공동주택 발코니 스크린 방화셔터 연소확대 방지 성능에 관한 연구

1. 머리말

2020년 12월 1일 경기도 군포시 산본동의 한 아파트 12층에서 화재가 발생하여 4명이 숨지고 7명의 부상자가 발생하였다. 화재는 12층 발코니를 통하여 상부층으로 확대되었고, 13층, 15층에서 사상자가 발생하였다.

2016년부터 5년간 아파트 화재발생 건수는 연간 2,800여건, 인명피해는 2016년 220여 건에서 점차 증가하는 경향을 보이고 있다. 이에 대한 원인은 여러 가지가 있겠지만, 근래 지어지는 아파트의 고층화로 인해, 고가사다리가 올라가지 못하는 높이에서 화재가 발생한 경우 진화가 쉽지 않고, 그로인해 화재가 커지면 발코니를 통하여 상부층으로 연소확대 되어 피해가 증가하는 원인이 있는 것으로 판단된다.

[그림 1] 군포시 아파트 화재

이러한 아파트 발코니 화재 시 상부층으로의 연소확대를 방지하기 위한 기준으로 방화판 또는 방화유리창을 설치하는 방법(국토교통부고시 제2018-775호 제4조)이 있지만, 높이가 90cm 정도로 최성기 화재의 연소확대를 막기에는 부족한 면이 있다.

본 글에서는 공동주택 화재를 재현하고 발코니 창 상부에 스크린 방화셔터를 설치하여 실험을 수행한 내용을 통하여, 연소확대 방지 성능을 평가하고 적용 가능성을 서술하였다.

2. 스크린 방화셔터를 적용한 발코니 화재 연소확대 방지 실험

가. 실험조건

하부층에서 상부층으로의 연소확대 방지 실험을 위해 2층의 콘크리트 구조물을 설치하고, 스크린 방화셔터를 상하층 발코니 창 상부에 설치하여 1층 화재실에서 화재 상황을 재현하여 실험하였다. 실험의 전체 구성은 <표 2>와 같다.

(1) 2층 공동주택 구조물

실험을 위한 구조물은 4m×4m×6.15m(2층) 크기의 콘크리트로 제작하였으며, 2층의 공동주택 단위 모듈을 재현하였다. 형태 및 크기는 [그림 2] 및 [그림 3]와 같다.

[그림 2] 공동주택 구조물 평면도

[그림 3] 공동주택 구조물 정면도

(2) 온도측정위치

실험동안 외부 및 내부온도를 측정하였다. 온도측정위치는 각 층의 내측중앙부, 내측측벽, 유리창에서 내측 10㎝, 유리창에서 외측 10㎝부분이며, 각 측정위치마다 천정면을 기준으로 하부로 50㎝ 거리별로 5개씩의 point에서 온도를 측정하였다.

[그림 4] 온도측정위치(1층)

[그림 5] 온도측정위치(A-A'단면)

(3) 화재하중

실험을 위한 화재하중은 문헌값을 사용하였다. 국내 화재하중 값을 <표.3>에 나타내었으며, 본 연구에서 가정한 거실의 화재하중을 453MJ/㎡로 적용하였다.

453MJ/㎡의 화재하중을 화원으로 사용할 목재량으로 환산하였으며, 목재의 발열량 3800kcal/kg을 적용하여 28.48㎏/㎡의 목재량을 구하였다. 이를 바탕으로 화원크기를 결정하기 위한 예비시험을 진행하였으며, 화재시험을 위한 목재 화원의 특성을 고려하고, 예비시험 시 2층으로 10분 정도의 화염분출을 확보하기 위한 목재량을 7.5㎏/㎡로 결정하였다.

(4) 스크린 방화셔터

연소확대 방지를 위해 사용된 스크린 방화셔터는 전면 유리창 내측에 설치하였다. 유리창을 고정한 벽체 상부 내측에 셔터박스를 설치하고, 연기감지기에서 신호를 받아 스크린이 하강하도록 설치하였다. 스크린 방화셔터의 전체 크기는 3000㎜ × 2430㎜ 로 전면 유리창 전체가 방호되도록 설치하였다. [그림 6]에는 정면도를 나타내었고, [그림 7]에는 종단면도를 나타내었다.

[그림 6] 스크린 방화셔터 정면도

[그림 7] 스크린 방화셔터 종단면도

나. 실험 결과

(1) 실험 1

실험 1은 상하층에 스크린 방화셔터를 설치하지 않은 실험으로, 개구부에 유리창을 설치하고 계산된 화재하중을 적용하여 실험한 경우 상부층으로의 연소확대가 일어나는지를 검증하기 위한 실험이다.

화원 점화후 화염은 화재실 내부에서 천천히 연소되었으며, 실험시작 후 1분 20초 경과시 1층 좌측 상부 유리창이 깨어졌다. 이후 공기 유입의 효과로 연소가 빨라져, 2분 20초 경과시에는 유리가 깨어진 위치에서 화염이 분출되기 시작하였다. 3분 20초 경과 시에는 [그림 ] 실험 1 측정온도(1층 및 2층 내측 중앙부) 전면 유리창이 모두 깨어지고 화염이 2층으로 연소확대되었다.

[그림 8]에는 실험동안 1층 화재실 및 2층 내부에서 측정한 온도를 그래프로 나타내었다. 1층 화재실 내부온도는 점화후 3분 경까지 500℃～700℃를 유지하다가, 유리창이 깨어져 공기 유입이 시작된 후 온도가 급격히 상승하기 시작하여 3분 50초경 최고 1061℃를 나타내었다. 5분이 지나며 온도는 종료시까지 점차 낮아졌다. 2층 내부온도는 실험후 4분경 최고 약 150℃를 나타내었다.

[그림 8] 실험 1 측정온도(1층 및 2층 내측 중앙부)

(2) 실험 2

실험 2는 상하층에 스크린 방화셔터를 설치한 실험으로, 1층 화재실의 스크린 방화셔터는 일부 폐쇄시 연소확대 방지성능을 확인하기 위하여, 하부에서 50㎝까지 폐쇄하였다. 아래 <표 5>에 시간 경과에 따른 실험 모습을 나타내었다.

실험시작 후 30초 경과시 1층 스크린이 하부에서 50㎝ 까지 폐쇄되었고, 1분 50초 경과 시에는 2층 스크린이 전체 폐쇄되었다. 2분 경과시 1층 우측 상부 유리창이 깨어졌으며, 4분 경과 시에는 1층 스크린이 개방된 부분으로 화염이 분출되었다. 5분 경과 시에는 전면 유리창이 모두 깨어지고 화염 분출되었으나, 2층으로 연소확대는 되지 않았다. [그림 ] 실험 3 측정온도(1층 및 2층 내측 중앙부) [그림 9]에는 실험동안 측정한 온도를 그래프로 나타내었다.

1층 화재실 온도는 실험 시작 후 700℃까지 급격히 상승한 이후 개구부 폐쇄(하부에서 50㎝ 까지) 효과로 천천히 온도가 상승하였다. 내부온도는 약 13분경 최고 920℃를 초과한 것으로 나타났지만, 2층 거실에서는 온도가 거의 상승하지 않은 것을 확인할 수 있다.

[그림 9] 실험 3 측정온도(1층 및 2층 내측 중앙부)

(2) 실험 3

실험 3은 상하층에 스크린 방화셔터를 설치한 실험으로, 스크린 방화셔터는 완전 폐쇄하였다. 아래 <표 6>에 시간 경과에 따른 모습을 나타내었다.

실험시작 후 10초 경과 시 1층 및 2층 스크린이 완전 폐쇄되었고, 1분 30초 경과 시에는 1층 스크린이 변색되기 시작하였다. 2분 30초 경과시 1층 상부 중앙유리창이 깨어졌으나, 화염의 발생과 같은 다른 현상은 나타나지 않았다. 10분 경과 시에는 1층 유리창틀 실란트가 복사열로 인하여 점화되었으나, 화염이 크지 않고 금방 소화되었다. 14분 경과 시까지 실험을 유지하였으나, 그 외 다른 사항은 발생하지 않았다.

[그림 10]에는 실험동안 측정한 온도를 그래프로 나타내었다. 실험 2와 유사하게, 1층 화재실 온도는 실험 시작 후 650℃까지 급격히 상승한 이후 개구부 폐쇄 효과로 천천히 온도가 상승하였다. 내부온도는 시험종료시점에 최고 780℃를 나타내었지만, 2층 거실에서는 온도가 거의 상승하지 않았다.

[그림 10] 실험 3 측정온도(1층 및 2층 내측 중앙부)

다. 결과분석

1층 화재실에 스크린 방화셔터가 설치되지 않은 실험 1, 스크린 방화셔터가 일부 폐쇄(하부에서 50㎝까지)된 실험 2, 완전 폐쇄된 실험 3을 비교하였다.

[그림 11]에서 1층 화재실 내부 온도를 비교해보면, 스크린이 없어 공기 유입이 많았던 실험 1의 온도는 급격히 상승하여 4분이 되지 않아 최고 온도에 도달하였으나, 개구부가 폐쇄된 실험 2 및 실험 3에서는 천천히 상승하는 경향을 보이고 있다. 다만 개구부가 일부 폐쇄된 실험 2의 온도가 완전 폐쇄된 실험 3의 온도 최고치보다 100℃정도 크게 나타났다. 따라서 개구부의 폐쇄가 화재실 연소속도에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있다.

[그림 12]에 2층 내부온도를 비교하였다. 2층에 연소확대가 된 실험 1에서는 100℃ 정도의 온도를 나타내었고, 2층이 스크린으로 폐쇄된 실험 2와 실험 3은 온도 변화가 거의 없음을 확인할 수 있다. 따라서 스크린 방화셔터로 인한 2층 개구부의 폐쇄로 온도상승을 막을 수 있음을 확인할 수 있다.

[그림 13]에 2층 유리창 외부온도를 비교하였다. 2층에 연소확대가 된 실험 1에서는 540℃ 정도의 온도를 나타내었고, 2층이 스크린으로 폐쇄되었지만 1층 스크린이 일부 폐쇄된 실험 2에서는 170℃ 정도의 온도를 나타내었으며, 1층 및 2층이 모두 폐쇄된 실험 3은 50℃ 정도의 온도를 나타내었다. 따라서, 1층 및 2층이 모두 스크린 방화셔터로 폐쇄된 경우 2층의 외부 온도상승까지 막을 수 있음을 확인할 수 있다.

[그림 11] 스크린 방화셔터 정면도

[그림 12] 스크린 방화셔터 종단면도

[그림 13] 스크린 방화셔터 종단면도

3. 맺음말

하부층에서 상부층으로의 연소확대 방지실험을 진행한 결과, 화재실 스크린 방화셔터 설치로 인한 개구부의 폐쇄가 화염분출 및 화재실 연소속도를 지연시키는 것을 확인할 수 있었으며, 2층 스크린 방화셔터 설치로 인한 개구부의 폐쇄로 연소확대 방지 및 2층 거실의 온도상승을 효과적으로 막을 수 있음을 확인하였다.

국내 공동주택 고층화재 시 고가사다리를 사용하지 못하여 화재를 빠르게 진압하지 못하고 연소확대가 일어날 경우, 인명 피해 및 재산상의 손실이 크게 발생할 수 있다. 본 연구에서 구현한 연기감지기와 연동된 스크린 방화셔터를 사용할 경우, 이러한 피해를 효과적으로 방지할 수 있을 것으로 판단되며, 현재 낮은 크기의 방화판 또는 방화유리창으로 연소확대를 막지 못하는 경우의 추가적인 방안으로 사용할 수 있을 것으로 판단된다.