 국내 법규

방화구획은^「건축법 시행령 제46조_」에 따라 건축물을 일 정면적, 단위별, 층별 및 용도별 등으로 구획함으로써 화재시 일정범위 이외로의 연소를 방지하여 피해를 국부적으로 한정 시키기 위한 것으로 내화구조의 바닥, 벽, 갑종방화문, 자동방 화셔터 등으로 방화구획을 구성해야만 한다. 방화구획 중 경 계벽에 대한 세부 사양 기준은^「건축물 피난 방화기준에 관 한 규칙 제19조_」에서 제시하고 있으나 유리를 적용한 경계 벽의 사양기준은 제시하지 못하고 있다. 그러나 제2항 4 (제1 호 내지 제3호의 것 외에 국토교통부장관이 정하여 고시하는 기준에 따라 국토교통부장관이 지정하는 자 또는 한국건설기 술연구원장이 실시하는 품질시험에서 그 성능이 확인된 것) 에 따라 내화구조의 성능기준을 통과한 경우 내화구조로 사 용할 수 있도록 제시되어 있다.

일반적인 재료(콘크리트 및 보드)로 구성되어 있는 비내력 벽의 경우 KS F 2257-8 ^「건축부재의 내화 시험방법-비내력 수직 구획 부재의 성능조건_」에 따라 내화시험 및 성능을 평 가해야 되나, 해당 규정의 경우 비내력 벽이 유리 및 강재로 구 성되어 있기 때문에 비내력 성능 평가 기준을 적용할 수 없다. 따라서 본 대상 시험체의 경우 비내력 구조물에 해당되나 KS F 2845의 유리구획 성능 평가 방법을 통해 내화성능을 평가하 였다. KS F 2845의 평가 대상 적용범위는 “건축물에 설치되 는 유리구획 부분의 한 면이 화재에 노출될 때의 내화성능을 측정하기 위한 시험방법”으로 규정되어 있다.

KS F 2845 규정에 따라 시험을 실시하며, 비내력 구조물이 적용되는 부위 별로 요구되는 내화성능시간이 결정된다. 건 축물에 사용되는 비내력은 ^「건축물 피난 방화기준에 관한 규칙 별표 1_」에서 제시하는 바와 같이 외벽 및 내벽으로 구 분되어 일반시설, 주거기설, 산업시설로 구분되어 최소 30분 에서 최대 120분까지 내화성능시간이 요구되고 있다.

이상 국내 법규를 분석한 결과, 국내 건축법 이하 관련 규정 에서는 유리를 적용한 비내력벽 및 경계벽에 대한 사양기준 은 제시하지 않고 있다. 단, 정해진 내화성능 평가 기준에 따 라 해당 성능이 확인된 경우 해당 제품에 한하여 건축물에 적 용할 수 있으며, 시험 방법은 KS F 2845 “유리구획부분의 내 화시험방법”에서 제시하는 성능시험 방법을 통해 내화성능 을 평가하여야 한다.

2.2 국외 시장분석

국외의 경우 방화유리를 적용한 벽체를 구획 내 사용하여 기존 벽체에 대한 단점을 보완하고 있는 있으며, 방화문, 외벽, 커튼월 등 다양한 건축 재료에 적용되고 있는 실정이다. 또한 칸막이 벽 또는 경계벽에 콘크리트 벽체, 건식벽체, 조립식 패 널 벽체 등 일반 벽체에 사용하는 건축 재료를 사용하지 않고 프레임 및 유리를 사용한 사례가 점차 증가하고 있다. 특히 30 분에서 120분까지 차염성능 및 차열성능을 확보할 수 있는 유 리를 개발함과 동시에 고온에서 구조 프레임으로 인한 열전 달을 차단하는 기술까지 함께 개발하고 있다. Table 1은 국외 에서 개발된 유리가 적용된 경계벽 제품의 적용 사례 및 관련 규정을 나타내고 있다.

Table 1

Related Code and Application of Glass walls

3.1 시험계획

본 연구에서는 국내 건축법 기준에 적합한 유리가 적용된 비내력 벽체를 실제 건축물에 적용하기 위해 실대형 내화성 능 시험을 수행하고 이를 분석하였다. 평가 대상 시험체는 내 부 비내력(칸막이) 벽, 외부 비내력 벽으로 구분되며 내화성 능 시간은 60분, 90분으로 구분된다. 시험체 명에 따라 PCE는 외부 비내력벽을 의미하며 PCI는 내부 비내력벽을 의미한다. 또한 시험체 명 뒤에 표기된 60/90은 요구되는 내화성능 시간 을 의미하며 내화성능 평가 기준에 따라 시험체의 앞면과 뒷 면에 대하여 시험을 수행하였으며 F, B로 표기하였다. 평가 대상인 시험체 및 표기방법은 Table 2와 같이 나타내었다.

Table 2

Transcription Methods

Fig. 1는 각 시험체의 수직 부재 상세도 및 앞/뒷면 방향을 나타내고 있으며, Fig. 2(a)는 PCE-60의 입면 및 최대온도/평 균온도 열전대를 나타내고 있으며, Fig. 2(b)는 PCE-90의 입 면 및 최대온도/평균온도 열전대 위치를 나타내고 있다. 평가 대상 시험체는 크게 프레임을 구성하는 강재 프레임과 내화 유리의 조합으로 구성되어 있으며, 비내력 벽체의 유형 및 내 화시간에 따라 각기 다른 두께의 내화유리가 적용되었다. 내 부 비내력벽 중 60분 내화성능이 요구되는 시험체의 경우 29mm의 내화유리가 적용되었으며, 외부 비내력벽 중 90분 내화성능이 요구되는 시험체의 경우 58mm의 내화유리가 적 용되었다. 특이사항으로는 90분 내화성능인 시험체의 경우 내화 유리 제작 여건상 1,500mm×3,000mm의 크기로 제작이 불가하여 2단으로 분리하여 시험체를 제작하였다.

Fig. 1

Section of Specimens

Fig. 2

Elevation and thermocouple positions of specimens

PCE-90 시험체의 프레임 간 접합부에는 화재 발생시 온도 상승으로 인한 열전달을 차단해주는 방화 석고보드를 프레임 사이에 삽입한 후 볼트를 체결하여 프레임을 고정시켰다. PCI-60 시험체의 경우, 프레임 자체 내부 공간에 방화 석고보 드를 삽입하였으며, 추가적으로 열전달을 차단해주는 방화 석고보드를 프레임 사이에 삽입하였다.

평가 대상 시험체에 사용한 내화유리는 일반유리와 달리 내화성능 및 단열성능을 지닌 유리로써 구조체 역할을 하는 강재와 함께 비내력을 구성하는데 사용되는 제품을 사용하였 다. 외부 비내력벽에 사용되는 내화유리는 요구내화성능시간 에 따라 2겹~4겹까지 사용이 가능하며 추가적으로 단열성능 을 확보하기 위해 1개의 Low-E 유리를 적용하였다. 본 연구에 서 사용된 외부 비내력벽의 경우 4겹의 내화유리가 적용되었 으며, 내부 비내력벽의 경우 3겹의 내화유리가 적용되었다. 내화유리 1겹은 열팽창 성능이 매우 높은 특수 유리 사이에 차열성능을 지닌 화학성분을 주입하여 상온 시 투명한 상태 로 존재하다 온도 상승 시 내부에 주입된 화학 성분이 발포하 여 비가열면으로 열을 차단한다. Fig. 3는 본 시험체에 적용된 내화유리의 구성을 나타내고 있다.

Fig. 3

Diagram of Fire Resistance glass

3.2 시험 방법

대상 시험체의 내화성능 평가하고자 ISO 3009 ^「Fire-resistance tests - Elements of building construction - Glazed elements_」및 KS F 2845^「유리구획 부분의 내화시험 방법_」에서 제시하고 있는 성능 평가 방법을 적용하여 내화 성능 시험을 수행하였다. 평가에 사용된 가열 곡선은 KS F 2257-1에서 제시하고 있는 표준 시간-온도 가열곡선을 사용 하였으며 식 (1)과 같다.

여기서, T는 가열온도(℃), t는 시간(min)이다.

차열성능 측정을 위한 열전대는 KS F 2845에 준수하여 위 치 등을 선정하였다. 평균온도 측정은 유리구획 윗면에 적용 한 열전대를 통해 결정되며 최고온도 측정은 시험체에 적용 된 모든 열전대를 통해 결정된다. Fig. 2은 KS F 2845에서 제 시하고 있는 열전대 설치 기준에 의거하여 평가 대상 시험체 에 적용한 열전대를 나타내고 있다.

내화성능 평가 기준은 KS F 2845에서 제시하는 차염성능 및 차열성능으로 구분된다. 비차열 구조의 경우 차염성능만 요구되며 차열 구조의 경우 차염성능 및 차열성능을 동시에 만족하여야 한다. 차염성능은 건축 구조 부재의 한쪽 면이 가 열될 때, 화염이나 고온/가스 등의 통과 또는 이면에서의 화염 을 방지하는 성능을 의미하며 비가열면의 화염노출 및 면패 드의 착화, 균열 게이지의 관통 등으로 성능을 평가할 수 있다. 차열성능은 건축 구조 부재의 한쪽 면이 가열될 때, 그 건축 부 재 이면 온도가 제한값 이상 상승되지 않도록 하는 성능으로 비가열면에 적용되는 평균온도/최대온도 열전대를 통해 성능 을 평가할 수 있다. Table 3은 KS F 2845에 따른 내화성능 평 가 기준을 나타내고 있다.

Table 3

Fire Resistance Performance Evaluation Criteria

4.1 차염성능

내화유리가 적용된 외부/내부 비내력 벽의 내화성능 시험 을 수행하였으며 시험체 별 차염성능을 비교하기 앞서 온도 상승에 따른 내화유리의 반응 단계 및 두께에 따른 내화성능 을 분석하였다. 앞서 언급한 바와 같이 내화유리(Contraflam) 는 내화성능 시간에 따라 적합한 두께의 유리를 적용하도록 제시하고 있다. 내화유리 한겹(유리-Interlayer)의 경우 약 30 분의 차열·차염(EI-30)성능 갖는 것으로 분석되었으며 Interlayer에는 온도 상승시 발포하여 열의 이동을 차단하는 차열재료가 주입되어 있다. PCE-90에 적용된 시험체 유리구 획의 내화성능을 예측하면 Fig. 4와 같이 정리할 수 있다.

Fig. 4

Analysis of fire resistance of each layer of Fire Glass

성능 평가 시 온도 상승에 따른 내화유리의 대표적인 반응 은 Table 4와 같이 정리할 수 있으며, 각 Layer별로 거의 동일 한 반응을 하는 것으로 분석되었다. 1단계는 Interlayer에 주입 되어 있는 차열재료가 온도상승에 의해 반응하여 팽창하기 시작한다. 2단계는 차열재료의 팽창에 의해 가열면의 유리에 크랙이 발생한다. 3단계는 유리에 크랙이 발생하고 화염이 차 열재료에 직접 면하는 순간 차열재료가 급격히 발포됨과 동 시에 해당 층 전체로 변색이 시작된다. 4단계는 변색된 차열 재료가 일정온도에 도달하면 기포가 발생한다. 이때 발생하 는 기포는 차열재료의 내화성능이 한계에 도달한 것을 의미 한다. 4단계 이후 다음 층의 내화유리가 반응하기 시작하며 1 단계~4단계의 반응이 반복적으로 발생한다.

Table 4

Reaction sequence of fire resistant glass by test

유리구획의 경우 내화유리 내부에서 다양한 반응이 지속 적으로 발생하였으나, 차염성능 기준인 면패드 착화, 화염발 생, 균열 게이지 관통 등의 현상은 발생하지 않았다. 강재 프 레임의 경우에도 내부 및 접합부에 적용된 차열재료(방화석 고보드 및 차열재)에 의해 차염성능 기준에 따른 특이사항은 발견되지 않았다. Table 5는 시험체 별 시간에 따른 차염성능 에 관한 특이사항을 나타내고 있다.

Table 5

Test results for each specimen

4.2 차열성능

본 시험체의 경우 비내력 구조부재로써 KS F 2845 기준에 따라 시험을 수행하여야 한다. 특히 대상 구조체의 적용 범위 에 따라 차열성능의 측정 유/무를 결정할 수 있으며 본 시험체 의 경우 비내력벽 기준에 의거하여 차염성능과 차열성능을 함께 측정하였다. 차열성능을 위한 열전대는 Fig 2과 같이 시 험 기준에 따라 비가열면에 부착하여 온도를 측정하였다.

4.2.1 PCE-90F 차열성능

PCE-90F 시험체는 90분 내화성능이 요구되는 외부 비내력 벽에 적용 가능한 시험체로서 외부에서 화재가 발생한 것으 로 가정하여 시험체 앞면을 가열하여 내화성능을 평가하였 다. PCE-90 앞면의 경우 뒷면에 비해 화염에 노출되는 프레임 의 면적이 5배 이상 적기 때문에 열전도율이 높은 강재에 의 한 프레임 온도 상승이 비교적 적은 것으로 나타났다. PCE-90F의 내화성능 시험 결과, 최대온도 및 평균온도의 온 도 상승 기준을 초과하지 않았으며 시험체의 최대온도는 15 번 열전대에서 발생하였다. 또한, 평균/최대 온도 모두 평가기 준의 1/2이하의 온도 상승을 기록하였기 때문에 본 시험체의 경우 추가적인 내화성능 확보할 수 있을 것으로 판단하였다. PCE-90F 시험체에 대한 차열성능 결과 값은 Fig. 5과 같다.

Fig. 5

Unexposed Surface Temperature of PCE-90F

4.2.2 PCE-90B 차열성능

PCE-90B 시험체는 PCE-90F와 같이 외부 비내력 벽에 적 용 가능한 시험체로서 내부에서 화재가 발생한 것으로 가정 하여 시험체 뒷면을 가열하여 내화성능을 평가하였다. PCE-90B 시험 결과, 최대 온도 및 평균온도의 온도 상승 기준 을 초과하지 않았으며 시험체의 최대온도는 16번 열전대에서 발생하였다. 시험 시작 후 15분 경과 후 16번 열전대에서 온도 가 급상승하여 약 80~90℃를 기록하였으며 이후 80분까지 완 만한 온도 상승을 기록하였다. 시험 시작 80분 이후 온도가 상 승하는 것으로 나타났으며 90분 시험 종류 시점에서는 최대 온도 118℃를 기록하였다. 본 시험체의 경우 PCE-90F와 달리 온도 급상승 구간이 약 25분 빠르게 나타났으며 이는 화염에 많은 프레임 면적이 노출되기 때문인 것으로 분석되었다. PCE-90B 시험체에 대한 차열성능 결과 값은 Fig. 6과 같다.

Fig. 6

Unexposed Surface Temperature of PCE-90B

4.2.3 PCI-60F 차열성능

PCI-60F 시험체는 60분 내화성능이 요구되는 내부 비내력 벽에 적용 가능한 시험체로서 Fig.2 (b)와 같이 시험체 앞면과 뒷면을 임의로 지정하여 내화성능 시험을 수행하였으며 PCI-60 시험체의 앞면과 뒷면은 접합부의 구속 여건상 비대 칭으로 구성되어 있다. PCI-60F의 내화성능 시험 결과, 최대 온도 및 평균온도의 온도 상승 기준을 초과하지 않았으며 시 험체의 최대온도는 13번 열전대에서 발생하였다. 시험 시작 후 8분 경과 후 13번 열전대에서 온도가 급상승하여 약 25분 이후 100℃를 기록하였으며 시험 종료 60분 경과 시 122℃를 기록하였다. PCI-60F 시험체의 경우, PCE-90 시험체와 달리 내부 프레임 내부에도 차열재료인 방화 석고보드가 삽입되어 있어 적은 단면적에도 불구하고 낮은 온도 상승을 기록하였 다. PCI-60F 시험체에 대한 차열성능 결과 값은 Fig. 7과 같다.

Fig. 7

Unexposed Surface Temperature of PCI-60F

4.2.4 PCI-60B 차열성능

PCI-60F 시험체는 PCI-60B와 동일하게 60분 내화성능이 요구되는 내부 비내력벽에 적용 가능한 시험체로서 PCI-60B 의 내화성능 시험 결과, 최대 온도 및 평균온도의 온도 상승 기 준을 초과하지 않았으며 시험체의 최대온도는 13번 열전대에 서 발생하였다. 시험 시작 후 8분 경과 후 13번 열전대에서 온 도가 급상승하여 약 12분 이후 100℃를 기록하였다. 이후 완 만한 온도 상승이 나타났으며 시험 종료 60분 경과 시 144℃ 를 기록하였다. PCI-60F 시험체에 대한 차열성능 결과 값은 Fig. 8과 같다.

Fig. 8

Unexposed Surface Temperature of PCI-60B

4.3 종합 내화성능 평가

내화유리를 적용한 내/외부 비내력벽의 내화성능 시험을 수행하였으며, 차염성능 및 차열성능 측정을 통해 각 시험체 에 대한 내화성능을 평가하였다. 총 4회의 시험 결과 모두 차 열 비내력벽 내화성능기준을 충족하는 것으로 나타났으며 이 를 종합하면 Table 6과 같다.

Table 6

Fire Resistance Performance Time of Specimens

5.1 고온재료물성 및 해석가정조건

5.1.1 고온재료물성

유한요소해석을 통한 전열해석에 사용된 강재의 고온영역 재료물성 데이터는 가장 보편적으로 사용되는 오로코드의 물성값을 사용하였으며 Table 7과 같다(Eurocode 3). 프레임 내부에 삽입되거나 접합부에 적용된 방화석도보드의 온도에 따른 열 특성 값은 기존 연구에서 실제로 수행한 데이터를 적 용하여 수치해석 입력 데이터로 활용하였으며 Table 8과 같다 (Kim et al.).

Table 7

Thermal Properties of Steel

Table 8

Thermal Properties of Fire Resistant Board

5.2 열전달 해석 및 비교·분석

상기에 언급한 조건을 토대로 유한요소기법을 통한 열전달 해석을 수행하였으며 내화성능에 영향을 주는 각 시험체 프 레임에 관한 해석 결과는 Table 9와 같다. 열전달 해석결과, PCE-90F의 경우 가열면의 프레임-프레임 연결 철물-결합부 석고보드-비가열면 프레임 순으로 온도가 전달되었으며, PCE-90B의 경우 PCE-90F의 역방향으로 온도가 전달되었다.

Table 9

Analysis Results by ABAQUS

PCI-60F의 경우 가열면의 프레임- 프레임 내부 석고보드- 프레임 연결 철물-결합부 석고보드-비가열면 프레임 순으로 온도가 전달되었으며, PCI-60B의 경우 PCI-90F의 역방향으 로 온도가 전달되었다. 실대형 시험 결과 각 시험체의 최대온 도 발생 지점에서의 해석 결과와 시험 결과 값을 비교하여 해 석기법의 정합성을 검증하였으며 Fig. 9와 같다.

Fig. 9

Heat Transfer Results VS Test Results

비교·분석결과, PCE-90F 시험체의 경우 시험 시간 40~50 분 구간에서 시험 결과 및 해석 결과의 오차가 약 30℃ 발생하 였으나, 시험 종료시점에서는 비가열면 프레임에서 큰 오차 가 발생하지 않았다. PCE-90B시험체의 경우 시험 시작 후 약 40분까지 약 10℃의 오차가 발생하였으나, 이후 시험 종료시 점까지는 큰 오차가 발생하지 않았다. PCE-90 시험체는 시험 시작 후 약 50분까지 완만한 온도 상승을 나타내며 이후 온도 가 급상승하여 100℃ 도달 후 방화석고보드의 차열성능에 의 해 완만한 온도 상승을 나타내는 것으로 분석되었다. PCE-90 시험체에 나타난 해석 및 시험 결과값의 오차는 강재 프레임 내부에 존재하는 공기층의 온도상승(복사열)으로 인한 영향 을 고려하지 않았기 때문에 최대 40℃ 이상의 오차가 발생한 것으로 판단하였다. 단, 본 연구에서는 내부 공기층에 의한 열 전달은 비가열면의 온도상승에 미세한 영향을 미치는 것으로 분석되어 이를 배제하여 해석을 수행하였다.

PCI-60의 경우 프레임 두께가 PCE-90보다 얇기 때문에 좀 더 빠른 온도 상승을 보이는 것으로 해석되었다. PCI-60F 및 PCI-60B에 대한 해석결과 시험 시작 후 약 10분 후 온도가 급 상승하여 약 100℃ 도달한 후 방화석고보드의 차열성능에 의 해 완만한 온도를 나타내는 것으로 분석되었다. 따라서 시험 및 해석결과를 비교한 결과 큰 오차가 발생하지 않아 1차적인 해석결과 값을 통해 시험체의 내화성능을 예측할 수 있어 합 리적으로 단면 형상 및 차열재료 등을 선정할 수 있을 것으로 판단되었다.