1. 머리말

현재 많은 산업에서 이용되는 철강 판재 특히 아파트 현관문과 대피공간에 사용되고 있는 철제방화문은 에너지 효율을 위해 내부에 단열재를 넣고 제작되는 경우가 많은데, 화재 시 가열 면과 비 가열 면 사이의 단열재 때문에 발생되는 온도 차이로 인한 열팽창이 다르므로 불균형 변형이 발생하여 인증시험에서 실패율이 40%를 초과한다. 고온에서 일반 강재의 열팽창을 줄일 수 있다면, 화재 시 방화문의 불균형적인 변형을 줄여 결과적으로 내화성능을 향상시킬 수 있다. 또한 스틸벽체 및 고온에서 정상 작동해야만 하는 일반적인 기계설비 및 장치에도 응용될 수 있다. 열팽창에 대한 에너지를 판재 내부에서 소산시켜 전체 방화문의 X축 및 Y축방향의 열팽창을 감소시키는 방식을 취하는 철강 판재의 내화성능을 현행법 수준 이상으로 향상시켜 업체가 수많은 시도에도 불구하고 원하는 결과를 얻지 못한 분야에 대한 장애기술을 개발하여, R&D 자원이 부족한 분야에 대한 지원이 필요하다.

2. 기술 특성

가. 혁신성

[그림 1] 대피공간 방화문의 시험결과

[그림 2] 부적합된 방화문 시험의 실패 원인

[그림 3] 가열 면과 비 가열 면 사이의 변형차이율(Case 1 & Case 2)

[그림 1]은 방재시험연구원에서 최근 10년 동안 진행된 대피공간 방화문의 법정 기준인 30분 내화성능 시험에 대한 시험 결과에 대한 통계자료이며 시험실패율이 42%에 달한다. [그림 2]는 시험실패의 원인을 분석한 결과이다. 이 결과에서 실패의 원인은 크게 방화문 변형(52%)과 방화문의 화염 발생(48%)으로 나뉜다. 화염에 의한 시험 실패 또한 방화문 변형으로 문틀과 방화문 사이에 발생한 공간으로 화염이 통과하는 것으로 본다면 시험실패의 주된 원인은 “방화문 변형”이라고 결론을 내릴 수 있다.

나. 차별성

기존 연구를 살펴보면 단열재를 포함하지 않은 방화문에 대한 연구와 감리적용실무 혹은 내화시험에 대한 검증 강화에 대한 연구들이 주를 이루고 있다. 이전에 수행되었던 연구도 재료적인 측면에서 신소재를 이용하여 내화성능향상을 꾀하였지만 이는 실제로 내화성능이 향상된다 하더라도 상용화 및 실용화는 불가능하다. 그 이유는 제품단가의 큰 상승을 가져올 것이고 업체에서는 가격경쟁력을 이유로 그 소재를 사용하지 않을 것이기 때문이다. 하지만 본 연구에서 개발될 기술은 기존 소재를 이용하면서 열역학과 구조 역학적으로 열팽창 에너지를 줄이는 것으로 기존연구와 차별성을 가지고 있다. 선행연구를 통해 열팽창 에너지를 소산시키는 기술이 적용된 판재의 경우, 기존 판재보다 1시간 가열 시 최대 변형은 48.14mm에서 0.13mm로 줄어들었다. 이는 정상적으로 사용되는 제품이 아닌 Proto type의 실험체가 적용되었음을 감안하더라도 상당한 내화성능의 향상을 기대해 볼 수 있다.

[그림 4] 기존 판재와 새로 개발된 판재의 가열 면과 비 가열 면 사이의 변형 및 변형량의 차이

3. 개발 전략

가. 기술개발 방법

(1) 본 연구에서는 선행연구를 통하여 단열성능을 가진 구조부재(강재를 사용하는)의 국부변형이 내화성능 시험 시 실패의 주된 원인으로 분석되었다. 따라서 전체적인 기술개발 방향은 방화문 외피의 열팽창을 조절하기 위한 변형에너지의 소산에 있고, 이를 위해 방화문의 외피에 팽창할 수 있는 공간을 두어 이 부분에서 변형에너지가 소산될 수 있게 하는 것이다.

(2) 이 연구의 핵심은 크게 세 분야(예비해석, 철강판재의 가공, 실험 및 실제제품 적용)로 나누어지며, 해석으로 기술개발의 방향을 정한 뒤, 철강판재를 가공하여 시제품을 제작하여 실험 및 검증을 진행하며 실제제품의 적용까지 진행을 위해서는 하나씩 완료하며 진행하기보다는 거의 동시다발적으로 진행하는 것이 효율적이므로 공동연구가 필요하다.

(3) 핵심 세 분야에 대한 연구 결과가 따로 발생 및 독립적으로 이용되는 것이 아니라 상호보완적으로 적용되며 문제가 발생하면 그 해결을 위한 도구로 이용 가능하며 결국 연구 최종목표에 가장 안전하게 도달하기 위한 공동연구는 필수적으로 진행되어야 한다.

(4) 변형에너지가 소산되는 부분을 실험만으로 검증하기에는 데이터 확보 차원에서 쉽지 않고 그 횟수 또한 개발비에 따라 제한적일 수밖에 없다. 따라서 이론적인 정립을 위해 보유 중인 FEM상용프로그램을 활용할 것이며 또한 검증을 위해 보유 중인 실험장치를 활용할 것이다.

나. 기술개발의 위험극복 방법

[그림 5] 가열 면의 온도분포

[그림 6] 비 가열 면의 온도분포

[그림 7] 가열 면의 X축 방향의 변형(Case 1)

[그림 8] 비 가열 면의 X축 방향의 변형(Case 1)

[그림 9] 가열 면의 X축 방향의 변형(Case 2)

[그림 10] 비 가열 면의 X축 방향의 변형(Case 2)

(1) 선행 연구결과를 토대로 연구방향의 최초 설정이 용이하여 기술개발의 불확실성을 줄일 수 있다. 아래의 그림은 이 연구를 위하여 수행된 선행 연구결과의 일부분으로써 차례대로 가열 면과 비가열의 온도분포에 대한 그림, 가열 면과 비가열 면의 X축 방향의 변형 그리고 가열 면 비가열 면의 Y축 방향의 변형을 보여주고 있으며 가열 면과 비가열 면 사이의 온도 차이가 클수록 X축과 Y축 방향의 변형 차이는 크게 발생하게 되며, 결과적으로 양면사이의 변형율 차이에 의한 뒤틀림이 크게 발생한다.

4. 맺음말

가. 철강 판재를 사용하고 있는 구조부재는 방화문, 승강기 문, 벽체와 대피공간으로써 사용되는 피난계단 등이 있으며, 화재 시 이러한 부재 및 공간을 구획하는 구조는 열변형에 민감하여 이러한 열변형을 줄일 수 있다면 이는 내화성능의 향상을 기대해 볼 수 있다.

나. 총 열팽창중 일정량을 줄이는 것은 변형에너지를 소산시키는 것으로 해결이 가능하다. 이 기술을 통해 화재 시 열팽창을 줄일 수 있는 구조의 개발은 화재소방뿐만 아니라 산업 전반에서 판재를 사용하며 고온에서 작업을 해야 하는 기계설비 및 장치에 이르기까지 사용 확대가 가능하며 그 경제적 효과는 상당할 것이다.

다. 수년 전에 아파트 세대 방화문의 부실시공으로 인한 법적 공방으로 업체에 책임을 물은 사건이 있었다. 이는 실제 시공 시 단가를 줄여야 하는 목적과 동시에 기술적인 한계도 있었다. 이번 연구를 통해 열팽창을 줄일 수 있는 소재를 이용한 제품의 생산으로 화재 시 방화구역을 더 안전한 구역으로 만들 수 있다. 이를 통한 안전관리 업무의 개선 및 전문성 향상으로 인명피해 최소화, 재난 복구 비용 절감 및 국가 예산 절감효과를 기대할 수 있다. 또한 이 기술을 해외에 수출함으로써 국익에 도움이 되고, 국가 이미지 증대를 기대해 볼 수 있다.

참고문헌