1. 서 론
화재에 대한 다양한 방호 기술은 건축물 내에서의 화재 발생을 미연에 방지하는 예방적 방법과 발생된 화재의 확산을 방지하는 대응적 방법으로 구분될 수 있다. 이러한 화재 예방 및 대응적 방법들 모두 건축물의 설계 시에 반영되어야 건축물에서의 구성요인과 위험요인이 모두 고려될 수 있다.
건축물의 구획화는 화재 확산을 방지하는 가장 주요한 방법이고 방화구획으로도 설정된다. 화재가 발생되는 공간을 구획 내부로만 한정시키고 인접 구획으로 확산을 방지하고자 하는 노력이 지속되고 있지만, 이러한 확산 방지가 실패했을 경우에는 화재가 대형 화재로 성장하게 된다. 방화구획화의 실패는 일반적으로 출입구, 창문 등과 같은 개구부와 구획을 관통하는 관통부 틈을 통한 화염의 확산으로 진행된다. 따라서 방화구획 내부에서 발생되는 화재의 크기를 정확히 예측하고 이를 통해 내부의 개구부나 관통부 틈 등을 통한 화재 확산을 방지해야 한다.
구획공간에서의 화재하중과 환기특성은 화재 크기에 가장 큰 영향을 주는 요인이다. Khan 등(1)은 화재 모델에 대한 연구에서 기존의 문헌 조사에서 화재 시나리오에 적용하기 위해 그을음이 존재하고 산소공급이 제한되는 경우와 환기가 충분하여 그을음 농도가 낮아지는 경우를 구분하고 이를 연료 지배형과 환기 지배형 화재의 특성이라고 하였다.
구획 공간에서 화재 크기를 예측하기 위한 다양한 방법 중에서 현재 국내⋅외에서 주로 사용되고 있는 방법은 구획 공간의 특성에 따라 화재성장률을 결정하고 이를 통해 전산유체 역학 프로그램인 fire dynamics simulation (FDS)을 사용하는 방법이다. Baek과 Oh(2)는 설계화재 예측 연구에서 화재 시뮬레이션에 사용되는 입력조건은 주로 시간에 따른 화재의 거동을 잘 나타내는 열발생률(heat release rate, HRR)이 사용되고 있으며 각 화재에 대해 측정된 HRR을 기초하여 이용되고 있다고 하였으며. 여기서 HRR은 건물의 구조와 환기 조건 등 특정 화재 시나리오에 따라 달라지는데 모든 화재 시나리오에 대한 HRR을 실험을 통해 측정하기에는 어려움이 있다고 나타내었다.
대표적인 설계화재 곡선으로는 t2 성장곡선을 사용하고 있으며, t2성장곡선은 저속, 중속, 고속 및 초고속 성장률로 구분된다. 이러한 화재성장률은 건축물의 용도별로 제시되고 있다. 하지만, 국내⋅외 문헌에서 건축물 용도에 따른 화재성장률이 상이한 경우가 존재한다. 예를 들어 영국의 BSI(3)에서는 학교 및 사무실을 중속으로 하고 호텔과 복지시설에 대해서는 별도의 언급이 없지만 Karlsson과 Quintiere(4)는 학교 및 사무실을 고속으로 하고 호텔과 복지시설에 대해서도 고속으로 제시하고 있다. 이는 구획공간의 화재 크기를 예측하는 방법이 어렵고 여러 가지 제약이 존재함을 나타내고 있다.
이러한 기존의 구획공간의 화재특성 분석의 한계에도 불구하고 일반 구획공간과는 다른 화재 형태를 보이는 대공간 구획공간에서도 기존의 구획공간의 특성 평가 방법을 준용해 사용해 오고 있다. 대공간 구획공간은 넓은 바닥면적과 높은 천고를 가지고 있으며, 이에 따라 초기에 화재가 발생했을 경우에 Buchanan(5)은 내부의 칸막이가 없는 대공간 구획(100 m2 이상)의 경우에는 화재가 동시에 모든 구획내의 최고 온도에 노출시키지 않고 구획 내부에서 확산 또는 이동한다고 하였으며, 확산 과정 중에 일부 지점에서는 소멸상태가 발생되기도 한다.
Law 등(6)은 대표적인 파라메트릭 화재모델 중에서 유로코드의 제한 조건에도 불구하고 공간의 크기 또는 특성을 반영하지 않고 사용되고 있다고 하였다. 유로코드에서 제한 조건은 구획의 바닥 면적이 500 m2 이하, 높이 4 m 이내, 천장부에 개구부가 없고 내부 마감재료의 열관성이 1,000~2,000 J/m2s1/2K 라고 하였다. 이는 대공간과 아트리움이 존재하는 건축물에서의 사용에 한계를 보여준다. 이러한 문제를 해결하기 위해 Dai 등(7)은 일부 대형 구획화재는 감국부적으로 연소하고 시간이 경과됨에 따라 화재실의 바닥을 가로질러 이동하는 형태를 보이며, 이를 이동화재(travelling fire)라고 제시하였다. 이동화재는 대공간과 같이 바닥 면적이 넓고 높은 천고를 가지는 구획에서의 화재 특성을 파악하기 위한 방법이다. 하지만 현재 대공간 구획공간의 화재특성 연구가 초기단계이기 때문에 이동화재 평가 방법도 바닥면적과 높이의 관계와 같은 세부적인 내용을 반영하지 못하고 있다.
따라서 본 연구에서는 구획내부에 발생된 화염이 내부 공간 전체로 확산되지 않고 환기량의 영향을 받지 않는 대공간 구획의 화재의 특성을 파악하기 위해서 실대형의 화재실험을 진행하였으며, 이를 통해 공간 천장부의 온도 변화를 측정하고 위치별 온도의 변화를 분석해 보고자 하였다.
2. 실대형 화재실험
2.1 실대형 화재실험 시나리오
대공간 구획 특성을 고려한 실대형 화재실험은 5.0 (L) × 25 (W) × 5.0 (H) m 크기의 철제 프레임으로 구성된 구획에서 진행하였으며 한쪽 면만 개구부를 가지는 형태이다. Figure 1은 구획의 모습과 크기를 보여주고 있다.
Table 1은 화재실험에 대한 시나리오를 나타내고 있으며, 화재실험은 0.45 (L) × 0.45 (W) × 0.1 (H) m 크기의 버너를 12개 배치시키고 에탄올을 연료로 사용하였다. 화염착화 방법에 대한 시나리오는 조건별 다양하게 나타날 수 있지만 실대형 화재실험에 특성상 모든 조건을 고려하기 한계를 가진다. 본 연구에서는 화염이 동시에 착화되어 급속히 성장하는 형태와 동일한 연료가 서서히 확대되어 성장하는 형태로 구분하도록 시나리오를 설정하였다.
Table 1
Experimental Scenario
따라서 본 연구에서는 화염의 착화 형태보다는 다른 착화에서도 동일한 특성을 파악하는데 목표를 두었다. Figure 2는 버너의 배치 모습을 보여주고 있다. 실험은 앞서 제시한 바와 같이 두 가지 착화 방법으로 진행하였으며, 첫 번째는 버너에 화염을 동시에 착화하였고 두 번째는 일정간격을 두고 화염을 착화하였다.
대공간 구획의 특성에 따라 전체 공간이 화염에 노출되지 않기 때문에 내부 공간의 천장부에서만 가스 온도 변화를 측정하였다. Figure 3에서는 천장부의 가스 온도를 측정하기 위해서 천장에 설치한 온도 측정선의 위치를 나타내고 있다. 온도 측정은 전체 53개 지점에서 진행하였으며, 측정을 위해 K-type 열전대선을 이용하였다. 천장부에서는 총 53지점에서 온도를 측정하였고 개구부를 기준으로 세로 방향으로 1.0 m이고 가로 방향으로 2.0, 2.5 m의 간격을 유지하였다. 풀버너는 중심부가 8번 측정 위치에 위치하도록 배치하였다.
2.2 풀 버너 열방출률 실험
실대형 화재실험을 진행하기 전에 에탄올 풀버너의 열방출률 실험을 진행하였으며, Figure 4에 실험을 보여주고 있다. 실험을 통해서는 일산화탄소와 이산화탄소의 발생량과 산소의 소모량을 측정하여 산소소모율법을 통해 열방출률을 계산하였다. 산소소모율법은 산소 1 kg이 소모될 때, 13.1 MJ/kg의 열량이 발생한다는 기본원리에서 시작된다. Barauskas와 Grayson(8)은 산소소모율법을 통해 열방출률을 계산하는 방법으로 1) O2 2) O2와 CO2 3) O2, CO2와 CO 4) O2, CO2, CO와 H2O 의 사용하는 4가지의 방식을 제시하였다. 본 연구에서 활용된 실험 장치는 3번째 방식으로 열방출률을 계산하였다.
Figure 5에서는 측정된 열방출률을 나타내고 있으며, Table 2에서 산소의 소모, 일산화탄소와 이산화탄소의 최대 측정값과 최대 열방출률을 나타내고 있다. 열방출률 실험은 15 min 동안 진행되었으며, 점화 후 급격히 상승 이후에 약 130 kW 이상을 유지하고 소멸되는 일반적인 풀버너 실험의 성장형태를 보였다. 일발적인 풀버너의 성장상태를 Kweon(9)의 풀버너를 사용한 실험에서 초기에 화재가 급격히 성장하고 연료가 소비되면서 안정적인 상태를 유지한 이후 급격히 감소하는 열방출률 결과값을 제시한 바 있다.
실험을 통해서 측정된 최소 산소 농도는 20.59%, 최대 일산화탄소 농도는 29.65 ppm이고 최대 이산화탄소 농도는 0.22%로 나타났다. 최대 열방출률은 실험 시작 후 9 min 30 s에 158.34 kW로 측정되었다.
3. 실대형 화재실험 결과
3.1 실대형 화재실험 측정 결과
대공간 구획공간의 천장부에서 온도 성장에 대한 특성을 분석하기 위해 본 연구에서는 5.0 (L) × 25 (W) × 5.0 (H) m 크기와 단일 개구부를 가지는 시험체 내부에 0.45 (L) × 0.45 (W) × 0.1 (H) m 크기를 가지는 에탄올 풀버너 12개를 배치시키고 동시 착화와 지연 착화 방식으로 실대형 화재실험을 진행하였다. 풀버너 1개당 사용된 에탄올은 4 L이고 Figure 6에는 동시착화와 지연착화로 진행된 화재실험을 나타내고 있으며, 화재실험은 화염으로 인한 천장부의 온도변화를 측정하였다.
화재실험은 에탄올 풀버너가 소멸될 때까지 진행하였으며, 천창부에 총 53개 지점에서 온도변화를 K-type 열전대선을 설치하여 측정하였다. 화재실험 시간은 풀버너가 소멸되는 지점이며, 동시착화는 13 min 37 s이고 지연 착화는 26 min 57 s로 나타났다. 에탄올 연료의 특성상 연기 등의 발생은 적게 발생되었으며 화염의 높이는 약 1 m 이하로 나타났다.
Figures 7과 8에서는 화재실험을 통해서 측정된 천장부의 온도변화를 나타내고 있다. 온도변화는 전체 구역을 연소(1~19), 전파(20~39)와 개구부(40~53)로 구분하여 나타내었다.
동시 착화(#1)에서의 온도 성장은 점화 이후에 온도 변화가 급격히 성장하는 풀버너의 연소형태를 보이고 있으며, 이후 최성기까지는 천장부의 높이로 인해 서서히 증가하는 형태를 보이고 있다. 최성기 이후에는 풀버너의 에탄올 연료가 소진되면서 천장부의 온도가 급격히 하강하는 형태를 보이고 있으며, 실험이 종료되는 시점에서는 측정지점별 일정하지 않은 형태의 온도 변화가 나타났다. 이는 연소반응이 종료된 이후에 천장부가 냉각되면서 위치별로 상이한 상황으로 인한 것으로 판단된다.
지연 착화(#2)에서는 풀버너로 화염이 전파되면서 급격히 성장하는 온도의 성장 영향으로 성장과 감소가 반복되는 형태를 보였다. 또한 시간의 간격을 두고 3번에 걸쳐 착화가 진행되었기 때문에 온도의 성장도 착화에 따라 변화된 형태를 보인다. 지연 착화는 대공간 구획의 경우 일반 구획 공간과 다르게 전체 공간에 화염이 전파되지 않는 상황을 파악하기 위해 진행하였다. 초기에 점화에 의해 급격히 성장한 천장부의 온도는 연료의 소진으로 감소된 이후에 전파된 인접 풀버너의 연소반응과 함께 다시 성장하고 이러한 형태는 총 3회에 걸쳐 진행되었다.
동시 착화와 지연 착화 실험에서 화원 근처의 천장부에서는 일반적인 구획공간에서의 온도특성과 유사한 형태를 보였다. 하지만 Figure 7(b)의 A20~39와 Figure 8(b)의 B20~39에서 측정된 천장부의 온도변화를 보면 거리에 따라 유사하게 감소되는 온도가 온도측정 위치 35~39를 기점으로 큰 폭으로 감소되는 형태를 보이고 있다. 이는 Mock-up에서 화원이 설치된 지점에서부터 약 14.5 m에서 두 공간의 온도성장이 구분되는 것으로 판단된다. 이는 35~39 지점을 경계로 해서 풀버너 화원의 근거리 영역과 원거리 영역으로 구분할 수 있다고 판단된다.
Tables 3과 4에서는 천장부에서 측정된 온도의 최대값을 나타내고 있다. 동시착화에서는 화원 근처인 7지점에서 최대온도가 252.3 ℃로 측정되었으며, 지연 착화에서도 화원 근처인 8지점에서 181.0 ℃로 나타났다. 온도가 큰 폭으로 감소되는 35~39 지점들에서의 최대 온도는 동시착화의 경우 144.1~135.0 ℃로 지연 착화에서는 97.1~94.9 ℃로 나타났다. 실대형 화재실험은 다양한 요인에 영향을 받기 때문에 오차범위가 일정하지 않을 수 있다. 하지만 이러한 상황에서도 일정 지점들을 중심으로 온도 성장의 변화 특성이 상이하게 나타나는 것은 대공간 구획공간과 내부 공간이 화염으로 모두 노출되는 일반적인 구획공간의 특성 차이로 판단되어 진다.
Table 3
The Max. Temp._#1 (℃)
Table 4
The Max. Temp._#2 (℃)
3.2 대공간 구획의 천장부 온도성장 분석
실대형의 연소실험을 통해서 대공간의 온도 성장 특성을 분석하기 위해서 대공간 구획을 모사한 Mock-up의 천장부에서 총 53개 지점의 온도 변화를 측정하였다.
앞서 제시한 바와 같이 동시 착화와 지연 착화 모두 Mock-up의 중간지점인 약 14.5 m 부근에서 온도성장의 변화가 발생하였다. 이에 Table 5에서는 해당 지점 근처의 온도 측정 지점에서 출입구 방향으로 단계별 온도의 변화 차이를 나타내었다. 온도 성장 차이를 나타낸 구간은 총 4구간이며, 화원근처인 근거리 영역과 경계를 지난 원거리 영역에서는 약 10 ℃ 이내의 온도 변화를 보였지만 30~34 라인과 35~39 라인에서는 최대 46.9 ℃의 차이를 나타내었다.
Table 5
Max. Temp. Difference by Measurement Point
화원 근처의 천장부에서 가장 높은 온도를 보이고 출구 방향으로 서서히 감소되던 온도가 30~34 라인을 경계로 급격하게 감소하고 35~40 라인을 경계로 급격히 성장한 이후에 다시 감소하는 형태를 보였다. 이를 통해 해당 라인을 경계로 하여 근거리와 원거리 영역으로 구분되어 상이한 온도 변화의 특성을 보여준다고 판단된다. Figure 9에서는 온도변화가 발생되는 지점 중에서 중심 지점인 27, 32, 37, 42와 47에서의 온도변화를 보여주고 있다. 앞서 제기한 바와 같이 온도변화가 발생되는 기준 점인 37에서 가장 낮은 온도 변화가 보이고 27과32가 유사한 형태를 보이고 42과 47이 유사한 형태를 보였다.
근거리와 원거리 영역이 형성될 수 있는 대공간 구획공간의 특성에 대해 Khan 등(1)은 내화구조 추정을 위한 화재모델의 평가 연구에서 공간 내에 국소적으로 시작한 화재가 바닥 전체로 확산된 이후에 소멸되고 이를 ‘이동화재(travelling fire)’라 한다고 하였다. 이러한 이동화재의 특성은 대공간 구획에서 균일하지 않은 온도 조건이 형상되기 때문에 온도변화를 정량화는 새로운 방법을 제안하는 것이 필요하고 이동화재에 대한 실험도 필수적이라고 하였다.
Rein 등(10)은 이러한 이동화재의 온도변화를 시간에 따라 추정하는 방법을 제안하였으며, 이는 열적 구성 요소에 따라 화염이 직접 영향을 주는 근접영역과 뜨거운 연기층만 존재하고 화염에서 멀리 떨어진 원거리 영역으로 구분하여 각 영역에 따라 온도변화를 다르게 추정하는 방법이다. 또한 화재 크기를 전체바닥 면적과 특정 면적의 비율로 제시하였으며, 최성기 화재를 100%로 나타내었다.
대공간 구획공간에서 기존의 구획공간에서의 화재특성 평가 방법과는 다른 방법의 필요성이 제기되고 있지만 관련 실대형 화재실험이나 수치해석적 방법들이 미비한 실정이다. 대표적으로 이동화재로 표현하여 앞서 제시한 근거리와 원거리로 나누어서 평가하는 방법과 전체 구획을 등분포로 구분하여 가열과 냉각구간이 시간에 따라 바뀌는 방법이 있다. 따라서 대공간 구획공간의 화재 특성은 향후 지속적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
4. 결 론
대공간 구획 공간은 내부의 가연물이 전소되면서 화염으로 전부 노출되어 화염이 외부로 출화되는 플래시오버 현상이 발생되기 어렵고 높은 천고로 인해 기존의 구획 공간 예측방법과는 차이가 있다. 이에 따라 본 연구에서는 실대형의 연소실험을 통해 대공간 구획 공간에서의 온도 성장을 분석해보고자 하였다.
실대형의 연소실험은 5.0 (L) × 25 (W) × 5.0 (H) m 크기의 철제 프레임으로 구성된 구획에서 0.45 (L) × 0.45 (W) × 0.1 (H) m 크기의 버너를 12개 배치시키고 에탄올을 연료로 사용하였다. 실험은 두 가지 착화 방법으로 진행하였으며, 첫 번째는 버너에 화염을 동시에 착화하였고 두 번째는 일정간격을 두고 화염을 착화하였고 천장부에 총 53 지점에 K-type 열전대선을 설치하여 실험을 통해서 온도변화를 측정하였다.
에탄올 버너의 열방출률을 사전에 파악하기 위해서 중규모 실험시설에서 산소소모량과 일산화탄소 및 이산화탄소의 발생량을 측정하여 산소소모율법을 통해 나타내었다. 실험을 통해서 측정된 최소 산소 농도는 20.59%, 최대 일산화탄소 농도는 29.65 ppm이고 최대 이산화탄소 농도는 0.22%로 나타났다. 최대 열방출률은 실험 시작 후 9 min 30 s에 158.34 kW로 측정되었다.
화재실험은 에탄올 풀버너가 소멸될 때까지 진행하였으며, 천창부에 총 53개 지점에서 온도변화를 K-type 열전대선을 설치하여 측정하였다. 화재실험 시간은 풀버너가 소멸되는 지점이며, 동시 착화는 13 min 37 s이고 지연 착화는 26 min 57 s로 나타났다. 에탄올 연료의 특성상 연기 등의 발생은 적게 발생되었으며 화염의 높이는 약 1 m 이하로 나타났다. 동시 착화에서는 화원 근처인 7지점에서 최대온도가 252.3 ℃로 측정되었으며, 지연 착화에서도 화원 근처인 8지점에서 181.0 ℃로 나타났다. 온도가 큰 폭으로 감소되는 35~39 지점들에서의 최대 온도는 동시 착화의 경우 144.1~135.0 ℃로 지연 착화에서는 97.1~94.9 ℃로 나타났다. 또한, 화원 근처의 천장부에서 가장 높은 온도를 보이고 출구 방향으로 서서히 감소되던 온도가 30~34 라인을 경계로 급격하게 감소하고 35~40 라인을 경계로 급격히 성장한 이후에 다시 감소하는 형태를 보였다. 이를 통해 해당 라인을 경계로 하여 근거리와 원거리 영역으로 구분되어 상이한 온도 변화의 특성을 보여준다고 판단된다.
대공간 구획공간에서는 기존의 구획공간에서의 평가 방법과 함께 다양한 요인이 포함된 새로운 방법들이 제시될 필요가 있다. 하지만 실대형 화재실험을 통한 데이터 확보 문제와 공학적 해석 방법의 미비 등으로 인해 한계를 보이고 있다. 하지만 추가적인 연구 및 실험 등을 통해 대공간 구획공간의 특성에 맞는 온도 성장 예측 방법이 필요하다고 판단된다.
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