[창간특집] 건설산업 블루칩 ‘방재산업’ <3>
초고층 건축물, 국가 건축술 가름하는 잣대
화재안전기술, 핵심 요소기술 개발로 해외 경쟁력 높인다
■화재안전기술 현황
(건설연 화재안전연구소)
한국건설신문 박상익 기자 = 화재 시 화재가 인접한 장소로 확대하는 것을 방지하기 위해 일정한 면적으로 구획하는 방화 구획을 설정하고 있다. 건축법에서는 면적이 1천㎡ 이상인 경우 일정한 면적으로 불연재료 또는 내화구조로 구획을 하도록 하고 있다. 현재 방화구획에 사용하는 벽은 경량구조의 콘크리트(경량벽체)가 널리 사용되고 있으며, 하중을 받지 않는 비내력 벽이다.
방화구획은 수평 및 수직으로 설치하도록 하고 있으며, 수평으로 확산하는 것을 방지하기 위해 사용하는 것이 경량벽체이다.
한편, 현재 초고층 건축물에서 일반화 되고 있는 커튼월 구조에서 가장 취약한 것이 수직방향으로 화재와 연기가 확산하는 것이다. 이를 방지하기 위해서 적용하는 시설이 선형조인트 시스템이다. 즉, 커튼월 구조는 바닥인 슬래브와 외벽(유리) 사이에 틈이 필연적으로 생기게 되며, 이를 유연성이 있는 불연재로 충전하는 것이 선형조인트 시스템이다.
화재가 발생하면 재실자는 외부로 통하는 전실을 거쳐 비상계단으로 신속히 나가야 한다. 이때 출입문은 화재에 견디는 방화성능을 갖춘 방화문을 설치하는데, 방화문을 열면 피난계단과 통하는 완충공간이 있으며, 완충공간에는 연기가 침입하지 못하도록 일정한 압력을 가하도록 되어 있다.
특히, 문을 열 때 연기의 침입을 방지하기 위해서는 개방면적 전체에 일정한 풍속이 가해질 수 있도록 공기를 공급하는 댐퍼를 특수한 구조로 해야 한다.
■화재층 연기제어기술
건축물의 고층화와 복합화가 급격히 진행됨에 따라 화재에 취약한 건축물이 증가되고 있어, 효과적인 인명안전 대책의 마련이 절실히 요구되고 있다.
과거 국내에서 발생한 화재에서 입은 인명손실의 50% 이상이 연기에 의한 것으로 조사되고 있다. 초고층 및 복합건축물의 증가세가 매우 가파를 것으로 예상되면서 실효성 있는 연기대응 기술의 확립이 요구된다.
국내 건축물에 대한 연기제어 시스템 설계는 ‘제연설비의 화재안전기준(NFSC501)’과 ‘건축물의 설비기준 등에 관한 규칙’ 등의 사양적 기준에 의해 진행되고 있다.
그러나 초고층 건축물에서는 고층의 강한 풍압, 층고증가, 연돌효과 및 구획실간에 과압이 발생하는 등의 이유로 인해 초고층 건축물에 국내 설계기준에 따른 연기제어 설비가 설치되기 힘들거나 적용되어도 연기안전을 확보하기 어려울 수 있다.
빌딩의 높이가 증가하고 관련 설계기술이 발전하면서 경제적이고 연기제어에 효과적인 Zoned Smoke Control 기법이 사용되고 있다. 이를 이용해 화재층을 중심으로 상하층에서 가압해 연기가 상하층으로 확산하지 않게 하는 Floor-to-Floor 연기제어 시스템을 개발하고 있다.
즉 Floor-to-Floor 연기제어 시스템은 Zoned Smoke Control 기법의 일종으로서 각층의 한 개 층 전체를 연기구역(Smoke Zone)으로 설정한 후 화재가 발생한 층에서는 배기를 수행하고 화재발생 층의 상부층과 하부층에서는 외부공기의 급기를 수행한다.
층간 연기제어 시스템은 배기와 급기를 통해 화재가 발생한 층에서는 부압을 형성하고 상부층과 하부층은 가압시킴으로서 화재가 발생한 층에서 연기가 다른 층으로 확산되는 것을 방지하는 것이다. 층간 연기제어 시스템에서는 기존의 기계배연 시스템에 비해 배기와 급기 송풍량이 감소하므로 송풍용 덕트의 높이를 낮추어서 건축물의 층고를 줄일 수 있으며 평상시 이용하는 공조시스템을 연기제어에 사용할 수 있다.
■수직 연기제어 기술
초고층 건축물에서 수직연기확산에 영향이 큰 연돌현상과 연관해 수직적 분절방안의 수직연기제어 개선효과를 검토하고 성능위주 설계를 위한 제도 개선방안이 제시되고 있다.
국가 화재안전 기준(NFSC 501A 2008)에서는 급기가압제연시스템의 차압을 40Pa이상으로 규정하고 있으며, 출입문은 110 N 이하로 규정하고 있다.
건축물 내 연기의 유동과 확산을 이끄는 주요 구동력은 제연구역간의 압력차라고 할 수 있다. 화재나 건축물 및 각종 설비의 특성에 따른 압력장 형성인자를 효과적으로 분석해 연기제어 시스템의 설계에 반영해야 한다.
연기구동의 인자에는 연기의 부력, 팽창력, 연돌 효과, 풍력 등이 있다. 그 중에서 연돌현상은 평상시에는 건축물의 상하층간 유동흐름에 의해 냉난방 불균형, 승강기 오작동 등의 사용상의 문제점을 유발할 수 있다. 뿐만 아니라, 화재시에는 수직적 유동흐름에 의해 저층부에서 발생한 화재가 상층부로 급격하게 확산되어 피해를 확산시킬 우려가 매우 크다.
따라서, 제연구역에서의 압력차를 이용하는 연기제어 시스템을 성공적으로 설계하고 운영하기 위해서는 건물내 압력형성에 큰 영향을 미치는 연돌효과를 타당하게 반영해야 한다.
초고층 건축물 수직유동(연돌현상) 제어를 위한 수직적·수평적 기밀화 방안은 피난대피층과 연계한 수직적 분절방안은 급기가압제연시스템에서 중요한 기술이다.
이 경우 압력분포 및 피난용 방화문의 개폐력이 주요 평가기준으로서 이에 대응하기 위한 네트워크 시뮬레이션(CONTAMW)기술이 새로운 성능 평가기술로 시도되고 있다.
■층별 대피공간 확보기술
대피공간은 거주자의 접근이 용이하고 이들과 가장 가까운 거리에 위치하고, 평상시에 유지관리가 자연스럽게 이루어지는 장소가 가장 바람직스럽다. 이러한 관점에서 고층 건축물의 화장실은 평상시 악취 등의 배출을 위해 송풍기와 풍도로 구성된 배기시스템이 설치되어 있다. 급수가 항상 이루어지고 있어서 화염과 연기에 대한 방호기능을 추가하면 화재발생시 긴급 대피공간으로 활용될 수 있다. 즉, 화장실 출입문이 방화성능을 갖추도록 전방 천장에 수막발생기를 설치하고 화재발생 신호가 감지되면 화장실 출입문의 전방에 상단에서 하단으로 수막을 형성해 화염으로부터 화장실 구획을 방호한다.
또한, 평상시 배기를 위해 가동하는 화장실의 배기시스템을 급기시스템으로 전환하고, 전환된 급기시스템을 통해 외부의 공기를 화장실로 공급해 가압이 되도록 함으로서 화재시 다량의 유독가스를 포함하고 있는 연기가 화장실로 유입되는 것을 방지하도록 한다.
이 기술은 건축물 어디에서나 연결할 수 있는 급수배관 및 소화배관을 이용하고, 기존의 배기설비를 이용함으로서 공사비를 크게 줄일 수 있다. 특히, 건물의 고층화와 노약자들의 비율이 높아지고 있는 고령화시대를 맞이하는 현시점에서 대피공간의 개념을 확립한 최초의 새로운 대피 공간 기술이다.
■무지향성 연기제어 댐퍼기술
급기가압제연시스템의 실 성능 확보를 위한 제연댐퍼시스템 개발에 관한 것이다. 급기가압제연시스템은 화재 발생시 재실자가 연기를 피해 대피할 수 있는 피난통로인 계단실과 거실 등의 실내공간의 사이에 전실을 두고, 제연댐퍼를 통해 기류를 공급해 방연풍속을 형성함으로써, 재실자가 안전하게 계단실을 이용해 안전하게 대피할 수 있도록 하는 시스템이다.
그러나, 기존 급기가압제연시스템의 자동차압조절용 제연댐퍼는 설치위치 및 방향에 따라 역류가 발생하는 등 제연성능에 문제가 발생되는 것으로 나타났다. 이에 따라 기류의 방향이 특정 방향으로 치우치지 않고 전실 내에서 골고루 퍼질 수 있도록 함으로써 화재안전성능을 개선할 수 있는 무지향성 제연댐퍼시스템을 개발했다. 건축물 제연설비의 설치목적은 화재시 발생하는 연기를 제어해 피난상의 안전 확보 및 연기에 의한 손실방지와 소방활동을 위한 시계확보 및 유독가스 배출, 공기의 흐름을 조정해 화재 연소 경로를 유도하기 위한 것이다.
■영구거푸집 겸용 내화시스템 기술개발
건축물에 적용되는 고강도콘크리트의 내화성능을 확보할 수 있는 방안에 관한 대책마련이 시급하다는 지적에 대응해 국토부는 건설현장에서는 고강도콘크리트의 내화성능을 시험 확인 후, 건설공사를 진행하도록 의무화하고 있다.
탄소 저감형 재료로 구성된 영구거푸집의 단열성능에 의해 내화성능을 확보할 수 있는 영구거푸집 겸용 내화시스템 기술 개발을 진행하고 있다.
이 기술의 핵심원리는 기존의 시멘트계 결합재가 아닌 시멘트를 사용하지 않는 탄소저감형 재료를 이용하며 영구거푸집의 단열효과에 의해 내화성능을 확보하는 것이다. 탄소저감형 재료의 미세한 C-S-H겔 구조를 통해 내화성능 확보 및 내구성 향상이 가능하다.
이 기술은 탄소저감형 재료로 구성된 영구거푸집의 우수한 단열효과에 의해 화재 발생 시 콘크리트로의 열전달을 적극적으로 차단해 폭력을 제어하는 손상저감형 공법으로서 화재 발생 후에도 잔존내력의 손실을 최소화해 구조안전성을 확보할 수 있다. 또한 콘크리트 타설 후에도 제거되지 않음으로써 거푸집 공사 및 마감 공사에 소요 되는 비용을 절감할 수 있는 공법이다.
초고층복합빌딩 관련 핵심기술 중 하나로, 국내뿐만 아니라 중동 등 초고층 빌딩에 적용 가능해 향후 국내 건설산업의 해외진출에 기반이 될 것으로 판단된다.
고도의 산업사회가 급속히 진행되면서 각국의 대도시에는 초고층 건축물이 증가하고 있다. 초고층 건축물은 국가의 건축기술을 가늠하는 잣대가 되고 있다. 그러나, 초고층 건축물이 갖는 기술의 상징성에 못지않게 화재 등 유사시의 안전성 확보는 해결해야 할 현안이 되고 있다.
이러한 관점에서 최근에 수행하고 있는 ‘초고층 빌딩 화재안전기술개발’을 통해 방화구획 경량벽체, 화장실 등 거주공간을 이용한 층별 대피공간 확보기술, 무지향성 제연댐퍼 기술, 화재층 가압기술 등 기존기술과 차별성을 확보할 수 있는 세계적인 수준의 기술을 개발했거나 개발 중에 있다. 이들 기술들은 우리고유의 특화기술로서 향후 고부가가치 안전기술로서 해외시장에서 기술 경쟁력을 확보하는데 일익을 담당할 것으로 기대된다.
