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남주 육
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1 J. Kor. Inst. Fire Sci. Eng., Vol. 27, No. 3, pp. 8-13, 2013 건물외벽화재확산방지용윈도우헤드의개발을위한실험적연구 곽지현 김동준 * 방재시험연구원, *( 주 ) 파라다이스산업 An Experimental Study on Development of a Window Sprinkler for Fire Spread Prevention along Building External Walls Jihyun Kwark Dong-Jun Kim* Fire Insurers Laboratories of Korea *Paradise Industry (Received December 27, 2012; Revised June 4, 2013; Accepted June 14, 2013) 요 약 건물내부에서화재발생시외벽에설치된유리벽이나창이파손되며이를통해화염이밖으로노출되면화재는외벽을타고수직상승하며급격히확대될수있다. 이를막기위한효과적인방법으로는현재내화유리를사용하거나또는유리가화염에견딜수있도록냉각수등으로방호해주는윈도우스프링클러방식이있다. 본연구에서는실내유리창상단에설치되어화재시열기류에의해감열체가개방되면유리에냉각수를방수하며화염으로부터유리를방호해주는윈도우헤드를개발하여이의내화성능을평가하고자하였으며이를위해실규모수직가열로를이용해유리창시험체를표준온도 - 시간곡선에따라가열하여윈도우헤드의내화시험을실시하였다. 실험결과 1 개의윈도우헤드로최대너비 2,400 mm 의유리창을 2 시간동안방호하는데성공하였으며이때유리창이면의최고온도는국소적으로 126 o C 까지상승하였으나평균 100 o C 를유지하며안정된내화성능을나타내었다. ABSTRACT In case of fire in a high-rise building fire can be easily spread along the building external walls dramatically if the flame comes out through broken windows. There are a few effective methods to prevent the fire spread at the moment. One is using a fire resistance window, and the other is using a window sprinkler that discharges water to resist flame in case of fire. In this study a window sprinkler which is installed on top of windows and prevents fire by discharging water when its heat-responsive element opens was tested using a large scale furnace in accordance with the standard temperature-time graph. Test result showed that one window sprinkler was able to protect a 2,400 mm wide window from fire for 2 hours and the window backside s temperature locally increased up to 126 o C but kept stable around 100 o C for the test duration. Keywords : Window sprinkler, Fire spread, High rise building, Building external walls 1. 서론 최근건축기술의눈부신발달과더불어도시의고밀도화가가속화되며고층건물이계속등장하고있다. 이와함께고층건물에서의화재발생시이를방호하기위한각종소방설비기술도꾸준히발전되어왔는데, 건물내부에서발생한화재가창밖으로확산되어건물외벽을통해전파되면화재를진압하기가무척어려워져피해가급증하게된다. 특히최근에는건물의디자인과전망을중시하는경향이있어초고층화되고창의크기도점점대형화되고있으므로창을통한화염의확산이쉽게이루어지므로이에 Corresponding Author, kwark@kfpa.or.kr TEL: , FAX: 대한방호가절실하다 (1). 창의내화성능을향상시키기위한방법은여러가지가있을수있는데창의재질을내화재료로만들수도있으며, 화재시냉각수를분사하여창의온도를낮추어주고수막을형성하여화염을차단해주는윈도우헤드방식도있다. 이는건물외벽의모든창을내화유리로제작하는것보다훨씬경제적이고유리한방법이라할수있지만아직미국등일부소방선진국에서만개발되어사용되고있다. 따라서본연구에서는이의개발을위하여실물과같은크기와재질의대형창을제작하고고온가열로에서내화실험을통하여윈도우헤드의성능을평가하고실용화여부를고 ISSN: DOI: 8

건물외벽화재확산방지용윈도우헤드의개발을위한실험적연구 9 찰하고자하였다. 2. 실험장치및실험방법 2.1 실험장치외벽화재확산방지를위한윈도우헤드의내화성능을평가하기위한실험장치는 Figure 1 과같이고온가열로와시험체인유리창, 윈도우헤드및배관, 배수장치등으로구성된다. 윈도우헤드의성능을검증하기위한공인시험방법은미국의유수한시험인증기관인 UL Inc.

가열용화원은 1.7 m 길이의관에 16 mm 간격으로직경 4mm 의홀이여러개나있는다공가스버너를사용하며화염앞에 1.2 m 높이의배플을세워유리창의직접가열을막도록한다. 온도계측을위한열전대는각 10 개의열전대를시험체의양쪽에설치하고표준시간온도곡선에따라가열한다. Figure 2. Window sprinkler. Table 1.

2 건물외벽화재확산방지용윈도우헤드의개발을위한실험적연구 9 찰하고자하였다. 2. 실험장치및실험방법 2.1 실험장치외벽화재확산방지를위한윈도우헤드의내화성능을평가하기위한실험장치는 Figure 1 과같이고온가열로와시험체인유리창, 윈도우헤드및배관, 배수장치등으로구성된다. 윈도우헤드의성능을검증하기위한공인시험방법은미국의유수한시험인증기관인 UL Inc. 에서사용하고있는기준이유일한데자회사인 UL Canada 가제정한것으로 ULC/ORD-C Sprinkler-Protected Window Systems 을그대로적용하고있다 (2). 이기준의시험장치및시험방법을살펴보면 3.3 m 높이의수직가열로에유리창시험체를수직으로설치하고가열로안쪽유리창상단중심에스프링클러헤드를유리면으로부터 300 mm 띄어설치한다. 가열용화원은 1.7 m 길이의관에 16 mm 간격으로직경 4mm 의홀이여러개나있는다공가스버너를사용하며화염앞에 1.2 m 높이의배플을세워유리창의직접가열을막도록한다. 온도계측을위한열전대는각 10 개의열전대를시험체의양쪽에설치하고표준시간온도곡선에따라가열한다. Figure 2. Window sprinkler. Table 1. Specification of the Window Sprinkler Type Deflector Heat sensor Pendent ㄴ type one side discharge Glass bulb (68 o C) fast response Flow coefficient (K) Max. distance 80 2,400 mm 윈도우헤드본연구에서개발한고층건물윈도우용헤드는화재발생시외벽에설치된유리벽이나유리창을깨고화재가외벽을따라상층으로급격히성장및확대되는것을방지하기위해개발된것으로, 실내유리창상단에설치하여화 Figure 1. Schematic diagram of experimental apparatus. 재발생시화염이나열기류에의해감열체가개방되면유리창에냉각수가방수되어유리가화염에의해가열및파괴되는것을막아주는폐쇄형헤드이다 (Figure 2 참조 ) (3). 본윈도우헤드는최대설치간격 2,400 mm 를목표로개발되었으며, 또한헤드 1 개로최대 2,400 mm 의너비를가지는유리창을방호하는것을목표로설계되었다. 헤드의주요사양은 Table 1 과같다 고온가열로및유리창본연구에서사용한고온가열로는 ISO 및 KS 에규정된표준온도 - 시간가열곡선에따라최고 1000 o C 이상가열되는 3m 3m 크기의수직가열로로서 (4,5), ULC 의가열로와약간의차이는있으나여기에실제외벽에설치되는유리창과같은사양의이중창강화유리시험체를제작하여내화실험을진행하였다. 이유리창은선행시험에서윈도우헤드없이그냥내화시험을하는경우약 5 분경과시파괴되는것으로나타났다. 본실험은윈도우헤드의내화성능을평가하기위해크기 ( 너비 ) 가다른 2 종의유리창시험체에대해가열로내화실험을진행하였다. 먼저목표로삼은최대설치간격으로 2 개의윈도우헤드를설치하였을때내화성능을확인하고자하였으며, 실험결과가양호하게나타나면 1 개의헤드로최대폭 2,400 mm 크기의유리창을 2 시간이상방호할수있는지실험을통해확인하였다. 2 개의헤드설치시유리 J. of Korean Institute of Fire Sci. & Eng., Vol. 27, No. 3, 2013

10 곽지현 김동준 Figure 3. Test furnace and window. Figure 5. Thermocouple position on window surface. Figure 4. Specification of the window specimen in accordance with sprinkler number.

3 10 곽지현 김동준 Figure 3. Test furnace and window. Figure 5. Thermocouple position on window surface. Figure 4. Specification of the window specimen in accordance with sprinkler number. 창의크기는 2600 mm 2438 mm 이며 1 개의헤드로실험하는경우는 2400 mm 2438 mm 이다. 각실험에서윈도우헤드는개발사양의특성에맞춰유리상단으로부터 50 mm 아래위치에유리면과 200 mm 띄어설치하였으며, 헤드 1 개의경우중앙상단에헤드 2 개의경우는유리양끝단에서각각 100 mm 안쪽지점의같은높이에유리면과 200 mm 를띄어설치하였다. 이렇게제작한유리창시험체를철재틀 ( 카트리지 ) 에장착하고여백은내열벽체로막아수직가열로에장착하였으며, 시험시간동안방수되는물을배출해내기위해하단에는배수통을설치하였다. 2.2 실험조건및실험방법본윈도우헤드의내화실험을위한실험조건및방법을요약하면 Table 2 와같다. 윈도우헤드의화재실험은감열체의로지먼트현상 ( 감열체의완전이탈실패 ) 에의한작동불량으로실험이실패하는것을방지하기위해가열로의연소기점화 30 초후에수동으로방수를시작하여수 행하였다. 각헤드의유량계수는 80 으로최소사용압력 1bar 에서실시하였으므로, 총방수량은헤드 1 개의경우 80 L/min, 2 개의경우 160 L/min 이며, 성능목표는최대목표시간 2 시간동안유리가파손되지않고화염으로부터방호되는것으로하였다. 실험기간동안의온도계측을위해열전대를설치하여실시간으로온도변화를측정하였는데가열로내부의온도는가열로벽면에 3 3 형태로총 9 개의열전대를설치하였으며, 유리창이면의온도는 Figure 5 와같이바깥쪽비가열면의중심과두대각선상의 1/4 지점에대칭으로총 5 개의열전대를설치하여측정하였다. 3. 실험결과및고찰 두경우의실험에서가열로내부는 Figure 6 의실선과같이표준시간온도곡선에따라가열하였으나헤드로부터지속적으로방수된물입자가계속기화하며증발열을빼앗아이로인한냉각효과로인해가열로의평균내부온도는 Figure 6 의점선처럼실험기간동안약 550~600 o C 를유지하였다. 또한이때기화되는수증기로인해화염에서나오는복사열의차단도일부작용하였을것으로생각된다. 그러나수증기는연소가스배출구를통해가열로밖으로함께배출되므로가열로내에축적되지는않으므로실제상황과유사하다고사료된다. 또한이실험에서가열로연소기의화염은물이방수되지않는일반내화시험때와동일한연료량으로일정한연소부하를유지하고있었으므로화세의강도는일정하다고 Table 2. Experimental Condition Sprinkler number Sprinkler distance Window size Water flow rate Water discharge pressure mm 2438 mm 080 L/min 0.1 MPa 2 2,400 mm 2600 mm 2438 mm 160 L/min 0.1 MPa 한국화재소방학회논문지, 제 27 권제 3 호, 2013 년

4 건물외벽화재확산방지용윈도우헤드의개발을위한실험적연구 11 Figure 6. Temperature graph of furnace inside. Figure 7. Temperature graph of window surface. 할수있다. 먼저 2,400 mm 간격으로두개의헤드를설치한실험결과 Figure 6 의 (b) 에서보듯이점화한지약 8 분후에가열로내부의평균온도는 500 o C 를넘어섰으며이후약 550 o C 로유지되는동안반대쪽비가열유리표면의최고온도는 Figure 7(b) 와같이 69 o C 를나타내며 2 시간동안화염으로부터이상없이방호에성공하였다. 두번째실험은방수량이앞실험의절반인 80 L/min 로 1 개의윈도우헤드를설치하여시험한결과, Figure 6 의 (a) 와같이가열로내부의온도조건은앞의실험과유사하게나타났으나, Figure 7 의 (a) 에서보듯이점화후약 12 분경에비가열면의최고온도가국소적으로 126 o C 까지가열되었다. 그러나이후 100 o C 전후의온도를유지하며 2 시간동안파손되지않고화염으로부터의방호에성공하였다. 위에서 Figure 6 의가열로내부온도그래프 ( 점선 ) 는각 1 분단위로측정한 9 개열전대의실시간평균온도를나타낸것이며, Table 3 에표시한가열로평균온도는이그래프의 120 분동안의평균값을나타낸것이다. 실험기간동안유리창에방사되는살수분포를유심히관찰한결과디플렉터에반사된물이유리양쪽끝단까지퍼지며유리면을타고아래로흘러내렸는데, 유리면에오염물질이나먼지등이묻어있는경우냉각수가이를피해지나가는현상이관찰되었다. 따라서이러한부분에국소적으로온도가상승할수있으며내열한계를벗어나면파손의위험이존재할수있는것으로사료된다. 또한유리양끝단맨윗부분은헤드에서방수된물이 Table 3. Experimental Results Sprinkler number Window size (mm) Sprinkler position or distance Water flow rate (L/min) Averaged furnace Temp. ( o C) Max. window surface Temp. ( o C) Demage Center None mm None Test duration 2hours J. of Korean Institute of Fire Sci. & Eng., Vol. 27, No. 3, 2013

곽지현 김동준 12 Figure 8. Principal fire test scenes. 닿지 않는 영역이 일부 존재할 수 있어 방수압을 적절히 유지하여 국소적인 온도상승으로 인해 방호에 실패하지 않도록 유의하여야 할 것으로 판단된다. 실험결과를 Table 3 에 정리하여 나타내었으며, 각 실험 시 주요장면은 Figure 8과 같다. 4.

5 곽지현 김동준 12 Figure 8. Principal fire test scenes. 닿지 않는 영역이 일부 존재할 수 있어 방수압을 적절히 유지하여 국소적인 온도상승으로 인해 방호에 실패하지 않도록 유의하여야 할 것으로 판단된다. 실험결과를 Table 3 에 정리하여 나타내었으며, 각 실험 시 주요장면은 Figure 8과 같다. 4. 맺음말 본 연구에서 외벽 화재확산방지를 위해 냉각수를 방수 함으로써 건물에 설치된 일반 강화 유리창의 내화성능을 확보해줄 수 있도록 개발된 윈도우 헤드의 실용화 가능성 을 타진해 보기 위하여 두 가지 크기의 유리벽 시험체를 제작하여 고온가열로를 이용해 내화실험을 실시하였다. 한국화재소방학회 논문지, 제27권 제3호, 2013년 실험결과 최대 크기 2400 mm 2400 mm 규모의 유리벽 에 대하여 1개의 헤드로 2시간 이상 화재 방호가 가능한 것으로 나타나 상용화의 실용성이 높은 것으로 나타났다. 이는 윈도우 헤드가 없는 경우 화재 시 5분 만에 파괴되는 점을 감안해볼 때 상당한 내화성능을 확보하였다고 판단된 다. 추후 실제 건물에 적용하기 위해서는 내화성능 외에도 감열체의 감도성능, 작동성능, 내환경성능 등의 기능이 검 증 되어야 하며, 외관의 디자인 향상을 위해 유리벌브형 외 에 컨실드형 등의 형태도 고려되어야 할 것으로 사료된다. 후 기 본 연구는 소방방재청 차세대핵심소방안전기술개발사업

6 건물외벽화재확산방지용윈도우헤드의개발을위한실험적연구 13 의지원을받아수행되었으며관계제위께감사드립니다. References 1. C. S. Ahn, H. Y. Kim, Y. H. You and H. J. Kim, A Numerical analysis for Fire Spread Mechanism of Residential Building Fire, Journal of Korean Institute of Fire Science & Engineering, Vol. 26, No. 1, pp (2012). 2. ULC, ULC/ORD-C Sprinkler-Protected Window Systems, Canada (1999). 3. R&D Report, Development of sprinklers made to order, NEMA (2013). 4. ISO 834-1, Fire-resistance tests -- Elements of building construction -- Part 1: General requirements, ISO (1999). 5. KS F , Methods of Fire Resistance Test for Elements of Building Construction-general Requirements, KSA (2005). J. of Korean Institute of Fire Sci. & Eng., Vol. 27, No. 3, 2013

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE Nov.; 26(11),

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. 2015 Nov.; 26(11), 985991. http://dx.doi.org/10.5515/kjkiees.2015.26.11.985 ISSN 1226-3133 (Print)ISSN 2288-226X (Online) Analysis