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1. 서 론

건축물에서 발생되는 화재사고를 예방 및 대응하기 위해 다양한 공학적 설계 및 제도적 기준 등이 개발⋅수립되어 있다. 하지만, 반복적으로 발생되는 화재사고와 점차 다양해지고 복잡해지는 건축물의 형태 및 특성 등으로 인해 기존의 제도적 기준이 한계를 나타내고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 기존의 사양위주 설계와 함께 대안적인 성능위주 설계가 제시되고 있지만 국내에서는 소방법 중심의 소방시설 및 설비 등의 분야에서만 적용되고 있는 실정이다.

성능위주 화재안전 설계의 이점에 대해 BSI(1)에서는 사양위주 설계 보다 종합적인 수준에서 화재안전을 검토할 수 있고 경제적인 해결책도 제안될 수 있다고 나타내었다. 또한 현행 제도에서 제시되어 있는 기준에 적합한 수준을 맞추는 설계 방식에서 나아가 대상 건축물의 화재위험에 대한 정확한 화재안전 설계가 이루어질 수 있다. 하지만 성능위주 화재안전 설계는 설계화재(design fire)와 화재 사건 시나리오의 개발 등을 통해 복잡하고 다양한 화재 사고를 사전에 예측해야 하는 어려움도 가지고 있다. Parkinson 등(2)은 성능위주 설계는 안전 목표를 달성하기 위한 대안적인 설계 방법으로 반드시 화재하중, 화재크기, 화재 심각도와 화재지속과 시간-온도의 상관관계가 포함되어 있는 화재 시나리오의 선정이 필요하다고 나타내었다.

또한 Lee(3)는 국내 성능설계에서 선정된 설계화재의 적정성 연구에서 우리나라는 성능설계 제도의 역사가 짧고 설계화재 선정을 위해 필요한 가연물 및 구획 공간에 대한 실 화재 실험 자료가 많지 않아 외국의 가연물 화재특성 자료에 불확실한 안전율을 적용하여 화재크기를 선정하고 있어 문제점을 드러내고 있다고 하였다.

설계화재에 대해 Buchanan(4)은 화재 모델링 과정에서 가정 조건을 설정하는 것으로 발화원의 크기 및 위치, 확산의 방향, 인접 가연물, 벽 또는 창문 등에 의한 개구부 특성 등과 같은 많은 요인들로 인해 결정되며, 설계화재 결정 시에 화재는 최악의 경우로 설정되어야 한다고 나타내었다.

설계화재를 구하기 위해서는 일반적으로 구획공간에서의 가연물량과 환기특성을 주요 인자로 사용하고 있으며, 이에 따라 연료 지배형(fuel controlled)과 환기 지배형(ventilation controlled)으로 나타낼 수 있다. Khan 등(5)은 Figure 1과 같이 환기특성(A_s: 구획면적, A₀: 개구부 면적, H: 개구부 높이)에 따라 최대 온도를 보여주고 있으며, 제한된 산소농도이고 그을음이 많은 영역(regime Ⅱ)을 연료 지배형으로 나타내고 산소농도가 충분하고 그을음이 제한적인 영역(regime Ⅰ)을 환기 지배형으로 나타내었다. Hwang 등(6)은 구획화재에서 과환기 및 환기부족은 총괄당량비에 의해 구분되고 총괄당량비는 완전연소를 위한 이론 연료 공기량 비에 대한 건물 내부의 실제 연료 공기량의 비로 정의되고 이 값이 1.0보다 클 때 환기부족 화재가 발생된다고 나타내었다.

Figure 1

Classical curve for representing the relationship of temperature with ventilation factor.

Hertz(7)는 다음 식과 같이 환기 특성, 화재하중과 열특성 값을 사용하여 구획공간에서의 온도 예측식을 나타내었다.

여기서 T_g는 구획공간에서의 온도(°C), t는 시간(min), t_d는 총 가열시간(min), O는 환기계수(m^1/2), q는 화재하중(MJ/m²)이고 b는 열관성(Ws^1/2/(m²K))을 나타낸다. 또한 λ는 열전도율(W/(mK)), ρ는 밀도(kg/m³)이고 c_p는 열용량(J/(kgK))을 나타낸다.

Lee 등(8)은 구획화재의 화재성상에 관한 문헌 연구에서 기존의 화재온도 예측 식들에서도 앞서 제시한 온도 변화식과 유사하게 화재하중, 환기특성과 벽의 마감특성 등이 주로 인자로 사용됨을 나타내었다.

구획 화재에서는 시간-온도 곡선을 개발하기 위해 사용되는 다양한 인자 가운데 대표적으로 화재 하중과 환기 계수가 사용됨을 알 수 있으며, 이에 따라 본 연구에서는 시간-온도 곡선의 개발을 위해 화재하중과 환기계수별 실규모 화재실험을 진행하고 이를 분석하였다.

2. 실규모 화재실험 방법

2.2 실규모 화재실험 계획

구획 공간에서의 실규모 화재실험은 Figure 2와 같이 2.4 (L) m × 3.6 (W) m × 2.4 (H) m 크기의 구획 Mock-up에서 진행하였으며, 내부는 세라크울을 마감재료로 사용하였다.

Figure 2

Mock-up size & opening size.

실규모 화재실험은 2.2 (L) m × 2.0 (H) m 크기(이하 A type)와 2.2 (L) m × 1.0 (H) m 크기(이하 B type)의 단일 개구부를 Mock-up의 전면부에 배치시켜 진행하였으며, Table 1에 실규모 화재실험에 대한 시나리오를 나타내었다. 전면부에 배치된 개구부의 크기에 따른 환기계수는 A type에서는 3.11이고 B type에서는 2.2로 계산되어진다.

Table 1

Scenario of Real Scale Fire Experiment

화재실험에서는 목재를 가연물로 사용하였으며, 초기 착화는 소량의 햅탄풀을 통해 진행하였다. 화재하중은 A와 B type 모두 약 74.5 kg과 89.2 kg으로 적용하여 두 번씩 화재실험을 실시하였다. Kwon 등(13)의 연구에서는 국내의 목재 열량값을 약 4,500 kcal/kg으로 나타내어 이를 바닥면적과 목재의 화재하중을 적용하게되면 화재실험에서의 화재하중 밀도는 평균적으로 162.4 MJ/m²와 194.6 MJ/m²로 나타난다.

내부의 온도변화를 측정하기 위해 Mock-up 중앙부에 열전대(온도센서)를 설치하고 총 5지점(바닥면으로부터 0.6 m, 1.0 m, 1.4 m, 1.8 m와 2.2 m)에 K-type 열전대선을 설치하였다. Figure 3에서는 온도측정 위치를 나타내고 있다.

Figure 3

Temp. measurement point.

3. 실규모 화재실험 결과

3.1 환기계수별 화재실험 결과

실규모 화재실험은 개구부의 크기에 따라 환기계수가 3.11인 A와 2.2인 B Type 형태로 2종류의 화재하중 값을 사용하여 진행하였다. 그리고 실험에서 가연물로 사용된 목재 크립은 두 단으로 구분하였으며, 하부에 햅탄풀을 거치시켜 초기에 화염을 목재 크립에 착화시켰다.

Figure 4에서는 A Type에서 화재하중이 162.6 MJ/m²인 화재실험 모습을 보여주고 있다. 화재실험 시작 후 약 2 min 40 s에 햅탄풀이 소화되었으며, 목재 크립에서의 연소 진행 후에 실험 시작 약 23 min 30 s부터 목재 크립이 서서히 붕괴되었다.

Figure 4

View of real scale fire experiment_A type_1st.

화재 하중이 194.7 MJ/m²인 A type의 화재실험 모습은 Figure 5와 같다. 초기 착화 후 약 2 min 50 s에 하부의 햅탄풀이 소화되었으며, 이 후 목재 크립에서의 연소 반응이 진행되었다. 화재하중 차이에 따라 두 번째 실험에서의 화염은 내부 공간의 천장부까지 도달하였으며, 화재실험 시작 후 약 14 min 57 s부터 목재크립이 붕괴되기 시작하였다.

Figure 5

View of real scale fire experiment_A type_2nd.

실규모의 화재실험은 목재 크립이 붕괴된 이후에 연소 반응의 감소폭이 적을 경우에 종료하였다. A type의 화재실험에서는 화재하중 차이에 의해 첫 번째 실험에서는 약 40 min 동안 실험을 진행하였으며, 두 번째 실험에서는 약 30 min 동안 실험을 진행하였다.

Figures 6과 7에서는 화재하중이 162.2 MJ/m²와 194.5 MJ/m²인 B type의 형태의 화재실험을 보여주고 있으며, B type의 화재실험은 총 30 min 동안 진행되었다.

Figure 6

View of real scale fire experiment_B type_1st.

Figure 7

View of real scale fire experiment_B type_2nd.

화재하중이 162.2 MJ/m²인 B type의 화재실험에서는 A type과 다르게 내부 구획 천장부에 화염이 도달하는 모습을 보였으며, 화재하중이 194.5 MJ/m²에서는 실험시작 약 2 min 후부터 화염이 외부로 출화하여 외부의 상부층으로 확대되는 모습이 나타났으며, 이는 동일 화재하중에서의 A type 형태에서는 나타나지 않은 모습이다. 환기계수 또는 환기량의 차이로 인해 화염이 상부층에 도달하는지 여부를 고려할 수도 있을 것으로 판단된다.

3.2 실규모 화재실험 온도 측정 결과

실규모 화재실험을 통해 환기계수와 화재하중에 따른 내부의 온도변화를 측정하였으며, Figures 8과 9에서는 내부의 온도변화를 나타내고 있다. A type에서 1번째 실험결과는 구획공간에서의 환기량이 화재하중 대비 과환기 화재의 형태를 보여주고 있는 것으로 판단되고 2번째 실험결과는 점화→성장→최성기→쇠퇴기의 형태로 일반적인 풀버너 화재형태를 보여주고 있다.

Figure 8

Results of temperature measurement_A type_1st.

Figure 9

Results of temperature measurement_A type_2nd.

Table 2에서는 A type 형태의 실험에서 측정된 내부 온도의 최대값과 측정시간을 보여주고 있다. 1번째 실험은 TC5지점에서 366.5 °C가 26 min 48 s에 측정되었고 2번째 실험에서는 동일지점에서 524.7 °C가 5 min 12 s에 측정되었다.

Table 2

Max. Temperature at each TC Point_A Type

Figures 10과 11에서는 B type 형태에서의 내부온도 변화를 보여주고 있으며, Table 3에서는 최대 온도와 도달 시간을 나타내고 있다. B type 형태의 화재실험은 A type의 2번째 실험과 유사하게 풀버너 화재형태를 보여주고 있으며, 화재 실험 후반에 나타나고 있는 급격한 온도 성장은 내부의 목재 크립이 쇠퇴기에서 붕괴되면서 발생된 것으로 판단되어 진다. 측정된 최대온도는 1번째 실험에서는 TC5에서 593.4 °C가 13 min 12 s에 측정되었고 2번째 실험에서는 TC2에서 673.4 °C가 17 min 6 s에 측정되었다.

Figure 10

Results of temperature measurement_B type_1st.

Figure 11

Results of temperature measurement_B type_2nd.

Table 3

Max. Temperature at each TC Point_B Type

4. 환기계수를 고려한 시간-온도 예측 분석

실물화재 실험을 통해서 측정된 내부 온도에서 최대 온도값이 측정되는 TC5 지점에서의 변화를 Table 4와 같이 최대 온도 구간을 설정하여 해당 구간 내에서의 평균 온도를 나타내었다.

Table 4

Average Temp. at Max. Value Time Duration_TC5

A type 형태에서 과환기 상태로 판단되는 1번째 화재실험결과에서는 온도가 증가되면서 총 실험시간인 40 min 대비 64.0～69.8% 지점에서부터 온도가 감소되고 해당 구간에서의 평균온도는 354.8 °C로 나타났다. 풀버너 형태와 일반적인 구획화재 성상을 보여주고 있는 A type의 2번째 화재실험과 B type의 화재실험들에서는 총 실험시간인 30 min 대비 12.7～48.3% 지점에서 온도가 선형의 형태를 보여주고 평균온도는 A type 2번째 화재실험에서 507.1 °C, B type의 1번째에서 570.0 °C이고 2번째에서 612.5 °C로 나타났다.

연료지배형 화재와 환기지배형 화재를 정확히 구분하는 것은 한계가 있지만 앞서 나타낸 Khan 등(5)의 역변환 환기계수와 온도와의 상관관계에 대한 연구사례에서는 역변환 환기계수 10을 기준으로 나타내고 있다.

본 화재실험에서 A type의 역변환 환기계수는 13.0이고 B type은 18.3임을 고려할 경우에 환기계수가 연료지배형에 가까울수록 화재하중의 차이에 따라 온도가 서서히 증가한 이후에 연료가 소모되면서 소화되는 과환기 형태를 나타낼 수 있다고 판단된다.

A type 형태에서도 2번째 화재실험과 같이 화재하중이 높을 경우에는 B type 형태와 같이 일반적인 환기지배형 화재의 형상을 보일 수 있으며, 동일 화재하중 값을 가지고 있을 경우에 환기계수에 따라 높은 온도를 구획 내부에서 나타낼 수 있음을 본 화재실험을 통해서 보여주고 있다. B type에서와 같이 환기지배형 화재 특성을 보여주는 경우에는 화재하중에 따라 구획 내부에서의 최대온도가 변화되는 것으로 판단된다.

5. 결 론

본 연구에서는 실규모 화재 실험을 통해서 시간에 따른 온도 곡선 모델 개발을 위해 환기계수와 화재하중을 분석해 보고자 하였다. 건축물에서의 화재안전 설계는 법 기준 등에서 제시한 기준을 따르는 사양위주 화재안전 설계와 대상 건축물의 화재특성을 분석하여 성능기준을 만족시키는 성능위주 화재안전 설계로 구분되며, 성능위주 화재안전 설계에서 설계화재 및 화재 시나리오 개발은 가장 중요한 부분이다. 이러한 설계화재 및 화재 시나리오의 개발은 시간에 따른 온도의 성장 예측을 통해 화재 크기 및 모델을 설정하는 것으로부터 시간된다.

실규모 화재 실험은 전면부에 단일 개구부를 포함한 2.4 (L) m × 3.6 (W) m × 2.4 (H) m 크기의 구획 Mock-up에서 목재 크립을 가연물로 사용하고 내부의 온도 변화를 측정하였다. 단일 개구부의 크기는 2.2 (L) m × 2.0 (H) m 크기(A type)와 2.2 (L) m ×1.0 (H) m 크기(B type)로 구성하고 화재 하중은 평균적으로 162.4 (1st) MJ/m²와 194.6 (2nd) MJ/m²로 설정하였다.

실규모 화재 실험 결과 A type 1번째 실험은 TC5지점에서 366.5 °C가 26 min 48 s에 측정되었고 2번째 실험에서는 동일지점에서 524.7 °C가 5 min 12 s에 측정되었고 B type에서는 1번째 실험에서 TC5에서 593.4 °C가 13 min 12 s에 측정되었고 2번째 험에서 TC2에서 673.4 °C가 17 min 6 s에 측정되었다. B type 화재실험에서는 목재 크립이 연소된 이후에 붕괴가 발생되어 실험 후반에 급격한 온도의 상승이 발생되었다. 따라서 화재 실험 결과, 최대 온도값이 측정되는 TC5 지점에서 최대 온도 구간을 설정하여 해당 구간 내에서의 평균 온도로 분석하였다. 그 결과, A type 형태의 1번째에서 평균 온도는 354.8 °C로 나타났고 2번째에서는 507.1 °C로 나타났고 B type의 1번째에서 570.0 °C, 2번째에서 612.5 °C로 나타났다. 본 화재실험에서 환기계수가 연료지배형에 가까울수록 화재하중의 차이에 따라 온도가 서서히 증가한 이후에 연료가 소모되면서 소화되는 과환기 형태를 나타낼 수 있다고 판단된다.

본 실규모 화재 실험을 통해서 환기계수와 화재하중에 따라 구획 내부의 최대 온도가 변화될 수 있는 것으로 판단되며, 이는 성능위주 화재안전 설계 시에 환기계수와 화재하중을 고려해서 설계화재 및 화재 시나리오를 개발하는 것이 중요함을 나타낸다. 대공간 및 아트리움의 경우 연료지배형 화재의 특성을 보이지만 대공간 및 아트리움과 같은 공간의 크기를 가지지만 물류시설 등과 같이 화재하중이 높을 경우 환기지배형 화재 특성을 가질 수 있기 때문에 공간에서의 화재하중 값의 선정이 중요할 수 있다. 또한 이와 반대로 화재하중이 높을 경우에는 구획공간에서의 개구부 크기 등을 조절하여 초기 화재확산을 지연시킬 수도 있을 것이다. 이러한 방법들을 활용해서 성능위주 화재안전 설계 시에 다양한 화재방호 설계가 가능할 수 있을 것으로 판단된다.

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