1. 서 론
1.1 연구 배경 및 목적
랙 식 창고는 물품을 수직 집약적인 형태로 적재하는 방식의 건축물로서 화재 발생 시 수직 화염 확산으로 인해 급속도로 발전한다. 특히 높이가 높아질수록 flue space (적재 물품과 적재 물품 사이 또는 랙과 랙 사이의 수직 공간)가 수직으로 길게 연결되어 있어 내부에서 발생하는 연돌효과로 인해 화염이 적재 물품의 벽을 타고 수직으로 급속히 상승하는 특성을 갖는다. 이러한 위험성으로 인해 국내에서는 천장높이 10 m 이상인 랙식 창고에는 랙 내부에 수직 6 m 이하의 간격으로 인랙(in-rack) 스프링클러 헤드를 설치하도록 규정하고 있다(1,2). 이러한 국내 기준은 랙의 수직⋅수평 거리에 따른 헤드 설치 기준만을 사양적인 방식으로 제시하고 있기 때문에 모든 형태의 창고에 일률적인 설계가 이루어진다. 그러나 물류시설 마다 갖고 있는 성격이 모두 달라 이러한 설계 방식은 화재 시 초기대응 효능이 미흡할 수 있다.
2015 아모레퍼시픽 화재, 2015 제일모직 화재 및 2020 군포 물류창고 화재 사례 등에서는 사양 위주 설계 방식으로 설치된 스프링클러의 성능적 한계가 나타나 이에 대한 문제가 대두되고 있는 상황이다(3). 반면, NFPA(4) 및 SFPE(5) 등에서는 성능기반 화재안전설계 시 피난안전설계 및 내화설계와 더불어 화재 초기 대응에 대한 소방설비의 적절성 평가도 함께 고려된다.
따라서 물류 시설과 같이 화재 확산 속도가 특히 빠른 시설에 대해 초기 화재 확산의 억제를 위한 성능기반 화재 대응 설계 및 평가 제도의 도입이 필요할 것으로 판단된다.
성능기반 화재 대응 설계 및 평가 방법 구축을 위해서는 다양한 형태로 설계되는 모든 물류시설을 대상으로 초기 화재 대응에 대한 반응 및 억제 여부를 평가할 수 있어야 한다. 특히 랙 식 물류창고의 경우 가연물이 수직적으로 배치되어 있어 화재 확산 속도가 매우 빠르기 때문에 화재의 극 초기에 스프링클러가 작동할 수 있도록 설정해야 한다. 스프링클러 헤드가 작동하는데 필요한 주요 인자는 열기류의 온도로서 해당 인자를 예측할 수 있다면 스프링클러 헤드의 적정 위치, 작동시간 등을 설계 단계에서 예측할 수 있을 것이다.
따라서 본 연구에서는 물류시설과 같은 대공간의 성능기반 화재 대응 설계 및 평가 방법 구축을 위한 연구의 일환으로서 랙 화재의 상부 온도 측정 실험을 통해 스프링클러 헤드의 작동 시간 예측 및 정량화를 위한 기초 데이터를 제공하고, 온도 상승과 관련되는 인자에 대해 분석하는 것을 목적으로 한다.
1.2 기존연구 분석 및 고찰
국내에서는 물류시설의 화재안전을 위한 연구가 지속적으로 수행되고 있다. 주로 랙 식 창고의 방화 관련 규정의 미흡함을 인식하여 개선하고자 노력하였으며(6), 가연물 등급에 대한 명확한 기준이 없어 화재 가혹도 예측, 사양 위주 설계의 한계 등의 문제점이 나타나 이를 개선하고자 NFPA 및 FM global 등에서 제시하고 있는 기준을 분석하여 국내 기준에 도입하고자 하였다(7,8). 특히 랙 식 창고에서 발생하는 화재는 초기 대응이 매우 중요하다는 것을 인식하여 차단막 및 화재 대응 소방설비(9-14)에 대한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다. 그러나 현재까지 국내에서 수행된 화재 대응 설비에 대한 연구는 주로 사양 기준 측면에서 창고 환경에 적합한 설계 및 기술 개발에 가까운 성격을 갖고 있으며, 여전히 성능설계 및 설계 적정 여부 평가에 대한 연구는 미흡한 실정이다.
반면, 국외에서는 랙 화재의 방호를 위해 대규모 실험을 수행하여 랙의 규모 및 가연물의 종류에 따른 스프링클러 헤드의 적정 방수 용량 등을 도출하기 위한 연구가 기초를 이루었다(15-19). 이후 랙 내에 설치된 스프링클러 헤드가 작동이 지연되는 현상이 빈번해지자 화재 직후 스프링클러 헤드의 작동 시간을 예측하기 위해 스프링클러 헤드의 작동 시간과 연관되는 랙 내 환경에 따른 플륨의 온도 및 유속 등에 대한 상관관계와 관련된 연구가 Ingason을 중심으로 수행되었다. Ingason(20-22) 및 Ingason과 DeRis(23)는 랙 내부에 설치된 스프링클러 헤드의 작동시간은 상자 간의 간격, 가연물의 열 방출률 등에 영향을 받는 것을 실험적으로 검증하였다. 또한 랙 내부의 화재 확산 예측 등에 관한 연구가 수행되면서 성능기반 화재 대응 설계를 위한 노력이 진행되고 있는 것으로 보인다(24).
또한 SFPE(5)에서는 growing fire and quasi-steady-state modeling 방법을 적용하여 스프링클러의 반응속도에 필요한 온도 및 유속 인자를 통해 반응 시간을 등을 예측한다. Alpert(25) 및 NFPA 72(4)에서는 대상의 높이(H), 설치 간격(S), 반응시간 지수(RTI)를 활용하여 시간별 감지 온도를 추정하는 방법을 제안하고 있다. 즉, 스프링클러 헤드를 통한 초기 화재 대응을 위해 주로 반응시간을 예측하여 적절한 위치를 선정하는 방법도 고려되고 있다. 또한 Heskestad와 Delichatsios(26)에 의해 제안된 식을 이용해 일정한 조건에서 헤드의 감지 온도 Tact가 72 °C인 경우의 시간을 예측한 결과 약 10% 이내의 오차 값이 도출되었으며, 헤드 주변의 온도 TP는 Figure 1과 같이 약 160 °C인 것으로 나타났다.
따라서 본 연구에서는 화원 상부의 온도가 160 °C에 도달하는 시간을 측정하였다. 더불어 가연물의 상부 온도 예측에 사용될 수 있는 화염의 영역(27)을 분석하기 위해 화염의 길이를 측정하여 추후 성능기반 화재 대응 설계 및 평가 구축을 위한 데이터로 활용하고자 한다.
2. 가연물 종류 및 배치 형태에 따른 온도 측정 실험
2.1 개 요
본 실험은 물류시설 성능기반 화재 대응 설비의 설계와 평가 방법 개발의 일환으로서 랙 내 온도를 측정하였다. Ingason(22)의 연구에 따르면 랙 스프링클러 헤드의 작동시간은 연도 폭(상자 간의 간격), 열 방출률 및 화염 높이 등에 상관관계가 있다고 하였다. 따라서, 본 연구에서는 랙 화재에서 스프링클러 작동 시간에 영향을 주는 온도/시간 및 온도/화염 길이를 중심으로 가연물 배치 및 종류를 변수로 하여 실험을 수행하였다.
2.1.1 실험용 랙의 형태 설정
위와 같은 과업을 수행하기 위해서는 국내에서 보편적으로 사용하고 있는 형태의 랙을 실험에 사용하는 것이 타당할 것이다. 따라서 본 연구에서는 기존 연구에서 수행한 국내 물류시설 현장조사 결과(28)를 바탕으로 실험용 랙의 규모를 선정하였다. 현장조사는 ‘국가 안전 대진단’을 통해 2022년 한 해 동안 수행되었으며, 약 49개소의 물류창고를 대상으로 랙의 가로 × 세로 × 높이의 길이를 측정하였다. 측정 위치 및 결과는 Table 1과 같으며, 평균 길이는 약 1.02 m × 2.62 m × 1.89 m로 나타났다.
Table 1
Rack Size Measurement Location and Measurement Results
|
|||||
|---|---|---|---|---|---|
| Width | Depth | Height | |||
| Length (m) | Num | Length (m) | Num | Length (m) | Num |
| 0.0~0.9 | 10 | 1.5~2.0 | 3 | 0.0~0.9 | 2 |
| 1.0 | 33 | 2.0~3.0 | 46 | 1.0~1.9 | 20 |
| 1.1~1.9 | 6 | - | - | 2.0~3.0 | 26 |
본 연구에서는 현장조사에서 나타난 보편적인 랙 길이의 범위 내에서 실험체 규격을 정하였다. 실험체의 규격은 Figure 2와 같이 3.0 m × 3.0 m × 5.0 m의 천장이 있는 프레임 안에 1.0 m × 2.1 m × 4.8 m의 철재 랙이 위치하도록 설치하였다. 단, 본 연구에서는 2.4 m 높이까지만 가연물을 적재하여 실험하였으며, 랙 상부에서는 온도 데이터를 측정하였다.
2.1.2 가연물 종류 및 배치 형태 선정
Cho와 Yeo(29)는 물류창고 내 가연물의 정립을 위해 현장조사를 실시하였지만 적재 물품의 종류가 불특정하여 표준 물품을 선정하는데 어려움이 있다고 하였다. 그러나 미국 FM global(30)에서 정하는 물품 등급 분류 체계를 국내 실정에 맞도록 유도하여 표준 가연물을 제시하였다. 또한 KS T 1002:2015 (수송 포장 계열 치수) 기준에 근거한 단일 가연물을 제시하였으며, 팔레트 단위 적재 물품의 최대 높이가 2.2 m인 것을 감안하여 2.1 m로 제시하였다. 본 연구에서는 기존 연구(29)에서 제시한 가연물 중 위험도가 높은 판지박스 포장 발포플라스틱(CEP) 및 판지박스 포장 비발포플라스틱(CUP)을 가연물로 선정하였다.
본 연구에서는 가연물의 배치 구조를 변경하며 화재 확산 속도를 측정하는 것을 목적으로 하였기 때문에 실규모 가연물을 이용한 랙 구성을 하기에는 화재 위험성이 매우 높았다. 따라서 실험 장소의 여건 등을 고려하여 기존 문헌(29)에 따라 도출된 표준 가연물의 열 방출률을 프루드 상사법칙에 따라 1/3의 크기로 축소하여 실험을 실시하였다.
상사법칙에 따른 축소는 식(1)에 따른 방법으로 하였다.
여기서, Qm (kW)은 축소 열 방출률, Qf (kW)는 가연물의 열 방출률, λ (-)는 축소비율이다(31).
기존 문헌(29)에 따르면, CEP의 열 방출률은 165 s에 8761 kW, CUP는 586 s에 4633 kW로, 화재 성장률 α를 식(2)에 따라 계산하면, 각각의 축소 열 방출률은 CEP는 515 kW, CUP는 349 kW가 된다.
여기서, 성장 화원을 고려하면 n = 2가 된다.
또한, 프루드 기하학적 상사법칙에 따르면, 길이에 대한 축척은 1:1로, 1/3의 비율로 계산하면 기존 가연물이 1.1 m × 1.1 m인 표준 가연물의 면적은 각각 0.4 m × 0.4 m 가 되며, 단일 가연물의 1개의 열 방출률을 고려하면 1/3으로 축소된 가연물의 전체 크기는 0.4 m × 0.4 m × 1 m가 된다.
상자 내부 가연물은 Figure 2와 같이 CEP의 경우 48 g 및 91 g의 EPS를 각 2개씩 넣어 사용하였으며, CUP의 경우 40 g의 PP를 18개 넣어 상자 내부에 가득 채워 사용하였다.
가연물의 배치의 경우 Cho와 Yeo(32)가 수행한 현장답사 및 설문조사 연구결과에 따라 구성하였다. 기존 연구(32)에 따르면 국내에서 가장 보편적으로 사용되고 있는 랙의 구조는 single rack과 double-row rack인 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 가연물의 배치를 single rack의 경우 1단_1열, 2단_1열로 구성하였으며, double-row rack의 경우 1단_2열, 2단_2열로 구성하였다. 단, 본 논문에서는 한 단의 가연물을 4개씩 배치하였으며, 편의상 가연물 배치에 대한 변수를 “변수_단 수(F)_배치 형태(S or D)”로 표현하였다.
2.2 실험 및 분석 방법
화재 대응 설비의 초기 반응 시간 예측을 위해서는 가연물 종류 및 배치 형태에 따른 초기 화재 온도값이 매우 중요하다. 따라서 본 연구에서는 전술한 내용을 바탕으로 72 °C 스프링클러 헤드가 반응할 때 헤드의 주변 온도인 160 °C 도달 시간 및 화염 길이에 따른 온도값(160 °C/t or L)을 분석하였다.
실험은 한국건설기술연구원 화재안전 연구소의 10 MW large scale calorimeter를 사용하는 Burn hall에서 진행되었다. 본 연구에서 필요한 시간에 따른 온도 상승 데이터를 구축하기 위해 랙 내에 위치한 화원 상단에서의 초기 화재 온도를 측정하였으며, 화염의 확산 특성을 분석하기 위해 시험체의 정면과 측면에서 영상 촬영을 실시하였다.
화원으로는 130 mm × 235 mm × 50 mm의 철재 트레이에 햅탄 350 mL를 부어 사용하였다. 랙 하부 구조물에 간섭을 피하기 위해 랙 하부보다 낮은 높이로 설정하였으며, 가연물이 축소된 비율과 동일하게 화원을 기존 연구(29)의 1/3의 양으로 설정하였다.
온도 데이터는 Figure 2와 같이 화원으로부터 상부로 약 4.8 m 이격된 위치에서 측정하였으며, K-type 열전대와 데이터로거를 사용하였다. 또한 가연물 배치를 single과 double로 나누어 Table 2와 같은 시나리오로 분석하였다.
Table 2
Experimental Scenario
화염의 길이는 디지털카메라를 사용하여 영상으로 기록하였다. 촬영된 영상을 통해 랙의 각 단의 높이인 1.2 m를 기준으로 10 s 간격으로 측정하였다.
3. 실험 결과 및 고찰
3.1 실험 결과
상단 4.8 m 위치의 온도가 160 °C에 도달하는 시간을 측정한 결과는 다음과 같으며, Figure 3에 나타내었다.
Figure 3
Flame length (Photo) and temperature/time graph according to combustible material placement CEP (Left), CUP (Right).
CEP의 경우 1F_S는 234 s, 2F_S는 115 s, 1F_D은 131 s, 2F_D은 59 s로 나타났다.
CUP의 경우 1F_S는 160 °C에 도달하지 않았으며, 2F_S는 340 s, 1F_D은 269 s, 2F_D 배치는 77 s로 나타났다.
화원 상단 4.8 m 지점에서의 온도가 160 °C일 때의 화염 높이는 CEP의 경우 1F_S는 2.8 m, 2F_S은 3.0 m, 1F_D은 2.3 m, 2F_D는 4.4 m로 나타났다.
CUP의 경우 1F_S은 160 °C에 도달하지 않았으며, 2F_S은 3.6 m, 1F_D는 2.0 m, 2F_D 배치는 4.2 m로 나타났다.
3.2 분석 및 고찰
본 연구에서는 플라스틱 가연물의 종류 및 배치에 따른 화원 상단의 온도 상승 속도에 대하여 분석하였다. 결과는 아래와 같다.
3.2.1 가연물이 동일하고 배치 형태가 다를 경우
화원으로부터 상부로 4.8 m 이격된 위치에서의 온도가 160 °C에 도달하는 시간을 속도로 표시하였다. 그 결과 CEP_2F_D가 가장 빠른 것으로 나타났으며 그 뒤로, CUP_2F_D, CEP_2F_S, CEP_1F_D, CEP_1F_S, CUP_1F_D, CUP_2F_S, CUP_1F_S 순으로 나타났다. 속도는 각 0.08 m/s, 0.06 m/s, 0.04 m/s, 0.03 m/s, 0.02 m/s, 0.02 m/s, 0.01 m/s, 0 m/s이다(Figure 3). 실험 결과에 따르면 CEP의 경우 같은 배치 형태일 때 단 수가 증가함에 따라 온도 상승 속도는 약 2배 증가하는 것으로 나타났으며, 2단 이상일 경우 가연물 배치가 double 일 때 single 보다 약 2배 이상 빠른 것으로 나타났다. 이것은 가연물이 double로 배치되어 있을 경우 가연물과 가연물 사이에 수직 연도가 생성되어 상승기류의 속도가 증가하기 때문인 것으로 생각된다(33).
또한 CUP의 경우 1단에 single 형태로 배치되어 있으면 화재가 300 s 이상 지속된 상태에서 최고온도가 약 120 °C 이내로 상승하는 것으로 나타났으며, CEP와는 다르게 단 수마다 화재 온도 상승 속도에 차이가 나타나지는 않았다. 다만, double로 배치되고 단 수가 증가하였을 때에는 상승 속도가 single 배치에 비해 약 6배 증가하였다. 이것은 CUP는 CEP에 비해 최대 열 방출률에 도달하는 시간과 연소 지속시간이 길어(29) 랙 상부에 전달되는 열이 지속적으로 누적됨에 따라 나타나는 현상으로 생각된다.
3.2.2 배치 형태가 동일하고 가연물이 다를 경우
배치 형태가 동일하고 가연물의 종류가 다를 때 시간에 따른 온도 상승을 분석하였으며 결과는 지수함수로서 Figure 4에 y ＝ ax 형태로 표시되었다.
1F_S 일 때, CEP의 경우 온도/시간의 관계가 y = 27.318e0.0076x이며, R2은 0.87로 나타났다. CUP의 경우 y = 24.179e0.0035x이며, R2은 0.86으로 나타났다.
1F_D 일 때, CEP의 경우 y = 42.714e0.0089x이며, R2은 0.84로 나타났다. CUP의 경우 y = 35.836e0.0054x이며, R2은 0.84로 나타났다.
2F_S 일 때, CEP의 경우 y = 21.33e0.0156x이며, R2은 0.87로 나타났다. CUP의 경우 y = 21.384e0.0038x이며, R2은 0.7로 나타났다.
2F_D 일 때, CEP의 경우 y = 21.636e0.0254x이며, R2은 0.7로 나타났다. CUP의 경우 y = 24.179e0.0163x이며, R2은 0.7로 나타났다.
여기서, y 값의 경우 단위시간당 플륨온도값(°C)이며, x 값의 경우 시간(s)을 나타낸다.
온도/시간에 대한 관계를 도출한 결과, single과 double 모두 2단으로 적재하였을 때보다 1단으로 적재하였을 때 비교적 높은 예측률을 보였다. 이는 초기 화원에서 방출되는 화염 및 열기류가 2단에 적재된 가연물의 바닥 하부에서 잠시 정체된 후 착화되며 급격한 화재 확산으로 이어져 측정되는 값에 대한 오류가 발생하였을 것으로 생각된다. 즉, 온도 예측 시 가연물과 스프링클러 헤드 사이의 거리를 고려한 계산이 필요할 것이다.
또한 CUP보다 CEP가 비교적 예측률이 높은 것을 알 수 있었다. CUP의 화재 성장 속도가 CEP 보다 느리기 때문에(29) 화재가 잠복하고 있는 기간 동안의 온도 예측이 어려웠을 것으로 생각된다. 따라서 정확한 온도 예측을 위해서는 가연물의 특성을 고려한 잠복 시간 설정이 필요할 것으로 판단된다.
3.2.3 화염 높이와 온도의 관계
시간에 따른 화염 높이 변화와 온도에 대한 상관관계에 대해 선형적 회귀분석을 수행하였다. 가연물 종류나 배치는 고려하지 않고 화염 높이와 온도 사이의 관계 분석을 위해 10 s 간격으로 총 480 s 간 분석하였다. Figure 5에 나타낸 바와 같이 화재 전반적인 과정에서는 화염 높이와 온도와의 상관관계는 없는 것으로 나타났다. 그러나 열전대가 가열되기 전인 초기 화재에서는 Figure 6과 같이 화염 높이와 온도와의 상관관계가 R2 = 0.93으로서 비교적 높은 상관관계가 나타났다. 더욱 면밀한 검토가 필요하겠지만 이는 초기화재에서 화염 높이에 따른 온도 예측 가능성을 제시한다.
4. 결 론
본 연구에서는 물류시설의 성능기반 화재 대응 설비의 설계 및 평가 방법 구축을 위한 연구의 일환으로서, 화재 발생 후 스프링클러 헤드의 적정 응답 시간 및 온도 등을 예측하기 위한 방법을 도출하고자 축소 규모 실험을 수행하였다. 결과는 다음과 같다.
가연물 배치에 따라 화재 온도 상승을 측정한 결과 가연물이 double로 배치되어 있을 경우 수직 연도를 통한 열기류 상승이 빠르게 나타나 화염 및 플륨의 상승 속도가 single에 비해 약 2배 이상 빠르다. 즉, 가연물의 배치에 따라 수직 온도 상승 속도에 큰 차이가 있기 때문에 설계 시 이를 반영할 필요가 있다.
가연물의 종류에 따라 화재 온도 상승을 측정한 결과 CEP가 CUP에 비해 온도 상승률이 매우 높았다. 이것은 두 가연물의 열분해 속도가 다르기 때문일 것이다. 또한 화재의 성장 속도가 비교적 느린 경우 상부 스프링클러 헤드까지 온도가 도달하지 않아 초기 반응이 어려울 수 있다. 따라서 설계 초기 단계에서 가연물 종류에 대한 면밀한 검토가 필요할 것이다.
화염 높이와 온도 상호 간의 관계를 분석한 결과 열전대가 가열되기 전인 초기 화재에서는 화염 높이와 온도와의 상관관계가 R2 = 0.93으로서 비교적 높은 상관관계가 나타났다. 추가적인 검토가 필요하지만, 이는 화염 높이와 온도 예측을 통해 화재 대응 설비 반응 시간 예측에 활용될 수 있을 것이다.
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