1. 서 론
국내의 물류창고 및 창고형 매장과 같은 대공간에 내부 적재물이 적재된 형태의 건축물은 물류시스템의 효율화, 창고형 쇼핑몰의 대형화에 따라 매년 증가하고 있다.
국내의 국가물류통합정보센터 통계(MOLIT, 2019)에 의하면 연면적 1,000 m2 이상의 물류창고가 2012년에서 2019년까지 전국에 총 1,285개소가 등록되었으며 2014년부터 매년 약 200건 내외의 물류창고업이 등록되고 있다.
이러한 물류창고 및 창고형 쇼핑몰의 경우 구획별 면적이 크고 층고가 일반적으로 높아 다양한 종류의 적재물이 적층 형태로 보관되어 있는 특징으로 인해 화재 발생시 일반적인 화재보다 화재하중이 크고 빠른 화재확대 및 단위면적당 열방출율이 큰 특성을 보인다(NFPA 92, 2015; NFPA 72, 2016).
또한 소방청 화재 통계(NFA, 2018)에 의하면 2017년에 발생한 창고화재는 산업시설에서 발생한 화재 중 27.6%에 달하며 다른 용도에 비해 재산피해의 규모가 큰 것으로 나타났다.
또한 화재확산속도가 빠른 특징으로 인해 2008년 이천물류창고 화재의 경우와 같이 다수의 인명피해가 발생할 가능성도 높다.
이러한 물류창고 및 창고형 쇼핑몰의 화재 위험성을 저감시키기 위해 국내에서는 Computational Fluid Dynamics (CFD) 시뮬레이션 평가 등을 통한 화재위험성 평가를 수행하고 있으나, 연면적 200,000 m2 이상의 대형 물류창고의 경우에 한해 성능위주 소방설계 기준에 의한 시뮬레이션 평가를 하고 있어 발생할 수 있는 화재 위험성에 비해 모든 창고시설에 적용하기 어려운 점이 많다.
또한 CFD를 사용한 평가방법은 체적 및 화재강도가 큰 용도적 특성으로 인해 평가에 장시간이 소요되며 이에 따른 다양한 환경에 대한 평가가 어려운 단점이 있다.
본 연구에서는 이러한 단점을 극복하기 위해 설계 초기 단계에서 사용자 및 소방관계기관에서 요구하는 화재안전성능기준을 충족시킬 수 있도록 화재위험성을 신속하게 평가할 수 있는 알고리즘을 개발한다.
2. 화재위험성 평가 알고리즘 연구
2.1 평가 알고리즘 연구 목표
화재위험성 평가 알고리즘은 물류창고 에 대해 성능평가를 수행하여야 하므로 내부 적재물이 고려된 용도적 특성이 반영되어야 한다.
또한 화재위험성에 대해 신속한 평가가 가능해야 하며 평가의 신뢰도를 확보하기 위해 NFPA code 및 SFPE 등 공신력 있는 기관에서 제시된 검증된 평가 방법을 활용 및 응용하여 알고리즘을 구축해야한다.
본 알고리즘은 Fig. 1의 순서를 통해 연산되며 화재의 성장 및 감쇄, 연기층의 높이, 스프링클러의 작동 및 진압 등이 계산될 수 있도록 설계하였으며, 이를 통해 재실자의 안전성 확보가 가능한 시간 및 재산상의 피해가 평가될 수 있다.
2.2 열방출율 변화
내부적재물이 적층 보관되어있는 장소에서의 화재 양상은 용도적 특성으로 인해 일반 화재에 비해 시간 경과에 따른 열방출율의 상승폭이 매우 크며 충분한 화재하중이 적재될 가능성이 높아서 신선한 공기의 공급이 충분한 전제하에서는 재산상의 피해가 기하급수적으로 확대될 가능성이 높다(Yu and Stavrianidis, 1991; Ingason, 2001; Hurley et al., 2016).
사용자 또는 관계기관에서는 화재가 일정한 열방출율 이상으로 확대되지 않도록 성능기준을 제시할 필요가 있으며, 설계자는 이를 만족하기 위해 감지기와 스프링클러의 종류 및 간격, 적재물의 한계 적재높이 등을 제시하여 안전성을 확보할 수 있다.
일반적으로 화재의 성장은 Eq. (1)에 의해 발화기준시간에서부터 경과한 시간의 멱함수에 비례하는 것으로 설명할 수 있다(Hurley et al., 2016).
미국은 건축물 내부 감지기의 간격 설계시 창고에서의 적재물 화재시 열방출율 변화가 시간의 제곱에 비례하여 증가하는 것으로 가정하며(NFPA 72, 2016), 기존의 연구(Yu and Stavrianidis, 1991; Ingason, 2001)에서는 열방출율 상승폭이 시간의 세제곱에 비례하는 것으로 연구된 바 있다.
본 알고리즘에서는 열방출율의 변화를 Eq. (1)을 기준으로 적용하되 화재 물질, 내부 적재물의 체적 등에 따라 다양한 양상을 보일 수 있으므로 설계자가 검증된 자료를 활용하여 열방출율이 1,055 kW까지 성장하는 시간과 를 입력할 수 있도록 설계한다.
화재는 스프링클러 및 소방대의 진압 등을 통해 화재가 진화 또는 축소될 수 있다. 본 연구에서는 설계단계에서의 건축물 또는 구획에 대한 화재위험성 평가가 목표이므로 스프링클러에 의한 자체 소화를 전제로 하였다.
스프링클러에 의한 화재양상 변화는 설치간격, 방수량, 반응속도, 감지온도 등에 영향을 받는다. 기존의 연구(Evans, 1993) 및 NFPA code (NFPA 92, 2015)에서는 화재 진압에 대한 예측방법이 제시되고 있으며, 본 연구에서는 스프링클러의 적정간격을 도출할 수 있도록 살수밀도(spray density)에 의한 열방출율 감쇄를 예측하는 Evans에 의해 연구된 다음의 Eq. (2)로 적용하였다.
tdcg는 건식 및 준비작동식과 같은 스프링클러 작동 이후 실제 방출되는 시간차를 고려하기 위해 지연시간이 반영된 시간이며 해당 시간 이후 열방출율이 감소되도록 설정되었다.
Eq. (2)는 살수밀도 0.07 mm/s 이상에서 적용하여야 하며(Evans, 1993) 일정 규모 이하로 열방출율이 하락한 경우 소화된 것으로 판단한다.
해당 수식은 업무용도 특성의 가연물에 대한 실험 결과이므로 창고에 적치되는 다양한 가연물특성이 모두 반영되지는 않는다. 다만 대부분의 화재에서 스프링클러의 살수밀도가 증가하면 열방출율의 감쇄속도가 상승하는 양상은 일반적으로 적용가능하므로, 별도의 연구를 통해 대상 건축물의 적재물 특성에 보다 적합한 보정된 수식으로 적용이 가능하다.
본 연구에서는 스프링클러의 작동으로 인한 변수를 열방출율의 감소에 한하여 적용하였으며, 방수되는 액적 및 온도 저하 등으로 인한 연기층의 하락은 고려되지 않았다.
2.3 연기층 높이의 하강
화재 발생으로 인해 생성된 연기층 높이에 대한 평가는 재실자의 안전한 피난이 가능한 한계시간을 판단하는 중요한 요소이다.
연기층의 높이는 기존 연구에 의해 제안되고(Heskestad, 1984)의 각종 코드 및 문헌(Klote and Milke, 2002; NFPA 92, 2015; Hurley et al., 2016)에서 적용하고 있으며 열방출율, 연기발생량, 연기 온도 등을 고려한 아래의 Eqs. (3)~(5)에 의해 계산된다.
Eqs. (3)~(5)는 4면에서 공기가 유입되어 연기층 도달시까지 화염에 지속적인 공기유입이 가능한 조건에 해당하며 동일한 열방출율 조건에서 가장 연기발생량이 크게 나타난다. 본 알고리즘이 적용되는 기본설계단계에서는 일반적으로 적재 방법, 적재물의 종류, 렉의 높이, 배치 등이 확정 또는 계획되지 않는 경우가 많으므로 최악의 경우를 고려하기 위해 해당 수식으로 적용한다.
일반적으로 화재의 성장은 Eq. (1)에 의해 발화기준시간에서부터 경과한 시간의 멱함수에 비례하는 것으로 설명할 수 있다.
연기발생량(m)은 Eqs. (3)~(5)에 의해 열방출율의 대류항(Q ˙ c
계산식에 의하면 연기의 온도는 연기층의 높이가 0에 근접할수록 기하급수적으로 상승하므로 연기층의 최대 온도를 사용자가 설정할 수 있도록 하였다.
계산된 Vs는 천장으로부터 누적되는 것으로 가정하며 단위 시간별로 Vs를 합산하여 해당 시간의 총 연기체적으로 간주한다.
연기층이 천장으로부터 하강을 시작하는 시간은 화재시 연기가 천장에 도달하는 시간 이후로 가정해야하므로 선행 연구(Newman, 1988; Mowrer, 1990)를 통해 도출된 Eqs. (9), (10)을 활용하여 해당시간을 평가한다.
Eqs. (9)와 (10)에 의해 계산된 연기의 천장 도달시간(tpl)은 화재의 성장속도가 시간의 제곱에 비례하는 조건에 해당하는 수식으로 Eq. (1)에서 p≠2일 경우 별도의 계산식 또는 경험값을 입력해야 한다.
알고리즘에서는 Eq. (11)과 같이 연기층의 높이 변화를 해당 시간에 발생되는 연기의 체적과 해당 높이에서 연기가 체류할 수 있는 면적을 산정하여 계산하며, 높이별 연기 체류면적은 단위시간별로 누적되는 연기의 높이와 비교하여 바닥으로부터의 연기높이가 입력된 적재물 높이 이하가 되면 Eq. (12)와 같이 해당 점유면적을 제외하여 계산한다.
재실자의 안전한 피난이 가능한 한계시간(ASET)을 평가하기 위한 연기층의 한계 높이는 NFPA code (NFPA 101, 2015)에서 제시된 1.8 m를 기본 설정으로 하였으며, 조건에 따라 경사로나 복층 피난구와 같은 경우를 고려하기 위해 한계 높이를 사용자가 임의로 수정할 수 있도록 하였다.
Eq. (13)에 의해 화재 위험성 평가 대상의 층고와 비교하여 계산된 신선한 공기층(Hfresh)의 높이가 설정된 한계 높이 이하가 되면 해당시간을 재실자의 ASET으로 평가한다.
Fig. 2는 제안된 수식에 의해 산정된 창고의 바닥면적 별 적재물의 비율에 따른 피난허용시간(Available safety egress time, ASET)의 변화를 나타낸다. 시뮬레이션 조건으로 물류창고는 10 m 높이, 바닥면적은 1,000~5,000 m2를 1,000 m 단위로 가정하였으며, 내부 적재물은 9 m 높이, 10~90%로 가정하였다. 화재 조건은 1,055 kW 까지 성장하는 시간을 75초로 가정하였으며, 멱함수(p)는 2로 가정하였다.
Fig. 2에 나타난 바와 같이 내부 적재물 점유율에 따른 ASET은 점유율이 반영되지 않은 경우와 비교하여 바닥면적 별 최대 52.34~56.31%의 차이로 분석되며, 점유율 50%에서는 22.00~23.47%의 차이로 나타났다.
본 연기층 높이에 대한 계산 알고리즘은 대상 공간 평면상의 연기층 높이가 모두 동일한 것으로 판단하므로, 실제 개구부 및 적재물의 배치에 따라 ASET이 다를 수 있다.
따라서 기본설계단계에서 본 알고리즘을 통해 적재물의 적정량 등을 평가한 이후, 적재물의 구체적인 배치계획 및 출구에서의 안전성을 판단하기 위해 실시설계단계에서는 CFD를 통한 화재영향 평가를 수행하여야 한다.
2.4 스프링클러 작동 시간
SFPE (Hurley et al., 2016)에서는 스프링클러의 작동시간을 계산하기 위해 열감지기의 응답에 적용하는 것과 동일한 방식을 사용하여 추정하는 것을 제안하고 있으며 기존의 연구(Alpert, 1972) 및 NFPA code (NFPA 72, 2016)에서는 대상의 높이(H), 설치간격(S), 감지속도(RTI)를 활용하여 시간별 감지 온도를 추정하는 방법을 제안하고 있다.
본 연구에서는 SFPE에서 제시한 Growing Fire and quasisteady-state modeling (Hurley et al., 2016) 방법을 적용하여 Eqs. (14)~(16)과 같이 스프링클러의 감지온도를 계산한다.
Eqs. (14)~(16)을 통해 계산된 Tg(t)는 스프링클러의 설치 위치에서의 연기온도 산정식으로, Eq. (6)에 의해 계산된 연기층 전체의 온도(Ts)와는 계산결과가 다르게 나타난다.
알고리즘에서는 계산된 해당시간의 Tsp가 사용자가 입력한 작동온도에 도달하는지 여부를 판단하며, 작동온도 도달시 해당시간을 스프링클러의 작동시간으로 출력한다.
본 연구에서는 스프링클러 알고리즘의 적정성을 판단하기 위해 Table 1의 빌딩정보를 기준으로 CFD와 비교분석하였다.
스프링클러의 RTI는 50 (m⋅s)1/2, 100 (m⋅s)1/2, 200 (m⋅s)1/2으로 설정하였으며 헤드 간격 1.8 m~4.6 m까지의 거리에 대한 작동시간을 분석하였다.
해석에 사용된 CFD 프로그램은 미국 NIST에서 개발된 Fire Dynamics Simulator (FDS) 6.4 (McGrattan and McDermott, 2016a, 2016b)를 사용하였으며 화원은 해석공간 중심 바닥에 2 m × 2 m로 가정하였다. 격자의 크기는 20 cm로 설정하였으며, 각 side 벽면 중앙에 2 m × 2 m의 개구부가 있는 것으로 가정하였다.
적용된 알고리즘은 화원이 point인 것으로 가정하며 FDS 시뮬레이션의 경우 일정 표면적을 화원으로 가정하므로 시뮬레이션 결과가 상이할 수 있으며 20.0% 이하의 오차율을 보일 경우 적용성이 있는 것으로 판단하였다.
스프링클러 작동시간에 대한 개발된 알고리즘과 FDS 시뮬레이션 분석결과는 Fig. 3과 같이 분석되었다.
Fig. 3에 나타난 바와 같이 이격거리가 가까울 수록 FDS 시뮬레이션 결과와 유사한 작동시간을 보이는 것으로 나타났으며, 이격거리가 멀수록 적용된 알고리즘이 보수적으로 예측하여 적용된 RTI에 따라 FDS에 비해 최대 14.68~16.80%의 차이가 발생하였다.
실제 화재시에는 화재의 위치, 높이, 형태에 따라 화재 양상이 다르게 나타나며 이에 따른 감지시간도 차이가 발생할 수 있어 초기 설계 단계에서는 보수적인 예측이 필요하므로 해당 알고리즘의 적용이 대상 건축물의 안전성을 확보하는데에 유리한 것으로 판단된다.
2.5 재산피해 평가
개발된 알고리즘은 열방출율이 일정 규모 이하에 도달시 소화가 된 것으로 판단하며 연산을 종료한다.
사용자의 입장에서 볼 때 발생할 수 있는 재산피해의 예측은 해당 시설의 방재설비 투자에 대한 중요한 척도가 될 수 있다.
그러나 해당 공간은 적재물의 종류, 화재 위치에 따라 재산피해의 평가에 큰 오차가 발생 할 수 있으므로, 본 연구에서는 해석 공간에 대한 평균적인 적재물의 단가(Paverage), 평균 연소열(haverage), 탈 수 있는 물질의 무게비(Rburn)를 사용자가 입력하여 개략적으로 평가할 수 있도록 하였다.
본 평가방법은 총열방출량을 이용한 단순 평가방법으로 연기에 의한 그을음, 스프링클러 작동으로 인한 수손 피해, 고온 노출에 의한 고장 등은 고려되지 않으므로 재산피해액에 대한 개략적인 평가에 한해 적용되어야 한다.
3. 알고리즘을 활용한 화재위험성 평가
3.1 성능기준 설정
본 알고리즘은 설계 초기단계에서 사용자 및 소방관계기관에서 제시하는 성능기준을 충족시키기 위해 다양한 설정을 신속하게 평가할 수 있도록 개발되었다.
Tables 2~3은 사용자 및 소방관계기관에서 제시했다고 가정한 평가 대상의 정보 및 임의의 성능기준이며, 본 장에서는 개발된 알고리즘을 활용하여 해당 성능기준을 충족시키기 위한 평가를 수행한다.
제시된 성능기준을 충족하기 위해 다양한 방법을 사용할 수 있으나, 본 연구에서는 최대 열방출율은 스프링클러 간격, 재산 피해는 스프링클러 방수량, ASET은 내부 적재물의 양을 조정하는 방법으로 제한하였다.
3.2 스프링클러 간격
스프링클러 제조사 및 NFPA code (NFPA 13, 2016)에서는 용도 및 기능에 따라 스프링클러 헤드 간격의 최소 및 최대 거리를 제한하고 있다.
본 연구에서는 허용된 스프링클러 간격을 1.8 m에서 4.6 m까지로 가정하여 0.1 m 간격으로 작동 시간 및 최대 열방출율을 계산하였다.
3.3 스프링클러 헤드별 방수량
3.2에서 계산된 스프링클러 간격으로 표준형 스프링클러 헤드의 방수량(80.0 L/min)을 적용하였을 경우 재산피해가 성능기준을 초과한 110,298,500원으로 분석되었다.
재산피해에 대한 성능기준을 만족시키기 위해 본 연구에서는 방수량을 증가시켜 재산피해를 감소하도록 계획하였으며, 방수량 변화에 따른 재산피해 감소에 대한 계산 결과는 Fig. 5와 같다.
Fig. 5에 나타난 바와 같이 재산피해를 성능기준인 100,000,000 원 이하로 제한하기 위해서는 헤드의 방수량을 88.7 L/min 이상으로 설계해야 하는 것으로 나타났다.
3.4 내부 적재물 적재량
본 절에서는 스프링클러 간격 4.1 m 및 방수량 88.7 L/min 적용시 ASET에 대한 성능기준을 만족시킬 수 있는 최대 적재량을 계산한다.
적재물의 높이가 9.0 m일 경우에 대한 적재량에 따른 ASET 및 시뮬레이션 종료시까지 최대 연기층 높이의 변화는 Fig. 6과 같다.
계산결과 적재량이 바닥면적 1,421.4 m2 이하일 경우 ASET 기준인 500.0 sec 이상을 확보할 수 있는 것으로 분석되었으며, 바닥면적 1,352.9 m2 이하일 경우에는 시뮬레이션 종료시인 3,600 sec까지 한계높이 1.8 m 이상의 조건을 만족시킬 수 있는 것으로 분석되었다.
4. 결 론
본 연구에서는 대공간에 내부 적재물이 적재된 건축물에 대한 신속한 화재영향 평가를 위한 알고리즘을 적용하여 설계할 수 있도록 하였다.
또한 본 연구에서 제시된 알고리즘을 활용하여 열방출율 재산피해 및 ASET을 제한할 경우, 이러한 성능기준을 만족시키기 위해 스프링클러 간격 및 방수량, 내부 적재물 적재량 등을 최적화할 수 있는 것으로 나타났다.
초기 설계단계에서 본 알고리즘을 통해 다양한 조건의 스프링클러 간격 및 방수량, 내부 적재량을 신속하게 검토하여 사용자나 관계기관에서 제시한 성능기준에 적합한 설계안을 도출할 수 있을 것으로 판단된다.
또한 초기 설계 및 계획 단계에서의 평가가 최종 단계에서의 설계에 반영될 수 있으며 이를 통해 창고에서의 인적 및 물적 손상을 최소화하고 개선할 수 있을 것으로 판단된다.
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