케이블관통부 내화충전구조 및 충전재 시험요건

[이봉달]

Enforcement / 케이블관통부 내화충전구조 및 충전재 시험요건

이종철 팀장
/ (사)대한전기협회 법령연구실

전력 및 통신설비 사용의 증가에 따라 대형 건물이나 전력소비가 많은 산업시설 등에서의 케이블 사용량이 점증하는 추세이다. 화재 발생시 건축물 내의 방화구획을 관통하는 케이블관통부를 통한 화재의 확산을 막기 위해 설치되는 케이블관통부의 내화충전구조체의 내화성능에 대한 이해가 중요하다.
본 고에서는 상업·산업용 건축물 및 전력시설 등에 설치되는 설비 또는 케이블관통부의 내화충전구조(이하 내화충전구조)의 시험방법 및 충전재의 내화특성 요건에 대해 여러 표준에 규정된 내화성능 요건들을 알아보고 이들 표준의 적용에 대한 이해 증진에 도움이 될 수 있도록 하고자 한다. 케이블관통부에 대한 것으로만 명명된 표준은 IEEE 634와 IEC 60092-390가 있으나 후자는 선박에 대한 것이어서 검토대상에서 제외한다.



사진 1. 서울 여의도 지하공동구 화재현장에 투입된 복구반원들이
불탄 케이블 등을 고치고 있는 모습

Ⅰ. 내화충전구조의 내화성능

1. 개요

방화구획으로서 내화충전구조의 요건은 화재시 화염이나 뜨거운 가스가 규정된 내화시간 동안 인접한 방화구획으로 통과되어 화재가 확산되지 않도록 하기 위해서 충전구조 자체가 쉽게 연소하지 않아야 함은 물론, 화재가 발생한 방화구획으로부터 내화충전구조를 통한 열전달에 의해서도 화재가 발생하지 않은 방화구획내의 가연물질이 발화되지 않아야 한다. 또한 화재진압을 위한 소화수 살수시에도 내화충전구조에 화염이나 뜨거운 가스가 통과될 수 있는 구멍이 생기지 않도록 구조적 건전성을 유지하여야 한다.

2. 내화충전구조의 시험 및 요건

가. KS F 2842 [1]

KS F 2842는 2001년 6월 제정되었으며, ISO의 해당 표준이 없으므로 ASTM E 814[2]를 근간으로 작성된 것으로 파이프, 전선, 케이블 등 건축 구조 부재가 관통하는 부위에 생기는 틈새 등 개구부를 통해 화재가 확대하는 것을 방지하기 위해 쓰이는 구조공법에 대한 내화시험 방법이며 그 개요는 다음과 같다.

1) 내화등급의 구분
- F급: 가열시험시 시험체 이면에 화염이 발생되지 않고 주수시험에 적합한 성능을 갖는 내화 충전구조
- T급: 가열시험시 시험체 이면에 화염이 발생되지 않고, 온도상승 제한 요건(비가열면 온도상승은 평균 140K, 최고 180K 이하)과 주수시험 요건에 적합한 성능을 갖는 내화 충전구조

2) 가열시험
가열로 및 가열 시간별 가열로내 온도는 KS F 2257-1[3]에 따르도록 하고 있다. 가열로내의 시간대별 온도를 수식화한 식은 아래와 같으며 시험의 합격요건은 F급 및 T급의 구분요건에 적합하여야 한다.
T = 345*log10(8t + 1) + 20
여기서 T: 가열로 내 평균온도, t: 가열시간(분)

3) 주수시험
가열등급의 1/2과 동일한 시간, 최대 1시간으로 가열시험 후 표1에 기술된 압력과 시간으로, 주수시험에 의한 충격, 침식, 냉각효과를 받을 수 있도록 지름 29mm 노즐로 6m 전방에서 시험체의 중앙부분으로부터 서서히 방향을 변화 시키면서 가열면 모든 부분에 즉시 실시하며 F급 및 T급 공히 이면으로 물을 방사하는 어떠한 개구부도 생기지 않아야 한다.

내화시간	노즐에서 수압(kPa)	가열면적당 적용시간(s/m2)
4시간 이상, 6시간 미만	310	32
2시간 이상, 4시간 미만	210	16
1.5시간 이상, 2시간 미만	210	10
1.5시간 미만	210	6

표 1

4) 압력(차압)요건
시험 의뢰자의 요구에 따라 KS F 2257-4[4] 및 KS F 2257-5[5]에 의해 시험

나. FS 012 [6]

FS 012는 한국화재보험협회 부설 방재시험연구소 규격으로 ASTM E 814를 근간으로 하여 1988년 제정된 이래 4번째 개정판이 2000년 11월 제정되고 2006년 1월 확인된 규격으로서 KS F 2842가 제정되기 전까지 내화충전구조의 시험방법으로 적용되어 왔다. 가열온도-시간, 온도측정 열전대의 개수, 위치 등은 KS F 2842와 유사하나 주수시험의 경우 KS F 2842와 아래와 같은 차이가 있다.

1) 주수시험 시점
- FS 012: 등급별 가열시간 경과 후 10분 이내
- KS F 2842: 등급별 가열시간 경과 후 즉시

2) 주수 노즐 및 방사 압력
- FS 012: 노즐직경; 12.7mm, 방사압력; 137.3kPa
- KS F 2842: 노즐직경; 29mm, 방사압력; 가열시간등급 4시간까지; 210kPa

3) 주수량
- FS 012: 2분간
- KS F 2842: 내화시간 등급별 가열면적당 시간으로 규정(1시간 미만; 6s/m2, 1.5~2시간; 10s/m2, 2~4시간; 16s/ m2)
* 1시간 내화등급, 내화충진구조 면적1m2의 경우 등가 주수량 비교
▶ FS 012: 0.247m3
▶ KS F 2842: 0.080 m3

4) 방사거리 및 주수각도:
- FS 012: 주수거리; 수평 5m, 주수각도; 45도
- KS F 2842: 주수거리; 6m, 주수각도; 명시 없음

5) 주수방법
- FS 012: 명시 없음
- KS F 2842: 중앙부분으로부터 서서히 방향을 변화시키면서 가열면 모든 부분에 주수

다. ASTM E 814

ASTM E 119[7]의 시험방법에 따라 평가되는 내화벽의 관통부에 적용되는 시험방법으로 주수시험에 합격하였더라도 실제 화재시 케이블 등의 지지체의 손괴나 낙하물에 대한 구조적 건전성이 보장된다고는 볼 수 없다고 전제를 하고 있다.

1) 내화등급의 구분
KS F 2842와 같이 F급과 T급으로 구분

2) 가열시험
가열시간-온도 조건은 6시간 30분까지의 온도 및 온도상승률을 도표로 규정하고 있으며 시간별 온도는 KS F 2842에 규정된 시간-온도 수식의 결과와 유사하다. 온도 측정을 위한 열전대의 수 및 위치에 다소 차이가 있으나 방화성능 요건으로는 큰 차이가 없어 보이며 참조 표준 개정판의 반영 시점의 차이로 인한 것으로 보인다. 비가열면측의 최고 온도상승은 181K 이하이며 평균온도 상승의 제한요건은 없음

3) 주수시험
주수시점, 주수 압력 및 시간은 KS F 2842에 규정된 바와 동일하나 주수방법은 2002년 ASTM E 2226[8]이 제정됨에 따라 이에 준하도록 함.(ASTM E 2226 제정 전에는 “골고루(Evenly) 분사”로 명시)

* ASTM E 2226의 주수시험 방법
ASTM E 2226에서는 물을 줄기상태로 분사하는 것을 표준으로 하고 있으며 64mm호스에 29mm 지름의 Smooth-bore형 노즐을 사용, 6.1m ± 0.3m 거리에서 90도 각도로 주수하며 주수각도를 90도로 하지 않을 경우 거리를 공식에 따라 조절토록 하고 있다. 피시험체에 닿는 물줄기의 이동속도는 0.9~1.8m/s, 물줄기의 이동경로는 아래 그림과 같이 주수토록 규정하고 있으나 기술적인 면에서 정확성이 다소 결여 되어 있다.

표준에 주수의 형상이 노즐로부터 물이 일정한 각도로 퍼져 물방울의 상태로 피시험체에 닿게 하는 방법과 물이 퍼지지 않고 물줄기(Solid stream) 상태로 피시험체에 닿게 하는 방법을 규정하고 있는데, 단위 시간당 동일한 수량과 압력으로 방사할 경우 피시험체에 가해지는 국부충격에너지는 물이 줄기상태로 방사될 경우가 훨씬 크다고 보아야 할 것이다.

4) 압력(차압)요건
- 표준요건: 가열면측이 비가열면측 보다 2.5Pa 높게 유지
- 비표준: 시험의뢰자 요구에 따름

라. IEEE Std 634[9]

케이블관통부 만의 내화충전구조에 대해 제정된 유일한 표준으로 1978년 제정되었다가 1990년 잠정 폐지된 후 2004년 개정판이 제정되었으며 발전소, 상업 및 산업시설에 적용되는 표준이며 일반형(Type Ⅰ) 검증과 케이블특정형(Type Ⅱ) 검증이 있다.



그림 1

시험체의 구조는 실제 설치조건과 동일한 구조로 하거나 IEEE Std 634에서 권장하는 모듈(Module)로 시험하여 검증한다.

1) 내화등급의 구분
- Type I 시험의 경우 KS F 2842와 동일하나 T급의 시험시 비가열면 온도상승은 평균이 139K, 최고 181K로 제한하고 있으며,
- Type II 시험의 경우 ASTM D 1929에 따라 사용 케이블의 인화온도와 발화온도를 측정하여 이를 기준으로 비가열면측의 온도를 제한토록 하고 있으며 온도상승 제한치는 사용된 케이블 중의 최저 자연발화온도에 도달하지 않도록 규정

2) 가열시험
ASTM E 119에 따르고 있으며 KS F 2257-1의 근거인 ISO 834-1와 ASTM E 119가 서로 유사하므로 IEEE 634는 KS F 2842와 유사하다고 볼 수 있다.

* ISO 834-1에 근거한 KS F 2257-1와 ASTM E 119의 30분, 1시간, 2시간 및 3시간 경과시의 가열시간-온도를 보면 KSF 2257-1는 842℃, 945℃, 1049℃ 및 1110℃이고 ASTM E 119는 843℃, 927℃, 1010℃, 1052℃로 큰 차이는 없으나 가열시간이 길어질수록 KS F 2257-1의 온도가 조금 높다.

3) 주수시험
- 방법 A는 ASTM E 814와 동일 하며,
- 방법 B는 발전소에 한한 것으로 구경 38.1mm호스에 전기설비용으로 승인된 분사각 30도의 Fog nozzle을 사용, 주수압력 517Pa, 주수량 0.248m3/min, 시험체의 면적에 따른 주수시간 2min/9.29m2, 시험체로부터 3m 이격한 거리에서 시험체의 중앙으로 주수토록 규정

4) 압력(차압)요건
ASTM E 814의 요건과 동일함

Ⅱ. 충전재의 연소특성 요건

1. 개요

내화충전구조를 구성하는 충전재는 화재에 노출되었을 경우 자신이 전혀 연소하지 않거나 다소 연소가 되더라도 요구된 내화시간 동안 인접한 방화구획으로 화염이나 뜨거운 가스가 확산되지 않고 충전재를 통한 열전달에 의해 이면에 발화가 일어나지 않는 재료이어야 하며 구조적으로는 주수시험시 구멍이 뚫려 이면으로 주수가 통과하지 않는 구조상의 기계적 강도를 유지하여야 한다. 내화충전구조의 시험요건을 만족하는 충전재의 재료로서 무기물질이나 난연성 또는 불연성의 유기물질이 사용될 수 있으므로 내화충전구조의 시험요건에 추가로 충전재에 대한 연소특성 요건을 추가할 수도 있다.

전술한 IEEE Std 634를 제외한 다른 표준에서는 충전구조의 충전재 연소특성 요건을 규정하고 있지 않으나 IEEE Std 634에서는 충전재에 대해 이를 요건화하고 시험방법으로는 ASTM E 84와 ASTM E 2863에 의하도록 하고 있으며 미국의 경우 이 요건에 의한 시험방법이 NFPA 표준에 널리 준용되고 있으므로 IEEE Std 634에서 요구하는 충전재의 연소특성과 불연성 물질에 대한 이해가 필요하다.

2. IEEE Std 634의 충전재 연소특성 요건

가. 충전재 연소특성 요건
케이블을 제외한 충전재는 ASTM E 84[10]의 시험에 의한 화염확산지수(FSI; Flame Spread Index)가 25 이하인 재질을 사용하고 ASTM E 84의 시험방법 적용이 곤란한 재질의 경우 ASTM E 2863[11]에 의한 산소지수(OI; Oxygen Index)가 25 이상일 것

나. 화염확산 지수(FSI; Smoke Developed Index)
ASTM E 84에서 규정하는 건축물에 사용되는 재료들에 대한 화염확산 정도를 측정하는 시험으로 건축재료의 화염확산의 정도를 불연성의 무기질 강화시멘트판을 “0”으로 하고 적참나무(Red Oak)의 시편을 “100”으로하여 화염에 노출시켰을 때 화염의 확산정도를 상대 비교하는 방법이다. 시험시 사용되는 적참나무 표준시편의 크기는 폭 508mm(24inch), 길이 7.32m(24ft), 두께 18.3mm(23/32inch)이며 이 시편이 화염과 직접 접촉할 수 있는 면적(시험 Tunnel 내에서 화염에 노출되는 면적)은 폭 444.5mm(17.5inch), 길이 7.32m(24ft)로 한다.

본 시험방법은 후술하는 연기발생지수와 마찬가지로 IEEE Std 634 및 미국의 원자력규제위원회(NRC)가 발전소의 케이블관통부 내화충전구조의 난연성능 시험방법으로써 채택하고 있으며 NFPA의 여러 표준들도 난연성능의 기준으로 ASTM E 84를 준용하고 있다. 동일한 시험규정으로는 UL 723과 NFPA 255이 있다.

다. 연기발생지수(SDI; Smoke-developed Index)
IEEE Std 634에서는 요구하고 있지 않으나 건축재료의 불연성 평가요소로 많이 사용되며 ASTM E 84의 화염확산 지수 측정시와 같은 시료와 방법으로 시험하여 연소시의 연기발생 정도를 측정하여 표준시료와의 상대비교 수치로 나타내는 지수이다. 유사표준으로는 ISO 9705, ISO 5660-2 등이 있다.

라. 산소지수(OI; Oxygen Index)
ASTM E 2863에서 규정하는 물질이 연소하는데 필요한 산소량의 과다를 측정하는 방법으로 공기중의 산소가 체적비로 약 21% 임에 착안, 물질의 연소시 요구되는 공기중 산소의 체적 백분율 값을 산소지수(Oxygen Index)로 한 것으로 지수가 클수록 공기중에서 연소하기 어려운 물질이다. 산소지수는 케이블의 절연재나 외피, 플라스틱(Plastic)류의 난연성 측정방법으로 NFPA에서 채용하는 방법이다.

3. 불연성 재료의 정의

재료의 불연성요건에 대한 기술규격 작성의 경우나 시험결과 평가시 불연성(Non-combustibility)의 판정기준에 대한 논란의 경우가 상당하므로 불연성에 대한 기준선정과 시험방법에 대한 적용표준의 선정에 주의가 필요하므로 현재 국내외의 불연성 물질에 대한 정의와 시험방법을 알아 본다.

가. 건축물의 피난·방화 구조 등의 기준
- 750℃로 가열하여도 연소하지 아니하고 자기발화에 충분한 양의 인화성 증기를 발생하지 않는 재료로서, KS F 2271의 시험에 따라 발연계수가 30 이하이고 온도상승이 초기온도에서 50℃를 초과하지 않아야 한다.
* 2006.6 현재 건축물의 피난·방화구조 등의 기준에 관한 규칙에서 개정되어 건축물 내부마감재료의 난연성기준(안)으로 고시되어 있는 기준은 KS F ISO 1182에 따른 시험결과 가열시험 개시 후 20분간 가열로 내의 최고온도가 최종1분간 평균온도를 20K 초과 상승하지 않아야 하며, 가열종료 후 시험체의 질량감소율이 30% 이하 이어야 한다고 규정하고 있다.

나. NFPA 101[12]
ASTM E 136[13]의 시험에 합격한 재료로서,
- 750℃의 가열로 내에서 규정시간 동안 가열후 질량의 손실이 시험전 시편의 50% 이하인 경우에는 온도상승이 초기온도에서 30℃를 초과하지 않고 초기30초 동안 화염의 발생이 없어야 한다.
- 750℃의 가열로 내에서 규정시간 동안 가열후 질량의 손실이 시험전 시편의 50%를 초과하는 경우에는 시료의 온도가 초기안정온도(750℃)를 초과하지 않고 시험기간 동안 화염의 발생이 없어야 한다.

다. ISO 1182[14]
- 난연성 시험방법만을 규정한 것으로 ASTM E 136의 시험방법과 과 유사하며,
- ISO R 1182에서 제안기준으로 온도상승이 50℃ 이하이고, 화염발생이 기간이 20초 이하이며, 질량손실이 50% 이하인 경우로 정하였으나 현재는 기준이 없는 상태임

Ⅲ. 내화충전구조 시험요건에 대한 검토

1. 내화등급

ASTM E 814를 근간으로 한 표준들은 공히 F등급과 T등급으로 구분지어 요건을 정하고 있는데 이는 방화구획을 관통하는 부재들이 열 전도율이 높은 경우에 대해 열전도에 의한 발화를 막기 위한 요건이므로 통상 관통부재들이 열 전도율이 높은 케이블 도체나 금속제 배관이 관통하게 되므로 케이블관통부 충전구조물의 경우 안전을 고려 T급으로 시험토록 하는 것이 합리적이라 하겠다. 그러나 도체가 구리며 단면적이 큰 전력케이블의 경우는 열전도가 좋아 비가열면의 온도가 높게 나타날 것이므로 경제성을 고려 선정에 신중을 기하여야 할 것이다. 개정전의 IEEE 634(1978)에서는 비가열면의 온도상승 한도를 371K로 제한 하였으며 ASTM E 814 Appendix X1에 의하면 내화등급의 구분에 있어 많은 토론이 있었던 것으로 되어 기술되어 있다.

2. 가열시험

가열시험 방법으로 참조되는 KS F 2257의 근거인 ISO 834와 ASTM E 119가 서로 유사하며 서로 조화화는 방향으로 변화하고 있기 때문에 가열시험 방법의 선정에 있어서는 큰 어려움이 없을 것으로 보이나 시험 후의 판정기준의 설정에 있어 구조의 상태가 어떤 상태로 유지되고 있어야 할 것인가에 대한 기준설정에 있어 주의를 요한다.

3. 주수시험

주수시험의 방법의 객관성이 많은 논란이 되어 왔던 사안이나 규격의 국제화가 진행되고 있는 현 시점에서도 전술한 바와 같이 주수량, 주수압력, 충전구조면에 대한 주수방법, 주수시간의 적정성 등에 있어서 상당한 차이를 보이고 있다. 특히 주수방법에 있어서 시험자의 주관에 따라 시험결과가 다를 수 있으므로 시험의 반복신뢰도에 대한 불확실성이 제기될 소지가 다분히 있다. 따라서 피시품의 치수별로 자동화된 주수방법이 개발되기 까지는 시험결과의 신뢰성에 대해 다소의 문제가 상존하게 될 것으로 보인다.

4. 압력차 요건

압력차 요건은 내화충전구조의 설치환경에 따라 크게 좌우되게 되므로 기준설정시 내화충전구조의 설치환경, 특히 화재시 배연계통의 운전조건, 설치위치의 고저 등을 고려하여 설정하여야 한다. 내화충전구조의 설치위치에 따라 정압 또는 부압이 걸리는 경우가 있고 대체로 건물의 상부가 정압 건물의 하부는 부압으로 나타나며 최대 125Pa까지 차압이 부과될 수 있는 것으로 보고되어 있다. 따라서 압력요건에 대해서는 내화충진구조 발주시 규격서 작성기술자의 설치 환경에 대해 면밀히 고려 후 설정되어야 할 것이다.

5. 화염확산지수의 적용

ASTM E 84의 화염확산지수 측정용의 시험의 시료가 일반 재료의 물성시험 방법으로 불합리할 정도로 큰(폭: 0.508m, 길이: 7.32m)것은 미국에서의 많은 인명사고를 낸 화재의 공통점이 건물내장 마감재의 빠른 화염확산에 기인하였기 때문으로 시료를 길이를 길게(7.32m) 하여 발화시 화염확산 정도를 평가하기 위한 목적으로 제정된 것이다. 시험규정의 제정 목적으로 보아 ASTM E 84는 내화충전구조의 시험방법으로는 합리적이지 않은 것으로 판단된다.

케이블의 절연재나 외피 등의 난연성 측정 시험방법에 적용되는 ASTM E 2863, ASTM E 662 등이 합리적인 시험방법으로 판단되며 ASTM E 2863의 경우 시편의 최대 크기가 폭 12.5mm, 길이 76.2mm, 두께 25.4mm 이며, ASTM E 662의 경우는 폭 76.2mm, 길이 76.2mm, 두께 25.4mm, 불연성 시험규정인 ASTM E 136은 시편통의 크기가 가로, 세로가 각각 40mm, 높이가 70mm에 지나지 않는다.





사진 2. 지하철 공사와 소방관계자들이 14일 오후 불이 난 지하철 1호선
청량리역 승강장밑 전력케이블에서 확인 조사를 하고 있다. (1999. 8. 14)

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<참고문헌>
[1] KS F 2842-2001, 설비 관통 부위의 충전구조에 대한 내화시험 방법
[2] ASTM E 814-2006, Standard Test Method for Fire Tests of
　　Through-Penetration Fire Stops.
[3] KS F 2257-1-2005, 건축구조의 내화시험 방법-일반요구사항
　 [4] KS F 2257-4-2005, 건축구조의 내화시험 방법-수직 비내력
　　구획부재의 성능조건
[5] KS F 2257-5-2005, 건축구조의 내화시험 방법-수평 비내력
　　구획부재의 성능조건
[6] FILK 012-2005, 내화충전구조의 시험 방법(한국화재보험협회부설
　　방재시험연구소)
[7] ASTM E 119-2005a, Standard Test Method for Fire Test of Building
　　Construction.
[8] ASTM E 2226-2002, Standard Practice for Application of Hose
　　Stream.
[9] IEEE Std 634-2004, Cable-Penetration Fire Stop Qualification Test.
[10] ASTM E 84-2006, Standard Test Method for Surface Burning
　　Characteristics of Building Materials.
[11] ASTM D 2863-2006a, Standard Test Method for Measuring the
　　Minimum Oxygen Concentration to Support Candle-Like
　　Combustion of Plastics (Oxygen Index).
[12] NFPA 101-2003, Life Safety Code.
[13] ASTM E 136-2004, Standard Test Method for Behavior of
　　Materials in a Vertical Tube Furnace at 750℃
[14] ISO 1182-2004, Reaction to fire tests for building products-Non-
　　combustibility test

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☞자료출처: http://rm.samsungfire.com/pub/html/2006/2006fal06.html

[꿈꾸는 거북이]

KS F 2842 아직 살아 있나요? 폐지 되었다고 들었는데요... 몰라서 묻습니다.