최근 이커머스, 플필먼트 상거래의 급격한 성장과 함께 물류산업은 대형화⋅자동화가 빠르게 진행되고 있으며(CBRE Korea, 2025; JLL, 2025), 이에 따른 물류시설 내 랙(Rack) 시스템의 활용이 보편화되고 있다. 랙은 한정된 창고 공간의 수직적 활용을 통해 저장 효율을 극대화할 뿐만 아니라 팰릿 단위(Pallet unit)의 적재/하역과 자동화 설비(AS/RS, AGV 등)와의 연계를 용이하게 하여 물류의 효율성을 향상시킨다(Rouwenhorst et al., 2000; Gu et al., 2010; Tompkins et al., 2010).

그러나 이러한 구조적⋅운영상의 이점에도 불구하고, 랙은 개방형 구조 특성상 화재 시 열전달 및 연소 확산에 매우 취약한 한계를 가진다. 다층적이고 복잡한 적치 환경에서 화재가 발생할 경우, 랙 내 송기공간(Flue space)을 따라 불길이 빠르게 확산되고(Ingason, 1997; Overholt et al., 2011), 화염⋅열류에 의해 구조용 부재가 조기에 변형⋅붕괴될 가능성이 있다. 이러한 이유로 물류시설 랙을 대상으로 하는 화재특성 실험 연구는 실질적 위험도 평가와 더불어 방재 설계기준 개선을 위한 기초 데이터 확보 측면에서 그 중요성이 매우 크다고 할 수 있다.

물류시설 랙은 단열형(Single unit type), 복열형(Double unit type), 적층형(Rack mezzanine) 등 다양한 구조 형태를 가지고 있지만 그중에서도 우리나라는 복열형 랙을 가장 많이 사용하고 있다(Cho and Yeo, 2016). 이러한 경향은 물류 환경, 부지 여건, 운영 효율성, 화물 특성 등 복합적인 요인에 기인한다. 첫째, 제한된 부지와 높은 토지 이용 효율의 요구가 주요 원인이다. 국내 물류시설은 도시 외곽 또는 산업단지 내에 위치하지만, 토지가격이 높은 편이기 때문에 단위면적당 저장 효율이 매우 중요하다. 복열형은 단열형에 비해 통로 수를 줄이면서도 동일 면적 내 저장 밀도를 20~40% 이상 증가시킬 수 있어 공간 활용 측면에서 유리하다(Rouwenhorst et al., 2000; Bartholdi and Hackman, 2008; Tompkins et al., 2010). 둘째, 자동화 및 피킹 효율성을 고려한 구조적 최적화 결과이다. 자동창고(AS/RS) 및 셀렉티브 랙 시스템에서 복열형 구성은 하나의 셀렉터 크레인이나 스태커 크레인이 양측 랙을 동시에 접근할 수 있도록 하여, 물류 이동 동선과 장비 수를 최소화한다. 이러한 구조는 자동화 설비와의 호환성이 높고, 피킹 효율이 향상되므로 대형 물류센터의 표준 설계로 자리잡았다(Rizqi et al., 2023). 셋째, 표준화된 팰릿 단위 물류 체계의 보급도 영향을 미쳤다. 국내 주요 물류업체들은 1,100 mm × 1,100 mm 규격의 팰릿을 사용하며, 복열형 구조는 이 팰릿 폭과 적재 깊이에 적합하도록 국제 표준화 규격(ISO 6780, 2003)에 맞춰 설계된다. 이로 인해 랙 제조사와 시공사 모두 복열형 규격을 기본형으로 생산⋅설치하는 산업적 표준이 형성되었다. 넷째, 화물의 특성 및 운영 안전성 측면에서도 복열형 구조는 장점을 가진다. 단열형에 비해 랙 전체의 횡강성(Lateral stiffness)이 크고, 충돌이나 지진 하중에 대한 구조적 안정성 확보가 용이하다(Kim et al., 2023). 또한 중앙열이 공유되는 구조로 인해 프레임 간 연결이 강화되어, 고상형(High-bay) 창고에서도 안정적인 적재가 가능하다.

랙 화재의 잠재적 위험성으로 인해 관련 화재특성 연구가 수행되고 있으나, 랙 구조 및 수용물 특성의 다양성과 실험 수행의 높은 난이도 등으로 인해 해석 중심의 연구가 주를 이루고 있다. 더불어 해석 결과의 신뢰성 확보를 위한 실험 기반의 검증 데이터는 여전히 부족하다. 본 연구는 국내 물류시설에서 보편적으로 적용되는 복열형 랙 구조를 대상으로 실규모 화재실험을 수행하여 열방출율, 열유속 및 온도 특성을 계측⋅분석함으로써, 랙식 물류시설의 화재위험 평가 및 설계기준 개선에 활용 가능한 기초 데이터를 제시하는 것을 목적으로 한다.

Fig. 4는 복열형 랙의 화재실험 모습을 나타낸 것이다. 착화 후 약 250초간의 잠복(Incubation)기를 거친 이후 성장(Take off)기를 거쳐 약 500초에서 최성기에 도달하였다. 착화가 화염확산의 통로가 되는 송기공간(Flue space)에서 이루어진 이유로 수용물품 표면으로 화염이 전이된 이후 약 120초만에 2단 수용물품의 최상단까지 화염이 빠르게 도달하는 것을 관찰하였다. 이러한 현상은 랙의 수직적 구조 형태 및 수용물품 사이에 형성되는 공간이 일종의 연돌 역할(Stack effect)을 한 것으로 판단된다(Ingason, 1997; Overholt et al., 2011; Yang et al., 2011; Cho and Yeo, 2016). 최상단까지 도달한 화염은 이후 랙 가로방향 송기공간(Transverse Flue Space)을 따라 점차 좌우 측면으로 확산되는 과정에서 V형 화재 양상을 보였다. 이러한 양상을 볼 때, 착화는 바닥에서 이루어졌으나 성장기 단계에서는 바닥에 위치한 수용물품 보다 상단에 위치한 수용물품의 전소가 더 급격하게 이루어질 것으로 예상된다. 아울러 화염확산의 주요 통로가 되는 송기공간에 대해 수동적(ex. 수평차단막) 또는 능동적(ex. In-Rack 스프링클러) 방식의 화재 예방/대응의 중요성도 확인하였다.

한편 최성기를 지나 잠식(Eating in)기에 접어든 이후, 랙 수평 프레임 처짐 현상을 관찰할 수 있었다. 이러한 현상은 랙 내 수용물품의 종류와 그 부피/질량 등에 따라 형성될 수 있는 높은 화재하중이 자칫 랙 자체를 붕괴 및 전도시킬 우려가 있음을 시사한다고 볼 수 있다.

Fig. 5는 대형 열량계(Large Scale Calorimeter)를 통해 측정된 복열형 랙의 열방출율(Heat Release Rate, HRR) 데이터를 나타낸 것이다. Fig. 4와 같이 육안관찰에 의한 분석과는 달리 정량 데이터를 기반으로 분석한 결과 착화 이후 240초간의 잠복기를 거쳐 Ultra-Fast (0.1876)보다 약 185% 수준의 화재성장률(0.3472)을 가지는 것으로 나타났다. NFPA 72® (1999)에서 명시하고 있는 Ultra-Fast는 일반적으로 인화성 액체 Pool fire의 성장속도와 유사한 경향을 갖는 대표적인 화재성장률이므로, 복열형 랙 화재가 갖는 위험성을 충분히 가늠해 볼 수 있다. 최대 열방출율은 527초에서 14 MW로서 표준수용물품(Standard commodity) 등급 중에서도 중간 위험등급에 해당하는 수용물품임에도 불구하고 수직 집약적인 적재방식과 더불어 송기공간에 의한 빠른 화염확산이 매우 높은 열방출율에 기인한 것으로 생각된다. Babrauskas (2016)은 대형 가연물 집적 화재 및 랙 화재 실험에서 열방출율이 수 MW에서 수십 MW 수준까지 도달한 사례들을 보고하였으며, 이러한 열방출율 범위는 강한 복사열과 급격한 화재 발달이 관측되는 대형 화재 조건과 연관되는 것으로 알려져 있다.

Fig. 6은 복열형 랙 양 측면 PT에서 측정된 열유속(Total Heat Flux) 데이터를 나타낸 것이다. 화재실험에서 측정된 열유속은 화재 성장기에서 화염 발달 및 열방출율 증가와 연계되어 상승하는 경향을 보였다. 가연물의 임계 착화 열유속(Critical heat flux for ignition)은 재료 및 점화 조건에 따라 차이를 보이지만, 목재계 재료의 경우 파일럿 점화 조건에서는 약 10~13 kW/m² 수준이 보고되는 반면, 점화원이 없는 무파일럿 조건에서는 약 25~30 kW/m² 수준으로 보고되고 있다(Kretschmann, 2010; Babrauskas, 2016; Marková et al., 2022). 본 실험에서 도출된 최대 124 kW/m²의 열유속은 일반적인 가연물의 임계 착화 열유속(약 10~30 kW/m²)을 크게 상회하는 수준으로 랙 상부 및 인접 랙으로의 화재확산 위험을 크게 증가시킬 수 있다. 또한 최대 열유속 124 kW/m²에 도달하는 데 잠복기(240초)를 제외하더라도 불과 378초만이 소요되어, 초기 화재 대응의 중요성이 더욱 강조된다. 또한 열유속은 높이별로 상이하게 나타났으며, 0.6, 1.1, 1.4, 2.0, 2.5 m 중 1.1 m 위치의 열유속이 가장 크게 측정되었다. 반면 최상부인 2.5 m 위치에서는 전 구간에서 상대적으로 가장 낮은 열유속이 관측되어, 복사열 영향이 높이 증가에 따라 단조 증가하지 않음을 확인하였다. 높이별 열유속 분포는 화염 중심 영역에서 최대값을 나타내는 전형적인 랙 화재 특성을 보였다. 특히 1.1 m 위치는 가연물 연소가 집중되는 화염 중심 영역과 대응되는 높이로, 측면에서 볼 때 화염이 가장 넓게 노출되는 구간에 해당하여 센서가 직접 바라보는 화염 면적(시야율)이 최대가 되었기 때문에 복사열의 영향이 가장 크게 작용하여 최대 열유속이 측정된 것으로 판단된다. 반면 최상부인 2.5 m 위치에서는 상부에 추가로 연소 가능한 수용물품이 존재하지 않고, 화염이 소멸된 이후의 플룸 영역에 해당하여 유효 복사원이 감소하며 공기 혼입에 따른 온도 저하가 발생(화염 상부에서는 대류 지배 영역으로 전환)함에 따라 상대적으로 가장 낮은 열유속이 관측된 것으로 해석된다. 좌⋅우 측면 PT센서 간 열유속 차이는 착화 위치 및 화재 초기 화염확산 방향에 따른 화염 노출 조건의 비대칭성에 기인한 결과로 해석될 수 있다. 다만 잠복기 이후 열유속이 증가하는 시점 차이로 볼 때 착화 위치와 인접한 좌측(Fig. 6(a))에서는 화재 성장 후 약 60초가 경과한 약 300초 시점부터 열유속이 증가하여 인접 수용물품에 영향을 미칠 수 있는 반면, 상대적으로 거리가 먼 우측(Fig. 6(b))에서는 약 400초 이후에 열유속 증가가 나타나 좌측에 비해 약 100초 늦은 시점에 영향을 받을 것으로 판단된다. 즉, 화재 발생 후 10분 이내의 짧은 시간 안에 인접 수용물품에 직접적인 영향이 미칠 수 있어, 조기 화재 진압 및 억제의 중요성이 강조된다. 본 실험에서 도출된 위치별 열유속은 랙 상부 및 인접 영역으로의 화재 확산 가능성을 추정할 수 있는 열적 지표로써 방재 설계 및 안전성 평가에 활용될 수 있다. Fig. 7은 복열형 랙 양 측면에서 측정된 온도 데이터를 나타낸 것이다. 온도는 열유속과 동일한 위치(0.6, 1.1, 1.4, 2.0, 2.5 m)에서 측정되었으며, 높이별 시간 이력은 열유속 결과와 유사한 경향을 보였다(예: 1.1 m에서 상대적으로 높은 수준, 2.5 m에서 낮은 수준). 이는 해당 높이 구간에서 화염 노출 및 열환경이 더 강하게 형성되었음을 시사한다. 온도는 스프링클러 헤드 및 화재감지기 작동에 직접적인 영향을 미치는 핵심 지표로서, 본 실험의 결과를 비롯해 볼 때 높이별 열환경 차이가 설비 작동 시점과 작동 신뢰도에 영향을 줄 수 있음을 보여준다.

본 연구에서는 물류시설 복열형 랙을 대상으로 실물 화재실험을 수행하고 주요 화재특성(열방출율, 위치별 열유속, 온도 등)을 분석하였다. 결론은 아래와 같다.