한국건설기술연구원

화재에 안전하고 경제적인 건물 외벽시스템 개발: KICT FB 공법 연구자: 김도현 KICT 화재안전연구본부 전임연구원 - 유기 단열재 사용, 국제기준 만족, 6.5년 내 투자비 회수 가능 한국건설기술연구원에서 개발 중인 ‘화재에 안전하고 경제적인 건물 외벽시스템’에 대한 간략한 소개를 부탁드립니다. 본 연구를 시작하게 된 배경이나 사회적 필요성이 있다면 무엇인가요? 2017년 국내에서 제천 스포츠센터와 밀양 요양병원 건물에서 큰 불이 났고, 동년 영국에선 그렌펠타워에서 대형 화재가 발생하여 수십명의 대형 인명피해와 재산상의 손실이 발생하였습니다. 화재사고의 가장 큰 특징은 건물 외벽에 설치한 알루미늄 복합패널이 사용된 공법에 있습니다. 알루미늄 복합패널은 가볍고 시공이 간편해 심미성을 중요시하는 주상복합이나 오피스 건물의 외벽 마감재로서 사용되고 건물의 단열성을 위하여 열효율이 우수한 유기단열재를 사용하고 있습니다. 이러한 구조에는 단열층을 위해 콘크리트 벽체와 단열재, 복합패널 모듈을 설치할 때 생기는 틈(중공층)이 필연적으로 발생하며, 이러한 틈이 모듈 사이의 공간이 화염을 확산시키는 수직관통부 역할을 했을 것으로 분석되고 있습니다. 당시 사고를 계기로 BH가 주도해 범정부 차원으로 구성 및 운영된 화재안전대책특별 TF의 일원으로 활동하였으며 장·단기 화재안전 대책 마련을 위하여 화재피해가 큰 건물 외벽시스템 분야의 연구가 시작되었습니다. 위와 같은 외벽시스템의 구조적 문제점을 극복하기 위한 대안으로 가능하면 저렴하고 단열성능이 우수한 단열재를 사용해 날로 강화되는 건축물의 단열성능을 확보하는 한편 화재안전성능도 동시에 충족시키는, 즉 ‘화재에 안전하고 경제적인 건물 외벽시스템’ 기술개발을 수행하였습니다. 핵심 기술 요소는 무엇이며, 어떤 원리로 작동하는지 설명해주십시오. [그림 1]은 알루미늄 복합패널을 이용한 현재 사용 중인 공법으로 모듈형과 일체형의 단면도를 나타냅니다. 단열재의 종류와 관계 없이 모듈형 공법은 모듈과 모듈 사이의 중공층이 생기며 모듈의 접합면은 열교현상(heat bridge)이 발생하여 단열성능이 떨어집니다. 또한 화재발생 시 모듈의 중공층과 접합면은 화염의 통로로 작용해 외부 산소의 유입로와 공급길로 작용하여 화염을 인접 모듈로 확산시키는 연돌효과(chimney effect)를 발생시켜 안전에 매우 취약해지는 결과를 초래합니다. 또 일체형 공법에 무기질 단열재를 설치하여도 중공층의 영향으로 앞서 설명한 화재 취약성이 존재합니다. 이와 같은 문제점을 극복하고 단열성능과 화재안전성능을 동시에 만족하면서도 경제적인 건물 외벽시스템을 개발하기 위하여 다음과 도전적 목표를 수립하고 같은 조건을 설정하였습니다. 1. 소재 도전목표 : 화재에 가장 취약한 유기질 단열재(EPS)를 사용 12. 단열성능 도전목표 : 국내에서 가장 가혹한 중부1지역 주거용 단열기준 적용 13. 화재 안전성능 도전목표 : 세계최고 수준의 외장재 화재안전 성능기준(BS 8414) 적용 14. 성능검증 도전목표 : 국제 공인시험기관의 성능검증 및 확인 [그림 2]는 본 연구를 통해 개발한 KICT FB(Fire Barrier)공법의 개념과 단면도를 도시한 것으로 기존 기술 [그림 1]과의 차이점을 간단히 설명하면 다음과 같습니다. 먼저 원천 소재기술인 난연성 플라스틱 제조기술을 활용해 알루미늄 복합패널의 화재안전성능을 개선하여 이를 외장재로 사용하였습니다. 또한 우레탄 소재의 기능성 발포패드와 시트를 사용해 모듈 사이의 중공층 공간을 채움으로써 열교현상을 구조적으로 차단하고, 건물 외벽 화재발생 시 가연성 단열재 및 중공층을 통한 수직 화재확산을 근본적으로 제거하기 위하여 단열재와 패드 등을 기능성 발포시트로 보호하는 화재확산 방지 구조를 채택하였습니다. 이후 실험을 통해 취약한 부분의 보완책도 보강하였습니다. 기존의 기술과 비교했을 때, 차별성이나 강점은 무엇인가요? 솔루션의 경제성 측면에서, 설치 비용 및 유지관리 비용은 어느 정도인지, 기존 기술과 비교했을 때의 비교우위도 궁금합니다. 개발기술의 적용에 따른 단열성능 확인을 위하여 전산프로그램 활용으로 시뮬레이션과 열관류율 시험을 수행하였습니다. 그 결과 기존기술에 비해 개발기술을 적용했을때 열관류율이 효과적으로 낮아지고, 성능이 개선된 패널 또한 기존의 제품보다 단열성능 개선에 효과적임을 볼 수 있었습니다. 결과적으로 주거용 건물 중부1지역의 단열기준을 만족하는 성능을 확보하였습니다. 화재안전성능 확인을 위하여 개발한 소재·구조·공법을 적용한 것과 성능비교를 위해 기존 기술을 적용한 외벽시스템에 대한 실험도 병행하여 실험을 수행하였습니다. 화재 성능실험은 국제적으로 인정받고 당시 국내에서도 KS 규격과 건축법 도입으로 게·개정되고 있던 BS 8414 규격을 기반으로 하였습니다. 체계적인 검증을 위해 BS 8414의 인증시험기관인 국제공인기관 영국 건축연구소(BRE, Building Research Establishment)의 교차 시험을 통해 성능을 검증하였습니다. 국내에서 검증한 결과는 [그림 3]에 도시하였습니다. 시험의 성능기준#(BR 135)에 따라 평가한 결과, 기존기술은 실험시작 후 약 5분 경과 후 실험을 종료하였으나 개발기술은 23분 22분 동안 화재확산을 지연시킴으로써 4배 이상 안전성을 확보하고 국제기준 대비 140% 이상의 성능을 확보한 결과를 나타내었습니다. 본 기술을 기반으로 BRE에서 교차 검증한 기술의 화재시험 비교 결과는 [그림 4]에 나타내었습니다. 개발기술의 경제성을 분석하기 위하여 표준건축물을 설계하였으며 기술의 적정 표준모듈 및 상세도를 산출하여 기술의 준공부터 준공 이후의 경제성을 분석하였습니다. 그 결과 개발공법을 적용할 경우 건축비용에서 1.1 배의 상승이 발생하지만 준공 후 단열성능을 보강한 기술로 연간 약 950만 원의 에너지 비용이 절감되었고 이로써 약 6.5년 후 투자비가 회수 가능한 것으로 산정되었습니다. 추가적으로 양산 공정에 따라 재료비의 절감이 가능하여 연구단계에서 시행된 비용보다 저렴한 비용으로 기술 사업화가 가능한 것으로 분석되었습니다. 결론적으로 본 기술의 적용을 통해 화재발생 시 효과적으로 화재확산을 지연시킬 수 있고 인명 및 재산피해도 예방할 수 있을 것으로 기대합니다. 현재 기술 개발은 어느 단계에 와 있으며, 사업화 가능성은 어느 정도로 평가하고 있나요? 또, 상용화될 경우, 주요 타겟 시장(공공, 민간, 해외시장 등)은 어디인가요? 본 기술은 [그림 4]와 같이 본 연구원의 화재안전연구본부 내 화재안전성능시험장의 외벽에 현장적용을 추진하여 시공성을 검증하였습니다. 이에 본 기술은 2025년 현재까지 2개의 기업에 총 4.8억 원의 기술 실시가 완료되었습니다. 더욱 활발한 기술 상용화를 위하여 다양한 업계와 활발한 기술 실시를 논의 중입니다. 본 기술은 국제 공인시험기관인 BRE에서 규격 시험(BS8414)을 이행한 만큼 해당 인증을 도입한 국외의 건축 시장에도 진입할 수 있으며 국내의 공공(신규, 리모델링 사업)과 민간 주도의 시장에도 적용할 수 있습니다. 기술이 상용화될 경우, 도시 환경 및 시민들에게 어떤 긍정적인 영향을 미칠 것으로 기대하는지 말씀해주십시오. 본 기술은 신규 건축물뿐만 아니라 노후되고 화재위험성이 있어 보수보강이 필요한 건축물에도 시공 가능한 기술입니다. 이는 건축물의 쾌적한 단열성과 화재안전성능을 보유하면서도 경제적인 외벽시스템 기술을 필요로 하는 국민과 소비자의 요구를 즉시 충족시킬 수 있을 것입니다. 건축물 화재 사고사례가 빈번한 현실에서 본 기술은 국민께 안전한 삶의 공간을 제공할 것입니다. 향후 추가적인 연구 개발 계획이나 목표가 있다면 무엇인가요? 본 기술의 궁극적인 목표는 날로 강해지는 화재의 예방에 기술적으로 대응하고 단열 분야의 규제강화를 넘어 소비자의 요구를 충족할 수 있도록 경제적인 기술과 제품의 공급이 시장에 활성화 되도록 하는 것입니다. 추가적으로 본 연구의 연장선으로 다양한 산학연 분야의 목소리를 반영하여 소비자가 원하는 기술을 효과적으로 연구하고 활용할 수 있도록 노력 할 것입니다. 화재안전연구본부 게시일2026-01-29 조회수 198

물류시설 랙 화재 피해 경감을 위한 화염 확산 차단막의 설치 방안 연구 물류시설 랙 화재 피해 경감을 위한화염 확산 차단막의 설치 방안 연구 ▲ 윤홍석 KICT 화재안전연구소 수석연구 들어가며 온라인 유통 기술의 발달과 1인 가구 증가에 따라 물류 유통량 및 이를 저장하기 위한 물류시설 수가 빠르게 증가하고 있다. 최근 5년간 물류시설을 거치는 물류는 20억 개에서 34억 개로 증가하였으며, 시장 규모 역시 4.7조 원에서 7.5조 원으로 성장하였다. 이와 같은 관련 산업 성장 및 물류시설 증가는 생활편의를 증진하였으나 화재 사고 증가를 동반하였으며, 최근 5년간(′17~′22) 물류시설 화재로 인해 287명의 인명피해와 8,745억 원의 재산피해가 발생하였다. 물류시설은 가능한 많은 물류를 수용하고 저장 공간을 효율적으로 활용하기 위해 랙(rack)을 활용한 수직 적재 방식을 채택한다. 랙은 사용자 기호에 따른 변형의 용이함, 효율적인 작업환경 조성 등 다양한 장점을 갖지만, 집약적·수직적으로 배치된 수용물품 간의 용이한 열교환 및 송기공간(flue space)의 굴뚝효과(stack effect)로 인해 대형 화재 사고로의 발달이 용이하다는 위험성을 가지고 있다. 이와 관련하여 Ingason은 인랙 스프링클러 (in-rack sprinkler) 시스템의 작동보다 빠른 화재확산으로 인해 스프링클러 작동 이후에도 소화수가 화재 중심부에 도달하지 못할 가능성에 대해 언급하였다. 미국 화재예방협회(National Fire Protection Association, NFPA)는 송기공간을 통해 발생하는 화재확산 위험에 대비하여 물류시설 내 설치된 소화설비의 종류와 연계한 수평·수직 차단막 설치 규정을 제시하고 있다. 이와 유사하게 국내에서는 「물류창고 방화기준 (KFS 630)」이 발간되었으나, 미국의 수용물품 분류체계를 따르고 있을 뿐만 아니라 강제성이 없어 물류시설의 설계에 반영되고 있지 않다. 그 결과 국내 대부분의 물류시설은 스프링클러 설치 기준만을 충족하여 운영되고 있다. 최근 반복되는 화재사고 및 제도적 미비점을 인지한 국토교통부, 소방청 등 관계 부처는 「물류창고 화재 원인분석 및 재발 방지대책(ʼ22년 12월)」을 발간하였다. 해당 문서에서는 물류시설 화재의 대형화 원인으로 ① 물류시설 특성을 고려한 소방시설 기준 미비, ② 배전반/분전반 등 시설 관련 기준 미비, ③ 소방 인프라 부족 및 소방차의 접근 곤란, ④ 공사중인 물류시설에서의 소방 기준 미흡, ⑤ 샌드위치 패널 활용의 다섯 가지를 선정하고 원인별 대책을 마련하도록 하였다. 그러나 랙 화재와 관련하여 제시된 대책을 살펴보면 스프링클러 방수량의 증가만을 고려하여 여전히 물류시설 화재의 본질적 위험인 화재확산에 대한 대책은 마련되지 않았다. 따라서 국내 물류시설의 특성 및 가연물 분류체계, 소화설비의 영향을 반영한 대응책이 시급히 마련되어야 한다. 이 글에서는 물류시설 랙 내 수평·수직 차단막의 설치 기준 도출을 목적으로 수행된 수치해석적 연구의 일부 내용을 소개하고자 한다. 국내 대표 랙 구조의 설정 차단막의 설치 목적은 초기 화재확산의 지연 및 소화설비와의 상호작용을 통한 화재 규모 저감으로, 화재를 원천 차단하는 것은 아니다. 해당 연구에서는 차단막 설치 방안 도출에 대한 단계적인 접근 절차로서 수평 차단막 설치가 초기 화재확산 및 화재현상에 미치는 영향을 우선 검토하였다. 국내 실정을 반영한 랙 형상 선정을 위해 현장조사 및 관련 기준 분석을 수행하였다. 그 결과 1.1 m(W)×3.0 m(L)×2.5 m(H)인 적재공간이 2열×3단으로 배치된 대표 랙 구조가 결정되었으며, 수용물품으로 2.2 m 높이의 폴리우레탄폼(polyurethane foam)을 각 단에 4개씩 배치하였다. 소방설계로 국가화재안전기준(NFTC 103 및 NFPC 103)에 기반하여 가장 널리 활용되는 K-80 천장형 헤드를 적용하였으며, 일반 가연물의 적재를 가정(랙 높이 6 m 이하마다 인랙 헤드가 설치되어야 함)하여 2단 위치(z=4.9 m)에 인랙 헤드를 설치하였다. 수평 차단막에 대해서는 미설치, 3단 간격, 2단 간격 및 1단 간격으로 설치되는 4가지 조건을 고려하였다. 결정된 랙 구조 및 소화설비, 차단막 설치 조건에 따른 수치해석에는 Fire Dynamics Simulator(FDS)가 활용되었다. 수평 차단막 설치에 따른 화재 현상의 변화 수치해석 결과 차단막 미설치 시 화재는 6.2s 만에 랙 최상단에 도달하였으나 차단막 설치 시 초기 화재확산이 효과적으로 지연되었다. 구체적으로 수평 차단막이 조밀하게 설치됨에 따라 화재확산 완료 시간이 7.2s, 10.9s 및 19.4s로 증가하여 미설치 조건과 비교할 때 최대 200% 이상 지연되었다. 반면 화재로 인한 총 방출열량(total heat release)은 차단막 설치 위치와 관계없이 3,000~3,500 MJ 범위에서 큰변화를 보이지 않았으며, 미설치 조건 대비 10% 미만의 감쇠 효과만을 나타냈다. 국내 물류시설에 적용되는 다양한 소화설계들을 대상으로 분석한 결과, 화재확산 지연에도 불구하고 화재규모가 감소되지 않는 두 가지 원인을 확인하였다. 첫 번째는 차폐 효과(shielding effect)로서 차단막은 천장형 및 인랙 헤드의 소화수가 랙 내 수용물품들에 도달하는 데 방해 요소로 작용하게 된다. 그림 5(a)에서 온도 분포 및 살수 패턴을 통해 차폐 효과의 영향을 확인할 수 있다. 두 번째 원인으로 차단막에 의한 화염의 확산경로 변경을 들 수 있다. 그림 5(b)의 좌측 그림에서 초기에 송기공간을 따라 수직 확산되던 화염은 차단막과 충돌한 이후 수평 방향으로 확장해 랙 외곽에 도달한 이후 수직 방향으로 확산된다. 그림 5(b)의 우측 그림에는 차단막 설치 위치에 따른 단위 체적당 열방출률(Heat Release Rate Per Unit Area)의 분포와 인랙헤드의 살수 패턴이 제시되었다(확산경로 변경의 영향이 두드러진 해석 결과가 제시되었음). 좌측 랙(None)은 차단막이 설치되지 않은 조건으로, 수직 방향으로 확산되는 화재는 경로에 존재하는 인랙 헤드에 의해 소화된다. 반면 우측 랙크(1-tier spacing)의 경우 화염이 랙 외곽을 따라 확산되며, 인랙 헤드의 소화수가 연소 영역에 도달하지 못하는 것을 확인할 수 있다. 이 경우 외곽에서의 연소는 주변랙으로의 화재확산을 가속화할 수 있다. 결과적으로 수평 차단막이 부적절한 위치에 설치될 때 화재위험성이 오히려 증가할 수 있으며 소화설비와의 상호작용이 고려되어야 한다. 맺음말 물류시설은 가연물 밀집도가 높고 화재확산이 용이하여 대형 화재로의 발달이 빠르게 이루어진다. 이로 인해 초기 화재확산의 지연을 통해 소화설비 또는 관계인의 대응 시간을 확보하는 것이 중요함에도 소화설비의 설치 확충, 성능 강화만이 논의되고 있다. 이에 따라 본 연구에서는 수평 차단막의 설치가 물류시설 랙 화재에 가져오는 영향을 우선 검토하였다. 추후 확장된 규모의 수치해석과 실증 실험을 통해 국내 물류시설에 최적화된 차단막 설치 방안을 마련할 수 있을 것으로 기대되며, 이는 물류시설의 화재안전에 기여할 것으로 생각한다. 참고자료 스프링클러설비의 화재안전성능기준(NFPC 103). H. Ingason (2001) Plume Flow in High Rack Storages. Fire Safety Journal, Vol. 36, No. 5, pp. 437-457. NFPA 13 (2022) Standard for the Installation of Sprinkler Systems. National Fire Protection Association. 화재안전연구본부 게시일2025-03-14 조회수 1354

화재로부터 안전한 건축물 탄생을 위해 화재로부터 안전한 건축물 탄생을 위해 ▲ 여인환 KICT 선임연구위원 (화재안전연구본부 건축/시설물 내화/방화 연구팀) 화재안전연구본부의 건축·시설물 내화·방화 연구팀은 기본기를 가장 중요시한다. 기본기가 튼튼해야 변화하는 환경 속에서도 유연하게 대처하고 연구를 응용할 수 있다고 믿기 때문이다. 연구팀은 다양한 연구 기획에 참여하여 통찰력을 키우고 전문성을 강화하는 데 초점을 맞춰 앞으로 나아가고 있다. 성취로 전문성을 강화하는 연구팀 건축·시설물에서의 내화는 화재 시 구조물이 붕괴하지 않도록 견디는 힘을 말하며, 방화는 화염의 확산을 막는 것을 의미한다. 내화는 대표적으로 내화구조, 내화재료 등이 있으며, 방화는 방화구획의 경계를 형성하는 방화문, 내화채움구조 등이 있다. 화재안전연구본부 건축·시설물 내화·방화 연구팀은 앞서 말한 대상들에 대해 설계·시공유지관리 시점에서의 성능 검증 및 개선 연구를 수행하고, 연구 결과를 바탕으로 정책·제도 개선에도 노력하고 있다. 우리나라의 내화·방화 연구는 과거 외국의 선진 기준을 벤치마킹하며 발전해 왔다. 이러한 제도화는 내화·방화 성능을 평가하고 검증하는 데 도움을 줬지만, 우리나라 실정에 맞지 않는 부분도 존재했다. 이를 개선하기 위해 연구팀은 내화·방화 관련 규정의 유효성을 검증하는 연구를 진행했고, 내화·방화 시장에서 발생할 수 있는 잠재적 문제를 예방하며 재난 발생에 대한 대책 마련에 기여를 이뤘다. 또 연구팀은 일체형 발포성 내화채움구조 기술의 실용화를 이룬 바 있다. 기존의 내화채움구조는 시공이 복잡하고, 현장 시공자의 숙련도에 따라 성능이 저하될 우려가 있었다. 연구팀은 이를 개선하기 위해 새로운 기술을 개발해 안전성과 시공성, 경제성을 모두 향상해 냈다. 2020년 사매 2터널 화재 사건을 계기로 터널 내화·방화 지침의 필요성이 대두되자, 연구팀은 ‘도로터널 내화 지침’ 제정에 적극적으로 참여했다. 이후 2021년부터는 터널 구조물 내화 공법에 대한 실험과 평가를 주도하며 관련 연구를 선도하고 있다. 연구팀은 주거용 건축물 외에도 배터리 공장, 주차장 등 고화재위험 특수 시설물에 관한 연구를 확대하며 다양한 사회적 요구에 부응하고 있다. 내화·방화 연구는 단순 건축물에 그치지 않고 점점 더 넓은 분야로 확장되고 있다. 화재 안전 전문가의 필요성 화재 안전 연구에서 성능설계와 사양설계는 중요한 개념으로 자리 잡았다. 성능설계는 건축물이 발휘해야 할 성능 목표를 정의하는 과정으로, 예를 들어 ‘진도 7 이상의 지진에도 견딜 수 있는 구조’와 같은 목표를 설정한다. 반면 사양 설계는 성능 목표를 실현하기 위한 구체적인 기술적 사양을 정의하는 단계로, ‘내진 설계를 위해 C30 강도 이상의 철근 콘크리트와 고강도 철근을 사용하는 것’ 등의 목표를 설정한다. 화재 안전 분야 역시 성능설계를 지향하며 발전하고 있지만, 성능설계가 모든 문제를 해결하는 것만은 아니다. 건축물의 특성에 맞춰 성능설계와 사양설계를 적절히 활용하는 것이 중요하다. 다만 우리나라의 경우, 제도 의존도가 높은 사회적 인식과 건축법과 소방법의 이원화로 인해 성능설계 도입이 다소 더딘 편이다. 연구팀은 건축물의 화재 안전을 강화하기 위해서는 화재공학과 구조공학을 함께 고려하는 화재구조공학 개념이 필요하다는 점을 강조했다. 또 성능설계를 지향하며 소방법과의 유기적 연결을 고민하는 동시에, 화재 안전과 관련된 전문가들의 많은 관심과 도움이 필요한 실정이라는 의견을 덧붙였다. 집단지성과 융복합 연구의 중요성 현대 건축·시설물이 더 다양하고 복잡해지면서, 화재 안전 분야의 사회적 요구 또한 다양화되고 있다. 건축·시설물 방화 연구팀은 세상이 변화하는 속도에 맞춰 화재 안전 기술을 선진화하는 것을 목표로 두고 있다. 하지만 내화·방화 연구의 경우 진행에 따라 결과물이 바로 도출되기보다는, 오랜 시간 조금씩 개선하여야 한다는 특징이 있다. 이에따라 연구 과정에 있어서도 신속하면서도 합리적인 대응은 필수다. 4차 산업혁명의 발전으로 건축물의 형태와 용도가 다양해지고 있으며, 우리나라 건축물의 사용 연수가 늘어나면서 내화·방화 성능이 시간이 지남에 따라 저하되는 문제 또한 발생하고 있다. 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 노후 건축물의 내화·방화 성능 보강에 초점을 맞췄고, 이를 기반으로 연구를 발전시켜 나가고 있다. 연구팀은 앞으로 융합 연구를 통해 과거와 현재의 문제를 객관적으로 진단하고, 사회적 요구를 반영하며 연구를 이어갈 계획이다. 아울러, 한국건설기술연구원의 집단지성 교류를 활성화하여 국내 건축·시설물 내화·방화 연구를 한 단계 더 발전시키는 것을 목표로 전진해 나아갈 것이다. 화재안전연구본부 게시일2025-01-22 조회수 1005

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