1. 머리말

본 연구는 2017년 하반기 수행됐던 방화문 협회 및 그 관계자들이 참석한 가운데 방화문 시험의 높은 시험실패율과 낮은 내화성능에 대한 해결책 논의에서 시작되어 2019년 중반부터 가용한 자원을 사용하여 선행연구를 수행하였지만 자원과 시간 배분의 한계로 진행이 쉽지 않았다. 완성품 제조업체는 매우 영세하여 선행연구 참여에 난색을 표했기에 완성품 제조업체가 아닌 철판 가공업체와 선행연구를 수행해왔으며, 기술에 대한 추가적인 이론적 검증과 성능확보를 위한 연구가 추가로 필요한 실정이다.

2. 기술특성

본 연구를 통하여 개발 중인 가공 기술의 핵심적인 특징은 다음과 같다.

신소재를 사용하지 않고, 고온시 열팽창에너지를
부분 소산시켜 최대 축 변형을 줄여 내화성능을 향상시킬 수 있는 적층 평판의 개발

■ 기존에는 열에 강한 내열강을 개발하고, 그 생산단가를 줄이기 위해 지속적인 연구개발을 하고 있지만, 현재 부재를 제조하는 중소기업들은 의뢰기관의 단가하락 압박으로 인하여 비교적 단가가 높은 재료를 사용하지 못하고 있는 것이 현실임.

■ 본 연구 목적은 신소재를 사용하지 않고, 역학적인 가공기술을 이용하여 가공된 판재를 적층시켜 열팽창을 줄여 궁극적으로 그 소재를 사용한 제품의 내화성능 향상을 도모하는 것임.

사전해석 및 실험을 통하여 제시된 메커니즘을 규명하여 고부가가치 소재 개발

■ 공극에서 소산시킬 수 있는 팽창 및 변형에너지의 정량적 수치 산정.

■ 역학적인 설계를 위해 FEM 시뮬레이션을 통한 다양한 변수적용.

■ 개발한 설계방법을 적용한 실험체를 이용한 실험으로 검증.

■ 규명된 메커니즘이 포함된 가공기술을 적용시킨 철강판재개발.

■ 철강판재로 제작되는 제품에 대한 내화성능 시간의 향상유무 비교.

■ 국내․외 에서는 재료적으로 접근하여 신소재 개발에 몰두하고 있으며 정부정책 또한 재료적인 신소재 개발에 투자가 상당한 비중을 차지하고 있음.

■ 이전 재료보다 가격이 낮으며 고성능을 발휘하는 신소재를 찾는 길은 매우 힘든데 반하여, 기존 재료를 이용하여 경량화와 성능향상을 달성할 수 있다면 우수한 경쟁력을 확보할 수 있음.

새로운 철강판재의 개발로 인한 경제적인 효과와 국민 안전을 위한 제품생산에 이바지

■ 오늘날 가장 많이 사용되고 있는 재료중 하나인 강판재의 가공기술로 강재의 단점인 고온 시 발생하는 큰 열팽창을 줄임으로써 고온 시 발생되는 재료적인 부작용을 상쇄.

■ 큰 열팽창은 균열 및 변형을 증가시켜 개구부를 발생시킬 수 있으며 이 개구부를 통한 화재확산 등 국민안전에 위협이 되는 제품의 안전성 향상을 기대.

■ 기술의 개발로 인하여 같은 원가의 재료로 내화성능이 향상하게 되어 결과적으로 소재 부품적인 기술 향상을 가져올 수 있음.

가. 기술내용

(1) 이론적 상세

화재 시 방화문을 비롯한 건축부재는 가열면과 비가열면 사이의 열팽창이 불균형을 이루면서 국부적인 변형으로 인한 뒤틀림으로 시험이 중단되고, 내화성능이 결정되는데, 변형 및 변형율이 줄어든다면 국부적인 변형과 뒤틀림이 줄어들기 때문에 내화성능의 향상을 기대해 볼 수 있다.

(가) 기본 원리

3. 선행연구

가. 연구내용

■ 초기 모델은 방화문 형태의 초기모델을 사용

■ 실제 방화문 크기를 사용하였으며, 초기모델은 문고리 등 세부사항은 생략

■ Case1(단열재가 없는 방화문), Case2(단열재가 있는 방화문), Case3(본 연구의 가공법이 적용된 판재가 사용된 단열재가 있는 방화문)

■ 아래의 결과에서 Case2 모델이 Case1 모델에 비해 가열면과 비가열면 사이의 변형 차이율이 큰 것을 알 수 있음. 그 이유는 Case2 모델은 내부 단열재로 인하여 가열면의 열에너지가 비가열면으로 전도되는 것을 막고 있기 때문임.

■ 위의 시뮬레이션은 Case1, Case2, Case3 모델중 Y축 방향의 변형을 비교하였음.

■ 시뮬레이션 결과에서 볼 수 있듯이 Case3의 변형감소(변형률)가 나타남

■ 기초 물성 분석을 위해 기본 시료의 온도가 시뮬레이션 값과의 차이를 확인하기위해 실험을 수행하였음.

■ 변형측정 가공시려는 추후 연구를 통해 실현

■ 시뮬레이션 결과와의 비교 연구 및 검증 수행

■ 고온에서 실험 시 시료의 변형 및 변형율은 이번 과제의 예비연구 단계에서 수행할 예정임

■ 위의 시뮬레이션은 Case1, Case2, Case3 모델중 x축 방향의 변형을 비교하였음.

■ 실제 방화문 크기를 사용하였으며, 초기모델은 열에너지의 전도량과 전도방향에 대해서 상세히 알기 위해 문고리 등 세부사항은 생략

■ 시뮬레이션 결과에서 볼 수 있듯이 Case3의 변형감소가 나타남.

4. 시장 분석

가. 국내외 시장동향

(1) 국내외 시장 규모 및 수출입 현황

■ 국내 철강 판재를 사용하는 제품은 건설, 토목 및 자동차 외 다양한 분야에서 사용되어지고 있으나 이 연구에서는 그 시장규모를 건축으로만 한정함.

■ 따라서 고온시 건축에서 주로 사용되고 있는 철강판재 분야의 시장을 고려함.

■ 이후 본격적인 사업화에 들어가게 되면 우선적으로 건축분야부터 본 기술을 적용한 판재를 사용할 계획이며, 연구를 통하여 발생되는 특허를 제조업체에 이전 및 판매를 통하여 원할한 제조가 가능함.

■ 우리나라를 비롯하여 철판제작시 내부에 다른 재질의 판재를 삽입하여 제진성과 강조한 상품은 존재하나 모두 같은 재질을 사용하며 가공법과 적층법만으로 화재 시 열변형과 경량화를 시도한 기술은 시도가 되지 않은 것으로 조사됨.

■ 기술개발이 2022년에 완료가 된다면 사업화에 대한 예상 소요 시간 및 금액은 아래 그림과 같음.

(2) 국내외 주요 수요처 현황

■ 현재 각 산업적으로 많은 분야에서 철강 판재를 사용 중이며, 고온에서 철강 판재가 사용되는 분야는 건축, 토목, 자동차 등 많은 분야에서 사용됨. 특히 우선적으로 본 연구에 대해 필요로 하는 곳은 우리나라 건축법상 방화구획 설정 시 필요한 건축부재인 방화문,승강기문, 벽체, 피난계단, 셔터 등 이 있음.

5. 맺음말

가. 본 기술의 개발을 통하여 방화구획내 건축부재에 대한 안전성 증대와 지속적인 연구 및 검증을 통한 신뢰성 확보가 가능하며, 고온에서 위험에 대한 정량적 자료 구축 및 위기관리 능력 증대 및 시뮬레이션을 통한 예측으로 선제적 대응책 마련이 가능하다.

나. 고온 시 위험에 대한 정보전달로 능동적 대응의 필요성 전달과 위기관리 능력의 향상으로 인한 위험 최소화 및 유지관리비용 절감 및 인명피해 예방이 가능하다.

다. 신소재 개발로 4차 산업혁명 화재시 안전 기술 선도할 수 있으며, 기존 소재를 이용한 아이디어적인 기술력으로 경쟁력 확보함. 안전관리 업무의 개선 및 전문성 향상이 용이하고, 피해저감을 통한 국가예산 절감 및 화재 시 부재의 강성을 상대적으로 상승시키는 기술 개발로 경제적 이익 확보가 가능함. 국가적으로 탄소저감을 지속적으로 해야 하는 가운데 일반적으로 사용해야 하는 철의 양보다 적게 사용하면서 안전성이 상승한 소재의 개발은 경제적으로 매우 잠재력이 크다고 할 수 있다.

참고문헌