1. 머리말

1999년 씨랜드 청소년수련원 화재 참사 이후, 건축용 복합자재(이하 샌드위치패널)이 적용된 건축물에 대한 화재안전기준이 점차적으로 개선 및 강화되어 오고 있다. 현행 국토부 고시에서는, 시공될 샌드위치패널의 소형시편을 샘플링하여 열방출률과 가스유해성을 체크하는 시험방법(KS F ISO 5660-1 및 KS F 2271)을 시행하고 있으며, 그로인한 난연등급 등이 판정되어 건축물에 법적인 시공 가능 여부를 판다하고 있다. 이러한 방법은 샌드위치패널 일부 재료의 화재하중만을 검증하기에, 실제 3차원 구획 화재환경의 위험성을 분석하는 핵심지표인 플래시오버를 추정할 수 없어서 화재시 재실자의 피난안전을 확보하는데 치명적인 한계점을 보이고 있다. 2021년 12월 국토부 고시로 적용 예정인 '건축물 마감재료의 난연성능 및 화재 확산 방지구조 기준 일부개정 고시안'에서는, 현행의 한계점을 극복하고 강화된 화재안전 시험방법(실대형 성능시험 KS F ISO 13784-1) 도입을 예고하고 있다. 본 글에서는 ISO 13784-1의 시험방법 및 내포하고 있는 화재안전 개념을 분석하고, 일부개정 고시안에 적시하고 있는 판정기준을 분석하여 그 효용성을 극대화 시킬 수 있는 대안을 제시하고자 한다.

2. ISO 13784-1 국제표준 개정추이 및 국토부 고시안

가. ISO 13784-1 국제표준 전면 개정 추이

샌드위치 패널(건축용 철강제 벽판 및 지붕판)의 화재안전성을 평가하는 국제 시험방법인 ISO 13784-1 표준은 2002년 제정된 바 있으나, 2006년부터 착수한 관련 국책연구(KFPA 부설 방재시험연구원 주관)를 통해 ISO 13784-1 표준에서 기술된 열방출율 도출방법에 대해 불확실성이 내재함을 파악하게 되었다. 이에 대한 개선 방법을 2008년 ISO TC92(국제표준화기구 화재안전기술위원회) 서울 총회 때 제안(박계원)하였으며, 2009년 5월에 ISO 13784-1의 열방출율 도출방법 개선을 위한 제안이 ISO TC92에 의해 채택되어 ISO 13784-1 전면개정 프로젝트 착수되었고, 2014년 최종 완료/개정 출판되었다. 상기 ISO 13784-1 프로젝트의 개정 작업과 병행하여 ISO 13784-1 시험방법의 유효성 검증에 대해 국제상호평가(Round Robin Test; 이하 RRT) 프로젝트가 조직(2010년 4월 ISO TC92 승인)되었으며 4개국(한국, 호주, 스웨덴, 일본) 6개 국제 연구기관이 수행한 바 있다.

ISO 13784-1에서는 전면 개정에서의 취지에서도 알 수 있듯이, 열방출률 측정이 가장 핵심지표이며 정밀도 향상을 위한 절차가 매우 중요함을 적시하고 있다. 이에 비해서 현재 국토부 고시 예정안에서 기술하고 있는 판정기준에는 열방출률이 포함되어 있지 않기에, 본 글에서는 이에 대한 보완사항을 서술하고자 한다.

나. 국토부 고시 예고안의 판정기준

샌드위치 패널에 대한 실물규모 화재안전 검증을 위해 국토부 고시에서 <표 2>와 같이 ISO 13784-1을 부합화한 국가표준인 KS F ISO 13784-1의 시험방법을 적용하며, 판정기준을 제시하고 있으나, 현재 정량적 판정기준인 열방출률에 대한 판정기준 정보는 부재한 상태이다.

3. ISO 13784-1의 시험결과 분석에 따른 정량적 판정기준의 제안

가. KS F ISO 13784-1 시험절차 및 시험체의 구성

KS F ISO 13784-1 시험은 20분간 소형 샌드위치 패널 조립체가 그 실(室)내부 한 구석에서 직접 화염에 노출되었을 때, 샌드위치 패널 조립체의 화재 연소성능(열방출율 및 연기발생율)을 평가하며 시험 중 플래시오버(flashover)가 발생시에는 시험을 중지하고 이때까지의 연소성능을 측정하게 되며, 열방출율 산출을 핵심 평가 목표로 설정한다.

(1) 본 시험 전, 교정시험(표 3 참고)을 완료하며, 본 시험 전에 후드의 배기 용량은 최소 3.5㎥/s로 유지하고, 본 시험의 버너 착화전 최소 2분 동안 데이터 기록을 시작하게 된다.

(2) 본 시험시 착화 후 10초 이내에 요구된 출력 수준까지 버너를 조절하며 버너 열출력은 초기 10분간 100kW, 추가 10분간 300kW로 하며, 만약 플래시오버가 발생시에는 시험을 종료한다.

시험체는 전면에 개구부를 가진 장방형 자립형 샌드위치 패널 조립체로 2.4m × 3.6m × 2.4m의 볼륨을 가지며, ISO 13784-1에서는 1.2m 폭으로 되어 있으나, 국내 양산 실정에 맞게 1m 폭 패널로 제작되어 좌측 및 우측벽부에 4개 패널, 후벽부에 3개 패널, 천정부에 4개 패널 및 전면 3개 패널(개구부 0.8m × 2m)로 구성하였다.

나. KS F ISO 13784-1 결과 분석시 측정불확도 추정

핵심 측정 결과인 열방출률에 영향을 미치는 측정불확도 요인을 추정하기 위해 <표 4>와 같이 모델수식을 분석하였으며, 영향요인에 대한 도식은 [그림 3]과 같이 분석된다.

핵심 불확도 영향요인을 분석하면, 크게 1) 덕트내 유량에 대한 불확요인, 2) 산소농도에 의한 불확요인, 3) 이산화탄소농도에 의한 불확요인, 4) E-factor에 의한 불확요인, 5) 가스 몰질량에 의한 불확요인으로 대별적으로 구성되며 각각에 대한 A형 불확도와 B형 불확도를 산출하여 전체적인 불확도 추정을 수립하였다.

화재 성장기 직후 급격히 순간적으로 실내 가연물을 연소시키는 현상인 플래시오버의 발생시점을 판단 및 예측하는 것은 초기 피난시의 인명안전에 매우 중요한 척도가 되며 구조체의 손상 및 붕괴의 경향성을 판단할 수 있는 중요 지표가 된다. 실대규모 화재시험인 ISO 13784-1에서 다루는 난연 연소성능이란 ‘Reaction-to-fire’로서, 이는 화재발생 후 초기 피난까지 (20분 이내)의 화재 연소성상(플래시오버, 열방출율, 연기발생율, 화염전파거리, 용융적하물 등)을 다루는 것으로, 소형시험 및 중형시험에서 구현 및 측정할 수 없는 플래시오버 현상을 측정할 수 있으며 이를 통해, 샌드위치 패널의 재료 및 구조적 영향이 반영된 합리적인 난연 연소성능 평가를 가능하게 해 준다.

다. KS F ISO 13784-1 결과 분석에 따른 정량적 판정기준의 제안

플래시오버의 발생여부는 소형규모 시험인 KS F ISO 5660-1 및 중형규모 시험인 SBI 시험으로는 측정할 수 없는 항목으로, 초기 피난시 인명안전에 대한 핵심인 플래시오버 측정은 실대규모화재 시험방법인 KS F ISO 13784-1로만 정확히 측정가능하다. 플래시오버와 FIGRA 수치 간에는 플래시오버 발생 경향을 규정하는 Critical FIGRA point (0.6kW/s)가 존재함을 연구 시험결과를 통해 확인할 수 있으며. 시험결과로 확인된 무리군 간에 경계값과 Euro class에서 규정하는 경계값 간에 호환 가능한 특정 수치가 있음을 확인할 수 있으며 FIGRA를 기준으로 마련된 Euro-class의 등급구간을 국내 케이스에 적용하는 것이 호환가능하다고 판단된다.

종합하여 볼 때, 연구에서 도출된 총체적인 시험 데이터베이스들을 근간으로 등급을 분류하였으며, Euro-class(EN 13501-1)등 외국의 사례와 호환가능성을 검증한 후 최종적으로 플래시오버와 화재성장지수(FIGRA) 수치를 5가지 등급(A, B, C, D, E)으로 분류하였다. 화재성장지수(FIGRA) 수치를 5가지 등급(A, B, C, D, E)을 토대로 실제로 KS F ISO 5660-1 및 KS F ISO 13784-1의 시험결과를 비교하여 <표 5>에 정리하였다. 그 결과 5가지 등급을 현행의 KS F 4724의 등급분류 및 성능기준에 매칭시키면 A등급(FIGRA ≤ 0.16 kW/s)이 준불연재료에 해당되며, B등급(FIGRA ≤ 0.6 kW/s)이 난연재료에 해당된다. 또한 C/D/E등급(FIGRA > 0.6kW/s)은 가연재료에 해당된다고 할 수 있다.

FIGRA를 토대로 실제로 KS F ISO 5660-1 및 KS F ISO 13784-1의 시험결과를 비교하여 정리하였다. 5가지 등급을 현행의 KS F 4724의 등급분류 및 성능기준에 매칭시키면 A등급(FIGRA ≤ 0.16 kW/s)이 준불연재료에 해당되며, B등급(FIGRA ≤ 0.6 kW/s)이 난연재료에 해당된다. 또한 C/D/E등급(FIGRA > 0.6kW/s)은 가연재료에 해당된다고 할 수 있다. 모든 연구결과를 토대로 적합성인증안의 실물화재 연소성능 시험에 대한 성능기준은 <표 6>과 같이 제안코자 한다.

4. 국토부 판정기준에 대한 제안사항

KS F ISO 13784-1은 건축용 샌드위치패널 구조 등의 복합자재를 평가하는데 가장 적합한 국제수준의 평가방법으로써, 샌드위치 패널에 대해서 강화된 시험방법이 본 개정고시안에 채택된 것은 적절하다고 판단되지만, 상기 개정고시안에서 언급한 5가지 요건(다목의 1)~5)항)이 국제수준에 미달되는 정성적 판정기준이기에, 국제수준의 정량적 등급분류기준의 채택이 필요하다.

앞서 전술하며 분석한 바와 같이, 샌드위치 패널의 실물규모 화재시험의 정량적 등급을 분류하는데 열방출률이 핵심지표로서 작용한다고 기술하였는데, KS F ISO 13784-1에 가장 핵심적인 평가인자인 HRR(열방출률)의 측정이 본 개정고시안에서 누락되어 있는 상태임을 주지하여야 한다.

개정고시안에서 언급한 5가지 정성적 판정기준들은 NFPA 265 및 EN 14390 등에서 주평가인자가 아닌 참고인자 정도로만 활용하고 있는 중이다. 유럽의 경우 [그림 1]과 같이 FIGRA(화재성장지수)를 기준으로 한 등급분류시스템을 통한 평가방법을 사용하고 있다. ISO 13784-1에서도 복사열유속과 온도는 시험 중 데이터가 넓은 범위에서 흔들리는 경향이 있어 참고값으로만 활용하고 있다. 온도 및 복사열유속을 제외한 성능요건은 정성적 평가로 불확실성이 매우 크고, 주관적 판단에 의해 시험결과가 달라질 우려가 있으며, 따라서 본 개정고시안에는 HRR(열방출률) 등의 정량적 판정기준이 반드시 포함되어야 함을 역설하는 바이다.

또한, 현재 제정예고에서는 KS F ISO 13784-1과 KS F ISO 5660-1의 두가지 시험을 병행해서 수행하고 모두 성능요건에 만족해야 하는데, 단순 시편 시험의 경우 평가에 있어 한계성이 분명히 존재하며, 실제 산업통상자원부 산업융합촉진사업으로 수행된 “유무기 융합단열재 샌드위치 패널의 적합성 인증기준 개발”에서 KS F ISO 5660-1 시험의 한계성을 파악한 바 있다.

KS F ISO 5660-1 시험에서 “시험체를 관통하는 방화상 유해한 균열, 구멍 및 심재의 전부 용융, 소멸이 없을 것”이라는 평가 항목으로 인해 난연등급 취득이 불가하였으나, KS F ISO 13784-1 시험에서는 무기물 수준의 매우 우수한 성능(FIGRA 기준) 나타내는 것을 확인하였으며, 연구 결과를 토대로 KS F 4734의 난연성능 시험(KS F ISO 5660-1) 항목을 연소성능 시험(KS F ISO 13784-1)로 대체하는 적합성인증기준이 협의체 심사를 거쳐 최종 통과되었다. KS F ISO 13784-1은 실물규모의 매우 가혹한 시험방법으로 본 시험에 합격할 경우, 시편단위 시험인 KS F ISO 5660-1의 시험은 면제되는 것이 KS F ISO 13784-1 도입 취지에도 적합하다고 권고되는 바이다. 더불어 국토부 고시의 판정기준에 대한 개별 성능요건에 대해서는 <표 7>과 같이 의견을 제시하고자 한다.

5. 맺음말

본 글에서는 2021년 12월 도입예정인 ‘건축물 마감재료의 난연성능 및 화재 확산 방지구조 기준 일부개정 고시안'의 실대형 성능시험 (KS F ISO 13784-1) 의 시험방법의 정량적 측정사항인 열방출률에 대한 사례들을 분석하여, 열방출률 측정결과에 의해서 안전성 등급분류를 제시할 수 있음을 기술하였으며, 현재 일부개정 고시안에 적시하고 있는 판정기준을 분석하여 그 효용성을 극대화 시킬 수 있는 대안을 제시하고자 하였다.

현재 판정기준은 정성적 요인(신문지 발화, 육안 관찰에 의한 화염분출 관측과 오차가 심한 정량적 요인(천장 상부 온도값 및 바닥 복사열량값)으로 구성되어 있어, 시험결과의 명확하나 판정이 쉽지 않을 가능성이 내재되어 있다.

향후 원활한 국토부 고시의 운용을 위해서는 판정기준사항내에 정량적 판정요인인 열방출률이 반영되어야 KS F ISO 13784-1을 채택한 효용성이 극대화될 것으로 판단된다.

참고문헌