1. 서 론
1.1 연구 배경
물류시설의 개소가 증가하고 있으며, 관련 화재 등 사고가 증가하고 있다. 매년 물류시설에서 발생하는 화재 사고는 1,000여 건으로 추정되며 이와 관련하여 수십 명의 인명피해와 수백억 원의 재산 피해가 발생하고 있다. 지난 2021년 ○○시에서 발생한 물류창고 화재는 사건 발생 6일 동안 화재 진압이 지속됐다. 해당 화재는 대형화재로서 4,000억 원 이상의 재산 피해를 가져왔으며, 진압 과정 중 소방관이 순직하기도 하였다. 사건 당시 화재가 일정 규모로 확산된 이후 진압이 시작되어 소방관들의 활동에 어려움이 많았다(National Fire Data System, 2024). 화재가 일정 규모 이상 확산된 이후에야 진압을 시작하게 되는데, 주요 원인은 비화재보이다. 잦은 비화재보 발생으로 인한 소방관련종사자들이 화재수신기를 꺼두거나 수동으로 변환 시켰다. 이러한 상황이 반복되어 정작 화재가 발생했을 시 소방시설의 작동이 불가능했다.
국토부(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2021)는 물류시설 화재 위험성 평가기법 및 화재대응 기술 개발 등에 대해 연구하였고, Ham (2023)은 물류시설의 효과적인 화재대응을 위한 경기도 지역의 물류창고 관련 연구를 진행하였다. Huh et al. (2022)은 배연설비 설계 적용성 검토를 위한 연구를 진행하였다. 또한 Joo et al. (2024)은 물류시설에서 발생한 실제 화재와 가상의 시나리오 화재에 대해 FDS를 활용하여 데이터를 비교하였다. 이와 같이 국내에서 물류시설에 대한 위험성 안전평가 및 배연설비, 데이터 확인 등 관련 연구는 지속적으로 진행되고 있으나 비화재보 저감을 위한 연구는 미비한 것으로 확인된다.
비화재보는 국내뿐만 아니라 해외에서도 화재 안전에 큰 장애물이다. Choi et al. (2020)은 비화재보 관계 법령을 분석하여 비화재보에 대한 정의 및 문제점을 지적하고 개선 방안에 대해 연구하였으며, Hwang et al. (2020)은 관련하여 비화재보 통계 및 관리 체계에 관해 연구하여 국내 비화재보 저감을 위한 방안을 제시하였다. Hwang et al. (2020)에 따르면 미국과 영국 모두 비화재보가 증가하는 추세이며, 이를 해결하기 위해 별도의 시나리오를 작성하여 시⋅실험하고 있다. 또한 비화재보를 야기하는 원인은 매우 다양하다. Hwang (2023)에 따르면 비화재보에 영향을 주는 요인은 계절별, 환경별 등 다양한 요소로 나뉘며 계절이나 다양한 상황에 구애받지 않는 요소는 화재로 인해 발생하는 연기 생성물임을 확인할 수 있다. Choi (2022)는 구획화재에서의 화재와 비화재보를 비교하여 그 특성을 확인하였다. 이와 같이 비화재보의 정의 및 문제점에 대한 연구와 특징 등에 대해 분석한 연구는 지속적으로 진행되고 있으나 물류시설의 특성을 반영한 비화재보연구 연구는 미비한 실정이다.
이에 본 연구에서는 물류창고에서 발생하는 연기의 특성을 정량적으로 분석하여, 비화재보 발생을 최소화할 수 있는 기초 자료를 제공하고자 한다. 이를 위해 실제 화재 사례를 기반으로 FDS (Fire Dynamics Simulator)를 활용하여 온도, 가시도, 일산화탄소 농도의 변화를 분석하였다.
1.2 연구 범위 및 방법
연구의 범위는 다양한 물류시설 중 관계 법령 분석과 최근 화재 사례를 참고하여 ｢건축법 시행령｣ 제3조의5에 따라 창고시설에 보통창고로 명시하고 있는 물류창고(이하, 물류창고)로 한정하였다. 또한 연구 방법을 Fig. 1에 나타내었다. 사례와 문헌분석을 통해 물류시설의 비화재보 저감에 대한 필요성을 확인하고 이를 해결하기 위해 실제 화재 사례를 모델링하여 FDS를 구동하였다. 측정요소는 선행연구를 통해 일반 건축물의 비화재보 저감을 위해 활용된 요소를 사용하였으며, 측정된 결과 값을 비교⋅분석하였다(Enforcement Decree of the Building Act, 2023).
2. 물류창고의 특징과 연기 특성
2.1 물류창고의 특징
물류창고는 ｢건축법 시행령｣ 제3조의5에 따라 창고시설에 포함되어있다. 또한 ｢물류시설의 개발 및 운영에 관한 법률｣ 이하 관련 시행령 및 시행규칙 등에 의해 Table 1과 같이 온도에 의해 분류된다(Enforcement Rules of the Act on the Development and Operation of Logistics Facilities, 2023).
Table 1
Categorizing Storage Facilities by Temperature
| Contents | Temperature |
|---|---|
| General | Store at room temperature |
| Refrigeration | The room temperature is 10 °C or lower |
| Cooled | Temperatures below freezing |
본 연구는 3개의 분류 중 보통창고(물류창고) 에 대한 특징을 확인하고자 한다. 물류창고는 수직 확산과 수평 확산을 모두 고려해야 하는 특징을 가지고 있다. 소방청 연구과제에 의하면 국내에서 가장 많이 사용하는 물류창고의 높이는 6 m에서 10 m 미만의 것으로 연기감지기 설치 대상이다. 이처럼 일반 건축물과는 다르게 층고가 매우 높으며, 다양한 가연물이 밀집되어 있기 때문에 화재 하중이 매우 높다.
랙 등을 활용하여 수직으로 물류를 저장하며, NFPA 921 (2021) 등 국내⋅외 문헌에 의하면 화재 발생 시 수직 확산은 수평 확산에 비해 15배 이상 빨리 확산되기 때문에 수직 화재 확산의 위험성을 내포하고 있다. Fig. 2에 Fire Dynamics에서 나타내고 있는 각도에 따른 화염확산에 대해 나타내었다.
뿐만 아니라 물류창고의 경우 구획되어 있지만 개방되어 있는 공간의 특징에 따라 일반 건축물에 비해 수평 화재 확산의 위험 또한 내포하고 있다.
그러나 국내 관련 법규인 ｢화재예방, 소방시설 설치⋅유지 및 안전관리에 관한 법률 시행령｣과 ｢창고시설의 화재안전성능기준｣에 따르면 물류창고에 설치되는 별도의 감지기나 소방설비 등은 없고, 일반 건축물과 동일하게 높이에 따라 감지기를 설치하고 있다. 20 m 이내의 경우 연기감지기를 설치하도록 되어 있는데, 이는 국내 가장 많이 사용되는 물류창고의 높이를 고려했을 때 비화재보를 많이 발생시키는 연기감지기의 사용이 가장 많은 것으로 판단된다.
국외의 경우 NFPA 72 (2022)에서 경보설비에 대한 비화재보의 위험도를 설명하고, 비화재보 저감을 위한 내용을 소개 하고 있다. 또한 NFPA 13 (2019)에서는 적재물의 위험등급을 정하여 등급별로 고려해야 하는 요소를 명시하고 있다. Fig. 3에는 플라스틱과 관련된 적재물의 특성을 고려하여 반영하는 기준에 대해 나타내었다.
또한, 국내 규정과 달리 Chapter 20에서는 설치 환경의 특성과 저장 방식에 따라 천장높이와 적재물간의 간격, 화재 하중을 고려해야함을 제시하고 있다. 적재 높이가 12 ft. (약 3.7 m)를 넘어가면 High-Piled Storage로 구분하여 별도의 설비를 추가하도록 하고 있다. Fig. 4에 High-Piled의 실제 모습을 나타내었다.
이처럼 물류창고는 다양한 화재의 특징을 고려해야 하며 무엇보다 화재 확산의 위험도가 매우 높기 때문에 화재 초기단계에 조기 진압하는 것이 중요하다. 그러나 비화재보는 화재 진압에 큰 걸림돌이 되고 있다.
2.2 비화재보의 특징
비화재보의 원인은 분진, 기계적결함, 온도변화, 스파크, 수분 등 매우 다양하다. 따라서 화재와 비화재보를 구분하기 위해서는 화재 시 발생하는 연소생성물이면서 동시에 비화재보 상황에도 발생하는 요소를 활용해야한다. 선행연구를 통해 확인한 바 비화재보를 조기에 감지할 수 있는 인자는 온도, 가시도, 일산화탄소(이하, CO), 이산화탄소(이하, CO2) 등 연소생성물이 존재한다.
비화재보 저감을 위한 다양한 연구가 진행되었다. Hwang et al. (2022)과 Choi et al. (2021)은 다양한 센서를 활용하여 비화재보 관련 실험을 진행하였고, 그중 활용도가 높은 측정 요소는 일산화탄소로 확인되었다.
그러나 물류창고의 경우 기본 높이가 6 m 이상으로 일반 건축물의 층고가 2배 이상이 경우가 대부분이다. 층고가 높고 작업자들이 많은 환경과 물류창고 특성상 물류가 입⋅출고 할 때 급격한 온도와 습기의 변화가 있을것으로 판단된다. 이에 CO2를 제외한 온도, 가시도, CO를 활용하여 수직과 수평에 대한 물류창고에서의 연기 특성을 확인하여 비화재보를 저감하기 위한 기초 자료로 활용하고자 한다.
3. 화재시뮬레이션
3.1 시뮬레이션 개요
실제 발생한 물류창고 화재 데이터를 활용하여 FDS를 구동하였다. Fig. 5에 나타낸 바와 같이 4개의 랙에 4개의 층으로 모델링을 진행하였다. 각 랙간의 거리는 2.4 m이고, 적재물의 크기는 1.05 m × 1.05 m × 1.05 m의 정육면체이다. 층별 랙간의 거리는 0.3 m이고 전체 적재물의 높이는 5.7 m이다. 점화원의 크기를 0.15 m × 0.15 m × 0.15 m로써 물류창고에 가장 많은 가연물 중 하나인 플라스틱을 팔레트 제일 하단부로하여 물성치를 입력하였다. 구동 시간은 총 600 s로 화재 발생 시 소방서의 골든타임으로 설정하였다. Fig. 6에는 600 s간의 열방출율을 나타내었다.
3.2 측정 센서 및 분석 방법
데이터를 확인하기 위해 온도, 가시도, 일산화탄소(이하, CO)를 설치하였다. 센서의 위치는 하나의 객체 간의 거리 중간에 설치하여 데이터를 확인할 수 있도록 하였다. Fig. 7에 설치된 센서들을 나타내었다. 센서는 총 56개씩 4개의 층에 설치하여 224개를 설치하였고, 각각의 온도, 가시도, CO를 설치하여 672개의 데이터를 확보하였다.
설치된 센서는 화원과 같은 랙(3, 4, 5)을 활용하는 경우 확산 속도가 빠른 수직 확산에 대해 확인하기 위해 랙의 층별로 센서를 설치하여, 높이별 평균을 비교⋅분석하였다. 화원의 주변부 의 경우 화 화원과 다른 랙(1, 2, 6, 7)의 수치는 복사열의 영향을 받아 화재가 확산될 것을 고려하여 수평면 별로 평균을 비교⋅분석하였다.
4. 결과 및 고찰
4.1 온도
Fig. 8과 Table 2에 나타낸 바와 같이, 화원부 근처에 있는 랙의 최대 온도는 F1은 368 s에서 874.54 ℃, F2는 327 s에서 1,272.42 ℃, F3은 297 s에서 1,453.41 ℃, F4 266 s에서 1,302.08 ℃이다. F1의 경우 화원과 가장 가까운 거리이나 적재물들에 의해 온도 다른 높이에 비해 온도가 낮은 것으로 판단된다. F3의 경우 F1을 제외하고 4개의 높이 중 가장 높은 온도에 도달하였으며 이 또한 적재물들에 영향으로 일정 높이 이상에서 최대값이 나온 것으로 판단된다. 최고 온도에 도달한 시간의 평균은 314.50 s로 총 시뮬레이션 시간 600 s의 절반인 300 ± 20 s이다. 또한 인명안전기준인 60 ℃에 도달한 시간은 F1 151 s, F2 122 s, F3 109 s, F4 95 s로 평균 119.25 s로 300 ± 20 s의 약 40% 부근에서 도달한 것을 확인하였다. 최대 온도는 일반 건축물의 최성기의 온도에 비해 매우 높은 온도 이며, 이는 많은 양의 적잭물로 인한 화재 하중이 주요 원인인 것으로 판단된다.
Table 2
Temperature near Fire Source Value according to the Time
| Max | 60 °C | |||
|---|---|---|---|---|
| Temperature | Time | Temperature | Time | |
| Avg.F1 | 874.54 | 368 | 61.66 | 151 |
| Avg.F2 | 1,272.42 | 327 | 60.13 | 122 |
| Avg.F3 | 1,453.41 | 297 | 60.69 | 109 |
| Avg.F4 | 1,302.08 | 266 | 64.05 | 95 |
Fig. 9와 Table 3에 화원과 이격되어 있는 랙의 수평면 온도에 대해 나타내었다. 1번 위치의 최대온도는 341 s에서 769.97 ℃, 2번 위치의 최대 온도는 319 s에서 853.44 ℃, 6번 위치의 최대 온도는 336 s에서 858.28 ℃, 7번 위치의 최대 온도는 325 s에서 720.59 ℃이고, 수평면에서 최대 온도에 도달한 평균 시간은 330.25 s로 화원부와 10 s 차이의 300 ± 30 s이다.
Table 3
Temperature of Other Side Value
| Max | 60 °C | |||
|---|---|---|---|---|
| Temperature | Time | Temperature | Time | |
| Avg.1 | 769.97 | 341 | 60.76 | 200 |
| Avg.2 | 853.44 | 319 | 62.23 | 149 |
| Avg.6 | 858.28 | 336 | 61.24 | 144 |
| Avg.7 | 720.59 | 325 | 60.47 | 197 |
이격거리 3.45 m인 1번과 7번위치는 750 ± 30 ℃, 이격거리 4.5 m는 850 ± 30 ℃로 구획화재의 최성기 때와 유사 한 온도이며 화재 하중이 높을지라도 이격거리에 따라 상승온도가 상이 하며, 온도의 4승에 비례하는 복사열에도 영향을 미칠 것으로 판단된다.
4.2 가시도
Fig. 10과 Table 4에 화원 부근의 가시도를 확인하였다. F1의 가시도는 298 s에서 5 m 이하로 측정되었고, F2는 244, F3은 214 s, F4는 189 s에 5 m 이하로 측정되었다. Fig. 10에 나타낸 바와 같이 120 s 부근에서 가시도는 급격하게 하강하였으며 천장부와 가까울수록 연기 하강에 의해 가시도의 확보가 어려움을 확인하였다. 5 m 이하의 가시도에 도달한 평균 시간은 236.25 s로 확인하였다. 이는 소방대가 도착하기 전에 피난에 어려움이 생긴다는 것을 의미하며, 이를 위해 물류시설에 적합한 소방설비가 필요하다.
Table 4
Visibility near Fire Source Value according to the Time
| Min | Under 5 m | |||
|---|---|---|---|---|
| Visibility | Time | Visibility | Time | |
| Avg.F1 | 0.50 | 376 | 4.83 | 298 |
| Avg.F2 | 0.23 | 327 | 4.34 | 244 |
| Avg.F3 | 0.17 | 293 | 4.90 | 214 |
| Avg.F4 | 0.19 | 271 | 3.38 | 189 |
Fig. 11과 Table 5에 화원과 이격되어 있는 랙의 수평면 가시도에 대해 나타내었다. 5 m 이하 부근으로 가시도가 하강한 지점은 1번 위치 476 s, 2번위치 224 s, 6번 위치 253 s, 7번 위치 511 s이다. 화원과 더 멀리 이격될수록 가시도 하강의 속도가 느렸으며, 1번 위치와 7번 위치의 5 m 이하 지점 평균 시간은 493.5 s, 2번 위치와 6번 위치의 5 m 이하에 도달한 평균 시간은 238.5 s로 확인되었다.
각각의 위치는 2번 위치와 6번 위치는 화원부와 근거리에 있는 수치와 매우 근접한 시간에 하강하였으나 화원에서 가장 멀리 있는 위치의 가시도는 257.25 s 이상 차이가 났다. 250 s가 넘는 시간은 성인 남성의 도보 속도인 0.9 m/s로 이동하였을 때 225 m를 이동할 수 있는 시간이다. 그러나 물류창고의 경우 면적이 매우 넓고 작업환경 등으로 인해 화재를 인식하기 어려울 수 있다. 따라서 수평 확산과 작업환경을 고려하여 피난계획을 만드는 것이 바람직하다.
4.3 일산화탄소
Fig. 12와 Table 6에 화원 부근의 CO를 측정하였다. 각 위치 모두 인명안전기준인 1,400 ppm 이상의 CO가 측정되었으며, 1,400 ppm 이상인 시점은 F1 333 s, F2 244 s, F3 197 s, F4 187 s이다. 상층부로 올라갈수록 1,400 ppm에 도달하는 속도가 빠르며 이는 연기에 하강 속도와 비례하는 것으로 판단된다. 1,400 ppm에 도달한 평균 시간은 215.25 s로 가시도의 하강과 유사한 시간대임을 확인했다.
Table 6
Carbon near Fire Source Value according to the Time
| Max | Over 1,400 ppm | |||
|---|---|---|---|---|
| CO | Time | CO | Time | |
| Avg.F1 | 1,702.97 | 363 | 1,502.89 | 333 |
| Avg.F2 | 3,199.33 | 327 | 1,464.73 | 244 |
| Avg.F3 | 4,063.88 | 297 | 1,405.02 | 197 |
| Avg.F4 | 3,683.00 | 297 | 1,402.13 | 187 |
4.4 측정 요소 비교⋅분석
Table 8
Near Fire Source Value according to the Time
화원 부근의 경우 온도의 최대값과 CO의 최대값은 F4를 제외한 모든 높이에서 5 s 이내의 오차를 보여주며 최대값에 도달하였다. F4의 경우 적재물의 영향을 받지 않는 최상단이므로 열의 방출 및 연기의 확산이 비교적 자유로워 시간의 차이를 보이는 것으로 판단된다. CO와 가시도 또한 F2와 F4에서 동일한 시간에 인명안전기준에 미달하는 수치를 확인하였다. 일반 건축물과 동일하게 온도의 상승에 따라 CO와 가시도가 비례하여 측정되었다.
화원과 이격되어 있는 위치의 측정 요소를 비교⋅분석하여 Figs. 16, 17과 Table 9에 나타내었다. 온도와 CO 비교 결과 2번 위치를 제외하고 5 s 이내의 차이로 최대값의 측정시간을 확인하였으며, 1번 위치의 경우 연기의 거동에 따라 시간이 지연되었다. 또한 연기의 거동이 6번과 7번으로 먼저 이동함에 따라 변환하는 주변 환경에 영향으로 인해 1번 위치의 측정값에 변동이 큰 것으로 판단된다.
Table 9
Other Side Value according to the Time
CO와 가시도의 경우 2번 위치만 5 s 이내로 인명안전기준 측정값에 도달한 것으로 확인되었으며, 이는 화원부로 부터 이격된 곳에 대한 측정값은 주변 환경에 따라 연기 거동 등의 특징이 상이할 수 있음을 의미한다. 특히 가시도의 경우 적재물의 영향을 많이 받는 요소로써 위치별 편차가 클 수 있다.
5. 결 론
물류창고의 비화재보 저감을 위해 실제 화재를 재현하여 문헌분석을 바탕으로 FDS를 실시하였고, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
첫째, 국내 기준에는 물류창고 위험물 등급이 별도로 없다. 그러나 국외에서는 위험물의 높이와 그 종류에 따라 소방시설에 대한 규정도 달리하고 있으며, 화재감지기 등을 사용할 때 비화재보 저감을 위한 대책을 마련하고 있다. 물류창고 적재물의 높이에 따른 소방시설 기준을 마련한다면 화재와 비화재보에 따른 피해를 최소화할 수 있을 것이다.
둘째, 온도를 분석한 결과 이격된 장소는 일반 건축물 최성기의 온도와 유사하였고, 화원부는 높은 화재 하중으로 인해 일반 건축물의 구획화재보다 200 ℃ 이상 높은 최대값을 보였다. 또한 화원과 가장 가까운 높이의 경우 상층부 보다 적재물의 방해로 인해 최대 온도가 낮다. 화재와 비화재보를 측정할 때 센서의 높이 선정에 이러한 점들을 고려하여야 한다.
셋째, 가시도 분석 결과 화재 발생 후 238.5 s 이상 가시도가 확보되었으나 물류창고의 특성상 적재물이 많고 일반 건축물에 비해 면적이 넓어 피난이 용이하지 않으므로 작업환경과 수평 수직 확산을 고려하여 피난계획을 마련해야 한다.
넷째, 일산화탄소 분석 결과 온도, 가시도와 비례하여 측정되었으며, 연기 거동에 가장 많은 영향을 받는 요소임을 확인하였다. 특히 연기의 확산이 비교적 느리게 진행되는 부근에서 측정할 때는 데이터의 편차가 있을 수 있다.
본 연구는 문헌과 시뮬레이션을 통해 물류창고의 특징을 확인하여 비화재보로 인해 발생하는 문제점을 해결하고자 기초 데이터를 제공하였다. 추후 많은 데이터를 확보한다면 다양한 종류의 물류창고(물류시설)에서의 비화재보를 저감하여 화재 대응에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
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