1. 서 론
건축물에서 화재방호 설계는 법규중심 설계와 대상 건축물의 화재위험을 사전에 판단하고 이에 대한 설계가 진행되는 성능기반 설계로 구분될 수 있다. 성능기반 설계는 대안적 설계 방법으로 기존 제도에서 한계를 보이고 있는 초고층, 대공간, 대형쇼핑몰 및 스타디움 등과 같은 건축물에 적용된다. 현재 국내의 화재안전 기준은 건축법과 소방법으로 이원화되어 있으며, 성능기반 설계에 대한 기준은 소방법에서만 수립되어 있다. 성능기반 설계는 대상 건축물에 따른 설계화재(Design Fire)를 통해 화재방호 계획 및 설계가 이뤄지고 있으며, 화재 위험도 평가 등에서도 이러한 설계화재가 중요한 부분을 차지하고 있다.
설계화재는 화재시나리오와 화재모델 설정이 주를 이루며, 화재시나리오는 다양한 국내⋅외 기준에서 제시되고 있다. 특히 ISO 16733-1 (2015)에서는 화재로 인한 출입구 제한, 훈소화재 및 수직⋅수평 화재확산 등과 같은 총 10가지의 시나리오를 제시하고 있다.
화재모델은 화재 초기 → 성장 → 연소 → 소멸과 같이 화재성장에 따른 온도 및 열방출률을 제시한다. 대표적인 화재모델은 건축부재의 내화 시험방법의 시험온도 조건인 “표준시간-가열온도 곡선”과 화재성장속도 선정에 사용되는 “t2 화재 성장곡선” 등이 있다.
Law et al. (2011)는 화재안전 설계에서 활용되고 있는 화재모델은 표준화재와 파라메트릭 화재 모델이 대표적이며, 이 모델들은 구획 내에서 화재로 인한 가스가 완전히 혼합되어 균일한 온도 분포를 생성함을 전제로 한다고 하였다. 또한 이러한 조건은 실제 화재 시에 발생하기 힘들기 때문에 구획의 형태 등에 따라 제한이 적용되어야 하며, 파라메트릭 화재 모델 중에서 대표적인 유로코드에서는 다음과 같이 제한 조건을 제시하고 있다.
이는 대형 공간, 높은 천장, 아트리움, 넓은 개방 공간, 보이드로 연결된 여러 층과 커튼월 등과 같은 현재의 건축물에서는 사용이 제한되는 문제가 된다.
이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 연구들이 진행되고 있으며, Dai et al. (2017)와 Charlier et al. (2020)는 기존의 대형 공간에서의 화재에 의한 열과 구조적 분석들은 구획 내에서의 화재가 구획 전체에 균일하다고 가정하고 있지만 실제 화재에서는 상당히 불균일성을 보이고 일부 대형 구획화재는 국부적으로 연소하고 시간이 경과됨에 따라 화재실의 바닥을 가로질러 이동하는 형태를 보인다고 하였다. 또한 이러한 형태를 이동화재(Travelling Fire)라고 하고 기존의 화재 시나리오에 포함되어야 한다고 제시하였다.
본 연구에서는 대공간의 설계화재, 화재모델 등을 개발하기 위해 선행적으로 이뤄져야 할 화재특성 분석을 수행하고자 기존의 구획화재와 이동화재(Travelling Fire)의 특성분석을 비교하고 단일 개구부(0.8 m (L) × 2.0 m (H))를 가지는 중규모(2.4 m (L) × 3.6 m (W) × 2.4 m (H))의 구획공간에서 햅탄 풀을 사용하여 연소실험을 진행하고 이를 통해 화염의 동시 및 지연 착화를 분석하였다. 연소실험을 통해서는 구획 공간 내에서의 열방출률와 온도의 변화를 측정하였다.
2. 화재확산 특성 분석
2.1 구획화재 특성 분석
구획공간에서 발생되는 화재는 가연물의 초기 착화 이후에 구획공간에서의 연소특성에 따라 연료 지배형과 환기 지배형 특성을 보인다. 또한 최성기 화재로 성장할 시에는 플래시오버 현상이 발생되고 이러한 플래시오버 현상의 발생 유무에 판단에 따라 대형화재 사고의 확대 가능성도 예측할 수 있다.
Quintiere (2017)는 구획공간에서 플래시오버가 발생하기 위해 필요할 열방출률을 다음과 같이 제시하였다.
Eq. (1)에서 Q ˙ F O A 0 H 0
Khan et al. (2021)은 환기 특성(구획면적, 개구부 면적과 높이)이 고려된 최대온도 변화그래프에서 제한된 산소농도와 그을음이 많은 환기지배형 화재영역과 산소농도가 충분하고 그을음이 적은 연료지배형 화재영역을 나타낸 바 있다. Parkinson and Kodur (2007)은 경험적으로 환기지배형 화재는 단일 구획에서의 화재를 분석할 경우에 가장 심각한 화재가 된다고 하였다. 이는 연료지배형 화재의 경우 외부에서 유입되는 공기에 의해 냉각효과가 발생되기 때문이라고 제시하였다.
Beyler (1991)와 Deal and Beyler (1990)는 구획공간에서의 환기유량을 통해 다음과 같은 온도 예측식을 제시하였다.
Eq. (2)에서 Q ˙ m ˙
구획공간에서 발생되는 화재 특성 분석은 일반적으로 내부의 가연물이 전소된다는 전제로 하기 때문에 이를 화재하중으로 적용시키고 있다. Kim (1997)은 화재하중(Fuel Load 또는 Fire Load)은 공간내 섬유성 가연물의 총량으로 정의되며, 이를 구획된 바닥면적으로 나눈 값을 화재 하중 분포(Fire Load Density)라고 하였으며, 화재 하중 분포에 관련된 연구결과는 공간 내 가연물의 대부분이 목재임을 제시하고 있고 이에 따라 섬유질 이외의 가연물은 목재를 기준으로 한 연소 열량으로 환산하여 가연물이 완전 연소할 때 예상되는 발열량을 구하게 된다고 하였다.
Buchanan (2001)은 설계 화재하중은 건물의 수명 기간 동안 예상되는 최대 화재하중의 근사치이며, 고정 및 유동 화재하중의 합계라고 하였으며, 화재하중이 용도별 조사를 통해서 결정될 때, 설계 화재화중은 조사된 화중의 80 백분위수 값을 사용한다고 하였다. 구획화재에서는 앞서 제시한 바와 같이 구획 내부의 개구부(출입구 및 창문 등)의 형태에 따른 환기계수와 구획 내부의 가연물량에 의한 화재하중이 중요한 인자로 판단된다. 또한 구획화재의 특성은 내부의 가연물이 전소되고 구획공간의 높이가 높지 않아서 내부의 상⋅하부의 온도가 균일하게 되어 화재가 확대될 수 있다는 점이다.
2.2 이동화재(Travelling Fire) 특성 분석
이동화재(Travelling Fire)는 기존의 구획화재 평가 방법들에 제약을 보완하기 위해서 관련 연구들이 진행되고 있다. 구획화재는 환기량과 화재하중을 기반으로 구획 내부의 온도와 열방출률 변화를 예측 및 분석하지만 점차 바닥 면적이 넓고 층고가 높은 대공간 건축물과 이와 유사한 형태를 가지는 아트리움 등이 설계되면서 기존의 구획화재 평가 방법으로는 적정 화재특성을 분석하는데 한계를 보인다.
Stern-Gottfried and Rein (2012a, 2012b)은 1917년에 화재 시 구조물의 성능을 평가하기 위한 시험 방법에 대하여 관련 연구들이 되었고 이를 기반으로 내화성능을 평가하기 위한 표준곡선과 시험방법이 BS 476, ISO 834와 ASTM E 119 등과 같은 형태로 표준화되어 널리 사용되어 오고 있다고 하였다. 이러한 곡선들은 다양한 플래시오버 이후의 화재 시험결과를 하나의 이상적인 곡선으로 조합한 결과이며, 해당 시험들은 구획공간이 전소될 최악의 상황을 고려하여 구조체가 견딜 수 있도록 개발되어졌다. 하지만, 표준 화재는 느린 화재성장, 화재 쇠퇴기에서의 화재감소와 건물의 형상, 환기와 연료 하중과 같은 대상 건축물별 특성이 고려된 실제 화재를 고려하지 못한다.
이에 따라 실제 화재가 건축물의 부재에 주는 열적 특성을 정확히 반영하지 못하게 된다고 하였다. 이러한 문제를 해결하기 위해 Fig. 1과 같이 이동화재(Travelling Fire)를 근거리와 원거리 영역으로 구분하고 근거리 영역은 화재에 의한 연소 구역을 나타내고 구조체에 화염이 직접 노출되어 대부분의 열이 집중되지만 원거리 영역은 화염으로부터 먼 구역이고 구조체는 뜨거운 연소가스(연기층)에 노출되지만 화염보다 가열이 집중되지는 않는다고 하였다.
대공간 구획공간에서 이동하는 화재에 대해 Clifton (1996)이 구획을 구분하여 구분된 공간이 환기, 예열, 연기와 연소 후의 냉각 등이 순차적으로 진행되고 이를 매개변수 화재곡선으로 제시되는 방법론을 초기에 나타내었다. 이 방법론은 구획공간에서 균일한 연소라는 가정에서 벗어나는 연구였지만 불충분한 실험적 검증과 절차 등에 한계를 가지고 있어 보편적으로 널리 사용되지는 못하였다. 이 후에 이를 보완하기 위해서 다양한 방법론들이 다음과 같이 제시 및 연구되고 있다.
2.2.1 TFM (Travelling Fire Methodology)
Law et al. (2011)는 대공간에서의 비 균일한 연소상태를 나타내기 위해서 TFM (Travelling Fires Methodology)을 제시하였다. TFM은 열과 연기가 도달되는 천창부의 최대온도 설정에 중점을 두고 있으며 화원의 근처인 근거리와 멀어지는 원거리의 두 영역을 구분한다. 근거리 영역에서는 짧은 시간 내에 높은 온도 상승과 냉각을 받고 원거리 영역에서는 긴 시간 동안 낮은 온도 상승과 냉각을 받게 된다. 다음 식에서는 원거리 영역에서의 온도 변화 예측식을 나타내고 있다.
Eq. (3)에서 Tm와T∞는 가스와 초기 온도(°C)를 나타내고Q*는 열방출률(kW), r은 화재로부터 확산되는 방사거리(m)이고 H는 공간의 높이(m)를 나타낸다.
화재실험 등을 통해서 근거리 영역의 최대 온도 범위는 800~1,200 °C로 측정되어 TFM에서는 근거리 영역의 최대 온도를 1,200 °C로 가정하고 있지만 해당 방법에서 최대 온도를 넘을 수 있는 문제가 발생되어 Rackauskaite et al. (2015)는 TFM에서 개선된 ITFM (Improved Travelling Fire Methodology) 연구에서 근거리 영역에서의 온도 변화 예측식을 다음과 같이 나타내었다.
2.2.2 ETFM (Extended Travelling Fire Methodology)
최근 Dai et al. (2020)에 의해 ETFM (Extended Travelling Fire Methodology)라는 이동화재(Travelling Fire)에 대한 새로운 방법론이 제시되고 있다. 이 방법론은 원거리 영역에서는 Hasemi의 국소적인 화재모델을 적용하고 근거리에서는 FIRM 존 모델을 적용하여 결합하였다. 이 방법론에서의 화재모델은 구획공간에서의 공간적 및 시간적 변화를 모두 포함시키고 근거리 영역에서 800~1,200 °C의 온도를 가정하는 기존 방법과 대비하여 변화되는 온도를 제시할 수 있다는 이점이 있다.
Dai (2017)는 두 모델을 조합을 Fig. 2와 같이 나타내고 Hasemi의 국소모델은 밀폐되지 않은 공간에 적용할 수 있지만 연기의 축적을 고려하지 않기 때문에 원거리 영역의 온도 예측이 실제 온도보다 낮을 수 있다고 하였다. 이에 ETFM에서는 Hasemi의 국소모델과 뜨거운 연기층 계산(FIRM 존 모델)을 결합하여 제안되었다고 하였다. 이는 Hasemi의 국지화재 모델의 열유속과 FIRM 구역 모델의 열유속을 합산하여 구조 표면에 대한 복사 및 대류 열 유속을 계산할 수 있음을 나타낸다.
3. 구획 및 이동 화재 특성 비교 실험
건축물에서 화재방호 설계를 위해 다양한 연구 및 기술들이 개발되고 있지만 가장 중요한 것은 구획화재(Compartment Fire)의 특성을 파악하는 설계화재(Design Fire)의 개발일 것이다.
Ruan and Zhao (2022)는 다중 구획공간에서의 화재 확산에 대하여 실험과 수치해석 연구에서 CFD 모델이 널리 사용되고 있고 다양한 화재실험을 통해서 검증되어 화재시나리오에 적용해 오고 있지만 이는 화재확산을 고려하지 않고 주로 소형 구획화재 또는 대형 구획의 국부적인 화재에만 중점을 두고 있는 한계를 보이고 있다고 하였다.
따라서 이러한 문제점을 해결하기 위해 다양한 화재 모델, 실험 및 모델링 방법들이 연구되고 있고 대표적으로 칸막이가 없는 개방형 대공간 구획에 대한 이동화재(Travelling Fire)와 플래시오버 이후에 다른 구획으로 발달되는 자중 구획화재 등이 있다고 제시하였다.
본 실험에서는 구획공간에서 동시에 착화되지 않고 화염이 전파될 경우를 가정으로 하여 내부 공간에서의 열방출률과 온도의 변화를 측정하고 이를 통해 구획공간의 가연물이 동시에 발화되는 상황과 비교 분석해 보고자 하였다.
화재실험은 ISO 9705-1 (2016)에서 제시하고 있는 실험실에서 진행하였으며, 열방출률은 산소소모율법을 적용한 방식으로 계산되었다. Fig. 3에서는 ISO 9705-1 (2016) 실험실을 보여주고 있으며, 실험실은 2.4 m (L) × 3.6 m (W) × 2.4 m (H) 크기이다. 또한, 실험실은 0.8 (L) × 2.0 (H) m 크기의 단일 개구부를 가지고 있다. Table 1에서는 화재실험에 대해 나타내고 있다. 화재실험은 햅탄을 연료로 한 0.24 m (L) × 0.3 m (W) × 0.05 m (H) 크기의 풀버너를 사용하였으며, 화재실 중앙부에 동시에 착화하는 방법(#1)과 일정 거리를 유지하고 동시에 착화하지 않는 방법(#2)으로 2회에 걸쳐 진행하였다. 본 실험에서는 구획 내부에서 가연물이 동시에 착화되는 구획 화재 특성과 가연물이 동시에 착화되지 않는 이동 화재 특성을 실험을 통해서 판단하고자 하였다. 이동 화재에서 착화가 동시에 진행되지 않고 순차적으로 확산되는 특성은 현재 정량적으로 나타나지 않은 한계가 있어 본 실험에서는 #2 화재실험에서 지연에 대한 부분을 고려하지 않고 단순히 동시 착화하지 않는 상황만을 적용하였다.
Table 1
The Experiment Scenario for Temp. & HRR in Compartment
화재실험을 통해서 내부공간의 온도변화와 열방출률의 변화를 측정하고자 하였으며, 온도변화는 수직으로 하부에서부터 0.5 m, 1.0 m, 1.5 m와 2.0 m 위치에 설치된 K-Type 열전대선 트리를 화재실 모서리에 총 4개 배치하였다. 또한 열방출률을 계산하기 위해 산소의 소모량 및 일산화탄소와 이산화탄소의 발생량을 측정하였다.
화재 실험에서는 공간 내에서 완전히 혼합되지 않는 특성을 고려하기 위해 온도 측정 지점이 내부 공간의 최대 높이인 2.4 m와 바닥면에 열전대선을 이격시켰다.
4. 구획 및 이동 화재 특성 비교 실험 결과
구획 공간 내에서 착화 상황에 따른 온도와 열방출률 측정 실험을 Fig. 6에 나타내고 있다. 실험은 햅탄풀 6개를 동시에 착화한 상황(#1)과 햅탄 풀을 이격 후에 시간 차이를 두고 착화한 상황(#2)로 구분된다. #2에서는 햅탄 풀의 동시 착화를 방지하기 위해 풀을 이격시켰으며, 시간 차이는 단순 동시 착화만을 고려하였기 때문에 특정 시간 차이를 고려하지는 않았다.
화재 실험에서는 산소의 소모량과 일산화탄소와 이산화탄소의 발생량을 측정하고 이를 통해 산소소모율법을 적용하여 Fig. 7에 나타낸 바와 같이 열방출률을 계산하였다. Table 2에서는 열방출률의 최대값, 도달시간과 차이를 나타내고 있다. 최대 열방출률은 #1에서 1,174.7 kW, #2에서는 951.4 kW로 나타났으며, 차이는 223.3 kW이다. 도달 시간은 #1에서 93초, #2에서는 186초로 나타났으며, 차이는 93초이다.
Figs. 8과 9에서는 구획 공간 내부에 4 지점에 지점별 높이별(2.0, 1.5, 1.0, 0.5 m)로 설치한 K-Type 열전대선을 통해 측정된 내부의 온도변화를 보여주고 있다. Table 3에서는 측정된 최대 온도를 제시하고 있으며, Table 4에서는 최대 온도의 도달 시간을 나타내고 있다.
Table 3
Max. Value of Temp. Measurement
Table 4
Time to Reach Max. Value of Temp
| 2.0 m | 1.5 m | 1.0 m | 0.5 m | ||
|---|---|---|---|---|---|
| #1 (sec) | TC 1 | 67 | 67 | 66 | 66 |
| TC 2 | 85 | 86 | 86 | 69 | |
| TC 3 | 85 | 85 | 84 | 89 | |
| TC 4 | 86 | 88 | 88 | 86 | |
| #2 (sec) | TC 1 | 133 | 137 | 138 | 128 |
| TC 2 | 136 | 140 | 140 | 142 | |
| TC 3 | 136 | 141 | 145 | 145 | |
| TC 4 | 135 | 136 | 137 | 132 | |
최대 온도는 0.5 m 지점을 제외하고 평균적으로 약 117.3 °C의 차이를 보이고 있으며, 하부지점(0.5 m)의 경우에는 본 화재 실험은 구획 전체가 균일한 온도 상태가 되는 플래시오버 단계의 이전에 종료되어 혼합되지 못한 지점에서 상이한 측정 결과가 나온 것으로 판단된다. 도달 시간의 경우에는 모든 지점에서 유사한 차이를 보이고 있으며, 평균적으로 약 57초의 도달시간의 자이가 발생했다.
본 실험을 통해서 측정된 공간 내에서의 온도와 열방출률의 차이는 동시에 착화가 진행되고 공간이 완전히 혼합된다는 전제하에서 진행되는 구획 화재 모델과 가연물로 화염이 전파되면서 바닥을 가로질러 화재가 이동하는 이동화재(Travelling Fire) 모델을 차이를 보여주고 있다. 단순한 실험 평가 결과에서 벗어나 최대 온도와 열방출률의 차이와 성장의 지연 등은 화재 초기 대응 전략 수립에 큰 영향을 줄 수 있다고 판단된다.
5. 결 론
건축물에서의 방호설계를 위해서는 다양한 방법들이 있지만 대상 구획에 대한 화재특성을 판단하는 ‘설계화재(Design Fire)’ 개발이 가장 우선시 된다. 국내⋅외에서는 가열로에 사용되는 표준화재 온도 모델과 파라메트릭 온도 모델 등이 있지만 해당 모델들은 구획 공간의 크기, 개구부 특성과 내부 마감재료에 대한 제한 조건이 제시되고 있어 사용에 많은 제약이 따른다. 또한 제한된 공간에서 내부의 가연물이 모두 전소되고 내부 공간의 상⋅하부층이 전부 혼합된다는 가정을 바탕으로 하기 때문에 대공간 구획과 같이 전소되지 않고 화염이 이동하는 특성을 고려하지 못하는 한계를 가진다. 따라서 본 연구에서는 이러한 문제를 보완하기 위한 ‘이동화재(Travelling Fire)’에 대한 문헌을 분석해보고 중규모의 실험을 통해서 동시에 착화되지 않는 상황에서의 열방출률과 온도의 변화를 분석해 보았다. 이동화재(Travelling Fire)에 대한 연구는 향후 실험적 측면과 전산유체 해석적 측면에서 좀 더 연구가 진행되어야 하는 분야로 판단된다.
화재가 발생된 구획공간에서는 화재에 따른 강도로 표현되는 열방출률과 그에 대한 영향인 심각도로 표현되는 온도변화가 있다. 동일한 가연물이 지연된 착화로 인해 #1 실험에서는 최대 열방출률이 약 19% 차이가 발생되고 도달시간은 50% 차이가 발생되었다. 이로 인해 내부 공간의 온도변화도 지연 및 감소되는 현상이 나타났으며, 이는 대공간 구획과 같이 넒은 공간과 높은 화재하중이 있는 화재모델을 설계 시에 기존의 방법인 내부 공간 전체의 가연물이 전소되는 상황을 고려할 경우에는 심각한 과설계가 발생할 수 있는 문제가 발생될 수 있다. 또한 #2 실험에서는 최대값은 낮게 측정되었지만 온도 변화의 경우는 #1 실험에 비해 성장기가 일정하게 유지되는 현상이 측정되었기 때문에 단순히 과설계 뿐만 아니라 지속되는 온도의 영향도 향후 고려되어야 할 부분이다.
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