화재성장률에 따른 축소모형에서의 연기성상에 관한 실험적 연구
An Experimental Study on Smoke Behavior of Scaled Model by Fire Growth Rate
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Abstract
본 연구는 피난안전설계를 합리적으로 평가하기 위한 기초연구로서, 피난안전설계에 중요한 요소인 연기성상에 대해 건물형태 및 가연물의 특성에 따른 성상을 검토한 실험적 연구이다. 구획 내 연기성상을 예측하기 위해 1/5 축소모형 실험체를 제작하여 가연물 종류에 따른 화재성장률을 살펴보았다. 또한, 화재성장률에 따른 화재성상을 분석하였으며, 기존의 연기하강시간 예측식을 이용하여 화재성장률과 연기하강시간과의 관계를 고찰하였다. 그 결과 화재성장률에 따라 연기하강 및 확산속도가 크게 영향을 받는 것을 확인하였다.
Trans Abstract
This study is experimental research which examined the properties consequent on the characteristic of a building form and combustibles in relation to smoke properties, which are important element in the evacuation safety design, as a basic research for reasonably evaluation the evacuation safety design. This study looked into a fire growth rate consequent on the sorts of combustibles by manufacturing a 1/5 scale model specimen to predict smoke properties in the compartment. In addition, this study analyzed fire properties consequent on a fire growth rate, and considered the relations between a fire growth rate and smoke descent time using the existing smoke descent time prediction equation. As a result, this study confirmed that the smoke descent, and smoke diffusion velocity were greatly influenced according to a fire growth rate.
1. 연구배경 및 목적
국내 건축물의 피난안전성평가는 대피시간(Required Safety Egress Time, RSET)과 허용피난시간(Available Safety Egress Time, ASET)과의 비교를 통해 판단되며, 허용피난시간은 소방시설 등의 성능위주설계 방법 및 기준에서 제시하는 인명안전기준의 호흡한계선 1.8 m까지 연기가 도달하는 시간에 의해 평가된다. 따라서 피난안전성평가에 있어 연기하강시간예측은 매우 중요한 인자이다. 이러한 연기하강시간을 합리적으로 예측하기 위해서는 건물형태 및 가연물의 특성에 따른 화재성상(구획내온도, 연기층 높이 등)의 정보가 필요하며, 이를 통한 피난안전설계가 반드시 이뤄져야 될 것으로 사료된다. 국내의 경우 피난허용시간 산출은 The National Institute of Standards and Technology (NIST)에서 개발한 화재시뮬레이션 FDS (Fire Dynamics Simulator)을 이용하여 인명안전기준인 호흡한계선 1.8 m까지 연기가 도달하는 시간으로 산출하고 있다. 하지만 복합가연물이 아닌 단일가연물을 대상으로 평가하고 있으며, 화재성장률을 고려하지 않은 채로 화재성상을 예측하고 있기 때문에 보다 합리적인 화재성상예측방법이 필요할 것으로 판단된다.
일반적으로 화재성상은 가연물의 연소특성에 따라 상이하게 나타난다. 하지만, 공학적으로 가연물의 발열속도(단위시간당 발열량)는 착화 후 시간제곱에 비례하며, Eq. (1)과 같이 나타낼 수 있다.
여기서, Q는 발열속도(kW), α는 화재성장률(kW/s2)이며, t는 시간(s)이다. 화재발생시 정확한 연기하강시간을 예측하기 위해서는 화재성장률 α값을 상정하고 이를 통한 분석이 반드시 필요할 것으로 판단된다(Matsuyama, 2000).
한편, 국내의 연구를 살펴보면 피난안전평가를 위한 연구로서 Kim et al.(2010)은 연기해석모델 BRI2002의 메커니즘을 이용하여 연기거동을 분석하는 연구를 진행하였다. Seo et al.(2013)은 단일구획화재실험을 통해 연기층의 온도변화와 연기강하 예측식을 비교분석하는 연구를 진행하였으며, 또한, Lee and Han(2013), Kweon and Chae(2014)은 실물화재실험을 통한 연기 및 유독가스에 대한 화재위험성을 평가하는 연구를 진행하였다. 하지만 아직까지 건물의 형태와 가연물의 특성을 고려한 연구는 부족한 실정이다.
반면, 국외의 연구를 살펴보면 Quintier and DenBraven (1978), Cooper(1984), He et al.(1998)은 화재발생시 발생되는 연기에 대한 물리적 현상을 기술하였으며, 구획 내 수직온도분포에 따른 연기층 높이를 측정하여 연기하강시간을 예측하는 식을 제안한 바 있다. 또한, 실제 화재화원을 고려하여 Tanaka and Yamana(1985), Matsuyama(2000)은 실물화재실험을 대상으로 화재성장률에 따른 화재성상을 예측하고 이론식과의 비교분석을 통하여 화재성상모델을 구축하는 연구를 진행하였다. 따라서 국내에서도 합리적인 초기화재성상을 예측하기 위해 화재성장률에 따른 연기성상예측이 반드시 필요할 것으로 판단된다.
본 연구는 화재성장률에 따른 화재성상(구획 내 온도, 연기층 높이 등)을 분석하고, 기존(Matsuyama, 2000)에 연기하강시간 예측식을 이용하여 화재성장률과 연기하강시간과의 상관관계를 살펴보고 이를 향후 합리적인 피난안전설계의 평가를 위한 기초자료로 구축하는데 그 목적이 있다.
2. 축소모형 화재실험
2.1 실험방법 및 조건
2.1.1 구획조건
본 실험은αt2에 의한 연기성상을 살펴보기 위해 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 실물크기의 건축물을 대상으로 1/5 축소모형실험체를 제작하여 실험을 실시하였다. 모형실험체는 실제 건축물 내의 열기류와 벽면에서의 흡열정도를 유사하게 모사하기 위해 상사법칙을 고려하여 규모를 산정하였다.
A Specimen of Fire Test (Compartment)
화재실의 경우 열손실을 차단하기 위해 비소성단열재(Incera borad)를 사용하였으며, 바닥은 내화석고보드를 설치하였다. 로드셀(Load cell)을 이용하여 화원의 열방출률(Heat release rate)을 측정하였고, 구획공간마다 높이별 온도를 측정하기 위해 열전대(K-type)를 천장부로부터 50 mm 간격으로 각각 10점씩(총 70점) Fig. 2에 나타낸 바와 같이 설치하였으며, 데이터로거(Data Logger)를 사용하여 5초 간격으로 측정을 실시하였다. 또한, 구획내의 연기성상을 육안으로 확인하기 위하여 구획공간마다 CCTV를 설치하였다.
A Conditions of Fire Test (Plan)
2.1.2 화원조건
본 연구는 αt2 화원에 따른 연기성상을 살펴보는 것으로 폴리우레탄(Polyurethane)을 삼각형으로 절단하여 화원으로 이용하였으며, 그 정점에 점화를 하였다. 점화 후 폴리우레탄 면적은 선형으로 연소가 확대되었고, 면적은 시간의 2승에 비례하게 나타났다.
또한, α값을 임의로 조정하기 위해 Table 1과 같이 화원조건을 설정하였다. 화원(폴리우레탄)의 연소특성을 살펴보기 위해 Con calorimeter test를 화원조건에 따라 각각 4회씩 실시한 결과 폴리우레탄(저밀도)의 단위 중량당 발열량ΔH(MJ/kg)은 평균 27.28 (MJ/kg), 폴리우레탄(고밀도)은 평균 27.32 (MJ/kg)로 나타났으며, 그 결과를 Fig. 3에 나타내었다.
A List for Conditions of Fire Test
A Results of Con Calorimeter Test
2.2 실험결과 및 분석
본 연구에서는 전술한 바와 같이 축소모형 구획공간에서의 가연물종류 및 제연경계벽에 유무에 따른 화재성장률, 구획온도를 측정하였으며, 이를 토대로 구획내의 화재성상에 대한 평가를 수행하였다.
첫 번째로 화재성장률 α(kW/s2)을 측정한 결과, 실험조건에 따라 화재성장률은 0.00028∼0.0021875 kW/s2로 시간에 따른 열방출률 측정결과는 Fig. 4에 제시되어 있다. 실험조건 A와 B의 화재성장률이 가장 높게 나타났으며, 실험조건 C가 가장 낮게 나타났다.
A Results of Heat Release Rate
또한, 화재성장률 측정결과를 살펴보면 화원의 발열속도는 시간의 제곱에 비례하여 증가하는 것을 확인하였다. 이에 대한 고찰로 화재실 개구부에서의 열 방출속도QD(KW)를 살펴보았으며, 열 방출속도는 Eq. (2)에 나타낸 관계식을 사용하였다(Matsuyama, 2000).
여기서, cp 는 정압비열(kJ/kg·k), ΔTs는 n공간의 연기온도상승(K), mD 는 입구에서의 질량유속(kg/s)으로 Eq. (3)의 관계식으로 나타낼 수 있다.
여기서, S는 연기층 높이(m), ρs 는353/Ts(kg/m3) 이며, Ts 는 상류공간에서의 연기 층 평균온도이다. 화재실로부터 복도로 유출되는 열 방출속도 QD(kW)는 화원발열속도와 동일하게 시간의 제곱에 비례하는 것으로 확인할 수 있었으며, 그 결과 값을 Fig. 5에 나타내었다.
A Result of Heat Release Rate
두 번째로 화재성장률에 따른 구획 내 수직온도분포를 살펴보았다. Fig. 6은 화재실과 복도에서의 수직온도분포를 비교 한 일례(Case A, E)로써, 화재실의 경우 점화 직후 최고온도(300°C)까지 도달시간은 약 90초 정도 차이가 나타났으며, 복도는 약 60초 정도 차이가 나타나는 것을 알 수 있다. 즉, 화재성장률이 높을수록 최고온도 도달시간은 짧아지는 것을 알 수 있다.
A Result of Vertical Temperature Distribution
또한, Fig. 7은 수직온도분포를 바탕으로 Eq. (4)에 나타낸 Cooper의 N%법을 이용하여 전체 구획실의 연기층 높이를 측정한 일례(Case A, E)로서, 화재실의 경우 연기가 바닥까지 도달하는 시간이 약 30초 정도 차이가 나타났으며, 화재실과 가장 먼 EV(홀)실까지 연기가 확산되는 시간은 약 60초 정도 차이가 나타나는 것을 알 수 있다.
Height of Smoke Layer(Case A, E)
즉, 화재성장률이 높을수록 연기하강 및 확산시간은 단축되는 것을 알 수 있다.
여기서, Tamb(zi) = T(z,t = 0) 각 열전대의 평균초기 온도(°C), max[T(ztop,t)] 는 각 열전대의 최고높이에서의 최고온도(°C), ztop 은 최고높이 온도(°C)이다.
세 번째로 제연경계벽 설치 유무에 따른 온도분포 및 연기성상을 살펴보았다. Fig. 8은 복도에 설치 된 제연경계벽 유무에 따른 온도분포 및 연기성상을 비교 한 일례(Case E, F)로서, 복도에서의 최고도달 온도는 약 25°C 정도 차이가 나타났으며, EV(홀)실까지 연기확산시간은 약 30초 정도 차이를 보였다. 즉, 제연경계벽을 설치하는 경우 연기확산시간이 지연되는 효과는 있지만 제연경계벽이 설치된 인접실의 경우 화재위험성은 높을 것으로 판단된다. 화재성장률에 따라 화재성상(구획내온도, 연기층 높이 등)은 매우 큰 차이를 보였으며, 특히 화재성장률이 높을수록 연기하강시간은 단축되는 것으로 화재성장률과 연기하강은 밀접한 관계가 있는 것으로 나타났다. 이에 본 실험을 통해 측정한 화재성장률과 연기하강시간과의 관계를 살펴보기 위해 Eq. (5)에 나타낸 기존 연기하강시간 예측 식(Matsuyama, 2000)을 이용하였다.
A Result of Vertical Temperature Distribution and Smoke Layer Height
여기서, α는 화재성장률(kW/s2), A는 각 공간의 바닥면적(m2), Hroom은 각 공간의 천장높이(=0.54cm) 및 t는 시간 (s)이다. 이 결과 Fig. 9에 나타낸 바와 같이 화재성장률이 가장 높은 Case A는 인명한계선 1.8m 까지 도달하는 시간이 약 33초 정도 걸렸으며, 화재성장률이 가장 낮은 Case C의 경우 약 72초 정도로 나타났다. 이 결과로 화재성장률과 연기하강시간은 선형관계가 있는 것을 확인하였으며, 또한, 화재성장률에 따라 화재성상 즉, 연기하강 및 확산속도가 크게 영향을 받는 것을 확인하였다.
Relationship of Fire Growth Rate and Descending Smoke Time
3. 결론 및 향후연구방향
본 연구는 피난안전설계를 합리적으로 평가하기 위한 기초적 연구로서, 화재성장률에 따른 화재성상(구획내온도, 연기층 높이 등)에 대한 실험적인 결과로서 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
(1) 화재성장률과 연기성상과의 관계를 살펴보기 위해 화재성장률에 따른 구획 내 수직온도분포를 고찰한 결과, 화재성장률이 높을수록 구획 내 최고온도(300°C)까지 도달시간은 약 60~90초 정도 단축되는 결과를 얻을 수 있었다.
(2) 수직온도분포를 바탕으로 구획 내 연기성상을 고찰한 결과, 화재성장률이 높을수록 전체 구획 내 연기하강시간은 약 30초 정도 차이를 보였으며, 인접실로의 연기확산시간은 약 60초 정도 단축되는 결과를 얻을 수 있었다.
(3) 제연경계벽 설치 유무에 따른 구획 내 온도분포 및 연기성상을 고찰 한 결과, 제연경계벽을 설치한 경우 연기확산은 약 30초 정도 지연되는 효과가 나타났지만, 인접실의 온도는 약 25°C 더 높게 측정되는 것을 확인 할 수 있었다.
본 연구에서는 화재성장률에 따른 화재성상(구획 내 온도, 연기층 높이 등)을 살펴본 것으로서, 화재성장률과 화재성상은 상관관계가 있는 것으로 나타났으며, 향후 보다 합리적인 피난안전성평가를 위해서는 건물의 형태 및 가연물특성을 고려한 화재성상을 예측하는 연구가 진행되어야 할 것으로 판단된다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부 도시건축연구개발사업의 연구비지원(17AUDP-B100356-03)에 의해 수행되었습니다.