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1. 서론

건축물에서 발생되는 화재사고에 대응하기 위해서 건축물의 방화구획 설정과 방화구획의 인접공간으로 화염의 확산억제가 기본적인 방호대책으로 설정된다. 국내·외의 화재방호는 필연적으로 제도에 의존되고 국내에서는 법규중심의 사양설계가 진행되고 있으며, 소방법에서는 일부 성능위주 화재안전 설계가 진행되고 있다. 법규 중심의 화재방호는 구획공간에서의 화재성상 예측보다는 이 후 대책에 초점을 두고 있기 때문에 실제 화재방호는 법규에서 제시하는 기준에 맞는 설계를 하면 된다. 하지만, 이러한 화재안전 설계는 일정 규모 이하의 건축물에서는 용이하게 사용될 수 있지만, 초고층과대공간 건축물 등에서는 정확한 화재방호 대책의 수립이 어렵게 된다.

예를 들면, 공항 터미널과 같이 대공간이 있는 건축물에서도 최대 3,000 m²이내에서 방화구획을 설정해야 되는 문제가 발생한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 국내의 성능위주 화재안전 설계 기법의 도입이 항시 대두되고 있지만, 공학적 화재예측 기법의 신뢰성 및 제도적 미비로 인해 국내에서는 시행되고 있지 못한 실정이다.

성능위주 화재안전 설계에서는 기존의 국내법에서 제시하고 있는 설계 방법과 함께 대안적인 설계 방법을 고려하여 좀더 합리적인 설계를 선택하여 진행할 수 있게 되며, 이 때 건축물에서의 화재성상 예측에 사용되는 공학적 화재예측 기법의 시작점은 설계화재(Design Fire) 설정이다.

설계화재에서 고려되는 대표적인 인자는 온도와 열방출률(HRR: Heat Release Rate)로 나타낼 수 있으며(Barnett (1998)), 현재 국내의 내화설계에서는 KS F 2257-1(2014)과 ISO 834-1(1999)에서 제시하는 표준시간-가열 온도 곡선을 통해 건축물구조체의 내화성능을 평가하고 있다. 기준에서 제시되고 있는 온도 곡선은 내화설계에서는 적절히 사용될 수 있지만, 피난, 연기제어와 소방시스템 분야에서는 초기의 급격한 온도 성장특성으로 인해 사용되지 못한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 건축물에서 설계화재를 통해 구획공간에서의 온도 성상을 예측할 수 있지만, 현재 국내에서는 관련 기초 DB의 부족 등으로 인해 관련 분야의 연구가 미진한 상태이다. 따라서 본 연구에서는 국내·외에서 사용되고 있는 표준온도 곡선과 공학적 온도성장 예측 곡선을 분석하고 실규모의 화재실험 데이터를 사용하여 실제 적용 가능한 온도성장 곡선을 분석해보고자 하였다.

2. 온도성장 곡선

구획공간에서의 화재성상은 공간 내의 연료가 가열되는 초기, 성장, 연소와 소멸 단계로 진행된다. 이러한 단계는 각 화재성상에 따라 소방시스템, 연기제어, 피난, 화염확산과 내화를 구분하기 위해 제시되기 때문에, 실제 요소기술별 사용되는 온도 성장 곡선은 다르게 나타난다(Buchanan, 2001). 이는 구획공간에서 각 요소기술의 적용시점이 플래시오버 이전 단계와 이후 단계로 구분되기 때문에 각 상황별 상이한 온도 곡선을 사용하게 된다. 국내·외에서 기준으로 제시되어 사용되는 표준 온도성장 곡선은 내화설계 분야에서 주로 사용되고 플래시오버 이전 단계에서 적용되는 공학적 온도성장 곡선은공학적 화재특성 예측 기법을 통해 국가별로 상이하게 사용되고 있다.

2.1 표준 온도성장곡선

건축 구조물과 재료에 대한 표준화재 시험(내화 가열로 시험)은 법규 중심의 내화성능 평가 방법이며, 이러한 시험 방법들 중에는 ASTM E 119, ISO 834와 Europen 코드가 있다. 내화시험 방법은 건축물의 기둥, 보와 바닥 등을 대상으로 최대 온도에서 화염에 노출되지 않는 표면에서의 변형과 붕괴에 대한 기준으로 평가하고 있지만, 구성 요소 간의 연결부와 결합부에 대해서는 평가하지 않고 있다(Collette, 2007).

BSI PD 7974-3(2011)에서는 Fig. 1과 같이 내화 가열로 시험을 위해서 표준 온도 곡선들을 제시하고 있다. 일반적으로 사용되는 BS 476-20(BS EN 1363-1, ISO 834-1)과 같은 곡선은 건축물에서 대부분의 재료가 탄화수소(플라스틱)로 구성되어 있는 것으로 가정하여 단시간에 높은 온도 상승을 나타내고 있다. 또한 표준 온도 성장 곡선에서는 구획 공간 내에서의 화재하중 값, 분포와 환기조건 등을 고려하지 않는다.

Fig. 1

Nominal standard fire curves

2.2 공학적 온도성장 곡선

플래시오버 이전 단계에서의 온도성장 예측은 구획 내부의 가연물 종류와 양 및 환기특성 등에 많은 영향을 받는다. 따라서 플래시오버 이후 단계의 내화설계에서 사용되는 표준온도 곡선에 비해 국제적으로 사용되기 보다는 각국에서의 연구를 바탕으로 제한적으로 사용되고 있다. 본 연구에서는 다음에서 제시하고 있는 공학적 온도예측 기법과 실규모의 연소실험 데이터를 적용하여 신뢰성을 분석해보고자 하였다.

2.2.1 BFD Curves

구획공간에서의 온도 성장을 예측하는 방법으로 Barnett(2002)이 총 142회 이상의 화재실험의 결과를 통해서 식 (1)과 같이 제시한 BFD 곡선이 있다(Kweon, 2014). BFD 곡선을 위해서 사용된 총 142번의 화재실험 데이터는 목재크립(132번 실험), 휘발유(1회), 등유(1회), 폴리우레탄폼(2회), 자동차(2회), 의자(3회)와 가구류 세트(1회)로 구성되고 화재실험을 통해 측정된 데이터와 BFD 곡선의 정확도는 87%로 나타났다.

(1)Tg=Ta+Tme−z

(2)z=(loget−logetm)2/sc

T_g는 시간에 따른 가스 온도(°C), T_a는 초기온도(°C), T_m은 최대 가스 온도(°C), t_m은 T_m이 발생되는 시간(min)이고 S_c는 형상계수이다.

Fig. 2에서는 최대 온도의 범위가 200~1,000°C, 도달시간이 60분이고 형태계수가 1일 때의 곡선의 예제를 나타내고 있다.

Fig. 2

BFD Curve by max. temperature

2.2.2 New Curves

Blagojevićand Pešić(2011)가 제시한 New 곡선은 기존의 문헌의 실험 데이터를 바탕으로 구획 공간에서의 연료의 종류와 환기 특성을 고려하여 제시되었다. 온도성장 곡선은 최대 온도, 도달시간과 형태특성에 의해 결정되며, 식 (3)과 같이 제시된다.

(3)y=a[xbexp(1−xb)]c

y는 온도(°C) 변화, x는 시간(min), a는 정상상태에서의 최대온도(°C), b는 최대온도 도달시간(min)이고 c는 보정 변수이다.

해당 곡선도 BFD 곡선과 유사하게 온도 성장곡선의 형태를 결정하는 요인으로 보정 변수를 제시하고 있으며, 이를 결정하기 위해서는 기초적인 실험데이터가 필요하다. Fig. 3에서는 보정 변수에 따른 온도성장 곡선의 변화를 보여주고 있다.

Fig. 3

Function for time-temperature

3. 실규모 연소실험

3.1 실규모 연소실험 방법

구획공간 내에서의 온도 성상 예측 기법을 분석하기 위해서KS F ISO 9705(2009)에 따른 룸코너테스터(RCT: Room Corner Tester)에서 햅탄 풀버너를 사용하여 연소실험을 진행하였다. 연소실험은 0.46(L)×0.46(W)×0.15(H) m(이하 버너A)와 0.65(L)×0.65(W)×0.15(H) m(이하 버너 B) 크기인 2개의 플버너를 사용하였으며, 햅탄 1 L를 실험에 사용하였다.

연소실험은 풀버너에서 햅탄이 전부 연소될 때까지 진행되었으며, 실험을 통해서는 열방출률과 내부의 온도변화를 측정하였다. Table 1에서는 연소실험에 대한 시나리오를 나타내고 있다. 온도변화는 K-Type 열전대 선을 사용하였으며, Fig. 4와 같이 내부 2지점에 온도 트리를 위치하고 온도 트리별 총 10개의 열전대선을 바닥면에서부터 300~2,100 mm에 열전대선을 설치하였다.

Table 1

Scenario of combustion experiment

Fig. 4

Position of Thermocouples

3.2 실규모 연소실험 결과

구획 공간에서의 온도성장 분석을 위해 2종류의 햅탄 풀버너를 사용하여 연소실험을 진행하였으며, 연소실험을 통해 열방출률 및 내부 온도변화를 측정하였다. Fig. 5에서는 풀버너를 사용한 연소실험을 나타내고 있다.

Fig. 5

Photo of combustion experiment

연소실험은 햅탄이 소모될 때 까지 진행하였으며, Fig. 6에는 실험을 통해서 측정된 열방출률 제시하였다. 풀버너의 면적에 따라 연소시간은 차이가 다소 발생되었지만, 3.5분 이내에 종료되었다. 최대 열방출률은 버너 A에서 실험시작 약 48초에 260.3 kW, 버너 B에서는 실험 약 30초에 443.1 kW로 측정되었다.

Fig. 6

Results of combustion experiment(HRR)

연소실험을 통해서 측정된 온도변화는 Fig. 7에서 보여주고 있으며, 구획공간의 온도 변화의 특성에 따라 상부지점(1,300~2,100 mm)과 하부지점(300~1,100 mm)으로 구분하였다(Qiang et al. (2010)). 구획공간에서의 온도 변화는 천장면에서 화염이 바닥면으로 하강하기 때문에 온도의 변화가 상부와 하부지점에서 상이하게 나타났다.

Fig. 7

Results of combustion experiment(Temp.)

본 연구에서는 상부지점에서의 온도성상 자료를 바탕으로 상기에서 제시한 BFD 곡선과 New 곡선을 분석하였다. Table 2에서는 연소실험을 통해 측정된 상부지점에서의 최대 온도와 도달시간을 제시하고 있다. 버너 A에서는 75~78초 사이에 최대온도가 도달하였으며, 버너 B에서는 44~51초 사이에 최대온도에 도달하였다.

Table 2

Max. temperature & reached time

4. 온도성장 예측 기법 분석

본 연구에서는 구획 공간에서의 온도 성상 예측 기법을 분석하기 위해 기존의 국외에서 제시되고 있는 공학적 온도 성장 곡선과 연소실험 데이터를 비교 분석하고자 하였다. BFD곡선과 New 곡선에서는 구획 공간에서의 최대 온도와 도달시간을 공통 인자로 사용하고 있으며, 형태계수 혹은 보정변수를 통해 곡선의 형태를 결정하고 있다. BFD 곡선에서의 형태계수는 구획 공간의 환기 특성에 따라 계수를 결정하는 방법도 제시하고 있으며, Table 3에서는 연소실험 결과를 바탕으로 해당 곡선에서 사용되는 인자값을 나타내고 있으며, 사용된 인자는 버너 A와 B에서 측정된 위치별 최고온도와 도달시점을 사용하였다.

Table 3

Data of fire engineering method

Fig. 8에서는 앞서 제시한 데이터들을 이용하여 구획공간에서의 연소실험 결과와 각 곡선들의 비교를 나타내고 있다. 온도성상 예측 곡선들은 기본적으로 최대온도와 도달 시점을 사용하기 때문에 실험데이터와의 최대 온도 도달은 유사한 형태를 보여주고 있다. New 곡선과 BFD 곡선은 온도성장기보다는 쇠퇴기에서 차이를 보이고 있으며, New 곡선이 좀 더 실험데이터와의 일치성을 보여주고 있다.

Fig. 8

Compare with Experimental data & fire engineering curve

온도성상 예측 곡선은 실험데이터와의 비교적 높은 수준의 일치성을 보여주고 있지만, 해당 방법들은 기본적인 설정값인 최대온도와 도달시간에 대한 데이터를 필요로 한다. 국내에서는 구획공간에 대한 정확한 기준이 제시되고 있지 못하고 있지만, 뉴질랜드에서는 Table 4와 같이 화재위험도별 구획공간에서의 최대 가스온도를 성능위주 화재안전 설계 방법에서 제시하고 있다(Barnett and Clifton, 2004).

Table 4

Max. temperature by fire hazard

구획공간에서의 온도성상 예측은 초기의 화재 감지, 확산방지와 피난설계 등에서 중요하지만, 기본적인 데이터 설정 및 기준의 미비로 인해 t²성장 곡선을 주로 사용하고 있다. t²성장 곡선은 사용의 편의성을 가지고 있지만 세부적인 구획 공간의 특성을 반영하지 못하고 성장률에 따라 화재 초기에 너무 큰 차이를 보이고 있다.

따라서 본 연구에서 제시하고 있는 공학적 온도성장 곡선을 좀 더 보완하고 개선하는 연구를 통해 기초 데이터 및 기준이 설정되면, 구획공간에서의 온도성상 예측 기법에 기존 설계방법에 대한 대안으로 사용될 수 있을 것이다.

5. 결론

본 연구에서는 구획공간에서의 온도성장 곡선이 사용되는 표준온도 곡선과 공학적 온도성상 예측 기법들을 비교·분석해보고 실규모의 연소실험을 통해서 관련 기법들의 사용 가능성을 확인해 보고자 하였다.

국내·외에서 기준 및 제도화로 사용되고 있는 표준온도 곡선은 가열로를 이용한 내화성능 평가 기법에서 사용되는 방법으로 플래시오버 이후 단계에서 적용될 수 있다. 현재 국내에서는 플래시오버 이전 단계에 필요한 구획공간에서의 온도성장 예측은 t²성장 곡선을 사용하고 있지만, 구획 공간의 정확한 특성을 반영하지 못하고 성장률에 따라 화재 초기에 너무 큰 차이를 보이는 단점을 나타내고 있다. 이는 향후 도입이 요구되는 성능위주 화재안전 설계에 기본이 되는 구획공간에서의 화재특성 분석에 많은 어려움을 가져오고 있다.

국외에서는 실규모의 실험데이터를 통해서 공학적 온도성장 예측 기법들이 제시되고 있다. 본 연구에서는 BFD와 New 곡선으로 제안되고 있는 방법들을 실규모 연소실험 데이터를 사용하여 분석하였다. 연소실험은 2.4(L)×3.6(W)×2.4(H) m크기의 구획 공간에서 0.46(L)×0.46(W)×0.15(H) m와 0.65(L)×0.65(W)×0.15(H) m 크기인 햅탄 풀버너를 사용하였다.

BFD와 New 곡선은 실험데이터와 유사한 형태로 나타났으며, 온도가 감소하는 구간에서 New 곡선이 좀 더 나은 결과를 보여주고 있다. 해당 곡선들은 최대온도와 도달시간과 같은 기본적인 데이터를 사용하기 때문에 구획공간에서의 실험데이터 확보가 필요하다. 국외에서는 이러한 어려움을 해결하기 위해 가이드라인 등에서 구획공간의 화재위험도 분류별 최대온도를 제시하여 성능위주 화재안전 설계에 사용되고 있으며, 이러한 방법들을 통해 해당 기법들을 국내에서도 활용할 수 있을 것이다.

구획공간에서의 온도성상 예측은 화재안전 설계의 기본이 되기 때문에 많은 연구들이 진행되고 있지만, 현실적으로 실제 상황을 정확히 예측할 수는 없다. 이러한 상황을 고려하여, 향후에는 일정 수준 이상의 신뢰성에 대한 기준을 국내에서 정립하고 화재방호 대책에 좀 더 집중되어 실효성 있는 기술의 성능 평가가 이루어져야 건축물에서의 화재 위험도를 낮출 수 있을 것으로 판단된다.

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