Experimental Validation of Reference Energy Densities for the Fire Hazard Classification of Warehouse Commodities

오수 권; 재호 조; 호식 한; 철홍 황

doi:10.7731/KIFSE.e04c0ec9

요 약

물류창고 화재는 급격한 화재 성장과 높은 화재하중으로 대규모의 인명 및 재산 피해를 초래할 수 있어, 적재된 수용물품의 열방출 특성에 근거한 체계적인 위험성 평가가 요구된다. 그러나 물류창고의 저장 환경과 수용물품의 다양성으로 인해 열방출률 정보만으로는 정량적인 화재위험성 평가에 한계가 있다. 이를 보완하고자 수용물품의 화재하중밀도(fire load density)에 기반한 위험성 분류 체계가 제안되었으며, 화재위험성 등급에 따라 통계적으로 대표성을 갖는 연소열과 용적 밀도의 기준값이 제시되었다. 본 연구에서는 KAN 상품분류코드를 기반으로 실제 물류창고에 적재 가능한 총 35종 상품의 화재실험 결과를 반영하여 등급별 에너지밀도 기준값을 재산정하였다. 또한 기존 에너지밀도 기준값 간의 상대오차 분석이 이루어졌으며, 최대 19%로 확인되었다.

ABSTRACT

Warehouse fires can cause severe human and property losses due to rapid fire growth and high fuel loads, necessitating systematic risk assessments based on the heat-release characteristics of stored commodities. However, the wide variation in storage environments and commodity types limits the applicability of quantitative evaluations based solely on heat release rate data. To address this challenge, a fire-risk classification system based on fire-load density is proposed, incorporating statistically representative heat of combustion and bulk-density values. In this study, the reference energy density for each classification was updated using fire-test results for 35 commodity types selected according to the KAN product classification code, reflecting items commonly stored in warehouses. A relative-error analysis of the existing reference energy density values revealed a maximum deviation of 19%.

KeyWords: Warehouse fire hazard, Fire load density, Commodity classification, Heat of combustion, Gamma distribution function

1. 서 론

최근 유통 산업의 고도화와 비대면 경제 활성화에 따라 물류창고의 기능은 단순한 상품 보관을 넘어 자동화 기분의 분류⋅포장⋅가공 등으로 확대되었다. 이에 물류창고의 규모는 대형화 및 고층화되고 내부 구조 또한 더욱 복잡해지면서 물류창고 화재에 대한 체계적인 안전 대책의 필요성이 더욱 강조되고 있다. 그러나 물류창고는 다양하면서 유동적으로 바뀌는 수용물품(commodity)과 복합적인 적재 구조를 가지고 있어, 화재위험성을 정확하게 평가하기 위한 체계적 기반이 충분히 마련되지 않은 실정이다.

물류창고는 높은 연료하중밀도(fuel load density), 다양한 종류의 수용물품 및 랙(rack)을 활용한 수직 적재 방식 등으로 인해 화재 취약성이 높은 건축물 유형으로 분류된다. 물류창고에서의 화재 발생 빈도는 다른 건축물 유형에 비해 상대적으로 낮은 편이나, 급격한 화재성장과 열축적 특성으로 인해 대형화재로 이어질 가능성이 높다. 미국 화재예방협회(national fire protection association)의 통계자료에 따르면, 2016년부터 2020년까지 연평균 1,450건의 물류창고 화재가 발생하였으며, 연간 약 2억 8,300만 달러의 재산 피해가 보고되었다(1). 국내에서도 소방청(national fire agency)(2)에 따르면, 산업시설 화재 4,622건 중 창고시설 화재가 1,231건(26.4%)으로 두 번째로 높은 비중을 차지하여 물류창고 화재의 심각성이 확인되었다. 이와 같이 물류창고 화재는 전 세계적으로 빈번하게 발생하고 있으며, 위험성을 완화하기 위한 방호 대책에 관심을 기울이고 있다(3).

물류창고 화재 방호의 핵심은 내부에 적재된 수용물품의 열방출 특성을 정량적으로 평가하는 것이다. 이때 열방출률(heat release rate)은 화재의 강도와 성장 특성을 직접적으로 나타내는 지표로서, 다양한 화재 방호 체계를 위한 설계에 기초가 된다(4). 이와 관련하여 수용물품의 분류는 화재 위험도를 평가하기 위해 사용되며, 수용물품의 물리적 특성과 연소 특성을 기반으로 열방출률에 따라 화재위험성 등급을 분류하는 방법이다. 이와 관련하여 다양한 연구를 통해 NFPA13, FMDS0801, IFC 및 EN12845 등 물류창고 화재와 관련된 주요 국제 기준이 정립되어 활용되고 있다(5-8).

물류창고의 화재위험성을 정확하게 평가하기 위해서는 시간에 따라 변화하는 화재성상을 정량적으로 나타낼 수 있는 열방출률을 활용하는 것이 핵심이다. 그러나 열방출률은 수용물품의 종류뿐만 아니라 적재 조건, 물품 사이의 송기 공간 등과 같이 여러 환경적 요인에 민감하게 영향을 받기 때문에, 이를 일반화하기 어렵다는 한계가 있다(9). 이러한 이유로 최근에는 가연물에 대한 고유 재료 특성인 연소열(heat of combustion)과 연료의 기하학적 특성을 바탕으로 산출될 수 있는 화재하중(fire load) 또는 화재하중밀도(fire load density)가 물류창고의 화재위험성 평가의 대안적 지표로 주목받고 있다(10-13).

이에 본 연구에서는 본 연구팀의 선행연구에서 제안된 단순화된 화재위험성 등급화 기준을 기반으로 통계적 연소열 및 용적밀도를 통해 도출된 에너지밀도 기준값의 한계를 보완하고자, 실제 물류창고에 적재 가능한 35종의 수용물품에 대한 화재실험을 수행하였다. 실험을 통해 확보된 연소열 및 용적 밀도 DB를 반영하여 재산정(updated)된 기준값을 기존 기준값과 비교⋅분석하여, 등급별 대표성을 갖는 기준값에 대한 개선 가능성을 검토하고 보완된 에너지밀도 기준값을 제안하고자 한다.

2. 수용물품 화재위험성 등급화

2.1 개선된 수용물품의 화재위험성 등급화

물류창고 수용물품의 분류 체계는 효과적인 화재 예방 대책을 수립하고 화재 안전성을 확보하기 위한 기초를 이룬다. NFPA13, FMDS0801, IFC 및 EN12845와 같은 주요 국제 기준에서는 수용물품의 위험 등급에 따라 랙 내부의 스프링클러 설치 기준을 차등 적용하고 있으며(5-8), 이를 통해 물류창고의 화재 방호 성능을 확보하고자 한다. 선행연구에서는 국외 기준에서 제시하는 수용물품 분류 체계를 검토하여 기준 간 주요 유사점과 차이점을 분석하고, 이를 토대로 개선된 수용물품 화재위험성 등급화 기준을 재정립하였다(14).

일반적으로 수용물품은 화재위험성에 따라 Class I에서 IV까지, 그리고 별도의 특수위험 등급을 포함한 총 5단계로 구분된다. Class I과 II는 불연성 물질로 구성되고, Class III은 목재⋅종이⋅천연섬유등 셀룰로오스계 물질을 포함한다. Class IV는 질량 또는 부피 기준으로 소량의 플라스틱을 포함한 물품에 해당하며, 플라스틱 함량이 높은 물품은 특수위험 등급으로 분류된다. NFPA13과 FMDS0801에서는 특수위험 등급을 플라스틱의 발포 여부와 노출 여부에 따라 4개의 하위 그룹으로 세분화하고 있다. 그러나 연소열은 단위 질량당 에너지로 표현되므로, 동일한 플라스틱 재질이라면 포장 형태나 물리적 상태에 따른 연소열의 차이는 매우 제한적이다. 또한 포장재의 질량은 내용물 대비 상대적으로 작아, 포장 유무가 전체 연소열에 미치는 영향 역시 미미하다. 따라서 이러한 세부 하위 분류가 화재하중밀도(fire load density)에 미치는 영향은 제한적이기 때문에 기존의 7-8단계 분류 체계를 5단계로 단순화하였다.

Table 1은 연소열과 화재하중밀도에 기반하여 단순화된 수용물품 분류 체계를 제시한다. Class I에서 IV의 기준은 NFPA13과 FMDS0801을 주로 참고하였으며, Class V는 기존 특수위험 등급에 해당하는 항목을 통합하여 설정하였다. 이때 A⋅B⋅C 그룹의 플라스틱은 NFPA13을 따라 연소열을 기준으로 화재위험성의 크기를 나타낸다.

Table 1

Simplified Classification of Commodities Based on Heat of Combustion and Fire Load Density

Classification	Composition	Description
Class I	Materials	Non-Combustible Materials
	Packaging	Single Corrugated Cardboard Box
	Packaging	Includes Corrugated Dividers or Unit Shrink-Wrapping
Class II	Materials	Non-Combustible Materials
Class II	Packaging	Multiple Corrugated Cardboard Boxes, or Packed in Slate Wood or Wooden Crate
Class III	Materials & Packaging	Cellulosic Materials (e.g., Wood, Paper, Natural Fibers)
		May Contain Group C Plastics Entirely or Partially
		Group B or Group A Plastics Constitute 5% or Less of the Total Weight
Class IV	Materials & Packaging	Group B Plastics Constitute 5% or More the Total Weight
Class IV	Materials & Packaging	Group A Plastics Constitute Between 5% and 40% of the Total Weight
Class V	Materials & Packaging	Group A Plastics Constitute 40% or More of Total Weight

The Group A, B and C Classify Plastics Based on the Magnitude of Their HOC, with Group A Having Relatively High HOC, and Group C Having Relatively Low HOC.

2.2 화재하중밀도 산출 방법

물류창고 수용물품의 화재위험성 등급화 기준을 기반으로 화재하중밀도(fire load density, FLD)를 산출할 수 있다. 화재하중밀도는 단위면적당 방출되는 열량으로 정의되며, 식(1)과 같이 계산된다(15,16).

(1)

FLD=1Aχ∑i=1n(Δhc,iρiVi+Qp,i)

A는 물류창고의 바닥면적(m²), n은 면적A 에 적재된 물품의 개수를 의미한다. χ는 연소 효율로 0에서 1 사이의 값을 가지며, ∆h_c는 연소열(kJ/kg), ρ는 포장된 물품의 용적 밀도(kg/m³), V는 해당 물품의 부피(m³)를 나타낸다. Q_c는 팔레트(pallet)의 열량(kJ)을 의미한다. 현재까지 다양한 가연성 물질의 연소 효율을 정밀하게 산정할 수 있는 일반화된 방법은 확립되어 있지 않다. 따라서, 일반적으로 물류창고 수용물품의 외부 포장재로 사용되는 골판지 상자의 주요 구성성분이 셀룰로오스임을 고려하여, 셀룰로오스 물질에 적용되는 0.8이 적용되었다(17). 부피는 일반적으로 표준 팔레트의 바닥 면적과 적재높이를 이용해 산출할 수 있다. 팔레트의 열량은 미국 국립표준기술연구소(national institute of standards and technology)에서 수행한 목재 팔레트 실험 결과 및 FM global의 플라스틱 팔레트 실험값으로 적용하였다(18,19).

2.3 등급별 통계적 연소열 및 용적 밀도

물류창고 수용물품의 화재하중밀도를 산정하기 위해 등급에 따른 연소열과 용적 밀도의 기준값이 Table 2에 제시되었다. 선행연구에서는 문헌을 통해 수집된 309개의 연소열 데이터와 613개의 용적 밀도 데이터를 대상으로 확률분포함수를 적용하여 통계적 분석을 수행하였다(14). 이와 유사한 접근은 NUREG-2178에서도 확인되며, 해당 연구에서는 감마분포함수를 이용하여 원자력 발전소 전기 캐비닛 화재실험에서 측정된 열방출률의 75th 및 98th 백분위수(percentile)를 기준값으로 제시하였다(20). 이러한 방식은 평가 목적에 따라 특정 백분위수를 선택함으로써 보수성 또는 대표성을 조정할 수 있는 장점을 갖는다. 따라서 본 연구에서도 화재위험성 평가 목적에 따라 적절한 백분위수를 기준값으로 선정하여 등급별 연소열 및 용적 밀도 기준 설정에 활용할 수 있다.

Table 2

Commodity Classification Using the Mean, 75th and 98th Percentile Values Derived from the GDF

Classification	Mean Value			75th Percentile			98th Percentile
Classification	ρ_bulk (kg/m³)	∆h_c (kJ/kg)	^{Q ’’’} (MJ/m³)	ρ_bulk (kg/m³)	∆h_c (kJ/kg)	^Q’’’ (MJ/m³)	ρ_bulk (kg/m³)	∆h_c (kJ/kg)	^Q’’’ (MJ/m³)
Class I	14	15,900	223	14	17,000	238	14	18,800	263
Class II	28	15,900	445	28	17,000	476	28	18,800	526
Class III	340	17,500	5,950	850	20,200	17,170	1,790	26,500	47,435
Class IV	280	24,300	6,804	670	26,600	17,822	1,460	32,300	47,158
Class V	380	34,300	13,034	730	40,700	29,711	1,580	51,900	82,002

3. 실험 방법 및 조건

본 연구에서는 통계적 분석을 통해 도출된 연소열 및 용적 밀도 기준값을 재산정하기 위하여 실제 물류창고에 적재될 수 있는 수용물품을 대상으로 화재실험이 수행되었다. 다양한 위험성 등급을 갖는 수용물품을 선정하기 위해 유통물류진흥원(GS Korea)에서 제공하는 KAN 상품분류코드를 활용하였다(21). KAN 상품분류코드는 대분류-중분류-소분류의 단계적 구조를 통해 물류창고에서 취급되는 상품군을 체계적으로 분류하므로, 다양한 품목에 해당하는 상품을 선정할 수 있다. KAN 상품분류코드로 분류된 각 상품은 주요 재질과 플라스틱의 질량분율을 기준으로 화재위험성 등급이 산정되었으며, 이를 통해 다양한 등급을 균형있게 포함하는 총 35종의 상품이 선정되었다. 선정된 품목은 Table 3에 제시하였으며, Class I & II 8종, Class III 8종, Class IV 10종, Class V 9종으로 구성되었다.

Table 3

Selection of 35 Products for Fire Experiments Using the KAN Product Classification Code

Main Category	Middle Category	Subcategory	Products	Classification
Processed Foods	Instant & Convenience Foods	Ready-to-Cook Meals	Instant Curry	Class I & II
	Instant & Convenience Foods	Ramen Noodles	Packaged Ramen	Class I & II
	Canned & Bottled foods	Canned/Bottled Meat Products	Canned Ham	Class I & II
	Coffee & Cocoa	Instant Coffee	Coffee Mix	Class I & II
	Meal Substitutes	Noodles	Wheat Noodles	Class I & II
Household Essentials	Laundry Supplies	Laundry Detergents	Fabric Softener	Class IV
	Cosmetics	Hair Care Products	Shampoo	Class IV
	Hygiene Products	Toilet Paper	Toilet Paper	Class III
	Kitchen Supplies	Kitchen Consumables	Plastic Wrap	Class V
	Pet Supplies	Pet Steps	Dog Steps	Class V
Pharmaceuticals & Medical Devices	Quasi-Drugs	Masks	Protective Mask	Class III
Pharmaceuticals & Medical Devices	Medical Supplies	Medical Hygiene Products	Cotton Swabs	Class III
Educational & Cultural Products	Toys	Infant/Children’s Toys	Lego	Class IV
	Books	Study Guides/Test Prep Books	Test Prep Book	Class III
	Stationery & Office Supplies	Filing Supplies	File Box	Class IV
Digital & Home Appliances	Kitchen Appliances	Blenders/Grinders/Juicers	Blender	Class V
	Kitchen Appliances	Other Kitchen Appliances	Kitchen Trolley	Class I & II
	Home Appliances	Irons	Irons	Class V
	Peripheral Appliances	Appliance Parts/Cables	Power Strip	Class IV
	Health/Climate Appliances	Fans	Fan	Class V
Furniture & Interior Goods	Interior Accessories	Fabric Accessories	Cushion	Class V
	Interior Accessories	Fabric Accessories	Seat Cushion	Class V
	Living Room Furniture	Tables	Wooden Table	Class III
	Bedding Items	Other Bedding Items	Blanket	Class IV
Apparel	Fashion Apparel	Men’s Clothing	Short-Sleeve Cotton T-shirt	Class III
	Underwear	Kids/Junior Underwear	Junior Underwear	Class III
	Other Apparel	Other Apparel	Raincoat	Class IV
Sports & Leisure Goods	Hiking	Hiking Shoes	Hiking Shoes	Class IV
	Camping	Other Camping Gear	Ice Box	Class V
	Fitness	Hand Grip Exercisers	Hand Gripper	Class I & II
Fashion Accessories	Fashion Items	Stockings	Foot Cover Socks	Class III
	Women’s Footwear	Sandals/Slippers	Slippers	Class V
	Socks	Men’s Socks	Men’s Socks	Class IV
	Eyewear	Eyeglass Frames	Eyeglass Frame	Class I & II
	Travel Bags & Accessories	Travel Bags	Travel Bag	Class IV

Figure 1(a)는 연소열을 측정하기 위해 사용된 실험 장치의 구성을 나타낸다. 본 연구에서 적용된 중형 칼로리미터는 산소소모법에 기반하여 최대 300 kW까지 열방출률을 측정할 수 있다(4). 가연물의 하단에는 로드셀을 설치하여 연소 전⋅후 질량 차이를 측정함으로써 질량 손실을 산출하였다. 단위 질량당 방출된 총 에너지는 식(2)를 통해 계산되며, 이를 통해 연소열을 구할 수 있다.

(2)

Δhc=1Δm∫0tQ˙dt

Figure 1

Schematic of calorimeter for heat of combustion measurements and experimental setup examples.

여기서Q˙는 열방출률(kW), t는 연소 시간(s)을 의미한다. 점화원으로는 메탄올(CH₃OH) 4 mL를 함침한 세라크울이 사용되었으며, 최소 점화에너지의 관점에서 화재확산을 안정적으로 개시할 수 있도록 선정되었다.

Figure 1(b)는 선정된 35종의 상품 중 서로 다른 등급을 대표하는 4종의 가연물을 나타낸다. 일반적으로 실제 상품은 내용물(material), 내부 포장재(internal packing), 그리고 외부 포장재(external packaging)로 구성된다. 내용물과 내부 포장재는 운송 및 적재 조건에 따라 크게 변하지 않으나, 외부 포장재는 재질과 형태가 물류 조건에 따라 달라질 수 있다. 또한 외부 포장재의 영향이 내용물 특성보다 작은 경우에는 전체 화재성상에 미치는 영향이 제한적이지만, 외부 포장재가 상대적으로 큰 영향을 미치는 경우에는 분석의 일관성을 확보하기 어렵다. 이에 따라 본 연구에서는 수용물품 등급별 내용물 및 내부 포장재의 화재특성을 일관되게 비교하기 위해 외부 포장재의 영향을 배제하였다. 모든 가연물은 Figure 1(b)와 같이 한 변의 길이가 0.3 m인 정육면체 형태의 골판지 상자에 동일하게 포장하여 화재실험이 수행되었다.

4. 실험 결과 및 고찰

4.1 칼로리미터의 신뢰성 검증

수용물품 등급에 따른 가연물의 연소열을 산정하기 위해서는 열방출률의 정확한 측정이 필수적이다. 이를 위해 프로판(C₃H₈)을 연료로 사용하여 단계적인 공급량 변화에 따른 산소소모열량계의 측정 정확도 검증 및 평가가 수행되었다.

Figure 2(a)는 프로판의 공급량에 따른 이론 열방출률과 측정 열방출률을 비교한 결과로, 두 값이 매우 유사하게 나타남을 확인할 수 있다. Figure 2(b)에서는 각 구간에서 측정된 열방출률을 시간에 따라 평균하여 이론 열방출률과의 관계를 함수의 형태로 도시한 그림이다. 분석 결과, 측정된 열방출률은 이론값과 1.001의 기울기를 갖는 선형적인 관계로 확인되었다. 또한 이론 열방출률을 기준으로 산소소모열량계의 측정값을 비교한 결과, 평균적으로 약 ±6% 이내의 오차 범위에서 측정 정확도가 확보되는 것으로 나타났다. 이러한 결과를 통해 본 연구에서 사용된 칼로리미터의 신뢰성이 충분히 확보되었음을 확인하였다.

Figure 2

Comparison of ideal and measured HRR according to flow rate of the C₃H₈ in a medium-scale calorimeter.

4.2 화재실험을 통한 연소열 측정

Figure 3은 Table 3에 제시된 35종의 상품 중 Class I & II부터 V까지 서로 다른 등급을 대표하는 4종의 가연물에 대해, 시간에 따른 화재 성상을 단계별로 나타낸 것이다. 실험 결과, 모든 가연물에서 점화 이후 약 120 s까지 외부 포장재로 사용된 골판지 상자의 표면에서 수직 화염확산이 우세하였으며, 이후 화염이 상자 내부로 확산되어 내용물과 외부 포장재가 동시에 연소하는 경향을 보였다.

Figure 3

Experimental flame photographs of products. (a) Canned ham; (b) Test prep book; (c) Hiking shoes; (d) Slippers.

이러한 경향에 대한 정량적인 분석 결과는 Figure 4를 통해 제시되었으며, 각 등급에 해당하는 상품의 열방출률과 산출된 연소열을 확인할 수 있다. 본 연구에서 외부 포장재는 한 변의 길이가 0.3 m인 정육면체 골판지 상자로 통일하여 사용하였으며, 반복 실험을 통해 빈 골판지 상자의 평균 총열량은 5,485 kJ로 확인되었다. 이에 따라 실험을 통해 측정된 총열량에서 빈 골판지 상자의 총열량을 제외하여 내용물 및 내부 포장재에서 발생한 순수 총열량을 산정하였다. 이후 초기 질량과 연소 후 질량의 차이를 함께 고려하여 각 상품에 대한 연소열을 도출하였다.

Figure 4

Heat release rates measured from fire test for various products representing commodity classes I-V.

Class I & II에 해당하는 통조림 햄의 최대 열방출률은 61.2 kW, 연소열은 10,802 kJ/kg으로 확인되었다. Class III에 해당하는 수험서의 최대 열방출률은 88.6 kW, 연소열은 22,129 kJ/kg으로 확인되었다. Class IV 및 V에 해당하는 등산화와 슬리퍼의 최대 열방출률은 76.8 kW 및 98.5 kW, 연소열은 31,412 kJ/kg 및 33,848 kJ/kg으로 확인되었다.

4.3 재산정된 연소열 및 용적밀도 기준값

물류창고의 수용물품의 위험성 등급에 따라 대표성을 갖는 연소열 및 용적 밀도 기준값을 재산정하기 위해, 문헌 기반 자료와 실제 실측값을 통합한 연소열 및 용적 밀도 DB에 대해 확률분포 기반의 통계적 분석이 수행되었다. 기준값 도출을 위해 확률밀도함수(probability density function)를 적용하였으며, 이에 앞서 적절한 분포 형태를 선정하기 위해 DB의 누적분포함수(cumulative function)와 누적된 DB의 상관성이 검토되었다.

KAN 상품분류코드를 기반으로 수집된 503개의 용적 밀도 데이터와 본 연구에서 확보한 35종의 실제 상품 실측 용적 밀도를 통합하여 Class III-V의 DB를 구성하였다. Figure 5는 통합된 용적 밀도 DB의 누적분포에 정규누적함수(normal cumulative function, NCF)와 감마누적함수(gamma cumulative function, GCF)를 적용시켜 비교한 결과이다. Figures 5(a)~5(c)에서 확인할 수 있듯이, 모든 등급에서 감마누적함수의 결정계수(coefficient of determination, R²)는 0.980에서 0.993으로 나타났으며, 정규누적함수의 결정계수보다 1에 더욱 가까웠다. 이는 용적 밀도 데이터가 비대칭성을 갖는 감마분포 특성과 높은 상관성을 갖는다는 것을 의미하며, 특히 Class IV의 경우 가장 우수한 적합도를 나타냈다.

Figure 5

Correlation analysis between bulk density DB by commodity classification and GCFs.

이때 Class I & II의 경우, 불연성 내용재의 질량 비중으로 인해 실제 연소반응에 참여하는 가연물의 밀도가 낮게 나타날 가능성이 높다. 이에 따라 Class I & II 등급의 용적 밀도는 연소반응에 참여할 수 있는 대표적인 외부 포장재로써, 다양한 체적 및 질량을 갖는 빈 골판지 상자를 대상으로 도출한 상관식의 기울기로써 14.0 kg/m³과 28.0 kg/m³이 적용되었다.

용적 밀도 DB에 대한 적합한 분포 형태가 감마분포임이 확인됨에 따라, Figure 6은 Class III-V에 감마분포함수(gamma distribution function, GDF)를 적용하여 도출한 상세 통계값을 제시한다. 주요 결과로써, 각 등급에 해당하는 수용물품의 평균 용적 밀도 및 표준편차, 그리고 감마분포함수의 형상 모수 및 척도 모수가 제시되었다. 이는 각 등급에 해당하는 수용물품의 특성에 따른 분포의 형태적 차이를 나타낸다. 또한 물류창고 설계 및 위험성 평가에는 평균값만으로 고위험 시나리오를 적절히 반영하기 어렵기 때문에, 감마분포함수의 75th 및 98th 백분위수가 함께 제시되었다. 이러한 백분위수 기반의 기준값 제시는 용적 밀도가 물품의 재질, 포장 구성 등 여러 요인의 영향을 동시에 받기 때문에 등급 내 변동성이 크게 나타날 수 있는 가능성을 고려할 때 특히 중요하다. 즉, 동일 등급에 해당하더라도 실제 물류창고에서는 다양한 형태의 고밀도 물품이 존재할 수 있으므로, 평균값만으로는 화재위험성을 충분히 반영하기 어렵다. 이에 비해 75th 및 98th 백분위수는 등급 내 상위 밀도 구간을 함께 고려할 수 있어, 고밀도 가연물이 포함된 보수적 시나리오까지 반영할 수 있는 현실적인 기준값으로 활용될 수 있다.

Figure 6

Bulk densities of Class III-V commodities based on classification using GDFs.

용적 밀도 DB와 감마누적함수의 상관성 분석을 통해 감마분포가 수용물품의 기하학적⋅물질적 특성을 적절히 반영하는 함수임을 확인하였으며, 동일한 접근법을 연소열 DB에도 적용하였다.

Figure 7에는 측정 및 문헌을 통해 수집된 연소열 DB의 누적분포와 감마누적함수를 비교한 결과가 제시되었다. 분석 결과, 각 등급의 연소열 DB는 감마누적함수와 매우 유사한 형태를 보였으며, 모든 등급에서 결정계수가 0.94 이상으로 나타나 적절한 상관성이 확인되었다. 특히 Class V는 감마누적함수와의 결정계수가 0.991로 높은 상관성으로 나타났다.

Figure 7

Correlation analysis between heat of combustion DB by commodity classification and GCFs.

Figure 8은 각 등급에 대해 감마분포함수를 적용한 결과를 제시하고 있으며, 감마분포의 평균, 표준편차, 형상모수 및 척도모수가 함께 제시되어있다. Class I & II의 경우, 평균 연소열이 15,565 kJ/kg, 표준편차가 2,068 kJ/kg으로 나타나 분포 폭이 상대적으로 좁고 집중된 형태를 보인다. 이는 Class I & II가 불연성 물질로 구성되어 있어 연소 특성의 변동성이 낮기 때문이다. 반면 Class V는 평균 34,971 kJ/kg으로 가장 높은 값을 나타냈으며, 우측 비대칭성이 두드러진 분포 형상을 보였다. 이는 해당 등급의 수용물품이 높은 연소 잠재력을 갖고 있을 뿐만 아니라, 고열량 구성물의 분포 변동성이 크다는 점을 명확히 보여주는 결과이다.

Figure 8

Heat of combustion DB based on commodity classification using GDFs.

또한 물류창고의 화재위험성 평가 목적에 따라 단순 대푯값 산출에 그치지 않고, 필요 시 보수적인 설계 기준을 적용할 수 있도록 감마분포함수 기반의 75th 및 98th의 백분위수를 함께 제시하였다. 75th 백분위수는 평균보다 높은 수준의 위험성을 평가하는데 유용하며, 98th 백분위수는 고위험 시나리오를 고려한 보수적 설계가 활용될 수 있다. 이러한 다중 백분위수 기반의 기준값 제시는 수용물품 등급별 연소 특성의 변동성을 실제 설계와 평가에 유연하게 반영할 수 있다는 점에서 실무적⋅학술적 의의가 크다고 판단된다.

4.4 등급화 기준에 따른 에너지밀도

Table 4는 본 연구에서 수행한 35종의 실제 상품에 대한 화재실험 결과를 반영하여 도출된 재산정된 용적 밀도 및 연소열 기준값을 기반으로, 위험성 등급에 따른 에너지밀도(heat release per unit volume)를 정량적으로 비교한 것이다. 각 등급의 에너지밀도는 식(3)과 같이 산출된다.

(3)

Q'''=hc×ρ

Table 4

Updated Commodity Classification Using Updated GDF Parameters Incorporating the Present Fire Experiment Data

Classifi- cation	Mean Value						75th Percentile						98th Percentile
	∆h_c (kJ/kg)		ρ (kg/m³)		^{Q ’’’} (MJ/m³)		∆h_c (kJ/kg)		ρ (kg/m³)		^{Q ’’’} (MJ/m³)		∆h_c (kJ/kg)		ρ (kg/m³)		^{Q ’’’} (MJ/m³)
	V_updated	RE	V_updated	RE	V_updated	RE	V_updated	RE	V_updated	RE	V_updated	RE	V_updated	RE	V_updated	RE	V_updated	RE
Class I	15,565	2.1	14		218	2.2	17,330	1.9	14		243	2.1	20,595	9.5	14		288	9.5
Class II	15,565	2.1	28		436	2.0	17,330	1.9	28		485	1.9	20,595	9.5	28		577	9.7
Class III	17,640	0.8	330	2.9	5,821	2.2	20,755	2.7	688	19	14,279	17	27,498	3.8	1,516	15	41,687	12
Class IV	24,789	2.0	277	1.1	6,867	0.9	27,252	2.5	700	4.5	19,076	7.0	33,339	3.2	1,517	3.9	50,575	7.2
Class V	34,971	2.0	370	2.6	11,890	8.8	40,315	0.9	722	1.1	29,107	2.0	53,081	2.3	1,564	1.0	83,019	1.2

에너지밀도는 연소열과 용적 밀도를 통해 산출되는 단위 체적당 방출하는 열량이며, 화재하중밀도는 이러한 에너지밀도를 모든 수용물품에 대해 합산하여 바닥면적으로 나누어 산정되는 값이다. 즉, 에너지밀도는 화재하중밀도를 구성하는 기본 단위량으로 수용물품 등급화 기준의 근거를 구성하는 핵심 지표가 된다. Table 4에는 각 등급에 대해 평균값(mean value), 75th 백분위수, 98th 백분위수에 해당하는 연소열, 용적 밀도 및 에너지밀도가 종합적으로 제시되어있다. 불연성 물질로 구성된 Class I & II의 경우, 실제 내용물은 연소에 거의 참여하지 않으므로 외부 포장재인 빈 골판지 상자의 용적 밀도로써 14.0 kg/m³과 28.0 kg/m³이 적용되었다. 이러한 접근은 포장재 중심으로 열량이 발생하는 저위험 등급의 특성을 반영하여, 용적 밀도의 편차가 불필요하게 과대평가 되는 것을 방지한다. 수용물품의 화재위험성 등급이 높아질수록 연소열과 용적 밀도 모두 증가함에 따라 에너지밀도 또한 증가하였다. Class V의 경우, 평균 에너지밀도는 약 11,890 MJ/m³으로 나타나 Class I의 약 218 MJ/m³과 비교하여 약 54배 이상 높은 값으로 확인되었다.

Table 2에 제시된 선행연구의 기준값과 본 연구를 통해 재산정된 기준값 간의 상대오차(relative error, RE)가 식(4)에 따라 산출되었다.

(4)

RE(%)=|Vupdated−Vbaseline|Vbaseline×100

여기서, V_updated는 화재실험 결과가 반영되어 재산정된 용적 밀도, 연소열 및 에너지밀도가 해당된다. V_baseline은 선행연구에서 제시된 용적 밀도, 연소열 및 에너지밀도를 의미한다. Class III-V의 경우, 기존 기준값 대비 최대 19%의 오차가 나타났는데, 이는 플라스틱이 포함된 복합적인 물질로 이루어진 고위험 등급 물품의 재질과 구성의 다양성으로 인해 기존 데이터보다 더 넓은 범위로 분포하여 변동성이 크게 확인되었다. 반면 Class I & II는 상대적으로 작은 오차를 보였는데, 이는 저위험 등급의 연소 특성이 비교적 단순하며, 외부 포장재의 영향이 지배적이기 때문에 변동의 폭이 작은 것으로 확인되었다.

종합적으로 Table 4에서 제시된 재산정된 기준값은 문헌 기반 기준이 가지는 한계를 보완하며, 실제 물류창고에서 취급되는 수용물품의 연소 특성과 구성 변동성을 더욱 현실적으로 반영한다. 다만 고위험 등급의 수용물품은 변동성이 크게 나타나 기준값의 일반를 위해서는 실측 데이터를 확대할 필요가 있다. 향후 연구에서는 수치해석을 통해 재산정된 에너지밀도 기준값을 적용하여 타당성과 실효성을 검증하고자 한다.

5. 결 론

단순화된 물류창고 수용물품의 화재위험성 등급화 기준을 바탕으로, 문헌 기반의 통계적 분석을 통해 연소열 및 용적 밀도 기준값이 도출되었다. 이러한 기준값의 한계를 보완하고 실제 물류창고 수용물품의 연소 특성과 구성의 다양성을 반영하고자, 본 연구에서는 KAN 상품분류코드를 활용하여 총 35종의 수용물품에 대한 화재실험이 수행되었다. 실험을 통해 확보된 연소열 및 용적 밀도 DB를 감마분포 기반 통계 분석에 적용하여 등급별 에너지밀도 기준값을 재정립하였으며, 주요 결론은 다음과 같다.

(1) 용적 밀도 및 연소열 DB는 감마누적함수와 높은 상관성을 나타냈으며, 특히 Class III-V에서는 결정계수가 0.98 이상으로 감마분포가 데이터의 분포 특성을 적절하게 설명하는 것으로 확인되었다. 고위험 등급인 Class V의 경우, 용적 밀도 및 연소열의 결정계수가 각각 0.980 및 0.991로 높은 적합성을 보였고, 평균 연소열 34,971 kJ/kg과 우측 비대칭성 분포는 해당 등급 물품의 높은 연소 잠재력이 확인되었다.
(2) 감마분포함수 기반의 통계값(평균, 75th 및 98th)을 활용하여 등급별 에너지밀도를 산출한 열과, 위험성이 증가할수록 연소열과 용적 밀도가 증가하는 경향이 확인되었으며, 등급 간 연소 특성 차이가 명확하게 구분되었다. 이를 통해 재산정된 에너지밀도 기준값이 도출되었다.
(3) 기존 선행연구에서 제시된 기준값과 재산정된 기준값 간의 상대오차를 분석한 결과, Class III-V의 고위험 등급에서는 기존 기준 대비 최대 19%의 차이가 확인되었다. 반면 Class I & II는 포장재 중심의 단순 연소 특성으로 인해 상대오차가 작게 나타났다. 재산정된 기준값은 실제 물류창고 수용물품의 연소 특성을 보다 현실적으로 반영함으로써, 향후 물류창고의 정량적 화재위험성 평가와 방호 설계의 신뢰도 향상에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.